I Побудительные мотивы для разработки проекта:
Основной целью инновационного развития водородных технологий и топливных элементов во всем мире является формирование рынка водородной экономики, создание рабочих мест, поиск экономических ниш и выгодных направлений инвестиционных вложений на перспективу в самые разнообразные области мирового рынка включая: химическую промышленность, нефтехимию и газохимию, металлургию, энергетику, пищевую и легкую промышленность, наземный, воздушный и космический транспорт, автономное и аварийное энергоснабжение.
О достигнутом прогрессе наглядно свидетельствует тот факт, что в сентябре 2009 года десять мировых ведущих автопроизводителей обратились к энергетическим компаниям, а также к правительствам стран мира с предложением о создании широкой сети водородных заправочных станций к 2015 году. Такая сеть ВЗС является необходимым элементом международной транспортной инфраструктуры для начала серийного производства водородных автомобилей.
Действительно, в 2014 году ведущая японская автомобильная компания Toyota Motor начала продажи серийного водородного автомобиля на топливных элементах. Ориентировочная стоимость седана Mirai, что в переводе с японского означает «будущее», составит 6,7 миллиона иен ($56500).
Рисунок 1 – Toyota Mirai
В настоящее время началось серийное производство автомобилей Hyundai Motor Company (Корея), Honda Motor Co., Ltd. (Япония). Ведущие автомобильные компании Европы и США также объявили о возможности организации серийного производства водородных автомобилей и автобусов в самое ближайшее время.
Начало производства водородных автомобилей и их эксплуатация в разных странах стали возможны в результате формирования международной системы технического регулирования, охватывающей широкий диапазон требований, касающийся вопросов безопасности в области производства, хранения, транспортирования и использования водорода и топливных элементов, а также оценки работоспособности, долговечности эффективности и экологической безопасности водородных транспортных средств.
При этом разработка международных требований безопасности в области водородных технологий, включая автомобильный транспорт и инфраструктуру его эксплуатации, является само по себе сложным инновационным проектом, позволяющим всем желающим включиться в работу на разных стадиях его развития. Это свидетельствует о том, что не один участник такого глобального проекта не в состоянии от начала до конца реализовать его в одиночку.
Мировое сообщество, оказывает предприятиям, вкладывающим средства в развитие водородных технологий всестороннюю поддержку. Многие страны, активно продвигают водородную инфраструктуру позволяющую эксплуатировать водородные автомобили, включая строительство водородных заправочных станций.
Обращает на себя внимание тот факт, что интерес к вопросам водородных технологий проявляют не только страны – лидеры автопрома, но и государства из второго десятка автопроизводителей, а также не имеющие собственного производства автомобилей. К таким заинтересованным странам относятся: Канада, Великобритания, Швеция, Норвегия, Дания и другие государства, имеющие опыт в использовании водородных технологий в различных отраслях своей хозяйственной деятельности.
Этот интерес связан с тем, что мировой рынок, связанный с организацией эксплуатации водородных транспортных средств, формируется в рамках широкого международного сотрудничества и определяется не только производством автомобильной техники, но и развитием инфраструктуры, для ее заправки и технического обслуживания. При этом вопросам безопасности уделяется первостепенное значение.
Для этих целей ведется разработка сложных автоматизированных систем безопасности, систем хранения водорода как в сжиженном, так и в компримированном состоянии с давлением до 70 МРа. Накопленный мировой опыт при создании указанной инновационной техники активно внедряется при разработке требований безопасности в области водородных технологий и топливных элементов.
Наша страна также имеет давние традиции в развитии водородных технологи и богатый опыт в крупнотоннажном производстве и применении водорода.
Суммарное производство водорода в мире оценивается в объеме 55–58 млн. тонн в год. Доля Российской Федерации по оценке некоторых экспертов составляет 8–10% от мировых объемов производства.
Надо сказать, что технологии водородной энергетики, в том числе топливные элементы, во всем мире переступили рубеж НИОКР и в настоящее время находятся на стадии коммерциализации. В этой связи, задача внедрения водородных технологий относится в большей степени к экономическо-административной сфере деятельности, чем к разработке научно-технической продукции.
