В Германии начала реализовываться стратегия постепенного отказа от дизельной тяги в пользу альтернативных источников энергии с целью декарбонизации транспорта. Для моторвагонных поездов это означает внедрение электрического тягового привода с возможностью рекуперации энергии при торможении. В последние годы в стране проведен ряд исследований, в которых проанализированы доступные в настоящее время технологии создания поездов с питанием от тяговых аккумуляторных батарей и контактной сети и от водородных топливных элементов в сочетании с тяговыми батареями.
Содержание
- Концепции альтернативной тяги
- Сравнение технологий альтернативной тяги в разных сценариях эксплуатации
- Перспективы
Электрический тяговый подвижной состав (электровозы и электропоезда) отличает наиболее высокий КПД по сравнению с другими видами тяги, а электродинамический тормоз позволяет рекуперировать энергию при торможении поезда. К числу преимуществ электровозов и электропоездов по сравнению с дизельным подвижным составом относят более низкие расходы на техническое обслуживание и меньший уровень шума. Поэтому идеальным решением была бы полная электрификация железных дорог. В 2021 г. на железных дорогах Германии (DB) потребление электроэнергии на тягу поездов составило 7445 ГВт·ч, причем 62,4 % этой энергии было получено из возобновляемых источников. Полностью перейти на «зеленую» электроэнергию DB планируют к 2038 г.
Вместе с тем по состоянию на 2021 г. было электрифицировано 61,5 % сети длиной 33 401 км, которая находится в ведении компании DB Netz — оператора железнодорожной инфраструктуры DB. На железнодорожной сети общего пользования Германии протяженностью 39 396 км уровень электрификации ниже — около 53,2 %. При этом основной объем перевозок выполняется электровозами и электропоездами — 98 % в дальних пассажирских сообщениях и 93 % — в грузовых. Несколько меньше доля электрической тяги в местных и региональных пассажирских сообщениях — 87 %. В ближайшие десятилетия электрифицировать всю железнодорожную сеть не получится, в том числе по экономическим причинам. Это требует применения альтернативных средств тяги поездов, причем прежде всего пассажирских.
Концепции альтернативной тяги
В последние годы изготовители подвижного состава разработали несколько концепций питания тягового привода, призванных заменить дизель-генератор. Некоторые из них уже используются на практике, другие вскоре появятся на рынке.
Поезда с питанием от водородных топливных элементов
Использование водорода является одним из способов обеспечить тягу поездов без выбросов углекислого газа, правда, решающее значение приобретает способ получения водорода, который также не должен оставлять углеродного следа. В топливных элементах в результате взаимодействия водорода с кислородом генерируется электрическая энергия, причем побочным продуктом становится только водяной пар.
Водород хранится под высоким давлением (обычно около 350 бар) в расположенных на крыше вагонов резервуарах. Размеры и масса этих резервуаров лимитируют дальность хода поезда без дозаправки.
Мощность топливных элементов ограниченна, и потому генерируемая электроэнергия не может сразу использоваться для питания тягового привода — требуется дополнительный накопитель на основе аккумуляторных батарей. Для обеспечения оптимального режима работы топливных элементов необходима система эффективного управления питанием на всех этапах движения поезда.
На этапе ускорения поезда потребление энергии тяговым приводом увеличивается, что требует его питания и от топливных элементов, и от аккумуляторных батарей.
На этапе поддержания постоянной скорости движения потребление энергии на тягу поезда снижается и основным потребителем становится вспомогательное оборудование поезда, прежде всего система кондиционирования. На этом этапе энергия из топливных элементов используется для подзарядки аккумуляторных батарей и питания преобразователя собственных нужд.
На этапе выбега топливные элементы могут быть отключены, а для питания вспомогательного оборудования достаточно аккумуляторных батарей.
Наконец, на этапе торможения аккумуляторные батареи должны принять максимум рекуперируемой электроэнергии, а для этого уровень их заряда должен быть достаточно низким.
Таким образом, для достижения высокой энергоэффективности поезда решающее значение приобретает грамотное проектирование всего комплекса «модуль топливных элементов — модуль аккумуляторных батарей — тяговый электропривод», а также бортовой системы управления электроснабжением.
В настоящее время дальность хода поездов с питанием от водородных топливных элементов и аккумуляторных батарей и традиционных дизель-поездов практически сравнялась. В сентябре 2022 г. серийный поезд на водородном топливе Coradia iLint 54 компании Alstom совершил рекордный пробег дальностью 1175 км по территории Германии, использовав 250 кг водорода (рис. 1). В нескольких регионах Германии уже эксплуатируются парки таких поездов.
