Aktualności global Inwestycje Tramwaje

Tramwaj wodorowy – chiński sposób na zeroemisyjny transport

Dzień 30 grudnia 2019 r. można uznać za rozpoczęcie „ery wodoru” w miejskim transporcie szynowym. Tego dnia w dzielnicy Gaoming, chińskiego miasta Foshan, rozpoczęła się komercyjna eksploatacja pierwszej na świecie linii tramwaju wodorowego. Przedstawiciele firmy CRRC Qingdao Sifang zgodzili się uchylić rąbka tajemnicy i powiedzieli nam, jaka była droga do powstania tego pojazdu.

22 września 2020 r. podczas 75. sesji Zgromadzenia Ogólnego ONZ przywódca Chińskiej Republiki Ludowej Xi Jinping oświadczył, że Chiny osiągną neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla do 2060 roku. Obecnie Państwo Środka jest największym producentem gazów cieplarnianych na świecie, dlatego wypełnienie tej deklaracji wiąże się z olbrzymimi nakładami na przekształcenie gospodarki i realnym wdrożeniem alternatywnych źródeł „zielonej” energii. Odejście od surowców kopalnych na rzecz OZE wymaga olbrzymich inwestycji w tej dziedzinie. Jednak cały proces nie może odbyć się bez innowacyjnych rozwiązań, które pozwolą na pogodzenie olbrzymiego zapotrzebowania na energię z zeroemisyjnością.

Wdrażanie „czystych” rozwiązań w Chinach ma już miejsce, a doskonałym przykładem na to jest wykorzystanie wodoru, który napędza tramwaj zbudowany i wdrożony do użytku przez China Railway Rolling Stock Corporation (CRRC) Qingdao Sifang. W jego ogniwach paliwowych podczas reakcji chemicznej między wodorem a tlenem wytwarzana jest energia elektryczna, a produktem ubocznym jest jedynie woda. Ten proces wytwarzania energii jest równoważny z odwrotnym procesem elektrolizy wody. Energia powstała podczas procesu hamowania magazynowana jest w akumulatorach. W ogniwach paliwowych wodór charakteryzuje się wysoką sprawnością i gęstością energetyczną, a sam proces brakiem wibracji i co szczególnie ważne niskim poziomem emisji hałasu. Trzeba jednak zaznaczyć, że głównymi źródłami wodoru są procesy przetwórstwa paliw kopalnych. Jego produkcja jest bardzo energochłonna, ponieważ wymaga ogromnych ilości energii elektrycznej niezbędnej w procesie elektrolizy, czyli rozkładu wody na tlen i wodór. Jeśli mówimy o ograniczeniu emisji dwutlenku węgla, energia ta musi pochodzić z odnawialnych źródeł np. farm wiatrowych.

Same pojazdy są dwukierunkowe, trójczłonowe i całkowicie niskopodłogowe, a ich maksymalna prędkość to 70 km/h

Samo miejsce, gdzie został zrealizowany projekt Foshan Gaoming Modern Tram Demonstration Line, czyli demonstracyjna linia nowoczesnego tramwaju nie jest przypadkowe. Foshan jest miastem o statusie prefektury w środkowej prowincji Guangdong, leżącym w południowych Chinach. Z populacją sięgającą 7,9 miliona mieszkańców stanowi część Strefy Ekonomicznej Delty Rzeki Perłowej. Jego władze, przywiązując wielką wagę do tworzenia innowacji energetycznych i przyspieszenia transformacji przemysłowej, w 2018 roku przyjęły plan rozwoju przemysłu wodorowego. Zgodnie z nim do 2030 roku Foshan powinno zostać przekształcone w cieszące się międzynarodową renomą eko-miasto, wykorzystujące energię wodorową, rozszerzające jej zastosowania i demonstrujące wykorzystanie wodoru w różnych obszarach funkcjonowania miasta.

