О нас Новости Реклама Партнёры Контакты
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА
Учредители
Наши рекламодатели

    Водородное топливо. Перспективы применения на подвижном составе

    За рубежом Мнение Экономика Право Ж/д транспорт Водный транспорт Безопасность Инновации Авиатранспорт Автотранспорт Строительство Пасс. транспорт Логистика Официально История Международный опыт ВСМ Кадры Образование Экология За рубежом Морской транспорт Маглев Аналитика Футурология Инфраструктура Госполитика С Новым годом!
    Александр Евгеньевич Богославский
    к. т. н., зав. кафедрой «Тяговый подвижной состав», ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения»
    Александр Евгеньевич Богославский Водородное топливо. Перспективы применения на подвижном составе
    В недалекой перспективе водородное топливо найдет широкое применение на наземных транспортных средствах. Для этого необходимо совершенствовать основные показатели производства, хранения и транспортировки водорода применительно к использованию в этом качестве, учитывать особенности конструкции и рабочего процесса топливных элементов различных электрохимических систем, а также особенности конструкции тягового подвижного состава на водородном топливе.
    Среди тенденций развития современной энергетики особое место занимает снижение выбросов двуокиси углерода, которые, как предполагается, являются одной из причин глобального изменения климата. Программы перехода к так называемой безуглеродной энергетике, принятые в технологически развитых странах для выполнения требований Парижского соглашения по климату, отдают безусловный приоритет возобновляемым энергоносителям, в том числе водороду. К настоящему времени сформирована специфическая подотрасль, называемая водородной энергетикой, охватывающая аспекты добычи, транспортировки, хранения и применения водорода для стационарных и транспортных установок. 

    В отличие от традиционных видов топлива природных источников водорода на планете нет. Основные технологии получения товарного водорода в промышленных масштабах можно разделить на три основные группы: паровая конверсия углеводородов, газификация твердого топлива и электролиз водных растворов. Коэффициент полезного действия этих технологий различается незначительно и составляет 70…75 %. В перспективе для крупнотоннажного производства водорода может быть применена технология термохимического разложения воды с использованием высокотемпературного газоохлаждаемого ядерного реактора. 

    В настоящее время из 75 млн т мирового производства водорода свыше 99 % вырабатывается с использованием технологий паровой конверсии углеводородов, преимущественно метана, и газификации угля . При этом, по данным Международного энергетического агентства, в атмосферу выбрасывается 830 млн т CO2. Учитывая, что удельная величина выбросов CO2 в среднем для мировой электроэнергетики составляет 0,52 кг/кВтч, технология получения водорода электролизом тоже не является безэмиссионной. Добиться полного отсутствия выбросов можно за счет использования для электролиза электроэнергии, вырабатываемой с помощью технологий, не связанных со сжиганием ископаемого топлива. Следует отметить, что Россия со средним показателем удельных выбросов CO2, равным 0,306 кг/кВт•ч, занимает одно из лидирующих мест по «чистоте» вырабатываемой электроэнергии. 

    Стоимостные показатели различных технологий производства водорода и предполагаемая тенденция их изменений к 2025 году приведены на рис. 1. 

    Сравнение розничной цены таких энергоносителей, как электроэнергия, компримированный водород, дизельное топливо и компримированный метан, на автомобильных заправках Германии приведено на рис. 2. Как видим, стоимость единицы энергии водорода конкурентоспособна в сравнении с традиционными энергоносителями и в перспективе имеет потенциал снижения при увеличении объемов производства, а также совершенствовании технологий получения и транспортировки. 

    Транспортировка и хранение водорода 
    Показатели транспортировки и хранения водорода связаны с его специфическими физико-химическими свойствами. Водород обладает малой молекулярной массой, что существенно снижает удельные массогабаритные показатели хранения. Из данных, приведенных в таблице 1, следует, что по этим показателям водород существенно уступает не только дизельному топливу, но и метану. Это обусловливает увеличение габаритов и массы систем хранения топлива на транспортных средствах либо вынуждает снижать межэкипировочный пробег. 

