Вместо выхлопных газов – водяной пар. Станет ли водород топливом будущего?

Поиски альтернативы тающим подобно весеннему снегу мировым запасам нефти начались давно. Уже через пять лет после открытия в Мюнхене первой заправки автотранспорта водородом такие же станции появились и во многих других городах Германии. Этот альтернативный бензину и дизельному топливу энергоноситель, идеально сохраняющий окружающую среду, приобретает все большее значение и для сферы промышленного транспорта. Still GmbH, дочерняя фирма концерна Linde, недавно представила первый вилочный погрузчик, работающий на так называемых топливных элементах (fuel cell), источником энергии в которых стал самый легкий газ. Топливные элементы были установлены на уже существующем оборудовании, в аккумуляторном отсеке серийно выпускаемого электропогрузчика, и опробованы в реальных условиях эксплуатации.

Конструкторская доработка коснулась только мест стыковки электрических и механических компонентов. В отличие от аккумуляторных батарей топливные элементы не нуждаются в смене через определенное время работы. Их использование позволило увеличить мощность и продолжительность срока службы двигателя, а также полностью устранить эмиссию вредных веществ в выхлопе, ведь энергия в этом случае получалась в процессе реакции окисления водорода, продуктом которой является обычная вода.

Технология, которую еще несколько лет назад рассматривали лишь в качестве далекой перспективы, сегодня наконец обретает конкретные формы. Работающее на водороде транспортное оборудование уже готовится занять место в сфере общественного и промышленного транспорта. Многое указывает на то, что в не столь отдаленном будущем такая техника станет обычным явлением на дорогах. Постоянные и плохо предсказуемые скачки цен на нефть являются первым признаком того, что запасы жидкого топлива иссякнут в ближайшие десятилетия. Более того, мир все больше беспокоят экологические проблемы, и производители автотранспортной техники вынуждены еще активизировать работы по снижению выбросов выхлопных газов, негативно действующих на климат планеты. Основные усилия сосредоточены на максимально быстром создании безопасных для окружающей среды альтернатив существующим приводам.

Погрузчик на водороде работает в аэропорту Мюнхена с июля 2004 г.

Так, различные мероприятия по защите окружающей среды многие годы активно проводит известная немецкая компания Still GmbH. В 2004 г. сенат порта Гамбург наградил фирму сертификатом за деятельность в этом направлении. В то время как ранее мероприятия по экономичному отношению к ресурсам и исключению чрезмерной эмиссии были связаны преимущественно с техническими и организационными процессами, в настоящее время Still основное внимание уделяет топливу. С 1999 г. вместе с разными партнерами компания разрабатывала концепции приводов и их энергетического обеспечения, которое уже сегодня превосходит уровень транспортного оборудования с питанием от аккумуляторных батарей. Таким образом, был создан вилочный погрузчик с системой топливных элементов, который в рамках проекта ARGEMUC (Arbeitsgemeinschaft Mуnchener Flughafen) с июля 2004 г. работает в мюнхенском аэропорту.

А многолетний проект по исследованию водородных двигателей на различных видах шоссейного транспорта, например автобусах и легковых автомашинах, вступил во вторую фазу – практической эксплуатации – и в сфере промышленного транспорта. Целью испытаний в аэропорту было снижение технических и экономических рисков этой имеющей весьма высокий потенциал технологии с точки зрения применения в будущем. За концепцию нового двигателя и создание компонентов, адаптированных к нему, отвечает концерн Linde, куда и входит фирма Still.

Ответственность за разработку и изготовление топливных элементов, а также «гибридной» концепции (с применением промежуточных накопителей) взяла на себя компания Proton Motor GmbН. Для проекта Still предоставила близкий к стандартной модели погрузчик серии 60 грузоподъемностью 3 т, механика и электрика которого в основном были адаптированы к посадочным местам и разъемам топливных элементов.

Современные тяговые батареи

Уже в начале проекта стало понятно, что минимальные требования к ресурсу и надежности погрузчиков с тепловыми элементами определяются характеристиками погрузчиков с применяемыми в настоящее время тяговыми аккумуляторными свинцово-кислотными батареями (АКБ). Масса каждой батареи – около 1,0 т, она занимает объем примерно 1 м3, при этом емкость при напряжении 80 В составляет около 600 А·ч. При обычной эксплуатации (не допуская полной разрядки) используемая энергоемкость составляет примерно 40 кВт·ч, чего достаточно для работы в течение 8 ч, т. е. всей рабочей смены. Многосменная работа вызывает необходимость в дополнительных батареях и соответствующих станциях для их подзарядки. При оптимальном уходе, по мнению эксплуатационников, батареи можно подзаряжать от 800 до 1500 раз.