Poza oczywistym walorem proekologicznym, możliwość całkowitej rezygnacji z sieci napowietrznej otwiera przed tym projektem bardzo wiele możliwości. Dzięki ograniczeniu niezbędnej infrastruktury do torowiska, zmniejszają się koszty całej inwestycji. Ponadto można poprowadzić linię tramwajową tam, gdzie nie ma możliwości zainstalowania trakcji lub kłóci się ona z estetyką przestrzeni miejskiej.

Uruchomiona w grudniu 2019 r. linia była pierwszą fazą projektu – 6,9 ​​km (10 przystanków) z docelowo 17,4 km (20 przystanków). Kursujące po niej tramwaje wodorowe wyposażone są w sześć butli do przechowywania wodoru, co pozwala na przejechanie 100 kilometrów, a szybkie i wygodne tankowanie zajmuje około 15 minut. Same pojazdy są dwukierunkowe, trójczłonowe i całkowicie niskopodłogowe, a ich maksymalna prędkość to 70 km/h. Tramwaj mieści 350 pasażerów. Ich nowoczesny wygląd dopełniają panoramiczne okna. Więcej informacji co do samego pojazdu przedstawili nam jego twórcy.

Pierwszy wodorowy tramwaj to przełom na skalę światową. Jak wyglądała droga od pomysłu do realizacji tego przedsięwzięcia?

Jako nowy rodzaj czystej energii, paliwo wodorowe jest jednym z głównych trendów w globalnej eksploatacji i wykorzystaniu energii wodorowej. Ponieważ tramwaj wodorowy jest zasilany wodorowymi ogniwami paliwowymi, może jeździć bez sieci trakcyjnej i posiada doskonałe właściwości pracy ciągłej. Dzięki właściwościom przyjaznym dla środowiska i zerowemu odprowadzaniu zanieczyszczeń podczas eksploatacji stanowi zupełnie nowe rozwiązanie dla ruchu miejskiego. Firma rozpoczęła badania nad tramwajami wodorowymi w 2013 roku, można podzielić je na trzy fazy rozwojowe.

Od 2016 roku do chwili obecnej opracowano trzecią generację tramwaju wodorowego z systemem ogniw paliwowych i akumulatorów

W latach 2013-2015 opracowano pierwszą generację wodorowych tramwajów energetycznych z ogniwami paliwowymi, akumulatorem i układem superkondensatorów. Dzięki testom układu magazynowania energii, zasilania wodorowego i całego pojazdu, układ wodorowy został pomyślnie zainstalowany w pojeździe w celu jego eksploatacji i testowania. W marcu 2015 roku został zaprezentowany pierwszy na świecie tramwaj wodorowy.

W latach 2015-2016 powstała druga generacja tramwaju wodorowego. W porównaniu z pierwszą, kolejna wersja została zoptymalizowana i ulepszona. Poprawiono moc wyjściową ogniw paliwowych, uproszczono konfigurację systemu energetycznego, poprawiono konfigurację systemu magazynowania energii, zwiększono ilość magazynowania wodoru na pokładzie oraz zoptymalizowano strategię zarządzania i kontroli energii. System zasilania wodorowego został kompleksowo zmodernizowany, a także przeprowadzana została jego certyfikacja bezpieczeństwa.

Od 2016 roku do chwili obecnej opracowano trzecią generację tramwaju wodorowego z systemem ogniw paliwowych i akumulatorów. Dzięki wspólnemu uruchomieniu instalacji wodorowej, testom statycznym i dynamicznym oraz testowi instalacji wodorowej w pojeździe, w grudniu 2017 roku, uruchomiono tramwaj w Foshan. Dodatkowo firma zakończyła sukcesywną ocenę tramwaju, który przejechał 2000 kilometrów na linii testowej, ocenę dopasowania systemu zasilania wodorem oraz 20 – dniową próbę eksploatacyjną na linii głównej. W grudniu 2019 roku tramwaj został oficjalnie oddany do użytku komercyjnego, co oznacza uruchomienie pierwszej na świecie linii tramwajów wodorowych.

