Аккумуляторный подвижной состав в современном мире и перспектива применения в России

В статье рассмотрено прошлое, настоящее и перспектива применения локомотивов на аккумуляторной тяге. От первого, созданного в СССР контактно-аккумуляторного локомотива «ВЛ-26» до инновационного американского локомотива FXLdrive. Приведены видимые преимущества и недостатки в применении данного локомотива на железных дорогах России.

Ключевые слова: аккумуляторная тяга, литий-ионные батареи, компания Wabtec, электровоз FLXdrive, снижение выброса углекислого газа, сохранение окружающей среды.

Применение тяги, основанной на использовании энергии альтернативной дизелю, было придумано и появилось давно. Но на тот момент не хватало научных знаний и технологических разработок, позволяющих осуществить задуманное, найти экономическое обоснование. В современное время активно обсуждается внедрение водородной и аккумуляторной тяги для применения на неэлектрифицированных участках с перспективой экономии и снижения уровня углекислотных загрязнений, являющихся продуктом работы дизельных локомотивов. Впервые в СССР локомотив, работающий на базе электродвигателей, питающихся как от контактной сети, так и от аккумуляторных батарей, удалось спроектировать на Днепропетровском машиностроительном заводе в 1964г. В течение последующих 3 лет, таких электровозов построили в количестве 10 экземпляров под названием «ВЛ26» («Владимир Ленин»). На железных дорогах данные электровозы пытались внедрить в маневровую работу железнодорожных станций, но при проведении испытаний пришли к следующим выводам:

– Появление недопустимых толчков при разгоне из-за небольшого числа пусковых позиций;

– При движении от аккумуляторных батарей, скорость составляла 1,2 км/ч, что явно не соответствовало проектной скорости;

– При произведении надвига состава на горку появлялись непредвиденные потери энергии из-за колоссального внутреннего сопротивления;

– Вскипание электролита и выезд на неэлектрифицированный участок в незаряженном состоянии, из-за перегрева батарей большими токами.

Данный тип тяги в тот момент не был готов к эксплуатации и строительство таких локомотивов признали нецелесообразным, но в настоящее время появилось техническое, экономическое и экологическое обоснование применения локомотивов на аккумуляторной тяге. Сейчас потомка таких электровозов с контактно-аккумуляторной тягой можно встретить в метро при выполнении монтажно-восстановительных работ и в ночное время при отключении электропитания, также на отдельных горноперерабатывающих предприятиях.

Хотя технология и не новая, но первые прототипы транспортных средств, работающих от электрической энергии, появились ещё в 19 веке, благодаря шотландскому изобретателю Роберту Андерсону. Но массовое производство такого вида транспорта началось в крайние 10 лет и растет стремительными темпами. Американская компания Wabtec заявила в 2021 году о создании электровоза FLXdrive большой грузоподъемности, полностью работающего на аккумуляторной тяге [2]. На данный момент о испытаниях и покупке данного локомотива заявила Австралийская горнодобывающая компания Roy Hill [4]. В компании локомотив будут использовать для транспортировки добытых руд, при этом, температура в данном регионе может достигать 55 градусов по Цельсию. Компания планирует за счет данной разработки снизить эксплуатационные затраты, уменьшить выбросы углекислого газа и вредное воздействие на атмосферу. Более подробные характеристики локомотива FLXDrive от Wabtec приведены в таблице 1 [3].

Таблица 1

Базу взяли от дизельного тепловоза Wabtec, а распределение потоков энергии осуществляется современной интеллектуальной системой управления. Управление общим потоком энергии и её распределением в локомотиве происходит при помощи собственно разработанной системы «Trip Optimizer». Испытания проходили в течение трех месяцев, в штате Калифорнии, где технологическая разработка сразу решала практическую задачу: перевозку 35000 тонн железной руды, при условиях сильной жары, в холмистой долине Сан-Хоакин. За эти три месяца электровоз суммарно преодолел более 21400км. По оценкам специалистов Wabtec, использование аккумуляторного подвижного состава, должно было снизить количество потребляемого дизельного топлива и увеличить эффективность до 10 %. Результат был достигнут: использование разработки позволило сэкономить 11 % дизельного топлива (в соотношении — 23,5 м3 дизтоплива) и снизить выбросы углекислого газа на целых 69 тонн. Подзаряд во время длительных испытаний обеспечивался за счет рекуперативного торможения и применения стационарной зарядки, которая может зарядить аккумуляторы локомотива за 8 часов до 100 %. Инженеры Wabtec оценивают срок службы аккумуляторных батарей в пять лет, при этом, емкость батарей не должна упасть менее 80 %.

