Auto budoucnosti je tu dnes. Samozřejmě, že si ještě nemůžete koupit; ale pokud žijete v Kalifornii, můžete si jeden pronajmout. Nespotřebovává benzín a neznečišťuje vzduch. Ve skutečnosti produkuje páru místo výfukových plynů. Co je tedy tajemným palivem? Vodík – nejjednodušší a nejrozšířenější prvek ve vesmíru. A někteří lidé si myslí, že za 20 až 30 let budeme všichni řídit tato vozidla na vodíkový pohon a úsporu paliva.
Přestože auta na vodíkový pohon mají kvalitu sci-fi, tato myšlenka není ve skutečnosti nová. Technologie pro použití vodíku k výrobě energie byla ve skutečnosti již od první poloviny 19. století – tedy déle, než existovala auta. Novinkou je, že na silnici můžete skutečně vidět auto na vodíkový pohon, kterému z výfuku vychází pára namísto páchnoucích plynů. Nyní existuje několik vodíkových vozů, ale většina z nich jsou koncepční vozy. Mezi tyto ekologické hnací stroje patří Chevrolet Equinox, BMW 745h a ten, který je v současné době k dispozici k pronájmu v Kalifornii, Honda FCX.
To, co umožňuje vznik vodíkového auta, je zařízení zvané palivový článek , který přeměňuje vodík na elektřinu a jako vedlejší produkty uvolňuje pouze teplo a vodu. Vzhledem k tomu, že neznečišťuje životní prostředí, zdá se vodík jako ideální palivo pro 21. století. Mnoho lidí ve vládě a automobilovém průmyslu je nadšeno z jeho potenciálu. Vodíková auta mají potenciál být úsporná a nabízejí naději na ekologickou a ekologickou jízdu. Stále však existuje mnoho problémů, které je třeba překonat, a otázek, které je třeba zodpovědět, než se vodík stane palivem, které si zvolí dostatek lidí, kteří výrazně změní naše současné využívání fosilních paliv. Například, kde získáme vodík? Jak drahý bude nákup těchto úsporných vozů? Podaří se vám najít vodíkovou čerpací stanici pro doplnění vaší nádrže? A co je možná nejdůležitější, je vodík jako palivo skutečně tak neznečišťující, jak se zdá?
Na tyto otázky se podíváme na následujících stránkách, ale jednu rychlou odpověď vám můžeme dát hned teď:Pokud náhodou nežijete ve velmi specifických částech země a nemáte kapsy vystlané hotovostí, nečekejte vodíkové auto. na vaší příjezdové cestě během příštího desetiletí.
Obsah
V roce 1839 vzal velšský vědec Sir William Robert Grove známý elektrochemický proces elektrolýzy, který využívá elektřinu k výrobě vodíku z vody, a obrátil jej, generuje elektřinu a vodu z vodíku. Svůj vynález nazval plynová voltaická baterie, ale dnes ji známe jako vodíkový palivový článek. Mnohem později, v polovině 20. století, technologii dále rozvinul vynálezce Francis Bacon. Technologie, kterou tito dva vynálezci vymysleli, je nezbytná pro provoz vodíkového auta.
První praktický systém palivových článků vyvinula na počátku 60. let společnost General Electric pro použití v orbitálních vesmírných kapslích. A pak, v 90. letech 20. století, se v městských autobusech začaly objevovat palivové články. takže víme, že pohon vozidel palivovými články je proveditelný. Palivový článek si můžete představit jako druh baterie, až na to, že zatímco baterie uchovává své palivo v sobě, palivový článek je třeba doplnit. Palivem pro vodíkový palivový článek je, jak název napovídá, vodík. Jak si možná vzpomínáte z hodin chemie na střední škole, vodík je nejjednodušší ze všech prvků. Atom vodíku se skládá z jednoho elektronu a jednoho protonu. Palivový článek vyrábí elektřinu tím, že odizoluje elektrony z protonů a použije elektrony k vytvoření čistého proudu elektřiny. Ionizované atomy vodíku se pak spojují s kyslíkem za vzniku vody. Dalším vedlejším produktem tohoto procesu je teplo, takže tato voda má obecně formu páry. Jak je to s ekologickou jízdou?
