Альтернативные технологии тяги для маневровых локомотивов

Институт концепций подвижного состава, входящий в состав Германского центра авиации и космонавтики (DLR), проанализировал по заказу компании NOW пригодность альтернативных технологий тяги в маневровых локомотивах в условиях железных дорог Германии. Общий вывод, к которому пришли эксперты DLR: рассмотренные в исследовании альтернативные технологии тяги пока не обеспечивают равноценную замену традиционному дизельному локомотиву с учетом требуемой эксплуатационной гибкости.

Содержание

1. Текущее состояние парка маневровых локомотивов в Германии
2. Технические и эксплуатационные требования к маневровым локомотивам
3. Анализ пригодности альтернативных систем тяги
4. Стоимость альтернативных средств тяги

Компания NOW принадлежит правительству ФРГ и занимается инновациями прежде всего в сфере водородных технологий и топливных элементов, но также и других альтернативных источников энергии, включая аккумуляторные батареи, возобновляемое жидкое топливо и природный газ. Компания регулярно привлекает институты DLR к работам по экспертной оценке возможностей применения альтернативных источников энергии на транспорте. 

В ходе нового исследования изу­чались следующие технологии альтернативной тяги:

• тяговые аккумуляторные батареи (АКБ) без подключения к контактной сети;
• гибрид — водородные топливные элементы (ВТЭ) и тяговые АКБ;
• двигатель внутреннего сгорания на водородном топливе;
• гибрид — тяговые АКБ и питание от контактной сети (КС);
• гибрид — ВТЭ и питание от КС.

Рассматривались три разных сценария суточной эксплуатации маневровых локомотивов, которые характерны для железных дорог Германии:

• чисто маневровые передвижения;
• комбинированный режим с маневровыми передвижениями и легкой перевозочной работой;
• грузовые перевозки между предприятиями клиентов и вывозная работа.

Текущее состояние парка маневровых локомотивов в Германии

Маневровые локомотивы выполняют широкий спектр работ — от формирования и расформирования поездов на сортировочных станциях до вывоза отдельных вагонов или их групп на подъездные пути. Кроме того, они широко используются для перевозок на путях промышленных предприятий и портов. Маневровые локомотивы с допуском на линии магистральной сети применяют также для челночных грузовых перевозок и перевозок по магистральным линиям с заходом на подъездные пути. Кроме того, они водят маршрутные поезда и поезда системы смешанных перевозок.

Собственников маневровых локомотивов в Германии можно разделить на две основные группы — лизинговые компании, такие как Alpha trains, Northrail и Heros, и операторы железнодорожных перевозок. По данным Агентства железнодорожного транспорта Германии (EBA), в стране действует 381 оператор железнодорожных перевозок, но не все располагают маневровыми локомотивами. Издание RailBusiness публикует перечень из 114 компаний, оказывающих услуги по выполнению маневровой работы.

Исторически в Германии существовало большое число изготовителей маневровых локомотивов, но в последние годы произошла консолидация рынка. Сейчас на нем доминируют компании Vossloh Locomotives и Alstom, однако некоторое время назад появились также азиатские игроки — японская Toshiba и китайская CRRC. В 2020 г. Vossloh Locomotives была продана CRRC ZELC — дочерней компании корпорации CRRC. Кроме того, в Германии действует большое число крупных ремонтных предприятий, которые специализируются на модернизации и реконструкции маневровых локомотивов.

Технические параметры

В большинстве случаев маневровые локомотивы оборудованы дизельными двигателями, чтобы устранить зависимость от наличия контактной сети. Служебная масса, сцепной вес, тип тягового привода и осевая формула определяются условиями применения маневровых локомотивов. Соответственно на рынке представлены малые локомотивы (в том числе на комбинированном ходу) массой менее 45 т, мощностью менее 300 кВт и с силой тяги при трогании менее 250 кН, средние трехосные локомотивы (60 – 70 т, 500 – 750 кВт и 200 – 250 кН) и тяжелые тележечные машины (80 – 90 т, 750 – 2000 кВт и 300 – 350 кН). Большое число маневровых локомотивов в Германии имеют гидравлическую передачу, однако в стране усиливается тренд к переходу на локомотивы с электрической передачей мощности, причем в качестве источника энергии используется дизель в сочетании с аккумуляторными батареями.

