Перспективы водородных энергоустановок на топливных элементах для развития электротранспорта

Водородные установки (установки на топливных элементах с использованием водорода в качестве топлива) применяются практически во всех сферах деятельности человека (рис. 1). Начнем с автомобилей. Самый удачный пример — Toyota Mirai, впервые представленная в ноябре 2013 года. В сентябре 2018 года в Германии запустили два поезда на водородных топливных элементах Coradia iLint (вышедшие на неэлектрифицированный маршрут, заменив собой дизельные локомотивы), в ближайших планах — еще десятки таких поездов. На крыше Coradia iLint установлены емкости с водородом и топливные элементы. Великобритания тоже представила свой «водородный поезд» на выставке Rail Live в июне 2019 года. Это вагон, оборудованный 100-киловаттной батареей топливных элементов, литий-ионными аккумуляторами и 20 килограммами сжатого водорода. Он был испытан специалистами только на железнодорожном испытательном полигоне, но уже в этом году поезд могут начать тестировать и на основной британской железнодорожной сети. Китай еще в октябре 2017 запустил в городе Таншань первый в мире трамвай на водородных топливных элементах. Планируется применение водородной энергетики и на судах. На сегодняшний день насчитывается около 10 концепт-проектов — на финских, норвежских, голландских и судах ряда других стран уже используются такие установки. Более того, применяют водородные системы и в авиации. Например, беспилотники с этими системами обеспечивают дальность полета в два-три раза большую, чем на аккумуляторных батареях. Разработаны и концепты пассажирских самолетов, рассчитанных на одного-двух человек. 

Япония и Германия развивают также направление стационарной водородной энергетики: у них существует понятие «home fuel cell» — «домашние топливные элементы». Их установки позволяют обеспечивать отдельные коттеджи или небольшие коттеджные поселки не только электроэнергией, но и теплом и горячей водой, ведь водородная установка на твердополимерных топливных элементах выделяет тепловую энергию с температурой 50…60 °С, которые можно использовать. 

Следует отметить неуклонный рост продукции водородной энергетики на мировом рынке энергетического оборудования [2]. На рис. 2 показано, как меняется состав номенклатуры мирового рынка энергоустановок на топливных элементах в зависимости от назначения. Если в 2014 году до трети рынка водородных энергоустановок составляли портативные ЭУТЭ (20 тыс. шт.), то в 2018 году пользовались спросом преимущественно стационарные ЭУТЭ (около 60 тыс. шт.). Однако, если говорить о суммарной установленной мощности ЭУТЭ, то транспортное применение, несомненно, превалируют на рынке, а суммарная установленная мощность всех ЭУТЭ за пять лет увеличилась в четыре раза. И это не удивительно, ведь водород, который не существует в природе в чистом виде, является универсальным аккумулятором электроэнергии, запасы которого можно хранить бесконечно долгое время и транспортировать на любые расстояния без потерь. Именно поэтому страны, не имеющие ископаемых углеводородных ресурсов, могут создавать и создают запасы водорода, получая его из воды электролизом с использованием ВИЭ (возобновляемых источников энергии), используя ветро- и гидрогенерацию, а также солнечные панели в качестве первичного источника энергии. 

В марте 2019 года между ФГУП «Крыловский государственный научный центр», одно из ведущих предприятий России в области водородной энергетики, обладающее более чем 40-летним научно-практическим опытом создания ЭУТЭ различного уровня мощности для стационарных и транспортных применений. и СПб ГУП «Горэлектротранс» заключено соглашение о сотрудничестве, имеющее своей целью создание действующего макетного образца трамвая на базе серийного трамвая ЛМ-68М2 с энергопитанием от водородной энергоустановки на топливных элементах (ЭУТЭ) — проект «Водородный трамвай». 

Проект «Водородный трамвай» осуществлялся за счет собственных средств предприятий — участников проекта и в октябре–ноябре был представлен научному и инженерному сообществу России (рис. 3). Суть проекта «Водородный трамвай» заключается в создании макетного образца транспортной испытательной платформы для отработки эксплуатационных режимов ЭУТЭ в составе системы электродвижения транспортного средства в городских условиях и демонстрации преимуществ водородной энергетики представителям администрации города, научно-инженерному и бизнес-сообществам. Успешная реализация проекта позволяет сократить технологическое отставание в области создания беспроводного электротранспорта от ведущих мировых промышленно развитых стран, в первую очередь Германии и Китая, где беспроводные трамваи и поезда на основе ЭУТЭ, как было сказано выше, уже находятся в эксплуатации. 

ЭУТЭ — это сложный комплекс систем, в котором электрохимический генератор (ЭХГ) является источником электроэнергии (рис. 4). Электричество постоянного тока с изменяющимся в зависимости от нагрузки напряжением необходимо преобразовать в тот род тока и с тем напряжением, которые необходимы для движения трамвая. Мы планировали посмотреть, как ведет себя электрохимический генератор и устройство преобразования электроэнергии (инвертор), настроить совместную работу всех систем, отладить технологию и определить пути, как сделать ее коммерчески привлекательной и пригодной для серийного выпуска. 

При этом сам проект является лишь стартовой площадкой, а главной целью сотрудничества является разработка, создание и коммерческое внедрение инновационного беспроводного городского электротранспорта на базе ЭУТЭ (рис. 5). 

Целесообразность и эффективность оснащения городского транспорта, в том числе трамваев, энергоустановками на топливных элементах определяется их высокой экономичностью, эксплуатационными и экологическими характеристиками, а именно: 

• полным отсутствием вредных выбросов во время работы; 
• отсутствием шумов и вибраций при работе; 
• высокой маневренностью на всех режимах нагрузки, практически мгновенным запуском; 
• высокой эффективностью (в процессе испытаний достигнуто значение КПДэхг= 50…56 % на всех режимах работы, в то время как в генераторах на основе тепловых двигателей — не более 35 % только на номинальном режиме; 
• уточнено фактическое потребление водорода во время работы, равное 0,22 кг(H2)/км при удельном расходе электро-энергии в режиме автономного хода 4,1 кВт*ч/км и средней мощности ЭУТЭ около 30 кВт); 
• высокой надежностью; 
• минимальными затратами на обслуживание, длительным периодом межрегламентного обслуживания (12 мес.); 
• минимальным временем заправки ЭУТЭ водородом (несколько минут), значительно меньшим, чем зарядка аккумуляторных батарей. 

Применение такого типа городского беспроводного транспорта, оснащаемого ЭУТЭ, при увеличении первоначальных затрат (стоимости) на изготовление транспортных средств на 20…25 % позволит значительно сократить капитальные и эксплуатационные расходы за счет следующего:

• для окраинных районов, особенно для «вылетных» линий (продолжение городских трамвайных линий за город), — отсутствие необходимости создавать обслуживающую инфраструктуру (контактные сети, тяговые подстанции, кабельные трассы и т. п.); 
• для центральных районов — возможность вывода из эксплуатации и демонтажа объектов обслуживающей инфраструктуры, в первую очередь контактной сети (цена оборудования одного километра составляет 10…12 млн рублей) и дорогостоящих тяговых подстанций (цена одной подстанции 120…130 млн рублей), а высвобождаемые мощности в центре города могут быть использованы для других целей; существенное снижение затрат на производство электроэнергии.

Соавтор -