Агромашини с водородно задвижване

Търсенето на водородни технологии нараства, като се има предвид техният потенциал да ускорят прехода към по-устойчиви форми на енергия и същевременно да поддържат настоящите енергийни модели с всичките им регионални вариации. Водородът е източник на гориво с нулеви емисии за влакове, автобуси, автомобили, фериботи, но също така и за машини, извън транспортната логистика, включително агромашини. Може да се използва като изходен газ за различни индустрии, като източник на топлина и енергия за сгради и да буферира енергия от възобновяеми източници. Водородното гориво се очертава като бъдеща алтернатива за устойчивост в много сектори.
Текст Списание АгроБио Техника

В последните години все повече високопроизводителни концепции и технологии за задвижване с водород достигнаха пазарна зрялост и проправиха пътя за цялостни водородни инфраструктури и автопарк. Водородът се очертава като ключ към по-екологична мобилност. Но потенциалът му се простира далеч отвъд екосистемата за мобилност на утрешния ден. Освен това той е безценен в широк спектър от индустриални приложения.

Двигатели с вътрешно горене и горивни клетки, работещи с неутрален по отношение на климата водород, могат да се използват за захранване не само на превозни средства, но и на професионални машини за извършване на специфични операции в агросектора. Водещи съвременни международни изложения за агротехника предлагат практически решения за двигатели с вътрешно горене и горивни клетки, задвижвани с водород, които могат да се използват заедно с електрически задвижвания и в различни хибридни конфигурации за захранване на агромашини.

Водородни двигатели

Съвременните водородни двигатели се основават на технология на горене, която е добре позната и доказана във времето при двигателите с вътрешно горене, но в същото време е адаптирана към устойчиво бъдеще. Предимствата на тази стратегия са очевидни - двигател с горене на водород може да бъде монтиран в същите машини, в които се монтира дизелов двигател, използвайки същата скоростна кутия, охладителна и хидравлична система.

Двигателят може да работи в прашна среда, издържа на силни вибрации и се предлага във всички размери и конфигурации. За преминаването към системи, задвижвани с водород, производителите на превозни средства и операторите на автопаркове могат да останат с познатата архитектура, при която бутален двигател се задвижва с водород, а не с дизел, бензин или природен газ.

Доказана технология и устойчиво гориво

За разлика от горивната клетка, двигателят с водородно горене е евтина алтернатива, която може бързо да се внедри с помощта на настоящата производствена инфраструктура, постигайки мобилност в селското стопанство с нулев въглероден отпечатък. Докато неговата ефективност е по-ниска от тази на горивната клетка при ниски и средни натоварвания, тя е по-висока при пълно натоварване.

Поради това експерти, като д-р Томас Пауер, президент на подразделението за решения за задвижване на Bosch, смятат водородния двигател за обещаваща технология в пазарите на машини, използвани извън транспортния сектор, и допълнение към технологията за горивни клетки, която бързо достига своите лимитиращи граници в тежките офроуд сектори. Агромашините често работят при високи натоварвания.

Сферата им на приложение е точното мястото, където водородният двигател се откроява със своята висока ефективност и здравина. Пример за тази концепция е TCG 7.8 H2 от Deutz, шестцилиндров двигател, базиран на съществуваща модулна двигателна система и подходящ за използване и извън пътя. Той не отделя въглерод и осигурява мощност от 220 киловата (299к.с.) при 2200об/мин

Освен пилотното си приложение в генератор за производство на електричество, двигателят може да се използва във всички настоящи приложения на Deutz, включително на пътя, офроуд, железопътни и индустриални приложения. Deutz вече планира да започне масово производство на двигателя през 2024г. като част от проекта HyCET.
„Водородът е важен лост за декарбонизация. Той има потенциала да направи много превозни средства неутрални по отношение на климата особено бързо“, споделя в свое изказване изпълнителният директор на Mahle, Арнд Франц.

Въпреки това, съществува предизвикателство при постигането на стабилна работа на двигателя. Водородът е по-лесно възпламеним от бензина и за инициирането на горене е необходимо по-малко енергия. Това поставя предизвикателство пред контрола на горивните процеси и предотвратяването на неволно самозапалване на водорода при контакт с горещи части в горивната камера на водородните двигатели. Всичко това би следвало да се предвиди в проектирането и конструирането на тези двигатели.

Предкамерна технология за стабилно горене

Mahle Jet Ignition решава споменатия по-горе проблем чрез запалване на малко количество от запалима смес в предкамерата на цилиндъра. Получената газова плазма се насочва през малки отвори в основната горивна камера, където, благодарение на високото си енергийно съдържание, бързо и равномерно запалва основната газова смес. Според компанията тестовете с двигателите H966 и H964 на Liebherr са показали изключителни резултати по отношение на скоростта на горене, мощността и емисиите.

