Альтернативное топливо для тепловозов

Картинка из свободных источников. Тепловоз серии 071 железных дорог Ирландии, который планируется переоборудовать для работы на водородном топливе

В июле 2023 г. в Ирландии была опубликована первая Национальная водородная стратегия. В настоящее время страна получает 80% потреб­ляемой энергии за счет импорта ископаемого топлива. Обеспоко­енность энергетической безопас­ностью в будущем заставляет на­циональное правительство искать альтернативные решения.

Согласно стратегии, заметную роль в энергетике Ирландии бу­дет играть водород, получаемый с использованием возобновляе­мых источников энергии. Переход на экологически чистое водород­ное топливо станет важным шагом на пути декарбонизации грузового транспорта, в том числе железнодорожного, учитывая, что внедрение достаточно мощных локомотивов, использующих для тяги только аккумуляторы, пока проблематично. К 2030 г. Ирландия намерена сократить выбросы соединений углерода в транспортном секторе на 51 %. Согласно данным обзора All-Island Strategic Rail Review, подготовленного компанией Arup, в мероприятия по декарбонизации железнодорожного транспорта страны предполагается инвестировать 37 млрд евро. Осуществление предложенного плана электрификации позволит выполнять 80 % поездной работы, используя подвижной состав, получающий питание от контактной сети, а оставшиеся 20 % — при помощи подвижного состава, работающего на аккумуляторах и водородном топливе. В последние годы IÉ активно ищут способы декарбонизации своего парка локомотивов. В рамках партнерства с ирландским подразделением группы Rhomberg Sersa Rail проводятся испытания гидроочищенных растительных масел (HVO) в качестве топлива для тепловозов, работающих с поездами, которые заняты на ремонте путей. Ожидается, что успешная реализация проекта позволит снизить выбросы соединений углерода этими тепловозами на 90 %. Одновременно IÉ делают первые шаги в области внедрения водородной тяги, заключив партнерское соглашение с DiGas о модернизации эксплуатируемого тепловоза серии 071 для работы на водородном топливе.

В рамках проекта стоимостью 1,5 млн евро компания DiGas изготовит и установит на тепловоз серии 071 двигатель внутреннего сгорания, адаптированный для сжигания водорода. Со своей стороны IÉ предоставят депо, в котором будет проходить монтаж, испытания и пусконаладочные работы, а также проведут испытания переоборудованного локомотива.

Кроме того, в данном проекте IЕ отвечают за поиск поставщиков оборудования для заправки водородом.

Проект находится на стадии проработки, на 2024 и 2025 гг. запланированы два этапа испытаний. На первом предполагается провести стационарные испытания локомо­тива для проверки его энергетиче­ских характеристик и оценки объе­мов вредных выбросов. Второй этап, который начнется в 2025 г., преду­сматривает проведение эксплуа­тационных испытаний переобору­дованного локомотива на сети IE. Нормативные документы, которые предстоит разработать для проек­тирования и испытаний локомотива на водородном топливе, подлежат утверждению Комиссией по желез­нодорожному регулированию (CRR).

В распоряжении IE имеются 18 тепловозов серии 071, из них 12 ед. работают с грузовыми поездами. Ес­ли испытания опытного модерни­зированного локомотива пройдут успешно, остальные тепловозы этой серии также можно будет переобо­рудовать, что позволит повысить их топливную экономичность и улуч­шить экологические показатели.

Компания DiGas была организо­вана в 2012 г. Модернизация тепло­воза серии 071 — ее первый проект в области использования водородно­го топлива. Ранее DiGas занималась переоборудованием тепловозов для работы на биометане. Первый проект такого рода ком­пания запустила в 2016 г. совмест­но с железными дорогами Латвии (Latvijas dzelzcels, LDz) и с тех пор успешно завершила модернизацию, сертификацию и ввод в эксплуата­цию переоборудованных локомо­тивов четырех различных серий в Латвии, Эстонии и Польше. В числе продолжающихся проектов DiGas — совместная работа с испан­ской компанией ARMF, а также раз­работка ТЭО модернизации дизель- поезда в сотрудничестве с француз­ским оператором пассажирских пе­ревозок SNCF Voyageurs.