Oprócz tego system zasilania wodorowego przeszedł pomyślnie testy w niemieckim ośrodku certyfikacji Rhein, Germany AC, ośrodku Tianjin Certification Center for Automotive Products oraz uzyskał inne certyfikaty bezpieczeństwa.

Co był najtrudniejsze w tym projekcie?

Technologia energii wodorowej stanęła w obliczu różnych wyzwań w początkowym etapie zastosowania w taborze, były nimi:

  • Badania nad konfiguracją systemu energetycznego instalacji wodorowej: przeprowadzenie analiz, badań i weryfikacji instalacji pojazdu w różnych konfiguracjach przed ustaleniem konfiguracji systemu energetycznego odpowiedniej dla tramwajów wodorowych;
  • Technologia integracji systemu: zapewnienie wysoce zintegrowanego projektu instalacji wodorowej w ramach dostępnej przestrzeni i realizacja jej montażu;
  • Strategia zarządzania i kontroli energii hybrydowej: spełnienie wymagań trakcyjnych i hamowania pojazdu w różnych warunkach pracy oraz osiągnięcie wysokiego stopnia wykorzystania energii;
  • Konstrukcja urządzenia magazynującego wodór: stworzenie bezpiecznego, niezawodnego i stabilnego wysokociśnieniowego urządzenia magazynującego wodór, spełniającego wymagania pracy ciągłej;
  • Konfiguracja konstrukcji systemu magazynowania energii: sprostanie wymaganiom dużej mocy i wysokiego przyspieszenia pojazdu, przy jednoczesnej poprawie wydajności pracy w przypadku awarii.

Tramwaj posiada określone wymagania co do infrastruktury, po której jeździ?

Tramwaje napędzane wodorem wymagają do działania naziemnych stacji tankowania, ale jednocześnie wyeliminowano taką podstawową infrastrukturę, jak linie napowietrzne i podstacje trakcyjne, więc ogólne wymagania dotyczące infrastruktury są mniejsze.

Firma Sifang nie jest znana w Polsce. Jak wygląda jej doświadczenie zarówno w kwestii produkcji tramwajów, jak i technologii wodorowej?

W grudniu 2019 roku tramwaj wodorowy wyprodukowany przez Sifang został oficjalnie wprowadzony do eksploatacji w dzielnicy Gaoming miasta Foshan, na pierwszej na świecie linii demonstracyjnej tramwajów napędzanych energią wodorową. System zasilania wodorowego pomyślnie przeszedł certyfikację bezpieczeństwa m.in. niemieckiego ośrodka Rhein, Germany AC i Tianjin Certification Centre for Automotive Products. CRRC Sifang zgromadził wiele doświadczeń w zakresie pojazdów napędzanych energią wodorową w aspekcie technicznym:

