CC BY
49
Применение водорода в качестве моторного топлива на железнодорожном транспорте
Д.Н. Григорович,
ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ», к.т.н.
Устойчивое снабжение железнодорожного транспорта моторным топливом и снижение расходов на его приобретение - важнейшая задача, которую предстоит решать в ближайшее время. Один из путей решения этой задачи - замещение части дизельного топлива менее дефицитным и в перспективе более дешевым альтернативным топливом.
Основными видами альтернативных моторных топлив для железнодорожного транспорта, по которым ведутся работы в России и за рубежом, на сегодняшний день являются природный газ, водород и биодизельное топливо.
Водород - топливо будущего. После исчерпания нефтяного и газового топлива конкурентом водорода будет только каменный уголь. В настоящее время стоимость получения водорода из природного газа или воды достаточно высока, но во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию дешевой технологии получения водорода. Не вызывает сомнений, что в ближайшее время эта задача будет успешно решена. Применение водорода требует создания новых энергетических установок, непосредственно преобразующих его химическую энергию в электрическую. К таким установкам относятся электрохимические генераторы на топливных элементах, над созданием и совершенствованием которых широко ведутся работы в развитых странах мира.
Недостатком существующих методов преобразования энергии является низкий КПД. Особенно большие потери энергии происходят на стадии превращения тепловой энергии в механическую. В силу специфической особенности работы тепловых машин, к которым отно-
сятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС), основная часть теплоты бесполезно рассеивается в окружающее пространство, поэтому фактический КПД ДВС составляет 35-42%. Внешний тепловой баланс дизеля приведен ниже в таблице.
Таким образом, до 65% химической энергии топлива бесполезно рассеивается в окружающее пространство. В связи с этим особый интерес представляет прямой путь превращения энергии окисления топлива в электрическую энергию (электрохимический способ, выполняемый с помощью топливных элементов).
Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается непосредственно в электрическую энергию. Для этого реакция в топливном элементе разбивается на следующие стадии:
■ анодное окисление топлива;
■ катодное восстановление окислителя;
■ движение ионов в растворе электролита;
■ движение электронов от ано-
да к катоду (электрический ток).
Внешний тепловой баланс дизеля с умеренным наддувом, %
Идея использования химической энергии окисления (сжигания) горючих веществ, в частности, природного топлива, для непосредственного получения электроэнергии в гальваническом элементе уже давно привлекает внимание исследователей. Впервые о топливном элементе сообщил в 1839 г. английский исследователь Гроув, который при проведении электролиза воды обнаружил, что после отключения внешнего тока в ячейке генерируется постоянный ток. В настоящее время к группе топливных элементов относятся не только элементы, использующие в качестве активных материалов кислород, уголь или другие горючие материалы, но и все гальванические системы, в которых активные материалы вводятся в элемент извне по мере их расходования.
В топливных элементах химическая энергия топлива и окислителя, непрерывно подводимых к электродам, превращается непосредственно в электрическую энергию, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энергии протекает через несколько промежуточных стадий, связанных с потерями теплоты (рис. 1). В качестве топлива в топливных элементах обычно используется водород, окислителем является кислород.
Реакция окисления водорода 2Н2 + О2 = 2Н2О протекает через электроокисление водорода на аноде 2Н2 + 4ОН - 4е ^ 4Н2О и электроТаблица
Теплота, превращенная в эффективную работу 35-42
Теплота, отводимая с охлаждающей средой 10-25
Теплота, уносимая отработавшими газами 25-45
Теплота, не выделившаяся вследствие неполного сгорания топлива 0,1-5
Теплота, рассеиваемая в окружающую среду через корпус двигателя 2-7
Рис. 1. Ступени преобразования химической энергии традиционным и электрохимическим способами
восстановление кислорода на катоде О2 + 2Н2О + 4е ^ 40Н-.
Гидроксид-ионы двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи - от анода к катоду. Таким образом, в результате реакции во внешней цепи протекает постоянный электрический ток, то есть происходит прямое преобразование химической энергии реакции в электрическую.
