Есть ли будущее у водорода в Ф1?
Про водород часто говорят, как про источник топлива, но, на самом деле, как электричество или синтетическое топливо, это носитель энергии. Разница в том, что многие углеводороды можно после извлечения из земли сжечь и быстро получить энергию без сложной обработки. Да, более мелкие фракции нефти требуют значительных затрат при переработке, но с сырьем, таким как уголь или дерево, обращаться проще. Водород, будучи самым распространенным химическим элементом, не существует сам по себе, он взаимодействует с другими молекулами и элементами. Самый простой пример – его взаимодействие с кислородом, чтобы произвести воду. И именно из воды можно его добыть.
Сейчас меньше 1% водорода добывается экологичным способом. Это происходит, если водород добывают, пропуская электричество через воду с помощью электролизера, что позволяет разделить воду на водород и кислород. Если этот процесс использует электричество из экологичных источников энергии, то и добыча считается экологичной. В основном водород добывают из метана, что приводит к выбросам углерода в атмосферу. Но есть и промежуточный вариант, когда водород добывают так же из метана, но высвободившийся углерод закачивают под землю.
Энергию водорода в автомобилях можно использовать двумя способами. Им можно запитывать топливные ячейки, а можно сжигать в двигателе внутреннего сгорания на манер бензина. Топливная ячейка – это по сути электролизер наоборот. В ней водород смешивается с кислородом из атмосферы, в процессе вырабатывается электричество и вода. С топливными ячейками, тем не менее, есть проблема. Во-первых, они не слишком эффективны. Понадобятся крупные и емкие носители, но они будут продуцировать много тепла, а работать она должна при относительно низких температурах (50-60 градусов). В силовой установке Формулы 1 жидкости (вода, масло) могут нагреваться до 120-130 градусов, а в случае водородной топливной ячейки разница между рабочей температурой жидкости и окружающей температурой будет значительно меньше. Что означает, что радиаторы охлаждения у такой машины должны быть намного больше, чем у машины с ДВС. Еще топливная ячейка медленнее реагирует на изменения в забираемой энергии, так что аккумуляторы должны быть способны обеспечивать непрерывную подачу энергии электромотору.
Водород можно использовать и в ДВС, и такие компании, как Toyota или JCB активно работают над этим. В таком случае углерод не выделяется в результате использования водорода, но побочным продуктом являются оксиды азота. Можно использовать бедную топливную смесь, что позволяет устранить этот недостаток. Водород еще хорош тем, что он очень энергоемкий – показатели в три раза больше бензина. Проблема в том, что бензин существует в жидком виде при обычной температуре и давлении, так что его можно хранить в простом баке, а вот водород – это газ, и в таком виде он бы хранился в огромных резервуарах. Решение – охладить газ, пока он не станет жидким (что подходит для самолетов, но не для дорожных машин), или сжать его высоким давлением (работает и для ДВС, и для топливных ячеек). В теории это не так сложно, нужны лишь баки из материалов, способных выдерживать огромное давление. Но в таком случае они становятся слишком тяжелыми и преимущество самого топлива нивелируется.
Еще одна проблема водорода в том, что это самая маленькая молекула из существующих, так что ему несложно преодолевать межмолекулярные связи других материалов. В целом, если вы не оставляете машину стоять на долгое время или не используете в конструкции машины плохо сделанные трубки для его подачи, то все в порядке. Но есть такая вещь, как водородная хрупкость. Она характерна для высокопрочных сталей, которые подвержены разрушению из-за водорода. Водород активно «атакует» сталь, и она начинает разрушаться слишком рано.
Так является ли водород вариантом топлива для гоночных машин? Пожалуй, ответ «да», но будет ли он лучше, чем синтетическое топливо или биотопливо? На этот вопрос ответить сложнее, и многое будет зависеть от развития топливной инфраструктуры в ближайшее десятилетие. И водороду, и другим видам топлива нужно предложить потребителю как углеродную нейтральность, так и разумную цену. Для Формулы 1 скорее вероятен вариант внедрения синтетического топлива. Но, как обычно бывает, только время нас рассудит.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за ноябрь 2023.
Фото: MotorSportImages.com
Этот блог в соцсетях:
