Framtidens bil är här idag. Naturligtvis kan du inte köpa en ännu; men om du bor i Kalifornien kan du hyra en. Den använder inte bensin och den förorenar inte luften. Faktum är att den producerar ånga istället för avgaser. Så vad är det mystiska bränslet? Väte - det enklaste och vanligaste grundämnet i universum. Och vissa tror att om 20 till 30 år kommer vi alla att köra dessa vätgasdrivna, bränsleeffektiva fordon.
Även om vätgasdrivna bilar har en science fiction-kvalitet, är idén inte riktigt ny. Egentligen har tekniken för att använda väte för att generera kraft funnits sedan första delen av 1800-talet - det är längre än bilar har funnits. Vad som är nytt är att du faktiskt kan se en vätgasdriven bil på vägen, med ånga som kommer ut ur avgasröret istället för illaluktande gaser. Flera vätgasbilar finns nu, men de flesta är konceptbilar. Dessa miljövänliga körmaskiner inkluderar Chevrolet Equinox, BMW 745h och den som för närvarande är tillgänglig för uthyrning i Kalifornien, Honda FCX.
Det som gör en vätgasbil möjlig är en anordning som kallas bränslecell , som omvandlar väte till elektricitet och avger endast värme och vatten som biprodukter. Eftersom det inte är förorenande verkar väte vara det perfekta bränslet för 2000-talet. Många människor i regeringen och bilindustrin är entusiastiska över dess potential. Vätgasbilar har potential att vara bränslesnåla och erbjuda hopp om miljövänlig, grön körning. Men det finns fortfarande en hel del problem som måste övervinnas och frågor som måste besvaras innan vätgas blir det bästa bränslet för tillräckligt många för att göra stor skillnad i vår nuvarande användning av fossila bränslen. Till exempel, var får vi vätgas? Hur dyra blir dessa bränslesnåla bilar att köpa? Kommer du att kunna hitta en tankstation för vätgas för att fylla på din tank? Och, kanske viktigast av allt, som bränsle, är väte verkligen så oförorenande som det verkar?
Vi kommer att titta på dessa frågor på sidorna som följer, men vi kan ge dig ett snabbt svar just nu:Om du inte råkar bo i mycket specifika delar av landet och har fickor kantade med kontanter, förvänta dig inte en vätgasbil på din uppfart inom det närmaste decenniet.
Innehåll
År 1839 tog den walesiske forskaren Sir William Robert Grove den välbekanta elektrokemiska processen med elektrolys, som använder elektricitet för att producera väte från vatten, och vände om det och genererade elektricitet och vatten från väte. Han kallade sin uppfinning för ett gasvoltaiskt batteri, men idag känner vi det som en vätebränslecell. Långt senare, i mitten av 1900-talet, vidareutvecklades tekniken av uppfinnaren Francis Bacon. Tekniken som dessa två uppfinnare har tagit fram är avgörande för driften av en vätgasbil.
Det första praktiska bränslecellssystemet utvecklades i början av 1960-talet av General Electric för användning i orbitala rymdkapslar. Och sedan, på 1990-talet började bränsleceller dyka upp i stadsbussar. så vi vet att det är möjligt att driva fordon med bränsleceller. Man kan tänka sig en bränslecell som ett slags batteri, förutom att medan ett batteri håller sitt bränsle inne i sig så behöver en bränslecell fyllas på. Bränslet för en vätebränslecell är, som namnet antyder, väte. Som du kanske minns från gymnasiets kemiklass är väte det enklaste av alla element. En väteatom består av en enda elektron och en enda proton. Bränslecellen genererar elektricitet genom att ta bort elektronerna från protonerna och använda elektronerna för att skapa en ren ström av elektricitet. De joniserade väteatomerna kombineras sedan med syre för att bilda vatten. Den andra biprodukten av denna process är värme, så detta vatten tar vanligtvis formen av ånga. Hur är det för miljövänlig körning?
