Тест драйв BMW и водород: часть первая

Грохот надвигающейся бури все еще эхом отражался в небе, когда огромный самолет приближался к месту посадки недалеко от Нью-Джерси. 6 мая 1937 года дирижабль «Гинденбург» совершил свой первый в сезоне полет, взяв на борт 97 пассажиров.

Через несколько дней огромный воздушный шар, наполненный водородом, должен улететь обратно во Франкфурт-на-Майне. Все места на рейс уже давно зарезервированы американскими гражданами, жаждущими стать свидетелями коронации британского короля Георга VI, но судьба распорядилась, что эти пассажиры никогда не сядут на борт авиагиганта.

Вскоре после завершения подготовки к приземлению дирижабля его командир Розендаль заметил пламя на его корпусе, а через несколько секунд огромный шар превратился в зловещее летящее бревно, оставив на земле лишь жалкие металлические обломки еще через полминуты. Одна из самых удивительных вещей в этой истории – отрадный факт, что многим пассажирам на борту зажженного дирижабля в конце концов удалось выжить.

Граф Фердинанд фон Цеппелин мечтал о полетах на аппарате легче воздуха еще в конце XIX века, набросав грубую схему легкого газонаполненного самолета и запустив проекты по ее практической реализации. Цеппелин прожил достаточно долго, чтобы увидеть, как его творение постепенно входит в жизнь людей, и умер в 1917 году, незадолго до того, как его страна проиграла Первую мировую войну, а использование его кораблей было запрещено Версальским договором. Цеппелины были забыты на долгие годы, но все снова меняется с головокружительной скоростью с приходом к власти Гитлера. Новый глава компании Zeppelin доктор Хьюго Экнер твердо убежден в том, что в конструкции дирижаблей необходим ряд значительных технологических изменений, главным из которых является замена легковоспламеняющегося и опасного водорода гелием. К сожалению, однако, Соединенные Штаты, которые в то время были единственным производителем этого стратегического сырья, не могли продавать гелий Германии в соответствии со специальным законом, принятым Конгрессом в 1923 году. Вот почему новый корабль, обозначенный LZ 129, со временем заправляют водородом.

Конструкция огромного нового аэростата из легких алюминиевых сплавов достигает в длину почти 300 м и имеет диаметр около 45 метров. Гигантский самолет, эквивалентный «Титанику», оснащен четырьмя 16-цилиндровыми дизельными двигателями, каждый мощностью 1300 л.с. Естественно, Гитлер не упустил возможности превратить «Гинденбург» в яркий пропагандистский символ нацистской Германии и сделал все возможное, чтобы ускорить начало его эксплуатации. В результате уже в 1936 году «эффектный» дирижабль совершал регулярные трансатлантические перелеты.

Во время первого полета в 1937 году на посадочной площадке в Нью-Джерси собралась толпа возбужденных зрителей, восторженных встреч, родственников и журналистов, многие из которых часами ждали, пока утихнет шторм. Даже радио освещает интересное событие. В какой-то момент тревожное ожидание прерывается молчанием говорящего, который через мгновение истерически кричит: «Огромный огненный шар падает с неба! Нет никого живого… Корабль внезапно загорается и мгновенно выглядит как гигантский горящий факел. Некоторые пассажиры в панике начали прыгать с гондолы, чтобы спастись от ужасающего пожара, но это оказалось для них роковым из-за высоты в сто метров. В конце концов, выживают лишь некоторые из пассажиров, которые ждут, когда дирижабль приблизится к земле, но многие из них сильно обгорели. В какой-то момент корабль не выдержал повреждений бушующего пожара, и тысячи литров балластной воды в носовой части начали выливаться в землю. «Гинденбург» быстро кренится, горящая задняя часть врезается в землю и все заканчивается полным разрушением за 34 секунды. Шок от зрелища потрясает собравшуюся на земле толпу. В то время официальной причиной крушения считался гром, который вызвал возгорание водорода, но в последние годы немецкий и американский эксперт категорически утверждают, что причиной катастрофы стала трагедия с кораблем Гинденбург, который без проблем прошел через множество штормов. После многочисленных наблюдений за кадрами из архивной пленки они пришли к выводу, что пожар начался из-за горючей краски, покрывающей обшивку дирижабля. Пожар немецкого дирижабля – одна из самых зловещих катастроф в истории человечества, и память об этом ужасном событии для многих до сих пор очень болезненна. Даже сегодня упоминание слов «дирижабль» и «водород» вызывает ассоциации с огненным адом в Нью-Джерси, хотя, если «одомашнивать» соответствующим образом, самый легкий и самый распространенный газ в природе мог бы быть чрезвычайно полезным, несмотря на опасный его свойства. По мнению большого числа современных ученых, настоящая эра водорода все еще продолжается, хотя в то же время другая большая часть научного сообщества скептически относится к таким крайним проявлениям оптимизма. Среди оптимистов, поддерживающих первую гипотезу, и наиболее убежденных сторонников водородной идеи, несомненно, должны быть баварцы из BMW. Немецкая автомобильная компания, вероятно, лучше всех знает о неизбежных проблемах на пути к водородной экономике и, прежде всего, преодолевает трудности в процессе перехода с углеводородного топлива на водород.

