VDB: стратегия перехода к поездам на тяговых аккумуляторах

Железные дороги играют ведущую роль в электрификации транспорта. Уже сейчас большая часть пассажирских и грузовых перевозок на железнодорожной сети Германии осуществляется с использованием электрической тяги. Значительно расширить полигон ее применения за пределами электрифицированных линий может внедрение подвижного состава с компактными и емкими аккумуляторными батареями. Уже в ближайшие годы будет происходить поэтапный отказ от двигателей на жидком топливе с сопутствующими вредными выбросами в пользу альтернативных решений с нулевыми выбросами. В связи с этим Объединение железнодорожной промышленности Германии (VDB) подготовило и обнародовало в июле 2021 г. стратегию перехода к электропоездам с тяговыми аккумуляторами, которые призваны заменить дизель-поезда на маршрутах, частично проходящих по неэлектрифицированным линиям.

Содержание

1. Текущая ситуация и стимулы перехода к поездам на тяговых аккумуляторах
2. Готовность промышленности
3. Сценарии эксплуатации
4. Тяговое электроснабжение и пункты подзарядки
5. Экономическая эффективность и конкурентоспособность
6. Методика оценки народнохозяйственного эффекта
7. Оценка народнохозяйственного эффекта для региональной сети в Баварии
8. Экономическая эффективность
9. Выводы

В Германии основная часть рейсов приходится на второстепенные линии с использованием поездов малой составности, курсирующих с большими интервалами. В настоящее время в стране примерно на 450 маршрутах задействовано около 2000 дизель-поездов, потребляющих две трети всего объема дизельного топлива, сжигаемого подвижным составом на железных дорогах. Поездами местных и региональных сообщений выбрасывается в атмосферу примерно 700 млн кг углекислого газа ежегодно. Именно в этом сегменте рынка могут быть востребованы поезда с тяговыми аккумуляторами, способные радикально улучшить ситуацию с выбросами CO2.

Важно также отметить, что подвижной состав, использующий жидкое топливо, теряет привлекательность по ряду причин, в числе которых, в частности, вредные выбросы, повышенный уровень шума и рост цен на дизельное топливо. Учитывая длительный срок службы железнодорожного подвижного состава, целесообразно уже сейчас определить стратегию перехода к другим источникам энергии, которая способна обеспечить привлекательность, экономическую эффективность и экологичность местных пассажирских перевозок в долгосрочной перспективе. В настоящее время для осуществления беспересадочных перевозок в крупные городские агломерации приходится зачастую использовать дизель-поезда на маршрутах, частично проходящих по электрифицированным участкам. В перспективе именно на таких маршрутах могут быть реализованы наиболее эффективные решения с нулевыми выбросами.

Текущая ситуация и стимулы перехода к поездам на тяговых аккумуляторах

В настоящее время в Германии электрифицировано примерно 60 % железных дорог. Контактная сеть идеально подходит для подзарядки тяговых аккумуляторов поездов, курсирующих также по неэлектрифицированным участкам. Исследование, проведенное Техническим университетом Берлина, показало что на 80 % региональных маршрутов поезда следуют, как правило, по коротким неэлектрифицированным участкам и выходят на электрифицированные линии. Если в конечных пунктах этих маршрутов построить пункты подзарядки, появится возможность эксплуатировать на них электропоезда с тяговыми аккумуляторами.

При подготовке стратегии правительства Германии в области транспорта и потребления топлива технические университеты Дрездена и Берлина совместо с компанией PTV провели исследование, показавшее, что для полной электрификации всей сети железных дорог страны потребуется 21 млрд евро. Вместе с тем продолжение плановой электрификации железных дорог в сочетании с применением поездов на аккумуляторных батареях потребует значительно меньших расходов, даже если возникнет потребность в электрификации некоторых дополнительных участков и строительстве пунктов подзарядки аккумуляторов (рис. 1).