Говоря о применении водорода в качестве топлива для автомобильного транспорта, следует обратить внимание на обстоятельства, связанные с тем, что вопросы глобализации рыночных отношений, не смотря на активно формирующийся тренд, связанный с импортозамещением, продолжают являться доминирующим фактором развития национальной экономики.
Наша страна не является лидером мирового автопрома и не ставит перед собою такую амбициозную задачу. Россия располагается в середине второго десятка стран автопроизводителей. По оценке экспертов объем производства автомобилей в мире достиг 90 млн. ед. Доля России в нем не превышает 2–3%. В силу этих объективных обстоятельств ни государство, ни российские предприятия не в состоянии самостоятельно сконцентрировать свои ресурсы на создание инновационных водородных автомобилей и должны учитывать этот глобальный тренд мировой экономики при формировании своей технической политики.
Необходимо учитывать, что половина российских автомобилей производится лидерами мирового автопрома на дочерних предприятиях, являющихся резидентами Российской Федерации. Они владеют водородными технологиями во всем объеме, необходимом для внедрения водородного транспорта в России и странах СНГ.
Задача государства и российского бизнеса создать условия, для того чтобы эти инновационные разработки коммерциализировались в самое ближайшее время. Важным элементом такой политики является активное внедрение передовой нормативно–технической базы, гармонизированной с международной системой стандартизации, и формирование экономических условий коммерциализации инновационных разработок посредством создания свободных экономических зон и лояльной финансовой политики. Такая работа в рамках Таможенного Союза уже проводится. Это обстоятельство имеет важное значения для экспорта водородных автомобилей на топливных элементах, которые в соответствии с международным стандартом IEC TS 62282–1:2010, являются разновидностью электромобиля.
Создание типового проекта водородного транспортно-энергетического комплекса, включающего в себя заправочные станции и парк водородных автомобилей, в количестве необходимом для обеспечения их эффективной эксплуатации, является сложной задачей. Важным условием успешной коммерциализации проекта является создание многотопливных-заправочных станций, в том числе на базе действующих АЗС, АГЗС, АГНКС.
II Техническое регулирование:
Активизация работы в направлении создания системы стандартизации в области водородных технологий и топливных элементов обусловлена ростом понимания того, что указанные технологии являются предметом глобального инновационного развития. Крупнейшие нефтяные, газовые и автомобилестроительные концерны при активной поддержке правительств своих стран и международных фондов вкладывают беспрецедентно большие средства в программы развития водородных технологий и топливных элементов.
В 1990 году Международная организация по стандартизации (ИСО) создала Технический комитет «Водородные технологии» (ISO/ТС 197). В состав ISO/TC197 вошли 19 стран–участников и 14 стран–наблюдателей. В 1999 году технический комитет ISO/ТС 197 разработал первый стандарт, связанный с развитием водородных технологий (ISO 14687–1:1999).
В настоящее время ISO/TC 197 разработал 18 международных стандартов, в которых установлены требования к технологическому оборудованию, транспортным средствам и их компонентам на основе водородных технологий, включая требования безопасности к установкам для производства, хранения и транспортирования водорода, а также к транспортным средствам работающим на водородном топливе, заправочной и запорной арматуре, приборам для определения концентрации водорода и др. Технический комитет ISO/TC197 сотрудничает с другими техническими комитетами ИСО, такими как: ISO/TC 58 «Газовые баллоны», ISO/TC 22 «Дорожный транспорт», а также с техническими комитетами Международной электротехнической комиссии МЭК
В 2004 году Международная электротехническая комиссия (МЭК) приняла первый международный стандарт из серии IEC 62282 (Технологии топливных элементов). Разработка этой серии стандартов возложена на Технический комитет «Технологии топливных элементов» (IEC/TC 105), в состав которого вошли 17 стран–участниц и 14 стран–наблюдателей. В настоящее время IEC/TC 197 разработал 16 международных стандартов в области технологий топливных элементов.