Typ palivového článku používaného v automobilech je palivový článek s membránou pro výměnu polymerů (neboli PEM). PEM palivové články mají výhodu v tom, že jsou lehké a malé. Skládají se ze dvou elektrod (záporně nabitá anoda a kladně nabitá katoda), katalyzátoru a membrány. Vodík je vháněn do palivového článku na anodě ve formě molekul H2, z nichž každá obsahuje dva atomy vodíku. Katalyzátor na anodě štěpí molekuly na vodíkové ionty (protony) a tok elektřiny (elektrony). Ionty projdou membránou, ale elektřina musí jít kolem. Zatímco to dělá, lze jej využít k práci. Stejně jako je vodík vháněn do palivového článku na anodě, kyslík je vháněn dovnitř na katodě. Protony a elektrony se znovu spojují na katodě a spojují se s kyslíkem za vzniku vody, z nichž většina se stává výfukem palivového článku. Palivové články jsou navrženy tak, aby byly ploché a tenké, hlavně aby se daly stohovat. Čím více palivových článků je v zásobníku, tím větší je napětí elektřiny, které zásobník vyrábí.
Mnoho lidí si myslí, že vozidla s nízkou spotřebou paliva, jako jsou auta na vodíkový pohon, budou zásadní pro splnění energetických požadavků 21. století. V roce 2003 oznámil prezident George W. Bush iniciativu Freedom Fuel Initiative v hodnotě 1,2 miliardy dolarů na podporu rozvoje technologie palivových článků. Palivové články mají oproti fosilním palivům dvě hlavní výhody. Za prvé, nevyčerpávají omezené světové zásoby ropy, což nám pomáhá zachovat stávající zásoby a také by mohly snížit naši závislost na zahraniční ropě. Za druhé, jediným vedlejším produktem provozu palivového článku je teplo a voda, což znamená, že palivové články neprodukují znečištění. To je životně důležité v době, kdy se předpokládá, že emise uhlíku z automobilů podporují globální oteplování.
Na další stránce se podíváme na to, jak se vyrábí vodíková auta a palivové články. A možná ještě důležitější je, že se podíváme na to, odkud bude pocházet samotný vodík.
Jak tedy výrobci vlastně vyrábějí vozidla s nízkou spotřebou paliva, jako jsou auta s palivovými články? Výroba vodíkových aut se výrazně neliší od výroby typických aut. Samozřejmě, například hnací ústrojí a elektrické systémy budou poněkud jedinečné, protože elektřinu vyrábí palivový článek. Automobil na vodíkový pohon a elektromobil mají tedy v tomto ohledu mnoho společného. Možná důležitější otázkou je, jak se bude vyrábět samotný vodík. Vzhledem k tomu, že vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru a tvoří zhruba 90 procent existujících atomů, mysleli byste si, že to nebude problém. Dobře, zamyslete se znovu. Vodík je také nejlehčím prvkem ve vesmíru a jakýkoli neobsažený vodík na povrchu Země se okamžitě vznese do vesmíru. To, co vodík zůstane na této planetě, je vázáno s jinými prvky v molekulární formě, nejčastěji v molekulách vody (H2O). A na povrchu Země je náhodou hodně H2O.
Jak ale oddělíme molekuly vodíku ve vodě od molekul kyslíku? A pokud nepoužíváme vodu jako zdroj vodíku, kde jinde můžeme vodík získat?
Nejjednodušší způsob získávání vodíku z vody je ten, o kterém věděl Sir William Grove před více než 150 lety:elektrolýza. Pokud procházíte vodou elektrický proud, molekuly H2O se rozpadají. Podobně jako u palivových článků tento proces využívá anodu a katodu, obvykle vyrobené z inertních kovů. Když je do vody aplikován elektrický proud, na katodě se tvoří vodík a na anodě kyslík. Ačkoli je tento proces pomalý, lze jej provádět ve velkém měřítku.
Alternativním zdrojem vodíku je zemní plyn, který se skládá z přirozeně se vyskytujících uhlovodíků. K oddělení vodíku v plynu od uhlíku lze použít proces zvaný reformace párou. V současnosti se jedná o nejběžnější způsob výroby vodíku v průmyslovém měřítku a pravděpodobně by to byl první způsob výroby vodíku pro vozidla s palivovými články. Bohužel tento proces využívá fosilní paliva – zemní plyn – takže pokud je cílem výroby aut na vodík zabránit vyčerpání zásob fosilních paliv, zemní plyn by byl nejhorším možným zdrojem tohoto paliva.
Někteří odborníci navrhli, že by mohlo být možné postavit miniaturní vodíkové elektrárny, které se vejdou do garáže průměrného člověka, takže ani nebude nutné zajíždět na místní čerpací stanici, aby se naplnila vodíková nádrž auta. Nejextrémnější formou této myšlenky byl návrh, že elektrolýza by mohla být prováděna uvnitř auta samotného, což by umožnilo ohromující myšlenku auta, které jezdí na vodu! Energie pro elektrolýzu však musí pocházet z nějakého druhu baterie, takže auto poháněné vodou by bylo potřeba pravidelně dobíjet.
