Швейцарская компания Stadler разработала и изготовила первый поезд с питанием от водородных топливных элементов FLIRT H2, расширив тем самым свою линейку пассажирского подвижного состава с альтернативными средствами тяги. Он будет введен в эксплуатацию в 2024 г. и станет первым в США моторвагонным поездом на водородном топливе.
Содержание
Осенью 2019 г. между компанией Stadler и SBCTA — транспортной администрацией округа Сан-Бернардино (штат Калифорния) был подписан контракт на поставку двухвагонного поезда FLIRT H2 с опционом, допускающим приобретение еще четырех таких поездов. Впервые поезд FLIRT H2 был представлен на выставке InnoTrans в сентябре 2022 г., его ввод в коммерческую эксплуатацию запланирован на 2024 г. В составе поезда предусмотрена промежуточная секция с модульной водородной силовой установкой, которая способна обеспечить электроэнергией поезд составностью от двух до четырех вагонов.
Проект создания поезда FLIRT H2 выполняется в сжатые сроки и в непростых условиях вследствие влияния таких факторов, как пандемия коронавируса и нарушение глобальных цепочек поставок.
В процессе разработки концепции поезда на водородном топливе компания Stadler на раннем этапе приступила к отбору стратегических поставщиков силового оборудования. Кроме того, в график проекта был введен этап валидации выбранной конструкции тягового привода, выполненной в 2022 г. и потребовавшей тесного взаимодействия с заказчиком, американским регулятором и экспертными организациями.
Концепция поезда
Цель разработки концепции поезда FLIRT H2 состояла в сведении воедино детальных требований SBCTA с внутренними требованиями Stadler к поездам семейства FLIRT. Предстояло разработать поезд с числом вагонов от двух до четырех, рассчитанный на широкий спектр условий эксплуатации. При выборе концепции поезда наряду с такими параметрами, как масса, вместимость, мощность, ремонтопригодность и срок службы, особое внимание уделялось вопросам безопасности.
На начальном этапе были проработаны обобщенная концепция обеспечения тяги поезда и его архитектура. Были рассмотрены возможные варианты интеграции в конструкцию поезда пяти новых систем — резервуара для водорода, топливных элементов, тяговых аккумуляторных батарей, преобразователя постоянно-постоянного тока и средств охлаждения. Многие варианты были исключены, поскольку предполагали слишком мало места для размещения водородных резервуаров либо чрезмерно ограничивали емкость аккумуляторных батарей. Часть вариантов пришлось отбросить из‑за их плохой экономической эффективности или превышения лимита по массе.
В конечном счете Stadler остановилась на варианте с размещаемой между вагонами промежуточной секцией с силовым модулем, в котором установлены резервуары для хранения водорода и топливные элементы. В максимальной комплектации их достаточно для питания четырехвагонного поезда. Промежуточная секция может иметь разную длину в зависимости от количества размещаемого в ней оборудования. Подобные конструктивные решения с промежуточной секцией уже применялись компанией ранее в дизель-поездах и поездах с комбинированным приводом семейства FLIRT.
Выбранная концепция позволяет удовлетворить еще одному требованию — обеспечить возможность переоборудования дизель-поезда в поезд на водородном топливе. Для этого достаточно заменить дизельную силовую установку на водородную в промежуточной секции и установить на крышах концевых вагонов тяговые аккумуляторные батареи.
Техническая реализация
Конфигурация силового оборудования в поезде FLIRT H2 представлена на рис. 1. Силовой модуль в промежуточной секции включает резервуары для водорода, трубопроводы, топливные элементы и вспомогательное оборудование. Другие вагоны поезда в значительной мере не зависят от конкретной системы тяги. При необходимости моторными могут быть не только крайние вагоны, но и часть промежуточных.
Рис. 1. Размещение силового оборудования в поезде FLIRT H2
Промежуточная секция спроектирована таким образом, что для пассажиров имеется широкий, хорошо освещенный проход через нее. По обе стороны от прохода симметрично расположены отсеки с водородными резервуарами и машинные отделения, в каждом из который установлен полный комплект оборудования для электроснабжения поезда.