Амбиции

Сама идея использования топлива, которое является столь же экологически чистым и неисчерпаемым, как запасы топлива, звучит как магия для человечества, охваченного энергетической борьбой. Сегодня существует более одного-двух «водородных обществ», задача которых – способствовать позитивному отношению к легкому газу и постоянно организовывать встречи, симпозиумы и выставки. Шинная компания Michelin, например, вкладывает большие средства в организацию становящегося все более популярным Michelin Challenge Bibendum, всемирного форума, посвященного экологически безопасным видам топлива и автомобилям и сосредоточенного на водороде.

Однако оптимизма, исходящего от выступлений на подобных форумах, все же недостаточно для практической реализации прекрасной водородной идиллии, а вхождение в водородную экономику – бесконечно сложное и неосуществимое мероприятие на данном технологическом этапе развития цивилизации.

Однако в последнее время человечество стремится использовать все больше и больше альтернативных источников энергии, а именно водород может стать важным мостом для хранения энергии солнца, ветра, воды и биомассы, преобразовывая ее в химическую энергию. . Проще говоря, это означает, что электричество, произведенное этими естественными источниками, не может храниться в больших объемах, но может использоваться для производства водорода путем разложения воды на кислород и водород.

Как это ни странно звучит, некоторые нефтяные компании являются одними из основных сторонников этой схемы, среди которых наиболее последовательным является британский нефтяной гигант BP, у которого есть особая инвестиционная стратегия для значительных инвестиций в этой сфере. Конечно, водород также можно извлекать из невозобновляемых источников углеводородов, но в этом случае человечество должно искать решение проблемы хранения диоксида углерода, полученного в этом процессе. Неоспоримый факт, что технологические проблемы добычи, хранения и транспортировки водорода разрешимы – на практике уже сейчас в огромных количествах этот газ производится и используется в качестве сырья в химической и нефтехимической промышленности. В этих случаях, однако, высокая стоимость водорода не фатальна, поскольку он «тает» в высокой стоимости продуктов, в синтезе которых он участвует.

Однако вопрос использования легкого газа в качестве источника энергии несколько сложнее. Ученые долго ломали голову в поисках возможной стратегической альтернативы нефтяному топливу, и пока они пришли к единодушному мнению, что водород является наиболее экологически чистым и доступным в достаточном количестве энергии. Только он отвечает всем необходимым требованиям для плавного перехода к изменению текущего статус-кво. В основе всех этих преимуществ лежит простой, но очень важный факт – добыча и использование водорода вращаются вокруг естественного цикла соединения и разложения воды … Если человечество улучшит методы производства с использованием природных источников, таких как солнечная энергия, ветер и воды, водород можно будет производить и использовать в неограниченных количествах без выделения каких-либо вредных выбросов. Как возобновляемый источник энергии водород уже давно является результатом значительных исследований в различных программах в Северной Америке, Европе и Японии. Последние, в свою очередь, являются частью работы по широкому кругу совместных проектов, направленных на создание полной водородной инфраструктуры, включая производство, хранение, транспортировку и распределение. Часто эти разработки сопровождаются значительными государственными субсидиями и основываются на международных соглашениях. В ноябре 2003 года, например, было подписано Международное соглашение о партнерстве в водородной экономике, в которое входят крупнейшие промышленно развитые страны мира, такие как Австралия, Бразилия, Канада, Китай, Франция, Германия, Исландия, Индия, Италия и Япония. , Норвегия, Корея, Россия, Великобритания, США и Европейская комиссия. Целью этого международного сотрудничества является «организация, стимулирование и объединение усилий различных организаций на пути к водородной эре, а также поддержка создания технологий для производства, хранения и распределения водорода».

Возможный путь к использованию этого экологически чистого топлива в автомобильном секторе может быть двояким. Одно из них – это устройства, известные как «топливные элементы», в которых химическое соединение водорода с кислородом из воздуха высвобождает электричество, а второе – разработка технологий использования жидкого водорода в качестве топлива в цилиндрах классического двигателя с внутреннее сгорание. Второе направление психологически ближе и потребителям, и автомобильным компаниям, и самым ярким его сторонником является BMW.

