Ученые ВНИИЖТ проводят исследования в части водородной тяги

Чистый носитель

«Водород – один из уникальных видов топлива, после использования которого совсем не остаётся углеродного следа. Единственный побочный продукт – чистая вода. При этом удельная теплота его сгорания примерно в 2,5–3 раза выше, чем у бензина или дизеля. Это значит, что при одинаковой массе водород даст значительно больше энергии. Поэтому использование водорода на железнодорожном транспорте остаётся актуальным и нам нужно готовиться к появлению такого подвижного состава», – сообщил «Гудку» заместитель генерального директора АО «ВНИИЖТ» Роман Мурзин.

Создание лаборатории (по сути, кластера, соединяющего процессы производства и использования водородного топлива) стало ответом на технологический вызов времени.

Пока тяговый подвижной состав, питающийся от расположенных на борту топливных элементов (в ходе химической реакции они превращают водород в электроэнергию), не получил массового распространения по нескольким основным причинам: отсутствие нормативной базы, высокая стоимость самого водорода, нет необходимой инфраструктуры и опыта работы с таким оборудованием. Нет и квалифицированных кадров для производства и обслуживания водородных локомотивов и поездов.

Снятием части этих барьеров и занялись специалисты ВНИИЖТа. Железнодорожные учёные включились в выработку нормативной базы. С их участием уже созданы четыре предварительных национальных стандарта, которые в дальнейшем станут ГОСТами. Они формируют требования к безопасности хранения водорода и эксплуатации подвижного состава.

Лабораторная работа

Лаборатория уже сейчас может быть использована для практического обучения работе с данной технологией вовлекаемых в тему работников РЖД, предприятий-производителей и студентов профильных вузов. «Управление всем циклом полностью автоматизировано. Можно дать старт, нажав соответствующую кнопку на пульте-мониторе, или произвести запуск дистанционно, находясь на отдалении от вагона. Дальше процесс проходит автономно», – знакомит с функционированием кластера заместитель директора научного центра «Тяговый подвижной состав» (подразделение ВНИИЖТа) Константин Иванов.

Выработка водорода начинается с водоподготовки. Прежде всего воду нужно деионизировать – удалить содержащиеся в растворённых минеральных солях заряженные частицы (ионы кальция, магния, натрия, хлоридов, сульфатов). Пройдя через фильтр-деионизатор, вода из водопроводной сети обретает очень низкую электропроводность и становится пригодной для подачи в электролизёр. Там под электрохимическим воздействием происходит её разложение на кислород и водород.

На этом этапе особое внимание уделяется разделению этих химических элементов, образующих, как известно, в случае соединения гремучую (взрывоопасную) смесь. Кислород выбрасывается наружу, за пределы вагона, с помощью насоса. А водород поступает в систему. В зависимости от выбранного режима водород может подаваться в баллоны хранения, расположенные на крыше вагона, непосредственно на электрохимический генератор, наружу для питания других возможных потребителей.

Для превращения в электроэнергию, питающую двигательные установки подвижного состава, водород поступает в электрохимический генератор, состоящий из модулей топливных элементов, вспомогательного оборудования и системы управления. Полученная энергия накапливается в аккумуляторных элементах, откуда питает модель, имитирующую работу тягового преобразователя. «Задавая установку определённого режима работы на локомотиве, мы можем наблюдать процессы, которые происходят в его тяговом приводе при потреблении выработанной электролизёром энергии», – объясняет Константин Иванов.

Безопасные условия 

В вагоне-лаборатории обеспечен высочайший уровень безопасности. Здесь и принудительная вентиляция, и автоматическая система пожаротушения, и отвод водорода, например в случае избыточного давления, и датчики с дефлекторами, расположенные в самой верхней точке и на оси вагона. Сама конструкция исключает появление возможных мест скопления водорода. Предусмотрен баллон с азотом для продувки системы. Этот комплекс – также прототип обеспечения гарантированной безопасности на водородном подвижном составе.

Натурное моделирование позволяет практически установить коэффициент полезного действия, мощность и скорость заряда/разряда аккумуляторов, точно рассчитать экономику применения подвижного состава на водородных топливных элементах. «Самая большая проблема сегодня – цена водорода. На текущий момент килограмм водорода стоит от 500 до 700 руб. Это делает его неконкурентоспособным по сравнению с дизелем», – подчёркивает Роман Мурзин.

Учёные ВНИИЖТа считают: если организовать производство водорода в местах расположения генераторов возобновляемой энергии или там, где электроэнергия присутствует в избыточном количестве, водородные локомотивы и поезда принесут не только экологическую и эксплуатационную, но и экономическую выгоду.