Перспективы подвижного состава на топливных элементах

Во второй половине 2017 г. были оформлены несколько контрактов на поставку подвижного состава, работающего на альтернативных источниках энергии, в том числе на топливных элементах. Возможно, уже в ближайшей перспективе эта тенденция получит дальнейшее развитие.

Поезда Coradia iLint: первый заказ

Прошедший в 1930-1960-е годы практически повсеместно в мире переход на электрическую и тепловозную тягу ознаменовал окончательное завершение эпохи пара на железных дорогах. В настоящее время, возможно, близится подобный переломный момент. Не исключено, что уже в ближайшем будущем получит распространение подвижной состав, на котором электроэнергия для тяги вырабатывается при помощи топливных элементов. Образец такого рода-рассчитанный на  корость до 140 км/ч двухвагонный поезд Coradia iLint (рис. 1), созданный компанией Alstom.

 

Рис. 1. Поезд Coradia iLint на выставке InnoTrans 2016 (фото А. Ефремов)

 

В сентябре 2016 г. он впервые был продемонстрирован на выставке InnoTrans, а в ноябре 2017 г. компания Alstom подписала соглашение с транспортной администрацией земли Нижняя Саксония (Германия) LNVG о поставке 14 таких поездов. Это первый в мире заказ на поставку партии подвижного состава на топливных элементах для магистральных железнодорожных линий. Предполагается, что с декабря 2021 г. поезда Coradia iLint заменят дизель-поезда на неэлектрифицированных линиях, ведущих из Куксхафена в Бремерхафен, Бремерфёрде и Букстехуде, которые в настоящее время обслуживаются транспортной компанией Eisenbahnen und Verkehrsbetriebe ElbeWeser (EVB, рис. 2).

 

Рис. 2. Дизель-поезд компании EVB с вагоном для перевозки велосипедов

 

Власти Нижней Саксонии первыми в Германии и на европейском континенте приняли решение о внедрении экологически чистого подвижного состава рельсового транспорта, при работе  которого не выделяются соединения углерода, а единственным продуктом химической реакции, в результате которой вырабатывается электроэнергия, является вода. В поезде Coradia iLint предусмотрены все удобства для пассажиров (рис. 3).

 

Рис. 3. Салон поезда на топливных элементах Coradia iLint (фото: Alstom)

Подписанное соглашение о поставке поездов предусматривает также обеспечение их заправки и технического обслуживания в течение 30 лет. Alstom совместно с компанией Linde (Германия) введут в действие станцию заправки водородом в депо оператора EVB в Бремерфёрде. Создание заправочной станции стоимостью 10 млн евро будет финансироваться с использованием гранта на сумму 8,4 млн евро, предоставленного в рамках Национальной инновационной программы по водородным технологиям и топливным элементам федерального правительства Германии. В более долгосрочной перспективе планируется получать водород с использованием электролиза. Снабжение энергией электролизной установки будет осуществляться от ветротурбины. Процесс заправки водородом занимает менее 15 мин (рис. 4). За один день заправочной станцией смогут воспользоваться до 10 поездов, в течение 11 ч предполагается проводить 14-15 заправок. Система энергоснабжения поезда Coradia iLint создана канадской компанией Hydrogenics. Электроэнергия вырабатывается в топливных элементах в результате химической реакции водорода и атмосферного кислорода. Водород хранится под давлением 35 тыс. кН/м- в расположенных на крыше поезда резервуарах, поставляемых компанией Xperion Energy & Environment. Имеющегося максимального запаса водорода достаточно для 1 ООО км пробега поезда. В зависимости от потребности электроэнергия подается под контролем интеллектуальной системы управления к компонентам оборудования поезда, в том числе к тяговым двигателям, установленным на тележках, которые имеют такое же исполнение, как и на дизель-поездах семейства Coradia Lint компании Alstom. Излишки выработанной энергии сохраняются в литий-ионных аккумуляторных батареях, поставляемых компанией Akasol, и используются, когда потребуется, что способствует повышению энергетической эффективности поезда. Избыточное тепло применяется для обогрева салона. Каждый вагон оборудован двумя блоками отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, поставляемыми компанией Spheros. Предварительные испытания поезда Coradia iLint прошли в начале 2017 г. на заводе Alstom в Зальцгиттере, при этом скорость достигала 80 км/ч. Затем поезд отправили на испытательный полигон Велим в Чехии, где поездки продолжились со скоростью до 140км/ч. К настоящему времени изготовлено два двухвагонных поезда. Весной 2018 г. планируется приступить к их ходовым испытаниям на линиях оператора EVB, который в дальнейшем начнет регулярную эксплуатацию таких поездов. Стоимость станции заправки поездов водородом, составляющая 10 млн евро, безусловно, выше стоимости станции заправки дизельным топливом. Однако затраты на эквивалентный проект традиционной электрификации линий, где планируется эксплуатировать  поезда Coradia iLint, были бы значительно больше. Компания Alstom предлагает использовать поезда на топливных элементах на линиях, электрификация которых экономически не обоснована. Изготовитель видит возможности  для внедрения такого подвижного состава в разных странах Европы, но прежде всего в Германии, где в настоящее время эксплуатируются 4140 вагонов дизель-поездов. Помимо заказа на 14 поездов iLint для Нижней Саксонии, интерес к ним проявили власти земли  Северный Рейн-Вестфалия, которые к 2020-2021 гг. планируют приобрести 14 поездов, а также земель Гессен (20 поездов) и Баден- Вюртемберг (10 поездов с возможностью дополнительной поставки еще пяти). Рассматриваются также предложения по вводу в эксплуатацию поездов на топливных элементах в Баварии. 