Рис. 1. Неэлектрифицированные линии (отмечены красным цветом) на сети железных дорог Германии

Готовность промышленности

Железнодорожная промышлен­ность Германии инвестирует значи­тельные средства в разработку и испытания поездов с тяговыми аккумуляторами. Такие поезда демонстрировались на выставке InnoTrans в 2016 и 2018 гг. (рис. 2 и 3) и уже готовы к эксплуатации, доступны также технические средства для их подзарядки и создания соответствующей инфраструктуры.

Рис. 2. Электропоезд Desiro ML ÖBB Cityjet eco с тяговыми аккумуляторами постройки Siemens на выставке InnoTrans 2018 (фото:  А. Ефремов)

Рис. 3. Электропоезд Talent 3 с тяговыми аккумуляторами постройки Bombardier Transportation на предприятии в Хеннингсдорфе в дни проведения InnoTrans 2018 (фото: П. Яковлев)

Подзарядка тяговых аккумуляторов

Для подзарядки бортовых тяговых аккумуляторов в первую очередь используется контактная сеть, причем как при движении поезда, так и во время его стоянки. На электрифицированных станционных путях тяговые аккумуляторные батареи могут быть заряжены в течение нескольких минут. Мощность системы тягового электроснабжения, параметры токоприемников и аккумуляторов рассчитаны на возможность подзарядки без ограничений эксплуатационного процесса. Дополнительно для подзарядки аккумуляторов может использоваться энергия, рекуперируемая при торможении поезда. Все необходимые для этого регламентирующие документы имеются и соответствуют современному уровню развития техники.

Специальные пункты подзарядки могут потребоваться на отдельных конечных станциях неэлектрифицированных участков. При их создании важно использовать стандартизированные технические решения с целью снижения стоимости этих объектов.

Технические данные и дальность хода

Поезда с питанием от тяговых аккумуляторов способны обеспечить ускорение на уровне обычных электропоездов и значительно превосходят по этому показателю дизель-поезда. При продуманном плане оборота поездов или устройстве пунктов подзарядки можно сохранить (а в будущем и улучшить) существующую программу эксплуатации на маршрутах, которые сейчас обслуживаются дизель-поездами (табл. 1).

Ключевым параметром для поездов с тяговыми аккумуляторами является дальность хода. Для дизель-поездов этот параметр рассчитывают таким образом, чтобы топлива в баке хватало на суточный пробег. В случае тяговых аккумуляторов важно, чтобы их емкости хватило для проезда поезда до следующего участка с контактной сетью или пункта подзарядки батарей (рис. 4). 

Рис. 4. Дальность хода электропоезда FLIRT Akku компании Stadler на тяговых аккумуляторах достигала 185 км во время испытаний при расчетном значении 150 км (фото: Stadler)

Существующие технологии позволяют решить эту задачу в том числе с учетом возможных сценариев нарушений в ходе эксплуатационного процесса. Кроме того, 80 % маршрутов начинаются или заканчиваются в пунктах, где имеются электрифицированные пути, что позволяет подзаряжать аккумуляторы на существующей инфраструктуре (рис. 5). Вместе с тем расчет требуемой емкости аккумуляторных батарей необходимо выполнять для каждого маршрута индивидуально с учетом его эксплуатационных, топографических и инфраструктурных условий.

Рис. 5. Статистика по наиболее протяженным неэлектрифицированным участкам маршрутов сети местных и региональных сообщений в Германии (каждый маршрут учтен однократно по самому длинному неэлектрифицированному участку в его составе) 

Сценарии эксплуатации

В настоящее время на сетях местных и региональных перевозок существует в большинстве случаев строгое разделение маршрутов, обслуживаемых электро- и дизель-поездами. Для электропоездов с тяговыми аккумуляторами такое разделение теряет актуальность и появляется возможность пересмотреть подход к проектированию маршрутных сетей и организовать новые привлекательные маршруты. Потенциальные преимущества таких электропоездов показаны на рис. 6.

Рис. 6. Потенциал использования электропоездов с тяговыми аккумуляторами вместо дизель-поездов

Маршруты, обслуживаемые дизель-поездами, можно разделить на три группы (табл. 2), для каждой из которых будут оправданны разные рекомендации по пересмотру существующей маршрутной сети.