Рисунок 2 – Техническое регулирование в области водородных технологий и топливных элементов
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) в соответствии с Федеральным законом от 27 декабря 2002 года № 184-ФЗ 2 «О техническом регулировании», по инициативе Национальной ассоциации водородной энергетики (НАВЭ) создало национальный Технический комитет «Водородные технологии» (ТК 029), деятельность которого сосредоточена главным образом на имплементации международных стандартов в области водородных технологий и топливных элементов в национальную систему стандартизации, а также включении Российской Федерации в качестве основного игрока в развивающиеся сегменты мирового рынка водородного экономики.
Технические комитеты ISO/TC197 и IEC/TC105 регулярно пересматривают международные стандарты с учетом накопленного опыта коммерциализации водородных технологий и топливных элементов.
Особенностью настоящего проекта является возможность участия Российской Федерации в глобальном продвижении водородных технологий, поиске и освоении рыночных ниш в маркетинговой деятельности коммерческих организаций, связанных с инновационными технологиями, на основе новейшей нормативно-технической базы национальных и межгосударственных стандартов, гармонизированных с международными стандартами ИСО и МЭК.
С этой точки зрения важным документом является Технический регламент Таможенного Союза «О безопасности машин и оборудования» (ТР ТС 010/2011), принятый решением Комиссии Таможенного Союза от 18 октября 2011 года, который вступил в силу 15.02.2013 года.
Он устанавливает минимально необходимые требования безопасности машин и (или) оборудования при разработке (проектировании), изготовлении, монтаже, наладке, эксплуатации, хранении, транспортировании, реализации и утилизации в целях защиты жизни или здоровья человека, имущества, охраны окружающей среды, жизни и здоровья животных, предупреждения действий, вводящих в заблуждение потребителей.
Действие технического регламента распространяется на машины и (или) оборудование, применяемые на опасных производственных объектах. Обеспечение требований безопасности устанавливается непосредственно ТР ТС 010/2011, либо выполнением требований:
- стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований данного технического регламента Таможенного Союза;
- стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимых для применения и исполнения требований технического регламента ТР ТС 010/2011 и осуществления оценки (подтверждения) соответствия продукции на соответствующие виды машин и (или) оборудования.
Перечень стандартов, в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается соблюдение требований технического регламента Таможенного Союза «О безопасности машин и оборудования», актуализирован решением коллегии Евразийской экономической комиссии (от 19 мая 2015 года № 55) «О внесении изменений в решение комиссии Таможенного Союза от 18 октября 2011 года № 823. В актуализированный перечень (раздел 60) включен ГОСТ 54113–2010 «Соединительные устройства для многократной заправки сжатым водородом наземных транспортных средств» (п. 937).
Перечень стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований Технического регламента Таможенного Союза «О безопасности машин и оборудования» и осуществления оценки (подтверждения) соответствия продукции актуализирован тем же решением коллегии Евразийской экономической комиссии от 19 мая 2015 года № 55. В актуализированный перечень в (раздел 56) включены следующие стандарты:
- ГОСТ Р ИСО 22734–1–2013 «Генераторы водородные на основе электролиза воды. Часть 1. Промышленное и коммерческое применение» (п.789);
- ГОСТ 54110–2010 «Водородные генераторы на основе технологий переработки топлива. Часть 1. Безопасность» (п. 804);
- ГОСТ Р 54110–2010 «Передвижные устройства и системы для хранения водорода на основе гидридов металлов» (п. 805);
- ГОСТ Р 55226–2012 «Водород газообразный. Заправочные станции» (п.808).
Выполнение на добровольной основе требований указанных стандартов свидетельствует о соответствии машин и (или) оборудования требованиям безопасности Технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 010/2011 «О безопасности машин и оборудования». Перечень объектов технического регулирования, подлежащих подтверждению соответствия требованиям технического регламента Таможенного Союза ТР ТС 010/2011 в форме декларирования соответствия представлен в Приложении 3 технического регламента.