Предложенная DiGas технология основана на двухтопливной систе­ме, успешно применяемой в Восточной Европе с 2010‑х годов, в частности, при переоборудовании парка дизельных автобусов. Она ощутимо отличается от известных аналогов, поскольку предусматривает впрыск газа в каждый цилиндр двигателя отдельно. Объем воздуха, поступающего в цилиндры, регулируется. Впрыск дизельного топлива и все параметры сгорания контролируются в режиме реального времени.

Проект переоборудования компанией DiGas первого локомотива для работы на биометане был согласован с LDz 1 июня 2016 г. Биометан представляет собой очищенный от примесей биогаз и может использоваться в качестве заменителя природного газа. Переоборудованию подвергся один из маневровых тепловозов широко распространенной на железных дрогах бывшего СССР серии ЧМЭ3 постройки компании СKD Praha.

Картинка из свободных источников. Тепловоз ЧМЭ3 железных дорог Латвии, переоборудованный для работы на биометане

В 2019 г. состоялась презентация сертифицированного образца обновленного тепловоза. Большие надежды связаны с применением гидроочищенных растительных масел, однако существенной проблемой при этом является высокая стоимость такого топлива. Она может быть на 25 – 50 %, а в некоторых странах — и в 2 раза выше по сравнению со стоимостью дизельного топлива, тогда как биометан может стоить даже меньше него.

По данным Европейской ассоциации по биогазу (European Biogas Association), в Европе насчитывается около 20 тыс. энергетических установок, работающих на этом виде топлива. Поскольку доля возобновляемых источников в энергетическом балансе неуклонно растет, они могут послужить и целям декарбонизации транспортного сектора, который по‑прежнему критически зависит от ископаемого топлива. Предполагается, что расширение использования биометана стимулирует создание предприятий по производству этого вида топлива. Лидером как в открытии новых, так и в модернизации существующих заводов по производству биометана является Франция. Учитывая это, компания DiGas уделяет существенное внимание сотрудничеству с этой страной в сфере модернизации локомотивов и их перевода на биогазовое топливо. Процесс переоборудования локомотива относительно несложен.

На нем остается прежний дизель, однако в его конструкцию вносят­ся некоторые изменения. Поми­мо воздуха и дизельного топлива, в цилиндры двигателя теперь по­дается еще и горючий газ (биоме­тан, метан или водород). Таким об­разом, дизель становится двухтоп­ливным, т. е. рассчитанным на сжи­гание двух видов топлива.

Картинка из свободных источников. Тепловоз ТЭМ2, выпущенный в СССР и переоборудованный в двухтопливный по заказу эстонской компании Enefit

В разных странах используются раз­личные пары топлива (в Европе это, как правило, биометан и дизельное топливо), что обеспечивает сокра­щение выбросов CO2 на величину до 80% по сравнению с обычным ди­зельным топливом. При использова­нии двухтопливной технологии ко­личество твердых частиц в выхло­пе снижается на величину до 80%, а уровень выбросов оксидов азо­та - на величину до 40%.

Некоторые клиенты настаива­ют на полном переводе двигате­лей на биометан, для чего требу­ется более существенная передел­ка силовой установки. Однако это позволяет получить и более ощу­тимый результат в части сокраще­ния вредных выбросов. Так, выбро­сы твердых частиц снижаются на величину до 95 %, а оксидов азо­та — на величину до 70%. Впрочем, железные дороги, по крайней мере те, с которыми сотрудничает ком­пания DiGas, обеспокоены в пер­вую очередь уровнем выбросов CO2.

Водород, как и метан, представ­ляет собой газообразное топливо, поэтому процесс переоборудова­ния тепловоза на использование водорода в целом аналогичен, но один из топливных баков локомо­тива требуется заменить специальным резервуаром высокого давления. Это один из немногих компонентов, при проектировании которых компании DiGas приходится прибегать к помощи стороннего разработчика. Все остальное оборудование компания проектирует самостоятельно, привлекая субподрядчиков только на стадии из-готовления компонентов.

