Технологии и компоненты

ВОДОРОД И АВТОБУСЫ

Топливные элементы: за и против

Технологии и компоненты

ВОДОРОД И АВТОБУСЫ

Топливные элементы: за и против

Алексей Самойлов

На сайте ktt-magazine.ru (ссылка), а также в № 1/2022 нашего журнала мы начали обсуждать перспективы использования водорода в качестве топлива для автобусов. Автором были затронуты два ключевых вопроса. Первый это использование водорода в газовых ДВС в качестве альтернативы сжиженному или сжатому природному газу. И второй водород как средство увеличения запаса хода и сокращения времени заправок по сравнению с классическими электробусами. Особо подчеркну: по второму пункту мы говорили лишь о городских (и отчасти пригородных) машинах. Не буду пересказывать предыдущую публикацию, но на уровне оценочного суждения, естественно, с использованием открытых источников в Сети автором этих строк было высказано мнение, что применение водорода в ДВС на городских маршрутах имеет слишком много спорных моментов.
На сей раз рассмотрим еще одну технологию водородные топливные элементы.
Начну с короткой исторической справки. Первые упоминания о водородных топливных элементах (англ. Fuel Cell, но здесь далее – ВТЭ) появились в 1838 году и связаны с работами физика Уильяма Гроува.

Позже были и другие изобретения. Например, в 1932-м Фрэнсис Томас Бэкон изобрел стационарный топливный элемент мощностью 5 кВт, работающий на основе водорода и кислорода. В 1955-м У. Томас Грабб, химик, работавший в General Electric (GE), модифицировал первоначальную конструкцию топливного элемента, используя в качестве электролита ионообменную мембрану из сульфированного полистирола. Три года спустя другой химик GE, Леонард Нидрах, изобрел способ нанесения платины на мембрану, которая служила катализатором необходимых реакций окисления водорода и восстановления кислорода. GE продолжила разработку этой технологии совместно с NASA и McDonnell Aircraft, что привело к ее использованию в проекте Gemini. Это было первое коммерческое применение топливного элемента.

В 1959 году группа под руководством Гарри Ирига построила трактор на топливных элементах мощностью 15 кВт для компании «Allis-Chalmers», который демонстрировался в США на выставках и ярмарках. Его силовая установка использовала гидроксид калия в качестве электролита, сжатые водород и кислород – в качестве реагентов. Позже, в 1959-м, Бэкон и его коллеги продемонстрировали практическую пятикиловаттную установку, способную питать сварочный аппарат. В 1991-м Роджер Биллингс разработал первый автомобиль на водородных топливных элементах. Тридцать лет спустя, весной 2021 года, британская Williams Advanced Engineering объявляла о том, что ее специалисты привлечены горнодобывающей компанией «Anglo American» для помощи в разработке 280-тонного карьерного самосвала на водородных топливных элементах.

Общая компоновка автобуса и принципиальная схема топливного элемента. В нем используется водород со стороны анода и атмосферный кислород на стороне катода. Между ними устанавливается мембрана, обеспечивающая проводимость протонов, но не электронов. Выбросы – только дистиллированная вода и тепло

Иными словами, ВТЭ известны давно, и в истории развития техники достаточно много примеров попыток их использования, в том числе на транспортных средствах. Но мы, как и в первой публикации, говорим только о городских и отчасти пригородных автобусах.
Немного теории

Так выглядит демонстрационный блок ВТЭ на лабораторном столе.

Для понимания габаритов – в конструкции использованы гайки М8

Конструктивно ВТЭ бывают различных видов, однако все работают примерно одинаково. Они состоят из трех смежных сегментов: анода, электролита и катода. На границах трех разных сегментов происходит две химические реакции. На аноде катализатор окисляет топливо, обычно водород, превращая его в положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Электролит – это вещество, специально разработанное для того, чтобы ионы могли проходить через него, а электроны – нет. Освобожденные электроны движутся по проводнику, создавая электрический ток. Ионы проходят через электролит к катоду. Достигнув катода, ионы воссоединяются с электронами и реагируют с третьим химическим веществом, обычно с кислородом, с образованием воды или углекислого газа.

