Lái thử BMW và hydro: phần một

Tiếng gầm rú của cơn bão sắp xảy ra vẫn còn vang vọng trên bầu trời khi chiếc máy bay khổng lồ tiếp cận địa điểm hạ cánh gần New Jersey. Ngày 6 tháng 1937 năm 97, khí cầu Hindenburg thực hiện chuyến bay đầu tiên trong mùa, chở XNUMX hành khách trên tàu.

Trong vài ngày tới, một quả bóng khí khổng lồ chứa đầy hydro sẽ bay trở lại Frankfurt am Main. Tất cả các ghế trên chuyến bay từ lâu đã được đặt trước bởi những công dân Mỹ háo hức chứng kiến ​​lễ đăng quang của Vua Anh George VI, nhưng số phận đã ra lệnh rằng những hành khách này sẽ không bao giờ lên chiếc máy bay khổng lồ.

Ngay sau khi hoàn thành việc chuẩn bị cho việc hạ cánh của khinh khí cầu, chỉ huy Rosendahl của nó nhận thấy ngọn lửa trên thân tàu, và sau vài giây, quả bóng khổng lồ biến thành một khúc gỗ bay đáng ngại, chỉ để lại những mảnh kim loại đáng thương trên mặt đất sau nửa giờ nữa. phút. Một trong những điều đáng ngạc nhiên nhất về câu chuyện này là sự thật ấm lòng rằng nhiều hành khách trên chiếc khinh khí cầu đang bốc cháy cuối cùng đã sống sót.

Bá tước Ferdinand von Zeppelin đã mơ ước được bay trên một phương tiện bay nhẹ hơn không khí vào cuối thế kỷ 1917, phác thảo một sơ đồ thô của một chiếc máy bay nhẹ chứa đầy khí và khởi động các dự án để thực hiện nó. Zeppelin sống đủ lâu để thấy tác phẩm của mình dần dần đi vào cuộc sống của mọi người, và qua đời vào năm 1923, ngay trước khi đất nước của ông mất trong Thế chiến thứ nhất, và việc sử dụng các con tàu của ông bị cấm theo Hiệp ước Versailles. Zeppelins bị lãng quên trong nhiều năm, nhưng mọi thứ lại thay đổi với tốc độ chóng mặt với sự lên nắm quyền của Hitler. Người đứng đầu mới của Zeppelin, Tiến sĩ Hugo Eckner, tin chắc rằng cần có một số thay đổi công nghệ đáng kể trong thiết kế khí cầu, trong đó chủ yếu là thay thế hydro dễ cháy và nguy hiểm bằng heli. Tuy nhiên, thật không may, Hoa Kỳ, lúc đó là nhà sản xuất duy nhất của nguyên liệu thô chiến lược này, không thể bán heli cho Đức theo luật đặc biệt được Quốc hội thông qua vào năm 129. Đây là lý do tại sao con tàu mới, được chỉ định là LZ XNUMX, cuối cùng được cung cấp nhiên liệu hydro.

Việc chế tạo một khí cầu mới khổng lồ làm bằng hợp kim nhôm nhẹ đạt chiều dài gần 300 mét và có đường kính khoảng 45 mét. Chiếc máy bay khổng lồ, tương đương với tàu Titanic, được trang bị 16 động cơ diesel 1300 xi-lanh, mỗi động cơ 1936 mã lực. Đương nhiên, Hitler đã không bỏ lỡ cơ hội biến "Hindenburg" thành một biểu tượng tuyên truyền sống động của Đức Quốc xã và đã làm mọi cách để đẩy nhanh việc bắt đầu khai thác nó. Kết quả là vào năm XNUMX, khí cầu "ngoạn mục" đã thực hiện các chuyến bay xuyên Đại Tây Dương thường xuyên.

