Czy paliwo wodorowe jest niebezpieczne?

Eksplozja Hindenburga 6 maja 1937 r. W Lakehurst w stanie New Jersey. AFP / Getty Images

Kiedy sterowiec Hindenburg zbliżył się do swojego doku w Lakehurst w stanie New Jersey 6 maja 1937 roku, sterowiec, który trzymał pokłady pasażerskie w górze, był wypełniony wodorem. Ten pierwiastek, najprostszy - i najobfitszy - we wszechświecie, ma jeden proton, wokół którego krąży pojedynczy elektron. Wodór również waży najmniej atomowo ze wszystkich pierwiastków. Potrafi mocno uderzyć, wytwarzając ogromne ilości energii po wprowadzeniu tlenu i źródła zapłonu. Kiedy eksplodował Hindenburg, świat był świadkiem potęgi wodoru.

Gdy Hindenburg cumował tego majowego wieczoru, zewnętrzna powłoka sterowca została wystawiona na działanie statycznej iskry. W ciągu kilku sekund płomienie przedarły się przez sterowiec, zmieniając go w kulę płomieni i poskręcany metal. W katastrofie zginęło 36 osób [źródło: Archiwum Państwowe]. I tak szybko, jak płonął Hindenburg, tak samo paliła się opinia publiczna na temat wodoru. Przez wiele dziesięcioleci po katastrofie wodór był postrzegany ze sceptycyzmem, a nawet z niepokojem. „Czynnik strachu przed wodorem” opracowany w odniesieniu do pierwiastka [źródło: Edwards].

-

Obecnie, gdy rosną obawy o prawdopodobnie malejącą globalną podaż ropy - i rosnącą emisję zanieczyszczeń z tej ropy - naukowcy zajmujący się energią ponownie rozważają wodór jako źródło paliwa. Z pewnością ma ogromną obietnicę: wodór emituje niewiele lub wcale gazów cieplarnianych (GHG). Jego głównymi produktami ubocznymi są para wodna i ciepło. Wodór ma największą wydajność energetyczną ze wszystkich paliw [źródło: CECA]. I jest pod dostatkiem; wodór może być wytwarzany z wielu źródeł, od gazu ziemnego po samą wodę.

Ale pozostaje pytanie: czy paliwo wodorowe jest bezpiecznym źródłem energii dla naszych samochodów? Jak można wykorzystać wodór jako paliwo? Na następnej stronie znajduje się krótkie wprowadzenie.

-

Technika ekstrakcji wodoru z wody, zapoczątkowana na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Australii, została zademonstrowana w 2005 roku. Metoda wykorzystuje energię słoneczną do napędzania reakcji. Ian Waldie / Getty Images

-Wodór w rzeczywistości nie jest źródłem energii - jest nośnik energii [źródło: CECA]. Wodór niesie energię, która jest wytwarzana podczas produkcji. Jest podobny do elektryczności: nie możemy spalać elektryczności (która jest nośnikiem energii), ale elektryczność można wytwarzać poprzez spalanie źródeł energii, takich jak gaz ziemny lub ropa naftowa. Następnie energia elektryczna przenosi tę energię do innych miejsc, takich jak gniazdka w Twoim domu.

Oznacza to, że nośnik energii musi otrzymać energię do przenoszenia, prościej mówiąc. Musimy więc wytworzyć energię do produkcji wodoru. Jest to o wiele łatwiejsze niż konwencjonalna metoda pozyskiwania naszego podstawowego paliwa - ropy. Uzyskanie ropy wymaga wiercenia w rezerwach, wypompowywania jej z ziemi, rafinacji i wysyłania na stację benzynową. Wykorzystując wodór jako źródło paliwa, zasadniczo możemy wyprodukować własne paliwo i wyeliminować wszystkie te kroki - a może także spory geopolityczne, które powoduje ropa.

Wodór jest tworzony w procesie znanym jako reformowanie. Z pewnością możemy wytwarzać wodór jako środek transferu energii poprzez spalanie gazu ziemnego lub innego źródła paliwa opartego na węglu. W rzeczywistości reforming metanu (oddzielenie wodoru od węglowodorów poprzez spalanie gazu ziemnego) jest obecnie najbardziej opłacalną metodą produkcji paliwa wodorowego. Ale dzięki tej metodzie wracamy do punktu wyjścia, jeśli chodzi o emisję gazów cieplarnianych (GHG). Podczas gdy proces przenoszenia energii z wodoru będzie czysty, proces tworzenia wodoru nadal będzie spalał paliwa kopalne i emitował GHG.

