Водородный погрузчик: от замысла – к воплощению

Бурное развитие двигателей, использующих технологию топливных элементов, напоминает пословицу об изобретении колеса. Действительно, известно, что ученые-новаторы впервые стали предлагать решения, связанные с использованием водорода как эффективного источника энергии для двигателей, еще в самом начале прошлого века, но конкурирующие технологии и ряд ограничений в применении постоянно становились преградой на их пути.

С началом нового тысячелетия водородные технологии перешли к новой фазе развития в значительной степени благодаря активным попыткам внедрить их в качестве источников питания приводов подъемно-транспортного оборудования. Пока СМИ будоражат читателей все новой и новой информацией об альтернативных источниках энергии, о том, как они изменят автомобильный мир и каким будет автотранспорт нового поколения, различные технологии топливных элементов уже сегодня реально работают на заводах и в распределительных центрах, хотя пока в основном находятся на стадии испытаний. Правда, это не означает, что изготовители водородного оборудования не готовятся выйти на реальные мировые рынки уже в ближайшее время.

Посетители Международной торговой выставки MHIA ProMat 2007 (Чикаго) могли видеть опытный образец погрузчика FCHV-F с топливной ячейкой, представленный компанией Toyota Material Handling, USA, Inc. (Ирвин, шт. Калифорния). Модель создана Toyota Industries Corporation (TICO) в сотрудничестве с Toyota Motor Corporation (TMC) на основе гибридной системы, которая состоит из компонентов, опробованных в автомобилестроительном подразделении японского концерна. Хотя погрузчик достаточно длительное время находится в стадии разработки, его присутствие на ProMat указывает, что мировой лидер промышленности индустриального транспорта очень серьезно относится к идее создания топливных элементов и считает ее весьма перспективной.

«Погрузчики с топливными элементами требуют минимальной дозаправки и значительно меньшего обслуживания, чем электропогрузчики, аккумуляторы которых надо периодически подзаряжать, снова заполнять водой и заменять, – утверждает Сезар Джименез (Cesar Jimenez), менеджер по планированию электрических изделий и маркетингу Toyota Material Handling. – Кроме того, гибридная система с топливным элементом обеспечивает постоянство выходной мощности и не снижает производительность работ, как в случае с электропогрузчиками, из-за снижения напряжения при разряде аккумуляторов. Эти и некоторые другие особенности делают погрузчики с топливными элементами идеально подходящими для условий эксплуатации в больших распределительных центрах, где техника часто используется непрерывно все 24 часа в сутки».

Можно подумать, что у Toyota и ее конкурентов все в порядке и они смогут легко выйти на рынок с новой технологией, однако это не совсем так. Много ответственных задач стоит перед Ассоциацией Индустриального Транспорта (Industrial Truck Association, Вашингтон, округ Колумбия), объединяющей ведущих производителей Америки, которой предстоит определять новую классификацию и стандарты для оборудованных топливными ячейками транспортных средств. Есть и более серьезные проблемы технического характера.

«В настоящее время затраты на изготовление компонентов топливных ячеек очень высоки, а цикл их жизни пока недостаточно большой, – считает Джименез. – Кроме того, чтобы новая технология работала, должна быть создана соответствующая инфраструктура – установлены водородные топливные баки и станции для их наполнения. Инвестиции в ее организацию могут быть весьма большими».

Эксплуатационные расходы на топливные ячейки

Компания Battelle (Колумбус, шт. Огайо) совместно с Департаментом энергетики США провела исследование, целью которого было установить, насколько экономически выгодно применять топливные ячейки в напольном транспорте различных типов. Исследование сосредоточили на системе топливных элементов с протонной обменной мембраной (PEM), поскольку именно их чаще всего использовали в коммерческих проектах для индустриального транспорта. В рамках исследования проведен опрос потребителей электроприводных средств напольного транспорта из разных сфер деятельности. «Мы обнаружили, что у пользователей транспортных средств, имеющих батарейное питание, есть некоторый уровень неудовлетворенности этим оборудованием, – подвела итоги этой работы ученый-исследователь Battelle Катя Махадван (Kathya Mahadevan). – Наибольшее недовольство высказали потребители, которые интенсивно использовали свою технику, особенно распределительные центры розничных сетей. Особые нарекания вызывают большие временные потери, связанные с заменой АКБ. Сильное беспокойство с точки зрения обеспечения безопасности работ вызывает также возможность пролива кислоты из аккумуляторов и большой собственный вес АКБ».