Trong chuyến bay đầu tiên vào năm 1937, địa điểm hạ cánh ở New Jersey có rất đông khán giả phấn khích, những cuộc gặp gỡ nhiệt tình, người thân và nhà báo, nhiều người trong số họ đã chờ đợi hàng giờ cho cơn bão dịu đi. Ngay cả đài phát thanh cũng đưa tin về một sự kiện thú vị. Tại một thời điểm nào đó, sự chờ đợi đầy lo lắng bị gián đoạn bởi sự im lặng của người nói, người sau một lúc đã hét lên một cách cuồng loạn: “Một quả cầu lửa khổng lồ đang rơi từ trên trời xuống! Không còn ai sống sót ... Con tàu đột nhiên sáng lên và ngay lập tức trông giống như một ngọn đuốc khổng lồ đang cháy. Một số hành khách trong cơn hoảng loạn bắt đầu nhảy khỏi thuyền gondola để thoát khỏi ngọn lửa kinh hoàng, nhưng hóa ra nó đã gây tử vong cho họ vì độ cao cả trăm mét. Cuối cùng, chỉ một số hành khách chờ phi thuyền tiếp cận đất liền sống sót, nhưng nhiều người trong số họ bị bỏng nặng. Tại một số thời điểm, con tàu không thể chịu được thiệt hại của ngọn lửa dữ dội, và hàng ngàn lít nước dằn trong mũi bắt đầu đổ xuống đất. Hindenburg liệt kê nhanh chóng, phần đuôi xe bốc cháy lao xuống đất và bị phá hủy hoàn toàn sau 34 giây. Cú sốc của cảnh tượng làm rung chuyển đám đông tụ tập trên mặt đất. Vào thời điểm đó, nguyên nhân chính thức của vụ tai nạn được cho là do sấm sét gây ra hiện tượng đánh lửa hydro, nhưng trong những năm gần đây, một chuyên gia người Đức và Mỹ đã khẳng định chắc chắn rằng thảm kịch xảy ra với con tàu Hindenburg đã trải qua nhiều cơn bão mà không gặp vấn đề gì. , là nguyên nhân của thảm họa. Sau nhiều lần quan sát các đoạn phim lưu trữ, họ đi đến kết luận rằng ngọn lửa bắt đầu do lớp sơn dễ cháy bao phủ lớp vỏ của khí cầu. Vụ cháy khí cầu Đức là một trong những thảm họa khủng khiếp nhất trong lịch sử nhân loại, và ký ức về sự kiện khủng khiếp này vẫn còn rất đau đớn đối với nhiều người. Thậm chí ngày nay, việc nhắc đến các từ "khí cầu" và "hydro" gợi lên địa ngục rực lửa của New Jersey, mặc dù nếu được "thuần hóa" một cách thích hợp, loại khí nhẹ nhất và dồi dào nhất trong tự nhiên có thể cực kỳ hữu ích, bất chấp các đặc tính nguy hiểm của nó. Theo một số lượng lớn các nhà khoa học hiện đại, kỷ nguyên thực sự của hydro vẫn đang tiếp diễn, mặc dù cùng lúc đó, phần lớn khác của cộng đồng khoa học tỏ ra hoài nghi về những biểu hiện lạc quan cực đoan như vậy. Tất nhiên, trong số những người lạc quan ủng hộ giả thuyết đầu tiên và những người ủng hộ nhiệt tình nhất cho ý tưởng hydro, phải là những người Bavaria đến từ BMW. Công ty ô tô Đức có lẽ nhận thức rõ nhất về những thách thức không thể tránh khỏi trên con đường hướng tới nền kinh tế hydro và trên hết là vượt qua những khó khăn trong quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu hydrocacbon sang hydro.

Tham vọng

Chính ý tưởng sử dụng một loại nhiên liệu thân thiện với môi trường và không cạn kiệt như nguồn dự trữ nhiên liệu nghe có vẻ như là một điều kỳ diệu đối với nhân loại đang phải vật lộn với cuộc đấu tranh năng lượng. Ngày nay, có nhiều hơn một hoặc hai "hiệp hội hydro" có nhiệm vụ thúc đẩy thái độ tích cực đối với khí nhẹ và liên tục tổ chức các cuộc họp, hội nghị chuyên đề và triển lãm. Ví dụ, công ty lốp xe Michelin đang đầu tư mạnh vào việc tổ chức Michelin Challenge Bibendum ngày càng nổi tiếng, một diễn đàn toàn cầu tập trung vào hydro cho nhiên liệu bền vững và ô tô.

