Водородное топливо

Картинка из свободных источников

Водородное топливо все чаще находит применение как для магистральных локомотивов, так и для подвижного состава пригородного и городского транспорта. Однако на пути к его широкому внедрению еще предстоит решить ряд существенных проблем.

Создание экологически чисто­го подвижного состава, не оказы­вающего вредного воздействия на окружающую среду, - цель, к ко­торой стремится транспортная от­расль. Пока в качестве замены ди­зельной тяги на железных дорогах наиболее привлекательным реше­нием остается традиционная элек­трификация с использованием воз­душной контактной сети или кон­тактного рельса.

Тем не менее по-прежнему ак­туальны идеи широкого внедрения подвижного состава, работающего на аккумуляторах и водородном топливе, поскольку даже в разви­тых странах полная электрифика­ция сети железных дорог, скорее всего, нецелесообразна. Особенно значительными препятствия для масштабной электрификации пред­ставляются в Северной Америке.

Переход на водородное топливо на первый взгляд может показать­ся безусловно перспективным вари­антом. Работа по его внедрению на железных дорогах ведется во мно­гих странах мира. Теорети­чески использование такого топ­лива сулит полное исключение об­разования каких-либо вредных ве­ществ - единственным побочным продуктом является чистая вода. Сторонники водородного топлива планируют добывать его исключи­тельно с помощью возобновляемых источников энергии. Получаемый таким образом «зеленый» водород может показаться идеальным энер­гоносителем, не создающим выбро­сов парниковых газов. Однако для того, чтобы у представителей бизне­са и политиков, принимающих ре­шения, сложилось объективное по­нимание преимуществ и недостат­ков водородного топлива, необхо­дим более глубокий анализ всего цикла его использования — от пер­вичного источника до колеса по­движного состава.

Важно отметить, что получае­мый в промышленных масштабах водород в отличие от ископаемо­го или ядерного топлива, а также энергии солнца и ветра не являет­ся первичным источником энергии, а представляет собой промежуточ­ный энергоноситель, подобно элек­троэнергии. Исходя из этого возни­кают вопросы относительно опти­мальных технологий его производ­ства и применения для тяги.

В зависимости от исходного сы­рья, способа производства и сте­пени его негативного воздействия на окружающую среду различают «коричневый», «серый», «голубой», «зеленый» и «белый» водород.

Исходным сырьем для получения «коричневого» («бурого») водорода служит бурый уголь. «Серый» водо­род производят из природного газа или угля, при этом в атмосферу вы­деляется большое количество диок­сида углерода, вредное воздействие которого на атмосферу в перспекти­ве может быть снижено за счет вне­дрения технологий его улавливания и изоляции под землей. Метод па­ровой конверсии метана применя­ют, чтобы добыть «голубой» водород.

«Зеленый» водород получают пу­тем расщепления воды на водород и кислород посредством электро­лиза с применением возобновляе­мой электроэнергии. Водород со­бирают, а кислород выбрасывают в атмосферу. Затем, когда водород используется для выработки элек­троэнергии, в том числе для тя­ги поездов, происходит обратный процесс - водород вступает в ре­акцию с кислородом из окружаю­щей среды, в результате чего обра­зуется вода, при этом выделяется электрическая энергия. Этот про­цесс вполне можно считать эколо­гически чистым, поскольку он не сопряжен с какими-либо вредными выбросами. Такая технология осо­бенно привлекательна в тех случа­ях, когда электроэнергию для элек­тролиза удается приобретать по наиболее выгодному тарифу, дей­ствующему в периоды максималь­ной доступности и минимального спроса. С этой точки зрения благо­приятными условиями для произ­водства «зеленого» водорода обла­дают страны со значительным по­тенциалом солнечной энергетики.