К таким объектам относятся следующие виды машин и оборудования, которые могут быть связаны с использованием водородных технологий, в частности:
– турбины и установки газотурбинные (п.1);
– транспорт производственный напольный безрельсовый (п.8);
– оборудование химическое, нефтегазоперерабатывающее (п.9);
– оборудование криогенное, компрессорное, холодильное (п.12);
– автопогрузчики (п.27);
– машины и оборудование для коммунального хозяйства (п.37).
Важное значение имеет и то обстоятельство, что требования указанных стандартов могут быть распространены на таможенную территорию стран Таможенного Союза (Белоруссия, Казахстан, Россия, Армения, Киргизия), что существенно расширяет географию их использования. Следует иметь ввиду, что правовые, экономические и социальные основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов в России определяет также Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗ (ред. от 31.12.2014) «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», который направлен на предупреждение аварий на опасных производственных объектах.
Постановлением Госгортехнадзора РФ от 6 июня 2003 г. N 75 введены “Правила безопасности при производстве водорода методом электролиза воды”, действе которых после введение Федерального закона от 27.12.2002 N 184-ФЗ “О техническом регулировании” ограничивается рамками Федерального закона от 21.07.1997 N 116-ФЗ ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», в части не противоречащей национальным и межгосударственным стандартам Таможенного Союза в области водородных технологий и топливных элементов.
III Полное название проекта:
Разработка, создание и отладка опытного образца типового водородного транспортно-энергетического комплекса как продукта реализации гармонизированной системы технического регулирования в области водородных технологий, осуществление его опытной эксплуатации на маршруте общественного автомобильного транспорта.
IV Инициаторы проекта:
Национальная ассоциация водородной энергетики (НАВЭ). Технический комитет по стандартизации «Водородные технологии» ТК029 (РОССТАНДАРТ)
V Цель проекта:
Создать на основе международного сотрудничества водородный транспортно-энергетический комплекс (ВТЭК), включающий в себя водородные заправочные станции (ВЗС), парк водородных автобусов и автомобилей, на базе разработанных НАВЭ национальных и межгосударственных стандартов, идентичных международным стандартам ИСО и МЭК.
Укрепление позиций Российской Федерации в области международного сотрудничества с учетом общего тренда глобализации и наметившимися структурными сдвигами в международном разделении труда, связанными с активно формирующейся водородной экономикой будущего и улучшение экспортного потенциала страны.
Создания условий для импортозамещения на российском рынке продукции разрабатываемой в странах, уровень конкурентного противостояния которых ограничивает участие российских предприятий на международном рынке коммерциализации инновационной продукции. Продемонстрировать мировому сообществу стремление России к интеграции в областях, связанных с продвижением передовых энергетических технологий и другими странами заинтересованными в тесном экономическом сотрудничестве с Российской Федерацией.
VI Основные ожидаемые результаты:
Подтверждение и публичная демонстрация экологических и экономических преимуществ водородных транспортных средств. Формирование рабочих проектов «линейки» ВТЭК разной мощности под потребности заказчиков; создание основных необходимых предпосылок для коммерциализации производства и обслуживания ВТЭК.
Оценка эффективности перестройки национальной системы технического регулирования, связанной с использованием опережающего фактора имплементации международных стандартов в области инновационных технологий для стимулирования передовых позиций российской экономики в международном разделении труда. В ходе реализации проекта также ожидается подготовка к коммерциализации новых инновационных продуктов, связанных разработкой и организацией производства облегченного баллона для хранения водорода под давлением 70 MPa, водородной заправочной колонки, передвижного водородного заправщика, а также технологий применения водорода для нужд ЖКХ.
VII Общая характеристика проекта и основные требования для его разработки:
Предлагаемый проект носит модельный и демонстрационный характер. Он состоит в создании такой модели реализации ключевых водородных технологий, которая позволит системно преодолевать основные препятствия для выхода транспортных и коммунальных водородных энергетических технологий на национальный и международный рынок.