Battelle рассмотрела и сравнила стоимость жизненного цикла двух типов индустриального транспорта: электротележек для транспортировки поддонов с поворотной рукояткой, сопровождаемых пешим оператором, и с сиденьем для оператора, которые непрерывно работали в пределах распределительного центра. Для тестов выбрали по одной модели каждого класса. К обеим машинам для обеспечения бесперебойной работы прилагалось по две аккумуляторные батареи. Исследователи заключили, что ведомые транспортировщики поддонов в настоящее время более конкурентоспособны для применения топливных элементов, чем устройства с сиденьем оператора (см. сравнительную таблицу).

В ходе исследования рассчитывалась чистая общая стоимость покупки и содержания систем питания, исходя из 15-летнего жизненного цикла машин при затратах на водород 5 USD за 1 кг. Как оказалось, на машине с сиденьем и топливными элементами этот параметр был немного лучше, чем у аналога с аккумуляторным питанием. «Стоимость собственности» штабелера с сиденьем и PEM-топливным элементом составила 129 118 USD без налогов, а у этой же машины с аккумуляторным питанием и двумя батареями – 115 631 USD. В течение такого же периода транспортировщик поддонов с аккумуляторным питанием и двумя батареями обходится в 145 193 USD без налоговых вычетов, с топливным элементом – 76 075 USD.

Поскольку ведомые транспортировщики поддонов используют комплекты топливных PEM-элементов меньших размеров, чем машины с сиденьем, затраты по их замене занимают меньшую долю в стоимости 15-летнего жизненного цикла машины. Кроме того, уровень расходов по замене АКБ существенно влияет на конкурентоспособность топливного элемента по сравнению с альтернативами на основе аккумуляторов. Результат исследования таков: чем выше трудозатраты при смене АКБ и чем больше времени уходит на эту процедуру, тем более привлекательными являются топливные ячейки. Какие же выводы может сделать из этого промышленность?

«Изготовители должны сосредоточиться на задаче повышения долговечности топливных элементов, так, чтобы владельцы не меняли их слишком часто, – говорит Махадван. – Это достижимо за счет увеличения срока службы мембран. А снизить затраты на производство топливного элемента можно, сократив количество платины, которая в нем используется. OEM-предприятия пока не готовы к перепроектированию выпускаемых моделей под полноценную топливную систему, поэтому усилия проектировщиков сосредоточены на системах замены АКБ и совершенствовании конструкции противовеса».

Изготовители напольного транспорта объединяются с разработчиками разнообразных топливных элементов, чтобы найти формулу решения, которое принесет им совместный успех. И если некоторые из них придерживаются того мнения, что системам аккумуляторного питания пока нет достойной альтернативы, то другие видят большой потенциал в «гибридах», которые объединяют в себе и топливные элементы, и АКБ.

«Топливные элементы не рассчитаны на выработку пиковых значений мощности, а твердооксидные элементы в высокотемпературном варианте исполнения не любят многократных включений», – объясняет Бенсон Ли (Benson Lee), генеральный директор компании Technology Management, Inc. (Кливленд). TMI работает над коммерческим внедрением высокотемпературного керамического твердооксидного топливного элемента (ceramic solid oxide fuel cell, SOFC), первоначально разработанного British Petroleum. SOFC-системы, которые конвертируют обычные виды топлива в электричество или тепло, планируется внедрить на различные рынки в соответствии с несколькими стратегическими соглашениями British Petroleum. TMI уже продемонстрировала в действии системы питания небольшого размера, использующие природный газ, керосин JP-8, дизельное и биодизельное топливо, этанол, биогаз и пропан. Устройства TMI достаточно компактны и при необходимости их можно быстро доставить обычным курьером, а кроме того, они устраняют некоторые из проблем топливной совместимости, которые имеют место в устройствах, использующих только водород.

«Если мы осуществляем операции с грузами разной массы, то лучше использовать батарею, ультраконденсатор или другой тип устройства, которое могло бы обеспечить пиковые значения мощности, когда потребуется», – говорит Ли, – а топливная ячейка обеспечивала бы постоянную базовую нагрузку.

Гибридный привод в автомобиле попеременно использует АКБ или топливо в зависимости от того, когда это потребуется. При работе погрузочного устройства, которое оперирует с грузами разной массы, ситуация та же. Таким образом, можно не избавляться от АКБ совсем, а оставить их как дополнительный и более эффективный, надежный источник электроэнергии. Его можно использовать для того, чтобы перезарядить АКБ или добавить машине немного мощности, когда в этом будет необходимость».