Рис. 1. Поезд на водородном топливе Coradia iLint компании Alstom (фото: Alstom)
Разработанный компанией Siemens Mobility поезд на водородном топливе Mireo Plus H имеет дальность пробега без дозаправки 800 км (рис. 2).
Рис. 2. Поезд на водородном топливе Mireo Plus H компании Siemens Mobility (фото: Siemens)
Поезда на водородном топливе решают характерную для дизельного подвижного состава проблему выброса углекислого газа и прочих вредных веществ, однако обладают и рядом недостатков.
Для эксплуатации таких поездов необходима соответствующая инфраструктура пунктов заправки водородом. Для ее создания и обслуживания требуются значительные расходы, особенно если речь идет о большом парке поездов. Наиболее дешевым решением является подключение пункта заправки к трубопроводу для транспортировки водорода, наиболее дорогим — доставка сжиженного водорода автомобильным транспортом. Оптимальным решением могла бы стать выработка водорода непосредственно на месте с использованием возобновляемой энергии от солнечных или ветряных электростанций, причем емкости с водородом могли бы служить в качестве буферного накопителя при колебаниях доступной энергии ветра и солнца. Кроме того, сам процесс заправки водородом является достаточно сложным, для него необходимы дополнительные технические ресурсы — от компрессора требуемой мощности до датчиков, измеряющих уровень топлива в резервуарах поезда в процессе заправки.
Уровень безопасности поездов на водородном топливе очень высок, однако велики и расходы на техническое обслуживание и подвижного состава, и инфраструктуры заправочных пунктов. Их основные компоненты требуют полной или частичной замены минимум дважды в течение срока службы поездов. Соответственно увеличивается стоимость жизненного цикла такого подвижного состава.
Еще одним недостатком поездов на водородном топливе является более низкий КПД по сравнению с другими технологиями тяги. Непосредственно на поезде КПД силовой установки с питанием от водородных топливных элементов составляет примерно 55 % (с учетом рекуперации). При отсутствии возможности накапливать рекуперируемую энергию КПД падает до величины около 46 %.
При этом полезно также оценить общий КПД всей системы начиная от производства водорода. Процесс получения водорода путем электролиза имеет КПД около 84 %, процесс сжижения водорода — 80 %, транспортировка сжиженного водорода автомобильным транспортом — 97 %, его перевод в газообразное состояние — 91 %, КПД пункта заправки — 97 %. Как упоминалось выше, КПД только бортовой силовой установки равен 55 %, а общий КПД системы в целом — примерно 31 % при получении водорода из возобновляемых источников энергии. Это примерно соответствует дизель-поездам, использующим традиционное дизельное топливо. При переходе на синтетическое дизельное топливо, получаемое из возобновляемых источников, КПД составляет в настоящее время около 17 %.
Контактно-аккумуляторные поезда
Электропоезда, которые дополнительно оборудованы тяговыми аккумуляторными батареями, формируют вторую группу пассажирского подвижного состава, использующего альтернативные средства тяги. Их концепция сравнительно проста: в цепь постоянного тока современного электропоезда с асинхронными тяговыми двигателями включают накопитель с аккумуляторными батареями. При движении под контактной сетью происходит зарядка аккумуляторов, а на неэлектрифицированных участках они служат для питания тягового привода, причем у поезда по‑прежнему сохраняется возможность электродинамического торможения с накоплением рекуперируемой энергии.
Преимуществом контактно-аккумуляторных поездов является их высокая эффективность: при использовании электроэнергии из возобновляемых источников их КПД составляет примерно 75 %, что сопоставимо с электропоездами (82 %). Некоторое снижение КПД обусловлено потерями в процессе заряда и разряда тяговых аккумуляторных батарей.
Дальность хода таких поездов при автономном питании зависит исключительно от емкости накопителя энергии, которая ограничивается современной плотностью энергии батарей, а также допустимой массой поезда, осевой нагрузкой, погонной нагрузкой и габаритом подвижного состава. Можно ожидать, что в перспективе удельная емкость аккумуляторных батарей возрастет и контактно-аккумуляторные поезда смогут преодолевать большие расстояния по неэлектрифицированным участкам. В настоящее время региональные поезда с тяговыми аккумуляторами имеют дальность хода на одном заряде до 185 км, причем эта величина зависит от режима эксплуатации, сопротивления движению и температуры окружающей среды (т. е. потребности в обогреве или охлаждении воздуха в салоне). В Германии более 75 % неэлектрифицированных участков допускают обслуживание контактно-аккумуляторными поездами (подробнее см. «ЖДМ», 2021, № 8, с. 58 – 65). Для подзарядки тяговых аккумуляторов возможна островная электрификация сравнительно коротких участков или станционных путей.