Tuy nhiên, sự lạc quan phát ra từ các bài phát biểu tại các diễn đàn như vậy vẫn chưa đủ để triển khai thực tế một bài ca hydro tuyệt vời, và bước vào nền kinh tế hydro là một sự kiện vô cùng phức tạp và không thể thực hiện được ở giai đoạn công nghệ này trong quá trình phát triển của nền văn minh.

Tuy nhiên, gần đây, nhân loại đang nỗ lực sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng thay thế, cụ thể là hydro có thể trở thành cầu nối quan trọng để lưu trữ năng lượng mặt trời, gió, nước và sinh khối, chuyển hóa thành năng lượng hóa học. ... Nói một cách dễ hiểu, điều này có nghĩa là điện được tạo ra bởi các nguồn tự nhiên này không thể được lưu trữ với khối lượng lớn, nhưng có thể được sử dụng để sản xuất hydro bằng cách phân hủy nước thành oxy và hydro.

Nghe có vẻ kỳ lạ, một số công ty dầu mỏ nằm trong số những người đề xuất chính cho kế hoạch này, trong đó kiên định nhất là gã khổng lồ dầu mỏ BP của Anh, công ty có chiến lược đầu tư cụ thể cho các khoản đầu tư đáng kể vào lĩnh vực này. Tất nhiên, hydro cũng có thể được chiết xuất từ ​​​​các nguồn hydrocacbon không thể tái tạo, nhưng trong trường hợp này, loài người phải tìm kiếm giải pháp cho vấn đề lưu trữ carbon dioxide thu được trong quá trình này. Một thực tế không thể chối cãi là các vấn đề công nghệ sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro đều có thể giải quyết được - trên thực tế, loại khí này đã được sản xuất với số lượng lớn và được sử dụng làm nguyên liệu thô trong ngành hóa chất và hóa dầu. Tuy nhiên, trong những trường hợp này, chi phí cao của hydro không gây tử vong, vì nó "tan chảy" thành chi phí cao của các sản phẩm trong quá trình tổng hợp mà nó tham gia.

Tuy nhiên, vấn đề sử dụng khí nhẹ làm nguồn năng lượng có phần phức tạp hơn. Các nhà khoa học đã vắt óc tìm kiếm một giải pháp thay thế chiến lược khả thi cho dầu nhiên liệu trong một thời gian dài và cho đến nay họ đã đi đến thống nhất rằng hydro thân thiện với môi trường nhất và có đủ năng lượng. Chỉ anh ta đáp ứng tất cả các yêu cầu cần thiết để chuyển đổi suôn sẻ sang thay đổi hiện trạng. Cơ sở của tất cả những lợi ích này là một thực tế đơn giản nhưng rất quan trọng – việc khai thác và sử dụng hydro xoay quanh chu trình tự nhiên của quá trình tổng hợp và phân hủy nước… Nếu loài người cải tiến các phương pháp sản xuất sử dụng các nguồn tự nhiên như năng lượng mặt trời, gió và nước, thì hydro có thể được sản xuất và sử dụng với số lượng không giới hạn mà không thải ra bất kỳ khí thải độc hại nào. Là một nguồn năng lượng tái tạo, hydro từ lâu đã là kết quả của các nghiên cứu quan trọng trong các chương trình khác nhau ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản. Đổi lại, cái sau là một phần của công việc trong một loạt các dự án chung nhằm tạo ra một cơ sở hạ tầng hydro hoàn chỉnh, bao gồm sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và phân phối. Thông thường, những phát triển này đi kèm với các khoản trợ cấp đáng kể của chính phủ và dựa trên các thỏa thuận quốc tế. Ví dụ, vào tháng 2003 năm XNUMX, Hiệp định Đối tác Kinh tế Hydro Quốc tế đã được ký kết, bao gồm các nước công nghiệp lớn nhất thế giới như Úc, Brazil, Canada, Trung Quốc, Pháp, Đức, Iceland, Ấn Độ, Ý và Nhật Bản. , Na Uy, Hàn Quốc, Nga, Anh, Mỹ và Ủy ban Châu Âu. Mục đích của sự hợp tác quốc tế này là "tổ chức, kích thích và đoàn kết nỗ lực của các tổ chức khác nhau trên con đường dẫn đến kỷ nguyên hydro, cũng như hỗ trợ tạo ra các công nghệ sản xuất, lưu trữ và phân phối hydro."