Кроме того, в связи с обязательствами по минимизации вредных выбросов, принятыми национальными правительствами, Alstom считает перспективными возможности применения водородных технологий на железных дорогах Великобритании, где в настоящее время в эксплуатации находятся в общей сложности 3003 вагона дизель - поездов, а также в Дании, где их число достигает 1000 ед., Нидерландах (351 ед.) и Норвегии (95 вагонов). Важно отметить, что компания ориентируется в первую очередь на поставку нового подвижного состава, а не на переоборудование существующего. Alstom делает акцент на экологических характеристиках поездов на топливных элементах, в частности на отсутствии выбросов в атмосферу содержащих оксиды азота газов, которые возникают при работе дизельных двигателей. Проблема вредных выбросов вызывает возрастающую озабоченность в крупных городах во всем мире. Ввод в эксплуатацию поездов, подобных Coradia iLint, будет способствовать значительному сокращению выбросов диоксида углерода - примерно наполовину  по сравнению с эквивалентнымидизельными двигателями в случае, когда водород получают из природного газа, и до одной десятой при производстве водорода посредством электролиза, для которого требуется только электроэнергия. Участие федеральных земель Нижняя Саксония. Северный Рейн- Вестфалия, Баден-Вюртемберг и Гессен в финансировании проекта - важнейший фактор осуществимости первого этапа проекта. Использование подобных механизмов финансирования не исключается  и в дальнейшем, особенно в свете обязательств европейских стран по Парижскому соглашению.

В соответствии с соглашениями, достигнутыми на 23-й конференции ООН по изменению климата (СОР23) в 2017 г., проблема снижения выбросов СО, имеет большое значение, поэтому правительства разных стран активно ищут пути ее решения. Компания Alstom открыта для сотрудничества с различными поставщиками водорода при осуществлении будущих проектов с учетом особенностей каждого заказа и ситуации на рынке. Такой гибкий подход позволит в ближайшей перспективе предлагать поезда Coradia iLint на разных рынках. Руководство компании уверено, что современные экологически чистые технологии найдут спрос и их внедрение принесет прибыль, учитывая растущее стремление использовать экологически чистый транспорт. Переход с паровой тяги на дизельную занял 20-30 лет. Учитывая, что ряд стран намерен достичь нулевых выбросов соединений углерода к 2030 - 2040 гг., можно предположить, что начинается переход к принципиально новому подвижному составу, не выделяющему выхлопных газов.