Для внедрения поездов с тяговыми аккумуляторами лучше всего подходят короткие маршруты из первой группы при условии, что как минимум на одном их конце имеются электрифицированные пути. В этом случае для перехода к новой технологии требуются лишь минимальные инфраструктурные мероприятия. Зачастую такие маршруты начинаются на электрифицированных центральных станциях городов, что позволяет сформировать более протяженные новые маршруты по электрифицированным и неэлектрифицированным участкам с использованием поездов с тяговыми аккумуляторами, которые на электрифицированных участках могут работать в сцепе с традиционными электропоездами.

Для внедрения электропоездов с тяговыми аккумуляторами на более длинных маршрутах решающее значение имеет чередование неэлектрифицированных и электрифицированных участков (или станций с электрифицированными путями). Возможность подзарядить тяговые аккумуляторы в пути следования позволяет использовать такие поезда даже на очень протяженных маршрутах.

На некоторых станциях сейчас электрифицированы не все пути. Строительство контактной сети на пока не электрифицированных путях не потребует больших инвестиций и позволит расширить полигон обращения поездов с тяговыми аккумуляторами. Задача оператора перевозок состоит в том, чтобы максимально эффективно использовать инвестиции в такую электрификацию за счет оптимизации маршрутной сети.

Тяговое электроснабжение и пункты подзарядки

В Германии уже электрифицировано 60 % железнодорожной сети. Суммарная длина неэлектрифицированных участков составляет 18 тыс. км, из которых 15 тыс. км приходятся на однопутные линии.

Энергия для электрифицированных линий поступает из электрической сети высокого напряжения (110 кВ), принадлежащей компании DB Energie. Мощность энергосистемы железных дорог Германии составляет примерно 3500 МВт, что обеспечивает достаточные резервы для подзарядки от контактной сети поездов с тяговыми аккумуляторами в движении или во время остановки. Кроме того, имеющейся нормативной базы уже сейчас вполне достаточно для эксплуатации электропоездов с бортовыми накопителями энергии.

Способы подзарядки

Инфраструктуру, требуемую для подзарядки тяговых аккумуляторов, целесообразно подключать к уже имеющейся системе тягового электроснабжения и использовать для токосъема преимущественно токоприемники поездов, рассчитанные на питание от сети 15 или 25 кВ переменного тока. Поезда, курсирующие только в Германии, рассчитаны на питание от контактной сети напряжением 15 кВ и частотой 16,7 Гц. При наличии адаптированных трансформаторов на поездах возможно питание от контактной сети напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц. Такая система электрификации применяется во многих граничащих с Германией европейских странах (в том числе во Франции, Дании и Чехии), а также на сети высокоскоростных линий за пределами Германии. Доступные на рынке электропоезда с тяговыми аккумуляторами могут получать питание от сети напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц.

При использовании стандартного оборудования максимальный ток в расчете на один токоприемник стоящего поезда составляет до 80 А, т. е. максимальная мощность при подзарядке аккумуляторов может достигать 1,2 МВт при напряжении 15 кВ и 2 МВт при напряжении 25 кВ. На практике она определяется мощностью зарядной станции, которая зависит, в свою очередь, от местных условий и возможностей имеющейся системы электроснабжения.

Объекты инфраструктуры имеют, как правило, более длительный срок службы по сравнению с подвижным составом, поэтому их целесообразно строить без привязки к процессу закупки подвижного состава.

Техническая реализация

В общем случае следует различать два варианта обустройства пунктов подзарядки, специально создаваемых для поездов с тяговыми аккумуляторами. Оба они основаны на токосъеме из контактной сети посредством токоприемника.