Теперь руководство компании задумалось о создании более мощного подвижного состава на данной тяге, емкость аккумуляторов которого будет превышать 6 МВт*ч, экономия топлива до 30 % и снижение выбросов углекислого газа до 30 %. В новой версии локомотива от Wabtec планируют сделать все шесть осей приводными, на крыше планируют разместить разъем для стационарной зарядки. Время полного заряда экспериментального локомотива может составить около 4 часов. Но, в преимуществе, данные электровозы собираются использовать в сцепе, чтобы создать гибридный состав: во время движения дизельных локомотивов электровоз заряжается за счет рекуперативного торможения, не мешая и подстраивая режим торможения в зависимости от поворота и уклона пути. Конструктивная модель локомотива показана на рис. 1.

Рис. 1. Конструктивная модель локомотива FLXDrive [2]

В перспективе применение подвижного состава на аккумуляторной тяге возможно только после анализа факторов и определения сферы работы. Разработка имеет как ряд очевидных преимуществ, как и ряд недостатков. К преимуществам относится: применение аккумуляторного локомотива на неэлектрифицированных или тупиковых участках в малонаселенных районах, также и наоборот, применение в крупных мегаполисах, в целях сокращения значительного уровня выброса углекислых газов. Отдельно стоит обозначить экономическую эффективность железнодорожного транспорта, а применение данного решения позволит усилить позицию отрасли в области экологичности и энергоэффективности. К недостаткам можно отнести: невозможность в настоящее время реализовать идею в России, без применения современных разработок литий-ионных аккумуляторов, и отсутствие интеллектуальной системы, регулирующей потоки энергии локомотива. Но в данный момент в России все больше и больше разрабатываются технологии создания литий-ионных и других видов эффективных аккумуляторов, что позволит в будущем использовать отечественные батареи в быту, промышленности и транспорте. Российские ученые в области химии уже могут создавать полимерные и другие виды аккумуляторов, способных заряжаться в 10 раз быстрее чем литий-ионные [5].

Также к существенным минусам можно отнести увеличение стоимости производства локомотива, по сравнению с существующим подвижным составом, но общие капитальные затраты и расходы на эксплуатацию, в некоторых случаях, могут оказаться ниже, чем при использовании других видов транспорта.

Учитывая изложенное выше, можно сделать вывод, что в ближайшее время можно рассматривать это направление, несмотря на сложности в техническом вопросе и отсутствии спроектированной интеллектуальной системы. Также, учитывая современные требования и ужесточения мировых законов, в области сохранения окружающей среды, увеличения налога на выбросы углекислотного газа, такое решение может найти своё применение в обозримом будущем и поможет сократить выброс углекислого газа, будет способствовать укреплению экономики и улучшению состояния окружающей среды.

Литература:

1. Бирюков В. В. [Автономный электрический транспорт]: / В. В. Бирюков — М.: НГТУ Новосибирск, 2019. — 300 с.
2. Roy Hill. Sets new course with purchase of FLXdrive Battery Locomotive — chapter speech from 15.09.2021.
3. Specifications of FLXdrive battery electric locomotive at a glance. [Электронный ресурс] https://www.wabteccorp.com/locomotive/alternative-fuel-locomotives/flxdrive
4. Speech by Wabtec representative at Genesee & Wyoming University. September 10, 2021 [Электронный ресурс] https://www.railwayage.com/news/flxdrive-electrifies-pittsburgh/
5. «Российские химики создали новый тип аккумулятора, который заряжается в 10 раз быстрее литий-ионного». [Электронный ресурс] https://rscf.ru/news/chemistry/novyy-tip-akkumulyatora/