Будущее за водородом - BMW идет своим путем

Водород: простейший, легчайший - и первый элемент периодической таблицы. Как компонент воды, он по-видимому, один из первых строительных блоков всей жизни. Водород – самый распространенный элемент в обозримой вселенной. И кроме того – топливо будущего.

Когда он сгорает (в кислородной среде) или соединяется с кислородом в топливных элементах для получения электроэнергии, единственным отходом оказывается вода. У него возобновимый жизненный цикл, то есть один и тот же атом водорода может работать снова и снова. Как объясняет William Harney, директор отдела развития изделий конгломерата Magna International (автомобильные комплектующие), “Мы только берем его энергию взаймы”.

Чистое топливо

Отчет известного исследователя и писателя James'а Cannon’а, составленный в 1998 по заданию американской некоммерческой экологической информационно-интеллектуальной организации Inform, показывает, что перевод транспорта на водородное топливо способен сократить выбросы парниковых газов на 65-95%.

BMW не жалеет усилий, чтобы приблизить к нам водород. Их лозунг “Эра водорода началась”, возможно, еще опережает события, но они приводят неотразимые доводы и показывают, что не страдают безосновательным оптимимзмом.

Huss, представитель BMW, отмечает, что запасы ископаемых топлив ограничены, но дело даже не в том. Нужно сдвинуть мир в сторону безуглеродного топлива.

“Углерод”, присутствующий во всех ископаемых топливах и в горючем из растительного сырья – как метанол и этанол, “враг”, убежден Harney. Именно углерод из бензина и других видов горючего на основе нефтепереработки подозревается как основной виновник глобального потепления. Углеродсодержащие топлива при сгорании выделяют угарный углекислый газы, которые климатологи и экологи обвиняют в задержке солнечного тепла в атмосфере, что ведет к глобальному повышению температуры. Если так, результаты могут обернуться катастрофой, - например, затоплением побережий, если полярные шапки начнут таять, и бесконечными засухами в сельскохозяйственных районах.

BMW 745h

Никто даже не упоминает о влиянии на смог и другие формы загрязнения. И все же, несмотря на огромную активность экологического лобби, спрос на энергию только возрастает. Миллионы в развивающихся странах испытывают жажду в энергии. Конечно, численность населения Земли увеличивается, и каждый из нас, как говорит Lauren Segal, генеральный менеджер водородного отдела гиганта нефтепереработки BP, предъявляет все более высокий спрос на энергию.

С учетом знания того, что ископаемые топлива однажды иссякнут, - хотя и неясно, когда именно, - два последние пункта указывают на необходимость уже теперь заниматься альтернативными источниками энергии. Huss говорит, что BMW считает своей целью движение к “зеленым” источникам горючего – без ограничения индивидуальной мобильности. И еще они хотят, чтобы такие источники энергии по-прежнему оставались бы источниками радости от вождения, которой так славится BMW.

Водород уже отмечен как предпочтительное топливо для ТЭ, которые вырабатывают электричество в процессе соединения водорода и кислорода в воду. А BMW создала флот из 15 седанов 7-й серии на водороде, 745h, чтобы показать возможности конверсии двигателя внутреннего сгорания (д.в.с.) на водородное горючее. В сотрудничестве с Magna Steyr, австрийской дочерней компанией канадской Magna International, и Linde AG, Германия, BMW разработала способ хранения водорода, доставки его на заправочные станции и зарядки автомобилей. Теперь BMW пробивает правительства по всему свету, требуя назвать водород “топливом будущего” и поддержать строительство “водородной экономики” - с созданием инфраструктуры для доставки водорода конечным потребителям.

И хотя BMW предпочитает сжигать водород – по своим резонам, - неважно, будет ли такая инфраструктура поставлять водород для ТЭ – или для д.в.с. До тех пор, пока они выпускаются.

Водород очень легок и поэтому как источник энергии он создает немало проблем. Его плотность в газообразном состоянии низка до такой степени, что для поездки вокруг жилого квартала нужно количество газа, способное заполнить спортзал. Даже в сжиженном виде на пробег, для которого достаточно литра бензина, нужно 3 л водорода. Он настолько летуч, что хранение его – тяжелая задача. Малейшая потеря газонепроницаемости означает, что водород скоро улетучится.