Первый вариант предусматривает использование для подзарядки поезда в движении контактной сети на электрифицированном участке. Это может быть уже существующий или вновь электрифицированный участок островного типа, оборудованный контактной сетью. В последнем случае электрифицировать такой участок целесообразно, если времени стоянки поезда на станции под контактной сетью недостаточно для подзарядки, а сделать стоянку более продолжительной нельзя, поскольку это может потребовать увеличения численности парка поездов или будет препятствовать пересадкам между поездами с согласованными расписаниями движения.

Второй вариант — это устройство зарядных пунктов, допускающих подзарядку тяговых аккумуляторов неподвижных поездов. При строительстве таких пунктов могут применяться стандартные компоненты, но требования к контактной сети (и ее стоимость) снижаются, поскольку не предполагается движение поезда с поднятым токоприемником.

Для подзарядки тяговых аккумуляторов при нахождении поездов на путях депо или отстоя в ночной период могут использовать уже существующие устройства для предварительного обогрева поездов или поддержания работы системы их кондиционирования. Однако такое техническое решение непригодно для быстрой подзарядки в процессе эксплуатации поездов, поскольку не рассчитано на передачу большой мощности, что приводит к значительному увеличению времени подзарядки.

Подключение к региональной электрической сети

Оба варианта пунктов подзарядки предусматривают подключение к региональным электрическим сетям трехфазного тока напряжением от 10 до 30 кВ. При необходимости возможно подключение к сети напряжением до 110 кВ. Возможны три способа подключения пунктов подзарядки:

• через простой однофазный транс­форматор с сохранением частоты 50 Гц (при этом возникает неравномерная нагрузка на трехфазную сеть, что приводит к определенным ограничениям по мощности);
• через преобразователь, позволяющий устранить неравномерность нагрузки и тем самым потреблять более высокую мощность;
• через преобразователь частоты с получением на выходе 16,7 Гц, чтобы и по напряжению, и по частоте обеспечить соответствие эксплуатируемой в Германии системе электрификации железных дорог.

Первый способ является наиболее дешевым, последний — самым дорогим (рис. 7). Какое именно техническое решение целесообразно выбрать для конкретного объекта, зависит от многих факторов и местных условий.

Рис. 7. Возможные варианты организации пунктов зарядки с использованием электрифицированных путей

Экономическая эффективность и конкурентоспособность

Стремление перейти от дизель-поездов к альтернативным концепциям тяги обусловлено прежде всего требованиями обеспечения климатической нейтральности железных дорог. При этом для вывода инновационных технологий на рынок им необходима целенаправленная поддержка. Проведенные исследования показывают, что применение тяговых аккумуляторов в сочетании с традиционной технологией электропоездов, получающих питание от контактной сети, экономически оправданно и конкурентоспособно по сравнению с другими видами тяги.

Методика оценки народнохозяйственного эффекта

Сравнительная оценка возможных способов питания электрического тягового привода поездов особенно важна, поскольку государство инвестирует в железнодорожную инфраструктуру и выделяет средства на выполнение региональных железнодорожных перевозок, включая закупку подвижного состава. Для оценки использовались следующие пять основных экономических параметров, которые необходимо определить для всего жизненного цикла поездов и требуемой инфраструктуры:

• инвестиции в подвижной состав;
• расходы на эксплуатацию подвижного состава (стоимость энергии на тягу и работу вспомогательного оборудования, техническое обслуживание и ремонт, дополнительные передвижения поездов к пунктам заправки топливом или подзарядки);
• инвестиции в инфраструктуру (пункты заправки топливом, пункты подзарядки тяговых аккумуляторов, контактная сеть, земельные участки, расходы на подключение к электрическим сетям);
• расходы на эксплуатацию инфраструктуры (техническое обслуживание, плата за пользование электрическими сетями);
• повторные инвестиции в активы (приобретение тяговых батарей, расходы на последующее обновление парка подвижного состава и инфраструктуры).

Подобная оценка всегда выполняется индивидуально на основе эксплуатационной программы конкретной линии с учетом характеристик требуемого парка подвижного состава и имеющегося уровня электрификации.

