Аккумуляторные батареи используются на подвижном составе на протяжении многих десятилетий, однако до недавнего времени они служили главным образом для питания вспомогательных потребителей или в качестве резервного источника энергии, предназначенного для обеспечения перемещения поезда на небольшие расстояния в случае перебоев в подаче электроэнергии. Теперь тяговые аккумуляторные батареи становятся реальной альтернативой электрификации и дизельному топливу.

Содержание

  1. Исследования
  2. Новые технические решения
  3. Обоснование выбора
  4. Рост поставок аккумуляторного подвижного состава

Эксперименты с подвижным составом, получающим питание от аккумуляторов, проводились в разных странах, в частности в Бельгии, Франции, Германии и Италии, примерно с 1890 г. В США с 1911 г. работали моторные вагоны Edison-Beach, оснащенные никель-железными батареями. В Новой Зеландии на железнодорожной линии Little River протяженностью 34 км с 1926 по 1934 г. эксплуатировался самоходный вагон на аккумуляторных батареях с дальностью хода 160 км (рис. 1). В Ирландии никель-цинковые батареи Drumm с 1932 по 1946 г. использовались на четырех двухвагонных поездах линии Harcourt Street в Дублине.

22110 1Рис. 1. Самоходный вагон с питанием от аккумуляторных батарей, эксплуатировавшийся на острове Южный в Новой Зеландии с 1926 г. (фото: Wikipedia)

Несмотря на то что попытки применения тяговых аккумуляторов на подвижном составе предпринимались в течение более 100 лет, они лишь сравнительно недавно достигли уровня развития, позволяющего приступить к их внедрению. Для обеспечения поездов электроэнергией пока в большинстве случаев применяется традиционная электрификация, требующая сооружения тяговых подстанций и контактной сети. Однако такое решение целесообразно только для линий с достаточно высокой интенсивностью движения. Так, во Франции с учетом требуемых инвестиций этот показатель, по оценкам, должен составлять не менее четырех поездов в час.

Аккумуляторы нередко называ­ют важным альтернативным источ­ником энергии для тяги наряду с водородными топливными элементами, однако следует помнить, что поез­да на топливных элементах должны быть оснащены также тяговыми аккумуляторами. Топливные элементы обеспечивают средний уровень энергии, требуемый для тяги, но не позволяют получить кратковременное значение пиковой энергии, необходимое для ускорения поезда. Поэтому топливные элементы служат для непрерывной зарядки промежуточной батареи, вырабатывающей энергию, используемую для тяги. Аккумуляторы также позволяют накапливать энергию, выделяющуюся при рекуперативном торможении, что еще больше повышает эффективность их использования на подвижном составе.

Преимущества тяговых батарей в значительной степени связаны с экологическими характеристиками, однако не исчерпываются ими. Оптимизированные аккумуляторы могут найти применение для питания устройств собственных нужд (отопления, вентиляции, кондицио­ни­рования воздуха), зачастую являющихся вторым по величине потребителем энергии на подвижном составе после тягового привода. Кроме того, они могут служить для обеспечения энергоснабжения поезда во время мойки и уборки или для его передвижения по депо, за счет чего устраняется необходимость подъема токоприемника или запуска дизельного двигателя.

По оценкам, численность работающих в настоящее время в Европе поездов на дизельной тяге, которые в течение ближайших 10 – 15 лет необходимо будет заменить, варьируется в пределах 2 – 10 тыс. ед. Вместо них в эксплуатацию поступят электропоезда с питанием от контактной сети, гибридные поезда или подвижной состав, работающий от альтернативных источников энергии (рис. 2).

22110 2Рис. 2. Британская компания Vivarail переоборудовала несколько вагонов метро Лондона, оснастив их дизельными двигателями и тяговыми аккумуляторами (фото: Vivarail)

Поставщики подвижного состава считают, что рынок поездов, оснащенных тяговыми аккумуляторными батареями, пока не сформировался. В то же время, по мнению специалистов, потребность в поездах, не использующих дизельные двигатели, существует, и вопрос о выборе оптимальных тяговых технологий для таких поездов остается открытым. При этом сейчас уже практически не проводятся тендеры на поставку пригородных и региональных поездов, оснащенных исключительно дизельными силовыми установками.