Tak jak istnieją czystsze sposoby wytwarzania energii elektrycznej (np. Energia wodna), wodór można również wytwarzać w czysty sposób za pomocą wiatru lub energii słonecznej - nawet za pośrednictwem mikroorganizmów, które zjadają glony i wytwarzają wodór jako produkt odpadowy [źródło: NREL]. Badacze oceniają te metody jako niezawodne sposoby wytwarzania wodoru bez spalania paliw kopalnych. Inni zastanawiają się, jak najlepiej wykorzystać ten wytworzony wodór do napędzania samochodu.

-Inżynierowie samochodowi wymyślili wodór ogniwa paliwowe. Te ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną do zasilania samochodu konwersja elektrochemiczna. Czysty pierwiastek chemiczny, wodór, jest rozkładany na proton i elektron, w procesie, który generuje elektryczność. Gdy miesza się z tlenem, produktem ubocznym tego procesu jest woda. Ponieważ ogniwo paliwowe nie jest w stanie samodzielnie wytworzyć wystarczającej ilości energii elektrycznej, aby zasilić samochód, należy je połączyć, aby stworzyć stosy ogniw paliwowych [źródło: Fuel Economy.gov]. Jednak po złożeniu kilku stosów samochód może się poruszać.

Pozostaje jednak duży problem: przechowywanie wodoru w pojeździe. Niektóre metody są już używane. Wodór może być magazynowany w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem lub bardzo zimnej cieczy, takiej jak wodór kriogeniczny. Działa to w przypadku magazynowania wodoru w pompach paliwa, ale nie jest praktyczne w przypadku przewożenia paliwa w samochodzie. Kriogeniczna ciecz wodorowa wymagałaby dodatkowego systemu pokładowego, aby utrzymać zimne paliwo. Zwiększyłoby to wagę, co wpływa na efektywność energetyczną pojazdu.

Naukowcy wciąż badają optymalne sposoby przechowywania i wykorzystywania wodoru jako źródła paliwa. Część tych badań obejmuje rozwiewanie obaw opinii publicznej przed paliwem wodorowym. Nauka może być w stanie rozwiązać zagadkę paliwa wodorowego, ale jeśli kierowcy nadal wyobrażają sobie, że po zderzaku zderzają się z błyskawicznym spaleniem w kuli rozpalonego do białości płomienia, to kto i tak kupiłby samochód napędzany wodorem? Być może następna strona rozwiąże Twoje zmartwienia.

Silnik samochodu elektrycznego Ford napędzanego wodorowymi ogniwami paliwowymi. Auto było prezentowane na krajowej konferencji National Hydrogen Association w 2005 roku. Joe Raedle / Getty Images

W wielu przypadkach wodór jest bezpieczniejszy niż paliwo, którego używamy obecnie do napędzania naszych samochodów. Paliwa węglowe mają tendencję do rozprzestrzeniania się w postaci płynów (jak dobrze wiesz, jeśli kiedykolwiek wylałeś na siebie benzynę przy pompie). Podczas spalania konwencjonalne paliwo wytwarza gorący popiół, wytwarzając promieniujące ciepło. Tak nie jest w przypadku wodoru. W czystej postaci wodór nie spala węgla, nie wytwarza gorącego popiołu i bardzo mało ciepła promieniowania [źródło: RMI]. Co więcej, kiedy wodór wycieka, szybko unosi się do atmosfery, więc ma mniej czasu na spalenie [źródło: Princeton].

A co z Hindenburgiem? Zarówno zwolennicy, jak i przeciwnicy paliwa wodorowego w swojej debacie trzymali się niefortunnego sterowca. Podczas gdy przeciwnicy wskazują na to jako przestrogę, zwolennicy uważają to za uwolnienie wodoru.

Chociaż wodór na pokładzie Hindenburga z pewnością spłonął z niewiarygodną siłą, to nie wodór spowodował katastrofę - to był proszek aluminiowy. Aby odbijać światło słoneczne, skóra Hindenburga została pokryta tym proszkiem, odpowiednikiem paliwa rakietowego [źródło: RMI]. Tkanina bawełniana, z której wykonano skórę sterowca, została zaimpregnowana wysoce łatwopalnym octanem [źródło: ABC]. Zwolennicy wodoru zwracają również uwagę, że płomienie podczas katastrofy w Hindenburgu płonęły w górę, a nie gasły, ponieważ element jest tak lekki. To pozostawiło pasażerów w transporcie pod stosunkowo nienaruszonymi płomieniami. Trzydzieści pięć z 36 zgonów Hindenburga było wynikiem wyskoku pasażerów ze statku powietrznego; wszyscy, którzy pozostali na pokładzie, przeżyli [źródło: RMI].

