Электротранспорт на водородных топливных элементах набирает все большую популярность. Это неудивительно – использование водорода в качестве источника электричества для силовой установки позволяет решить основные проблемы электромобилей – продолжительное время зарядки и небольшой пробег. При этом транспортное средство на водороде также не дает выхлопа и работает практически бесшумно, но заправить его можно всего за несколько минут, а дальность пробега без дозаправки становится такой же, как и у традиционных бензиновых авто.
По данным Международного энергетического агентства, только в 2021 году в мире продано около 8 тысяч автомобилей на водородных топливных элементах. Европейская экономическая комиссия ООН оценивает количество водородных автомобилей в 15 тысяч и считает, что их количество будет только расти. Эксперты предполагают, что к 2050 году в мире четверть транспорта будет использовать в качестве источника энергии водород.
В России также активно идет работа над развитием водородного транспорта. До 2024 года будет выделено финансирование на федеральный проект «Электроавтомобиль и водородный автомобиль». В список пилотных территорий для развития электро- и водородной заправочной инфраструктуры вошли восемь регионов страны.
Основным фактором, сдерживающим развитие водородного транспорта в России, пока является отсутствие заправочной инфраструктуры. Однако в планах правительства Российской Федерации запуск первых 100 заправочных станций для водородного транспорта уже к 2025 году.
Пока единственная действующая водородная заправка, для автономности оснащенная промышленным бесщелочным генератором водорода производства ООО «Поликом», находится на территории ФИЦ ПХФ и МХ РАН в городе Черноголовка Московской области. Этот экспериментальный объект предназначен для испытаний различных типов водородного транспорта.
ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ (ВЗС)
Типичная цепочка работы ВЗС обычно включает в себя:
- Источник водорода (обычно это электролизер, установка по производству водорода из метана, источник привозного водорода)
- Промежуточный накопитель водорода низкого давления
- Модуль заправочной станции
- Промежуточный накопитель водорода высокого давления
- Заправляемое транспортное средство
Иногда некоторые узлы этой цепи изготавливают объединенными с другими
МОДУЛЬ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ
Модуль заправочной станции обеспечивает сжатие водорода до 400 бар, а также коммутацию водорода для заполнения накопителя водорода высокого давления и последующей быстрой заправки транспорта
Типичный состав модуля заправочной станции:
- Утепленный контейнер со всеми необходимыми системами
- Мембранный компрессор на давление 400 атм
- Порты для подключения накопителя высокого давления
- Шкафы электроавтоматики и системы безопасности
- Газовая подсистема
- Заправочный пистолет и узел учета
- Система управления для согласования с модулем генератора водорода
ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЗС НА ОСНОВЕ ГЕНЕРАТОРА ВОДОРОДА (ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА) ПОЛИКОМ ДЛЯ ЗАПРАВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С РАБОЧИМ ДАВЛЕНИЕМ 350 АТМ
Генератор водорода производит водород, который запасается под давлением до 40 атм в накопителе низкого давления. По мере его заполнения включается водородный компрессор, который перекачивает водород в накопитель высокого давления, где он запасается при 400 атм.
Заправка транспортного средства осуществляется с помощью заправочного рукава и пистолета путем перепуска водорода из накопителя высокого давления в бак транспортного средства. При этом контролируется скорость перетекания водорода, его температура и давление. Узел учета фиксирует указанные параметры, а также вычисляет количество поступившего водорода.
Во избежание перегрева бака транспортного средства обычно производят переохлаждение водорода «на лету» во время процесса заправки. Для этих целей используют охладитель водорода на базе низкотемпературного чиллера.
В более современных протоколах заправки используется инфракрасный интерфейс для обмена данными между транспортным средством и заправочным пистолетом. С помощью этого интерфейса транспортное средство в режиме реального времени сообщает ВЗС о состоянии собственного бака, в частности о давлении водорода, температуре и степени заполнения.
ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ НЕБОЛЬШОЙ ВОДОРОДНОЙ ЗАПРАВОЧНОЙ СТАНЦИИ
Емкость бака транспортного средства – 200 Нм3/ч
Целевое давление в баке ТС – 350 атм.
Частота заправки – 1 раз в сутки
Используемый генератор водорода – Поликом А-10
Генератор водорода | Модуль заправочной станции | Транспортное средство |
||
Промежуточный накопитель низкого давления | Компрессор | Промежуточный накопитель высокого давления |
||
Производит водород под давлением | Физический объем Хранение водорода при давлении в диапазоне | Нагнетает давление 400 бар Производительность – 12 Нм3/ч | Физический объем Хранение водорода при давлении в диапазоне | Получает за |
АЛГОРИТМ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА В ЦЕЛОМ
Шаг 1. Промежуточные емкости заряжены на 40 и 400 бар.
Шаг 2. Заправка транспортного средства (200 Нм3). Давление в накопителе высокого давления падает до 350 бар.
Шаг 3. Включается компрессор и в течение 15-16 часов перекачивает водород из ёмкости низкого давления в ёмкость высокого давления. Генератор водорода при этом работает на 10 Нм3/ч пополняя емкость низкого давления.
Шаг 4. Давление в ёмкостях стало 10 и 400 бар, но ВЗС уже готова заправлять транспортное средство.
Шаг 5. В течение следующих 3 часов генератор водорода наполняет емкость низкого давления с 10 до 40 бар и отключается.
Таким образом, подобная ВЗС позволяет заправлять транспортное средство на 200 Нм3 с циклом чуть менее 1 суток.
Следует понимать, что данный пример приведен лишь для иллюстрации принципа построения водородных заправочных станций. В работе реальных ВЗС существует значительное количество дополнительных нюансов и ноу-хау, направленных на оптимизацию работы узлов и повышение надежности функционирования.