Водородное автомобильное “ну вот и всё”

Почему революционный водородный транспорт муссируется годами, а толку нуль

Жанр регулярного сладострастно-пассивного “ну вот и всё…” – один из основополагающих в современной субкультуре омега-части социума.

А прорывные новости про энергетические перемоги – особый подвид такого времяпровождения.

Стартовая диспозиция любой подобной новости проста – подразумевается, что в мире есть специальная Эта Страна, которая “только и умеет что нефть из дырки в земле выкачивать и продавать в огромных количествах”, и что Эту Страну, в силу такого предположения, безусловно уничтожает любое Прорывное Открытие.

Так как целевая аудитория таких новостей инфантильна и глупа, то рассуждать логически они не могут и упирают на эмоции. Отсюда различные рассказы про “узнав эту новость кремлёвский карлик в рыданиях забился под стол”, “через пару недель акции Газпрома будут валяться на улице” и “Маск объявил настенную батарейку Powerwall, рашка фсё, через три месяца эти батарейки будут раздавать на улицах Москвы улыбающиеся американские солдаты”.

Объяснять этой целевой аудитории, которая представляет себе промышленность по компьютерным играм, что добыча нефти – это не “дырку прокрутил и сидишь рядом посмеиваешься, денежки идут”, а чуть сложнее – нет смысла. Их техническая максимальная мощность логически-рассудочного аппарата и ёмкость памяти просто не приспособлена к такому.

Одна из часто репостящихся “новостей” разряда “ну вот и всё…” – это новость про Прорывной Водородный Автомобиль.

Встречаются разные тексты – например такой:

Твердили же 30 лет подряд, что Америку «убьёт» страна, от которой никто этого ожидать не будет. Всех, кто ждёт — не дождётся краха «главной цитадели мирового зла» разочарую.

Вместе с США рухнет и Россия. Причём, даже раньше.

Как зима всегда приходит «неожиданно», так и Япония «неожиданно» совершила реальный прорыв в энергетику без углеводородов. Смотрите. Вот первая ласточка:

Ласточку зовут Тойота Мираи.

Японский автомобильный гигант Toyota начал серийное производство первого в мире автомобиля с водородным двигателем.

Новый седан «Mirai» работает только на водороде, а вместо вредных выхлопов производит чистую воду. По словам конструкторов, одной заправки хватит на 650 км пути.

Он от 2016 года, но вот например примерно такое же “ну вот и всё…” про эту же тему, но от 2014 года. В данном сценарии Априори Гениальное Открытие присваивается другой Успешной Стране (не Японии) у которой Всё Точно Получится – Израилю. С опять же выпячиванием преимуществ и наличием прописанного “правильного вывода” в финале:

Трудно переоценить, как эти технологии способны изменить геополитику.
Похоже, что кому-то придётся очень больно упасть с пьедестала , а нефтяные короли превратятся в корольков.

Вообще Mirai сделан в 2013 году, ну а рабочий прототип показан аж в 1997.

Разбираемся.

Машина на водороде

Использование водорода как топлива имеет неоспоримые преимущества. Это почти полное отсутствие вредных выхлопов от двигателя (почти – потому что смазывать двигатель чем-то надо и сколько-то масла все равно сгорает и нуждается в замене), потому что в результате реакции, выделяющей энергию, получается обычная вода.

Это всё.

То есть это весь список преимуществ, да.

Всё остальное – увы, минусы.

Варианты реализации схемы “автомашина на водороде”

Основных варианта – два.

  1. Водород в баллонах, подаётся в ДВС – который или сразу приводит в движение автомобиль, или вращает генератор (т.е. “гибридный электрокар на водороде”);
  2. Водородные топливные элементы, т.е. батарея из очень чистого алюминия – в неё подаётся вода и при реакции окисления выделяется водород. Который обычно в данном варианте вращает генератор, вырабатывающий электрический ток;

Оба этих варианта давно известны и имеют свои ярко выраженные минусы и проблемы, что не мешает раз в год, а то и чаще, вытаскивать какой-нибудь очередной прототип и с криками “it’s alive!!!” бегать и кричать об очередном “нувотивсё”.

Результат работы двигателя – не только вода

В “лабораторном ДВС на водороде” для окисления используется чистый кислород, поэтому получается вода. В реальности никто баллоны с кислородом возить не хочет и использует атмосферный воздух, в состав которого входит азот (много азота). В результате при реакции окисления образуются ещё и окислы азота. На фоне их негативных эффектов всякий углекислый газ – это детские шалости. Поэтому с “экологичностью” есть некоторая проблема.

Также водород вступает в реакцию со смазкой внутри двигателя, что ведёт к дополнительным проблемам – она быстро вырабатывается и продукты распада присутствуют в получающейся воде в больших количествах. Чистый водород вообще очень агрессивная штука и реагирует буквально со всем.

Батарейка, а не аккумулятор

“Водородная батарейка”, используемая во втором варианте – это именно батарейка. Обычно блок алюминиевых пластин, в которые заливается вода, и при реакции получается водород. Который сжигают, чтобы крутить движок. В батарее могут быть не пластины, могут быть гранулы – или алюминиевый порошок.

Суть не меняется – это именно одноразовая батарейка, т.е. когда весь алюминий поучаствует в реакции, то дальше можно только менять батарейку целиком на новую. Это не аккумулятор. Его нельзя перезаряжать. Только в переплавку, где алюминий будут восстанавливать из оксида до металла нужной чистоты – тратя примерно в 6 раз больше электричества, чем выделялось от генератора, вращаемого двигателем гибридной системы на водороде.

