Когда речь заходит о водородной тяге, внимание, как правило, сосредотачивается на самом поезде. Однако для операторов железнодорожного транспорта не менее важную роль играют заправочная станция, её техническая архитектура и повседневная эксплуатация. Чтобы лучше понять, что в себя включает эксплуатация на водороде — не только в отношении подвижного состава, но и вспомогательной инфраструктуры — мы поговорили с экспертами из Výzkumný ústav železniční, a.s. (VUZ). Помимо испытаний и сертификации, VUZ специализируется на техническом консалтинге и оценке новых железнодорожных технологий.
С технической точки зрения водородный поезд — это просто стандартный электропоезд, оснащенный тяговой батареей меньшей емкости; единственное отличие заключается в источнике питания. Вместо того чтобы получать электроэнергию от контактной сети через пантограф, он хранит водород в бортовых резервуарах под давлением и преобразует его в электроэнергию с помощью бортового топливного элемента, при этом в качестве побочных продуктов образуются только тепло и водяной пар. Всё, что находится ниже по цепи после топливного элемента, основано на традиционных принципах электротехники, которые используются уже на протяжении десятилетий. Основной переменной остаётся водородная подсистема, которая влияет на поезд, инфраструктуру заправки и обслуживающие объекты.
Роль заправочной станции
Как правило, водород доставляется на объект в трубчатых прицепах или резервуарах под давлением до 400 бар (40 МПа), тогда как бортовые резервуары поезда обычно работают при номинальном давлении 350 бар (35 МПа).
Самый примитивный способ заправки заключается в том, чтобы соединить две системы и позволить физическим законам взять верх: газ самопроизвольно течет из зоны более высокого давления в зону более низкого давления. Однако этот метод эффективен лишь на начальном этапе. По мере выравнивания давления между транспортной емкостью и бортовым баком расход резко падает, и заправка останавливается. Этот процесс можно ускорить только путём каскадного подключения к другой, более полной емкости с более высоким давлением.
Этот пассивный метод крайне неэффективен, поскольку после выравнивания давления значительный объем водорода остается запертым в транспортном резервуаре — в крайних случаях до половины поставленного объема.
Именно эта неэффективность и является причиной, по которой требуется станция активной заправки. Она сочетает в себе базовое выравнивание давления с активным механическим сжатием в процессе заправки. Это гарантирует, что заправка остаётся быстрой, а судно-поставщик опорожняется практически полностью. Эта важнейшая, скрытая от глаз функция напрямую определяет показатели, которые наиболее важны для операторов:
- Время простоя: как долго поезд должен оставаться на месте во время заправки.
- Использование: Какой процент от каждой поставки водорода фактически используется
Почему заправка водородом не похожа на заправку дизельным топливом
Сравнения с традиционной заправкой дизельным топливом в значительной степени неверны. При заправке дизельным топливом достаточно соблюдать стандартные меры безопасности, принятые в промышленности, а основную угрозу для окружающей среды представляет локальный разлив, приводящий к загрязнению почвы.
Водород, напротив, нетоксичен, но обладает высокой летучестью. Он образует воспламеняющуюся смесь с воздухом в исключительно широком диапазоне концентраций — примерно от 4% до 75% по объему. Этот широкий диапазон воспламеняемости диктует как строгие технические требования к проектированию заправочной станции, так и необходимость соблюдения точных эксплуатационных процедур во время заправки.
Промышленное использование водорода не является совершенно новым явлением. Водород уже почти столетие применяется в качестве сжатого промышленного газа в различных областях — от металлургии до химической промышленности, — а это означает, что его физические свойства, риски при обращении и характеристики тщательно задокументированы.
Совершенно новым является его внедрение в условиях железнодорожного транспорта с высокой пропускной способностью, масштабы его потребления, а также требования к локальному хранению на месте. В связи с этим правила техники безопасности и технические стандарты, касающиеся заправки водородом, постоянно совершенствуются наряду с расширением его роли в транспортном секторе.
Фактическое сокращение выбросов углерода при использовании водородного привода
Основной маркетинговый аргумент в пользу водородного привода заключается в том, что в месте эксплуатации поезд выделяет исключительно воду. Однако данные, подтверждающие это утверждение, требуют более тщательного анализа, поскольку общий баланс не так однозначен, как кажется на первый взгляд.
Рассмотрим базовый сценарий, в котором задействован поезд с бортовым резервуаром объемом 24 м³ при номинальном давлении 350 бар. При температуре 15 °C этот резервуар вмещает примерно 576 кг водорода. Учитывая нижнюю теплоту сгорания (LHV) 33,3 кВт·ч на килограмм, полностью заправленный резервуар содержит примерно 19,2 МВт·ч энергии.
