CC BY
16Время заправляться водородом
Л.А. Скрипко,
заведующий сектором гибридизации и электрификации АТС ФГУП НАМИ, к.т.н.
В работе пошагово разбирается подход к выбору параметров ^ энергоустановки на топливных элементах для городского развозного ^^^НИовика. Проанализированы конструктивные особенности нескольких ^^ИИрубежных автомобилей на топливных элементах.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
топливные элементы, литиевые аккумуляторы, запас хода электромобиля.
РИС. 1
Первый в мире инкассаторский электромобиль MAN eTGE
Развитие автомобильного транспорта в последнее десятилетие показывает неуклонную тенденцию к электрификации. Это вполне объяснимо, поскольку электропривод является пока единственной технологией, позволяющей кардинально сократить объём вредных выбросов в местах концентрации автомобилей. Кроме того, использование чистой энергии для многих автопроизводителей является вынужденной мерой, поскольку для них практически повсеместно ужесточаются экологические нормативы. Как следствие, доля рынка гибридных автомобилей и электромобилей сегодня настолько заметна, что игнорировать интерес общества к чистому автомобилю уже невозможно.
Замещение привычных автомобилей, в том числе коммерческих, на электромобили превращается из экзотической моды в стойкую тенденцию. К примеру, в середине 2020 года появилась заметка об испытании электромобиля MAN eTGE, используемого в качестве инкассаторского (рис. 1). Есть и другие, более понятные, технические решения. Можно вспомнить электрифицированный полуприцеп для магистральных
о;
I
тягачей фирмы Trailer Dynamics. Задумка создателей этого электрического полуприцепа состоит в том, чтобы «разбавить» дизельное топливо автопоезда электричеством, существенно сокращая выбросы вредных веществ и экономя на дорогостоящем топливе. Приведённые примеры ещё раз подчёркивают желание производителей коммерческого транспорта не отставать в гонке за экологичность своих разработок.
Рассматривая различные конструктивные решения появляющихся коммерческих электромобилей, автор статьи ставит задачу определения оптимальной схемы небольшого городского развозного грузовичка
- электромобиля. Первый вопрос, стоящий на пути решения задачи,
- чем заправлять такой грузовичок? Сегодня известны две основные технологии: привычные уже электромобили на литиевых батареях и автомобили на водородных топливных элементах. Чтобы понять, как работает автомобиль на топливных элементах, можно вспомнить знакомый гибридный автомобиль, в котором двигатель внутреннего сгорания заменён на экологически чистый водородный генератор. На первый взгляд, все достаточно просто. Осталось лишь подобрать оптимальную мощность топливного элемента (генератора) и ёмкость аккумуляторной батареи. При этом следует учесть, что развозной грузовичок не должен потерять свою функциональность.
Чтобы оценить параметры энергетической системы будущего грузовичка, можно обратиться к опыту ведущих зарубежных производителей. Оказывается, уже существуют различные инженерные подходы. В Hyperion XP-1 нашла применение батарея суперконденсаторов, по мощности соответствующая мощности спортивного автомобиля. Схожая идея наблюдается и в серийно выпускаемой Toyota Mirai, где применяется никель-металл-гидридная батарея ёмкостью всего 1,6 кВтч. Похожая схема реализована и при создании городского автобуса Toyota Sora (рис. 2). Здесь стоит батарея тех же топливных элементов Toyota, но уже двойной мощности, то есть 114^2 кВт и снова никель-металл-гидридная.
Получается, что тяжёлая энергоёмкая батарея в водородных автомобилях не используется? Не будем торопиться. Важно понимать, где и как мы будем эксплуатировать автомобиль. Ознакомившись с техническими характеристиками магистрального тягача Nikola (рис. 3),
РИС. 2
Автобус на топливных элементах Toyota Sora
РИС.3
Магистральный водородный тягач Nikola One
находим, что ёмкость аккумуляторной батареи здесь составляет уже внушительные 250 кВтч. В дополнение к этой батарее на грузовике установлены водородные топливные элементы мощностью 300 кВт, позволяющие обеспечить многотонному трейлеру пробег почти в 2 тыс. км на одной заправке. Очевидно, что создатели упомянутых выше автомобилей сумели найти оптимальное решение именно для своего автомобиля, то есть для его уникального применения.
Возвращаясь к вопросу создания развозного грузовичка, можно предложить вариант с полной массой в 3,5 тонны. Такие грузовички наиболее популярны в своём секторе перевозок. С учётом специфики работы средняя скорость грузовика в течение рабочей смены равна 15.. .20 км/ч, а дневной пробег не превышает 200 км. Величина пробега определяется несложным выражением:
т • е + Е
Ь =- ,
Р
где Ь - пробег электромобиля, км; т - масса аккумуляторов, кг; е - удельная энергоёмкость аккумулятора, Вт-ч/кг; Е - энергия, выработанная батареей топливных элементов, Вт-ч; р - удельный расход энергии при движении, Вт-ч/км.
