Получение водорода для выработки электроэнергии и обеспечение электротяги на транспорте становится все более актуальным и востребованным. Из-за экологических ограничений наиболее приемлемым способом получения водорода является электролиз воды с использованием топливных элементов и высокотемпературных газовых реакторов. В то же время проблема сохранения и транспорта водорода не нашла практического решения из-за его физических свойств и недостаточного развития инфраструктуры. Если применение литиевых аккумуляторных батарей (АБ) на легковом электротранспорте идет опережающими темпами, то для грузового электротранспорта их недостаточная удельная электроемкость (менее 300 Вт∙ч/кг), малый ресурс (менее 5 тыс. час.) и высокая стоимость ограничивают применение. Водородные топливные элементы (ТЭ) имеют в 2–3 раза выше удельную электроемкость, ресурс и несколько меньшую стоимость, поэтому их применение для грузового электротранспорта наиболее востребовано. Однако для бесконтактного железнодорожного транспорта в настоящее время наиболее предпочтительно применение комбинации АБ и ТЭ.
Цель статьи состоит в анализе способов получения зеленого водорода с помощью электролиза воды и оценке стоимостных показателей, а также в анализе конструкций ТЭ и способов их применения на ж/д транспорте. Анализу способов получения водорода посвящены работы [1, 2]. Транспорт и сохранение водорода описаны в [3, 4]. Преобразователям частоты и тяговому электроприводу посвящены работы [5, 6], а их применению в электроэнергетике работы [7, 8], так же, как на транспорте [9, 10].
Многообразные способы получения водорода предполагают:
– из ископаемого сырья (серый), самый дешевый – 1,5 долл./кг;
– из ВИЭ (зеленый), самый дорогой – до 10 долл./кг;
– из дымных газов, а также электролиз воды – 2–3 долл./кг;
– высокотемпературный электролиз от АЭС (желтый) – 2,3–3,5 долл./кг.
В настоящее время самым распространенным способом получения водорода является способ паровой конверсии из природного газа (метана), который дает 75% объемом 205 млрд куб. м, себестоимостью 1,5–3 долл./кг [1]. Остальной объем водорода добывается паровой конверсией угля. Электролиз из воды занимает только 0,1% добычи и составляет 100 тыс. т. Паровая конверсия сопровождается выбросом в атмосферу 830 млн т двуокиси углерода СО2, что загрязняет атмосферу [1, 2].