Перспективная модель портового тягача на водородной энергии

В 2022 году более 80 процентов всего объема грузоперевозок приходиться на водный транспорт. С каждым годом мировой грузооборот растет, и, как следствие, растет потребность в передовом портовом оборудовании. Все больше внимания уделяется экологичности и высоким грузовым характеристикам. Перспективным и экологически чистым решением является использование водородных силовых установок. В данной статье будет предложена модель портового тягача на водородной энергии.

В условиях современного рынка перегрузочного оборудования нецелесообразно проектировать портовые тягачи с нуля. Гораздо дешевле, быстрее и надёжнее, используя существующие узлы, агрегаты, силовые конструкции и платформу, на их базе сконструировать новый продукт с учётом замены ДВС и электробатарей на водородные топливные элементы и новейшие гидридные баллоны. За основу будет взят серийный электротягач YT203-EV, также существует дизельная версия YT193 / YT223. Такие тягачи отлично зарекомендовали себя во многих портах России [1, с. 1].

Рис. 1. Электротягач YT203-EV

Расчет водородного тягача YT предусматривает полную модернизацию и перевод на водородные агрегаты. При этом существующие конструктивные параметры серийного образца должны остаться неизменными или быть улучшены.

Рис. 2. Упрощённая схема водородного тягача YT

Расчёт параметров аккумулирующих баллонов. Основополагающим в расчёте является выбор состояния водорода в баллоне. Существует три основных типа состояния: газообразный, жидкий, водород в гидриде их характеристики приведены в таблице.

Таблица 1

Условия и способы хранения водорода

Состояние водорода	Газообразный водород	Жидкий водород	Водород в гидриде
Давление, атм.	700	1	1
Температура, К.	300	20	300
Расстояние H2–H2 или H–H, нм.	0,45	0,36	0,21
Концентрация атомов, ат./см3	2,3·1022	4,2·1022	10,7·1022
Схема расположения молекул или атомов водорода

Также существуют варианты аккумуляции водорода в материалах и химически связанных состояниях, однако для извлечения водорода из них необходимы химические реакции и специальное оборудование, поэтому в рамках портового тягача данные решения реализовывать не целесообразно. Наиболее перспективным вариантом хранения водорода является гидроидное состояние в баллоне. Гидрид – это соединение водорода с металлом, где молекулы водорода расположены между молекулами металла. Основная проблема – это выбор подходящего металла. В расчете выбран палладий, он способен вместить в себя 900 объемов водорода и не подвержен окислению. В результате для тягача достаточно двух баллонов с гидридом палладия, характеристика расчётного баллона приведена в таблице.

Таблица 2

Условия и способы хранения водорода

В итоге система из двух баллонов весит примерно в три раза меньше, чем бак с дизелем, и в восемь раз меньше, чем вес электробатарей. Такой водородный бак достаточно долговечный, однако основным его минусом является высокая себестоимость [2, с. 21].

Расчёт водородных ячеек. Для преобразования водородного топлива в электроэнергию используют водородные топливные элементы (ячейки). Принцип их действия: водородное топливо поступает к анодным пластинам с одной стороны, с другой стороны к катодным пластинам поступает кислород. Далее на аноде катализатор вызывает распад водорода на ионы и электроны. При этом полимерная мембрана позволяет проходить только ионам к катоду, а электроны в свою очередь проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток. В итоге реакции получаем электрический ток, а также воду как продукт реакции ионов водорода и кислорода. Приемлемым вариантом системы водородных ячеек является использование уже существующих ячеек фирмы UTC Power. Данная компания разрабатывает водородные ячейки для многих автопроизводителей таких как: Hyundai, Nissan, Thor Industries, Irisbus и другие). Мощность водородных ячеек UTC Power способна обеспечить необходимые характеристики для электродвигателей водородного тягача [3, с. 13].

Расположение водородной установки. Предполагается интегрировать водородные баллоны на место топливных баков (электробатарей), электродвигатель на место ДВС, а водородные топливные элементы на место коробки передач (на место третей опциональной батареи). Также в проекте водородного тягача YT необходимо учесть электробатарею для работы электрических и пневмонических систем, возможности рекуперативного торможения и аккумуляции остаточных реакций на водородном элементе. Такая система из двух батарей общей мощностью 74 кВтч будет расположена в отдельном отсеке под водородными баллонами. Внедрение компонентов водородной энергоустановки не должно изменить конструкцию тягача, так как новые компоненты занимают меньший объём и имеют меньшую массу по сравнению с аналоговыми компонентами тягача на базе ДВС, при этом устойчивость не нарушается.

Эксплуатационные характеристики. При использовании водорода необходимо учесть меры безопасности: изолировать корпус тягача от статического электричества, проводить комплексную проверку оборудования, не реже одного раза в пять лет, оснастить отсек с водородными баллонами средствами по отводу высоких температур, установить датчики утечки водорода и многое другое. Данный комплекс мер обеспечит безопасную и долгую службу оборудования. В целом эксплуатационные характеристики при соблюдении мер безопасности остаются неизменными, единственное значительно повышается температурный диапазон использования тягача, от +50℃ до -90℃. Как следствие тягач возможно эксплуатировать в самых холодных регионах мира.

Ресурс и ремонтопригодность водородного тягача. Водородный баллон на основе гидрида палладия при соблюдениях условий эксплуатации может использоваться практически вечно. Водородные элементы в свою очередь обладают ресурсом в среднем 375 000–450 000 км. и выше. Также водородные элементы достаточно ремонт пригодные, при необходимости возможно заменить одну или несколько водородных ячеек, а не весь элемент в целом, что значительно удешевляет ремонт и продляет срок службы водородной установки.

Себестоимость продукта. По приблизительным расчетам цена новой водородной версии будет выше на 30 % в сравнении с версией тягача с двигателем внутреннего сгорания. Однако стоит учесть, что водородное топливо в использовании дешевле дизеля примерно на 20%, поэтому водородный тягач достаточно быстро окупается, что является большим преимуществом с учетом постоянного роста цен на дизельное топливо [4, с. 51].

Вывод. Для структурирования всех вышеперечисленных технических характеристик силовых установок портового тягача YT приведена сравнительная таблица.

Таблица 3

В результате исследования расчётной модели портового водородного тягача YT необходимо выделить следующие достоинства: экологичность, энергоэффективность, ремонтопригодность, высокий ресурс, быстрая заправка и расширенный температурный диапазон эксплуатации. На основании этого можно сделать однозначный вывод, что за водородными силовыми установками будущее всех портовых мобильных тягачей.