Проанализируем внимательно эту формулу. Первое слагаемое числителя записано как произведение массы аккумуляторов и их удельной энергоёмкости. Это произведение определяет запасаемую энергию аккумуляторной батареи. К примеру, если мы используем литиевые аккумуляторы с удельной энергоёмкостью 200 Вт-ч/кг, а их общая масса равна 100 кг, то суммарная энергия батареи составит 20 кВт-ч. Следующее слагаемое в числителе - это энергия, которую за время поездки выработал генератор топливных элементов. Предположим, что мы установили топливные элементы мощностью 1 кВт. Следовательно, за 10 часов рабочей смены мы получим дополнительно 10 кВт-ч. Таким образом, общая энергоёмкость системы после заправки водородом и заряда аккумуляторов составит 30 кВт-ч. Далее чтобы определить пробег, понадобится показатель, стоящий в
знаменателе формулы. В результате моделирования движения автомобиля массой 3,5 т в городе было установлено, что его удельный расход энергии составит порядка 500 Вт-ч/км. Подставив все известные теперь значения в формулу, получаем, что пробег нашего грузовичка составит в городском цикле около 60 км.
Предположительно, такой пробег не отвечает условиям эксплуатации грузовичка, но из формулы видно, что получение любого пробега возможно с помощью различных комбинаций ёмкости батареи и мощности генератора топливных элементов.
Наглядно это можно показать в виде графика на рис. 4. Для удобства ось Х на графике дана в масштабе массы аккумуляторной батареи, то есть батареи в сборе. В среднем её масса в два раза больше массы установленных в ней аккумуляторов. Это связано с тем, что батарея электромобиля содержит, помимо аккумуляторов, систему охлаждения, электропроводку, датчики, крепёж, систему мониторинга и управления, другие компоненты. Изучая построенную диаграмму, мы видим, что получить пробег в 200 км можно, к примеру, установив аккумуляторную батарею в 1000 кг. Топливные элементы в этом случае будут не нужны. Использовав практически всю грузоподъёмность под аккумуляторы, становится очевидно, что такой автомобиль не найдёт применения. Следовательно, необходимо уменьшать батарею и увеличивать мощность топливных элементов.
Двигаясь по оси абсцисс в строну снижения массы батареи и увеличения мощности топливных элементов, в итоге мы получим схему, близкую к решению инженеров Toyota Mirai. Напомним, что в японском автомобиле мощность топливных элементов составляет около 114 кВт, то есть практически достаточную для обеспечения динамических качеств автомобиля. В нашем случае для грузовичка,
12
m гп
и о
о
10
8
4
РИС. 4
Выбор мощности топливных элементов и ёмкости литиевых аккумуляторов
300 250 200 150 100 50
m
LQ <
.О
о о
о
200
400 600 800 1000
Масса АКБ, кг Мощность ТЭ, кВТ Мощность литиевой АКБ, кВТ
6
2
0
0
0
перемещающегося по городу с небольшой скоростью, требуемая мощность равна 40 кВт. Такую мощность развивает электропривод во время разгона на скоростях около 60.70 км/ч. На графике мощность топливных элементов в области 10 кВт показана условно. Здесь следует ещё раз пояснить, что это мощность топливных элементов, требуемая для выработки энергии, достаточной для пробега грузовичка в 200 км. При этом её недостаточно для обеспечения динамики автомобиля.
Теперь попробуем ответить на вопрос - какая же точка на построенном графике будет оптимальной? То есть как выбрать массу литиевой батареи и соответствующую ей мощность топливных элементов?
Здравый смысл говорит о том, что следует стремиться максимально снизить массу батареи, повышая грузоподъёмность автомобиля. Можно установить топливные элементы мощностью 40 кВт и небольшой аккумулятор для обеспечения электропитания системы. Но при высокой грузоподъёмности автомобиля и достаточном объёме для размещения аккумуляторной батареи, следует рассмотреть вариант по снижению мощности топливных элементов. Конечно, в случае снижения мощности топливных элементов аккумуляторы в процессе дневной работы автомобиля будут постепенно разряжаться. Будет наблюдаться эффект так называемого отрицательного баланса энергии. Пробег будет определяться моментом разряда батареи и не превысит 200 км. Уменьшая размер топливных элементов, следует помнить, что аккумуляторы должны компенсировать не только недостаток электроэнергии, но и мощность. Напомним, что электропривод у нас должен развивать 40 кВт, а значит установив топливные элементы мощностью 10 кВт от аккумуляторов необходимо получить 30 кВт.