Con đường khả thi để sử dụng loại nhiên liệu thân thiện với môi trường này trong lĩnh vực ô tô có thể được nhân đôi. Một trong số đó là các thiết bị được gọi là "pin nhiên liệu", trong đó sự kết hợp hóa học của hydro với oxy từ không khí sẽ giải phóng điện và thứ hai là sự phát triển của các công nghệ sử dụng hydro lỏng làm nhiên liệu trong xi lanh của động cơ đốt trong cổ điển. . Hướng thứ hai gần gũi hơn về mặt tâm lý với cả người tiêu dùng và các hãng xe hơi, và BMW là người ủng hộ sáng giá nhất cho hướng đi này.

Sản xuất

Hiện tại, hơn 600 tỷ mét khối hydro tinh khiết được sản xuất trên toàn thế giới. Nguyên liệu chính để sản xuất nó là khí tự nhiên, được xử lý trong một quy trình được gọi là "cải cách". Một lượng nhỏ hydro được thu hồi bởi các quá trình khác như điện phân hợp chất clo, oxy hóa một phần dầu nặng, khí hóa than, nhiệt phân than để sản xuất than cốc và cải cách xăng. Khoảng một nửa sản lượng hydro của thế giới được sử dụng để tổng hợp amoniac (được sử dụng làm nguyên liệu trong sản xuất phân bón), trong lọc dầu và tổng hợp metanol. Các kế hoạch sản xuất này gây gánh nặng cho môi trường ở các mức độ khác nhau và thật không may, không có kế hoạch nào trong số đó đưa ra giải pháp thay thế có ý nghĩa cho hiện trạng năng lượng hiện tại - thứ nhất là do chúng sử dụng các nguồn không thể tái tạo và thứ hai là do quá trình sản xuất đó giải phóng các chất không mong muốn như carbon dioxide, là thủ phạm chính. Hiệu ứng nhà kính. Một đề xuất thú vị để giải quyết vấn đề này gần đây đã được đưa ra bởi các nhà nghiên cứu do Liên minh Châu Âu và chính phủ Đức tài trợ, họ đã tạo ra cái gọi là công nghệ “cô lập”, trong đó khí carbon dioxide sinh ra trong quá trình sản xuất hydro từ khí tự nhiên được bơm vào ruộng cũ cạn kiệt. dầu mỏ, khí tự nhiên hoặc than đá. Tuy nhiên, quá trình này không dễ thực hiện, vì cả mỏ dầu và khí đốt đều không phải là những lỗ hổng thực sự trong vỏ trái đất, mà thường là những cấu trúc cát xốp.

Phương pháp sản xuất hydro hứa hẹn nhất trong tương lai vẫn là phân hủy nước bằng điện, được biết đến từ thời tiểu học. Nguyên tắc cực kỳ đơn giản - một điện áp được đặt vào hai điện cực được ngâm trong bể nước, trong khi các ion hydro tích điện dương đi đến điện cực âm và các ion oxy tích điện âm đi đến cực dương. Trong thực tế, một số phương pháp chính được sử dụng cho quá trình phân hủy điện hóa nước này - "điện phân kiềm", "điện phân màng", "điện phân áp suất cao" và "điện phân nhiệt độ cao".

Mọi thứ sẽ trở nên hoàn hảo nếu phép chia số học đơn giản không can thiệp vào vấn đề cực kỳ quan trọng về nguồn gốc của dòng điện cần thiết cho mục đích này. Thực tế là hiện nay, việc sản xuất nó chắc chắn thải ra các sản phẩm phụ có hại, số lượng và loại khác nhau tùy thuộc vào cách thức thực hiện, và trên hết, việc sản xuất điện là một quy trình không hiệu quả và rất tốn kém.

Phá vỡ vòng luẩn quẩn và khép lại vòng tuần hoàn của năng lượng sạch hiện chỉ có thể thực hiện được khi sử dụng năng lượng tự nhiên và đặc biệt là năng lượng mặt trời để tạo ra điện năng cần thiết để phân hủy nước. Giải quyết vấn đề này chắc chắn sẽ đòi hỏi nhiều thời gian, tiền bạc và công sức, nhưng ở nhiều nơi trên thế giới, việc tạo ra điện theo cách này đã trở thành hiện thực.