Размещение системы топливных элементов на погрузчике Still

В зависимости от применяемой техники период подзарядки составляет 5...12 ч, причем метод ускоренной зарядки (quick charge) позволяет несколько сократить это время. Кроме того, с помощью подзарядки в течение недели можно значительно продлить срок использования батареи и избежать ее замены. В этом случае общий процесс подзарядки можно осуществить, когда работы ведутся с небольшой интенсивностью, например в конце недели. Для этого, однако, надо иметь достаточно большой парк машин, который, как правило, есть только на крупных предприятиях.

Если сравнивать погрузчики с тепловыми элементами и АКБ, преимущества первых очевидны. Для них:

• используется заправка вместо зарядки;

• не требуется ни основной батареи, ни сменной;

• отсутствует необходимость в перерывах (или требуются очень короткие перерывы) в работе погрузчика, а значит, возможна многосменная эксплуатация;

В этих элементах вместо жидкого электролита между электродами расположена полимерная мембрана, через которую свободно проходят ионы. Наряду с кислородом можно применять воздух. Образующаяся при работе элемента вода не растворяет твердый электролит и может быть легко удалена.

• достигается более высокая плотность по мощности и энергии;

• отсутствует эмиссия любых вредных веществ (например, СО2);

• ресурс больше.

Есть и еще два важных аргумента в пользу топливных элементов. Как показывают исследования, характеристики обычных АКБ уже достигли своего верхнего предела, и их дальнейшее совершенствование невозможно. Но самое главное, что заставляет внедрять новую технологию, это, безусловно, весь комплекс существующих ныне проблем, связанных с защитой окружающей среды и исчерпанием традиционных энергоресурсов.

Требования к погрузчикам с топливными элементами

Итак, одно из преимуществ топливных элементов очевидно: вместо зарядки или смены батареи достаточно провести трехминутную заправку газом. Возможна последующая дозаправка и при любой степени заполнения бака. Участники проекта и их партнеры для погрузчика на топливных элементах выбрали одно важное прагматичное условие: батарея должна быть заменена системой с близкими формой, габаритами и массой.

Это означает, что в рабочем объеме водородного двигателя должна вырабатываться такая же энергия, как в батарее аналогичного размера, и что все компоненты системы должны в нем разместиться. Это условие облегчило применение используемого серийного оборудования и стало основным отличием описываемого проекта от прежних попыток применить топливные элементы на погрузчиках. Тем самым «водородный» погрузчик не должен иметь никаких ограничений как в отношении грузоподъемности и радиуса действия, так и динамики движения и подъема.

А при идентичных с аккумуляторным вариантом значениях мощности элемент должен вырабатывать и эффективно использовать энергию в количестве 40 кВт·ч. Это в свою очередь обусловило возможность накапливать энергию при торможении для увеличения радиуса действия и не ограничивать динамику при ускорении движения и подъеме груза.

Система топливных элементов на водороде

С учетом отмеченных требований и была создана система на базе энергоносителя водорода. Все шесть ее основных компонентов размещаются в массивной стальной ванне (схема 1):

• газовый накопитель 1 – сосуд для накапливания поступающего и расходуемого через трубы меньшего сечения водорода, а также для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей и прерывистым расходом. Необходимую энергию «выдают» 2 кг газообразного водорода, для хранения которого использованы два усиленных бандажами алюминиевых баллона вместимостью 39 л каждый. При разработке их конструкции проводились отдельные исследования, в результате которых было получено соответствующее разрешение на использование.

Такое решение является более экономичным, чем ресивер для жидкого водорода или ресивер для металлгидрида. Система рассчитана на давление 350 бар и соответствует современному уровню требований к безопасности техники. Ведутся работы по созданию баллонов с давлением 700 бар. В ресиверы встроены электромагнитные клапаны;

Схема 1. Конструкция системы электропитания водородного погрузчика

• модули 2 топливных элементов. Преобразование водорода происходит в трех PЕM-модулях (Proton Exchange Membrane) мощностью 6 кВт каждый. Уровень напряжения определяется 110 В (напряжение холостого хода), что соответствует верхнему пределу свинцовой батареи;

