Тест драйв BMW та водень: частина перша

Гуркіт насувається бурі все ще луною відбивався в небі, коли величезний літак наближався до місця посадки недалеко від Нью-Джерсі. 6 травня 1937 дирижабль «Гінденбург» здійснив свій перший в сезоні політ, взявши на борт 97 пасажирів.

Через кілька днів величезний повітряна куля, наповнена воднем, повинен полетіти назад до Франкфурта-на-Майні. Всі місця на рейс уже давно зарезервовані американськими громадянами, спраглими стати свідками коронації британського короля Георга VI, але доля розпорядилася, що ці пасажири ніколи не сядуть на борт авіагіганту.

Незабаром після завершення підготовки до приземлення дирижабля його командир Розендаль помітив полум'я на його корпусі, а за кілька секунд величезна куля перетворилася на колоду, що зловісить, залишивши на землі лише жалюгідні металеві уламки ще через півхвилини. Одна з найдивовижніших речей у цій історії – втішний факт, що багатьом пасажирам на борту запаленого дирижабля зрештою вдалося вижити.

Граф Фердинанд фон Цеппелін мріяв про польоти на апараті легше повітря ще в кінці XIX століття, накидавши грубу схему легкого газонаповненого літака і запустивши проекти по її практичної реалізації. Цепелін прожив досить довго, щоб побачити, як його творіння поступово входить в життя людей, і помер в 1917 році, незадовго до того, як його країна програла Першу світову війну, а використання його кораблів було заборонено Версальським договором. Цепеліни були забуті на довгі роки, але все знову змінюється із запаморочливою швидкістю з приходом до влади Гітлера. Новий глава компанії Zeppelin доктор Хьюго Екнер твердо переконаний в тому, що в конструкції дирижаблів необхідний ряд значних технологічних змін, головним з яких є заміна легкозаймистої і небезпечного водню гелієм. На жаль, однак, Сполучені Штати, які в той час були єдиним виробником цієї стратегічної сировини, не могли продавати гелій Німеччини відповідно до спеціального закону, прийнятим Конгресом в 1923 році. Ось чому новий корабель, позначений LZ 129, з часом заправляють воднем.

Конструкція величезного нового аеростата з легких алюмінієвих сплавів досягає в довжину майже 300 м і має діаметр близько 45 метрів. Гігантський літак, еквівалентний «Титаніку», оснащений чотирма 16-циліндровими дизельними двигунами, кожен потужністю 1300 к.с. Природно, Гітлер не упустив можливості перетворити «Гінденбург» в яскравий пропагандистський символ нацистської Німеччини і зробив все можливе, щоб прискорити початок його експлуатації. В результаті вже в 1936 році «ефектний» дирижабль здійснював регулярні трансатлантичні перельоти.

