CC BY
27Российский поезд на водороде - далёкая мечта или близкая реальность?
Д.В. Назаров,
ведущий инженер ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг», ассистент кафедры «Электропоезда и локомотивы» Российского университета транспорта
Железнодорожники самых разных стран активно осваивают водородные технологии. Поезда на экологически чистом топливе, единственным «выхлопом» которых будет вода, начнут массово заменять дизель уже в ближайшем десятилетии. В данной статье представлен обзор международного рынка водородных топливных элементов для железнодорожного транспорта.
_ КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
водородное топливо, железнодорожный транспорт, водородные топливные элементы.
Одним из знаковых технологических трендов последних лет, а точнее его непосредственным проявлением, стало возрождение водородной энергетики. Наблюдается всплеск интереса к перспективам использования водородного топлива на различных видах транспорта, в том числе и на железнодорожном.
Мощный толчок этому процессу придало создание в январе 2017 года в швейцарском Давосе стратегического альянса тринадцати крупнейших промышленных транспортных компаний мира, объединившихся под вывеской Hydrogen Council («Водородный совет»). Результатом явилась широкомасштабная кампания по пропаганде «альтернативного чистого транспорта без вредных выбросов», главным рекламным элементом которой стал уже известный тезис: водородные топливные элементы (ТЭ) не только отличаются высокими КПД и высокой удельной энергоёмкостью, но и совершенно не загрязняют атмосферу, поскольку единственный продукт электрохимической реакции между водородом и кислородом в этих элементах - безобидная вода (при этом за скобки пока благоразумно выносится тот важный нюанс, что при производстве собственно водорода до сих пор преимущественно используется ископаемое топливо - метан).
Основная отрасль промышленности, в которой планируется первоочередное внедрение, - безусловно, автомобилестроительная. Но там уже активно применяется главный экологически чистый «конкурент» водорода - аккумуляторные батареи.
Несмотря на это в последнее время усилия разработчиков активизировались на другом важнейшем транспортном рынке - железнодорожном. В подтверждение этому в мировых СМИ была сделана целая серия громких заявлений о запуске очередных пилотных проектов по разработке и/или тестированию новых водородных поездов и, что особенно важно, официально объявлено о заключении первого полноценного
ш
Рис. 1. Схема процессов получения и преобразования водорода в электрическую энергию
коммерческого контракта на поставку 14 железнодорожных подвижных составов, оснащённых водородными топливными элементами.
Японский опыт
Исторически ведущую роль в технологических разработках водородных топливных элементов для железнодорожного транспорта играли японские компании и исследовательские организации. Ещё в апреле 2006 года East Japan Railway Company объявила о создании первого прототипа водородного поезда - в англоязычной версии он получил название hydrail railcar, причём сам неологизм hydrail (сочетание слов hydrogen - водород, rail - рельс) был введён в обиход всего двумя годами ранее.
А в октябре того же 2006 года ведущая организация по данным разработкам, токийский Железнодорожный исследовательский технологический институт (Railway Technical Research Institute - RTRI), провёл первые тестовые испытания 70-тонного поезда на водородных топливных элементах (fuel cell hydrail), а вскоре RTRI выступил с заявлением, что планирует запустить водородный поезд в коммерческую эксплуатацию уже к 2010 году, однако исполнить это обещание так и не сумел.
По информации из публикации в СМИ, R&D-подразделение ведущей госкомпании Japan Railways Group совместно со специалистами RTRI наконец приступило к решающему этапу обкатки последней версии их совместного продукта. В августе 2017 года в пригороде Токио Кокубундзи (расположение штаб-квартиры RTRI) было проведено испытание очередного прототипа поезда на водородных топливных элементах, и, согласно официальному комментарию одного из главных разработчиков проекта RTRI, следующим шагом должно стать тестирование этого поезда с пассажирами на борту.
Технические характеристики нового японского водородного поезда в публикации не приводятся. Известно лишь, что сами топливные элементы установлены на полу локомотива, а четыре резервуара с водородом - под ними (в альтернативных европейских проектах предпочтение отдаётся установке топливного блока на крышах поездов). Кроме того, новый японский поезд также оснащён литий-ионной батареей, используемой в качестве вспомогательной силовой установки.