Еще одним достоинством контактно-аккумуляторных поездов является возможность продолжения их эксплуатации и после электрификации линий на полигоне.
Вместе с тем для контактно-аккумуляторных поездов характерны определенные ограничения. В частности, для снижения их массы изготовители часто оборудуют такие поезда менее мощным (и более легким) тяговым оборудованием, что ухудшает их тяговые характеристики при движении с питанием от контактной сети по сравнению с сопоставимыми электропоездами.
Недостатками контактно-аккумуляторных поездов являются небольшой срок службы аккумуляторных батарей (из‑за ограниченного числа циклов заряда-разряда и потери емкости) и потребность в создании инфраструктуры пунктов подзарядки (пусть в форме островной электрификации) при обслуживании протяженных неэлектрифицированных участков. Для железных дорог, электрифицированных на переменном токе напряжением 15 кВ и частотой 16,7 Гц, прорабатываются технические решения, позволяющие существенно сократить стоимость пунктов подзарядки на неэлектрифицированных линиях за счет использования при островной электрификации системы переменного тока напряжением 15 кВ и частотой 50 Гц, что не потребует каких‑либо существенных изменений силового оборудования на поезде. Швейцарская компания Furrer+Frey успешно испытала такой пилотный пункт ускоренной подзарядки VOLTAR (рис. 3) с контактно-аккумуляторным поездом FLIRT Akku компании Stadler на станции Аммербух-Пфёффинген в Тюбингене (федеральная земля Баден-Вюртемберг). Для этого на поезде достаточно было внести некоторые изменения в программное обеспечение, управляющее силовым оборудованием.
Рис. 3. Пункт ускоренной подзарядки VOLTAR и контактно-аккумуляторный поезд FLIRT Akku на станции Аммербух-Пфёффинген (фото: Stadtwerke Tübingen)
Сравнение технологий альтернативной тяги в разных сценариях эксплуатации
В последние годы в Германии было проведено несколько исследований, в которых сравнивались по нескольким критериям поезда на водородном топливе и контактно-аккумуляторные в конкретных сценариях эксплуатации. В частности, такое исследование в 2022 г. выполнил Институт системных и инновационных исследований (ISI), входящий в Общество Фраунгофера. В этом исследовании на основе двух сценариев дана технико-экономическая оценка потенциала применения поездов на водородном топливе и поездов с тяговыми аккумуляторами.
Два смоделированных сценария предполагают типичные для Германии региональные перевозки между двумя конечными пунктами. Оба сценария упрощены за счет отказа от моделирования промежуточных остановок. Еще одним допущением является полное отсутствие на участках, изначально предназначенных для обслуживания дизель-поездами, какой‑либо инфраструктуры, пригодной для поддержки средств альтернативной тяги.
Сценарий 1 моделирует региональный маршрут длиной 40 км, по которому поезда следуют со средней скоростью 60 км/ч. В перевозках заняты два поезда, курсирующие с часовым интервалом в период между 6:00 и 21:40. Время стоянки поездов на конечных станциях составляет 20 мин, суммарный годовой пробег — 467,2 тыс. км.
Сценарий 2 построен на основе первого с той разницей, что длина маршрута увеличена до 80 км, а поезда следуют в каждом направлении 5 раз в день с тактом 1,5 ч (с 6:00 до 20:50). Средняя скорость движения не изменилась, но время стоянки на конечной станции сокращено до 10 мин. Суммарный годовой пробег двух поездов составляет 584 тыс. км.
При выборе технологии альтернативной тяги оператор должен учитывать все расходы, поэтому для экономического анализа применялся метод оценки стоимости жизненного цикла.
Закупочная стоимость
Стоимость поездов может значительно различаться в зависимости от их вместимости, типа тягового привода, емкости установленных накопителей энергии, размеров поставляемой партии и т. п. Для контактно-аккумуляторных поездов цены варьируются от 4,3 до 6,2 млн евро, для поездов на водородном топливе — от 4,5 до 6,9 млн евро.
При прочих равных условиях поезда на водородном топливе обходятся дороже по сравнению с контактно-аккумуляторными поездами из‑за применения технически более сложных компонентов.
Расходы на техническое обслуживание
Контактно-аккумуляторные поезда в целом являются менее затратными с точки зрения технического обслуживания по сравнению и с дизель-поездами, и с поездами на водородном топливе.