Den typ av bränslecell som används i bilar är bränslecellen med polymerutbytesmembran (eller PEM). PEM-bränsleceller har fördelen av att vara lätta och små. De består av två elektroder (en negativt laddad anod och en positivt laddad katod), en katalysator och ett membran. Väte pressas in i bränslecellen vid anoden i form av H2-molekyler, som var och en innehåller två väteatomer. En katalysator vid anoden bryter molekylerna till vätejoner (protonerna) och ett flöde av elektricitet (elektronerna). Jonerna passerar genom membranet, men elektriciteten måste gå runt. Medan den gör det kan den utnyttjas för att utföra arbete. Precis som väte pressas in i bränslecellen vid anoden, tvingas syre in vid katoden. Protonerna och elektronerna återförenas vid katoden och förenas med syret för att bilda vatten, varav de flesta blir bränslecellens avgaser. Bränsleceller är designade för att vara platta och tunna, främst så att de kan staplas. Ju fler bränsleceller i stacken, desto högre spänning har den elektricitet som stacken producerar.
Många tror att bränsleeffektiva fordon som vätgasdrivna bilar kommer att vara avgörande för att möta 2000-talets energibehov. 2003 tillkännagav president George W. Bush ett Freedom Fuel Initiative på 1,2 miljarder dollar till stöd för utvecklingen av bränslecellsteknologi. Bränsleceller har två stora fördelar jämfört med fossila bränslen. För det första tömmer de inte ut världens begränsade tillgång på olja, vilket hjälper oss att bevara de befintliga förråden och de kan också minska vårt beroende av utländsk olja. För det andra är den enda biprodukten från en bränslecells drift värme och vatten, vilket innebär att bränsleceller inte producerar föroreningar. Detta är mycket viktigt i en tid då koldioxidutsläpp från bilar tros främja den globala uppvärmningen.
På nästa sida ska vi titta på hur vätgasbilar och bränsleceller produceras. Och kanske ännu viktigare kommer vi att titta på var själva vätet kommer ifrån.
Så hur bygger tillverkarna egentligen bränslesnåla fordon, som bränslecellsbilar? Tja, produktion av vätgasbilar skiljer sig inte så mycket från att tillverka typiska bilar. Naturligtvis kommer till exempel drivlinan och de elektriska systemen att vara något unika eftersom en bränslecell skapar elektricitet. Därför har en vätgasdriven bil och elbil mycket gemensamt i det avseendet. En kanske viktigare fråga är hur själva vätet kommer att produceras. Med tanke på att väte är det vanligaste grundämnet i universum, som utgör ungefär 90 procent av atomerna som finns, skulle du tro att detta inte skulle vara ett problem. Tänk igen. Väte är också det lättaste grundämnet i universum och allt fritt väte på jordens yta kommer omedelbart att flyta ut i rymden. Det väte som finns kvar på denna planet är bundet till andra grundämnen i molekylär form, oftast i vattenmolekyler (H2O). Och det råkar finnas mycket H2O på jordens yta.
Men hur skiljer vi vätemolekylerna i vattnet från syremolekylerna? Och om vi inte använder vatten som vätekälla, var annars kan vi få väte?
Det enklaste sättet att få väte från vatten är det som Sir William Grove kände till för mer än 150 år sedan:elektrolys. Om du leder en elektrisk ström genom vatten bryts H2O-molekylerna ner. I likhet med bränslecellsdrift använder denna process en anod och en katod, vanligtvis gjorda av inerta metaller. När en elektrisk ström appliceras på vattnet bildas väte vid katoden och syre vid anoden. Även om denna process är långsam, kan den göras i stor skala.
En alternativ källa för vätgas är naturgas, som består av naturligt förekommande kolväten. En process som kallas ångreformering kan användas för att separera vätet i gasen från kolet. För närvarande är detta den vanligaste metoden för produktion av väte i industriell skala och skulle sannolikt vara den första metoden som används för att producera vätgas för bränslecellsfordon. Tyvärr använder den här processen fossila bränslen -- naturgasen -- så om poängen med att bygga bilar som körs på vätgas är att undvika att uttömma fossila bränslereserver, skulle naturgas vara den värsta möjliga källan till detta bränsle.
Vissa experter har föreslagit att det kan vara möjligt att bygga vätgasanläggningar i miniatyr som passar i den genomsnittliga personens garage, så det kommer inte ens att vara nödvändigt att köra till den lokala tankstationen för att fylla bilens vätgastank. Den mest extrema formen av denna idé har varit förslaget att elektrolys skulle kunna utföras inuti själva bilen, vilket skulle möjliggöra den häpnadsväckande idén om en bil som går på vatten! Men strömmen för elektrolysen måste komma från något slags batteri, så en vattendriven bil skulle behöva laddas upp med jämna mellanrum.