    При давлении свыше 25…30 МПа удельные показатели хранения компримированного водорода превышают таковые у сжиженного, что делает нецелесообразным хранение водорода на транспортных средствах в жидком состоянии. Среди недостатков криогенных систем хранения водорода следует отметить высокие затраты энергии на ожижение, доходящие до 30 % теплотворной способности полученного продукта, необходимость иметь систему газификации и дренажную систему для сброса паровой фазы в атмосферу при длительном хранении. Тем не менее применение криогенной системы хранения водорода на локомотивах может быть оправданным при использовании для этой цели транспортных цистерн-контейнеров, позволяющих производить экипировку локомотива путем замены контейнера. Это обусловлено тем, что коммерческие перевозки водорода в настоящее время осуществляются преимущественно в сжиженном состоянии. 

    Серьезной проблемой является высокая диффузионная способность водорода, вызывающая повышенную опасность утечек. Диффузия водорода в металлы приводит к необратимым потерям их механических свойств, к так называемой водородной коррозии, которая повышает вероятность возникновения аварийных ситуаций, приводящих к утечкам водорода в окружающую среду. Смесь водорода с воздухом воспламеняется в широком диапазоне концентраций и характеризуется высокой взрывоопасностью (категория IIC, группа Т1 по ГОСТ 12 1.011–78). Пламя горящего водорода практически бесцветно, что создает определенную опасность для персонала, обслуживающего водородные установки. 

    Энергетические установки 
    Специфические химмотологические свойства водорода осложняют его применение в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Низкая детонационная стойкость и высокая скорость сгорания — причины повышенных нагрузок на детали двигателя, малая минимальная энергия зажигания, способствующая появлению преждевременного воспламенения смеси в цилиндре, создают проблемы при использовании водорода в двигателях с внешним смесеобразованием. Высокая температура самовоспламенения водорода препятствует эффективной организации рабочего процесса в двигателях с внутренним смесеобразованием. Эти обстоятельства, а также успешное применение электрохимических технологий в настоящее время дают возможность считать более перспективными энергетические установки (ЭУ), работающие на водороде, — электрохимические генераторы тока (ЭХГ), чем тепловые двигатели. 

    Основным компонентом ЭХГ является топливный элемент (ТЭ). Он представляет собой электрохимическое устройство, в котором происходит непосредственное превращение химической энергии топлива в электрическую. В связи с тем, что процесс в ТЭ не содержит этапа преобразования химической энергии топлива в теплоту, им не присущи термодинамические ограничения КПД, свойственные тепловым двигателям. Стационарный характер реакций и относительно невысокая температура их протекания позволяют практически исключить образование в ТЭ токсичных веществ. 

    Сущность реакций, протекающих как в тепловых двигателях, так и в ТЭ, заключается в обмене электронами между реагентами. При термохимическом протекании этих реакций, возникающем при горении топлива, электронный обмен не упорядочен и энергия выделяется в виде теплоты. Для организации управляемого движения электронов в ТЭ реакции разделены, каждая из них протекает на отдельном электроде. Межэлектродный обмен электронами осуществляется по внешней цепи, по которой течет электрический ток. Движение электронов по внешней цепи компенсируется перемещением ионов в электролите, в котором расположены электроды. 

    К наиболее распространенным типам ТЭ, классифицируемым по типу применяемого электролита и температурному режиму работы, относятся : 
    • низкотемпературные ТЭ со щелочным электролитом (ЩТЭ); 
    • низкотемпературные ТЭ с твердополимерной ионообменной мембраной (ТПТЭ); 
    • среднетемпературные ТЭ с фосфорнокислым электролитом (ФКТЭ); 
    • высокотемпературные ТЭ с расплавленным карбонатным электролитом (РКТЭ); 
    • высокотемпературные ТЭ с твердооксидным электролитом (ТОТЭ). 

    Схема ТЭ и основные токообразующие реакции на его аноде и катоде для различных электрохимических систем приведены на рис. 3. 

    С точки зрения оценки возможности применения электрохимической силовой установки на железнодорожном подвижном составе рассмотрим более подробно особенности применения ЭХГ с ТЭ различного типа.