Примеры автобусов на ВТЭ

Думаю, вы обратили внимание на слова «две химические реакции».
Нюанс в том, что для протекания в принципе любой химической реакции всегда нужны:
а) реагенты и
б) определенные условия.
а) Реагенты...
... должны быть химически чистыми. Но! Например, сошлюсь на доклад «Автомобильная промышленность 2035: прогнозы на будущее», подготовленный аналитиками независимой консалтинговой компании «Horváth & Partners» (Штутгарт, Германия). Согласно ему технологическая цепочка использования водорода выглядит так: производство электроэнергии → ЛЭП → производство водорода → станция подготовки газа перед транспортировкой в сжатом или сжиженном состоянии → транспортировка → хранение (накопление) на неких складах/базах/заправочных станциях → заправка техники → хранение на борту → получение электроэнергии в топливных элементах (и зарядка бортовых накопителей) → колесо... Иными словами, в такой сложной цепочке (и при больших объемах) полностью исключить вероятность потерь и загрязнений вряд ли возможно.

Впервые автобусы на ВТЭ вышли на регулярные маршруты в Пекине в 2006 году. Но «технология не получила широкого применения в городе, поскольку загрязнение воздуха снизило эффективность и срок службы топливных элементов»

Кроме того, в реакции кислород используется из атмосферного воздуха, его там только 20,95% по объему (23,15% по массе), а в крупных промышленных городах, особенно стран третьего мира, там же возможно наличие и химических загрязнений. Так, например, впервые автобусы на ВТЭ вышли на регулярные маршруты в Пекине в 2006 году. Они были изготовлены компанией «Daimler» (Германия) и приобретены за счет гранта Программы ООН. Но (цитата из отчета, опубликованного местными СМИ): «The technology has not gained broader use in the city because air pollution reduced the efficiency and operating life of fuel cells». В переводе: «Технология не получила широкого применения в городе, поскольку загрязнение воздуха снизило эффективность и срок службы топливных элементов» (курсив мой – А.Са.).

Таким образом. Как показывает опыт, отказы и неисправности ВТЭ чаще всего связаны с «отравлением» элементов при использовании недостаточно чистых исходных веществ. И по этой причине ресурс системы, увы, ограничен, а ремонт в «полевых условиях» затруднен. К сожалению, отравление может носить кумулятивный характер и быть результатом комбинированного воздействия нескольких агентов-стрессоров, посему его последствия могут сказаться в самое неподходящее время.

Тем не менее на сегодня для транспортных средств с ВТЭ расчетный ресурс работы составляет не менее 30-40 тысяч часов. Пока не будем пересчитывать эту цифру на число дней работы на линии с учетом продолжительности смены и КТГ – ниже вы поймете почему, а пока пункт «б» в химической реакции...
б) Условия...
... протекания химической реакции – это в числе прочего температура. Так, существуют высокотемпературные ВТЭ (реакция происходит при t более 400 °С) и низкотемпературные. Первые применяются в экспериментальных и стационарных энергоустановках, а вторые – в том числе и на автомобилях. И в них для протекания реакции необходима температура от 15 до 40 °С. Отсюда понятно, что требуется некий автономный источник энергии для холодного запуска элементов, например, после ночного отстоя техники в зимний период.

Кроме того, в общем случае химическая реакция обладает определенной «инерционностью», и, в отличие, например, от электродвигателя, ее нельзя сразу «включить» на максимальную мощность/момент или мгновенно полностью выключить. Это усугубляется особенностями компоновки и условий эксплуатации автомобиля/автобуса. Так, например, у последнего блоки ВТЭ устанавливаются на крыше или в заднем свесе под подиумом, а результатом химической реакции является вода. Посему, как думается, нужна некая магистраль с окончанием где-то в районе линии бамперов и ее продувка воздухом. Особенно когда за бортом зима, а стоянка открытая.

Таким образом, мы подошли к пониманию, что при использовании ВТЭ требуется некий буферный накопитель энергии, предназначенный для сохранения условий и компенсации особенностей протекания химических процессов. Как легко догадаться, это обычная аккумуляторная батарея.

