ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДА НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ: ВЫБОР АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ И СПОСОБЫ ЭКИПИРОВКИ ЛОКОМОТИВА ВОДОРОДОМ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ

УДК 629.421.3:662.769.2(045)

Особенности использования водорода на железнодорожном транспорте: выбор агрегатного состояния и способы экипировки локомотива водородом

Ю. В. Бабков, Д. В. Котяев, Д. И. Прохор, А. Г. Воронков, С. Н. Журавлев

Акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), Российская Федерация, 140402, Московская область, Коломна, ул. Октябрьской революции, 410

Для цитирования: Бабков Ю. В., Котяев Д. В., Прохор Д. И., Воронков А. Г., Журавлев С. Н. Особенности использования водорода на железнодорожном транспорте: выбор агрегатного состояния и способы экипировки локомотива водородом // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - Вып. 2. - С. 107-118. DOI: 10.20295/2223-9987-2021-2-107-118

Аннотация

Цель: Рассматривается возможность применения водорода в качестве моторного топлива для локомотивов. Методы: Проанализированы преимущества и недостатки различных видов агрегатного состояния водорода для использования в качестве топлива, а также варианты размещения водородного топлива на борту локомотивов. Результаты: Определены возможные способы экипировки локомотивов запасом водородного топлива. Практическая значимость: Использование водорода в качестве моторного топлива не приносит вреда окружающей среде. Рассмотрение вариантов его применения позволяет выявить тенденции внедрения данного топлива на железнодорожном транспорте России.

Ключевые слова: Водород, запас топлива, агрегатное состояние водорода, хранение водорода, экипировка топливом, топливные контейнеры, тендерная секция, криогенная емкость, жидкий водород, сжатый водород.

Введение

Первые опыты применения водорода в качестве моторного топлива относятся еще к 20-м годам XX в., когда газ, предназначенный для наполнения дирижаблей, служил источником питания также для двигателей воздушного корабля. В период Великой Отечественной войны в Ленинграде,

отрезанном от поставок жидкого топлива, отработавший в аэростатах водород успешно использовался для двигателей передвижных электростанций. В дальнейшем водород нашел применение в ракетных двигателях, которые устанавливаются на тяжелых ракетоносителях, предназначенных для запуска космических аппаратов.

Водород можно было бы считать идеальным топливом, учитывая его высокую теплоту сгорания, неиссякаемые запасы, экологичность (выхлоп содержит только чистейший водяной пар без оксидов углерода, сажи и дыма). Однако эти положительные свойства водорода при применении в качестве топлива имеют и обратную сторону. Хотя водород и является самым распространенным на Земле химическим элементом, в свободном виде он отсутствует. Основное (по количеству) водородосодержащее вещество - вода, но для выделения из нее водорода требуется затратить такое количество энергии, которое превысит полученное при сжигании этого топлива в двигателе.

Во многих странах активно осваиваются водородные технологии. Пассажирские поезда на экологически чистом топливе, единственным выхлопом которых будет вода, начнут массово заменять дизель уже в ближайшем десятилетии. К особенностям магистральных локомотивов относится большая удельная мощность силовой установки - 2,65 МВт и выше в секции, при этом должны быть обеспечены запас хода 700-1400 км и ограниченность пространства на борту локомотива. Для сравнения: наиболее близкими условиями обладает морской транспорт, но параметр ограниченности пространства у него не так актуален, как у железнодорожного тягового подвижного состава.

Хранение водорода - одна из главных технологических задач водородной энергетики. 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, вызывающих утечки водорода в окружающую среду. Смесь водорода с воздухом воспламеняется в широком диапазоне концентраций и характеризуется высокой взрывоопасностью. Пламя горящего водорода практически бесцветно, что создает определенную опасность для персонала, обслуживающего водородные установки.