Производство

В настоящее время во всем мире производится более 600 миллиардов кубометров чистого водорода. Основным сырьем для его производства является природный газ, который перерабатывается в процессе, известном как «риформинг». Меньшие количества водорода извлекаются с помощью других процессов, таких как электролиз соединений хлора, частичное окисление тяжелой нефти, газификация угля, пиролиз угля для производства кокса и риформинг бензина. Примерно половина мирового производства водорода используется для синтеза аммиака (который используется в качестве сырья при производстве удобрений), в нефтепереработке и в синтезе метанола. Эти производственные схемы в той или иной степени обременяют окружающую среду, и, к сожалению, ни одна из них не предлагает значимой альтернативы нынешнему энергетическому статус-кво – во-первых, потому, что они используют невозобновляемые источники, а во-вторых, потому, что производство выделяет нежелательные вещества, такие как диоксид углерода, который является основным виновником. Парниковый эффект. Интересное предложение по решению этой проблемы было недавно сделано исследователями, финансируемыми Европейским Союзом и правительством Германии, которые создали так называемую технологию «секвестрации», в которой углекислый газ, образующийся при производстве водорода из природного газа, закачивается в старые истощенные месторождения. нефти, природного газа или угля. Однако этот процесс непросто реализовать, поскольку ни нефтяные, ни газовые месторождения не являются настоящими полостями в земной коре, а чаще всего представляют собой пористые песчаные структуры.

Самым многообещающим будущим методом производства водорода остается разложение воды электричеством, известное еще с начальной школы. Принцип предельно прост – электрическое напряжение подается на два электрода, погруженных в водяную баню, при этом положительно заряженные ионы водорода переходят на отрицательный электрод, а отрицательно заряженные ионы кислорода – на положительный. На практике для этого электрохимического разложения воды используются несколько основных методов – «щелочной электролиз», «мембранный электролиз», «электролиз под высоким давлением» и «высокотемпературный электролиз».

Все было бы идеально, если бы простая арифметика деления не вмешивалась в чрезвычайно важную проблему происхождения электричества, необходимого для этой цели. Дело в том, что в настоящее время при ее производстве неизбежно выделяются вредные побочные продукты, количество и тип которых варьируется в зависимости от того, как это делается, и, прежде всего, производство электроэнергии – это малоэффективный и очень дорогостоящий процесс.

Разрыв порочного и закрытие цикла чистой энергии в настоящее время возможен только при использовании естественной и особенно солнечной энергии для производства электричества, необходимого для разложения воды. Решение этой задачи, несомненно, потребует много времени, денег и усилий, но во многих частях мира производство электроэнергии таким способом уже стало фактом.

BMW, например, играет активную роль в создании и развитии солнечных электростанций. Электростанция, построенная в небольшом баварском городке Нойбург, использует фотоэлектрические элементы для производства энергии, которая производит водород. По словам инженеров компании, системы, в которых солнечная энергия используется для нагрева воды, особенно интересны, и в результате пар приводит в действие электрогенераторы – такие солнечные электростанции уже работают в пустыне Мохаве в Калифорнии, где вырабатывается 354 МВт электроэнергии. Энергия ветра также становится все более важной, и ветряные электростанции на побережьях таких стран, как США, Германия, Нидерланды, Бельгия и Ирландия, играют все более важную экономическую роль. Также есть компании, добывающие водород из биомассы в разных частях света.

Место хранения

Водород может храниться в больших количествах как в газовой, так и в жидкой фазах. Наиболее крупные из таких резервуаров, в которых водород находится под относительно низким давлением, называются «счетчиками газа». Средние и меньшие резервуары подходят для хранения водорода под давлением 30 бар, в то время как самые маленькие специальные резервуары (дорогие устройства из специальной стали или композитных материалов, армированных углеродным волокном) поддерживают постоянное давление 400 бар.

Водород также может храниться в жидкой фазе с температурой -253 ° C на единицу объема, содержащей в 0 раза больше энергии, чем при хранении при давлении 1,78 бар – для достижения эквивалентного количества энергии в сжиженном водороде в единицы объема, газ должен быть сжат до 700 бар. Именно из-за более высокой энергоэффективности охлаждаемого водорода BMW сотрудничает с немецким холодильным концерном Linde, который разработал современные криогенные устройства для сжижения и хранения водорода. Ученые также предлагают другие, но менее применимые альтернативы хранению водорода – например, хранение под давлением в специальной металлической муке в виде гидридов металлов и др.

Траспортирането

В районах с высокой концентрацией химических заводов и нефтеперерабатывающих заводов уже создана сеть передачи водорода. В целом технология аналогична транспортировке природного газа, но использование последнего для нужд водорода не всегда возможно. Однако еще в прошлом веке многие дома в европейских городах освещались трубопроводом легкого газа, который содержал до 50% водорода и использовался в качестве топлива для первых стационарных двигателей внутреннего сгорания. Сегодняшний уровень технологий также позволяет трансконтинентально транспортировать сжиженный водород через существующие криогенные танкеры, аналогичные тем, что используются для природного газа. В настоящее время наибольшие надежды и наибольшие усилия ученые и инженеры прикладывают в области создания адекватных технологий сжижения и транспортировки жидкого водорода. В этом смысле именно эти корабли, криогенные железнодорожные цистерны и грузовики могут стать основой будущего транспорта водорода. В апреле 2004 года в непосредственной близости от аэропорта Мюнхена была открыта первая в своем роде заправочная станция сжиженным водородом, разработанная совместно инженерами BMW и Steyr. С его помощью заправка баков сжиженным водородом осуществляется полностью автоматически, без участия и без риска для водителя автомобиля.