Техническое обслуживание, выполняемое при достижении определенного пробега, и капитальные ремонты, проводимые каждые 8 лет, обходятся для контактно-аккумуляторных поездов дешевле, чем для поездов на водородном топливе (соответственно 0,85 евро против 0,95 евро на 1 км пробега и 230 тыс. против 245 тыс. евро).
Срок службы тяговых аккумуляторов и систем топливных элементов сейчас значительно меньше, чем срок службы поезда. Для тяговых аккумуляторов он составляет от 8 до 15 лет, для топливных элементов — от 4 до 8 лет. Соответственно, следует учитывать расходы в размере от 1000 до 1300 евро/кВт на замену аккумуляторных батарей и от 1000 до 2000 евро/кВт для топливных элементов.
Энергоэффективность
В исследовании института ISI КПД контактно-аккумуляторного поезда при движении с питанием от тяговых батарей принят равным 77 %, а накопление энергии при рекуперативном торможении — 5 кВт·ч/км. При стоимости электроэнергии из контактной сети 0,12 евро/км удельный расход энергии на тягу поезда составляет 0,60 евро/км.
Для поезда на водородном топливе был принят КПД 46 %, а удельный расход водорода — 230 г/км. При плотности энергии 33,33 кВт·ч/кг водорода удельное потребление энергии составляет 7,7 кВт·ч/км. Прогнозируемая стоимость 1 кг водорода в долгосрочной перспективе принята равной 5 евро/кг.
Дальность хода без дозаправки или подзарядки
Традиционные дизель-поезда имеют дальность хода от 800 до 2000 км и способны без перерывов на дозаправку выполнять суточный пробег 300 – 1200 км.
Дальность хода контактно-аккумуляторных поездов по неэлектрифицированным линиям зависит от емкости накопителя. Удельная емкость современных аккумуляторных батарей — 140 Вт·ч/кг. Без подзарядки предлагаемые на рынке поезда с тяговыми аккумуляторами способны пройти 70 – 150 км. Соответственно, в течение суточного пробега требуется многократная подзарядка аккумуляторных батарей контактно-аккумуляторных поездов.
Благодаря высокой плотности энергии сжатого водорода его запаса в 260 кг у предлагаемых на рынке поездов достаточно для пробега до 1000 км без дозаправки. Соответственно, по этому показателю поезда на водородном топливе практически не уступают дизель-поездам.
Потребность в специализированной инфраструктуре
Контактно-аккумуляторный поезд получает электроэнергию для подзарядки тяговых аккумуляторов из контактной сети через токоприемник. При неподвижном поезде допустимый ток составляет 80 А, что при напряжении 15 кВ в контактной сети железных дорог Германии дает максимальную зарядную мощность 1,2 МВт.
Технически возможны два варианта создания пунктов подзарядки: короткий участок на станционных путях, на котором происходит подзарядка аккумуляторных батарей неподвижного поезда, или небольшой участок с классической контактной сетью, при движении по которому происходит подзарядка. Инвестиции в электрификацию такого участка составят примерно 950 тыс. евро/км, а текущие расходы — примерно 1 % этой суммы. Срок службы контактной сети составляет примерно 75 лет.
Для поездов на водородном топливе не нужна дополнительная инфраструктура на путях, но требуется доступный пункт заправки водородом (например, в депо). Инвестиции в его строительство составят 1 млн евро, эксплуатационные затраты — 30 тыс. евро. Срок службы такого пункта заправки в исследовании принят равным 30 годам.
Тяговые характеристики поездов
Дизель-поезда, применяемые в региональных сообщениях, имеют мощность от 530 до 780 кВт, позволяющую обеспечить ускорение от 0,6 до 1,2 м/с2 и скорость движения от 100 до 140 км/ч. Можно принять, что эти параметры достаточны для выполнения перевозок. По тяговым характеристикам поезда с тяговыми аккумуляторами и на водородном топливе, как минимум, не уступают дизель-поездам, а по ряду параметров существенно превосходят их. При питании от контактной сети мощность поездов с тяговыми аккумуляторами заметно увеличивается (в случае поезда Talent 3 — удваивается), что позволяет повысить скорость их движения до 160 км/ч (табл. 1 и рис. 4).
Рис. 4. Контактно-аккумуляторный поезд Talent 3 компании Alstom (фото: Alstom)
Стоимость жизненного цикла
Для определения стоимости жизненного цикла поездов и сопутствующей дополнительной инфраструктуры были выбраны параметры, основанные на данных за 2020 г. и приведенные в табл. 2.