Кроме того, на рынок поступает все больше магистральных локомотивов с комбинированным приводом или с небольшим дизелем «последней мили» для выполнения маневровых передвижений по неэлектрифицированным участкам.

Современные маневровые локомотивы с альтернативными технологиями тяги

Хотя в Германии большинство маневровых локомотивов оборудованы классическими дизельными двигателями, их собственники все чаще предпочитают закупать гибридные дизельные машины, дополненные тяговыми аккумуляторами. В 2024 г. на немецком рынке должны появиться первые контактно-аккумуляторные маневровые локомотивы постройки Vossloh Locomotives. На железных дорогах Германии не эксплуатируются маневровые локомотивы с комбинированным приводом, которые, помимо дизеля, могут получать питание от контактной сети. Такие локомотивы популярны в Швейцарии, железнодорожная сеть которой электрифицирована почти полностью.

Уже разработаны первые демонстрационные образцы маневровых локомотивов с водородными топливными элементами и с двигателями внутреннего сгорания на водороде. На путях промышленных предприятий Германии эксплуатируются аккумуляторные маневровые агрегаты и машины на комбинированном ходу.

В США разрабатываются тяжелые аккумуляторные локомотивы для заказчиков внутри страны (например, порт Лос-Анджелеса) и за ее пределами (Боливия, Австралия и др.).

Железные дороги Германии (DB) изучают в настоящее время альтернативные виды топлива на основе гидрированного растительного масла для тепловозов.

Структура парка

По данным EBA, в 2019 г. в Германии эксплуатировались 2800 маневровых локомотивов без учета машин, задействованных исключительно на промышленных предприятиях. Наиболее крупным парком располагает национальный оператор DB Cargo (670 ед.).

Маневровые локомотивы рассчитаны на длительный срок службы. Например, в парке DB Cargo их средний возраст составляет 42 года.

Наибольшая доля эксплуатируемых локомотивов приходится на машины, изготовленные в период с 1955 по 1980 г., за ней следует группа локомотивов 1980-х годов постройки. На более новые локомотивы, выпущенные с 1990 по 2019 г., приходится 684 машины; в этот же период было модернизировано 56 локомотивов. Наиболее существенное обновление парка произошло с 2008 по 2015 г. (рис. 1).

Рис. 1. Распределение эксплуатируемых в Германии маневровых локомотивов по годам выпуска (данные EBA по состоянию на май 2019 г.)

В период с 2019 по 2021 г. были заказаны 21 тепловоз серий DE 12 и DE 18 у компании Vossloh и 71 гибридный локомотив, в том числе у Alstom (4 ед. серии H3), Toshiba (58 ед. серии HDB 800) и CRRC (4 ед.).

К ним можно добавить заказы магистральных локомотивов с комбинированным приводом (106 ед. Vectron Dual Mode у компании Siemens и 50 ед. EuroDual у компании Stadler) и 6 электровозов TRAXX с дизелем «последней мили» постройки Bombardier. Эти машины по крайней мере частично эксплуатируются в режимах, характерных для маневровых локомотивов.

Выбросы углекислого газа

Каких‑либо достоверных статистических данных о выбросах углекислого газа маневровыми локомотивами в Германии нет. Эксперты оценивают суммарные выбросы дизельного подвижного состава примерно в 1 млн т углекислого газа в год, при этом в пассажирских региональных перевозках эти выбросы составляют 0,7 млн т, в грузовых магистральных перевозках — 0,24 млн т, а на маневровую работу приходится 0,12 млн т.

Технические и эксплуатационные требования к маневровым локомотивам

Как правило, маневровые локомотивы имеют одну кабину в средней части кузова, чтобы обеспечить быструю смену направления движения и обзор буферов с обеих сторон локомотива. Для маневровых передвижений характерны высокая сила тяги при низкой скорости движения, длительная работа на холостом ходу и короткие периоды высокой нагрузки. Из этого следует, что мощность в продолжительном режиме может быть низкой, хотя есть кратковременная потребность в высокой мощности для разгона состава большой массы. Если маневровые локомотивы используются в грузовых перевозках, возникает необходимость в повышении их мощности в продолжительном режиме. Требуемый сцепной вес достигается за счет размещения на локомотиве балласта.

