Чи можуть автомобілі на водній тязі дійсно працювати? Правда про шахрайство з воднем
Ви б миттєво перейшли на паливо, яке виділяє лише водяна пара. Ось ця обіцянка. І загалом воно справедливе. Автомобільні виробники активно розробляють системи, що дозволяють замінити бензин воднем. Його багато. Він залишає менший екологічний слід, ніж нафту.
Існує два основні шляхи розвитку цієї технології. Один із них передбачає переобладнання існуючих двигунів внутрішнього згоряння для спалювання водню за необхідності. Інший використовує паливні елементи для вироблення електроенергії. Обидва підходи спрямовані на вирішення однієї й тієї ж проблеми. Але хайп створив вакуум. Шахраї поспішають його заповнити.
Хімія чистого водіння
Всі ці технології спираються на той самий базовий принцип, що й ваша щоденна подорож на роботу. Хімічна енергія, запасена паливі. Вивільняється під час реакції. При використанні бензину або водню в традиційному двигуні ця реакція – горіння. Ви спалюєте його. Тепло перетворюється на механічну енергію, яка приводить у рух поршні.
Паливні елементи працюють інакше. Вони нічого не спалюють. Вони з’єднують водень із киснем із повітря. Ця хімічна реакція пропускає фазу нагрівання. Вона генерує електричну енергію безпосередньо. Ця електрика потім живить електродвигун. Це спрощене пояснення. Інженерне рішення під капотом набагато складніше. Якщо вам потрібні подробиці, ознайомтеся з посібниками щодо того, як працюють автомобільні двигуни або як функціонують паливні елементи.
Але будьмо чесні. Ви не можете просто перетворити свій седан на автомобіль на водній тязі за допомогою дешевого комплекту. Ми розглянемо реальну науку, що стоїть за автомобілями на паливних елементах та двигунами внутрішнього згоряння на водні. Ми також розберемо останні рекламні оголошення, що обіцяють просту конверсію для роботи вашого автомобіля на воді. Спойлер. Це брехня.
Насправді водень безпечний?
Почувши “водневий автомобіль”, більшість людей бачать “Гінденбург”. Образ вогненної катастрофи залишається у пам’яті. Це серйозна перешкода. Суспільство сприймає водень як летючу речовину. Автомобільні виробники наполягають, що він так само безпечний, як бензин. Вони намагаються довести це за допомогою тестів та протоколів безпеки. Це рідко переконує скептиків.
Доказ у дотриманні правил. Коли BMW тестувала Hydrogen 7, обмеження були негайними та суворими. Автомобільний критик газети The New York Times Лоуренс Ульріх спробував проїхати на прототипі через тунелі Лінкольна та Голландії. Його зупинили. Управління портів Нью-Йорка та Нью-Джерсі не дозволило цього. Чому? Тому що в тунелях діють суворі правила щодо водневих транспортних засобів. Страх був настільки реальний, що зірвав тест-драйв.
Ця проблема сприйняття уповільнює використання. Це не означає, що технологія flawed (не flawless). Це означає, що люди бояться бака.
Водень на вимогу
Концепція звучить досить легко. Створювати водень усередині автомобіля. Змішувати його із повітрям. Палити. Це підхід «на вимогу». Він використовує існуючу архітектуру двигуна внутрішнього згоряння. Вам не потрібна нова електрична трансмісія. Вам не потрібно негайно перебудовувати весь ланцюжок поставок.
Проте ефективність падає. Генерація водню на борту потребує енергії. Ця енергія надходить із самого палива чи бортового реформера. Це складний процес. Ви втрачаєте енергію на етапі перетворення. Проте для традиційних виробників це пропонує перехідний етап. Спосіб зберегти актуальність двигунів внутрішнього згоряння одночасно знижуючи викиди з вихлопної труби.
«Існує ряд шахрайських схем, які намагаються отримати вигоду з попиту на технології чистої енергії».
Але перш ніж почнете хвилюватися про переобладнання своєї старої моделі, пам’ятайте про бар’єри безпеки. Інфраструктура для поширення водню відсутня. І громадськість все ще пов’язує цей елемент із ризиком вибуху. Шлях уперед — це не лише інженерія. Це довіра. І прямо зараз ця довіра тендітна.
Давайте відразу прояснимо термінологію. Коли говорять про «водень на вимогу», йдеться не про одну конкретну технологію. Зазвичай це ділиться на два різні напрямки: системи, призначені для живлення паливних елементів, та установки, створені для двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ).
Ринок пристроїв післяпродажного обслуговування переповнений заявами. Ви побачите рекламу комплектів, що обіцяють перетворити ваш повсякденний автомобіль на «звіра» на водні. Більшість із них — це те, що ми називаємо системами «водень на вимогу», що діють як присадки до бензину. Ентузіасти часто називають це поліпшенням паливної суміші воднем або пряме упорскування водню.
Ось як зазвичай працює обладнання. Береться вода. H₂O. Один атом кисню, два атоми водню. Через неї пропускається електричний струм, іноді із додаванням хімічного каталізатора. Конкретний електроліт варіюється в залежності від бренду, але ціль завжди одна: розірвати молекулярний зв’язок, щоб створити газ HHO.