• компрессор 3. Для сжигания водорода необходим кислород, который берется из окружающего воздуха. Воздушный компрессор с электроприводом и регулируемой частотой вращения подает в систему в зависимости от потребности до 100 м3 воздуха в час. Следует отметить, что Proton Мotor применила технику низкого давления с рабочим давлением менее 0,1 бар, в результате чего снижены мощность компрессора и уровень шума;

• система охлаждения 4. КПД преобразования энергии реакции окисления в электрическую энергию составляет около 60%. Хотя эта величина значительно выше, чем у современного двигателя внутреннего сгорания, максимальный КПД которого достигает 40%, тем не менее из системы необходимо отводить значительное количество тепла. Поскольку по условиям работы температура модулей не может быть более 80 °С, используется радиатор с большой поверхностью охлаждения;

• промежуточный накопитель 5. В качестве промежуточного электрического накопителя используется 48 последовательно соединенных конденсаторов Ultra Caps емкостью по 2700 Ф каждый, которые воспринимают энергию торможения и обеспечивают выравнивание пиковых нагрузок;

На выставке Hannover Fair 2004 (19 апреля, ФРГ). За рулем водородного погрузчика STILL – канцлер ФРГ Герхард Шрёдер

• дополнительный противовес (основание) 6. Учитывая, что требуемая грузоподъемность погрузчика обеспечивается наличием противовеса, которым служит свинцовая АКБ, недостаток массы «водородного» двигателя компенсируется дополнительной массой 1,2 т. Хотя тонна стали и дешевле тонны АКБ, такое решение для серийного погрузчика следует считать слишком металлоемким, а потому неудовлетворительным. Альтернативным вариантом в будущих моделях может стать противовес из других материалов, иных размеров и конструкций.

Принцип действия системы топливных элементов

Функциональные связи представлены на схеме 2. Профильтрованный окружающий воздух засасывается компрессором и подается в нужном количестве в топливные элементы. Компрессия осуществляется здесь только на небольшую величину избыточного давления, составляющую максимум 0,1 бар. Динамика процессов в топливных элементах в значительной степени определяется работой компрессора. После реакции в модулях отводимый воздух, подогретый примерно до +70 °С, смешивается с водяным паром. При нормальной работе в качестве «выхлопного газа» может образоваться около 1,8 л воды в час в виде водяного пара. Это значительно меньше того, что вырабатывается в двигателе внутреннего сгорания, причем какие-либо вредные вещества в паре полностью отсутствуют.

Подключение системы заправки погрузчика к магистрали водородного баллона

Отвод пара осуществляется по специальной выхлопной трубе. Второй компонент реакции – водород – подается к модулям из двух параллельно подключенных баллонов через двухступенчатый редуктор. Таким образом, в водородной части топливных элементов создается постоянное рабочее давление. Для того чтобы реакция была безопасной, отвод газа осуществляется через катализатор-дожигатель, где производится более полное окисление водорода.

При сегодняшнем состоянии этой техники около 3% водорода проходит через модули неиспользованным. Третьим газовым компонентом системы является азот. Он непосредственно не участвует в процессе получения энергии в ходе реакции, а лишь делает ее прохождение внутри погрузчика безопасным. При каждом отключении системы производится короткая, безопасная автоматическая продувка, при которой из модулей удаляются остатки водорода. Без этого при отключении элементов в ячейках остается некоторое количество водорода, который в результате реакции с имеющимся кислородом превращается в воду.

При этом возникает перепад давления в 1 бар между водородной и воздушной сторонами, что приводит к механической нагрузке на мембрану и сокращает срок службы системы. Именно в этой связи был выбран безопасный, хотя и более сложный вариант с азотом, позволяющий элементам работать в течение 20 тыс. ч. Он позволяет сделать более безопасной и работу самого погрузчика, поскольку эти машины планируется эксплуатировать и хранить в обычном, а отнюдь не в специальном взрывозащищенном помещении.

Охлаждение ячеек производится за счет циркуляции деионизированной воды. При использовании азота имеется ряд преимуществ: во-первых, не возникают уравнительные электрические токи в ячейках, так как отдельные пластины ячеек не изолированы от окружающей среды; во-вторых, падение давления в модулях меньше, чем в случае применения незамерзающей смеси вода–гликоль. Благодаря этому для перекачивания воды можно выбрать электрический насос меньшей мощности. Тепло отводится через радиатор из нержавеющей стали со встроенным регулируемым вентилятором, рассчитанным на среднюю потерю мощности примерно 13 кВт. Электрический выход такой же, как на свинцовой батарее: штепсельный разъем с двумя клеммами на 80 В при номинальной мощности 18 кВт и пиковой мощности до 38 кВт. В зависимости от нагрузки системы или регенерации напряжение находится в диапазоне между 72 и 110 В. Другие величины напряжения (24 или 12 В) получают с помощью преобразователя DC/DС. Наряду с системой управления погрузчиком для комплектной системы топливных элементов имеется сепаратное управление.