Некоторые свойства водорода сильно зависят от температуры и давления. Так, с повышением давления и при снижении температуры значительно растет плотность водорода. При увеличении давления водорода до 10 бар (т. е. в 10 раз) его плотность при той же температуре также возрастет примерно в 10 раз и составит 0,8654 кг/м . При хранении жидкого во-

дорода каждые сутки будет расходоваться 1,5 % его количества для самоподдержания условий хранения, что обязывает располагать пункты экипировки локомотивов вблизи комплексов по производству водорода.

Одним из свойств водорода, которое важно учитывать при его хранении в жидком виде, является узкий интервал температур: от точки кипения -252,76 °С до точки замерзания -259,2 °С, когда он переходит в твердое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.

Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды для жидкого водорода следует предварительно охладить до температуры, близкой к точке кипения водорода, только после этого заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание емкости.

Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными и значительными потерями от испарения. Поэтому необходима организация использования этого газа с точки зрения экономики и техники безопасности. По условиям безопасной эксплуатации криогенного сосуда требуется, чтобы после достижения максимального рабочего давления в емкости газовое пространство составляло не менее 5 %.

К резервуарам для хранения жидкого водорода предъявляют ряд требований:

• конструкция резервуара должна обеспечивать прочность и надежность в работе, длительную безопасную эксплуатацию;

• расход жидкого водорода на предварительное охлаждение хранилища перед его заполнением жидким водородом должен быть минимальным;

• резервуар для хранения должен быть снабжен средствами для быстрого заполнения жидким водородом и быстрой выдачи хранимого продукта.

Главная часть криогенной системы хранения водорода - теплоизолированные сосуды, масса которых на 1 кг хранимого водорода примерно в 4-5 раз меньше, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6-8 кг массы криогенного сосуда, а по объемным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 МПа.

Стоит отметить, что опыт перевозки жидкого водорода по железнодорожным путям имеется: это железнодорожная цистерна ЖВЦ100М2, предназначенная для перевозки жидкого водорода для нужд госкорпорации «Роскосмос».

Выбор агрегатного состояния водорода

В настоящее время на выбор агрегатного состояния оказывают влияние следующие требования:

• возможность размещения максимального объема газа при минимальных габаритах;

• сокращение числа технологических операций и требований к ним при экипировке локомотива топливом (водородом);

• безопасность (эксплуатации, экипировки и хранения);

• стоимость оборудования, эксплуатации, ремонта;

• эксплуатационные требования по выдаче топлива для силовой установки.

На текущем этапе разработки вопроса рассматриваются три варианта для хранения водорода: жидкий, компримированный, металлогидридный.

Жидкий водород. Преимущества использования жидкого водорода:

• обладает наибольшей вместимостью (при длине тендерной секции, равной 25 м, возможно размещение до 8000 кг);

• эксплуатируется железнодорожная несъемная цистерна ЖВЦ100М2 вместимостью 7350 кг, предназначенная для транспортировки жидкого водорода и конструкция которых технологически не может использоваться в качестве топливных баков;

• не самая высокая диффузия атомов водорода в металлоконструкцию топливной системы по сравнению с сжатым водородом;

• низкое давление и современные изолирующие материалы, обеспечивающие требуемую безопасность при сходах, столкновениях и пожарах;

• минимальные затраты на оборудование, его обслуживание и ремонт.

Недостатки использования жидкого водорода:

• высокая стоимость 1 кг водорода;

• наибольшие потери газа при хранении;

• более сложная процедура экипировки по сравнению с компримиро-ванным;

• необходимость постоянного контроля давления в емкости и отбора/сброса газа из «подушки» (газовой полости емкости) при отстое локомотива;

• требуется подготовка водорода при выдаче к силовой установке (регазификация, повышение температуры, возможно повышение давления);

• длительный срок разработки и изготовления криогенного оборудования.