  • Biorąc pod uwagę charakterystykę wodoru i w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkowania opracowano układ instalacji urządzeń do wykrywania wycieków wodoru w instalacji i system alarmujący o przekroczeniu właściwego stężenia wodoru.
  • W oparciu o zmienne środowisko pracy tramwaju, sformułowana zostaje strategia kontroli adaptacyjnej regulacji mocy wyjściowej ogniw paliwowych. Samo ogniwo paliwowe może regulować swoją moc w zależności od parametrów zewnętrznych oraz monitorować i ostrzegać o usterkach w celu zapewnienia wydajności i wydłużenia okresu eksploatacji akumulatora.
  • W obliczu złożonych i zmiennych wymagań dotyczących warunków pracy wyjściowego ogniwa paliwowego, wyposażono je w specjalny system chłodzenia, który zapewnia komfortowy zakres temperatury pracy ogniwa – stabilizuje równowagę cieplną wewnątrz konwertera elektrycznego spełniającą wymagania części roboczej dachu tramwaju.
  • Konfiguracja hybrydowego systemu ogniw wodorowo-elektrycznych zasila napęd tramwajów wodorowych. Kontroler zarządzania energią koordynuje stan pracy ogniwa paliwowego, zasilającego, konwertera prądu stałego oraz steruje mocą ogniwa paliwowego i zasilającego w czasie rzeczywistym w zależności od potrzeb pojazdu. Mając na uwadze rozbieżność pomiędzy trwałością ogniwa paliwowego a stanem pracy pojazdu przy częstym przyspieszaniu i zwalnianiu, kompleksowo zoptymalizowano układ energetyczny. Cały system energetyczny oparty jest na rozproszonym sterowaniu sieciowym w celu realizacji rozdziału mocy i zarządzania energią w dynamicznym środowisku pracy. Podczas procesu hamowania, energia jest odzyskiwana przez baterię, co znacząco poprawia poziom wykorzystania energii w pojeździe. Jednocześnie, strategia zarządzania i kontroli energią jest zaadoptowana do naładowania baterii w pewnym zakresie, zapewnienia uniwersalności baterii w czasie pracy oraz wydłuża jej żywotność.

Wiadomo, że największym atutem tramwaju jest jego zeroemisyjność. Jakie jeszcze innowacyjne rozwiązania zostały w nim zastosowane? Co oferuje dla pasażerów?

Oprócz wykorzystywania energii z ogniw paliwowych do osiągnięcia zerowej emisji, pojazd napędzany wodorem wykorzystuje również następujące innowacyjne technologie:

  • Wspólnie zaprojektowany i opracowany nowy typ konwertera elektrycznego dla tramwajów wykorzystujący ogniwa paliwowe w celu poprawy osiągów w zakresie przyspieszania i zdolności do pracy ciągłej;
  • Wodorowe ogniwo paliwowe jest skonfigurowane z wydajnym jednokierunkowym źródłem prądu stałego w celu realizacji konwersji napięcia w ogniwie paliwowym i kontroli mocy wyjściowej;
  • Konstrukcja rozpraszającego ciepło zbiornika wodoru, który zmniejsza przestrzeń potrzebną na magazynowanie, pozwala zwiększyć rezerwy paliwa i wpływa na poprawę wytrzymałości eksploatacyjnej.
  • Wyposażony w akumulator litowo-tytanowy o dużej pojemności i wysokim współczynniku jako akumulator zasilający i pomocnicze źródło zasilania, aby sprostać szczytowemu zapotrzebowaniu na moc hamowania trakcyjnego;
  • Optymalizacja zarządzania energią i strategii kontroli, stabilizacja mocy naładowania akumulatora w określonym zakresie, zapewnienie zastosowania akumulatora w trakcie pracy oraz wydłużenie okresu jego eksploatacji;
  • Zastosowanie nowego silnika synchronicznego z napędem bezpośrednim i magnesami trwałymi. Zaletą całego zestawu trakcyjnego jest wysoka wydajność, sprawność i gęstość energetyczna oraz niski poziom hałasu;
  • Opracowanie systemu wielosieciowego odpowiedniego dla tramwajów wykorzystujących energię wodorową;
  • Tramwaj jest zdolny do pracy wykorzystując wyłącznie energię z baterii, co jest ważne w przypadku awarii;
  • Opierając się na platformie PHM, wszystkie systemy monitorowane są w trybie ciągłym.