Ключевым фактором является коэффициент преобразования: типичный топливный элемент преобразует лишь около половины этой накопленной энергии в электроэнергию, оставляя примерно 9,6 МВт·ч для привода транспортного средства. С точки зрения транспортного средства это соответствует 9,6 МВт·ч, которые аналогичный электропоезд потреблял бы непосредственно от контактной сети. Основным преимуществом водородной тяги является полное устранение эксплуатационных выбросов углекислого газа (CO₂).
Чтобы точно определить чистую экономию выбросов CO2, обеспечиваемую водородной силовой установкой по сравнению с дизельным подвижным составом, который она призвана заменить, необходимо провести оценку при одинаковых грузовых нагрузках и на одинаковых маршрутах. Поскольку полевые данные в идентичных условиях может быть сложно получить, приведенная ниже теоретическая модель иллюстрирует эту зависимость.
Если проанализировать водородный поезд с непрерывной потребляемой мощностью 1 000 кВт и сравнить его с аналогичным дизельным поездом, то можно рассчитать соответствующий расход дизельного топлива, исходя из стандартного КПД дизельной тяги, равного 20 %, и теплотворной способности дизельного топлива, равной 12 кВт·ч/кг:
(9600 кВт·ч / 20 % / 12 кВт·ч) = 4000 кг.
Поскольку при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется 2,64 кг CO₂, общая экономия выбросов при использовании водородного привода при данных параметрах составляет 2,64 × 4 000 кг = 10,56 тонн CO₂!
Важность происхождения водорода
Хотя утверждение о том, что автомобиль на водороде выделяет только воду, верно в процессе эксплуатации, оно не учитывает весь жизненный цикл самого топлива. То, можно ли считать всю систему низкоэмиссионной, зависит исключительно от способа производства водорода.
В настоящее время подавляющая часть водорода, производимого в мире, не является экологически чистым. Большая часть получается из ископаемого топлива следующими способами:
- Паровой метан-реформинг (SMR) природного газа
- Частичное окисление тяжелых топочных масел
- Газификация угля
В настоящее время электролиз воды обеспечивает лишь небольшую долю мирового предложения. Водород, получаемый с помощью этих невозобновляемых, энергоемких методов, относится к категории «серого водорода».
Внутреннее производство водорода в Чешской Республике отражает эту глобальную тенденцию. Оно тесно интегрировано в существующие процессы химической промышленности — в первую очередь в синтез аммиака и нефтехимию — и превышает 100 000 метрических тонн в год, причем практически весь этот объем приходится на «серый» водород.
Только «зелёный» водород, получаемый путём электролиза воды с использованием избыточной энергии возобновляемых источников, позволяет сделать водородный поезд по-настоящему низкоэмиссионным. Такой подход, естественно, будет наиболее экономически эффективным в регионах, характеризующихся структурным избытком электроэнергии, таких как прибрежные страны, использующие дневную солнечную энергию в сочетании с ночной ветровой энергией.
Центральная Европа сталкивается с более сложной энергетической ситуацией; здесь нельзя считать само собой разумеющимся непрерывное и надежное снабжение дешевой избыточной электроэнергией из возобновляемых источников.
Всесторонняя оценка
Основные аргументы в пользу водорода по-прежнему остаются актуальными. Он нетоксичен, исключительно лёгок и может производиться экологически безопасным способом из избыточной электроэнергии. Что особенно важно, он позволяет внедрить электротягу на железнодорожных линиях, не имеющих контактной сети, а также там, где установка полноценной контактной сети экономически нецелесообразна.
Проведение такого рода анализа жизненного цикла и экономической оценки было одной из основных задач Железнодорожного научно-исследовательского института (VUZ, a.s.) в ходе его участия в региональных инициативах по развитию водородного железнодорожного транспорта, в рамках которых он оказывал содействие в определении чешских железнодорожных линий, пригодных для эксплуатации на водороде.
Данный вид оценки выходит за рамки технических характеристик подвижного состава. Она является неотъемлемой частью более широкой консультационной концепции VUZ, которая включает оценки по критериям ESG (экологические, социальные и управленческие аспекты) и аудиты операционной устойчивости. Для технологий, относящихся к категории низкоэмиссионных, баланс всего жизненного цикла является окончательным критерием жизнеспособности. Этот баланс должен учитывать:
- Источник производства водорода
- Транспортная логистика и методы хранения
- Эффективность инфраструктуры заправки топливом
- Протоколы безопасности и управление операционными рисками
В конечном счете, водородный привод не является универсальной заменой дизельному топливу, а служит скорее целевым дополнением на маршрутах, где традиционная электрификация нецелесообразна. Его реальная экологическая и экономическая эффективность всегда будет зависеть от самого транспортного средства, доступности экологически чистого водорода на местном уровне и эффективности всей цепочки поставок энергии на верхних этапах.