    Электрохимический генератор на базе топливного элемента со щелочным электролитом 
    Начало практического использования ЭХГ на базе ЩТЭ относится к концу 1960-х годов, когда в США, а затем и в СССР на их основе были разработаны ЭУ для космических аппаратов. В СССР ракетно-космическим комплексом «Энергия» разработаны и изготовлены ЭХГ ЩТЭ «Фотон» для пилотируемого космического аппарата «Буран». Впоследствии были созданы и испытаны ЭХГ ЩТЭ для автомобилей, подводных лодок и стационарных ЭУ. В качестве электролита в ЩТЭ используется раствор KOH, его рабочая температура составляет от 70 до 110 ºС [8]. Для повышения эффективности работы электроды активируются катализатором на основе металлов платиновой группы. КПД выработки электроэнергии ЩТЭ достигает 60 %. 

    Специфической особенностью ЩТЭ является высокая требовательность к чистоте как топливного водорода, так и кислорода, применяемого в качестве окислителя. Наличие таких примесей, как CO, CO2 и SO2, даже в весьма малых количествах приводит к ускоренной деградации электродов и электролита. 

    В настоящее время конструкция и технология изготовления ЩТЭ достаточно хорошо отработаны, удельные показатели и ресурс этих элементов приемлемы для использования на наземных транспортных средствах, однако из-за упомянутых выше особенностей ЩТЭ не считаются перспективными для транспортных средств коммерческого назначения. 

    Электрохимические генераторы на базе топливных элементов с твердополимерной ионообменной мембраной 
    Энергетические установки на базе ТПТЭ созданы в США в 1950–60 гг. фирмой General Electric для применения на космических кораблях Gemini. В СССР также велись разработки ЭУ подобного типа, однако они не пошли дальше этапа опытных и демонстрационных образцов. 

    Так как перенос тока в твердополимерных электролитах осуществляется с помощью ионов водорода, ТПТЭ не критичны к наличию в реагентах CO2, что позволяет использовать в качестве окислителя атмосферный воздух. Рабочая температура ТПТЭ 80…100 ºС, поэтому к содержанию в водороде CO и SO2 они предъявляют такие же жесткие требования(< 1 ppm), как и ЩТЭ, что ограничивает возможность применения в качестве топлива водорода, полученного путем конверсии из углеводородов, без его тщательной очистки. Электроды ТПТЭ также содержат катализатор на основе платины. 

    В настоящее время технологии ТПТЭ являются одними из наиболее интенсивно развивающихся, они ориентированы преимущественно на применение в силовых установках транспортных средств. Это обусловлено такими преимуществами ТПТЭ, как компактность, хорошая приемистость, удобство, большая безопасность в изготовлении и эксплуатации благодаря отсутствию свободного электролита. На базе ТПТЭ создаются ЭУ автомобилей, судов, железнодорожного подвижного состава и летательных аппаратов.

    Дальнейшее совершенствование ТПТЭ связано с решением таких проблем, как повышение срока службы ионообменных мембран, повышение их термостойкости, снижение электрического сопротивления и расхода благородных металлов при изготовлении электродов.

    Электрохимические генераторы на базе топливных элементов с фосфорнокислым электролитом 
    На сегодняшний день ФКТЭ являются наиболее широко распространенными преимущественно в стационарной энергетике. Основные работы в этом направлении ведутся фирмами United Technologies Corp., Westinghouse (США), Siemens (Германия), Toshiba, Mitsubishi, Hitachi (Япония) и др.  Разработано, изготовлено и испытано в опытной эксплуатации большое количество ЭУ мощностью от 12,5 до 11  000 кВт, работающих в США, Канаде, ЕС, Японии и России. 

    В России ракетно-космическим комплексом «Энергия» совместно с Уральским электрохимическим комбинатом разработан ряд стационарных ЭУ ФКТЭ, перекрывающий диапазон мощностей 5…1000 кВт, и локомотивная ЭУ мощностью 1600 кВт. 