Компримированный (сжатый) водород. Преимущества использования сжатого водорода:

• минимальная стоимость 1 кг газа;

• отсутствие потерь при хранении и транспортировке;

• не требует контроля давления при отстое локомотива;

• наиболее простая процедура выдачи к силовой установке (необходимо только редуцирование);

• самые быстрые сроки разработки и изготовления.

Недостатки использования сжатого водорода:

• минимальный запас газа (наихудшее соотношение веса тары к весу газа);

• высокое давление газа при экипировке и хранении требует дополнительных мер безопасности в условиях размещения емкости на тендерной секции (на случай схода состава с рельсов, столкновения, пожара), что снижает запас газа;

• более высокая стоимость оборудования и затрат на его обслуживание по сравнению с сжиженным водородом;

• необходимо больше времени на экипировку в сравнении со сжиженным водородом;

• высокое давление усиливает просачиваемость водорода в металл, что требует дополнительных мер безопасности;

• при экипировке следует учитывать температуру окружающей среды или оставлять резерв на повышение давления при увеличении температуры.

Металлогидридный водород. Преимущества использования металло-гидридного водорода (абордированного в твердотельных веществах):

• не требует контроля при хранении.

• давление газа на выходе в диапазоне 1,5-4 атм;

• наиболее безопасен при сходе состава с рельсов, столкновении, пожаре;

• запас газа больше, чем при компримированном, но меньше, чем при сжиженном.

Недостатки использования металлогидридного водорода:

• самая высокая стоимость оборудования и затрат на обслуживание;

• самый сложный процесс подготовки к выдаче газа и экипировке;

• неотработанность технологии и необходимость дополнительных испытаний ресурса и надежности.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Для проведения опытно-исследовательских работ и эксплуатации единичного локомотива целесообразнее использовать компримированный водород, так как

он позволяет осуществлять пуско-наладочные работы, отладку систем управления без потери водорода. При штатной эксплуатации целесообразнее применять сжиженный водород, что дает возможность увеличить пробег локомотива на одной заправке, снизив затраты на инфраструктуру. Потери водорода при штатной эксплуатации серийных машин будут минимальны, поскольку в случае отказа запас водорода может участвовать в экипировке другого локомотива. При этом стоит отметить, что при любом выборе агрегатного состояния размещение водорода на борту локомотива для оптимизации времени и технологичности экипировки локомотива топливом предпочтительнее использование модульного исполнения топливных емкостей.

Емкости для сжиженного водорода могут выпускать АО «Уралкрио-маш» (срок разработки и подготовки производства составляет 2,5-3 года), АО «Криогенмаш» (срок 2-3 года), ООО «Криомаш-БЗКМ» (срок от 1 года). Стоимость работ варьируется в зависимости от типа емкости (железнодорожная цистерна на 8300 кг АО «Уралкриомаш», 40-футовый контейнер ООО «Криомаш-БЗКМ»).

Баллоны для сжатого водорода производятся серийно, их стоимость зависит от объема партии (производитель «МобиГаз»).

Варианты размещения водорода на борту локомотива в одной тендерной секции

Вариант 1. Для транспортировки запаса жидкого водорода на локомотиве возможно использовать криогенную емкость на базе 40-футового контейнера с запасом топлива 3400 кг на платформе длиной 19,4 м. В этом случае кроме криоемкости на платформе будут размещены также криогенная арматура и теплообменники для регазификации жидкого водорода, благодаря которым в пределах тендерной секции компоновка тяговых секций упрощается.

Вариант 2. Также возможно применение тендера с двумя криогенными емкостями жидкого водорода на борту и общим запасом топлива 6800 кг на базе 80-футовой платформы (26,62 м). В подобном конструктивном исполнении необходимую криогенную арматуру и теплообменники придется располагать в тяговых секциях, что усложнит их компоновку и увеличит длину локомотива на 7 м (относительно варианта 1).