А вот при ее использовании есть два «крайних» варианта.
Это может быть АКБ очень небольшой емкости, энергия которой может использоваться кратковременно в момент разгона, при холодном пуске, а также для питания бортового электрооборудования в аварийных ситуациях либо при остановке/ стоянке в ночное время на неосвещенных участках дорог и улиц.
Второй «крайний» вариант явно дороже по стоимости приобретения, но, по осторожной оценке автора, более интересен в практической эксплуатации. Здесь я подразумеваю накопители большой емкости, которые могут использоваться для перемещения транспортного средства с выключенными ВТЭ. Представим некий автобус с ВТЭ и «большими» АКБ. Ночью он заряжается «от розетки» в парке, потом на линии, где-то ближе к середине дня, запускаются ВТЭ, которые заряжают накопители. Но ближе к концу дня (у нас две смены на маршруте – порядка 16 часов) мы выключаем ВТЭ и докатываем несколько рейсообортов на АКБ.

Еще одна компоновка водородобуса...

Фактически в данном случае мы используем гибридную силовую установку с последовательными потоками мощности, только вместо ДВС у нас топливные элементы. Сложно? Да. Это больше подходит для междугородных маршрутов? Не обязательно. Так мы можем работать даже в самых отдаленных пригородах, где создание местной зарядной или заправочной (для водорода) инфраструктуры экономически неоправданно. Есть и плюсы для владельца. И хотя машина будет дороже, чем в случае с «маленькими батарейками», но:
а) мы сокращаем расход водорода, который на сегодня существенно дороже электроэнергии (цифры ниже);
б) мы увеличиваем ресурс силовой установки.

Ведь ВТЭ работают не все условные 16 часов при двухсменном режиме работы на линии. Так, при расчетном ресурсе ВТЭ в 35 тысяч часов и сокращении времени их работы только на 1 час (до 15 часов) при КТГ=0,95 межремонтный интервал увеличивается с 75,7 до 80,7 месяца. Сокращение времени работы ВТЭ на 2 часа – это без малого 11 дополнительных месяцев! Выгоду от экономии топлива (во втором случае без малого 11 месяцев машина водород не потребляет) посчитайте сами – исходные цифры ниже. Одним словом, в каждом конкретном случае надо «считать экономику».

К слову, полное название одного из водородобусов с публикуемых фотографий – Mercedes-Benz Citaro Fuel Cell Hybrid.
Нам пишут из Франции

Внедрение автобусов на ВТЭ потребует серьезных инвестиций не только в сеть заправочных станций, но и в модернизацию технического сервиса. А если без PR и личных амбиций некоторых политиков, насколько это оправданно? Ведь чаще всего за подобными проектами стоят деньги налогоплательщиков

Виноват, «для привлечения внимания» воспользуюсь старинной формулировкой, с которой обычно начинались газетные новости в XIX веке. Следующие ниже заметно более свежие.

Итак, французский финансовый еженедельник «La Tribune» 6 января 2022 года опубликовал новость следующего характера (текст приводится в изложении).

Агентство общественного транспорта города Монпелье (Montpellier), крупнейшего на юге Франции и седьмого в стране по числу жителей, отменило контракт на закупку 51 нового автобуса, работающего на ВТЭ. Машины предназначались для работы на четырех новых регулярных маршрутах. Стоимость автобусов должна была составить 29 миллионов евро, частично финансируемых из нескольких источников, включая региональные и национальные транспортные органы и Европейский союз. В качестве отступления упражнение с калькулятором: 29 млн разделить на 51 равняется 568,7 тысячи евро за единицу. Но здесь оговорка: источник не указывает, это стоимость приобретения или она же, но с сервисным контрактом...

В рамках реализации проекта город Монпелье создал совместное предприятие с Energies du Sud и Hynamics, подразделением компании «EDF Group». Оно должно было построить электролизную установку мощностью 800 кг водорода в день с питанием от «солнечной» электростанции мощностью 2,8 МВт, хранилище газа и ряд заправочных станций для заправки автобусов. Однако после перевыборов мэра города неожиданно (?) выяснилось, что 1 км пробега водородобуса на муниципальных маршрутах будет стоить 0,95 евро. И это «несколько» больше, чем 0,15 евро за 1 км при использовании обычных электробусов (95:15=6,333...). Плюс первые дороже вторых примерно на 150-200 тысяч евро (на 26-35% ≈ на треть)...