Кроме того, анализ должен проводиться для репрезентативного временного горизонта. Срок службы контактной сети составляет от 70 до 75 лет, т. е. превышает примерно вдвое срок службы электропоезда. Если рассматривать периоды, меньшие по длительности, чем срок амортизации (обычно 50 лет для контактной сети и 20 лет для моторвагонного поезда), то следует учитывать остаточную стоимость инфраструктуры и подвижного состава, чтобы получить реалистичное и корректное сравнение технологий.

Оценка народнохозяйственного эффекта для региональной сети в Баварии

Для оценки народнохозяйственного эффекта от применения новой технологии на этой сети силами Технического университета Дрездена было проведено исследование по заказу железнодорожной компании BEG, отвечающей за региональные перевозки в Баварии. Исследование показало, что особенно высокий экономический эффект достигается при наличии частичной электрификации сети и среднем пассажиропотоке. Удельные расходы становятся наименьшими, если поезда следуют с часовым интервалом или чаще и более интенсивно используются уже электрифицированные участки. В рамках исследования анализировалась стоимость жизненного цикла, включая расходы на развитие инфраструктуры при переходе к поездам с тяговыми аккумуляторами.

Экономически оправданным в исследовании был признан также вариант увеличения протяженности электрифицированных участков. Обеспечить электрификацию в этом случае можно без дополнительных расходов, обусловленных необходимостью подключения к региональным электрическим сетям при электрификации изолированных участков с целью подзарядки тяговых аккумуляторов.

Экономическая эффективность

Исследования показывают, что наряду с позитивным народнохозяйственным эффектом поезда с тяговыми аккумуляторами во многих случаях опережают дизельный подвижной состав и по экономической эффективности.

Исследование, проведенное в 2018 г. по заказу правительства Германии техническими университетами Берлина и Дрездена совместно с компанией PTV, показывает, что при соответствующих граничных условиях стоимость жизненного цикла поездов с тяговыми аккумуляторами заметно ниже, чем у дизель-поездов (в данном случае без учета инфраструктуры). Это обусловлено прежде всего более низкой стоимостью энергии, расходуемой на подзарядку аккумуляторов и поступающей из системы тягового электроснабжения железной дороги (рис. 8).

Рис. 8. Сравнение стоимости жизненного цикла моторвагонных поездов с разными системами тяги

В сочетании с более высокой эффективностью, характерной для электропоездов, это открывает широкие возможности для экономии, а низкие затраты на техническое обслуживание компенсируют более высокую закупочную стоимость поездов с тяговыми аккумуляторами. Издержки, связанные с заменой тяговых аккумуляторов, отнесены в данном случае в затраты на техническое обслуживание, так же как и замена силовой установки в случае дизель-поездов.

Следует также учитывать, что поезда с тяговыми аккумуляторами могут обслуживаться в тех же депо с использованием практически такого же оборудования, что и обычные электропоезда.

Выводы

В Германии принято политическое решение об увеличении доли электрифицированных линий с 60 до 70 %. Этого недостаточно, чтобы перевести на электрическую тягу региональные и местные железнодорожные перевозки, — значительная часть поездной работы по‑прежнему будет выполняться при помощи дизельной тяги.

Полная электрификация сети железных дорог Германии экономи­чески неоправданна. В этих условиях экономически и технически оправданным решением становится переход к электропоездам с тяговыми аккумуляторами, которые будут подзаряжаться от контактной сети на существующих или вновь электрифицированных участках. Эта концепция основана на трех основных принципах:

• применение существующей контактной сети для подзарядки тяговых аккумуляторов поезда в движении или во время стоянки без необходимости в каких‑либо технических мероприятиях или какой‑либо адаптации эксплуатационной программы;
• дополнение существующей инфраструктуры электрифицированных участков за счет их удлинения, устройства изолированных электрифицированных участков длиной несколько километров либо электрификации отдельных путей на станциях (например, в конечных пунктах маршрутов) для подзарядки тяговых аккумуляторов во время стоянки поездов;
• переход к электропоездам с тяговыми аккумуляторами для обслуживания маршрутов, включающих электрифицированные и неэлектрифицированные участки либо только неэлектрифицированные участки, но с возможностью подзарядки аккумуляторов с использованием существующей и вновь создаваемой инфраструктуры (рис. 9).