Предполагается, что если тестирование этого поезда пройдёт успешно, первые японские водородные составы будут запущены в сельской местности. Таким образом, их главной задачей станет постепенная замена дизельных поездов, курсирующих на неэлек-трифицированных участках железнодорожной сети страны.
Дополнительно в СМИ в 2019 году появилась информация, что японскими специалистами на тестовом полигоне были завершены испытания мотор-вагонного поезда на водородных топливных элементах.
Европейский опыт
Что же касается остального мира, то наибольшую активность по части разработки и тестирования поездов на водородном топливе проявляют два ведущих европейских производителя железнодорожного оборудования и техники - французский концерн Alstom и немецкий концерн Siemens.
Концерн Alstom пока смог продвинуться на коммерческом направлении существенно дальше своих конкурентов. 9 ноября 2017 года на железнодорожном вокзале Вольфсбур-га прошла презентация Coradia iLint и было объявлено о его запуске в серийное производство. И в тот же день было подписано соглашение между Alstom, руководством федеральной земли Нижняя Саксония и местным региональным железнодорожным агентством LNVG о поставке 14 подвижных составов.
Ещё в 2014 году региональные правительства четырёх немецких земель (Нижняя Саксония, Баден-Вюртемберг, Северный Рейн-Вестфалия и Гессен) подписали с Alstom предварительное соглашение о намерениях по тестированию оснащённого водородными топливными элементами нового подвижного состава, начиная с 2018 года. В сентябре 2016-го Alstom впервые официально представил «в железе» свою новую разработку - мотор-вагонный подвижной состав Coradia iLint, произведённый на заводе в немецком Зальцгиттере (Нижняя Саксония). В марте 2017-го на испытательном треке Зальцгиттера были проведены первые успешные тесты этого поезда на водородном топливе (тогда он развил скорость 80 км/ч).
Coradia iLint представляет собой небольшие мотор-вагонные поезда с электродвигателями, электроэнергия для которых поступает не из контактной сети, а из источника энергии в самом поезде. На крыше Coradia iLint установлены баллоны с водородом и топливные элементы (топливные ячейки). В топливном элементе водород взаимодействует с кислородом, в результате чего вырабатывается электрическая энергия. При этом в качестве продукта электрохимической реакции в окружающую среду выделяется только вода. И ещё преимущество: поезд движется практически бесшумно, а максимальная скорость Coradia iLint - 140 км/ч. Дальность поездки на одной заправке -от 800 до 1000 км, а сама заправка длится около 15 минут.
Предполагается, что водородные поезда Alstom в последующем должны заменить все старые дизельные составы другого местного железнодорожного оператора -Elbe-Weser-Verkehrsbetriebe (EVB).
Руководство Alstom планирует в обозримом будущем договориться и с рядом других национальных и региональных властей ЕС о поставках опытных партий своих водородных поездов Coradia iLint. В частности, уже объявлено о намерениях компании представить проект для британской общенациональной железнодорожной сети не позднее 2021 года. Здесь следует заметить, что наиболее перспективным считается использование составов на водородных топливных элементах на неэлектрифицированных участках железнодорожного сообщения, а в той же Великобритании таковых примерно половина.
Другое важное событие для водородной тематики - подписание соглашения между Siemens и канадской компанией Ballard Power Systems о совместной разработке новых топливных элементов мощностью 200 кВт для их последующей установки на модифицированной линейке электроподвижного состава Siemens Mireo начиная с 2021 года.
Главный исполнительный директор Siemens Mobility Сабрина Суссан при подписании этого соглашения сделала следующее примечательное заявление: «Наша кооперация с Ballard - это важнейший шаг на пути к замене подвижного состава с дизельным приводом на железнодорожные составы с нулевыми выбросами».
Рис. 3. Водородные топливные элементы Ballard Power Systems поставляются многим крупнейшим транспортным компаниям мира
Фото: Gettyimages
Китай, Канада, Индия, а далее - везде!