Требования логистики

Высокая динамика логистических процессов при операциях с грузами предъявляет особые требования к характеристикам и поведению системы топливных элементов погрузчика. Машина должна быстро реагировать на скачки нагрузки, а ее электрические и электронные группы и детали – выдерживать их. Особенно это касается использования варианта совместной работы конденсаторов (Ultra Caps) с «медленными» модулями топливных элементов: когда необходимо получить повышенную мощность для работы при пиковых нагрузках – нужно детально знать характер изменения мощности электроприводов погрузчика.

18-киловаттный агрегат с топливными элементами

Станции заправки водородом
Здесь впереди пока идет Калифорния. Уже сейчас больше половины из 24 имеющихся в США водородных заправок находится в «солнечном» штате, но до 2010 г., как утверждает его губернатор Арнольд Шварценеггер, сеть станций должна покрыть всю страну. Таким же «солнечным штатом» для Европы (в смысле наличия станций заправки водородом) является Германия: 13 из 22 европейских водородных заправок, а во всем мире их 74, находятся в крупных немецких городах. В ноябре 2004 г. к ним присоединилась еще одна, 14-я, построенная в Берлине: в округе Шпандау открылась первая общественная заправочная станция, которая наряду с бензином и дизельным топливом предлагает безвредное для окружающей среды топливо.

ARGEMUC

ARGEMUC является рабочим объединением 11 фирм-партнеров, которые принимают участие в водородном проекте аэропорта Мюнхена. Целью проекта является представление комплекса разработок в области применения водородных двигателей в спецтехнике, от их изготовления до использования, и демонстрация надежности сегодняшних водородных технологий. Существующий парк такого оборудования включает как легковые автомашины, так и промышленный транспорт. Группa Linde представляет и технологии производства водорода (steamreformer), и его использования (вилочный погрузчик с приводом на топливных элементах).

Применение водородного вилочного погрузчика

Водородный вилочный погрузчик постепенно вводят в постоянную эксплуатацию с середины 2004 г. на фирме Cargogate Flughafen Mуnchen GmbH. Водители Cargogate уже после 4-часового обучения освоили новинку и подтвердили ее хорошую управляемость и отличные ходовые качества. Первые замеры расхода топлива показали, что предлагаемая продолжительность работы (в среднем 8 ч на одной заправке) может быть увеличена. Чтобы получить больше экспериментальных данных и продолжить совершенствование погрузчика, решено провести годовую опытную эксплуатацию машины. Эксплуатация модели уже помогла сделать важные выводы. Наряду с надежностью работы топливных элементов важную роль играет расход энергии. Из-за более высокого напряжения в системе топливных элементов по сравнению с батарейным электроприводом потери энергии оказались немного меньше. Однако в случаях пиковых нагрузок, например при въезде на длинный пандус, требуются специальные меры, чтобы обеспечить надежность управления.

Безопасность водородных систем

Этот фактор имеет очень большое значение. Чтобы достичь цели проекта – обеспечить надежную и длительную эксплуатацию «Н2»-погрузчиков в помещениях, должны быть приняты соответствующие нормы безопасности. В этой связи при тесном взаимодействии с TУV Южной Германии были определены мероприятия и уточнены три особенности в конструкции топливных систем, на которые было обращено особое внимание:

Эти автобусы на топливных элементах уже можно встретить на дорогах Европы

• узел снабжения водородом выполнен по наивысшим стандартам безопасности. Например, на всех «критических» местах применяются детали, на которые есть соответствующие разрешения на эксплуатацию или свидетельства о приемке. Элементы безопасности также должны иметь специальные свидетельства, причем их функции должны выполняться с некоторым небольшим запасом (или частично с двукратным запасом) по надежности;

• модули топливных элементов находятся в секторе с точно контролируемой системой вентиляции, оснащенной взрывобезопасным вентилятором. За наличием утечек газа следят специальные датчики. Катализаторы должны окислять выходящий водород в аварийных ситуациях. Другие элементы, например замкнутый охлаждающий контур и электрика, находятся в секторе с поперечной обдувкой воздухом. После анализа потенциальных отклонений и сбоев, а также возможных опасностей уже существующий прототип может получить свидетельство о безопасности;

• патрубок баллона имеет внутреннюю маркировку, которая не допускает рост давления в магистрали свыше 350 бар. С помощью рычага производится плотное и надежное подключение магистрали баллона к присоединительному разъему.