Z myślą o pasażerach:

  • Doskonała stabilność i komfort jazdy pojazdu: pojazd ma doskonałą dynamikę koło-szyna, może jeździć płynnie i wygodnie, zapewniając pasażerom doskonałe wrażenia z jazdy;
  • Dobra izolacyjność akustyczna i cieplna: konstrukcja pojazdu charakteryzuje się doskonałymi osiągami, zapewniając pasażerom cichą i komfortową przestrzeń;
  • Zaawansowany technologicznie system kontroli środowiska: pojazd wyposażony jest w klimatyzację o wysokiej częstotliwości konwersji mocy, aby w chłodnym sezonie zimowym i gorącym letnim zapewnić poczucie wiosny. Jednocześnie, system nawiewu powietrza jest również wyposażony w system sterylizacji jonami światła, które mogą skutecznie usuwać bakterie i wirusy, które istnieją w powietrzu, zapewniając bezpieczeństwo układu oddechowego pasażerów;
  • Koncepcja ekologiczna: „zerowa” emisja zanieczyszczeń i gazów cieplarnianych głęboko wdrożyła koncepcję transportu „ekologicznego i przyjaznego dla środowiska” i umożliwiła pasażerom ekologiczną podróż.

Czy poza tramwajem firma zapewnia odpowiednie zaplecze potrzebne do przechowywania i tankowania wodoru?

Tramwaje zasilane wodorem będą wyposażone w pokładowe urządzenie do magazynowania wodoru i port do jego tankowania poprzez naziemne stacje, obsługiwane przez podmioty zajmujące się produkcją i dystrybucją wodoru.

Od pewnego czasu mówi się, że Chiny przestawiają się na „zieloną energię”. Jak wygląda kwestia dostępności wodoru?

Energia wodorowa jest uznawana za czyste źródło energii. Jej źródła są bogate, a jego wartość opałowa jest ponad 3 razy większa od wartości opałowej benzyny, którą można efektywnie przekształcić w inne formy energii. Podczas jej wykorzystania jako produkt uboczny otrzymujemy tylko czystą wodę bez żadnych szkodliwych substancji. Jako nośnik energii, wodór ma ważne zastosowania w różnych dziedzinach, takich jak transport, przemysł i budownictwo, a wykorzystanie energii wodorowej może znacznie poprawić elastyczność systemu energetycznego.

Jako nośnik energii, energia wodorowa może być konwertowana, obejmując trzy dziedziny: energię elektryczną, ogrzewanie i paliwo, przy tym wspierając integrację dostaw energii i poprawiając efektywność jej wykorzystania.

Zdecydowanie najbardziej wydajnym sposobem wykorzystania energii wodorowej są ogniwa paliwowe. Jako nowa technologia zielonej energii, wodorowe ogniwo paliwowe można przekształcić wodór w energię elektryczną poprzez reakcję elektrochemiczną, a proces jej konwersji nie jest ograniczony Cyklem Carnota. Ogniwa charakteryzują się wysoką sprawnością konwersji energii, zerowym zanieczyszczeniem, niskim poziomem hałasu, modułową budową i większą mocą. Mogą być stosowane jako scentralizowane źródło zasilania, a także jako zdecentralizowane zasilanie. Są one najbardziej obiecującym rozwiązaniem dla zielonej energii XXI wieku.

Obecnie głównym typem ogniwa paliwowego wykorzystywanym w transporcie kolejowym jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów. W większości zastosowań ogniwo paliwowe jest sprzężone z kolejnym ogniwem lub innym urządzeniem magazynującym energię. W tej konfiguracji ogniwo paliwowe może służyć jako główne źródło zasilania, zasilające tramwaj lub ładujące akumulator. Ogniwo paliwowe dla tramwajów ma następujące zalety:

  • Ogniwo paliwowe wykorzystuje energię odnawialną (wodór) do zastąpienia energii elektrycznej i produktów naftowych, jego produktem reakcji jest woda i nie wywołuje zakłóceń napięcia;
  • Jego właściwości są w pełni kompatybilne z liniami niezelektryfikowanymi i może pracować na wszystkich istniejących liniach tramwajowych i kolejowych;
  • W niewielkim stopniu podlega wpływom warunków klimatycznych, zwłaszcza w przypadku działań wojskowych, katastrof i innych sytuacji kryzysowych, odgrywa szybką i skuteczną rolę w sytuacjach kryzysowych;
  • Dzięki niemu tradycyjny system zasilania trakcji i podstacji, nie jest wymagany, co pozwala uniknąć wypadków spowodowanych awarią systemu zasilania trakcji i pantografów oraz poprawić niezawodność eksploatacji;
  • Pozwala zmniejszyć inwestycje w system zasilania sieci trakcyjnej i znacznie obniżyć koszty projektu.