Під час першого польоту в 1937 році на посадковому майданчику в Нью-Джерсі зібрався натовп збуджених глядачів, захоплених зустрічей, родичів і журналістів, багато з яких годинами чекали, поки стихне шторм. Навіть радіо висвітлює цікаву подію. У якийсь момент тривожне очікування переривається мовчанням того, хто говорить, який за мить істерично кричить: «Велична вогненна куля падає з неба! Немає нікого живого… Корабель раптово спалахує і миттєво виглядає як гігантський смолоскип, що горить. Деякі пасажири в паніці почали стрибати з гондоли, щоб урятуватися від жахливої ​​пожежі, але це виявилося для них фатальним через висоту в сто метрів. Зрештою, виживають лише деякі з пасажирів, які чекають, коли дирижабль наблизиться до землі, але багато хто з них сильно обгорів. Якогось моменту корабель не витримав пошкоджень бурхливої ​​пожежі, і тисячі літрів баластової води в носовій частині почали виливатися в землю. «Гінденбург» швидко крениться, задня частина, що горить, врізається в землю і все закінчується повною руйнацією за 34 секунди. Шок від видовища вражає натовп, що зібрався на землі. На той час офіційною причиною катастрофи вважався грім, який спричинив спалах водню, але в останні роки німецький та американський експерт категорично стверджують, що причиною катастрофи стала трагедія з кораблем Гінденбург, який без проблем пройшов через безліч штормів. Після численних спостережень за кадрами з архівної плівки вони дійшли висновку, що пожежа почалася через горючу фарбу, що покриває обшивку дирижабля. Пожежа німецького дирижабля – одна з найлиховісніших катастроф в історії людства, і пам'ять про цю жахливу подію для багатьох досі дуже болісна. Навіть сьогодні згадка слів «дирижабль» і «водень» викликає асоціації з вогненним пеклом у Нью-Джерсі, хоча, якщо «одомашнювати» відповідним чином, найлегший і найпоширеніший газ у природі міг би бути надзвичайно корисним, незважаючи на небезпечні його властивості. На думку великої кількості сучасних учених, справжня ера водню все ще триває, хоча водночас інша більшість наукового співтовариства скептично ставиться до таких крайніх проявів оптимізму. Серед оптимістів, які підтримують першу гіпотезу, і найбільш переконаних прихильників водневої ідеї, безперечно, мають бути баварці з BMW. Німецька автомобільна компанія, ймовірно, найкраще знає про неминучі проблеми на шляху до водневої економіки і насамперед долає труднощі в процесі переходу з вуглеводневого палива на водень.

амбіції

Сама ідея використання палива, яке є настільки ж екологічно чистим та невичерпним, як запаси палива, звучить як магія для людства, охопленого енергетичною боротьбою. Сьогодні існує більше одного-двох «водневих суспільств», завдання яких – сприяти позитивному ставленню до легкого газу та постійно організовувати зустрічі, симпозіуми та виставки. Шинна компанія Michelin, наприклад, вкладає великі кошти в організацію все більш популярним Michelin Challenge Bibendum, всесвітнього форуму, присвяченого екологічно безпечним видам палива і автомобілям і зосередженого на водні.

Однак оптимізму, що виходить від виступів на подібних форумах, все ж таки недостатньо для практичної реалізації прекрасної водневої ідилії, а входження у водневу економіку – нескінченно складний і нездійсненний захід на даному технологічному етапі розвитку цивілізації.

Однак останнім часом людство прагне використовувати все більше і більше альтернативних джерел енергії, а саме водень може стати важливим мостом для зберігання енергії сонця, вітру, води і біомаси, перетворюючи її в хімічну енергію. . Простіше кажучи, це означає, що електрику, вироблену цими природними джерелами, не може зберігатися в великих обсягах, але може використовуватися для виробництва водню шляхом розкладання води на кисень і водень.

Як це не дивно звучить, деякі нафтові компанії є одними з основних прихильників цієї схеми, серед яких найпослідовнішим є британський нафтовий гігант BP, який має особливу інвестиційну стратегію для значних інвестицій у цій сфері. Звичайно, водень також можна вилучати з невідновлюваних джерел вуглеводнів, але в цьому випадку людство має шукати вирішення проблеми зберігання діоксиду вуглецю, отриманого в цьому процесі. Безперечний факт, що технологічні проблеми видобутку, зберігання та транспортування водню можна вирішити – на практиці вже зараз у величезних кількостях цей газ виробляється і використовується як сировина у хімічній та нафтохімічній промисловості. У цих випадках, однак, висока вартість водню не фатальна, оскільки він «тане» у високій вартості продуктів, у синтезі яких він бере участь.