Впервые тяговые аккумуляторные батареи получили применение на городском рельсовом транспорте, где масса подвижного состава относительно невелика, а потребление энергии существенно меньше по сравнению с магистральными грузовыми или пассажирскими поездами. Первоначально предполагалось подзаряжать бортовые аккумуляторные батареи на каждой остановке, что позволяло отказаться от использования контактной сети, по крайней мере на отдельных участках (рис. 3). С развитием технологии появилась возможность проехать всю линию без подзарядки, что особенно важно в исторических центрах, поскольку считается, что провода контактной сети искажают городской пейзаж.

22110 3Рис. 3. В Ницце эксплуатируются вагоны трамвая постройки компании Alstom, оснащенные тяговыми аккумуляторами, которые подзаряжаются на остановках (фото: Alstom)

В настоящее время уровень развития технологий позволяет устанавливать тяговые аккумуляторные батареи на маневровые локомотивы (рис. 4) и региональные пассажирские поезда, а также на грузовые локомотивы. Однако в этом секторе переход на тягу от аккумуляторных батарей происходит медленнее как по техническим причинам (из‑за необходимости обеспечить более высокие показатели силы тяги и мощности), так и по экономическим.

22110 4Рис. 4. Британская компания Clayton Equipment выпускает маневровые и промышленные локомотивы с питанием от аккумуляторных батарей, а также гибридные (фото: Clayton Equipment)

Несмотря на снижение стоимости аккумуляторных батарей, по‑прежнему остается актуальной проблема, связанная с их сроком службы. В течение жизненного цикла подвижного состава аккумулятор приходится менять 2 или 3 раза. Продолжительность эксплуатации дизеля существенно больше.

Исследования

Лидером в области разработки подвижного состава с питанием от аккумуляторов считается Европа, при этом изготовители используют в основном аккумуляторы, поставленные из стран Азии. Исследования ведутся и в других странах мира. На железнодорожном транспорте в качестве тяговых в настоящее время применяются в основном литий-ионные аккумуляторы, в материале катода которых используются вещества, содержащие литий. К ним относятся, в частности, литий-титанат-оксидные (LTO), литий-железо-фосфатные (LFP) и литий-никель-марганцево-оксидные (LMNO) аккумуляторы. Распространены также аккумуляторы, в составе материала катода которых содержатся никель, марганец и кобальт (NMC).

Ведущие мировые изготовители аккумуляторов, в частности такие, как компания Toshiba, активно экспериментируют с новыми материалами (рис. 5). Поставщики электрооборудования, например компании ABB и Siemens, собирают отдельные элементы в единый модуль питания и обеспечивают подключение систем охлаждения и управления. Далее такие модули поставляют изготовителям подвижного состава. Некоторые компании, например Saft, сами собирают аккумуляторные модули.

22110 5Рис. 5. Блок аккумуляторов компании Toshiba (фото: Toshiba)

Компания E-Cube по заказу поставщика аккумуляторов Forsee Power провела анализ областей применения литий-ионных аккумуляторов разных видов на подвижном составе. В Германии на региональных поездах устанавливают аккумуляторы LTO, позволяющие получить оптимальные энергетические показатели. Во Франции региональные поезда преодолевают значительные расстояния, делая при этом меньше остановок, поэтому для них более пригодны батареи NMC или LFP, обеспечивающие высокую плотность энергии. Материал, содержащийся в ячейках батарей LTO, менее горюч, чем в элементах с графитовым электродом. Кроме того, последствия химических реакций, протекающих при их повреждении, как правило, незначительны.

Использование аккумуляторных батарей на подвижном составе требует выполнения достаточно жестких требований противопожарной защиты, прочности при авариях и устойчивости к вандализму. При этом установка тяговых батарей не должна приводить к снижению уровня безопасности поезда. Это объясняет, почему некоторые виды аккумуляторов не следует применять на железнодорожном транспорте. Потенциальная опасность возгорания батарей может быть устранена с помощью системы управления, которая позволяет предотвратить перегрев; благодаря ей также устраняется возможность чрезмерного или недостаточного уровня заряда, который мог бы привести к повреждению элементов.