В отличие от других видов во­дорода природный ископаемый «бе­лый» водород является именно пер­вичным источником энергии, и его также можно эффективно исполь­зовать в качестве топлива. Впервые его случайно обнаружили в Мали в 1987 г., а затем на четверть века он был практически забыт. Только в 2012 г. «белый» водород начали до­бывать для производства электро­энергии. В последние годы на него вновь обратили внимание, поскольку выяснилось, что запасов «бело­го» водорода потенциально доста­точно для удовлетворения промыш­ленных нужд в течение нескольких сотен лет.

Очевидно, что, если «белый» во­дород окажется доступен для ши­рокого применения, удастся изме­нить структуру топливного рын­ка. Помимо того что он представ­ляет собой источник, а не только носитель энергии, «белый» водород, возможно, является еще и возоб­новляемым, поскольку некоторые специалисты считают, что его есте­ственные запасы пополняются за счет природных процессов.

Энергоемкость водорода на еди­ницу массы более чем в 3 раза пре­вышает аналогичный показатель ископаемых видов топлива. Одна­ко содержание энергии на едини­цу объема в нем очень низкое. Да­же сжиженный при температуре -253 °С водород содержит только 31% энергии, имеющейся в таком же объеме дизельного топлива. По­этому, чтобы обеспечить такой же запас энергии, объем резервуаров для водорода должен быть в 3 раза больше. Дополнительно осложняют ситуацию масса и толщина стенок баков, поскольку водород на же­лезнодорожном транспорте обыч­но хранится под давлением 350 или 700 бар (345 или 690 атм).

Еще одну проблему представля­ют собой значительные потери энер­гии в процессе электролиза. Для по­лучения 1 кг водорода энергоемко­стью 33 кВт-ч необходимо затратить от 45 до 55 кВт-ч электроэнергии.

КПД электролизеров лежит в диапазоне от 60 до 80 %, при этом у большинства промышленных об­разцов этот показатель составля­ет около 66 %. Однако в 2022 г. со­трудники Университета Вуллонгон­га и Центра компетенции в обла­сти электроматериаловедения при Совете по научным исследовани­ям Австралии (ARC) представили капиллярный электролизер, про­мышленный образец которого бу­дет иметь КПД, равный 95%.

По различным оценкам, энергия, необходимая для сжатия водорода до 350 или 700 бар, составляет от 8 до 20% всей содержащейся в нем энергии. Еще от 2 до 20% тратится на транспортировку от места про­изводства газа до места его исполь­зования и, наконец, от 1 до 8% — на заправку. Если эти оценки точны, суммарный КПД всей цепочки от электролизной установки до ре­зервуара, расположенного на ло­комотиве, варьируется в пределах от 40 до 70%. Можно предположить, что при широком распространении водородного топлива это значение составит около 60%.

Топливные элементы, которые преобразуют содержащуюся в во­дороде энергию в электрическую, в настоящее время имеют КПД от 50 до 60 %. Как и во многих дру­гих случаях, в тяговом приводе топливные элементы используют­ся совместно с накопителем энер­гии на основе аккумуляторов для сглаживания колебаний энергопо­требления при различных режимах движения. В реальных усло­виях эксплуатации можно ожидать, что КПД такой системы окажется практически на нижнем уровне, со­ставляя примерно 50%.

Таким образом, эффективность передачи энергии от установки для производства водорода до выработанной на подвижном составе электроэнергии в лучшем случае равна всего примерно 25%. Между тем у лучшего тягового подвижного со-става с электрической передачей мощности потери в тяговом приводе составляют около 15 %. Следовательно, общий КПД цепи пере-дачи энергии от производства водорода до колеса локомотива или моторного вагона ненамного превысит 20%.

Водород можно также использовать, сжигая в двигателе внутреннего сгорания, который необходимо адаптировать к новому виду топлива. Такие двигатели разрабатывают в нескольких странах, особенно активно — в Северной Америке и Германии. Однако они обладают определенными недостатками. Помимо шума, который полностью отсутствует у топливных элементов, подобные силовые установки имеют довольно низкий КПД — около 40%, что еще больше снижает общую энергоэффективность подвижного состава. Возможно, в дальнейшем удастся добиться некоторого усовершенствования обеих технологий, но в любом случае около 80% потребляемой энергии будет теряться впустую.