В ирландском проекте в качестве топлива планируется использовать чистый водород. Для этого двигатель оснащают свечами зажигания, а для подачи водорода в цилиндры устанавливают специальные форсунки собственной разработки.

Определенное преимущество применения двигателя внутреннего сгорания, работающего на во-дородном топливе, по сравнению с топливными элементами заклю-чается в том, что он менее требователен к чистоте и качеству топлива. IE ориентированы на использование «зеленого» водорода, получаемого экологически чистыми методами, но рассматривается возможность применять и топливо более низкого качества, по крайней мере на начальном этапе внедрения этой технологии.

Немаловажно также, что характеристики двигателя внутреннего сгорания, в частности мощность и крутящий момент, уже известны, а значит, провести сравнение во время испытаний можно достаточно просто. Если на испытательном стенде двигатель на водородном топливе покажет такие же значения мощности и КПД, как и дизель, это будет означать, что переоборудование прошло успешно и можно переходить к следующим этапам работы.

Наконец, еще одно преимущество перевода дизеля на водородное топливо — стоимость. Затраты на разработку и изготовление опытного образца батареи топлив­ных элементов могут достигать 5 млн евро. При серийном произ­водстве стоимость одной батареи снизится примерно до 2 млн евро, что все же существенно превыша­ет затраты на перевод дизельного двигателя на водородное топливо по ирландскому проекту, оценивае­мые в 1,5 млн евро. При этом ожи­дается, что при проведении мас­штабной модернизации теплово­зов данной серии переоборудова­ние одного тепловоза обойдется всего в 300 - 400 тыс. евро.

Двигатель внутреннего сгора­ния, работающий на водородном топливе, обладает определенными недостатками. По сравнению с топ­ливными элементами, вырабаты­вающими электроэнергию, расход топлива у него выше. Кроме того, единственным побочным продук­том химической реакции, происхо­дящей в топливных элементах, яв­ляется вода, тогда как при рабо­те двигателя внутреннего сгорания образуется некоторый объем вред­ных выбросов. При переоборудова­нии тепловоза дизель демонтиру­ют, а устанавливаемые на его ме­сте батареи топливных элементов занимают существенно меньше ме­ста. В случае сохранения двигате­ля внутреннего сгорания уменьша­ется пространство, доступное для хранения водорода. Это неизбеж­но снижает запас хода локомотива и ограничивает его функциональность, по крайней мере на началь­ном этапе внедрения, лишь мане­вровой работой.

Объем водорода, размещаемо­го на локомотиве, можно увели­чить за счет повышения давления в топливных резервуарах. До сих пор в проектах подвижного соста­ва применялось давление 345 атм, однако при разработке локомотива для Ирландии предполагается уве­личить давление до 691 атм.

Компания DiGas рассматрива­ет и другие решения, в частности применение сжиженного водоро­да или резервуаров для хранения топлива, емкость которых увеличе­на на 25 - 35%. Возможно, такое ре­шение будет применено на втором опытном локомотиве для IE, бла­годаря чему его можно будет ис­пользовать в маневровой работе с поездами средней или даже боль­шой массы.

Тем не менее эти технические решения все еще не позволяют до­стичь характеристик, необходимых для магистрального локомотива, где требуемую дальность хода с тяже­ловесными поездами можно обеспе­чить только за счет использования специального тендера для хранения запаса водорода, что неизбежно по­влечет за собой существенный рост стоимости локомотива. Предполага­ется, что спрос на такие локомоти­вы определенно будет и они займут свою нишу на рынке, но масштаб­ного перевода тепловозов на водо­род ожидать не стоит.

В дальнейшем компания DiGas намерена пойти по пути совмест­ного использования топливных эле­ментов и аккумуляторных батарей. В апреле 2023 г. она подписала со­глашение о стратегическом парт­нерстве с изготовителем топливных элементов HDF Energy. Компании планируют разработать проект мо­дернизации небольшого маневро­вого локомотива с установкой топ­ливных элементов и аккумуляторов.

Поддержите канал - поставьте лайк