Батареи NMC обычно применяются, когда требуется большая емкость, а LTO — когда необходима значительная мощность. Технологии развиваются и совершенствуются, однако пока даже новейшие разработки не позволяют получить единого решения, обеспечивающего как достаточную мощность, так и высокую плотность энергии. Ожидается, что ситуация изменится с появлением на рынке твердотельных литий-ионных аккумуляторов, что может произойти уже в течение ближайших 2 лет. Это позволит увеличить вдвое емкость, скорость заряда и мощность батарей.

Созданный компанией Hitachi Rail и демонстрировавшийся на выставке InnoTrans 2022 поезд Blues стал первым поступившим в регулярную эксплуатацию в Европе гибридным поездом, способным работать от контактной сети, дизеля и аккумуляторных батарей. В декабре 2022 г. поезд, построенный для итальянского национального оператора Trenitalia, начал перевозить пассажиров на о. Сицилия (рис. 6). Предполагается, что в дальнейшем такие поезда появятся и в других регионах страны. Батареи, выполненные по технологии LTO, были выбраны для поезда Blues в соответствии с требованиями оператора. При питании от аккумуляторов поезд может разгоняться до 140 км/ч, дальность его пробега без подзарядки составляет 60 км.

22110 6Рис. 6. Поезд Blues компании Hitachi Rail (фото: Hitachi Rail)

Одновременно завершается под­готовка к вводу в регулярную эксплуатацию гибридных поездов семейства FLIRT постройки компании Stadler, заказанных британским оператором Transport for Wales. Образец поезда также был показан на выставке InnoTrans 2022.

Новые технические решения

Аккумуляторные батареи совершенствуются постепенно, при этом основное внимание уделяется повышению отношения мощности к массе. Для решения этой задачи изу­чаются возможности использования альтернативных материалов, в частности натрия, для замены лития, цена на который за последние 18 мес выросла более чем на 500 % из‑за проблем логистики и значительного спроса на электромобили.

В сочетании с относительно ма­лым сроком службы батареи по сравнению с поездом, который она обеспечивает энергией, это способствует увеличению стоимости жизненного цикла подвижного состава, работающего от аккумуляторов. Большинство аккумуляторов LTO рассчитаны на 20 тыс. циклов заряда-разряда, что обычно означает их замену через каждые 8 – 10 лет, и лишь некоторые из них служат до 12 лет. Это значительно меньше установленного для нового подвижного состава минимального срока эксплуатации, равного 30 годам. Однако поезда можно оснащать новыми батареями с улучшенными характеристиками при плановой замене аккумуляторов, поскольку достаточно велика вероятность того, что с момента ввода поезда в эксплуатацию технология будет продолжать развиваться.

Для батарей, применяемых на подвижном составе, одним из требований является меньшая продолжительность процесса заряда. При этом возрастает нагрузка на батарею, что приводит к более быстрому ее старению. Еще один важный фактор, от которого зависит срок службы батареи, — температура, при которой она хранится и эксплуатируется. Его влияние в настоящее время изучается.

Несмотря на сходство основных технических решений, из‑за большого числа циклов заряда-разряда и значительных нагрузок, характерных для аккумуляторов, которые устанавливают на железнодорожном подвижном составе, аккумуляторы, применяемые на электромобилях, для использования на электропоездах и локомотивах непригодны, даже если объединить значительное их количество в батарею для получения мощности, необходимой для обеспечения тяги. Тем не менее специалисты постоянно отслеживают опыт использования аккумуляторов на других видах транспорта, включая автомобильный и водный, а также решения, касающиеся аккумуляторов, применяемых в промышленном оборудовании. Опыт показывает, что аккумуляторы для электромобилей предназначены именно для данной области применения, так как они подбираются с учетом соответствующей специфики эксплуатации. На железной дороге условия существенно отличаются.

Поставщики подвижного состава оставляют исследования в области химии аккумуляторов специалистам в данной области и сосредоточиваются прежде всего на разработке систем управления, которые обеспечивают заряд и разряд аккумуляторов таким образом, чтобы оптимизировать работу и увеличить срок их службы. В то время как производитель элементов может предоставить двухлетнюю гарантию на них, изготовители аккумуляторов или подвижного состава, как правило, поставляют аккумуляторный модуль, срок службы которого составляет не менее 8 лет.