Ця суміш кисню та водню технічно відома як оксигідрид. У певних колах, особливо серед винахідників та ранніх дослідників, вона називається газом Брауна, на честь Єгуди Сміта, який популяризував концепцію електролізу води для отримання енергії.
Газ подається у впускний колектор двигуна. Він приєднується до паливно-повітряної суміші. Теорія, запропонована виробниками, у тому, що HHO діє як каталізатор горіння. Передбачається, що вона знижує температуру горіння бензину. Холодне згоряння. Найменше тертя. Вища ефективність. Менше викидів.
Звучить логічно. Але це не витримує критики.
Запускати автомобіль за допомогою води було б майже неможливо.
У рекламних матеріалах часто стверджується, що ви їдете на воді. Це брехня. Ви їдете на бензин або дизельне паливо. Вода є лише реагентом. Енергія надходить від хімічного розпаду молекули води та згоряння викопного палива.
Хімічні реакції виділяють енергію за рахунок переходу зв’язків з вищого стану в нижчий. Вода є кінцевим пунктом (стік). Її зв’язки надзвичайно стабільні. Для розкладання H₂O на H₂ та O₂ потрібен величезний приплив електричної енергії. Процес електролізу енерговитратний.
Ось математичне завдання, яке руйнує ділову модель цих комплектів. Кількість електроенергії, що забирається від генератора та акумулятора для виробництва газу HHO, перевищує маржинальний зиск у паливній ефективності. Ви витрачаєте більше енергії на створення присадки, ніж заощаджуєте на заправці. Це чистий збиток.
Ці системи не приводять ваш автомобіль у рух. Вони навантажують вашу електричну систему. Вони можуть трохи змінити профіль згоряння, але не змінюють фундаментальну термодинаміку двигуна.
Але це єдина гра над ринком. Поки саморобки для післяпродажного обслуговування виборюють базову фізику, великі виробники вибирають інший шлях. Вони не намагаються обдурити двигун за допомогою води. Вони будують спеціальну водневу інфраструктуру.
Автомобілі на водні
Реальність рідкого водню
Між твердженням, що автомобіль працює на водні, та його реальною експлуатацією існує величезний технічний розрив. Візьмемо BMW Hydrogen 7. Це двигун внутрішнього згоряння, здатний спалювати як бензин, так і водень. Але не уявляйте звичайний паливний бак. Цей автомобіль використовує рідкий водень. Це означає підтримку палива за кріогенних температур. Якщо температура підвищується, водень перетворюється на газ. А газоподібний водень не може приводити в рух двигун у цій конкретній конфігурації.
Необхідні модифікації стосуються не лише простору під капотом. Вони торкаються паливної системи. Ізоляція бака для підтримки рідкого водню у холодному стані потребує серйозної інженерної роботи. Це не проста заміна деталей.
Допуски двигуна та міфи про конверсію
Автомобільні двигуни – це прецизійні пристрої. Вони створені для конкретних умов експлуатації та властивостей палива. Ви бачили це з прикладу октанового числа. Використання бензину з низьким октановим числом у високопродуктивному двигуні погіршує його роботу. Це все одно, що харчуватися тільки лакрицею. Зробити це можна, але література буде поганою.
BMW Hydrogen 7 – це не стандартний двигун, який працює на незвичайному паливі. Це двигун, створений спеціально для водню. Складні комп’ютерні системи контролюють кожен цикл, щоб забезпечити оптимальну роботу.
Тож чи можна переобладнати ваш поточний автомобіль? Технічно так. У фізиці можливо все. Чи практично? Малоймовірно. Допуски, необхідні для спалювання водню, далеко виходять за межі можливостей стандартної модернізації.
Пробіл в інфраструктурі
Навіть якби ви вирішили інженерні завдання, вам потрібне паливо. Де його взяти?
Водневі заправні станції рідкісні. У Сполучених Штатах Каліфорнія – по суті, єдиний штат із функціональною мережею. Ось і все.
Ви можете подумати про домашнє поповнення палива. Деякі системи використовують лінії природного газу та перетворюють метан у водень. Це варіант. Але він додає складності і так складної проблемі. Ви купуєте не просто машину. Ви будуєте хімічний завод у себе на під’їзній доріжці.
Дорога попереду
Надійні технології на основі водню все ще перебувають у стадії розробки. Обіцянки є реальними. Відновлюваний ресурс, що скорочує шкідливі викиди. Але перешкоди є значними.
Автомобільні виробники просуваються у напрямку технологій паливних елементів. Автомобілі на водневій тязі можуть стати поширеними найближчим часом. А можуть і ні. Терміни невизначені.
Одне відомо напевно. Автомобілі, що працюють на воді, які обіцяють дива в інтернеті, ніколи не з’являться на виставкових залах дилерів. Це шахрайство. Наука їх підтримує.
Для більш глибокого вивчення механіки процесу пошукайте інформацію про те, як працюють паливні елементи або влаштована воднева економіка. Дорога до альтернативних видів палива. І він вистелений інженерними проблемами, а не магією.