На обе задачи есть два решения, но ни одно из них нельзя назвать легким. Первое в том, чтобы хранить его в жидком виде при невысоком давлении. Легче сказать, чем сделать, так как температура кипения водорода –253C. То есть лишь в 20о от абсолютного нуля по Кельвину. Хранение столь холодной жидкости требует сверхтеплоизолированной емкости – и столь же надежно изолированного канала передачи на АЗС.

Альтернатива – в хранении его под высоким давлением, сверх 700 бар, то есть более, чем в 7 сотен раз превышающем атмосферное. Отсюда колоссальные структурные проблемы. BMW, Linde и Magna Steyr избрали 1-й способ. Чтобы решить задачу теплоизоляции, пришлось построить 2-слойный баллон, что-то вроде окна с 2-м остеклением. Внутренняя емкость окружена несколькими слоями высокоотражающего материала, “космического одеяла”, который, в свою очередь, изолирован глубоким вакуумом.

Jorg Buchholz, помощник исполнительного вице-президента Magna Steyr по НИОКР, утверждает, что их криогенный баллон способен сохранять жидкий водород до 15 дней, после чего автоматика стравит часть газа, чтобы понизить давление в емкости и сохранить остальное в жидком виде.

BMW 745h

“Водородник” 7-й серии на первой водородной АЗС общего пользования в мюнхенском аэропорту.

Mini Cooper H: группа BMW показывает первый малый автомобиль с д.в.с. на водороде.

BMW и California Fuel Cell Partnership (Калифорнийское партнерство по ТЭ) построили по водородной АЗС в Мюнхене и Oxnard, Калифорния. Когда подходит машина, “робот” автоматически открывает крышку заправочной горловины и вставляет наконечник в приемное отверстие. Соединение замыкается, и жидкий водород (LH2) поступает в баллон.

Как объясняет Huss, система, применяемая на каждой из станций, совместима и с жидким, и со сжатым до 700 бар водородом, так что можно выбирать.

В Северной Америке удобно получать водород

Получить водород довольно просто. Опустите два электрода в сосуд с водой. Дайте постоянный ток. Пузырьки водорода пойдут от отрицательного полюса, кислорода – от положительного.

Можно также расщеплять углеводороды и получать водород, но такой способ бьет мимо цели в 2-х смыслах. Во-первых, используется все то же невозобновляемое ископаемое топливо, и во-вторых, опять-таки выделяются соединения углерода. Так что выбросы CO2 не уменьшаются, и зависимость от ископаемых топлив не ослабевает.

Кроме того, остатки после извлечения водорода весьма токсичны. Но даже и в случае с водой не все так просто. По законам физики, энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает. А также не существует систем со 100%-м к.п.д. – иначе появляется теоретически недопустимый вечный двигатель.

Все это означает, иначе говоря, что в получение водорода неизбежно вовлечено больше энергии, чем используется для приведения автомобиля в движение. Сжигание угля или расщепление атомного ядра для выработки электроэнергии для получения водорода для приведения автомобилей в движение просто бессмысленно.

Значит, водород нужно получать дешево и с использованием возобновляемых ресурсов, иначе его преимущества сомнительны. Вот почему эксперты BMW и BP ищут другие способы получения электроэнергии. Некоторые обращаются к солнечной радиации, которая нагревает воду и вырабатывает электроэнергию для расщепления воды на водород и кислород. Солнечная энергия используется для получения электричества и напрямую, но низкая эффективность так называемых “солнечных элементов” пока не дает больших авансов. Другие способы используют для выработки электричества энергию ветра.

У Канады, похоже, есть другой ответ. Гидроэнергии в Канаде больше, чем где бы то ни было. Для Канады недорогие гидроэлектростанции могут стать тем, чем станет солнечная радиация для экваториальных стран или движение воздуха в продуваемых ветром регионах. Как считает Segal, водород получит значение, когда его будут получать в массовых количествах в областях, где электроэнергия дешева – как Квебек или Манитоба, - и транспортировать (в жидком виде) как сейчас нефть.