Чтобы провести дальнейшие расчёты, требуется найти в спецификации номинальную удельную мощность литиевых аккумуляторов. Она равна 500.600 Вт/кг. Задавшись этим значением, добавим на рис. 4 шкалу мощности батареи. Естественно, она увеличивается с ростом массы батареи. Как следует из графика, недостающая мощность в 30 кВт может быть получена при массе батареи около 140 кг. Соответствующая этот точке мощность топливных элементов равна 8 кВт.
Таким образом, подводя итоги подсчётов, мы видим следующие характеристики грузовичка: масса батареи литиевых аккумуляторов порядка 140 кг; мощность топливных элементов 8 кВт; пробег на одной заправке водородом 200 км; заряд аккумуляторов от сети не требуется.
Ещё один вопрос, который может возникнуть, - если заряжать аккумуляторы будет водородный генератор, то сколько ему потребуется на это времени? На этот вопрос несложно ответить, вспомнив, что удельная энергия наших аккумуляторов равна 200 Вт-ч/кг, а их масса 70 кг (при массе батареи 140 кг). Следовательно, ёмкость аккумуляторов равна 14 кВт-ч. Чтобы их зарядить, используя мощность 8 кВт, потребуется чуть больше полутора часов. К сожалению, перед каждой поездкой необходимо выделить топливным элементам время для такой подзарядки. Наверное, это не должно стать проблемой, поскольку любой транспорт не может работать даже без коротких перерывов.
Несомненно, рассчитанные параметры водородного грузовичка при конструировании должны уточняться исходя из наличия тех или иных
аккумуляторов или суперконденсаторов, топливных элементов, а также требований заказчика. Но в целом приведённые выше расчёты кажутся обоснованными для стартовой оценки возможностей автомобиля.
Рассмотренная идея экологически чистого грузовичка на первый взгляд выглядит привлекательной. Однако, чтобы запустить подобный автомобиль в производство, необходимо решить массу проблем. Сегодня стоимость топливных элементов, баков высокого давления, заправочных станций, водорода, да и литиевых аккумуляторов чрезмерно высока. Цена опытного образца водородного автомобиля в разы превысит стоимость аналогичного дизельного. Необходимые компоненты выпускаются в нашей стране в виде отдельных экспериментальных образцов или не выпускаются вовсе. Но стоит ли признать бесперспективность водородного транспорта на данный момент? Полагаю, не следует отказываться от этой идеи. Серьёзное изменение во взглядах на экологически чистые технологии транспорта уже стало заметно и у нас.
«Первый в Ирландии водородный автобус
10 ноября 2020 года представители группы Hydrogen Mobility Ireland сообщили, что в Дублине скоро начнутся испытания первого автобуса, использующего водородное топливо. В течение восьми недель его будут тестировать на разных маршрутах города. Эта модель была разработана на предприятии CaetanoBus, известного производителя автобусов и автобусных кузовов, и оборудована топливными элементами мощностью 60 кВт. Компания H2.CityGold будет осуществлять эксплуатацию данного автобуса, а экологически чистым топливом его обеспечит установка компании BOC, расположенная на территории Дублина.
Группа Hydrogen Mobility Ireland объединяет промышленные компании, которые стремятся к развитию отрасли водородного транспорта на территории Ирландии. BOC, которая входит в эту организацию, намерена производить и поставлять водородное топливо, полученное путём электролиза при использовании возобновляемых источников энергии, как это предписано национальной и общеевропейской экологической стратегией.
По всему миру работают почти 200 заправочных станций производства BOC, обслуживая более полутора миллионов водородных транспортных средств. Накопленный опыт и производственные мощности компании позволяют быстро реализовать рентабельные проекты различного масштаба в сфере водородной энергетики, снижая уровень вредных выбросов и улучшая экологическую обстановку.
Компания BOC тесно сотрудничает с другими предприятиями группы Hydrogen Mobility Ireland, работая над дорожной картой для создания обширной заправочной инфраструктуры в Ирландии, которая со временем позволит обслуживать как общественный транспорт, так и автомобили частного пользования, использующие водородное топливо. Компания объединилась с несколькими другими местными поставщиками технологий, транспортными компаниями и исследовательскими организациями в рамках инициативы «Водородная мобильность Ирландии». Вместе они надеются переориентировать транспортную систему в стране на экологически безвредные технологии.
https://etpgpb.ru/posts/11959