Så, är gröna körmaskiner som bränslecellutrustade fordon verkligen framtidens bilar? Många hoppas det, men det finns flera potentiella vägspärrar på vägen till en värld där människor tar sig runt i bilar som körs på vätgas. Vi kommer att titta på dem på nästa sida.
Många tror att vätebränsleceller är den viktigaste alternativa bränsletekniken som för närvarande är under utveckling. Det är dock inte problemfritt och det kan dröja årtionden innan bränslecellstekniken är i stor användning. Vi kan grovt dela in problemen med väte i tre kategorier:kostnaderna för att utveckla tekniken, svårigheter och faror med vätgaslagring och möjligheten att denna "icke-förorenande teknik" trots allt inte är så oförorenande. Här är några av de bakslag i vätgasbilar som vi kan förvänta oss att hantera inom en snar framtid.
Kostnaderna för att utveckla vätgasteknik är höga. Vi måste inte bara designa och utveckla bränslecellerna och bilarna, utan vi måste utveckla en infrastruktur för att stödja dessa bränsleeffektiva fordon. Tänk om du för närvarande ägde en vätgasbil. Vart skulle du gå för att fylla din tank? Förutsatt att du inte har en anläggning för vätgasproduktion i ditt garage, behöver du en vätgastankstation, och den enda platsen där det finns ett betydande antal sådana stationer för tillfället är i delstaten Kalifornien, där guvernör Arnold Schwarzenegger har förbundit sig att stödja en framtid för väte. Några av de mer pessimistiska uppskattningarna har placerat kostnaden för att bygga en infrastruktur som kommer att tillåta ett betydande antal vätgasbilar att vara så hög som 500 miljarder dollar – och tiden för att producera infrastrukturen så lång som fyra decennier!
Kostnaden för bilarna är också hög. Med platina som den mest använda katalysatorn i bränslecellerna är priset för ett enstaka bränslecellsfordon för närvarande mer än 100 000 USD och kanske till och med betydligt mer, vilket är anledningen till att de enda vätgasbilarna som finns tillgängliga för dig att köra just nu är för leasing , inte till salu. Få människor har råd att ha råd med en så dyr bil. Andra katalysatorer utvecklas som förmodligen kommer att vara billigare än platina, men ingen vet hur snart de kommer att vara tillgängliga för storskalig användning.
Förvaringsproblemet är också ett taggigt sådant. Väte är en gas och den sprider sig gärna. Att sätta den i en bil innebär att klämma ner den till en lagom storlek, och det är inte lätt. Dessutom blir vätgas varmt medan det sitter i tanken på en parkerad bil, vilket gör att gasen expanderar. Det innebär att tankarna måste ventilera ut vätgasen med jämna mellanrum från bilen. Låt en vätgasbil sitta kvar i mer än några dagar och allt bränsle är borta. Väte är också mycket brandfarligt -- den spektakulära explosionen av det dirigible Hindenburg på 1930-talet tros av vissa ha varit resultatet av en vätebrand -- så om vätet kommer ut ur tanken har det potential att vara farligt . Lyckligtvis är vätebränder inte lika heta som bensinbränder och är mindre benägna att starta sekundära bränder. Och eftersom väte stiger, kommer det mesta vätgas som läckt ut flyta iväg innan det faktiskt kan göra någon skada.
Och är väte verkligen icke-förorenande? En bränslecell producerar bara värme och vatten som avgaser, men de processer som används för att skapa vätgas är inte nödvändigtvis lika rena. Elektrolys använder elektricitet och den elen kommer ofta från anläggningar som eldar kol, en mycket förorenande källa. Och när väte utvinns från naturgas producerar det koldioxidutsläpp, vilket är precis vad vi försöker undvika genom att använda väte i första hand.
Många tror att vi kommer att övervinna dessa hinder så småningom, men det kommer att bli svårt. Andra tror att vår bästa insats för bränsleeffektivitet och miljövänlig körning inom en snar framtid inte ligger i vätgas utan i hybridelektriska fordon, som Toyota Prius, Ford Fusion hybrid och andra liknande hybridbilar. Ändå är det möjligt att du inom de närmaste decennierna kanske äger en vätebränslecellsbil.
För mer information om alternativa bränslen, hybridbilar och andra relaterade ämnen, följ länkarna på nästa sida.