Важно также, что капотный кузов маневрового локомотива значительно ограничивает пространство, доступное для размещения компонентов альтернативного тягового привода и накопителей энергии.

Результаты опроса операторов

Согласие ответить на вопросы исследователей дали 27 операторов перевозок.

Анализ результатов опросов показал, что в 94 % случаев суточный пробег в маневровой работе составляет менее 80 км при максимальной массе состава 2000 т, а при межстанционных перевозках в 95 % случаев суточный пробег не превышает 300 км при максимальной массе поезда 2000 т и средней от 500 до 1750 т.

Некоторые респонденты как минимум частично выполняли маневровые работы локомотивами, получавшими питание от контактной сети. Доля такой работы составляет от 10 до 70 % у 10 опрошенных операторов.

Важное значение для операторов имеют малое время заправки топливом из возобновляемых источников, а также высокие готовность и надежность локомотивов с альтернативным приводом. В большинстве случаев операторы готовы переходить на такие локомотивы с хорошо отработанной конструкцией при сопоставимых с тепловозами расходах на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также при наличии допуска к эксплуатации без ограничений.

Операторы ожидают, что в будущем масса составов и объем маневровой работы будут расти, кроме того, потребуется более высокая энергооснащенность для вождения рабочих поездов в местах проведения строительных работ. Большинство опрошенных считают наиболее пригодными гибридные маневровые локомотивы, оборудованные дизелем и тяговыми аккумуляторами, либо контактно-аккумуляторные и чисто аккумуляторные машины. Менее оптимистично операторы настроены в отношении локомотивов с питанием от топливных элементов и тяговых аккумуляторов, а также гибридных машин с питанием от контактной сети и топливных элементов либо от контактной сети и дизеля. В качестве причин обновления и модернизации маневрового подвижного состава чаще всего называют потребность в обновлении парка и выполнение требований по выбросам углекислого газа и других вредных веществ.

Сценарии эксплуатации

Для изучения принципиальной возможности применения альтернативных систем тяги с точки зрения энергетических показателей и пробега маневровых локомотивов были разработаны три сценария эксплуатации. Сценарий маневровой работы (М) предполагает суточную эксплуатацию локомотива в течение 11,3 ч с пробегом 66 км в нескольких режимах — от легкого до тяжелого. Сценарий перевозок (П) между объектами промышленных предприятий включает маневровую работу и движение по перегонам в течение 7,6 ч с пробегом 117 км, а сценарий вывозной работы (В) — циклы маневровых передвижений, загрузки и вывоза груженого состава по железным дорогам общего пользования.

Все сценарии разработаны по результатам опросов операторов и предусматривают движение по площадке, т. е. без влияния подъемов и уклонов на тяговые и энергетические показатели. В сценариях моделировалась также характерная для маневровых локомотивов частая смена режимов нагрузки для определения требований к тяговым характеристикам.

Анализ пригодности альтернативных систем тяги

В качестве эталонных были выбраны четырехосный тележечный и трехосный маневровые локомотивы. Характерным примером четырехосной машины может служить маневровый тепловоз MaK G 1206 (рис. 2), который получил широкое распространение в Германии и эксплуатируется также в Австрии, Швейцарии, Италии, Франции и ряде других европейских стран. Этот локомотив с гидравлической передачей и центральным расположением кабины управления разработан и выпускался кильским предприятием Maschinenbau Kiel, которое с 1998 г. входит в состав компании Vossloh Locomotives. Масса локомотива — 87 т, мощность на ободе колеса — 1500 кВт, максимальная сила тяги при трогании — 300 кН.

Рис. 2. Четырехосный маневровый тепловоз MaK G 1206 постройки Vossloh Locomotives

В качестве эталона трехосной машины выбран локомотив Prima H3 производства Alstom, имеющий массу 67 т, мощность 700 кВт и силу тяги при трогании 225 кН (рис. 3).

Рис. 3. Трехосный гибридный маневровый локомотив Prima H3 постройки Alstom

Общее потребление энергии смоделированного четырехосного локомотива в сценарии М составляет 1469 кВт·ч, в сценарии П — 1368 кВт·ч. Для смоделированного трехосного локомотива в сценарии В этот показатель равен 557 кВт·ч.