Вариант 3. Размещение сжатого водорода на 80-футовой платформе позволит поместить в тендере 220 баллонов с 2000 кг водорода под давлением 350 атм. Такое исполнение упростит систему подачи топлива локомотива, но для следования поезда между некоторыми пунктами экипировки потребуются два тендера.

Способы экипировки водородных локомотивов

При эксплуатации на сети железных дорог автономных локомотивов, использующих в качестве топлива водород, возможны следующие способы экипировки (заправки) топливом:

• заправка от мобильных заправщиков;

• заправка от стационарной установки;

• применение съемных топливных контейнеров (танк-контейнеров);

• замена тендерной секции (на заранее заправленную от стационарной установки).

В настоящее время отсутствуют отечественные специализированные мобильные заправщики водородом, однако их возможно изготовить по спецзаказу за рубежом.

Заправка от мобильных заправщиков (заправка «от шланга-1»). В ОАО «РЖД» сейчас используются локомотивы, в которых в качестве топлива применяется регазифицированный природный газ, экипируемые сжиженным природным газом (СПГ). В отношении природного газа избранное решение является оптимальным с экономической и технологической точек зрения по следующим причинам:

• заправка осуществляется без отцепки тендера от локомотива;

• площадки для экипировки локомотивов могут располагаться в наименее удаленных от железнодорожных путей местах;

• продолжительность экипировки составляет не более 1 ч;

• при применении двухтрубного метода залива с возвратом паровой фракции в криоемкость мобильного заправщика технологические потери сведены к минимуму;

• на «захолаживание» заправочных трубопроводов используется не более 50 кг СПГ при заправочных объемах 17000-20 000 кг;

• температура передаваемого СПГ составляет около -120 °С.

Данное технологическое решение в отношении экипировки локомотива жидким водородом приводит к несколько большему времени на экипировку локомотива по сравнению с заправкой СПГ, так как:

• первоначально следует выполнить подсоединение двух криогенных трубопроводов, имеющих термическую защиту - вакуумную оболочку. Стыковка таких трубопроводов с ответными частями криогенной емкости потребует более точного позиционирования. Подобные изделия характеризуются значительной удельной массой и малой гибкостью;

• присоединенные криогенные трубопроводы и криоемкость для водорода должны быть подготовлены (захоложены) методом продувки (про-ливки) жидким водородом с контролем температуры на выходе из криоем-

кости - до установившейся температуры -252,76^- -259,2 °С, на что потребуется дополнительное время (не опробовано еще на практике) и количество водорода, не меньшее, чем СПГ для аналогичной процедуры. Отметим, что 50 кг топлива (возможно, и больше) при запасе 20 000 т имеет менее существенное значение, чем при запасе 4000 т;

• данная операция должна проводиться и контролироваться непосредственно обслуживающим персоналом, обладающим соответствующей квалификацией, ибо существует вероятность утечки, вызывающей воспламенение либо термический «холодный» ожог.

При экипировке локомотива сжатым водородом для заправки всех баллонов (несколько сотен) до давления 350 атм потребуется время от 5 до 10 ч.

Заправка от стационарной установки (заправка «от шланга-2»). В первую очередь следует отметить, что на участках, обслуживаемых водородными локомотивами, на какой-либо из технологических позиций экипировки локомотивов будет присутствовать стационарная установка по заправке водородом. От стационарных установок возможна заправка локомотива (без расцепа), тендера (с отцепом от локомотива), топливных блоков (танк-контейнеров) сжатого или жидкого водорода, демонтированных с тендера и доставляемых к стационарной заправке отдельно, а также мобильных заправщиков.

Заправка от стационарной установки методически аналогична заправке от мобильных заправщиков, но ввиду ее стационарности имеются некоторые особенности:

• она должна подразумевать наличие стационарных емкостей для длительного хранения большого количества топлива, соответствующего потребности обеспечения провозной способности обслуживаемых участков;

• из-за сложностей хранения и производства водорода установки по его производству должны располагаться либо на территории заправочных комплексов, либо в непосредственной близости от них. Формально стационарная установка для заправки может быть частью комплекса по производству водорода;

• наличие большого количества водорода в непосредственной близости со стационарной заправкой потребует удаленного расположения стационарных заправок от какой-либо инфраструктуры жизнедеятельности человека и особых мер обеспечения безопасности на объекте.