Новые проекты в Китае

Рост интереса к применению топливных элементов на рельсовом транспорте начал проявляться в ряде стран мира после того, как за последние 10-15 лет были достигнуты заметные успехи в области внедрения этой технологии на автобусах. Автобусы, работающие на водороде, сжатом природном газе или электроэнергии, все чаще встречаются на улицах городов, что вызвано стремлением муниципалитетов уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу. Один из ведущих поставщиков водородных топливных элементов, в том числе для применения на транспорте. - компания Ballard Power Systems, штаб-квартира которой находится в Ванкувере. Она работает на этом рынке уже более 40 лет и реализует в данной области самые передовые технические решения. За последние 10 лет стоимость топливных элементов с протонообменной мембраной снизилась примерно на 70%. Благодаря их совершенствованию достигнуто повышение срока службы и  дельной мощности. При этом снижение стоимости топливных элементов, скорее всего, продолжится, особенно с учетом факторов, стимулирующих развитие водородных технологий. Пока крупномасштабное производство топливных элементов, дающее дополнительные преимущества, не освоено, их заказывают, как правило, небольшими партиями. Однако весьма вероятно, что объемы поставок будут увеличиваться, поскольку число потенциальных заказчиков растет, а обширный китайский рынок предлагает многообещающие возможности для расширения производства. По оценкам специалистов компании Ballard Power Systems, стоимость  топливных элементов может снизиться еще на 25-40%. Объем рынка топливных элементов для автомобильного, железнодорожного и водного транспорта к 2026 г. может вырасти до 5 млрд долл. США. Компания Ballard  Power Systems уже переживает динамичный рост. В 2016 г. ее суммарный доход составил 85,3 млн долл. США. Почти половина этой суммы приходилась на долю продукции для мощных транспортных средств. По окончательным итогам 2017 г. прежний показатель, по-видимому, будет превышен. К концу третьего квартала 2017 г. объем продаж компании уже составил 81 млн долл. США, в том числе 37,1 млн в секторе транспортных средств большой мощности. Ориентировочно число установок на топливных элементах, выпущенных до конца 2017 г., достигло 1000 ед., тогда как в 2016 г. их было изготовлено только 200 ед. (рис. 6). Все более активно разворачиваются работы по внедрению топливных элементов на транспорте в Китае. В сентябре 2017 г. Ballard и китайская компания Guangdong Nation-Synergy Hydrogen Power Technology открыли в провинции Гуандун новый завод по выпуску батарей топливных элементов с жидкостным охлаждением. Компании Ballard в этом совместном предприятии принадлежит 10%. Китайский партнер берет на себя финансовый риск освоения масштабного производства продукции Ballard. В то же время некоторые компоненты по-прежнему выпускают в Ванкувере, чтобы обеспечить защиту интеллектуальной собственности канадской компании. Развитию рынка топливных элементов в Китае и других странах способствует расширение сферы их применения, в частности на автомобилях, которые используют коммунальные службы и компании, работающие в сфере доставок, а также на мощных грузовиках. Топливные элементы для грузовых автомобилей близки по размеру и принципам применения к продукции, предназначенной для подвижного состава железных дорог. Появлению в Китае новых разработок в этой области способствовала активизация компании Ballard на рынке страны. В 2015 г. Ballard договорилась о сотрудничестве с двумя дочерними компаниями корпорации CRRC-CRRC Sifang и CRRC Tangshan. Это решение уже начинает приносить плоды. В апреле 2015 г. Ballard и CRRC Sifang подписали соглашение о разработке демонстрационного образца вагона облегченного типа, оснащенного батареей топливных элементов мощностью 85 кВт, которая по размеру подобна используемым на автобусах. В июне того же года Ballard заключила рамочный контракт с компанией CRRC Tangshan на разработку батареи топливных элементов мощностью 200 кВт. Первый вагон, оснащенный такой батареей, поступил в регулярную эксплуатацию в Таншане в октябре 2017 г. Трехсекционный вагон, рассчитанный на движение со скоростью до 70 км/ч, работает на новой линии протяженностью около 14 км. Компания CRRC Qingdao Sifang получила заказ на постройку восьми вагонов городского рельсового транспорта на топливных элементах мощностью 200 кВт для г. Фошань. Их поставку планируется завершить в первом квартале 2018 г.