Технологии альтернативной тяги, в которых предусмотрена возможность питания от контактной сети, исследовались только в отношении четырехосного локомотива, поскольку трехосные локомотивы эксплуатируются преимущественно в режиме маневров и вывозной работы на неэлектрифицированных второстепенных линиях (рис. 4).

Рис. 4. Варианты маневровых локомотивов с альтернативными технологиями тяги, включенные в исследование

Для сценариев эксплуатации в ходе исследования были подобраны требуемые накопители энергии и преобразователи. Кроме того, были разработаны предварительные концепции размещения компонентов на локомотивах с учетом доступного пространства. На основе полученных в результате выполнения этих работ данных были сделаны выводы о возможностях применения той или иной системы привода и возникающих ограничениях.

Поскольку маневровые локомотивы эксплуатируются также для тяги поездов и примерно 60 % протяженности сети железных дорог Германии электрифицировано, эксперты DLR посчитали необходимым рассмотреть целесообразность эксплуатации гибридных маневровых локомотивов с возможностью питания от контактной сети (см. рис. 4). Вместе с тем сценарии эксплуатации таких гибридных локомотивов ограничиваются привязкой к электрифицированным линиям. Еще одним ограничением для локомотивов с тяговыми аккумуляторами и питанием от водородных топливных элементов становится значительное уменьшение дальности хода при движении по участкам с подъемами.

Влияние условий эксплуатации

В региональных пассажирских сообщениях возможность применения тяговых аккумуляторных батарей в сочетании с питанием от контактной сети и водородных топливных элементов в сочетании с тяговыми АКБ уже подтверждена. Первые поезда с такими накопителями энергии введены в регулярную эксплуатацию.

В то же время каких‑либо проектов, предусматривающих использование альтернативных технологий тяги на маневровых локомотивах в Германии, на момент выполнения исследования не было. Это можно объяснить крайне широким спектром использования маневровых локомотивов и необходимостью обеспечивать тягу поездов массой до 2000 т и более. Для сравнения: масса региональных поездов в Германии составляет примерно 100 – 150 т.

При тяге поездов возникает потребность в достаточно высокой мощности продолжительного режима, что ограничивает дальность поездки без подзарядки аккумуляторов или дозаправки водородом.

Удельная энергоемкость накопителей на водороде и аккумуляторных батареях значительно ниже, чем в случае традиционного дизельного локомотива. Доступное на маневровых локомотивах пространство лимитирует наращивание емкости накопителей в большей степени, чем ограничения по осевой нагрузке. Выходом в данном случае может стать размещение части накопителей и сопутствующего оборудования вне кузова локомотива, но это лишь частичное решение проблемы. При переоборудовании существующих локомотивов такая компоновка возможна только при выполнении определенных условий.

Варианты компоновки оборудования для четырехосного локомотива

На примере четырехосного маневрового локомотива для исследуемых систем тягового привода были проверены возможности размещения накопителей требуемой емкости и проработаны концепции расположения основных компонентов накопителей и преобразователей. Выяснилось, что имеющегося пространства во взятом в качестве образца тепловозе MaK G 1206 недостаточно и необходима адаптация его конструкции, например увеличение длины локомотива или применение тендера с дополнительными накопителями (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Концепции расположения компонентов  на четырехосном локомотиве с тяговыми АКБ и гибриде с ВТЭ и АКБ

Рис. 6. Концепции расположения компонентов на четырехосных гибридных локомотивах с питанием от тяговых АКБ, топливных элементов и контактной сети

Исследование показало, что на маневровом локомотиве с двигателем на водородном топливе недостаточно пространства для размещения емкостей с водородом. В связи с этим изучалась возможность расположения емкостей для хранения водорода под давлением 350 и 700 бар по обе стороны от капотного кузова при сохранении видимости буферов из кабины машиниста (рис. 7).

Рис. 7. Концепции расположения компонентов на четырехосном локомотиве с двигателем на водородном топливе

Дополнительно на взятом в качестве примера локомотиве MaK G 1206 пришлось бы перенести вход в кабину машиниста.

Варианты компоновки оборудования для трехосного локомотива

На рис. 8 показаны варианты компоновки оборудования для трехосного маневрового локомотива, эксплуатируемого по сценарию В (маневровые операции и вывозная работа). 

