27-05-2023
Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.
В настоящее время разнообразный транспорт несёт ответственность за 23 % техногенных выбросов парниковых газов в атмосферу Земли[1]. По оценкам экспертов, уже через двадцать лет это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей[2]. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.
В морском транспорте зачастую используются низкосортные, дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО2 морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год[3].
Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители, дефицит топлива, стремление различных стран достичь энергетической независимости.
Англ. Hydrogen internal combustion engine (HICE). Водородный двигатель внутреннего сгорания.
Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином. Если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым аналогом, но тогда значительно увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания и возрастает вероятность подгорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности.[4]. Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу. Обычный ДВС для работы на водороде не подходит, так как водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора. Обычно для работы на водороде используется роторный двигатель, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного.
Изобретатель Франсуа Исаак де Риваз (фр. fr:François Isaac de Rivaz 1752—1828) в 1806 году создал двигатель внутреннего сгорания. Двигатель работал на водороде, который изобретатель производил электролизом воды. Тем не менее в большинстве экспериментальных ДВС других изобретателей использовался в основном светильный газ. Бензин в двигателях внутреннего сгорания стал использоваться после 1870-х годов.
В блокадном Ленинграде бензин был в дефиците, но водород имелся в большом количестве. Военный техник Борис Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь для работы загородительных аэростатов. На водород перевели двигатели внутреннего сгорания лебёдок аэростатов. Во время блокады в городе на этом топливе работало около 600 автомобилей.[5]
В настоящее время ограниченными партиями выпускаются:
Берлинская транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) к ноябрю 2009 года приобрела 14 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде[6].
Boeing Company разрабатывает беспилотный самолёт большой высоты и продолжительности полёта (High Altitude Long Endurance (HALE). На самолёте установлен HICE производства Ford Motor Company[7].
Широкое внедрение водородного топлива сдерживается более высокой ценой водорода по сравнению с привычными топливами, отсутствием необходимой инфраструктуры. Промежуточным решением могут стать смеси традиционных топлив с водородом. Например, [1]) с природным газом (цена при крупнооптовых поставках около 20 центов за кг [2], данные за 2004 г.).
Делаются установки, производящие водород из дистиллированной воды на борту транспортного средства. Далее водород добавляется к дизельному топливу. Такие установки внедряются на крупные грузовики и горную технику. Это позволяет сократить расход топлива, увеличить мощность двигателя, сократить выбросы[8].
В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н. Кузнецова (Самара) были разработаны авиационные двигатели, предназначенные для пассажирских самолётов Туполева. Эти двигатели, работающие на водороде, прошли стендовые и лётные испытания. События в России в конце 1980-х — начале 1990-х годов не позволили довести работы по водородным авиадвигателям Н. Кузнецова до широкого их применения в транспортной и пассажирской авиации. К настоящему времени сохранились несколько законсервированных работоспособных авиационных двигателей Н. Кузнецова на складах КБ в Самаре[9].
В конце 1980-х годов Владимиром Львовичем Фрайштадтом из Научно-исследовательского предприятия гиперзвуковых систем (НИПГС) была предложена концепция гиперзвукового аппарата «Аякс». Водород производится на борту самолёта из углеводородов.
3 апреля 2008 года компания Boeing провела лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах[10].
Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.
Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор. В 1962 году — на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.
Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паровоз за 150 лет своей эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента — 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %.
КПД классического свинцового аккумулятора 70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей — дороговизна и несовершенство аккумуляторов. Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой. Никель-металл-гидридные аккумуляторы обладают недостаточной ёмкостью и неспособностью держать высокие токи разряда. В настоящее время актуальны литий-ионные аккумуляторы, но они тоже имеют проблему с обеспечением высокого тока нагрузки. Но наиболее перспективными на сегодняшний день являются литий-воздушные аккумуляторы. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов. На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.
В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель — снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания[11].
Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30 °С.
Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:
и другие единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.
С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км и перевезли 6 млн пассажиров.
Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год)[12].
Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л мощностью 85 кВт потребляет 5,8 л бензина на 100 км в условиях трассы.
National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км), потребление водорода — 1 кг на пробег 60 миль (96 км). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л)[13].
Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как размеры железнодорожных двигательных установок имеют малое значение. Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы.
Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году[14][15]. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке — 300—400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года[16].
В США эксплуатация локомотива на водородных топливных элементах мощностью 2 тысячи л. с. должна была начаться в 2009 году[17]. Локомотив создавался с 2003 года при участии Министерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческих приложений[18].
В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron. Протяженность маршрута — 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков. Проект получил название Danish Hydrogen Train Project[19].
Разработки водородного железнодорожного подвижного состава также ведутся в Японии компаниями Hitachi[20] и Kinki Sharyo[21].
Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56-метровых вагонов вместимостью 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.[22]
Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе в 2003 году был создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships)[23]. В консорциум FellowSHIP входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и Wärtsilä Automation Norway.
Также в Европе созданы:
В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.
Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 с силовыми установками на PEM водородных топливных элементах мощностью 300 кВт. Водород производится на борту подводной лодки из этанола. Поставщик топливных элементов компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов, и увеличить время нахождения под водой.
Эксплуатация Zemships началась летом 2008 года.
Исландия планирует перевести на водород все рыболовецкие суда. Для производства водорода будет использоваться геотермальная энергия и энергия ГЭС.
Первый пилотируемый полёт самолёта с силовой установкой на PEM топливных элементах мощностью 20 кВт. состоялся 3 апреля 2008 года[24]. Проект разрабатывался компанией Boeing и группой европейских компаний. Топливные элементы производства компании UQM Technologies (США).
Fraunhofer Institute (Германия) разрабатывает беспилотный вертолёт с силовой установкой на водородных топливных элементах. Вес топливного элемента — 30 грамм, мощность 12 ватт[25].
Также беспилотные летательные аппараты с топливными элементами разрабатываются компаниями США и Израиля.
Вспомогательный транспорт — эксплуатирующийся на ограниченных пространствах: складах, аэродромах, крупных промышленных производствах, военных базах и т. д.
Наиболее активно водородные топливные элементы устанавливаются на складские вилочные погрузчики. Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Для обслуживания аккумуляторов 12 погрузчиков требуется 370 кв.м., тогда как водородная заправочная станция занимает площадь 18,5 кв.м. (данные испытаний Wal-Mart). На заправку водородом одного погрузчика требуется всего около 2 минут.
Крупные распределительные центры площадью 90000 м² требуют 100—300 погрузчиков и по три комплекта аккумуляторов на каждый погрузчик. Аккумуляторы меняются по 300 раз в сутки. Крупные розничные сети (Wal-Mart, Kroger, Target, Sysco, SuperValu, Ahold и т. д.) управляют парком 5000-20000 складских погрузчиков.
В 2009 году в США начался активный перевод складских погрузчиков на водород. Свои погрузчики на водород начали переводить компании: Nestle[26], розничная сеть H-E-B (Техас)[27], Anheuser Busch[28], Nissan[29], GENCO[30], Coca-Cola[31] и другие.
Водородные топливные элементы устанавливаются на велосипеды, мотоциклы, скутеры, подводные лодки и др.
Водородные топливные элементы могут использоваться для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC топливные элементы.
В Германии дома на колёсах продаются с DMFC топливными элементами мощностью от 0,6 кВт. до 2,2 кВт. К сентябрю 2009 года продано 14 тысяч экземпляров[32]. В качестве топлива используется 5-литровая, или 10-литровая канистра с метанолом. Канистры продаются в 1200 магазинах Европы. 10-литровой канистры хватает примерно на 4 недели работы[33].
В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.
Airbus выступает координатором европейского проекта New Configured Aircraft (CELINA). Проект работает над снижением веса и размеров топливных элементов мощностью 400—600 кВт. 40 % электроэнергии Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах. Разработчикам поставлена цель — увеличить это количество до 60 %.
Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320[34].
Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы парниковых газов.
Boeing также разрабатывает SOFC топливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году.
В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе[35]. Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.
После катастрофы дирижабля Гинденбург водород считается опасным топливом. Бензин в начале своего применения так же был опасным топливом. Например, первые подводные лодки работали на тяжелых топливах. Бензиновые двигатели становились причиной частых аварий и пожаров. Дизельные двигатели для подводных лодок появились только в 1906—1908 году[37]. При пробое топливного бака бензин разливается лужей по поверхности, тогда как водород улетучивается в виде направленной струи.
Во время Первой мировой войны накоплен большой опыт применения водорода в дирижаблях. Например, Zeppelin — ZIV во время одного из боевых полётов подвергся интенсивному обстрелу с земли, и получил около 300 пробоин. Дирижабль благополучно вернулся на базу. Zeppelin L33 в ночь с 23 на 24 сентября 1916 года был обстрелян зенитной артиллерией. Один из снарядов взорвался внутри газового мешка с водородом. Дирижабль получил значительные повреждения, но водород не взорвался.[38]
Водородный бак BMW Hydrogen 7 прошёл все необходимые тесты на безопасность. В ходе испытаний водородный бак разрушали под высоким давлением, нагревали на открытом огне до температуры 1000° Цельсия в течение 70 минут, деформировали твёрдыми и тяжёлыми предметами. Водород, находящийся в баке, не взрывался.
Водородный транспорт.