Однак питання використання легкого газу як джерело енергії дещо складніше. Вчені довго ламали голову в пошуках можливої ​​стратегічної альтернативи нафтовому паливу, і поки вони дійшли одностайної думки, що водень є найбільш екологічно чистим і доступним у достатній кількості енергії. Тільки він відповідає всім необхідним вимогам для плавного переходу до зміни поточного статус-кво. В основі всіх цих переваг лежить простий, але дуже важливий факт – видобуток та використання водню обертаються навколо природного циклу з'єднання та розкладання води… Якщо людство покращить методи виробництва з використанням природних джерел, таких як сонячна енергія, вітер та води, водень можна буде виробляти та використовувати у необмежених кількостях без виділення будь-яких шкідливих викидів. Як відновлюване джерело енергії водень вже давно є результатом значних досліджень у різних програмах у Північній Америці, Європі та Японії. Останні, своєю чергою, є частиною роботи з широкому колу спільних проектів, створених створення повної водневої інфраструктури, включаючи виробництво, зберігання, транспортування і розподіл. Часто ці розробки супроводжуються значними державними субсидіями та ґрунтуються на міжнародних угодах. У листопаді 2003 року, наприклад, було підписано Міжнародну угоду про партнерство у водневій економіці, до якої входять найбільші промислово розвинені країни світу, такі як Австралія, Бразилія, Канада, Китай, Франція, Німеччина, Ісландія, Індія, Італія та Японія. , Норвегія, Корея, Росія, Великобританія, США та Європейської комісії. Метою цього міжнародного співробітництва є «організація, стимулювання та об'єднання зусиль різних організацій на шляху до водневої ери, а також підтримка створення технологій для виробництва, зберігання та розподілу водню».

Можливий шлях використання цього екологічно чистого палива в автомобільному секторі може бути двояким. Одне – це пристрої, відомі як «паливні елементи», в яких хімічна сполука водню з киснем з повітря вивільняє електрику, а друга – розробка технологій використання рідкого водню як паливо в циліндрах класичного двигуна з внутрішнє згоряння. Другий напрямок психологічно ближчий і споживачам, і автомобільним компаніям, і найяскравішим його прихильником є ​​BMW.

Виробництво

В даний час у всьому світі виробляється понад 600 мільярдів кубометрів чистого водню. Основною сировиною для його виробництва є природний газ, який переробляється у процесі, відомому як «риформінг». Найменші кількості водню вилучаються за допомогою інших процесів, таких як електроліз сполук хлору, часткове окислення важкої нафти, газифікація вугілля, піроліз вугілля для виробництва коксу та риформінг бензину. Приблизно половина світового виробництва водню використовується для синтезу аміаку (який використовується як сировина при виробництві добрив), у нафтопереробці та синтезі метанолу. Ці виробничі схеми в тій чи іншій мірі обтяжують довкілля, і, на жаль, жодна з них не пропонує значущої альтернативи нинішньому енергетичному статус-кво – по-перше, тому, що вони використовують невідновлювані джерела, а по-друге, тому, що виробництво виділяє небажані речовини, такі як діоксид вуглецю, що є основним винуватцем. Парниковий ефект. Цікава пропозиція щодо вирішення цієї проблеми була нещодавно зроблена дослідниками, фінансованими Європейським Союзом та урядом Німеччини, які створили так звану технологію «секвестрації», в якій вуглекислий газ, що утворюється під час виробництва водню з природного газу, закачується у старі виснажені родовища. нафти, природного газу чи вугілля. Однак цей процес непросто реалізувати, оскільки ні нафтові, ні газові родовища не є справжніми порожнинами в земній корі, а найчастіше є пористими піщаними структурами.

Найбільш перспективним майбутнім способом виробництва водню залишається розкладання води електрикою, відоме ще з початкової школи. Принцип гранично простий – електрична напруга подається на два електроди, занурених у водяну баню, при цьому позитивно заряджені іони водню переходять на негативний електрод, а негативно заряджені іони кисню – на позитивний. На практиці для цього електрохімічного розкладання води використовуються кілька основних методів - "лужний електроліз", "мембранний електроліз", "електроліз під високим тиском" та "високотемпературний електроліз".