Технические характеристики поезда FLIRT H2 для транспортной администрации SBCTA приведены в таблице, тяговая и тормозная характеристики — на рис. 2. По этим характеристикам поезд FLIRT H2 максимально приближен к эксплуатируемым в США дизель-поездам.
Рис. 2. Тяговая и тормозная характеристики поезда FLIRT H2 транспортной администрации SBCTA (фото: Stadler)
Силовая установка изолирована от пассажирских салонов, что исключает проникновение в них водорода. При этом обеспечивается также звукоизоляция силовой установки, что повышает уровень комфорта для пассажиров. Расположение резервуаров с водородом рядом с машинным отделением позволяет сократить до минимума длину трубопроводов для подачи водородного топлива, что способствует повышению их надежности и устойчивости к усталостному износу (рис. 3).
Рис. 3. Компоненты систем подачи водорода, охлаждения и модуль топливных элементов в промежуточной секции поезда FLIRT H2, который демонстрировался на выставке InnoTrans 2022 (фото: Stadler)
Концепция поезда предусматривает возможность варьирования числа модулей топливных элементов и резервуаров для хранения водорода за счет выбора длины промежуточной секции. При этом можно выбрать оптимальное для конкретных условий эксплуатации число модулей топливных элементов и водородных резервуаров, чтобы обеспечить требуемую мощность (она зависит от числа топливных элементов) и дальность пробега на одной заправке, определяемую числом водородных резервуаров (рис. 4).
Рис. 4. Временный пункт заправки водородом поезда FLIRT H2 во время его испытаний в Швейцарии (фото: Stadler)
Модули топливных элементов располагают в машинном отделении вертикально. Доступ к их интерфейсам и компонентам, требующим частого технического обслуживания (таким, как вентиляторы системы охлаждения), осуществляется снаружи и максимально упрощен. Эти модули смонтированы на выдвигаемых платформах, что также упрощает их обслуживание. Поставщиком шести модулей топливных элементов мощностью по 100 кВт каждый для первого поезда FLIRT H2 является канадская компания Ballard Power Systems (рис. 5), контракт с которой Stadler подписала в сентябре 2022 г.
Рис. 5. Модуль топливных элементов компании Ballard Power Systems (компьютерная графика, источник: Ballard Power Systems)
Резервуары для хранения водорода сгруппированы в выдвигаемые модули, что обеспечивает простоту монтажа и замены. С каждой стороны промежуточной секции предусмотрена возможность заправки резервуаров водородом, что ускоряет процесс пополнения запаса этого топлива. Такая конфигурация позволяет избежать зависимости от ориентации поезда относительно пункта заправки.
На железнодорожном транспорте решающее значение имеет энергоэффективность подвижного состава. В связи с этим при проектировании поезда уделялось особое внимание оптимизации расхода топлива.
В поездах с гибридным приводом, состоящим из накопителя энергии и энергогенерирующей установки, имеется возможность варьировать распределение мощности между этими двумя системами. Оптимальное распределение мощности в значительной мере зависит от параметров обеих систем. Топливные элементы, как и двигатели внутреннего сгорания, имеют наиболее высокий КПД и соответственно наибольшую энергоэффективность при средних нагрузках. Кроме того, работа в условиях очень низких или очень высоких нагрузок наиболее негативно влияет на срок службы топливных элементов. Таким образом, оптимальной для топливных элементов является работа в условиях неизменной нагрузки, причем топливные элементы не способны динамично реагировать на ее изменение.
Накопители на аккумуляторных батареях оптимально эксплуатируются в узком диапазоне уровней заряда для предотвращения преждевременного старения батарей. Вместе с тем, аккумуляторные батареи способны динамично реагировать на колебания нагрузки — в отличие от топливных элементов.
