Tramwaj wodorowy – chiński sposób na zeroemisyjny transport

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.