Утечка водорода из баллона высокого давления послужила причиной мощного взрыва на водородной заправочной станции компании Цпо-Х

(Сандвика, Норвегия) 10 июня 2019 г*. Погибших не было, но воздействие взрыва было настолько значительным, что ощущалось как землетрясение в радиусе 28 км. Продажа водородных автомобилей компаний Toyota и Hyundai была приостановлена до установления причин взрыва, а все водородные заправки Норвегии были закрыты.

Применение съемных топливных контейнеров (танк-контейнеров). Замена топливных контейнеров должна осуществляться на отдельной площадке предположительно при помощи подъемного крана козлового типа. Весь процесс должен занимать не более 1 ч, для чего контейнеры с баллонами для сжатого водорода и с криоемкостями для жидкого должны иметь минимум разъемных соединений, которые сами при их безусловной надежности должны обеспечивать максимальную быстроразъемность.

Что касается топливных контейнеров с жидким водородом, то здесь следует отметить, что безопаснее подвергать разъему трубопровод с газовой фракцией водорода, а не с жидкой. Это обстоятельство накладывает конструктивные особенности для тендера со съемным контейнером с жидким водородом - система регазификации жидкого водорода должна располагаться именно на тендере, а не на борту тяговых секций. Далее пустые топливные контейнеры должны доставляться к стационарной заправочной установке, а локомотив комплектоваться заранее заправленными контейнерами.

Замена тендерной секции на заранее заправленную от стационарной установки. Она имеет ряд преимуществ перед другими методами экипировки:

• наименее продолжительна по времени;

• требования безопасности к данному способу и месту его проведения будут также минимальны. Не исключается вариант замены тендера с водородом на путях общего пользования.

Независимо от агрегатного состояния водорода на борту тендера его разъемное соединение с тяговыми секциями должно проводиться по трубопроводам газовой фракции водорода, т. е. при данном способе экипировки система регазификации жидкого водорода должна осуществляться именно на борту тендера.

Пустые тендерные секции будут доставляться к стационарным заправочным установкам по железнодорожным путям, где впоследствии они могли бы находиться в отстое в заправленном или порожнем состоянии.

Недостатком такого способа является необходимость наличия нескольких переходных тендерных секций в сборе, что в совокупности может оказаться дороже вышеописанных способов экипировки.

* URL: https://norwaytoday.info/news/explosion-sandvika-hydrogen-tank/

Заключение

Использование водорода в качестве моторного топлива не наносит вреда окружающей среде, так как не приводит к каким-либо выбросам вредных веществ (результат сгорания водорода - пар, т. е. вода), что в условиях ухудшающейся экологической обстановки планеты выводит водород в лидеры среди возможных видов топлива будущего.

По условиям запаса хода и хранения на борту локомотива предпочтительнее использовать жидкий водород, поскольку:

• емкости (тара) на 1 кг хранимого жидкого водорода примерно в 45 раз меньше, чем при баллонном хранении под высоким давлением;

• рабочее давление емкостей с жидким водородом составляет около 1,5 атм, что в случае аварии безопаснее, чем при применении баллонного, сжатого водорода, который хранится при давлении от 350 атм.

Для проведения опытно-исследовательских работ и эксплуатации единичного локомотива целесообразнее использовать компримированный (сжатый) водород, что позволяет осуществлять пуско-наладочные работы, отладку систем управления без потери водорода, а при штатной эксплуатации - сжиженный водород, так как это дает возможность увеличить пробег локомотива на одной заправке, снизив затраты на инфраструктуру.