Рис. 8. Концепции расположения компонентов  на трехосном локомотиве с тяговыми АКБ и гибриде с ВТЭ и АКБ

В случае локомотива с двигателем на водородном топливе возникает потребность в размещении емкостей для хранения водорода под давлением 350 и 700 бар на месте проходов по обе стороны от кузова (рис. 9).

Рис. 9. Концепции расположения компонентов на трехосном локомотиве с двигателем на водородном топливе

Альтернативное топливо для маневровых тепловозов

Переход на синтетическое водородное или биотопливо, используемые для полного или частичного замещения дизельного топлива, способен значительно улучшить экологические показатели эксплуатируемых маневровых тепловозов. Для этого требуется внесение лишь небольших изменений в конструкции двигателя, системы вспрыска и топливопроводов. Недостатками такого топлива являются его более высокая стоимость, большой расход энергии при производстве и пониженная по сравнению с дизельным топливом эффективность.

Другой альтернативой является переход на аммиак или метанол с соответствующей адаптацией двигателя, топливной и выхлопной систем либо использование топливных элементов. При этом возникает потребность в более емких баках для хранения такого топлива из‑за меньшей плотности энергии по сравнению с дизельным, а в случае использования аммиака и топливных элементов необходимо разместить на локомотиве дополнительное оборудование — диссоциатор для получения водорода из аммиака.

Также необходимо создание соответствующей инфраструктуры для заправки локомотивов и хранения альтернативного топлива. Впрочем, это касается любых альтернативных энергоносителей.

Анализ применимости альтернативных систем тяги

Аккумуляторные локомотивы без возможности подключения к контактной сети могут использоваться прежде всего в локальных маневровых районах и на сортировочных станциях. При увеличении объема суточной работы возникает потребность в их оборудовании системами аккумуляторных батарей большой емкости. Ожидается, что высокая стоимость таких машин будет значительно ограничивать их применение. Локомотивы с водородными топливными элементами и тяговыми АКБ могут рассчитывать на более широкий спектр применения, хотя емкость накопителей лимитирует объем их суточной работы. Локомотивы с двигателями на водородном топливе способны обеспечить высокую мощность в длительном режиме, но из‑за низкого КПД имеют те же ограничения по пробегу, что и гибриды с топливными элементами и АКБ, причем этот недостаток усугубляется, если такие локомотивы не оснащать дополнительно тяговыми АКБ.

Гибридные локомотивы (аккумуляторные или с топливыми элементами в сочетании с АКБ) с возможностью получения питания от контактной сети позволяют добиться увеличения дальности пробега, но из‑за необходимости установки в ограниченном пространстве силового оборудования (прежде всего тягового трансформатора) имеют значительные ограничения по мощности и пробегу на неэлектрифицированных путях.

Локомотивы с двигателями внутреннего сгорания, работающими на дизельном, синтетическом или биотопливе, по‑прежнему являются наиболее универсальными машинами, способными благодаря большой плотности энергии обеспечить высокую силу тяги в длительном режиме, и наилучшим образом подходят для всех рассмотренных в исследовании режимов эксплуатации. Однако для этих двигателей характерны вредные выбросы и недостаточно эффективное использование топлива как носителя энергии.

На рис. 10 приведена матрица, позволяющая оценить пригодность той или иной технологии тяги для разных сценариев эксплуатации. Для легкой маневровой работы хорошо подходят локомотивы с тяговыми АКБ, гибриды с топливными элементами и АКБ, а также машины с двигателями на водородном топливе. Для маневровой работы средней тяжести и тяжелой пригодны гибриды с ВТЭ и АКБ, локомотивы с двигателем на водороде и с некоторыми ограничениями — машины с питанием от АКБ.

Рис. 10. Степень пригодности маневровых локомотивов с альтернативными технологиями тяги при разных сценариях эксплуатации в Германии

Условия эффективного применения маневровых локомотивов с питанием от контактной сети

Поскольку в Германии маневровые локомотивы используются также для тяги поездов в региональных перевозках или в сообщениях между промышленными предприятиями, эксперты DLR оценили пригодность альтернативных технологий тяги на таких маршрутах. При наличии на маршруте электрифицированных участков целесообразно использование локомотивов с питанием от контактной сети и тяговых аккумуляторых батарей или гибридов с питанием от ВТЭ, АКБ и контактной сети. Если на маршруте нет электрифицированных участков, предпочтительнее гибриды с питанием от ВТЭ и АКБ либо (с существенными ограничениями по дальности пробега) машины с двигателями на водородном топливе.