Топливные элементы, как и другие источники тока (гальванические элементы и аккумуляторы), состоят из анода, катода и ионного проводника (электролита) между ними (рис. 2).
Реагенты в топливные элементы поступают во время работы, а не закладываются заранее, как в гальванических элементах и аккумуляторах. В отличие от гальванических элементов в топливных элементах используются нерасходуемые электроды, поэтому топливные элементы могут работать длительное время (до нескольких десятков тысяч часов) и не требуют подзарядки.
При относительно низких требуемых уровнях мощности (до 1 кВт^ч) и энергоемкости (до 10 кВт^ч), то есть при относительно коротком времени работы, гальванические элементы и аккумуляторы во многих областях применения оказыва-
ются практически вне конкуренции. Но как только мощность и энергоемкость многократно возрастают, на первое место выходят топливные элементы, которые позволяют уже при 10-100 кВт достичь КПД до 70% при высоких удельных характеристиках (более 0,5 кВт/кг). Кроме того, гальванические элементы и аккумуляторы экологически менее чисты, чем топливные элементы (если учесть все проблемы при их производстве, эксплуатации и утилизации).
В настоящее время принято несколько способов классификации топливных элементов: по типу электролита, типу топлива и окислителя и по температуре эксплуатации, которая во многом определяется типом электролита и топлива.
По типу окислителя топливные элементы условно разделяются на кислородные и воздушные (в последнем случае в качестве окислителя используется кислород воздуха).
По типу топлива выделяются водородные, метанольные и топливные элементы на природном газе, хотя последние с «химической» точки зрения следует отнести к «водородным», так как природный газ предварительно подвергается конверсии.
Рис. 2. Принципиальная схема топливного элемента
щ
Транспорт на водороде
Рис. 3. Зависимость КПД от мощности энергоустановок на топливных элементах и тепловозных дизелей
По температуре эксплуатации
топливные элементы условно делятся на низкотемпературные (до 100-150°С), среднетемпературные (около 200-400°С) и высокотемпературные (более 500°С).
Для увеличения тока и напряжения топливные элементы соединяются в батареи. Последние могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся продукты реакции и тепло. Устройство, состоящее из батарей топливных элементов, систем подвода реагентов, автоматики, отвода продуктов реакции и тепла, получило название электрохимического генератора. В свою очередь, электрохимический генератор входитвэлектрохимическую энергоустановку, в состав которой дополнительно входят блок подготовки топлива, преобразователь постоянного тока в переменный и блок использования тепла.
Рис. 4. Моторный вагон NE-train на топливных элементах (Япония)
Щелочные водородно-кислород-ные топливные элементы интенсивно разрабатывались в рамках космических программ и до сих пор являются основными в этой области. В США щелочные топливные элементы успешно использовались для программ «Apollo» и «Space Shuttle». В СССР в рамках программы «Энергия-Буран» была создана и прошла успешные испытания установка «Фотон» с номинальной мощностью единичного модуля до 16 кВт и КПД 65%. Накопленный опыт стимулировал разработку транспортных средств на щелочных топливных элементах.
Пока основным тормозом для широкого применения установок на топливных элементах являются относительно высокая стоимость по сравнению с традиционными установками, а также недостаточный срок службы. После решения этих проблем системы на основе топливных элементов найдут широкое применение, как автономные маломощные и транспортные энергоустановки, а также стационарные мощные станции. Можно ожидать, что в ближайшее время энергоустановки на топливных элементах будут вносить весомый вклад в генерацию энергии и решение экологических проблем транспорта и энергетики.
Энергоустановки на топливных элементах имеют преимущества по
сравнению с традиционными энергоустановками: более высокий КПД (в 1,5-2 раза выше), экологическая чистота, практическая бесшумность, широкий диапазон мощностей и применяемого топлива. Эти энергоустановки не потребляют воду, а при необходимости можно даже использовать воду, которая является продуктом реакции.