Для выбора оптимального распределения мощности разработан предиктивный алгоритм, который был опробован и протестирован на имитационной модели. Алгоритм использует наряду с основными техническими данными поезда и информацией о состоянии системы питания также прогнозные сведения о впередилежащем участке пути, которые могут поступать из банка данных, полученных при помощи спутниковой навигации. Для этого на электронной карте участка определяют значимые координаты таких объектов, как станции, или участков, на которых значительно меняется потребность в электроснабжении тягового привода поезда. Это могут быть порталы тоннеля, протяженные кривые или подъемы.
В ходе разработки формировались и отбирались решения, которые по сумме критериев достигали не менее 95 % оптимума. Посредством имитационного моделирования каждое из этих решений оценивалось с учетом стоимостного критерия, в результате чего выбиралось наиболее эффективное из них. Выбранное решение, определяющее распределение мощности между топливными элементами и тяговыми аккумуляторами, используется до тех пор, пока вновь не запускается предиктивный алгоритм. Обычно это происходит многократно при движении поезда по маршруту, что позволяет уменьшить неточность прогноза.
В процессе имитационного моделирования предиктивный алгоритм сравнили с обычной функцией, не использующей прогнозирование, чтобы количественно оценить качество алгоритма. Обычная функция опирается только на архивные данные, т. е. основана на потреблении мощности на пройденной части маршрута.
Рис. 6. Испытательный рейс поезда FLIRT H2 на одной из линий в Швейцарии (фото: Stadler)
Сравнительная оценка показала, что применение предиктивного алгоритма распределения мощности позволяет сэкономить до 10 % водородного топлива при одновременном соблюдении условий эксплуатации с точки зрения старения компонентов. В дальнейшем обе функции были опробованы в ходе испытательных рейсов поезда (рис. 6).
Перспективы
Поезд FLIRT H2 с питанием от водородных топливных элементов разрабатывался по заказу конкретного оператора — транспортной администрации SBCTA, которой компания Stadler ранее уже поставляла дизель-поезда семейства FLIRT, но он также важен для США в целом, поскольку позволяет сделать значительный шаг к декарбонизации пассажирских перевозок в этой стране, где уровень электрификации железных дорог очень низок.
Поезд рассчитан на эксплуатацию в условиях жаркого климата Южной Калифорнии при температуре окружающей среды до +50 °C. Он будет курсировать по маршруту протяженностью 14,5 км между Сан-Бернардино и Университетом Редландса, выполняя 16 рейсов ежесуточно. Таким образом, пробег поезда составит от 480 до 600 км в сутки.
Поезд FLIRT H2 имеет модульную конструкцию, что позволяет создавать модификации под разные условия эксплуатации, в том числе оснащая поезд дополнительно токоприемником для получения питания от контактной сети. При этом поезд будет эксплуатироваться в более энергоэффективном режиме и с экономией водородного топлива.
В дни проведения в Берлине выставки InnoTrans 2022 между компанией Stadler, Транспортной администрацией штата Калифорния (CalSTA) и Департаментом транспорта этого штата (Caltrans) был подписан меморандум о взаимопонимании, предусматривающий разработку и поставку четырех четырехвагонных поездов на водородных топливных элементах с опционом, допускающим приобретение еще 25 таких поездов. Поезда будут строить на предприятии Stadler в Солт-Лейк-Сити — столице штата Юта. Их пробег без дозаправки водородом должен составлять 800 км.
Кроме того, в феврале 2023 г. компания Stadler подписала соглашение с Государственным университетом штата Юта (США) и инжиниринговым исследовательским центром ASPIRE о разработке и испытаниях двухвагонного пассажирского поезда с питанием от тяговых аккумуляторов.
Таким образом, компания Stadler становится лидером формирующегося рынка моторвагонных поездов с альтернативными средствами тяги в США.
Материалы компаний Stadler (www.stadlerrail.com), Ballard Power Systems (www.ballard.com) и портала Railway Age (railwayage.com); Eisenbahntechnische Rundschau, 2023, № 4, S. 62 – 68.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2023, № 8.