Главный конкурент Siemens и Alstom на мировом рынке и его нынешний лидер -китайский государственный мегахолдинг CRRC Group - тоже активно включился в эту новую технологическую гонку. В его состав, в частности, входят два региональных подразделения: CRRC Tangshan и CRRC Qindao Sifang, руководство которых уже запустило автономные пилотные проекты по тестированию подвижного состава, оснащённого водородными топливными элементами. CRRC Tangshan провела свои первые тесты на 14-километровом участке в родном городе Таншань (провинция Хэбей) в октябре 2017 года, а месяцем позже CRRC Qindao Sifang объявила о своих планах по демонстрационному тестированию водородного поезда на 20-километровом участке в городе Гаомин.
О своих планах по разработке гибридных ширококолейных локомотивов на топливных элементах мощностью 300 кВт заявило руководство индийской госкомпании Indian Railway.
Не остаётся в стороне и Канада. Две компании, являющиеся ведущими мировыми разработчиками водородных топливных элементов для различных видов транспорта, - канадские. Первая из них, базирующаяся в Миссиссоге (быстрорастущий пригород Большого Торонто), компания Hydrogenics, в частности, выступает основным технологическим партнёром французской Alstom по проекту Coradia iLint. Отметим, что Hydrogenics также активно участвует в целом ряде других амбициозных проектов по использованию водорода в наземном транспорте, например, оснащение водородными топливными элементами городских автобусов.
Второй канадский технологический лидер в этой области - компания Ballard Power Systems (штаб-квартира расположена в Барнеби, провинция Британская Колумбия). Ballard давно и довольно успешно занимается разработкой и производством различных модулей из топливных элементов, причем вплоть до недавнего времени, как и Hydrogenics, была больше известна своим активным взаимодействием с ведущими автоконцернами (Ford, DaimlerChrysler, Honda и др.). Но сегодня Ballard работает, как минимум, сразу в двух альтернативных проектах, упоминавшихся выше: кооперации с Siemens и с китайским CRRC Tangshan.
Отдельно стоит упомянуть о значительном интересе к перспективам водородного железнодорожного транспорта со стороны региональных властей канадской провинции Онтарио. Министерство транспорта Онтарио официально высказало своё намерение запустить специальное исследование технологической целесообразности использования поездов, оснащённых водородными топливными элементами, в новом крупномасштабном проекте GO Transit Rail Network, предполагающем дальнейшее развитие железнодорожного сообщения в регионе Большого Торонто (на кону в этом проекте очень серьёзные деньги - в ближайшие 10 лет на него планируется выделить в общей сложности 13,5 млрд долл.).
В Торонто под совместным патронажем правительства Онтарио и регионального транспортного агентства Metrolinx был проведён международный симпозиум «Hydrail в Онтарио: анализ возможностей беспроводной электрификации», в котором приняли участие практически все главные игроки в водородном сегменте железнодорожной отрасли (в том числе, помимо местных производителей, европейские, китайские и японские компании).
ш
о
гм о гм
со
с
о
I—
О х со
-О
<
<
о.
О с
и
X
£
Не водородом единым
Помимо нового водородного бума, на железнодорожном транспорте в последнее время наметились признаки роста внимания к прочим альтернативным видам и источникам топлива - электрифицированные железные дороги теоретически дают возможность использовать самые разные варианты питания подвижного состава, что, вообще говоря, и позволяет железнодорожникам успешно разыгрывать сегодня свою экологическую карту.
Поезд на водороде - это технологический прорыв, но с оговорками. Эксперты называют топливные элементы на водороде идеальной технологией получения энергии в будущем. Однако минусы у неё тоже есть. Например, водород в резервуаре на крыше поезда получен в результате процесса электролиза воды, на который требуется потратить много электроэнергии, полученной далеко не всегда экологически чистым способом.
В ответ на это производитель СогаШа Шп французский концерн АМош уже пообещал построить предприятие по производству водорода с помощью электричества с ветряных электростанций.
Другой проблемой является водородная инфраструктура, то есть отсутствие специальных заправочных станций. И речь здесь идёт не только о будущем. Уже сегодня эта проблема легко решается. Например, в немецкой федеральной земле Гессен сейчас тоже обсуждают старт пригородных поездов на водородном топливе и запланировали строительство водородной заправочной станции.