Ví dụ, BMW đóng một vai trò tích cực trong việc tạo ra và phát triển các nhà máy điện mặt trời. Nhà máy điện, được xây dựng ở thị trấn nhỏ Neuburg, Bavarian, sử dụng các tế bào quang điện để tạo ra năng lượng tạo ra hydro. Các kỹ sư của công ty cho biết, các hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời để đun nóng nước đặc biệt thú vị và tạo ra hơi nước cung cấp năng lượng cho các máy phát điện - những nhà máy năng lượng mặt trời như vậy đã hoạt động ở sa mạc Mojave ở California, nơi tạo ra 354 MW điện. Năng lượng gió cũng ngày càng trở nên quan trọng, với các trang trại gió trên bờ biển của các quốc gia như Mỹ, Đức, Hà Lan, Bỉ và Ireland đóng vai trò kinh tế ngày càng quan trọng. Ngoài ra còn có các công ty chiết xuất hydro từ sinh khối ở những nơi khác nhau trên thế giới.

Vị trí lưu trữ

Hydro có thể được lưu trữ với số lượng lớn ở cả hai pha khí và lỏng. Bể chứa lớn nhất trong số các bể chứa này, trong đó hydro ở áp suất tương đối thấp, được gọi là "đồng hồ khí". Các bồn chứa cỡ trung bình và nhỏ hơn thích hợp để lưu trữ hydro ở áp suất 30 bar, trong khi các bồn chứa đặc biệt nhỏ nhất (thiết bị đắt tiền làm bằng thép đặc biệt hoặc vật liệu composite được gia cố bằng sợi carbon) duy trì áp suất không đổi 400 bar.

Hydro cũng có thể được lưu trữ trong pha lỏng ở -253°C trên một đơn vị thể tích, chứa năng lượng gấp 0 lần so với khi được lưu trữ ở 1,78 bar – để đạt được lượng năng lượng tương đương trong hydro hóa lỏng trên một đơn vị thể tích, khí phải được nén lên đến 700 thanh. Chính vì hiệu suất năng lượng cao hơn của hydro làm mát mà BMW đang hợp tác với công ty điện lạnh Linde của Đức, công ty đã phát triển các thiết bị đông lạnh hiện đại để hóa lỏng và lưu trữ hydro. Các nhà khoa học cũng đưa ra các giải pháp thay thế khác, nhưng ít áp dụng hơn, để lưu trữ hydro, ví dụ, lưu trữ dưới áp suất trong bột kim loại đặc biệt ở dạng hydrua kim loại, v.v.

Vận chuyển

Ở những khu vực tập trung nhiều nhà máy hóa chất và nhà máy lọc dầu, mạng lưới truyền dẫn hydro đã được thiết lập. Nhìn chung, công nghệ này tương tự như vận chuyển khí tự nhiên, nhưng việc sử dụng công nghệ này cho nhu cầu hydro không phải lúc nào cũng khả thi. Tuy nhiên, ngay cả trong thế kỷ trước, nhiều ngôi nhà ở các thành phố châu Âu đã được thắp sáng bằng đường ống dẫn khí nhẹ, chứa tới 50% hydro và được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong tĩnh đầu tiên. Trình độ công nghệ ngày nay cũng cho phép vận chuyển xuyên lục địa hydro hóa lỏng thông qua các tàu chở dầu đông lạnh hiện có tương tự như những tàu chở khí đốt tự nhiên. Hiện nay, các nhà khoa học và kỹ sư đang đặt nhiều hy vọng và nỗ lực nhất trong lĩnh vực tạo ra các công nghệ thích hợp để hóa lỏng và vận chuyển hydro lỏng. Theo nghĩa này, chính những con tàu, xe bồn và xe tải đông lạnh này có thể trở thành cơ sở cho việc vận chuyển hydro trong tương lai. Vào tháng 2004 năm XNUMX, trạm nạp hydro hóa lỏng đầu tiên do BMW và Steyr hợp tác phát triển đã được khai trương ngay gần Sân bay Munich. Với sự trợ giúp của nó, việc đổ đầy hydro hóa lỏng vào các bình chứa được thực hiện hoàn toàn tự động, không có sự tham gia và không có rủi ro cho người lái xe.