    Важнейшим преимуществом ФКТЭ по сравнению с описанными выше является то, что в составе топлива и окислителя допускается существенно более высокое содержание двуокиси углерода. Это дает озможность эксплуатировать ЭУ на базе ФКТЭ на традиционных недорогих топливах — природном газе, нефтепродуктах и угле. Так как непосредственное окисление углеводородов на электродах ФКТЭ неэффективно, неотъемлемой частью ЭУ на их базе является система подготовки топлива, задачей которой является выработка топливного газа, основным компонентом которого является водород (~ 75 %). В связи с тем, что окись углерода снижает эффективность работы анодов ФКТЭ, система подготовки топлива должна обеспечивать достаточно малую концентрацию СО в топливном газе, не превышающую 1…3 %. Содержание сернистых соединений не допускается. В качестве окислителя используется атмосферный воздух. 

    Электролитом в ФКТЭ является концентрированный раствор ортофосфорной кислоты, рабочая температура электролита составляет 180…210 °C, что позволяет добиться приемлемых скоростей реакции. Расход благородных металлов на единицу поверхности электродов ФКТЭ мало отличается от ЩТЭ и ТПТЭ. 

    Указанные особенности ФКТЭ наряду с тем, что основные технологические проблемы их создания в основном решены, делают эти элементы в обозримом будущем перспективными для создания стационарных ЭУ, работающих на традиционных топливах в диапазоне мощностей от 3 до 10  000 кВт.

    Электрохимические генераторы на базе топливных элементов с расплавленным карбонатным и твердооксидным электролитом 
    Топливные элементы этого типа и ЭХГ на их основе начали активно разрабатываться с конца 1980-х годов. Ценными особенностями высокотемпературных ТЭ являются высокий достижимый КПД, большой ресурс, возможность обходиться без применения благородных металлов в составе электродов и возможность работы наряду с водородом также и на метане, и на окиси углерода без их предварительной конверсии в водород. Эти элементы, в особенности ТОТЭ, в настоящее время считаются наиболее перспективными как для стационарной энергетики больших мощностей, так и для транспортных ЭУ. Около 50 % НИОКР, выполняемых российскими научными организациями на эту тему, посвящено проблематике ТОТЭ. 

    Рабочая температура РКТЭ составляет 650…700 °C, для ТОТЭ эта величина находится в пределах 650…1100 °C. Реализация высокого КПД требует применения в этих ТЭ утилизации тепла отработавших газов, для чего в состав ЭУ на их основе должны быть включены паросиловая или газотурбинная установка либо система регенерации тепла с использованием высокотемпературных теплообменников, что позволяет довести КПД по электроэнергии до 70 %. Основные направления совершенствования высокотемпературных ТЭ заключаются в повышении их термоусталостных характеристик (ТОТЭ) и снижении интенсивности коррозии электродов (РКТЭ). 

    Подвижной состав с энергетическими установками на водороде 
    В 1995 году РКК «Энергия» разработала эскизный проект локомотивной ЭУ на основе ФКТЭ для легкого пассажирского тепловоза ТЭ127 . Водород для питания ФКТЭ предполагалось получать на борту тепловоза из метана с помощью установки трехступенчатой конверсии. Предложенная ЭУ имела следующие характеристики: 
    • установленная длительная электрическая мощность 1600 кВт; 
    • пиковая электрическая мощность (до 6 мин один раз в час) 2100 кВт; 
    • КПД по электроэнергии относительно низшей теплотворной способности топлива 38…42 %; 
    • удельная масса ЭУ, включая систему конверсии топлива 36,3 кг/кВт (длит.); 
    • удельный объем ЭУ, включая систему конверсии топлива 0,08 м3/кВт (длит.); 
    • назначенный ресурс 10 лет. 

    На основании этой разработки РГУПС (РИИЖТ) совместно с РКК «Энергия» в 1998 г. выполнили эскизную разработку магистрального грузового тепловоза с ЭУ ФКТЭ с использованием технических решений по хранению и газификации метана, отработанных на газотепловозе 2ТЭ116Г‑001. Массогабаритные и сцепные характеристики проектируемого локомотива полностью соответствовали параметрам базовой машины. Полученная с учетом ограничений по габаритам ЭУ ФКТЭ расчетная мощность, подводимая к тяговым электродвигателям локомотива, составила 2654 кВт против 3546 кВт прототипа. Дальнейшие работы по этой тематике были остановлены из-за отсутствия финансирования. 

