Результаты работы изложены на 12-й Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» и опубликованы в сборнике ее трудов.
Для развития горнодобывающей и металлургической отрасли необходима новая карьерная техника, в частности самосвалы. Их модернизируют с целью увеличить грузоподъемность и перевести с гидромеханической трансмиссии на электромеханическую.
Трансмиссия передает механическую энергию от двигателя к колесам, подъемнику кузова и другим исполнительным устройствам самосвала. Помимо трения и зацепления между агрегатами в гидромеханической трансмиссии энергия передается потоком жидкости, а в электромеханической — электромагнитным полем. Последнее позволяет в широком диапазоне варьировать крутящий момент двигателя и силу тяги, что важно для обеспечения комфортной и безаварийной эксплуатации транспортного средства.
Не менее значимый эффект от модернизации — повышение экологического класса самосвала. Принадлежность к тому или иному классу определяется содержанием в выхлопных газах вредных веществ: углеводородов, соединений серы, оксидов углерода и азота, а также твердых частиц. Образование продуктов сгорания, в свою очередь, зависит от вида топлива.
Перспективное инженерное решение — перевод самосвалов на водород. В процессе горения водород превращается в водяной пар, выделяя около 120 МДж/кг. Для сравнения: в ходе аналогичных реакций с участием дизеля или сжиженного природного газа тепла выделяется почти в три раза меньше.
Значительную долю карьерной техники наша страна закупает у Белорусского автомобильного завода (БелАЗа) — машиностроительного предприятия с более чем полувековой историей, которое выпускает самые большие самосвалы в мире. В связи с этим ученые из МФТИ взяли продукцию БелАЗа за основу и разработали проект карьерного самосвала с электромеханической трансмиссией, работающего на водородном топливе.
За текущий и следующий год планируется изготовить и протестировать опытный образец. На самосвале БелАЗ-7530 установят генератор энергии на базе топливных элементов общей мощностью около 1 МВт, аккумуляторные батареи и суперконденсатор — электрохимическое устройство, состоящее из двух электродов и электролита между ними, которое быстро заряжается и разряжается. Наличие суперконденсатора в электрической цепи позволит даже при больших токах не терять, а аккумулировать энергию и обеспечивать ей электрооборудование самосвала, работающее в импульсном режиме.
Горючее для транспортного средства будут получать при электролизе воды, то есть разложении ее на составляющие — водород и кислород — под действием электрического тока. Кроме того, источником водорода является отходящий газ металлургического производства, ученые предусмотрели его улавливание и очистку. Заряжать самосвал предполагается на водородной автозаправочной станции, где водород сожмут под высоким давлением и закачают в баллоны.
«Увеличение грузоподъемности карьерных самосвалов позволяет задействовать в работе меньшее число техники и водителей,— пояснил Юрий Васильев, генеральный директор Инжинирингового центра „Автономная энергетика”, МФТИ.— Вместе с тем возрастают потери за каждый час простоя самосвала на ремонт или обслуживание».
«Применение нашего инженерного решения для перевода карьерной техники с дизеля на водород снизит профессиональную заболеваемость работников горно-обогатительного комбината, а также увеличит межремонтный интервал и эффективность эксплуатации транспортных средств,— добавил Владислав Карасевич, директор по научной работе Инжинирингового центра „Автономная энергетика”, МФТИ. — Заправлять технику планируется низкоуглеродным водородом, который будут получать из отходящего газа металлургического производства, и, по нашим оценкам, такое топливо конкурентоспособно».
Изготовление самосвалов с нулевыми выбросами вредных веществ и одновременное создание для них заправочной инфраструктуры сократит затраты на вентиляцию карьеров, улучшит экологическую обстановку в зоне их расположения и условия труда шахтеров.