В зависимости от профиля участ­ка и графика движения поездов до 50% потребляемой на тягу энергии может быть возвращено в сеть при рекуперативном торможении. Со­временный пассажирский подвиж­ной состав расходует на тягу около 30% всей потребляемой энергии; та­ ким образом, рекуперация позволя­ет вернуть более 10% ее суммарно­го расхода. Следовательно, КПД си­стемы энергоснабжения может быть выше 90%, что несопоставимо с по­казателем для подвижного состава на топливных элементах, равным всего примерно 25%. При электри­фикации на переменном токе напря­жением 25 или 2x25 кВ потери, как правило, ниже, чем при питании от тяговой сети постоянного тока, где применяется менее высокое напря­жение — 1,5 или 3 кВ при использо­вании воздушной контактной сети или 750 В при питании от контакт­ного рельса. При меньшем значении номинального напряжения дополни­тельные затраты вызваны более ча­стым расположением тяговых под­станций вдоль линии.

Электрические и механические потери в тяговом приводе состав­ляют около 15%, следовательно, по­движной состав с питанием от воз­душной контактной сети или кон­тактного рельса расходует на совер­шение полезной работы около 75% выработанной электростанцией энер­гии, что примерно в 4 раза больше, чем поезд на топливных элементах.

Таким образом, расчеты показы­вают, что подвижному составу, работающему на водородном топли­ве, потребуется примерно в 4 раза больше первичной электро­энергии, чем подвижному составу, получающему питание от контакт­ной сети или аккумуляторов. Рав­ные затраты энергии позволяют привести в движение четыре по­езда традиционного типа и лишь один — с использованием водород­ного топлива.

Даже если принимать во внима­ние, что доля общественного транс­порта в суммарном энергопотреб­лении относительно невелика, вне­дрение сомнительных с экономиче­ской точки зрения технологий тяги нельзя назвать оправданным.

С учетом затрат на производство водорода проблема еще более усу­губляется. Добывать водород с ис­пользованием солнечной энергии можно, например, в странах Север­ной Африки или Центральной Аме­рики с благоприятным для этого климатом. Но тогда возникают су­щественные логистические труд­ности. К тому же для получения 1 кг водорода требуется 9 кг ценной пресной воды. Это значит, что элек­тролизные установки желательно размещать недалеко от моря, что­бы можно было использовать опрес­ненную морскую воду. Дальнейшая же транспортировка водорода ока­зывается весьма энергоемкой. Так, затраты энергии на перекачку водо­рода по трубопроводу на расстояние 4000 км могут даже превысить энер­госодержание самого перекачивае­мого газа. Экономическая целесооб­разность транспортировки значи­тельных объемов водорода водным, автомобильным или железнодорожным транспортом в сжатом состоя­нии также проблематична.

Стоимость энергии, получаемой с использованием «зеленого» водорода, с учетом всей цепочки от установки по его производству до колеса поезда сейчас составляет около 0,34 евро/кВт-ч, что примерно в 3 раза превышает стоимость ископаемого топлива. Предпосылок, что это соотношение изменится в пользу водорода, пока немного. Что касается «белого» водорода, то его рынок только зарождается, поэтому надежных эконометрических оценок применения такого топлива пока нет. Впрочем, тот факт, что получение «белого» водорода не требует ни электролиза, ни нефтеперерабатывающих заводов, позволяет ожидать, что он станет более конкурентоспособным.

На большей части Европы и в определенной мере в Азии потенциал применения водородного топлива на транспорте весьма ограничен, поскольку большинство основных магистральных направлений железных дорог, а также почти все системы городского рельсового транспорта здесь уже электрифицированы. В Германии, например, контактной сетью оборудовано около 60% протяженности сети железных дорог, но надо иметь в виду, что на долю электрифицированных линий приходится 90% общего объема перевозок, остальные же направления загружены относительно слабо.