Рис. 9. Пример частичной электрификации линии с удлинением существующего электрифицированного участка (слева), изолированным электрифицированным участком (в центре) и точечной электрификацией пути на конечной станции (справа)

Наряду с экологическими преимуществами поезда с тяговыми аккумуляторами экономически выгодны и для заказчика в лице местной транспортной администрации (а потому и для налогоплательщиков), и для пассажиров. Такие поезда выигрывают у дизельного подвижного состава и по эксплуатационным показателями, и по стоимости обслуживания. Кроме того, при последовательной реализации концепции электропоездов с тяговыми аккумуляторами железнодорожная промышленность Германии получит возможность не только совершенствовать новые технологии, но и экспортировать их на мировой рынок.

Как уже было отмечено выше, в настоящее время дизель-поезда зачастую обслуживают маршруты с протяженными электрифицированными участками. Переход к аккумуляторным батареям позволит использовать на таких маршрутах только электрическую тягу со всеми ее преимуществами. Появится также возможность расширить сеть беспересадочных маршрутов, что будет способствовать привлечению новых пассажиров на железнодорожный транспорт.

Исследования показывают, что минимум 80 % из 450 маршрутов в Германии, по которым в настоящее время курсируют дизель-поезда, можно обслуживать электропоездами с тяговыми аккумуляторами на основе существующих технологий, если будет проведено примерно 120 – 150 инфраструктурных мероприятий с целью организации подзарядки аккумуляторных батарей.

Экономическая эффективность системы местных и региональных железнодорожных перевозок на основе поездов с тяговыми аккумуляторами подтверждена, и такая система способна сыграть ведущую роль в переходе к полностью электрическому транспорту с нулевыми выбросами в Германии.

В настоящее время соблюдены (или почти соблюдены) многие условия, требуемые для выполнения местных и региональных железнодорожных перевозок с нулевыми выбросами двуокиси углерода: есть понимание необходимости такого перехода со стороны политиков, проведены необходимые технико-экономические исследования, разработан соответствующий подвижной состав, проводятся испытания технических средств и прорабатываются вопросы создания стандартизированной инфраструктуры пунктов подзарядки. Фактически открытыми пока остались вопросы финансирования, проектирования, строительства и эксплуатации такой инфраструктуры, а также финансирования закупок электропоездов с тяговыми аккумуляторами.

В 2018 г. при создании коалиции политических партий ХДС/ХСС и СДПГ, получившей право формировать правительство Германии, был подписан договор, который предусматривал в том числе расширенную электрификацию регио­нальных железнодорожных линий. По мнению VDB, целесообразно дополнить такой коалиционный договор положением о финансировании примерно 120 – 150 инфраструктурных мероприятий в течение 10 лет, чтобы создать пункты подзарядки для тяговых аккумуляторов. Кроме того, необходимо сформировать специальный орган, который займется установлением приоритетов таких мероприятий и будет принимать решения по распределению финансовых средств. 

Сроки перехода к поездам с тяговыми аккумуляторами могут быть увязаны с датами окончания действующих контрактов с операторами на осуществление перевозок и подготовкой к заключению новых договоров. Кроме того, на переходном этапе целесообразно выделение дополнительных средств для стимулирования внедрения поездов с тяговыми аккумуляторами.

А. Ефремов

Статья подготовлена на основе документа Emissionsfreie Mobilität — eine Strategie für den Einsatz von batterieelektrischen Triebzügen und Ladeinfrastruktur in Deutschlands Schienenpersonennahverkehr («Мобильность без вредных выбросов — стратегия внедрения поездов с тяговыми аккумуляторными батареями и инфраструктуры для их подзарядки в системе местных и региональных железнодорожных перевозок в Германии»), опубликованной 9.07.2021 г. на сайте VDB (bahnindustrie.info)  

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2021, № 8.