Компания ABB разработала систему дистанционного контроля состояния аккумуляторов, которая позволяет получить полное представление об эксплуатационных характеристиках батареи при работе в заданном диапазоне. Система также идентифицирует слабые элементы внутри батареи и предлагает воспользоваться онлайн-порталом, где пользователи могут проверить состояние своих батарей.

Срок службы бортовой литий-ионной батареи подходит к концу, когда она теряет от 20 до 30 % своей емкости. В настоящее время ведутся исследования возможностей повторного использования батарей, частично исчерпавших свой ресурс, прежде чем они будут подвергнуты переработке. Одним из потенциальных решений является установка таких батарей в стационарных условиях, например на пунктах быстрой зарядки подвижного состава облегченного рельсового транспорта, их также можно использовать для хранения энергии, полученной от солнечных батарей, на электростанциях и других объектах.

По данным компании Saft, более 75 % материалов аккумуляторной батареи, содержащей такие металлы, как медь, марганец, литий, никель и кобальт, могут быть извлечены и использованы повторно. Однако считается, что вопрос утилизации не должен находиться в зоне ответственности исключительно железнодорожного транспорта, поскольку в таких отраслях, как автомобилестроение, общее количество используемых батарей значительно больше. Возможно, возникнет необходимость создания оборудования для централизованной переработки аккумуляторов различного назначения, в том числе и применяемых на подвижном составе.

Обоснование выбора

Железнодорожный транспорт является наиболее экологичным для перевозки как пассажиров, так и грузов, однако это преимущество можно полностью реализовать, только привлекая больше клиентов с других видов транспорта. Переходить на питание подвижного состава от аккумуляторных батарей нецелесообразно, если такое решение экономически неоправданно. Несмотря на привлекательность новых технологий, необходимо удостовериться в эффективности их использования на железнодорожном транспорте.

В некоторых случаях принимаются решения о внедрении на отдельных участках подвижного состава, оснащенного водородными топливными элементами, хотя более целесообразным там представляется применение поездов на аккумуляторных батареях. В других случаях там, где, по мнению специалистов, правильнее было бы прибегнуть к традиционной электрификации, внедряют подвижной состав с питанием от аккумуляторов. Операторам следует принимать более обдуманные решения относительно целесообразности применения различных технологий для каждого конкретного случая.

Рост поставок аккумуляторного подвижного состава

В последнее время не только в Европе, но и во всем мире отмечается увеличение числа заказов на поезда с питанием от аккумуляторов.

На выставке InnoTrans 2022 наряду с упоминавшимися поездами Blues компании Hitachi Rail и FLIRT постройки Stadler образец подвижного состава, оснащенного тяговыми аккумуляторами, показала и компания Siemens Mobility. Двухвагонный поезд Mireo Plus B, построенный для федеральной земли Баден-Вюртемберг, может работать от литий-ионных аккумуляторов или от контактной сети. Дальность автономного хода поезда превышает 80 км. Компания заключила контракты на поставку таких поездов для операторов пассажирских перевозок Niederbarnimer Eisenbahn (Германия) и Midtjyske Jernbaner (Дания).

Транспортные администрации германских регионов Рейн-Рур и Вестфалия-Липпе в апреле 2022 г. подписали контракт на поставку 63 электропоездов, снабженных тяговыми аккумуляторными батареями, с компанией CAF. Новые поезда, созданные на основе конструктивной платформы Civity, заменят подвижной состав на дизельной тяге. В июне для региона Вестфалия-Липпе было заказано еще 10 поездов. Поезда имеют запас автономного хода от 60 до 220 км.

Железные дороги Ирландии (IÉ) в 2021 г. заключили рамочное соглашение на 10 лет с компанией Alstom на поставку до 750 вагонов поездов X’trapolis. Первый твердый заказ предусматривает поставку 13 пятивагонных поездов, оборудованных тяговыми аккумуляторами. Поезда имеют запас автономного хода 80 км. В конце ноября 2022 г. IÉ приняли решение о приобретении еще 18 подобных поездов.