Для выполнения перевозок по сценарию 1 (маршрут длиной 40 км) достаточно двух поездов на водородном топливе (суточный пробег каждого из них составит 640 км) и одного пункта заправки. Можно обойтись также двумя контактно-аккумуляторными поездами, причем электрифицировать участки на перегонах для их подзарядки не потребуется, поскольку 20‑минутной стоянки на конечной станции достаточно для полной зарядки тяговых аккумуляторов. Таким образом, для них необходимы два пункта подзарядки на конечных станциях маршрута.
Для сценария 2 (маршрут длиной 80 км) подзарядки тяговых аккумуляторов при 10‑минутной стоянке на конечных станциях становится недостаточно. На двухпутном участке потребуется электрифицировать около 23 км путей (не менее 11,33 км на каждый путь).
Результаты расчета стоимости жизненного цикла для двух сценариев эксплуатации приведены на рис. 5.
Рис. 5. Сравнение стоимости жизненного цикла контактно-аккумуляторных поездов и поездов на водородном топливе при двух сценариях эксплуатации
Очевидно, что для сценария 1 наилучшим будет выбор контактно-аккумуляторных поездов — их закупка и эксплуатация обойдутся примерно на 30 % дешевле по сравнению с поездами на водородном топливе. Это касается в первую очередь стоимости энергии на тягу поездов. Необходимо также отметить исчезающе малую долю затрат на создание дополнительной инфраструктуры в общих расходах.
Сценарий 2 требует значительных инвестиций в островную электрификацию перегона на участке обращения для эксплуатации контактно-аккумуляторных поездов, что делает их немного более дорогими по сравнению с поездами на водородном топливе. Однако следует обратить внимание на большую (более трети общих расходов) долю затрат на энергию в случае поездов на водородном топливе. Это означает, что при их более высоком годовом пробеге контактно-аккумуляторные поезда могут оказаться более дешевыми.
Таким образом, приобретение контактно-аккумуляторных поездов становится более выгодным при наличии коротких неэлектрифицированных участков или при сравнительно длительных остановках на конечных (или промежуточных) станциях, где возможна подзарядка тяговых аккумуляторов.
Применение поездов на водородном топливе оправданно на протяженных неэлектрифицированных маршрутах и там, где программа эксплуатации не допускает достаточно длительных остановок.
Выбор технологий альтернативной тяги на железных дорогах Германии
В Германии примерно 450 маршрутов региональных перевозок обслуживают дизель-поезда. Из них 200 маршрутов имеют протяженность менее 40 км, а на их конечных станциях нет электрифицированных путей. Для этих маршрутов экономически обоснованным является выбор в пользу контактно-аккумуляторных поездов.
Еще 170 маршрутов протяженностью от 40 до 100 км обычно соединяют города средних размеров, где на конечных станциях зачастую имеются электрифицированные пути, что позволяет обойтись без значительных инвестиций в островную электрификацию. Здесь также целесообразно переходить на контактно-аккумуляторные поезда.
На оставшихся 80 маршрутах длиной более 100 км выбор между контактно-аккумуляторными поездами и поездами на водородном топливе зависит от того, имеются ли на них электрифицированные участки и электрифицированные пути на станциях. В определенных случаях на подобных маршрутах могут быть востребованы такие преимущества поездов на водородном топливе, как большая дальность хода без дозаправки и малая доля затрат на дополнительную инфраструктуру в общих расходах.
Перспективы
В ближайшие годы в Германии появится возможность сравнить на практике обе технологии альтернативной тяги в региональных пассажирских перевозках. Уже запущено несколько крупных пилотных проектов коммерческой эксплуатации контактно-аккумуляторных поездов и поездов на водородном топливе. На севере федеральной земли Рейнланд-Пфальц с 2024 г. будут одновременно эксплуатироваться поезда, использующие обе технологии альтернативной тяги.
В ходе дальнейшего технологического развития можно ожидать увеличения плотности энергии в тяговых аккумуляторах и снижения их стоимости (в расчете на 1 кВт·ч) при одновременном увеличении срока службы. Также прогнозируются снижение стоимости модулей топливных элементов при увеличении срока их службы и уменьшение расходов на электролиз для получения водорода. Развитие технологий может происходить с разной скоростью, что способно оказать существенное влияние на соотношение их экономической эффективности.
А. Ефремов
Материалы отчета Alternative Antriebe im Schienenverkehr Eisenbahnindgenieur Института системных и инновационных исследований (ISI) Общества Фраунгофера; Eisenbahningenieur 2022, № 2, S. 31 – 34; Eisenbahningenieur 2023, № 2, S. 6 – 9.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2023, № 4.