Наилучшей эксплуатационной моделью для локомотива будет являться модель с наименьшими технологическими и временными затратами на экипировку локомотива и отвлечением их от движения в голове состава, ввиду чего в условиях сети дорог ОАО «РЖД» этим требованиям удовлетворяют применение съемных топливных контейнеров (танк-контейнеров) и замена тендерной секции, которые заранее заправлены жидким водородом. Но поскольку экипировочные пункты вблизи станций и депо могут иметь ряд геолокационных и инфраструктурных отличительных особенностей, на сети дорог должны практиковаться оба указанных способа экипировки.

На данном этапе изучения вопроса применения водорода в качестве моторного топлива на тяговом подвижном составе уже возможно определить принципы конструктивного исполнения универсальной водородной топливной тендерной секции локомотива:

• наличие съемного топливного контейнера для хранения и выдачи жидкого водорода;

• наличие системы регазификации жидкого водорода в составе тендерной секции;

• передача водорода из тендерной секции в тяговые осуществляется в газообразном состоянии через быстроразъемные соединения.

Дата поступления: 12.05.2021 Решение о публикации: 31.05.2021

Контактная информация:

БАБКОВ Юрий Валерьевич - канд. техн. наук, первый зам. генерального директора -гл. инженер; babkov@bk.ru

КОТЯЕВ Дмитрий Викторович - зам. гл. инженера; kotyaev-dv@vnikti.com ПРОХОР Денис Иванович - зав. отделом газового оборудования и газовых локомотивов; prohor-di@vnikti .com

ВОРОНКОВ Андрей Геннадиевич - зам. зав. отделом; voronkov-ag@vnikti.com ЖУРАВЛЕВ Сергей Николаевич - зам. гл. инженера; zhuravlev-sn@vnikti.com

Features of the use of hydrogen in railway transport: the choice of the aggregate state and methods of equipping the locomotive with hydrogen

Yu. V. Babkov, D. V. Kotyayev, D. I. Prokhor, A. G. Voronkov, S. N. Zhuravlev

Joint Stock Company "Research and Development Institute of Rolling Stock" (JSC "VNIKTI"), 410, ul. Octyabr'skoy Revolutsii, Kolomna, Moscow region, 140402, Russian Federation

For citation: Babkov Yu. V., Kotyayev D. V., Prokhor D. I., Voronkov A. G., Zhuravlev S. N. Features of the use of hydrogen in railway transport: the choice of the aggregate state and methods of equipping the locomotive with hydrogen. Bulletin of scientific research results, 2021, iss. 2, pp. 107-118. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2021-2-107-118

Summary

Objective: The article discusses the possibility of using hydrogen as a motor fuel for locomotives. Methods: The advantages and disadvantages of various types of the aggregate state of hydrogen for use as fuel are analyzed, as well as options for placing hydrogen fuel on board locomotives. Results: Possible ways of equipping locomotives with a supply of hydrogen fuel have been determined. Practical importance: The use of hydrogen as a vehicle fuel is environmentally friendly. Considering options for its application allows us to identify trends in the introduction of this fuel in the railway transport of Russia.

Keywords: Hydrogen, fuel supply, state of aggregation of hydrogen, hydrogen storage, equipment with fuel, fuel containers, tender section, cryogenic tank, liquid hydrogen, compressed hydro.

Received: May 12, 2021 Accepted: May 31, 2021

Author's information:

Yuri V. BABKOV - PhD in Engineering, First Deputy General Director - Chief Engineer; babkov@bk.ru

Dmitry V. KOTYAEV - Deputy Chief Engineer; kotyaev-dv@vnikti.com Denis I. PROKHOR - Head of Department; prohor-di@vnikti.com Andrey G. VORONKOV - Deputy Head of Department; voronkov-ag@vnikti.com Sergey N. ZHURAVLEV - Deputy Chief Engineer; zhuravlev-sn@vnikti.com