На рис. 3 приведены зависимости КПД от мощности энергоустановок на топливных элементах и тепловозных дизелей (магистрального и маневрового). Самый высокий КПД имеют установки, питание которых осуществляется газами из баллонов, но при этом возникают проблемы размещения на борту транспортного средства достаточного запаса газа. Получение на борту транспортного средства кислорода из воздуха и водорода из метана требует дополнительных энергозатрат, что снижает КПД установки, но он все равно остается выше, чем КПД дизельных локомотивов.
КПД энергоустановок на топливных элементах, в отличие от тепловозных дизель-генераторов, при снижении мощности увеличивается, что позволяет значительно
Рис. 5. Гибридный маневровый локомотив на топливных элементах
повысить среднеэксплуатационный КПД локомотива, особенно маневрового.
Мировой опыт применения энергоустановок с топливными элементами на подвижных средствах железнодорожного транспорта пока небогат, в постоянной эксплуатации находится только шахтный локомотив с топливными элементами канадской фирмы «Ballard» мощностью 25 кВт.
ЧИ СЯЯИР Ш «■* .efifeBfab. !Щ]
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (9) май 2009 г.
Японский моторный вагон с двумя энергоустановками мощностью по 65 кВт (рис. 4) проходит предварительные эксплуатационные испытания. При торможении энергия рекуперации поезда частично возвращается в аккумуляторные батареи, позволяя двигаться на одной заправке до 300 км.
Гибридный маневровый локомотив общей мощностью 1000 кВт (рис. 5) с дизелем, блоком аккумуляторных батарей и энергоустановкой на топливных элементах, разрабатываемый странами ЕС, планируется к вводу в эксплуатацию в 2010 г.
ОАО «ВНИИЖТ» с 2005 г. занимается исследованиями возможности применения топливных элементов на железнодорожном транспорте. Совместно с РКК «Энергия» были проведены стендовые испытания электрохимического генератора «Фотон» по нагрузочной характеристике маневрового локомотива. Проведенные исследования и испытания показали: такие качества энергоустановок на топливных элементах, как высокий КПД, способность к перегрузке, небольшой расход топлива на холостом ходу, отсутствие изнашиваемых движущихся деталей, малое время регламентных работ, бесшумность рабочего процесса, экологическая чистота отводимых газов, позволяют с большой эффективностью применять их
в качестве силовой установки для перспективных локомотивов. Форма вольт-амперной характеристики энергоустановки соответствует генераторной характеристике локомотива, что позволяет эффективно применить ее для питания тяговых двигателей локомотива. Быстро-протекающие переходные процессы энергоустановки, при которых приемистость достигает 2 кВт/мс, позволят значительно улучшить тяговые характеристики локомотива.
В 2008 г. в ОАО «ВНИИЖТ» был спроектирован энергетический вагон на топливных элементах. В 2009 г. вагон должен быть изго-
товлен и испытан. Использоваться энергетический вагон будет для питания путевой техники в тоннелях, где остро стоит вопрос задымлен-ности от работы дизельных двигателей.
Энергетическая установка на топливных элементах, размещаемая в вагоне, изготовлена на базе четырех электрохимических генераторов «Фотон», предоставленных для проекта РКК «Энергия». Она может обеспечивать питанием двигатели и механизмы с мощностью длительного режима 50 кВт и с пиковой мощностью до 150 кВт. Такой мощности достаточно, чтобы использовать установку на различных работах по капитальному ремонту и текущему содержанию путей в тоннелях.
Мощность энергетической установки позволяет питать механизмы, которые используются при замене шпал, рельсов, дефектных мест в рельсовых креплениях, уборке засорителей с пути (мазута, солярки, песка), разборке и укладке рельсо-шпальной решетки.