Wraz z poprawą osiągów i obniżeniem kosztów spowodowanym postępem technologicznym w dziedzinie ogniw paliwowych i systemu magazynowania energii, jak również dalszymi badaniami nad strategią zarządzania energią, bezpieczeństwo, niezawodność i ekonomiczność tramwajów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi będą dalej udoskonalane. Zastosowanie tramwajów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi będzie coraz bardziej powszechne dzięki podwójnemu zabezpieczeniu tramwajów i linii, jak również dzięki ulepszeniu technologii i obniżeniu kosztów odpowiednio tramwajów i systemów ogniw paliwowych.

Jakie są dalsze plany firmy związane z projektem wodorowego tramwaju?

W przyszłości CRRC Sifang będzie prowadzić energiczne działania w zakresie projektowania, badań i rozwoju tramwajów wodorowych, nasze cele to:

  • Dalsza optymalizacja i modernizacja systemu zasilania wodorowego w celu przyspieszenia stosowania tramwajów o dużej żywotności i wysokich osiągach przyspieszenia;
  • Dogłębne badania w zakresie zarządzania energią i kontroli hybrydowego systemu energetycznego oraz stworzenie strategii zarządzania energią hybrydową i kontroli;
  • Badania nad wysokociśnieniową technologią magazynowania wodoru w celu zwiększenia pojemności magazynowania wodoru na pokładzie i długodystansowego przebiegu;
  • Optymalizacja konfiguracji magazynowania energii i poprawa stopnia wykorzystania energii hamowania.

Jak wyglądają plany związane ze sprzedażą tramwaju poza Chiny? Czy widać już zainteresowanie potencjalnych odbiorców?

Jako nowy rodzaj czystej energii, paliwo wodorowe jest jednym z głównych trendów w globalnej eksploatacji i wykorzystaniu energii wodorowej. Ponieważ tramwaj wodorowy jest zasilany wodorowymi ogniwami paliwowymi, jest on zdolny do pracy bez sieci trakcyjnej i posiada doskonałe właściwości pracy ciągłej. Dzięki właściwościom przyjaznym dla środowiska i zerowemu uwalnianiu zanieczyszczeń podczas eksploatacji, stanowi zupełnie nowe rozwiązanie dla ruchu miejskiego.

Rządy, operatorzy i producenci w wielu krajach na całym świecie przywiązują dużą wagę do rozwoju i stosowania pojazdów napędzanych wodorem, a także do udanych ich zastosowań w eksploatacji komercyjnej. Dzięki niej i dalszej promocji pojazdów tego typu w Chinach ich producenci będą zdobywać coraz większe doświadczenie w praktycznych zastosowaniach oraz dalej optymalizować odpowiednie technologie. Sifang jest skłonny komunikować się z krajowymi i zagranicznymi grupami zainteresowanymi technologiami energii wodorowej i aktywnie promować pojazdy napędzane energią wodorową.

Czy można zdradzić coś na temat ceny np. jak wygląda koszt tramwaju w porównaniu z pojazdami o tradycyjnym napędzie?

Eksploatacja bez kontaktu z trakcją tramwajów na energię wodorową nie wpływa na krajobraz miejski, a na trasie nie ma potrzeby budowania stacji ładowania. Pojazd tankuje się wodorem w ciągu zaledwie 3 minut, a może przejechać 100 km, co w pewnym stopniu zmniejsza całkowity koszt inwestycji.