JCB и водородное топливо: новая модель экологически чистого экскаватора

В июле британская компания JCB сообщила об успешных испытаниях первого в мире экскаватора с принципиально новым источником энергии. Двигатель и приборы экскаватора JCB 220Х Hydrogen получают электроэнергию от водородных топливных элементов.

Испытания продолжаются

JCB 220Х Hydrogen – прототип будущей серийной машины. Он создан на базе широко известного дизельного экскаватора JCB 220:

• длина JCB 220 — 9,5 м;
• ширина — 2,9 м;
• высота — 3,05 м;
• колесная база имеет длину 3,37 м.

JCB 220Х Hydrogen – продолжение политики компании направленной на сокращение выбросов углерода. До этого производитель наладил выпуск экологически чистых электрических мини-экскаваторов JCB 19С-1Е и промышленных вилочных погрузчиков JCB Electric Teletruk 30-19E.

Новый экскаватор оснащен кабиной с подогревом и кондиционером CommandPlus:

• в качестве шасси 20-ти тонного экскаватора используются гусеницы шириной 813 мм;
• максимальная глубина копания 6,71 м; 
• мощность электродвигателя 129 кВт.

При необходимости, кратковременно, усилие отрыва стрелы может быть увеличено на 10% — для работы в сложных условиях. Для хорошего обзора экскаватор оснащен камерой заднего вида.

Применение водородных топливных элементов на спецтехнике с электроприводом уменьшит зависимость от внешних источников электроснабжения. И тем самым будет способствовать ее более широкому использованию.

После завершения испытаний экскаватор займет свое место в числе серийной продукции компании. Председатель JCB Лорд Бамфорд считает, что освоение водорода как топлива – это площадка для создания в Соединенном Королевстве ведущей мировой отрасли.

В чем главная новость?

Новинка оснащена приводом на топливных элементах. Об этом расскажем подробнее.

Как работает водородный двигатель

Иногда применительно к технике на водородном топливе употребляют термин «двигатель на водороде». Однако, в строительной технике водород не является моторным топливом. Он лишь служит источником протонов для особого вида генератора. А вырабатываемая генератором электроэнергия приводит в работу моторы экскаватора, погрузчика или другой техники.

Возможность получения электроэнергии при помощи водорода 180 лет назад открыл известный ученый из Англии Уильям Роберт Грове. Он обнаружил, что водород и кислород можно объединить в молекулы воды без горения. При этом они будут выделять электричество и тепло. Ученый назвал прибор “газовая батарея”. Спустя 111 лет уже Фрэнсис Бэкон разработал батарею, которая состояла имела 40 топливных элементов и имела мощность 5 кВт. 

Водородный топливный элемент действует следующим образом. На катод поступает кислород, а на покрытый катализатором анод – молекулярный водород. Он диссоциирует – теряет электроны. Ядра атомов водорода (протоны) проходят к катоду сквозь слой электролита. А по внешней сети туда же движутся электроны. По пути они приводят в действие электроприборы, в частности электродвигатель. Потом, встретившись на катоде, электроны, протоны и молекулы кислорода объединяются в молекулы воды.

Новинку быстро освоили в США — с 1966 года она обеспечивала электроэнергией и водой такие космические корабли, как серия «Аполлон», «Шаттл», «Буран».

Водородное топливо: плюсы и минусы 

Один топливный элемент дает напряжение около 0,7 В. Для получения высокого напряжения их объединяют в массивные батареи. Водородные топливные элементы очень экологичны: они не выделяют парниковые газы, на выхлопе дают чистую воду, противодействуют глобальному потеплению. Второе важное преимущество водородных источников питания – КПД 22%, против 13% у традиционных бензиновых автомобилей.

К другим преимуществам водородных топливных элементов следует отнести: 

• бесшумную работу;
• высокий крутящий момент на малых оборотах, благодаря электродвигателям; 
• быстрая заправка, почти также, как заправляя бензином или дизелем;
• запас хода выше чем у электромобилей;
• длительный срок службы;
• устойчивость (безразличие) к примесям в водороде.

Однако, для широкого применения водородного топлива надо решить ряд задач. Среди них:

• получение водорода в необходимом количестве;
• хранение и транспортировка водорода;
• снижение себестоимости получения водорода.

Получение водорода

Знакомый многим еще со школьных опытов способ добычи водорода – взаимодействие металлов с кислотой. Это путь быстрый, не требует слишком дорогого оборудования. Однако, из-за высокой стоимости реагентов добыча водорода таким способом в промышленных масштабах даже не рассматривается.

Самым малозатратным на единицу объема водорода методом сейчас является конверсия метана водяным паром. Для этого природный газ сжимают с усилием 190 кг/см2 и обрабатывают паром с температурой 800°С. Полученный газ содержит от 55 до 75% молекулярного водорода. Но для этого метода нужны громоздкое, сложное и дорогое оборудование – источники тепла, компрессоры, аппараты для разделения полученного сырья на примеси и чистый Н2.

Наиболее простой и удобный способ – электролиз воды. Например, японский Toshiba H2One. Он применяется на мобильной мини-электростанции. Последняя для работы получает электроэнергию от солнечных батарей, и за час вырабатывает 2 м3 газообразного водорода, т.е около 400 г.

Хранение водорода

В газообразном виде Н2 содержат в металлических сосудах при давлении от 400 до 1000 атм. Если газа немного, его хранят в стальных баллонах емкостью до 50 л при температуре от -50 до +60°С и давлении 200 атм. Баллон для 2 кг водорода весит 33 кг. 

Для хранения 1 кг жидкого водорода хватит емкости 13,7 л и давления 40 атм. Однако, температура при этом должна быть не выше, чем –158°С.

Стоимость энергии

Стоимость водорода на заправке Shell в Германии составляет 7,21 евро за килограмм.

Этого хватает чтобы проехать на автомобиле 100 км. Потребление водородного авто соответствует среднему расходу седана с бензиновым двигателем 1,6 литра. Как раз высокая себестоимость и сдерживает повсеместный переход на водородную энергетику.

На сегодня мир находится только в начале процесса освоения нового источника энергии. Поэтому есть надежда, что вскоре удастся существенно его удешевить. Так, применив новые материалы и конструкции, удельный вес газовых баллонов можно снизить до 8-10 кг на 1 кг водорода. Создатели спецтехники считают, что развитие водородной энергетики сделает возможным даже создание карьерного экскаватора с водородными топливными элементами.