Богатые гидроэнергией регионы могут стать для “водородной экономики” тем, чем Ближний Восток стал для эпохи нефти. Очарование “водородной экономики” в том, что она учится у природы – вместо того, чтобы навязывать природе свою волю. Если взглянуть на Землю как на замкнутую систему, использование водорода либо в д.в.с., либо в ТЭ возможно в экологически нейтральном цикле. Вот что имеет в виду Harney, Magna International, когда говорит о заимствовании энергии водорода.

Если взять воду, получить из нее водород с помощью возобновляемых источников энергии и затем сжигать газ, он по существу возвращается в земную экосистему в виде воды. Так что водород по существу остается в системе. Запрет вечного двигателя не нарушен: для получения водорода расходуется внешняя энергия, которая и есть необходимое поступление в систему извне. Таким образом водород удается использовать снова и снова.

Первые автомобили на водороде будут bi-топливными

Если водород – горючее будущего, он прежде всего получит применение в парках машин, в городских автобусах и развозных фургонах, которые не уезжают слишком далеко, чтобы требовались водородные АЗС помимо одной – на базе. Как считает Segal, водород станет привлекательным топливом для покупателей, когда 25% заправочных станций BP (и по экстраполяции, четверть всех АЗС) начнут предлагать газ.

Дорогостоящее предположение, поскольку сейчас такая АЗС – с одной-единственной колонкой - стоит миллион долл. Segal утверждает, что по оценкам BP, экономия от масштаба сведет капитальные затраты до 400 тыс. долл. на заправочную станцию, но даже и тогда они превышают общие затраты на создание комплектной обычной АЗС (вместе с розничной лавочкой, туалетами и автомойкой).

Как говорит Segal, водород выдвигает классическую дилемму “курица или яйцо”. Люди не станут покупать “водородные” машины, пока их негде заправлять, а продавцы топлива не будут инвестировать в водородные АЗС, которым некого обслуживать. Значит, до тех пор пассажирские автомобили должны оснащаться bi-топливными системами, которые можно переключить на бензин, если нет водорода. По мере расширения сети водородных АЗС нужда в bi-топливных системах сойдет на нет.

Segal утверждает, что движение в сторону водорода нарастает в разных регионах мира, но по разным мотивам. В Европе главная цель – это обуздание загрязнения среды. В США – преодоление зависимости от импорта нефти.

Segal и Huss считают, что до массовой коммерциализации “водородных” машин еще лет 8. Но по словам Huss’а, BMW намерена начать выпуск модели 745h где-то между 2004 и 2006. Они будут – как и нынешний парк 745h - bi-топливными.

Водород так же безопасен, как бензин

Очередным шагом станет, как говорит Harney, Magna, “создание рыночной тяги”. Правительства и автомобилестроители не станут торопиться запрыгнуть в “водородный” поезд, пока покупатели не начнут предъявлять нарастающий спрос. Так что по программе the World Conference on Hydrogen (Всемирной конференции по водороду), 745h по ходу BMW CleanEnergy World Tour 2002 (Кругосветное путешествие BMW на чистой энергии) прибыла в Монреаль. Своими демонстрациями в центре на Rene Levesque Boulevard и у Montreal Science Centre, BMW и Magna Steyr надеются привлечь внимание к водороду.

Отчасти речь идет о развеянии опасений по поводу водорода. Те, кто помнит катастрофу дирижабля Hindenburg, нередко ошибочно винят водород в том пожаре, который погубил воздушный корабль. Но поскольку водород стремительно рассеивается в воздухе, действительным виновником стала покрытая магнием оболочка дирижабля.

Segal признает, что “люди склонны относиться к водороду настороженно”. Но как сообщает Huss, разносторонние испытания, проведенные BMW, показали, что риск при столкновениях водородных” автомобилей такой же, как на бензине. Он отмечает, что бензин вытекает из бака и разливается под машиной. При вспышке он способен сжечь все внутри. Напротив, водород быстро рассеивается в воздухе.

Водород не взрывается, но очень быстро сгорает. “Бензин горит на земле, водород – в воздухе”.