Проект ВТЭК технологически, экономически и организационно объединяет производство, распределение и потребление водорода, при этом водород может производиться не только методом электролиза, но и с использованием технологий переработки углеводородного сырья, а также в результате утилизации дешевых отходов или побочных продуктов массовых химических производств (ГОСТ Р 54110–2010).
В состав водородного транспортно-энергетического комплекса входят:
– автономные водородные заправочные станции (ВЗС), включающие оборудование для производства и компримирования газообразного водорода, а также заправки топливом водородных транспортных средств;
– водородные транспортные средства.
А. Требования к водородному топливу:
В соответствии с международными и действующими национальными стандартами (пп.10,11 таблица 1) водород в качестве топлива для различных видов энергоустановок классифицируется следующим образом:
Тип I, сорт A – топливо для двигателей внутреннего сгорания, использующихся в транспортных средствах и жилищно-коммунальном хозяйстве;
Тип I, сорт B – топливо для промышленного применения при производстве электроэнергии или в качестве источника тепла;
Тип I, сорт C – топливо, используемое в наземных вспомогательных комплексах для воздушного и космического транспорта;
Тип I, сорт D – газообразное водородное топливо для транспортных средств на топливных элементах (ТСТЭ) с протоннообменной мембраной;
Тип I, сорт E (категории 1,2,3) – газообразное водородное топливо для стационарных энергоустановок на топливных элементах в зависимости от требований, установленных изготовителем;
Тип II, сорт С – жидкое водородное топливо для бортовых двигательных установок воздушного и космического транспорта, для нужд электроэнергетики, наземного транспорта;
Тип II, сорт D – жидкое водородное топливо для ТСТЭ с протоннообменной мембраной;
Тип III – топливо для бортовых двигательных установок воздушного и космического транспорта.
Б. Требования к водородным заправочным станциям (ВЗС)
Проект предусматривает производство водорода на ВЗС методом электролиза воды, к преимуществам которого относятся:
- высокий КПД преобразования — 80 – 90%;
- высокая чистота получаемого водорода и кислорода – до 99,99% и выше;
- простота технологического процесса, его непрерывность, возможность полной автоматизации; физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза;
- длительный срок эксплуатации оборудования (минимум 10 лет);
- дешевое сырье-вода;
- экологически чистое производство.
В настоящее время на отечественном рынке имеются в наличии электролизные установки серии СЭУ производства УРАЛХИММАШ (г.Екатеринбург), фактически являющегося единственным производителем в стране. Установки СЭУ изготавливаются и эксплуатируются с начала 1950-х годов. Их конструкция отработана. Они достаточно надежны и долговечны. Производящиеся в соответствии с техническими условиями ТУ 3614–008–00217320–2004 отечественные установки имеют разрешение Ростехнадзора на применение № РРС-00–14568, полностью соответствуют требованиям Правилам безопасности при производстве водорода методом электролиза воды, утвержденным Постановлением Госгортехнадзора России от 6 июня 2003 г. № 75.
Кроме того, на рынках России и СНГ активно используются установки из Норвегии, Бельгии, Германии, Канады и других стран. Западные электролизные установки контейнерно-модульного типа имеют меньшие габариты, поставляются в собранном виде, при этом они достаточно адаптированы к условиям обслуживания и ремонта в нашей стране.
С 2013 года в Российской Федерации действует национальный стандарт ГОСТ Р 55226–2012 «Водород газообразный. Заправочные станции». ГОСТ Р 55226–2012 определяет технические требования к водородным заправочным станциям общего назначения, а также к ведомственным заправочным станциям, установленным на территории предприятий или организаций, предназначенным для заправки наземных транспортных средств газообразным водородом, используемым в качестве топлива.
Водородная заправочная станция включает в себя следующие устройства и системы,:
– системы подачи водорода по трубопроводу и в автоцистернах в газообразном и/или жидком виде;
– автономные генераторы водорода, использующие процесс электролиза воды, или генераторы водорода, использующие технологии переработки топлива;
– системы хранения, перекачивания и испарения сжиженного водорода;
– системы компримирования и очистки газообразного водорода;
– устройства для хранения газообразного водорода;
– топливораздаточные колонки газообразного водорода.