Что же касается начавшего курсировать на севере Германии СогаШа ШпЪ то водород ему в первое время должны будут доставлять из Нидерландов.
Российский ответ
В свою очередь российский монополист в области железнодорожных перевозок не находится в стороне от важной темы - ОАО «РЖД» считает перспективным запуск поездов на водородных топливных элементах.
4 сентября во Владивостоке в ходе V Восточного экономического форума было подписано соглашение о сотрудничестве и взаимодействии по проекту организации железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах. Подписи под соглашением поставили генеральный директор - председатель правления ОАО «РЖД» Олег Белозёров, врио губернатора Сахалинской области Валерий Лимаренко, генеральный директор Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом» Алексей Лихачёв, генеральный директор АО «Трансмашхолдинг» Кирилл Липа.
АО «Трансмашхолдинг» в сотрудничестве с «Росатомом» планирует организовать производство поездов на водородных топливных элементах. ОАО «РЖД» рассматривает данный проект как важное перспективное направление повышения экологической безопасности и эффективности железнодорожного транспорта [1].
Переход к использованию на железных дорогах поездов на водородных топливных элементах и систем обеспечения их эксплуатации, включающих производство водорода и ТЭ, транспортировку, хранение и заправку водородом, требует их предварительного технико-экономического обоснования, расчёта стоимости жизненного цикла, проведения
комплексных испытаний, подтверждения соответствия требованиям безопасности и подконтрольной эксплуатации.
Пилотным полигоном для отработки железнодорожного сообщения с применением поездов на водородных топливных элементах и систем обеспечения их эксплуатации, а также создания центра компетенций в данной области и сотрудничества с потенциальными зарубежными партнёрами может стать инфраструктура острова Сахалин.
ОАО «РЖД» придерживается взятого курса на инновации и готово к внедрению современных технологий, а также заинтересовано в использовании самой передовой и экономичной техники, которая позволит реализовать проект «Цифровая железная дорога». Термин «Цифровая железная дорога» стал популярным в среде железнодорожников в последние годы.
Непрерывное технологическое развитие, поиск новых технологий, предполагающих создание новых типов подвижного состава с высокой топливно-экономической эффективностью, снижение экологической нагрузки, развитие цифровых технологий и современных пассажирских сервисов - это основные задачи, стоящие перед ОАО «РЖД» на ближайшие годы. Подтверждение этому - интервью заместителя генерального директора - главного инженера ОАО «РЖД» Сергея Кобзева после состоявшегося в конце августа 2019 года Международного железнодорожного салона пространства 1520 «РКО//Движе-ние.Экспо» на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» в г. Щербинка [2].
«Сегодня и в перспективе требуется экономически эффективная техника, надёжная, удобная для пассажиров и грузовладельцев. В технологической цепочке функционирования ОАО «РЖД» как перевозчика используется очень широкий спектр техники, где каждое звено влияет на эффективность и безопасность перевозок. Другое перспективное направление - перевод локомотивов на экологически чистое топливо, каким является природный газ как в сжиженном, так и в компримированном виде, в том числе создание силовых установок, работающих на дизельном и газообразном топливе. При этом вся новая техника должна вписываться в концепцию цифровой железной дороги, самостоятельно взаимодействовать с цифровой инфраструктурой, выполнять самодиагностику и прогнозировать показатели ресурса до очередного технического обслуживания, предупреждать о развивающихся отказах узлов, влияющих на безопасность движения, обеспечивать для владельца энергоэффективность и экологичность на всём жизненном цикле», - отметил Сергей Кобзев.
Для отечественных железнодорожных компаний водород - новое перспективное топливо. Сейчас в процесс применения водорода на транспорте вовлекается много организаций и специалистов. А тем временем, ещё задолго до «водородного бума» на транспорте, в России водород применялся и применяется в космонавтике и ряде отраслей промышленности.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Пресс-релиз ОАО «РЖД», http://press.rzd.ru, 04.09.2019.
2. Новая техника для цифровой железной дороги // Гудок. (26772).
09.09.2019. - № 163