Jsou tedy ekologické stroje, jako jsou vozidla vybavená palivovými články, skutečně automobily budoucnosti? Mnoho lidí v to doufá, ale na cestě do světa, kde se lidé pohybují v autech na vodík, existuje několik potenciálních překážek. Na ty se podíváme na další stránce.
Mnoho lidí věří, že vodíkové palivové články jsou nejdůležitější technologií alternativních paliv, která se v současnosti vyvíjí. Není to však bez problémů a může trvat desetiletí, než se technologie palivových článků začne široce používat. Problémy s vodíkem můžeme zhruba seskupit do tří kategorií:náklady na vývoj technologie, potíže a nebezpečí se skladováním vodíku a možnost, že tato „neznečišťující technologie“ nakonec není tak neznečišťující. Zde jsou některé z neúspěchů vodíkových aut, se kterými se můžeme v blízké budoucnosti vypořádat.
Náklady na vývoj vodíkové technologie jsou vysoké. Nejen, že musíme navrhnout a vyvinout palivové články a auta, ale musíme vyvinout infrastrukturu na podporu těchto vozidel s nízkou spotřebou paliva. Představte si, že aktuálně vlastníte vodíkové auto. Kam byste šli naplnit svou nádrž? Za předpokladu, že ve své garáži nemáte zařízení na výrobu vodíku, budete potřebovat čerpací stanici na vodík a jediné místo, kde v současnosti existuje nějaký významný počet takových stanic, je stát Kalifornie, kde má guvernér Arnold Schwarzenegger odhodlána podporovat vodíkovou budoucnost. Některé z pesimističtějších odhadů stanovily náklady na vybudování infrastruktury, která umožní značnému počtu vodíkových aut dosáhnout až 500 miliard dolarů – a čas na výrobu infrastruktury až čtyři desetiletí!
Náklady na auta jsou také vysoké. S platinou jako nejrozšířenějším katalyzátorem v palivových článcích je cena vozidla s jedním palivovým článkem v současnosti více než 100 000 dolarů a možná i podstatně více, a proto jsou jediná auta na vodík, která máte v současnosti k dispozici, na leasing. , není na prodej. Málokdo je v pozici, aby si mohl dovolit tak drahé auto. Vyvíjejí se další katalyzátory, které budou pravděpodobně levnější než platina, ale nikdo neví, jak brzy budou dostupné pro použití ve velkém měřítku.
Problém skladování je také ožehavý. Vodík je plyn a rád se šíří. Dát ho do auta znamená zmáčknout ho na rozumnou velikost, a to není jednoduché. Kromě toho se vodík zahřívá, když sedí v nádrži zaparkovaného auta, což způsobuje expanzi plynu. To znamená, že nádrže musí pravidelně vypouštět vodík z vozu. Nechte vodíkové auto sedět déle než pár dní a veškeré palivo bude pryč. Vodík je také vysoce hořlavý – někteří věří, že okázalý výbuch řiditelného Hindenburgu ve 30. letech 20. století byl výsledkem požáru vodíku – takže pokud se vodík dostane z nádrže, může být nebezpečný. . Naštěstí požáry vodíku nejsou tak horké jako požáry benzínu a je méně pravděpodobné, že založí sekundární požáry. A protože vodík stoupá, většina uniklého vodíku odplave dříve, než může skutečně ublížit.
A je vodík skutečně neznečišťující? Palivový článek produkuje pouze teplo a vodu jako výfuk, ale procesy používané k výrobě vodíku nejsou nutně tak čisté. Elektrolýza využívá elektřinu a tato elektřina bude často pocházet z rostlin, které spalují uhlí, což je vysoce znečišťující zdroj. A když se vodík získává ze zemního plynu, produkuje uhlíkové emise, což je přesně to, čemu se snažíme vyhnout používáním vodíku na prvním místě.
Mnoho lidí si myslí, že tyto překážky nakonec překonáme, ale bude to těžké. Jiní věří, že naše nejlepší sázka na úsporu paliva a ekologickou jízdu v blízké budoucnosti nespočívá ve vodíkových, ale v hybridních elektrických vozidlech, jako je Toyota Prius, hybrid Ford Fusion a další podobná hybridní auta. Přesto je možné, že během několika příštích desetiletí budete vlastnit auto na vodíkové palivové články.
Další informace o alternativních palivech, hybridních vozech a dalších souvisejících tématech získáte pomocí odkazů na další stránce.