При проведении работ по текущему содержанию тоннелей энергоустановку можно использовать для питания механизмов по замене железобетонных элементов безбалластного основания железнодорожного пути, проведению работ по ремонту и содержанию свода тон-
Рис. 7. Концентрация вредных выбросов при работе путеукладочного поезда
Рис. 8. Гибридный маневровый локомотив с энергетической установкой на топливных элементах и электролизером воды высокого давления
нелей, железобетонных водопропускных лотков и для ряда других работ.
Энергетическая установка может заменить дизельные двигатели, входящие в состав путеукладочного поезда комплекса для капитального ремонта и текущего обслуживания пути в тоннелях. В этом случае дизели крана УК-25/9-18 (рис. 6) и моторной платформы МПД-2 отключаются, а питание от энергетической установки подается на тяговые двигатели и исполнительные механизмы с использованием их штатных схем регулировки мощности.
Укладочный кран УК-25/9-18 и моторная платформа МПД-2 оснащены безнаддувными двигателями ЯМЗ 238М2, которые по своим экологическим характеристикам относятся к классу «Евро-0».
Угарный газ (СО), окислы азота (N0^ и углеводород (СН) являются главной причиной головных болей, усталости, немотивированного раздражения, низкой трудоспособности обслуживающего персонала. Оксиды азота оказывают влияние на легкие и на органы зрения человека. При их длительных воздействиях происходит нарушение дыхательных функций. Оксиды азота способствуют также разрушению
озонового слоя. В организм человека оксиды азота поступают через дыхательные пути и кожные покровы.
На рис. 7 показана концентрация N0^ СО и СН в воздухе рабочей зоны путеукладочного поезда при работе с двигателями ЯМЗ 238М2, для объема рабочей зоны 5000 м3 и коэффициента кратности воздухообмена в рабочей зоне - 2. Как видно из рис. 7, превышение в рабочей зоне предельно допустимой концентрации N0x наступает уже через 4 мин, СН - через 23 мин, СО - через 66 мин. При дальнейшей работе концентрации вредных выбросов становятся опасными для здоровья рабочих. На практике приходится проветривать тоннели мощными вентиляторами, что создает опасность простудных заболеваний у рабочих и влечет за собой существенные энергетические затраты.
Использование вместо дизелей энергоустановок на топливных элементах, которые не имеют никаких вредных выхлопов, позволит полностью решить проблему задым-ленности тоннелей.
В конце 2008 г. ОАО «ВНИИЖТ» совместно с ОАО «РКК «Энергия» имени С.П. Королева», ОАО «Уральский электрохимический комбинат», ОАО «ВНИКТИ» подали заявку
в Федеральное агентство по науке и инновациям на софинансирова-ние работы по теме «Создание гибридного маневрового локомотива с энергетической установкой на топливных элементах и электролизером воды высокого давления».
В состав маневрового локомотива (рис. 8) должны входить электрохимический генераторэлектроэнергии, электролизер воды высокого давления, накопители энергии, вспомогательное оборудование.
Для питания тяговых двигателей локомотива используются накопители энергии. В режимах пиковой нагрузки параллельно к накопителям энергии подключается энергоустановка на топливных элементах. В режимах малых нагрузок энергоустановка заряжает блоки накопителей энергии. В режимах торможения локомотива электронная система обеспечивает рекуперацию энергии для зарядки накопителей энергии.
Электролизер высокого давления работает в периоды простоя локомотива в депо или на запасных путях. Электронная система обеспечивает сопряжение питания электролизера с различными видами источников энергии (однофазная или трехфазная промышленная сеть; вспомогательный генератор тепловоза, стоящего на соседнем пути или в сцепке; энергия главного генератора другого тепловоза, проходящего реостатные испытания). Накопители энергии представляют собой гибридную установку из аккумуляторных батарей и конденсаторов высокой емкости.
В проекте предусматривается решение задачи получения водорода с помощью электролизера воды высокого давления на борту локомотива. Такое техническое решение позволит обеспечить безопасную работу локомотива, так как не будет необходимости размещать на его борту баллоны с запасом водорода на несколько дней работы. Кроме того, отпадает необходимость создания специальной инфраструктуры для заправки локомотивов.