Все було б ідеально, якби проста арифметика поділу не втручалася у надзвичайно важливу проблему походження електрики, необхідної для цієї мети. Справа в тому, що в даний час при її виробництві неминуче виділяються шкідливі побічні продукти, кількість і тип яких варіюється в залежності від того, як це робиться, і, перш за все, виробництво електроенергії - це малоефективний процес.

Розрив порочного і закриття циклу чистої енергії в даний час можливий тільки при використанні природної і особливо сонячної енергії для виробництва електричної енергії, необхідної для розкладання води. Вирішення цього завдання, безсумнівно, потребує багато часу, грошей і зусиль, але в багатьох частинах світу виробництво електроенергії таким способом вже стало фактом.

BMW, наприклад, відіграє активну роль у створенні та розвитку сонячних електростанцій. Електростанція, збудована у невеликому баварському містечку Нойбург, використовує фотоелектричні елементи для виробництва енергії, що виробляє водень. За словами інженерів компанії, системи, в яких сонячна енергія використовується для нагрівання води, особливо цікаві, і в результаті пар приводить у дію електрогенератори – такі сонячні електростанції вже працюють у пустелі Мохаві у Каліфорнії, де виробляється 354 МВт електроенергії. Енергія вітру також стає все більш важливою, і вітряні електростанції на узбережжях таких країн, як США, Німеччина, Нідерланди, Бельгія та Ірландія відіграють все більш важливу економічну роль. Також є компанії, які видобувають водень із біомаси у різних частинах світу.

Місце зберігання

Водень може зберігатися в великих кількостях як в газовій, так і в рідкій фазах. Найбільші з таких резервуарів, в яких водень перебуває під відносно низьким тиском, називаються «лічильниками газу». Середні і менші резервуари підходять для зберігання водню під тиском 30 бар, в той час як найменші спеціальні резервуари (дорогі пристрої зі спеціальної сталі або композитних матеріалів, армованих вуглецевим волокном) підтримують постійний тиск 400 бар.

Водень також може зберігатися в рідкій фазі з температурою -253 ° C на одиницю об'єму, що містить у 0 рази більше енергії, ніж при зберіганні при тиску 1,78 бар – для досягнення еквівалентної кількості енергії у зрідженому водні в одиниці об'єму, газ має бути стиснутий до 700 бар. Саме через більш високу енергоефективність водню, що охолоджується, BMW співпрацює з німецьким холодильним концерном Linde, який розробив сучасні кріогенні пристрої для зрідження і зберігання водню. Вчені також пропонують інші, але менш застосовні альтернативи зберігання водню – наприклад, зберігання під тиском у спеціальному металевому борошні у вигляді гідридів металів та ін.

Перевезення

У районах з високою концентрацією хімічних заводів і нафтопереробних заводів вже створена мережа передачі водню. В цілому технологія аналогічна транспортуванні природного газу, але використання останнього для потреб водню не завжди можливо. Однак ще в минулому столітті багато будинків в європейських містах висвітлювалися трубопроводом легкого газу, який містив до 50% водню і використовувався в якості палива для перших стаціонарних двигунів внутрішнього згоряння. Сьогоднішній рівень технологій також дозволяє трансконтинентальних транспортувати зріджений водень через існуючі криогенні танкери, аналогічні тим, що використовуються для природного газу. В даний час найбільші надії і найбільші зусилля вчені та інженери прикладають в області створення адекватних технологій скраплення і транспортування рідкого водню. У цьому сенсі саме ці кораблі, криогенні залізничні цистерни і вантажівки можуть стати основою майбутнього транспорту водню. У квітні 2004 року в безпосередній близькості від аеропорту Мюнхена була відкрита перша в своєму роді заправна станція скрапленим воднем, розроблена спільно інженерами BMW і Steyr. З його допомогою заправка баків зрідженим воднем здійснюється повністю автоматично, без участі і без ризику для водія автомобіля.