Планы в Европе и Америке

Европейский рынок, как и китайский, компания Ballard рассматривает как важнейшее направление расширения сферы своей деятельности. Существенное внимание уделяется и североамериканскому рынку, однако последний несколько медленнее принимает эти технологии. В Европе компания уже вышла на автобусный рынок, среди ее заказчиков, например, администрация Transport for London (TfL) и такие поставщики автобусов, как Solaris и Van Hool (рис. 8). Компания Ballard рассчитывает получить заказ на поставку 291 автобуса на топливных элементах в рамках европейских инициатив Joint Initiative for hydrogen Vehicles across Europe (JIVE I и JIVE II). Ballard рассчитывает, что ее продукция будет находить все более широкое применение и на магистральных железных дорогах. В ноябре 2017 г. компания заключила соглашение с Siemens о разработке и поставке усовершенствованных батарей топливных элементов для поездов Mireo (см. ・・ЖДМ・・, 2017, №12, с. 5-6). Стоимость контракта - 6 млн евро, первые поезда должны быть готовы к 2021 г. Принцип работы топливных элементов с протонообменной мембраной, разработанных Ballard для подвижного состава компаний CRRC и Siemens, как и  налогичных элементов, поставляемых Нуdrogenics для поездов Coradia iLint,  основан на реакции соединения водорода с атмосферным кислородом, в результате которой вырабатывается электроэнергия для питания подвижного состава.  реимущество применения указанной технологии на транспорте заключается в том, что требуемая мощность может быть достигнута очень быстро, а характеристики двигателей подобны характеристикам двигателей внутреннего сгорания. Данная технология оптимальна для подвижного состава городского и пригородного сообщения, для которого характерны повторяющиеся циклы ускорения и  замедления, разгона и торможения до полной остановки. Для подвижного состава, длительное время находящегося в движении и преодолевающего значительные расстояния, ее применение нецелесообразно. Кроме того, топливные элементы, выполненные на основе данной технологии, выделяют меньше тепла по сравнению с основанными на других технологиях. Пока лишь несколько компаний занимаются данной технологией и понимают, как адаптировать ее для применения на транспортных средствах. В течение последних 20 лет Ballard работала с такими представителями автомобильной промышленности, как Daimler, Ford, Toyota, Volkswagen, Audi. Именно это способствовало принятию компанией Siemens решения о выборе партнера для работы над поездом на топливных элементах. При закупках подвижного состава пассажирского общественного транспорта обычно учитывают только его начальную стоимость. Рост внимания к стоимости жизненного цикла выгоден поставщикам топливных элементов, в частности Ballard. Смягчение требований к проведению технического обслуживания может способствовать более широкому распространению топливных элементов. По сравнению с двигателями внутреннего сгорания топливные элементы требуют только обслуживания системы охлаждения и регулировки. Так, некоторые из восьми автобусов на топливных элементах, эксплуатируемых в Лондоне, проработали более 25 тыс. ч, не нуждаясь в проведении какого-либо технического обслуживания этих элементов. Тенденция к принятию нормативных документов, предписывающих использование общественного транспорта, который не создает вредных выбросов,-еще один фактор, способствующий расширению применения топливных элементов. Так, в Лос-Анджелесе в ближайшие 15 лет предполагается перейти на парк автобусов без вредных выбросов. Первостепенное значение в ближайшие годы придается использованию возможностей, имеющихся в Китае и Юго-Восточной Азии, поскольку потенциал рынка в этом регионе значителен.

Материалы кампаний Ballard Power Systems, Xperion Energy & Environment ; Alstom; K. Smith. International Railway Journal, 2018, №1, pp. 12-14. ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА - 2018, № 3