В гибридах на топливных элементах разработчики технологии также отказываются от привычных производителям напольного транспорта свинцово-кислотных аккумуляторов. «Мы используем те же самые АКБ на основе гидрида никеля, которые применяются в гибридных автомобилях, – утверждает Том Хоинг (Tom Hoying), руководитель отдела продаж в США компании Cellex Power Products (Ричмонд, Канада). – Автомобильная промышленность освобождается от кислотных аккумуляторов. Наши целевые клиенты должны перемещать продовольствие и массовые розничные товары с высокой производительностью. Транспортировщики паллет станут первым изделием, которое мы оборудуем нашими устройствами. Вслед за этим гибридные приводы станут внедрять в машины с площадкой для оператора, узкопроходную технику, оборудование для погрузочных доков».

«Решения в области транспортировки поддонов являются ключевыми для обеспечения производительности работ потребителя, – продолжает Хоинг. – Клиент получает увеличение производительности, и для этого потребуется лишь незначительное количество водорода». Крупнейшая розничная сеть Wal-Mart уже провела у себя испытания транспортировщиков паллет, оборудованных топливными элементами Cellex.

Франк Троттер (Frank Trotter), президент и генеральный директор General Hydrogen Corp. (Ричмонд), также предостерегает, что кислотные АКБ как источник питания уже вскоре могут потерять лидирующие позиции на этом рынке. Эта компания сосредоточила свои разработки на большом сегменте рынка индустриального транспорта и уже сейчас поставляет целый пакет оборудования, заменяющий кислотные АКБ, для вилочных электропогрузчиков, комплектовщиков, автоматического транспорта (AGV).

«Наиболее важное при операциях с паллетами – чтобы оборудование обеспечивало возможность непрерывной работы при необходимом уровне мощности без необходимости останавливаться для дозаправки водородом так долго, как потребуется, – считает Троттер. – Мы полагаем, что гибрид с АКБ не уложится в требуемое время. Наша система – топливная ячейка с ультраконденсаторами – это тоже гибрид. Мы используем ультраконденсаторы, потому что они обеспечивают большую отдачу мощности за очень малое время и быстро восстанавливаются. Они идеальны для запуска машин и при подъеме тяжелых грузов». Рабочий цикл устройств General Hydrogen в два-три раза длинней нормального цикла аккумулятора. Для интенсивного использования, когда АКБ заменяется уже через четыре или пять часов, компания готова предложить топливный элемент с операционным временем 10...15 ч. Кроме того, эти источники питания, обеспечивающие постоянство выходной мощности, значимо сокращают расходы на ремонт и замену таких компонентов электродвигателя, как контакторы и щетки.

Менеджмент водородной индустрии

Одной из наиболее сложных проблем при внедрении топливных элементов в распределительных центрах и на предприятиях является водородная инфраструктура. Она сводится к двум основным компонентам, каждый из которых имеет свою стратегию развития и организации – производство и продажа. Технология производства водорода компании Proton Energy Systems (Валлингфорд, шт. Коннектикут) использует электролиз воды. Компания концентрирует усилия и разработки на внедрении водородной технологии, являющейся основным направлением ее бизнеса, в системы питания напольного транспорта, а также на решениях, использующих возобновляемые источники энергии – солнечный свет и ветер. Как утверждает ведущий специалист Proton Марк Шиллер (Mark Schiller), для внутреннего рынка США важно, чтобы центр распределения водорода был максимально приближен к конечному пользователю, чтобы водород производился силами национальных компаний и его потребители не зависели от импорта. Proton Energy Systems готова производить более 100 кг водорода в день. Идеальным потребителем для компании мог бы стать склад со 150-ю или более единицами техники. Такой парк использовал бы около 150...250 кг водорода в день. Каждая машина загружается водородом два раза в течение 24-й рабочей смены. Proton рассчитывает, что его продукция будет использована для в качестве энергоносителя в топливных элементах Cellex и General Hydrogen, которые предназначены для индустриального транспорта. Кроме того, компания активно работает с конечными пользователями, пытаясь убедить их, что создание водородной инфраструктуры на их территории имеет смысл.

Специализацией компании Air Products & Chemicals (Аллентаун, шт. Пенсильвания) в течение последних 50 лет также были поставки водорода. Позже она занялась технологиями распределения, чтобы обеспечить клиентов питающими станциями для топливных элементов. Менеджер подразделения развития водородных энергосистем Air Products Том Джозеф (Tom Joseph) полагает, что оптимальное количество потребления водорода, при котором строительство заправочной станции будет оправдано, составляет 100 кг в день. В этом случае она сможет ежедневно снабжать топливом 2535 автомобилей.

