Wodór na lodzie, to miło!
Zastosowanie wodoru w silniku Tier-3 NextFuel™ wyróżnia Wabtec jako lidera w dziedzinie paliw alternatywnych
„Pierwszy ogień” na wodorze
Zapamiętaj tę datę: 15 maja 2024 r.
W środę po południu, w ośrodku testowym w głównym kampusie Southwest Research Institute (SwRI) w San Antonio w Teksasie, inżynierowie Wabtec osiągnęli „pierwszy pożar” (tj. spalanie) w dwupaliwowym silniku wodorowo-wysokoprężnym.
Wprowadzili wodór do pełnoskalowego silnika Wabtec Evolution Series Tier 3 o mocy 4500 koni mechanicznych, który jest podstawą flot lokomotyw kolejowych na całym świecie (obecnie w eksploatacji jest kilka tysięcy lokomotyw z silnikami serii Evolution) i działał... w ramach oczekiwanych parametrów.
Żeby było jasne: wodorowy silnik spalinowy (H₂ ICE) jest wciąż wolny od lat. Jednak osiągnięcie „pierwszego ognia” jest ważnym wczesnym krokiem na tej drodze, a dotarcie do tego punktu podkreśla innowacyjnego ducha - i praktyczne podejście biznesowe Wabtec - jako lider w już oszczędnym paliwowym przemyśle kolejowym w kierunku zerowej przyszłości.
Podejście „różnorodne”: silniki dwupaliwowe
Wodór jako źródło paliwa (niekopalnego) przyciągnął wyobraźnię kolei towarowych i całego biznesu, ponieważ spala się bez emisji dwutlenku węgla. Chociaż sam pierwiastek jest szeroko obfity we wszechświecie, duże zapasy „zielonego”, konkurencyjnego pod względem kosztów wodoru i wymaganej infrastruktury do jego dystrybucji nie są. Jest to również najlżejszy element i niezwykle łatwopalny, stwarzając wyjątkowe wyzwania projektowe dla projektantów silników lokomotyw.
Jednak pomimo wielu unikalnych cech wodoru, Wabtec uważa, że odpowiedzią na przekształcenie go w wydajne paliwo o zerowej emisji dwutlenku węgla dla istniejących flot lokomotyw towarowych leży w jego podobieństwach z innymi źródłami energii. Innymi słowy, H₂ jest gazem, a Wabtec wie, jak spalać gaz w wysokowydajnym silniku spalinowym. Jeszcze lepiej, Wabtec wie, jak spalać gaz ziemny w silniku dwupaliwowym, który w razie potrzeby może bezproblemowo przełączyć się z powrotem na olej napędowy, co już robi w środowisku komercyjnym dzięki lokomotywie NextFuel™ dla Florida East Coast Railway.
To rozróżnienie jest ważne, ponieważ po raz kolejny firma Wabtec skutecznie wprowadza innowacje, pokazując branży, że nie musi ponownie wymyślać koła, aby dostosować się do powstającego alternatywnego źródła paliwa. Zamiast tego firma Wabtec stara się, aby to paliwo alternatywne, w tym przypadku wodór, działało skutecznie w ramach istniejącej platformy silnikowej stworzonej specjalnie z myślą o elastyczności (paliwowej), umożliwiając klientom korzystanie z nowych paliw, gdy staną się opłacalne.
„Pokusa traktowania wodoru i opracowanie wodorowego silnika spalinowego jako wyzwania wymagającego radykalnie nowego podejścia jest potężna, ale udało nam się oprzeć dzięki dobremu planowaniu i jeszcze lepszej realizacji” - mówi Jim Gamble, wiceprezes ds. rozwiązań silników i mocy w Wabtec. „Dzięki naszym dwupaliwowym silnikom NextFuel™ firma Wabtec zmodyfikowała nasze popularne istniejące silniki wysokoprężne do a) dostosowania paliw alternatywnych i b) płynnie — i automatycznie — w razie potrzeby z powrotem na olej napędowy”.
Takie podejście do innowacji zapewnia, że potrzeby klientów kolejowych są wbudowane w technologie redukujące emisję, zwłaszcza ich obawy dotyczące infrastruktury paliw alternatywnych i dostępności. Na przykład sukcesy Wabtec polegające na stosowaniu paliw alternatywnych w istniejących silnikach z zestawami NextFuel, czy to LNG, biodiesel czy odnawialny olej napędowy, umożliwiają przewoźnikom przełączanie się między rodzajami paliwa w zależności od potrzeb sytuacji na ziemi. Oznacza to, że gdy paliwo alternatywne nie jest dostępne na danym terytorium lub infrastruktura do jego dostarczenia nie jest gotowa w danym momencie, olej napędowy może i będzie nadal wykonywać pracę — automatycznie, a wszystko to przy użyciu jednego, wysokowydajnego silnika.