Рисунок 3 –– Газообразный водород. Заправочная станция
Национальный стандарт ГОСТ Р 55226–2012, включен с 2015 года в Перечень стандартов, содержащих правила и методы исследований (испытаний) и измерений, в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения требований Технического регламента Таможенного Союза «О безопасности машин и оборудования» и осуществления оценки (подтверждения) соответствия продукции, актуализированный решением коллегии Евразийской экономической комиссии (решение от 19 мая 2015 года № 55) «О внесении изменений в решение комиссии Таможенного Союза от 18 октября 2011 года № 823.
В. Требования к транспортным средствам на топливных элементах
Транспортное средство на топливных элементах, ТСТЭ (fuel cell vehicle, FCV) в соответствии с международным стандартом IEC TS 62282–1:2010 «Технологии топливных элементов. Часть 1. Терминология» представляет собой электрическое транспортное средство (электромобиль), в котором энергетическая система на топливных элементах подает питание на электродвигатель для приведения транспортного средства в движение.
В соответствии с действующей системой техничекого регулирования основные требования к колесным транспортным средствам ( в том числе к электромобилям) устанавливаются Техническим регламентом Таможенного Союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колесных транспортных средств». ТР ТС 018/2011 гармонизирован с требованиями Правил Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (Правила ЕЭК ООН)
Г. Организация международного сотрудничества для реализации проекта:
В мировой практике известны удачные примеры реализации международных проектов в области создания «водородных шоссе» (Япония, США, Канада, ФРГ ). На мировом рынке имеется ряд предложений по поставке водородных транспортных средств, включая легковые автомобили, автобусы и железнодорожный транспорт.
В сложившихся условиях перспективными направлениями международного сотрудничества могут быть страны готовые к серийному производству водородных автомобилей (Япония, Корея, ФРГ, США). С учетом экономической составляющей наиболее целесообразным является организация эксплуатации пассажирских автобусов с энергоустановкам на топливных элементах. Осуществление подобного проекта может быть основано на его самоокупаемости в течение 5–6 лет. В качестве объектов для реализации проекта можно рассмотреть автобусы BC Transit Fuel Cell Bas, Mersedes-Benz Citaro Fuel Cell Hybrid, Fuel Cеll Hydrid Midibus Benefis фирмы Hydrogenics и др. ранее используемых в различных международных проектах. BC Transit Fuel Cell Bas Mersedes-Benz Citaro Fuel Cell Hybrid
Рисунок 4 – Образцы водородных электрических автобусов с энергоустановкой на топливных элементах
Кроме того, водородные заправочные станции построенные в рамках реализации настоящего проекта, могут быть использованы для заправки других серийно выпускаемых водородных автомобилей, производство которых предназначено для открытой продажи неограниченному кругу потребителей в рамках сформированной национальной системы технического регулирования.
Д. Организация работы ВТЭК
В целях оценки экономической эффективности проекта произведен примерный расчет затрат на его строительство и организацию работы, а также произведена оценка доходности из условия использования одной ВЗС и 4 водородных автобусов вместительностью до 70 человек на маршруте протяженностью 130 км.
Предложенные в проекте транспортные технологические цепочки могли бы быть применены в дополнение в существующим маршрутам или введены в замен действующих маршрутов исходя и реальной хозяйственной целесообразности. В расчете эффективности применения ВТЭК приняты некоторые допущения, которые позволяют не загромождать излишней детализацией расчеты, но позволяют получить принципиальное понимание основных преимуществ и недостатков предлагаемых транспортных средств.
Длина маршрута 130 км в один конец. Стоимость проезда 250 руб. Дополнительные возможности по экономии затрат, вызванные использованием местных ресурсов при производстве водорода или применение передвижных водородных заправщиков водорода не учитывалось.
Конец первой части