Для транспортировки небольших групп вагонов на станции формирования поездов пригодны локомотивы с питанием от контактной сети и тяговых аккумуляторов либо гибриды с питанием от КС, ВТЭ и АКБ, если на маршруте есть электрифицированные участки. В противном случае предпочтительны локомотивы с ВТЭ или двигателями на водородном топливе либо с определенными ограничениями — аккумуляторные машины.

Стоимость альтернативных средств тяги

Стоимость маневровых локомотивов с альтернативными системами тяги трудно поддается прогнозированию. Уровень технической оснащенности локомотива может по‑разному влиять на стоимость, причем наиболее затратными компонентами являются накопители энергии и преобразователи. Кроме того, конечная стоимость локомотива определяется и другими компонентами, например устройствами локомотивной сигнализации, а также расходами на разработку, испытания и допуск к эксплуатации, удельный вес которых снижается по мере увеличения числа локомотивов конкретной серии.

Кроме того, при использовании альтернативных источников энергии следует учитывать расходы на создание инфраструктуры для заправки и подзарядки, а также на адаптацию парков отстоя и депо для обслуживания нового подвижного состава.

Новые локомотивы

В рамках исследования DLR себестоимость взятого в качестве примера четырехосного маневрового тепловоза была оценена в 2 млн евро. Рыночная стоимость таких локомотивов составляет в настоящее время примерно от 2,7 до 3,5 млн евро в зависимости от уровня оснащенности. Превышение принятой за основу величины 2 млн евро обус­ловлено затратами на разработку, допуск к эксплуатации, накладными расходами, а также наценкой за риски и прибылью изготовителя. Для рассмотренных в исследовании конфигураций четырехосных локомотивов с альтернативными технологиями тяги расходы на материалы, монтаж и ввод в эксплуатацию новых компонентов (накопителей энергии и преобразователей) составляют примерно:

• 2,2 млн евро для гибрида с питанием от контактной сети и тяговых АКБ или локомотива с двигателем на водородном топливе;
• 2,9 млн евро для гибрида на ВТЭ и АКБ (в конфигурации для маневровой работы, сценарий М);
• 3,1 млн евро для аккумуляторного локомотива.

Как и в случае тепловоза, к этому следует добавить расходы на разработку, допуск к эксплуатации, накладные расходы, наценку за риски и прибыль. Эти параметры существенно зависят от вида альтернативных источников питания и размеров закупаемой партии, но в целом их оценка несколько выше, чем у тепловозов.

Себестоимость трехосного локомотива варьируется от 1,3 млн евро для гибрида на ВТЭ и АКБ, 1,1 млн евро для машины с двигателем на водородном топливе и 1,4 млн евро для аккумуляторного локомотива. При этом себестоимость трехосного маневрового тепловоза оценивается в 1 млн евро. Дополнительно следует учитывать разовые расходы (на разработку и т. п.), прибыль и др.

Модернизируемые локомотивы

Решающее влияние на стоимость модернизации существующих тепловозов с их оборудованием альтернативными системами тяги оказывают, в частности, уровень технической оснащенности локомотива, его состояние, выбор источника питания и затраты на допуск к эксплуатации. Для примера, переоборудование маневрового тепловоза в гибрид с питанием от дизеля и тяговых аккумуляторных батарей обходится в Германии в 1 – 1,5 млн евро.

По оценкам экспертов DLR, дешевле всего обойдется модернизация четырехосного локомотива с установкой двигателя на водородном топливе или гибридной силовой установки (питание от контактной сети и тяговых АКБ) — 1,5 млн евро. Стоимость модернизации с заменой дизеля на ВТЭ и АКБ или на питание от контактной сети, ВТЭ и АКБ оценивается в 2,2 млн евро, а модернизация до чисто аккумуляторного локомотива — в 2,5 млн евро. К этому следует добавить разовые расходы на разработку и допуск к эксплуатации, а также прибыль.