Для создания приемлемой водородной инфраструктуры необходимы и другие компоненты, например, обеспечивающие безопасность. Центр технологий материалов Эдисона (Edison Materials Technology Center, Лэйтон, Огайо) спонсировал работу над водородным датчиком. Решение проблемы его создания очень актуально: поскольку водород чрезвычайно огнеопасен, даже небольшие концентрации его должны быстро обнаруживаться. Разработкой датчика занимаются фирмы Makel Engineering (Чико, Калифорния) и Emtec. Как сообщается, датчик будет достаточно недорогим и производиться в массовом масштабе для автомобильной промышленности. Устройство планируется использовать и на напольном транспорте. Оно будет располагаться под капотом машин и при превышении концентрации водорода в окружающей среде станет немедленно сокращать поступление его в топливную ячейку.

Стоимость

Однако решение технических и организационных проблем – это еще не все, что будет нужно для успешного применения водородных источников питания в технике. Значительно больше времени потребуется для того, чтобы топливный элемент имел приемлемую для потребителя цену и эволюционировал в различные области применения.

Первый шаг к снижению стоимости уже сделан. OEM-производители напольного транспорта вступили в тесное партнерство с различными поставщиками топливных элементов. Вот лишь некоторые из этих альянсов в США: Cellex Power и Crown (Нью-Бремен, шт. Огайо), Hydrogenics (Миссиссога, Онтарио, Канада) и Hyster, Mitsubishi Caterpillar Forklift America (Хьюстон) и Raymond Corp. (Грин, шт. Нью-Йорк). Росс Вандерлаан (Ross Vanderlaan), менеджер по маркетингу изделий в Mitsubishi Caterpillar, осторожно оптимистичен в том, что эти усилия окупятся: «Топливные элементы не должны повторять форму обычной аккумуляторной батареи и позволят нам развивать более эргономичные и элегантные электроприводные модели напольного транспорта в будущем. Однако прежде, чем это случится, потребуется преодолеть несколько проблем а именно: водород должен стать доступней, а его применение – более безопасным; «стоимость собственности» топливных элементов (включая начальные инвестиции) должна быть приемлемой не только для больших, но и для маленьких парков техники, а ограничения, свойственные этой технологии, например, при использовании ее на рефрижераторных складах, были устранены».

OEM-производители уже решают эти задачи. Интенсивное обсуждение водородных технологий на выставке ProMat 2007 – хороший признак того, что не пройдет и десяти лет, как менеджеры парков подъемно-транспортной техники смогут получить машины, которые будут дольше работать, иметь устойчивый уровень напряжения, быстрей заправляться, а склады станут, наконец, свободными от комнат зарядки АКБ.



Президент США поддерживает водородные технологии

Как известно, нынешний президент США является ярым сторонником альтернативных источников энергии. Как резонно заявил Джордж Буш в марте этого года: «Если вы зависите от нефти, поступающей из таких точек мира, где нас не обязательно любят, то это создаст проблему для национальной безопасности». Буш, посвятив свое выступление развитию альтернативных источников энергии, также сообщил, что возглавляемая им администрация работает над расширением производства и использования в США этанола, водородных топливных элементов, работающих на новых технологиях электрических аккумуляторных батарей, атомной энергетики, энергии ветра, более эффективных способов переработки природного угля и других технологических решений. По его заявлению, в течение ближайших шести лет США израсходуют на научно-технические исследования и разработки по альтернативным источникам энергии около 12 млрд. USD.

С целью уменьшить зависимость Соединенных Штатов от импорта энергоносителей (более 60% сырой нефти поступает в страну из-за рубежа) Буш подписал закон о реформировании энергетической отрасли. Капиталовложения в экологическую программу президента составляют 100 млрд. USD, и, судя по предварительным итогам, интенсивность выбросов от автотранспорта будет снижена на 24%. Суть программы сводится к изменениям в налогообложении, что заставит потребителей энергии внедрять новые технологии, а не ремонтировать старое оборудование. Федеральное правительство также предоставляет каждому покупателю в США скидку в размере 3,5 тыс. USD при покупке автомобиля-гибрида, по состоянию на сегодняшний день в США продано уже более миллиона таких автомобилей.

Этим летом в Парме (шт. Огайо), где располагается компания GrafTech, президенту США был продемонстрирован опытный образец топливной ячейки, созданный GrafTech в сотрудничестве с Cellex Power (филиал Plug Power) и ведущим производителем электроприводного напольного транспорта в США компанией Crown. Сотрудник компании Cellex заявил, что внедрение топливных элементов в напольном транспорте, как ожидается, сделает возможным их проникновение на другие рынки и в конечном счете внесет вклад в развитие водородной энергетики США и снизит зависимость страны от импорта энергоносителей.

Водородный источник питания был установлен на электротележке Crown с поворотной рукояткой вместо АКБ и содержал комплект топливных элементов, разработанный Ballard Power Systems (Барнаби, Британская Колумбия, Канада), в котором в качестве основного компонента используется материал Grafcell (GrafTech).

По материалам зарубежной печати подготовила В. Петрова