Jest to szczególnie ważne w ewolucji silników spalających wodór, gdzie budowa infrastruktury paliwowo-wodorowej jest na tak wczesnym etapie, jak rozwój samego H₂ ICE.
„Dowiedzieliśmy się z doświadczenia, że nie jest dobrym pomysłem wprowadzanie innowacji w obliczu tego, z czego nasi klienci kolejowi mogą praktycznie korzystać” - dodaje Gamble. „Poczyniając postępy w wykorzystaniu wodoru jako paliwa na naszej działającej platformie NextFuel, zapewniamy, że postęp, który poczyniamy, odbywa się w ramach modelu dostawy, który branża już przyjęła i który może łatwo dostosować”.
Przybliżenie wodoru do klienta
Wabtec robi fale w dziedzinie pociągów napędzanych wodorem, odkąd ogłosił duże umowy badawcze z Oak Ridge i Argonne National Laboratories Departamentu Ener gii. Prace te koncentrowały się na testowaniu różnych paliw alternatywnych, w tym wodoru, na jednocylindrowych dwupaliwowych silnikach lokomotyw Wabtec w laboratorium Oak Ridge.
Równolegle z założeniem tego ważnego stanowiska testowego, kierownictwo Wabtec rzuciło wyzwanie zespołowi Engine and Power Solutions, aby przybliżyć badania nad wodorem „do klienta” i ich codziennego doświadczenia, czyniąc je mniej teoretycznymi i czymś, co mogliby dotknąć i poczuć.
Rezultatem było nowe partnerstwo z SwRI i schemat wodorowy przeprowadzony na silniku NextFuel Evolution Series Tier 3, podobnym do tego używanego w Florida East Coast Railway, z modyfikacjami dotyczącymi zużycia paliwa wodorowego. Ten dwupaliwowy silnik był „naturalny” do wstępnych testów wodoru, ponieważ również spalał gaz, tj. gaz ziemny, wraz z olejem napędowym.
Jednak pomijając cechy wspólne, wodór nie jest gazem ziemnym. Na początek wodór jest o wiele lżejszy. W rzeczywistości, jako najlżejszy element układu okresowego, chce wznieść się o trzy piętra na sekundę. Trzeba było zobaczyć, jak wpłynęłoby to na konstrukcję układu dostarczania paliwa silnika. Ponadto energia zapłonu wodoru jest bardzo niska - znacznie niższa niż gazu ziemnego - a jego zakres palności jest niezwykle szeroki.
Spalanie ma znaczenie
To powiedziawszy, Wabtec rozpoczął te testy z pozycji siły. Zmodyfikował już silnik Evolution Series Tier 3 do spalania gazu ziemnego, wprowadzając zmiany zarówno w silniku, jak i sprzęcie lokomotyw.
Celem Wabtec jest przywrócenie, a w niektórych przypadkach przeskoczenie tych postępów, wprowadzając poprawki i większe zmiany niezbędne do skorygowania, a następnie optymalizacji wodoru jako zrównoważonego źródła paliwa. Na przykład, czy obecna architektura rurociągów i silnika jest wystarczająca do zasilania wodoru, który jest 6 razy lżejszy od gazu ziemnego, z tarczy do komory spalania? Czy lepiej byłoby wtryskiwać wodór bezpośrednio do komory spalania (wtrysk bezpośredni) w porównaniu do kolektora dolotowego (wtrysk portu)?
Te i setki innych pytań i zmiennych są i będą przedmiotem szeroko zakrojonych testów zarówno jednocylindrowych instalacji w Oak Ridge National Laboratory, jak i silnika Tier 3 NextFuel w SWRi.
„Jeden, cholerny początek”
„Jesteśmy w ekscytującym punkcie zwrotnym w naszym myśleniu o wodorze, w którym możemy przejść od teoretycznego do faktycznego testowania naszych założeń na prawdziwych, wysokowydajnych silnikach, których nasi klienci dobrze znają i na których polegają” - podsumowuje Gamble. „Słuchając naszych klientów i skupiając się na sposobach szybkiego, stopniowego i możliwie bezproblemowego dostarczania technologii oszczędzających emisje, firma Wabtec umożliwiła branży kolejowej towarowej znaczący wpływ na cele redukcji emisji dwutlenku węgla”.