И здесь к месту цитата мэра Микаэля Делафосса (Michaël Delafosse), сказанная им на одной из пресс-конференций, посвященных данному событию: «Возникает вопрос: зачем использовать электричество для расщепления воды на водород и кислород, а затем использовать водород для питания топливных элементов, которые вырабатывают электричество, когда вы можете просто использовать электричество для зарядки аккумуляторов? Каждый раз, когда энергия преобразуется из одной формы в другую, неизбежно происходят потери». Резюмируя, он добавил: «Пока мы обойдемся без водородных автобусов, но после 2030 года посмотрим, будет ли водород как топливо дешевле, чем электроэнергия».

Инфраструктура и массовое производство именно «зеленого» водорода – это две причины, способные повлиять на перспективы внедрения автобусной техники на ВТЭ

Нам пишут из Австрии
4 марта 2022 года портал www.omnibusrevue.de сообщил, что в трех регионах Австрии – на востоке (Вена), юге (Грац) и западе (Тироль) в рамках проекта «HyBus Implementation», финансируемого Австрийским фондом по климату и энергетике (общая сумма 1,8 млн евро), начинаются длительные эксплуатационные испытания водородобусов Hyundai Elec City Fuel Cell.

Длина каждой машины 10,99 м, ширина – 2,49 м, колесная база – 5,4 м. Она рассчитана на 25 мест (включая сиденье водителя) и до 36 мест для стоящих пассажиров. Снаряженная масса 12 660 кг, полная – 16 900 кг. Компоновка салона LE (с низким входом), в кормовой части – подиум. Высота салона в проходе и на накопительных площадках 2,36 м. Основа силовой линии – асинхронный двигатель ZF с жидкостным охлаждением Cetrax CX 220 110 B номинальной мощностью 180 кВт. Для производства электроэнергии используется два параллельно подключенных модуля топливных элементов мощностью 90 кВт, расположенных в задней части крыши. В передней установлены литий-ионные буферные батареи с жидкостным охлаждением. Для хранения запаса сжатого водорода также на крыше установлено пять усиленных углеродным волокном резервуаров емкостью 175 литров каждый. Они вмещают около 33,15 кг газа. По данным производителя, в зависимости от температуры, дорожных условий и стиля езды запас хода составляет до 550 километров.

Hyundai Elec City Fuel Cell

– его опытная эксплуатация начинается в Австрии, но вопросы уже есть

Разумеется, мы не знаем цен на водород для муниципального транспорта, поэтому информация предварительная. Так, по данным Shell Austria, «на АЗС килограмм водорода стоит около 9,5 евро» (цитата с местного интернет-сайта). Таким образом, условно для нашего водородобуса расходы на топливо составят порядка 57,26 евро на 100 км.

А вот другой пример. В июле 2021-го транспортная компания «Verkerhrsbetriebe Bachstein», базирующаяся в городе Целле, Нижняя Саксония, Германия, провела тестовые испытания электробуса IVECO BUS E-WAY (подробности, например, здесь). Машина на одном заряде накопителей (их емкость 335 кВт·ч) отработала на регулярном маршруте две смены по 16,5 часа в течение двух дней подряд. Причем общий пробег составил 543 км.

Поупражняемся с калькулятором? В Австрии на публичной зарядной станции 1 кВт для электромобилей стоит 0,21 евро, так что для упомянутого электробуса (условно считаем, что он теперь работает в Австрии) расходы на «топливо» могут составить 12,96 евро на 100 км. Понятно, это все очень условно, только для понимания порядка цифр (увы, у нас опять нет данных по тарифам для «муниципалов»), тем более мы невольно сравнили 10-метровую и 12-метровую (E-WAY) машины, различающиеся не только длиной.
Стоп-кадр

Страна антиподов – Австралия.

Fuel Cell Bus – это понятно, тем более марка и модель машины определяются легко...

Но тогда дым из выхлопной трубы это что?

Впрочем в данном случае наш источник уверяет, что это не работа ЯМЗ-236 (исполнение «20 лет без ремонта»), а обычный водяной пар – результат работы ВТЭ.

И кто разъяснит этот нюанс обычным домохозяйкам?

***
Выводов не будет. И подчеркну особо: в этих двух публикациях автор не ставил своей целью критику водородных технологий (ДВС и ВТЭ), а осмелился усомниться в перспективах их использования на городских и пригородных автобусах.

И все-таки, может быть, на городских маршрутах – только электробусы? Например, потому что твердотельные накопители для них с каждым годом становятся меньше, дешевле, ресурс их в циклах «заряд-разряд» только увеличивается