Тяговые аккумуляторы получают применение и на локомотивах. В США компанией Progress Rail создан локомотив EMD Joule, оснащенный литий-ионными батареями (рис. 7). Компания Wabtec в 2021 г. провела в Калифорнии испытания локомотива FLXdrive с тяговыми аккумуляторными батареями и в начале 2022 г. получила заказ от австралийской горнодобывающей компании Rio Tinto на поставку четырех локомотивов с аккумуляторами емкостью 7 МВт·ч. В сентябре 2022 г. был подписан меморандум о взаимопонимании между Wabtec и железными дорогами Казахстана, согласно которому Wabtec может поставить 150 маневровых локомотивов FLXdrive.

22110 7Рис. 7. Локомотив EMD Joule (фото: Progress Rail)

Компания Stadler поставила бри­танскому оператору Rail Operations UK (ROUK) первый из 30 заказанных локомотивов серии 93, способных работать от контактной сети, бортового дизель-генератора или аккумуляторов. Аккумуляторные батареи могут подзаряжаться от дизель-генераторной установки. Локомотив оснащен двумя блоками аккумуляторов LTO компании ABB. Их использование в гибридном режиме, т. е. при работающей дизель-генераторной установке, позволяет увеличить мощность локомотива с 900 до 1300 кВт.

В 2017 г. Stadler получила заказ на переоборудование семи электропоездов для пригородной сети Ливерпуля Merseyrail в графстве Мерсисайд (Великобритания) с целью обеспечения возможности их автономного питания. Каждый поезд оснащен расположенным под кузовом накопителем энергии на основе аккумуляторов, которые заряжаются от контактного рельса при следовании по электрифицированному участку либо во время рекуперативного торможения.

Кроме того, компания Stadler и Германский центр авиации и космонавтики (DLR) совместно работают над созданием модульной системы автономного питания электропоездов на основе аккумуляторных батарей. Характеристики системы, в частности размеры и масса батарей аккумуляторов, адаптируются к параметрам маршрутов, на которых эксплуатируются поезда.

Китайская компания CRRC Zhuzhou в 2019 г. заключила с венгерским оператором грузовых перевозок Rail Cargo Hungaria — дочерним предприятием Федеральных железных дорог Австрии (ÖBB) контракт на поставку двух маневровых и двух магистральных электровозов с гибридной силовой установкой, предусматривающей питание от аккумуляторных батарей и контактной сети. Локомотивы оснащены аккумуляторами LTO, которые заряжаются от контактной сети на электрифицированных участках. Первый маневровый локомотив мощностью 350 кВт в режиме работы от аккумуляторной батареи и 850 кВт при питании от контактной сети был передан заказчику летом 2022 г. Магистральный электровоз Bison мощностью 5600 кВт при питании от контактной сети переменного тока и 350 кВт при питании от аккумуляторов демонстрировался на выставке InnoTrans 2022.

В августе 2022 г. компания CRRC Dalian передала компании Energy Absolute в Таиланде первый электровоз, получающий энергию от аккумуляторных батарей (рис. 8). Запас автономного хода шестиосного локомотива достигает 200 км, а затраты на энергию на 40 % меньше по сравнению с тепловозом.

22110 8Рис. 8. Электровоз постройки компании CRRC Dalian для Таиланда (фото: CRRC)

Не все изготовители подвижного состава стремятся внедрять наиболее передовые технологии, некоторые продолжают применять уже проверенные решения. Так, компания Schalke, которая поставляет подвижной состав с питанием от аккумуляторов для метрополитенов и горнодобывающей промышленности, готова предложить продукцию с литий-ионными батареями, однако пока клиенты компании по‑прежнему предпочитают использовать свинцово-кислотные батареи, поскольку эта технология достаточно отработана. Горнодобывающие предприятия, как правило, консервативны и не намерены рисковать. Стоимость литиевых батарей выше, а их эксплуатация требует решения задач, связанных с обеспечением противопожарной безопасности.

Материалы компаний Alstom (www.alstom.com), Forsee Power (www.forseepower.com), Saft (www.saftbatteries.com), Clayton Equipment (clayton equipment.co.uk), Progress Rail (www.progressrail.com), Stadler (www.stadlerrail.com), CRRC (www.crrcgc.cc), Schalke (www.schalke.eu); International Railway Journal, 2022, №10, pp. 32 – 35.

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2023, № 1.