Великобритания: Научные сотрудники технических подразделений Бирмингемского университета совместно с научно-исследовательским и образовательным центром в области железнодорожного транспорта университета Бирмингема BCRRE провели технико-экономический анализ использования аммиачных топливных элементов в тяге грузовых магистральных локомотивов, сравнив их с дизельным двигателем и водородными топливными элементами. Статья о результатах данной работы будет опубликована в журнале Transportation Research Part D: Transport and Environment в июне этого года. Исследователями сделан вывод о том, что аммиак экологичнее дизеля, но при этом требует существенно меньше места для хранения и безопаснее при транспортировке по сравнению с водородом.
В качестве модельной была взята линия Филикстоу – Хэмс Холл протяженностью 318 км, расчеты делались для поезда из 20 вагонов с грузом 1235 т с частотой движения раз в сутки.
Анализировались три типа аммиачных силовых установок:
-
- топливные элементы с протонообменной мембраной и предварительным крекингом (расщеплением) аммиака на азот и водород (сокращенно – крекер-ПЭМ),
- твердооксидные топливные элементы с крекингом аммиака (крекер-ТОТЭ),
- твердооксидные топливные элементы, использующие аммиак в качестве непосредственного топлива (NH3-ТОТЭ).
Сравнение эффективности проводилось с ныне эксплуатируемыми тепловозами серии 66 с двигателями EMD-710 производства американской Caterpillar, а также с гипотетическим локомотивами с топливными элементами, работающими на водороде (H2-ПЭМ). Варианты с полной или частичной электрификацией, а также с использованием аккумуляторных и гибридных локомотивов в исследовании не рассматривались. Ученые отметили, что электрификация является оптимальным выбором с точки зрения минимизации воздействия на окружающую среду, но требует больших капитальных затрат, а аккумуляторные локомотивы в настоящее время не могут использоваться в грузовом движении, так как их дальность и мощность недостаточны и ограничены емкостью батарей.
Для выбранных пяти типов силовых установок были рассмотрены следующие показатели производительности: расход топлива, требуемый объем для его хранения и выбросы CO2. Показателями для экономической оценки внедрения в Великобритании стали капитальные затраты, стоимость топлива, прочие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание, затраты на замену выработавшего ресурс оборудования (топливных элементов и аккумуляторных батарей). Также была рассчитана приведенная стоимость электроэнергии и дисконтированный финансовый поток с учетом инфляции.
(Расчеты показали, что дизельные локомотивы остаются наиболее выгодными по приведенной стоимости электроэнергии (£0,144/кВт*ч), имеют наименьший период окупаемости и дают наибольшую прибыль. Это объясняется низкими капитальными затратами, высоким уровнем технической готовности и достаточным ресурсом силовой установки для эксплуатации в течение всего срока службы, тогда как топливные элементы требуют замены через 10 лет. Но явным недостатком дизельных тепловозов является их высокий уровень выбросов углерода.
Как подчеркивают авторы исследования, в настоящее время основным альтернативным топливом, имеющим в разы меньшие выбросы углерода, считается водород. Однако несмотря на то, что использование топливных элементов с протонной мембраной может обеспечить сравнимую с дизельной тягой приведенную стоимость электроэнергии (£0,164/кВт*ч для Н2-ПЭМ и £0,157/кВт*ч для крекер-ПЭМ) и окупаемость (4-5 лет), альтернативный вид топлива требует новых подходов к его хранению, транспортировке и безопасности эксплуатации. Даже при сжатии в 35 МПа объем баллонов с водородом в 30 раз превышает объем баков с дизельным топливом, а цена на «голубой» водород в 16 раз превышает цену дизельного топлива.
Ученые отмечают, что объем хранения топлива может быть уменьшен за счет перехода с водорода на аммиак. По сравнению с водородными баллонами для хранения аммиака требуются резервуары с давлением 0,8-20 МПа, и их объем на 62% и 75% меньше для крекер-ПЭМ и крекер-ТОТЭ соответственно. Тем не менее, это в 4-5,5 раз больше, чем требуется для дизельного топлива, то есть потребует либо иной компоновки для размещения топливного бака на локомотиве, либо размещения цистерны с аммиаком на отдельной платформе (по водородным машинам, например, применение бустера c баком предполагают проекты локомотивов от Alstom и Wabtec).
(По оценкам авторов исследования, твердооксидные топливные элементы, работающие на аммиаке (NH3-ТОТЭ), могут преодолеть эти ограничения благодаря их наибольшему КПД (52%) и компактности. Однако проблемой остается низкий уровень коммерческой готовности, поскольку как крекер-ТОТЭ, так и NH3-ТОТЭ пока есть только в виде лабораторных образцов. Оценка экономической эффективности показала, что твердооксидные топливные элементы можно рассматривать в качестве коммерчески обоснованной силовой установки, только если их общая стоимость будет снижена на 70%.
В заключении авторы исследования делают вывод, что аммиак имеет реальный потенциал в качестве топлива для грузовых железнодорожных перевозок. Он производит гораздо меньше выбросов углерода, чем дизельное топливо. Но при этом требует меньше места для хранения и более безопасен при транспортировке, чем водород. В настоящее время по совокупности характеристик лучшим вариантом силовой установки для грузовых локомотивов из рассмотренных являются топливные элементы с протонообменной мембраной и предварительным крекингом аммиака, но в будущем ситуация может измениться. Твердооксидные топливные элементы показывают большие перспективы, но при условии снижении их цены и повышения уровня технической готовности. Авторы полагают, что необходимы дальнейшие исследования и разработки этой технологии для создания экономически рентабельных твердооксидных топливных элементов с мощностью, достаточной для установки на локомотивы.
Стоит отметить, что за последнее время были анонсированы несколько проектов проработки использования аммиака в качестве топлива и очистного средства. Так, в 2022 году немецкая Deutsche Bahn объявила о совместной с австралийской FFI разработке дизельного двигателя, работающего на частично расщепленном аммиаке. В свою очередь в самой Великобритании упомянутая FFI совместно с Siemens и инжиниринговой GeoPura создают технологию расщепления аммиака для нужд водородной энергетики. В России же бизнес-инкубатором Куйбышевской железной дороги РЖД и СамГУПС разработана технология денитрификации вредных выбросов дизелей тепловозов путем модернизации двигателя и добавления в топливо аммиака.