Предпосылки для широкого применения

На основании того количества напольного транспорта, которое ежегодно попадает на мировой рынок, можно сделать вывод, что объем производства систем на топливных элементах пока слишком мал, чтобы применить эту технологию в необходимых масштабах. Чтобы ускорить ее внедрение, необходима поддержка производителей из сегмента рынка легковых автомашин, в том числе в отношении доработки топливных элементов, которые и являются наиболее дорогим элементом системы. Понятно, что снижению их стоимости будет способствовать увеличение объемов выпуска, однако следует иметь в виду, что функции и работа двигателей погрузчиков и легковых автомобилей сильно различаются. К погрузчику как «рабочей» машине предъявляют несравнимо более высокие требования, чем к автомобилю. Сектор грузовых автомашин, напротив, ближе к погрузчикам и может при доработке прочих компонентов, к которым относятся снабжение водородом и концепция системы охлаждения, внести свой вклад в достижение необходимого базового количества выпускаемых систем.

Перспективы

На пути от создания концепции «водородного» погрузчика до его применения в мюнхенском аэропорту пришлось преодолеть многие препятствия. Но эти усилия, по мнению создателей, себя оправдали. Следующий проект, возможно, стартует в Гамбурге, так как этот крупнейший порт намерен играть главную роль не только в Германии, но и в Европе в отношении использования водорода в автотехнике. А у фирмы Linde, которая является производителем и поставщиком водорода и напольного транспорта, есть хорошие шансы занять ведущее место в экономике промзоны Хёхст, Берлина, земли Северный Рейн-Вестфалия и в США. И так же, как это было в Мюнхене, сначала речь пойдет о пилотном проекте, который подготовит дорогу для широкого применения водородной техники и техники топливных элементов. В дальней перспективе, что подтверждают и другие эксперты, водородная технология станет ключевым компонентом для создания более эффективной и экономичной энергетики. И хотя к серийному изготовлению погрузчика с топливными элементами, несмотря на прогресс последних лет, дорога длинная, Linde планирует продолжать заниматься этой технологией, ведь уже сегодня имеется ряд веских аргументов в пользу применения топливных элементов. А опыт для дальнейшего их серийного производства дело наживное и может быть накоплен только на практике.



Компании Hyster – 75 лет

Читатели нашего журнала уже знают, что существует еще один производитель погрузочной техники, принимающий активное участие в области создания погрузчиков с водородным двигателем: это известная во всем мире компания Hyster. Недавно этот производитель отметил свой 75-летний юбилей. Первое промышленное предприятие Hyster было основано в 1929 г. в США. С самого момента возникновения компания оказалась в центре разработок в области промышленного транспорта. В 1948-м она выпустила первые трехколесные вилочные погрузчики. В 1952 г. в Нидерландах открылся первый европейский завод компании, специалисты которого семь лет спустя построили первые машины для обработки универсальных контейнеров.

В настоящее время компания выпускает огромный диапазон моделей техники для перевозки и штабелирования грузов на поддонах и в контейнерах, от ручных гидравлических тележек до таких сложных машин, как ричстакеры и высотные штабелеры, и в составе группы NACCO входит в первую тройку лидеров по производству промышленного транспорта. Современную производственную линейку оборудования компании, которая была создана и продолжает совершенствоваться на базе моделей 2002 г., отличают такие потребительские качества, как высокая надежность, простота обслуживания, безопасность, эргономичность и экономичность.

Hyster за годы деятельности сформировала сильные деловые альянсы со своими ведущими партнерами по продажам – компаниями Barloworld (Великобритания, Юж. Африка, Бельгия и Нидерланды), Zeppelin (Германия, Австрия, Швейцария, Восточная Европа, Россия и СНГ), Kesko (Финляндия и страны Балтии), VB trucks (Дания и Норвегия), Iberlift (Испания), CLS и MAIA (Италия), что в большой мере способствовало популярности этой марки в разных регионах мира и определило направления ее совершенствования. В настоящее время в Европе, на Ближнем Востоке и в Африке насчитывается в общей сложности 160 офисов, где можно не только приобрести технику Hyster, но и получить полный комплекс услуг, связанных с ее обслуживанием и интеграцией в логистические процессы предприятия.

По материалам зарубежной печати. Пер. с нем. Л. Цинцевича