H966 е основният елемент на новия верижен багер на Liebherr, R9XX H2. Той използва водороден двигател, който е разработен за полеви тестове и се основава на портово впръскване на гориво (PFI) с предварително загряване на сместа въздух/гориво в порта. Резултатите, постигнати с тази технология, показват потенциала на водородното задвижване за приложения извън магистрала. Liebherr работи и върху допълнителни технологии за водородно задвижване, като директно впръскване (DI) на водород.

Последните обещават по-висока плътност на мощността от впръскването на водородно гориво в порт и следователно са подходящи за взискателни тежки приложения в строителната, минната и агро промишлеността. Освен директно впръскване на водород, новият инжектор AFI-LP (инжектор за алтернативно гориво - ниско налягане) може да използва и други горива като метанол, като по този начин осигурява възможно най-голямата гъвкавост за производителите на двигатели.

Liebherr има за цел да започне масово производство на своите водородни двигатели до 2025г. Точно като Bosch, технологичната компания също провежда изследвания върху инжекционни решения, за да оптимизира допълнително изгарянето и плътността на мощността. „Експертните познания на нашия инженерен екип за алтернативни горива са от централно значение в това развитие,” обяснява Бузид Себа, ръководител развитие в Liebherr Machines Bulle. Изявлението му подчертава отворения технологичен подход, който Liebherr възприема при работа с различни технологии и горивата, които са подходящи за тях. 

Преосмисляне на мощността на двигателя

Съвременните проучвания показват, че алтернативните горива изискват оптимизирани двигатели, проектирани за съвместимост от самото начало, и Cummins работи върху такива нови платформи за двигатели. „Целта е да постигнем по-ефективен двигател с по-висока плътност на мощността чрез прилагане на гъвкави системи на разпределителния вал, подобрено охлаждане и намалено триене.

Ние също така разработихме усъвършенствана, оптимизирана горивна камера за горивната смес“, казва Шрикант Падманабхан, президент на бизнеса с двигатели Cummins. Целта тук също е да се избегнат ограничения на мощността и други компромиси, свързани с преминаването на сегашните дизелови двигатели или двигатели с природен газ към водород.

Един от все още нерешените проблеми е капацитетът на резервоара, тъй като водородът заема значително по-голям обем от дизела за същото енергийно съдържание - около пет до осем пъти по-голям обем на резервоара би бил необходим. Стабилните съдове под налягане от въглеродни влакна са възможен подход за осигуряване на по-големи обеми водород за горивна клетка или двигател с вътрешно горене. Разработват се обаче и прагматични решения, като мобилен агрегат за зареждане с гориво от JCB.

Британският производител на строителни и селскостопански машини е инвестирал над 100 милиона паунда в разработването на високоефективни водородни двигатели и вече е представил работещи прототипи на багер и телескопичен товарач. Сега те се допълват от мобилна зареждаща станция, която позволява машините да се зареждат бързо и лесно на място с помощта на дюза. Процесът е същият като този, използван на строителни площадки, където конвенционално задвижваните машини се зареждат с дизел от камион цистерна.

Същност на водородните горивни клетки

Електрическите превозни средства с водородни горивни клетки (FCEV), включително агромашини, се захранват с електричество и като емисии произвеждат само водни пари. В тях енергията се съхранява не в батерия, а под формата на компресирано водородно гориво. Водородните горивни клетки преобразуват сгъстения водород в електричество, което захранва електрически мотор, осигурявайки подобен обхват на приложение като двигателите с вътрешно горене, използващи бензин или дизел.

Сърцето на водородната горивна клетка е мембранен електроден модул, който се състои от протонообменна мембрана, поставена между два електрода, анод и катод. Анодът е отрицателният електрод, където се въвежда водородно гориво, а катодът е положителният електрод, където се въвежда кислород. Тъй като водородното гориво се въвежда към анода, то се разделя на протони (H+) и електрони (e-) чрез каталитичен процес. След това протоните се транспортират през протонообменната мембрана към катода, докато електроните са принудени да поемат по външна верига за генериране на електрически ток. На катода протоните, електроните и кислорода от въздуха реагират, образувайки вода и отделяйки топлина.

Предимства на водородните горивни клетки

Водородните горивни клетки предлагат няколко предимства пред традиционните двигатели с вътрешно горене, включително по-висока ефективност, по-ниски емисии и по-тиха работа. Те също са много гъвкави, тъй като могат да се използват в различни приложения, от транспорт до стационарно производство на електроенергия.
В допълнение към намаляването на емисиите, водородните горивни клетки могат също да осигурят спестяване на разходи за фермерите.

Въпреки че първоначалната инвестиция в технологията за горивни клетки може да бъде по-висока от традиционните системи, базирани на изкопаеми горива, дългосрочните спестявания от намалените разходи за гориво и разходите за поддръжка могат да надхвърлят първоначалната инвестиция. Освен това, с развитието на водородната инфраструктура и нарастващото приемане на технологията за водородни горивни клетки, разходите за производство на водород се очаква да намалеят, което ще го направи още по-конкурентно гориво по отношение на разходите