Дополнительным пунктом будет то, что эта батарейка не умеет “останавливаться”. То есть, если вам надо разогнаться, вы “газуете” – начинается реакция с выделением водорода – и тут вам надо остановиться. В этом сценарии батарейка продолжает расходоваться, реакцию нельзя “выключить по требованию”. Отсюда усложнение конструкции, ведь надо как-то отводить/сохранять водород. Либо надо добавлять аккумулятор, который будет использовать энергию рекуперации и “сглаживать” пики потребления. Тогда вся конструкция превращается в гибридный электромобиль с водородной двигательной установкой – соответственно опять же вырастает общая масса и сложность конструкции, стоимость обслуживания, появляется износ и замена аккумулятора, снижается надёжность и КПД.

Дополнительная масса

Дополнительные компоненты, которые не упоминаются в восторженных пресс-релизах – аккумуляторы, баллоны с водородом – утяжеляют машину и, следовательно, снижают общий КПД системы – а также растёт износ конструкции и затраты расходников (покрышки, масло). Которые из водорода не сделаешь.

Безопасность

Водород не просто опасен, а очень опасен. Поэтому надо выделять его в минимальных количествах и сразу передавать на двигатель, чтобы минимизировать потери в случае детонации.

Водород крайне трудно хранить, потому что он очень хорошо “просачивается” через разные материалы, и хранить его надо в жидком виде. Смесь водорода с воздухом – взрывоопасна. В силу этого вариант “автомобиль с баком жидкого водорода” очень сложен по части безопасности. Конструкция опять же усложняется и удорожается – и появляется, например, штатная утечка водорода из бака (приличная, несколько процентов за 10 суток).

Получающуюся в результате реакции воду надо куда-то девать – если её выливать на проезжую часть (по аналогии с выбросом выхлопных газов), то появляется проблема “как эксплуатировать такие машины на дорогах общего пользования зимой”.

Чтобы были понятны масштабы и не было “а ну и что, ведь вода выделяется и в обычном ДВС” – немножко цифр. В результате работы двигателя на водороде у рассматриваемой в примере Тойты Мираи выделяется около 250мл воды на 10 километров. Это 25мл на километр.

При проезде тысячи машин за минуту (нормальная многополосная автострада) на километр дороги будет выливаться в прямом смысле слова – не выходить в виде пара, а вниз, струйкой воды – 25 литров. За час на этот километр дороги окажется вылито 1500 литров воды. За сутки – 36 тонн. Сравнивать с “из выхлопной трубы тоже пар идёт” – немножко не выйдет, не те масштабы.

КПД получения водорода

Чтобы при помощи реакции с алюминием получить один кубометр водорода, надо потратить примерно в 6 раз больше электроэнергии на получение этого алюминия – с нужной чистотой. И это не считая затрат на “сделать из него батарейку, расходуя дополнительные материалы, установить её” и прочих. Технологиям получения алюминия – много лет, обычно получается он в три приёма:

  • Берётся руда и получается глинозём (Al2O3);
  • Электролизом глинозёма получаем алюминий;
  • Рафинируем алюминий до нужной чистоты;

Все эти фазы очень затратны на энергию, особенно вторая. Выбросы вредных веществ при производстве водорода – очень масштабны. Перспектив по улучшению технологии и снижения расходов на получение алюминия нужной чистоты – не предвидится.

Общая проблема гибридного транспорта

Основная проблема с гибридами и их восприятие как “панацеи” – что все считают гибридный транспорт гибридом строго полезных качеств.

Ну, типа как у сортов яблок – скрещивают сорт “крепкие” и сорт “сладкие”, чтобы получить сорт “крепкие и сладкие”.

В реальности у гибридов – полный комплект минусов от исходных до-гибридных вариантов. Узлов у гибрида больше, расходников ему надо больше, надёжность у него ниже. Массу надо с собой возить бОльшую, обслуживания надо больше, запчастей надо больше, сложных отказов 2 и более подсистем – тоже больше.

Поэтому гибридный автомобиль с баками водорода имеет проблемы и с водородом (хранение, утечка, дороговизна), и с батареей (износ, затраты на охлаждение, снижение КПД при определённых режимах работы), при этом продолжает требовать смазку (двигающихся частей стало больше, а не меньше). Это как-то вот аккуратно всегда за скобками оставляют, ослеплённые супер-рекламой супер-возможностей.

Суммарно

Машины на водородном движке будут требовать или регулярной физической смены батарейного блока (который потом надо утилизировать), или дорогой и опасной заправки водородом (стоимость даже небольшой сети водородных заправок, с учётом всех мер безопасности – околокосмическая).

Чистого водорода в природе не добывается, суммарный КПД всего процесса – от добычи до использования – очень маленький. Для показухи говорят только о КПД финальной части, самого процесса в ДВС.

Используемые “дополнительные” компоненты – от аккумуляторных батарей (в ряде конструкций гибридных автомобилей) до платиновых катализаторов – увеличивают стоимость всей системы и сдвигают срок окупаемости за горизонт, плюс прибавляют расходников.

В сухом остатке никакой революции “водородного” транспорта не получается – что по части экологии, что по затратам – водородный транспорт гораздо хуже обычного ДВС на бензине. Поэтому десятилетиями проводятся эксперименты и выпускаются работающие прототипы, но никаких значимых – хотя бы на уровне погрешности измерений – изменений не планируется.

Что, конечно, не мешает гуманитариям фантазировать про “Ну вот и всё…” и “революция в энергетике – рашке недели две осталось, максимум”.