    Мобильная ЭУ на основе ЩТЭ разработана и испытана ВНИИЖТ совместно с РКК «Энергия». Установка смонтирована в кузове четырехосного полувагона и предназначена для энергоснабжения путевой техники. Запасы водорода и кислорода в компримированном состоянии хранятся в стальных баллонах.


    Полный текст статьи читайте в выпуске журнала "Транспорт Российской Федерации" № 6 (85) / 2019
    Количество показов: 2199


    Текст сообщения*
    Защита от автоматических сообщений
     
    Комментировать vkontakte Комментировать в facebook
    .
    Библиотека Блоги Наука для транспорта

    Перспективные и новейшие
    разработки ученых
    Владимир Швецов
    генеральный директор компании SIMETRA
    В современном городе нас окружают умные остановки и светофоры, разметка и автомобили. Но много ли интеллекта в остановочном павильоне, который умеет считать пассажиров, показывать время прибытия автобуса и раздаёт Wi-Fi? Или в светофоре, способном распознать ДТП на перекрестке? ...
    2020-06-04
    Максим Владимирович Четчуев
    канд. техн. наук, руководитель научно-образовательного центра «Мультимодальные транспортные системы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
    В перспективе до 2030 г. ожидается существенное увеличение нагрузки на транспортную сеть Санкт-Петербургской агломерации, связанное с ростом как пассажирских, так и грузовых перевозок. Освоение прогнозных объемов перевозок невозможно без более активного вовлечения Санкт-Петербургского железнодорожного узла, что, в свою очередь, потребует усиления его пропускных и провозных мощностей и изменения существующей технологии работы. ...
    2020-05-21
    Наши блоггеры
    Владимир Швецов
    генеральный директор компании SIMETRA
    Максим Владимирович Четчуев
    канд. техн. наук, руководитель научно-образовательного центра «Мультимодальные транспортные системы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
    Сергей Александрович Агеев
    руководитель производственного дивизиона компании «ТЭЭМП».
    Александр Евгеньевич Богославский
    к. т. н., зав. кафедрой «Тяговый подвижной состав», ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения»
    Михаил Алексеевич Касаткин
    начальник отдела главного конструктора "ЦНИИ СЭТ", филиала ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
    Юрий Алексеевич Щербанин
    д. э. н., профессор, зав. кафедрой нефтегазотрейдинга и логистики Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина
    Владимир Владимирович Шматченко
    к. т. н., доцент кафедры «Электрическая связь» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I
    Максим Анатольевич Асаул
    д. э. н., профессор, заместитель директора Департамента транспорта и инфраструктуры Евразийской экономической комиссии
    Анатолий Владимирович Постолит
    д. т. н., профессор, академик Российской академии транспорта, зам. директора по науке ООО «Компас-Центр»
    Олег Владимирович Шевцов
    генеральный директор ООО «Трансэнерком»
    Иван Гришагин
    генеральный директор АО «РКК»
    Александ Рябов
    директор управления цепями поставок компании PROSCO
    Павел Терентьев
    Независимый эксперт IT – отрасли
    Ефанов Дмитрий Викторович
    д-р техн. наук, доцент, руководитель направления систем мониторинга и диагностики ООО «ЛокоТех-Сигнал»
    Улан Атамкулов
    к.т.н., доцент кафедры «Транспортная логистика и технология сервиса» Ошского технологического университета
    Андрей Дерябин
    Генеральный директор ООО «ОллКонтейнерЛайнс»
    Максим Зизюк
    руководитель Департамента автомобильных перевозок ГК TELS
    Михаил Масальский
    активист движения за защиту электротранспорта
    Андрей Заручейский
    к.т.н., заведующий отделением «Тяговый подвижной состав» ВНИИЖТ
    Виталий Хорошев
    д.т.н., научный руководитель – начальник отделения ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
    Все>>>


    Яндекс.Метрика