[03-2022] Применение водородного топлива на железнодорожном транспорте
 

Применение водородного топлива на железнодорожном транспорте

Ю.В. БАБКОВ, первый заместитель генерального директора —
главный инженер,
С.Н. ЖУРАВЛЁВ, заместитель главного инженера,
Д.В. КОТЯЕВ, заместитель главного инженера,
АО «Научно-исследовательский и конструкторско-
технологический институт подвижного состава», г. Коломна

В статье рассматривается возможность применения водорода в качестве моторного топлива для локомотивов. Приведен мировой опыт по созданию подвижного состава, использующего водород в качестве топлива. Проанализированы преимущества и недостатки агрегатного состояния водорода для использования в качестве топлива, варианты размещения водородного топлива на борту локомотивов, а также структурная схема работы локомотива с системой химического хранения водорода на борту локомотива.

Согласно Экологической стратегии ОАО «РЖД» до 2030 года [1], предусмотрены два сценария по снижению выбросов вредных веществ и парниковых газов — консервативный и инновационный. Так, достижение целевых показателей возможно благодаря энергосбережению, повышению энергетической эффективности и применению альтернативных видов топлива, в том числе водорода.
В ряде стран уже сегодня разработаны прототипы гибридных водородных локомотивов. Одной из первых подвижной состав, работающий на водороде, представила компания Alstom (рис. 1) [2]. Поезд Coradia Hint является совершенно новым типом подвижного состава с нулевым уровнем вредных выбросов.


Компанией Pesa в сентябре 2021 г. представлен прототип маневрового локомотива с энергоблоком на водородных топливных элементах (рис. 2) [3]. Четырехосный локомотив SM42Dn создается в сотрудничестве с компаниями PKN Orlen и Orlen Koltrans на базе маневрового тепловоза SM42 и предназначен для вождения поездов массой до 3200 т.
Американская компания Wabtec построила и испытывает совместно с железной дорогой BNSF на одной из линий Калифорнии прототип гибридного магистрального аккумуляторного локомотива FLXdrive мощностью 2,4 МВт, который при тяге тяжеловесных поездов совместно с двумя тепловозами позволяет снизить расходы топлива и выбросы углекислого газа на 11 % (рис. 3) [4]. Планируется, что в дальнейшем данный локомотив будет переведен на водородное топливо.
Научно-отраслевой комплекс холдинга ОАО «РЖД» в лице Инжинирингового центра, АО «ВНИИЖТ» и АО «ВНИКТИ» также прорабатывает варианты создания маневровых и магистральных гибридных локомотивов, работающих на водороде. На рис. 4 и 5 представлены схемы компоновки маневрового гибридного локомотива на базе тепловоза ТЭМ19, работающего на компримированном водороде, и магистрального локомотива на базе газотурбово-за ГТ1 h, работающего на сжиженном водороде.
Учитывая большую удельную мощность магистрального локомотива (до 3,5 МВт в секции), необходимость преодоления большого расстояния (700 — 1000 км) и ограниченность пространства, в качестве топлива целесообразно использовать сжиженный водород. При этом соблюдаются следующие условия: возможность размещения максимального объема водорода при минимальных габаритах и обеспечения безопасности эксплуатации, экипировки и хранения.
Проблема хранения водорода является одной из ключевых проблем развития водородной энергетики. Из-за высокой взрывоопасности водорода к местам его хранения предъявляются дополнительные требования. Как правило, водород хранят в сжиженном либо в сжатом газообразном состоянии. Основные проблемы, требующие решения при разработке технологий хранения водорода, имеют отношение к обеспечению их рентабельности и безопасности, что напрямую связано с химическими и физическими свойствами водорода.


Одним из наиболее перспективных способов хранения водорода является химический способ, основанный на применении декалина. Принцип работы системы заключается в следующем (рис. 6). Декалин, хранящийся в специальной емкости, с помощью насоса через теплообменник подается в реактор-дегидратор. Там под воздействием температуры происходит процесс дегидрирования декалина — вещества-носителя водорода. В результате протекания реакции на выходе из реактора-дегидратора получаются водород и нафталин. Нафталин через теплообменник поступает в специальную емкость для хранения. Водород, полученный в результате реакции, сжимается компрессором и хранится в ресивере в компримированном виде.
Процессы преобразования водорода характеризуются экологической чистотой и эффективностью. При этом из всех 25 известных видов топлива водород имеет наибольшую весовую энергоемкость и содержит больше энергии на единицу массы, чем
любое углеводородное топливо. Выигрыш в энергии в процессах сгорания достигается благодаря лучшему среди всех элементов таблицы Менделеева соотношению валентных электронов к протонам. Однако, несмотря на очевидные преимущества, широкому применению водорода в качестве топлива всегда мешали две проблемы, одна из которых связана с трудностями при получении чистого водорода, а вторая — с особенностями его хранения.
Наиболее типичными представителями циклических нафтенов являются декалин (С10Н18) и его производные, что объясняет высокий интерес к циклической паре «нафталин - декалин» как потенциальной си
стеме хранения и выделения водорода на борту транспортного средства [5]. Благодаря сходству эксплуатационных характеристик традиционного нефтяного и нового водородсодержащего топлива технологически единая водородная энергетическая система на ароматических углеводородах могла бы быть организована как комплекс предприятий, расположенных вблизи газовых или нефтяных месторождений и включающих в себя процессы производства водорода, органических соединений с высокой емкостью по Н2 и их гидрирование.

Транспортировку органических носителей водорода можно осуществлять наподобие транспортировки традиционного углеводородного сырья по трубопроводам либо в химических танкерах или цистернах (вагонах) морским и железнодорожным транспортом на специализированные водородные станции или непосредственно потребителю. Данная схема хранения и транспортировки водорода в органических соединениях предполагает низкую стоимость реализации и имеет низкие потенциальные риски возникновения опасных ситуаций при хранении и транспортировке, а также потерь водорода, так как хранение и транспортировка могут осуществляться в жидком или твердом состоянии при любых атмосферном давлении и температуре окружающей среды.
Генерация водорода из органического носителя на водородной станции или на борту транспортного средства является взрывобезопасной, так как реакция дегидрирования при атмосферном давлении происходит только в месте контакта с катализатором.
Представленная в статье модель использования на транспортном средстве декалина является наиболее перспективной по сравнению с типовыми способами транспортировки и использования водорода (компримированным или сжиженным водородом).

Библиография

1. Экологическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2017 года и на перспективу до 2030 года : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 12.05.2014 № 1143р { в ред. от 22.06.2016 № 1227р) // РЖД : официальный сайт. 2016. URL: https://company.rzd.ru/ ги/9353/ page/!05104?id=958.
2. Поезд Coradia iLint на топливных элементах // Железные дороги мира. 2017. № 4. С. 52 — 55.
3. Pesa готовится представить подвижной состав на водородном топливе // Железные дороги мира. 2021. №6. С. 12.
4. Тяговые аккумуляторы и топливные элементы General Motors для локомотивов компании «Wabtec» // Железные дороги мира. 2021. № 7. С. 12.
5. Каленчук А.Н. Гетерогенно-каталитические реакции гидрирования-дегидрирования полициклических углеводородов как основа для хранения химически связанного водорода и его выделения : дис. ... доктора хим. наук : 02.00.15 / Институт органической химии им. НЩ. Зелинского РАН. М., 2021.377 с.