Модернизация трехосного тепловоза до локомотива с двигателем на водородном топливе оценивается в 0,85 млн евро, до гибрида на ВТЭ и АКБ — в 1 млн евро и до аккумуляторного локомотива — в 1,3 млн евро. К этим суммам следует добавить соответствующие сопутствующие расходы.

Эксплуатационные расходы

Стоимость водорода, получаемого из углеводородов на предприятиях химической промышленности, достаточно мала, что позволяет снизить эксплуатационные расходы локомотивов с двигателями на водородном топливе по сравнению с традиционными тепловозами. Для топливных элементов необходим водород с более высокой степенью очистки, что увеличивает стоимость этого вида топлива. Водород, получаемый из возобновляемых источников (например, путем электролиза воды), требует высокого расхода энергии и обходится дороже.

В случае аккумуляторных локомотивов экономия эксплуатационных расходов достигается за счет более высокого КПД, устранения потребности в расходе топлива на холостом ходу и возможности рекуперации энергии. В итоге эксплуатационные расходы у аккумуляторного локомотива значительно ниже, чем у тепловоза.

Существенным стоимостным фактором являются затраты на замену накопителей энергии и преобразователей в альтернативных системах тяги. Срок службы тяговых аккумуляторных батарей и топливных элементов значительно ниже, чем у дизельного двигателя, что ведет к более высокой стоимости жизненного цикла при использовании таких технологий.

Потенциал рынка

Основываясь на подтвержденных заказах маневровых локомотивов, можно ожидать, что рынок этого подвижного состава в Германии будет непрерывно расти и примерно в 2030 г. достигнет 50 – 75 ед. (против 25 ед. в 2020 г.), после чего его размер сохранится на уровне от 40 до 60 ед. в год. Рынок модернизируемых маневровых локомотивов с заменой дизеля на альтернативную систему тяги оценивается от 20 до 30 ед. в год. 

В настоящее время трудно прогнозировать, каким будет распределение новых и модернизированных маневровых локомотивов по разным источникам питания, поскольку пока не накоплен опыт эксплуатации альтернативных систем тяги маневровых локомотивов, за исключением дизельных гибридов.

Прогнозируемый сценарий развития рынка новых маневровых локомотивов (рис. 11) предполагает снижение объемов производства тепловозов с постепенным переходом на альтернативные виды топлива. Вскоре после 2030 г. выпуск локомотивов на дизельном топливе прекратится. Примерно до 2030 г. на рынке будут доминировать гибридные локомотивы с дизелем. С 2024 г. на рынке появятся серийные маневровые локомотивы с питанием от контактной сети и тяговых АКБ. Маневровые локомотивы с другими альтернативными системами тяги (ВТЭ, двигателями на водородном топливе, АКБ без КС и т. п.) в ближайшие годы будут присутствовать сначала в виде прототипов, а затем как отдельные серийные экземпляры. Заметное число таких локомотивов появится на рынке примерно после 2030 г.

Рис. 11. Прогноз распределения новых локомотивов по альтернативным технологиям тяги в Германии (среднее значение, получено из минимальной и максимальной оценок)

Рынок модернизируемых маневровых локомотивов (рис. 12)  в ближайшие годы будет формироваться проектами оператора DB Cargo, направленными на реконструкцию тепловозов с их преобразованием в гибридные машины (всего 150 ед.).

Рис. 12. Прогноз распределения модернизированных локомотивов по альтернативным технологиям тяги в Германии (среднее значение, получено из минимальной и максимальной оценок)

С 2025 г. можно ожидать роста числа модернизаций маневровых локомотивов частных операторов, поскольку в Германии уже появилось достаточно много маневровых тепловозов и дизельных гибридов с электрической передачей мощности. Кроме того, в этот же период возрастет число модернизаций с оснащением локомотивов двигателями на водородном топливе, топливными элементами и гибридными силовыми установками с питанием от контактной сети и тяговых АКБ.

А. Ефремов

В статье использованы материалы аналитического отчета о пригодности альтернативных технологий тяги для маневровых локомотивов в Германии (Kernergebnisse der Machbarkeitsanalyse alternativer Antriebe im Einsatzgebiet von Rangierloks in Deutschland), выполненного центром DLR. Отчет доступен на сайтах DLR (elib.dlr.de) и компании NOW (www.now-gmbh.de).

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2022, № 7.