Наиболее эффективным реше­нием с точки зрения суммарных энергозатрат пока остается тради­ционная электрификация. Учиты­вая принятые рядом стран обяза­тельства по сокращению выбросов парниковых газов и увеличению с этой целью доли железнодорож­ного транспорта в общем объеме перевозок, можно предположить, что протяженность электрифицированных линий, по всей вероятности, будет и дальше расти, а сфера применения тягового подвижного состава, оснащенного двигателями внутреннего сгорания, соответственно сокращаться.

На подвижном составе городского и пригородного сообщения, обслуживающем сравнительно короткие маршруты, могут найти применение как тяговые аккумуляторы, так и топливные элементы. На протяжении маршрута мож­но предусмотреть электрифици­рованные участки небольшой про­тяженности, на которых бортовые аккумуляторы подзаряжаются. Для магистральных маршрутов про­тяженностью в несколько сотен ки­лометров более привлекательной альтернативой дизельному топливу все же являются водородные топ­ливные элементы. Однако оснаще­ние подвижного состава оборудо­ванием, необходимым для достиже­ния требуемых показателей мощ­ности и запаса автономного хода, может привести либо к уменьшению тяговой мощности, либо к сокращению доступного пространства для размещения пассажиров.

Анализ, который был проведен Институтом системных и инновационных исследований (ISI), входящим в Общество содействия прикладным исследованиям имени Фраунгофера, показал, что при выборе подвижного состава для Германии применение водородного топлива может быть лучшим вариантом примерно в 20% случаев. В масштабах всей Евразии доля тягового подвижного состава, пригодного для перевода на водородное топливо, составляет около 2%.

Иная ситуация сложилась на Американском континенте, где на магистральных линиях доминируют грузовые поезда значительной массы, во многих случаях преодолевающие большие расстояния, а основная доля затрат приходится на топливо. Для тяги таких поездов используются тепловозы, суммарная численность парка которых в США, Канаде и Мексике составляет примерно 30 тыс. ед. Операторы и изготовители локомотивов рассматривают альтернативы ископаемому топливу, но на данный момент они пришли к общему выводу, что мощность локомотивов на водородном топливе будет недостаточной, а эксплуатационные расходы—чрезмерно высокими.

Тем не менее работы в этом на-правлении все же начались, чтобы не упустить возможность использовать водородные технологии в том случае, если они получат более широкое распространение. Так, разработано несколько проектов перевода существующих тепловозов на водород путем адаптации установленных на них дизелей к новому топливу. Важным преимуществом таких локомотивов является сохранение возможности работы на дизельном топливе на линиях, где затруднена заправка водородом.

Несколько железных дорог Се-верной Америки, как крупных, так и относительно небольших, изучают возможности применения топливных элементов на маневровых и магистральных грузовых локомотивах. Железная дорога первого класса Canadian Pacific Kansas City (CPKC) переоборудует эксплуатируемые тепловозы, используя модули топливных элементов, которые поставляет компания Ballard Power Systems, а в ноябре 2023 г. приступила к проведению испытаний тендера для хранения водородного топлива. Еще одна североамериканская железная дорога первого класса—CSX в апреле 2024 г. продемонстрировала локомотив с питанием от водородных топливных элементов, созданный в результате модернизации одного из эксплуатируемых тепловозов с использованием комплекта оборудования, разработанного CPKC. Рама, кабина управления, тележки и тяговые двигатели были сохранены. Работы по модернизации локомотива с продлением срока его службы выполнили в депо CSX в Хантингтоне (штат Западная Виргиния). CSX планирует приступить к испытаниям локомотива на водородном топливе, чтобы оценить тяговые свойства и эксплуатационные показатели.

Однако для того, чтобы применение водорода в качестве топлива либо промежуточного энергоносителя стало экономически оправ-данным, необходимо существенное развитие технологий. Многое зависит от того, каков реальный потенциал «белого» водорода и какую нишу на рынке он займет. Пока железнодорожный транспорт, стремясь к снижению парниковых выбросов, по-прежнему в основном полагается на традиционную электрификацию.

Поддержите канал-поставьте лайк.