Wyzwaniem związanym z przechowywaniem paliwa wodorowego jest wymyślenie sposobów na stworzenie zbiorników do przechowywania, które nie okażą się przestrogą przed wodorem dla przyszłych pokoleń. Innymi słowy, co byłoby najlepszym zbiornikiem do przechowywania wodoru przed wybuchem wodoru w wypadku samochodowym?

-

Jedną z możliwości są zbiorniki stalowe. Są wystarczająco mocne, aby służyć jako niezawodne nośniki wodoru w samochodach. Jeśli dojdzie do wypadku, stalowy zbiornik prawdopodobnie wytrzyma uderzenie bez przebicia lub pęknięcia. Problem ze stalą polega jednak na tym, że wodór jest tak lekki, a zatem mniej gęsty niż benzyna. Każdy zbiornik zawierający wodór pod ciśnieniem musiałby być znacznie większy niż konwencjonalny zbiornik paliwa w Twoim samochodzie. Stalowy zbiornik byłby dość ciężki i zmniejszałby efektywność energetyczną.

Wydaje się, że materiały kompozytowe są jeszcze bardziej obiecujące niż stal. Zbiorniki wykonane z polietylenu są lekkie, można je dopasować do samochodu i są do tego przeznaczone proszek -- absorbują energię uderzenia, redukując zbiornik do pyłu i rzekomo bezpiecznie uwalniając wodór do atmosfery [źródło: Princeton].

Ostatecznie wodór może być przechowywany w materiałach, które mogą utrzymać element i uwolnić go w razie potrzeby. Niektóre rodzaje metalu, na przykład wodorek metalu, może uwięzić cząsteczki wodoru w ich strukturze kompozycyjnej. Tutaj wodór jest bezpiecznie przechowywany i uwalniany, gdy metal jest podgrzewany. To, co czyni tę technologię jeszcze bardziej atrakcyjną, to fakt, że ciepło potrzebne do uwolnienia cząsteczek wodoru z metalowych zbiorników może pochodzić z ciepła odpadowego wytwarzanego przez wodorowe ogniwo paliwowe [źródło: DOE].

Nie wydaje się, że „czynnik strachu przed wodorem” robi wiele, aby zniechęcić do dalszych badań nad jego żywotnością jako źródła paliwa. A jeśli na świecie naprawdę kończy się ropa, być może będziemy musieli raz na zawsze odłożyć na bok te obawy.

Więcej informacji na temat paliwa wodorowego i innych powiązanych tematów można znaleźć na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Quiz o ogniwach paliwowych
• Jak działa gospodarka wodorowa
• Jak działają ogniwa paliwowe
• Jak działają sterowce
• Jak działają samochody elektryczne
• Paliwo alternatywne

Więcej świetnych linków

• Strona główna US DOE dotycząca efektywności energetycznej i energii odnawialnej (EERE)
• Rocky Mountain Institute
• Audycja radiowa dotycząca katastrofy w Hindenburgu w archiwach krajowych

Źródła

• Edwards, Peter P. „Nasz strach przed stacjami paliw wodorowych”. Czasy. 21 kwietnia 2008. http://www.timesonline.co.uk/tol/comment/letters/article3784369.ece
• Kruszelnicki, Karl S. „Hindenburg i wodór”. Australian Broadcasting Company. 2004. http://www.abc.net.au/science/k2/moments/s1052864.htm
• Murphy, Christian. „Zróżnicowanie źródeł i nośników energii”. Consumer Energy Council of America. 30 lipca 2003. http://www.cecarf.org/Programs/Fuels/SourcesCarriers.html
• „Pojazdy na ogniwa paliwowe”. Kalifornijska Komisja Energetyczna. http://www.consumerenergycenter.org/transportation/fuelcell/index.html
• „Magazynowanie paliwa”. Princton University. http://www.princeton.edu/~chm333/2002/spring/FuelCells/H_storage.shtml
• „Jak to działa: ogniwa paliwowe PEM”. Fuel Economy.gov. http://www.fueleconomy.gov/feg/fcv_PEM.shtml
• „Fakty dotyczące wodoru”. Consumer Energy Council of America. 2003. http://www.cecarf.org/Programs/Fuels/Fuelfacts/HydrogenFacts.html
• „Produkcja i dostawa wodoru”. Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej. 1 czerwca 2007. http://www.nrel.gov/hydrogen/proj_production_delivery.html
• "Czy wodór jest niebezpieczny?" Rocky Mountain Institute. http://www.rmi.org/sitepages/pid205.php
• „Wodorki metali”. Departament Energii Stanów Zjednoczonych. 6 listopada 2006. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/storage/metal_hydrides.html
• „Sceny z piekła rodem: Herb Morrison - katastrofa Hindenburga, 1937”. Archiwa Narodowe. http://www.archives.gov/exhibits/eyewitness/html.php?section=5