Альтернативные источники энергии для локомотивов

Гибридные технологии

Еще сравнительно недавно реа­

лизация концепции устойчиво­

го развития применительно к тя­

говому подвижному составу ин­

терпретировалась преимуществен­

но с точки зрения необходимости

минимизации негативного воз­

действия, оказываемого на окру­

жающую среду. Однако постепен­

но железнодорожные компании

приходят к пониманию значения

устойчивого развития как неотъ­

емлемой составляющей бизнеса и

достижения конечного результата

своей деятельности. В условиях ро­

ста цен на топливо постепенное со­

вершенствование тягового привода

подвижного состава с целью повы­

шения его эффективности способ­

ствует существенной экономии де­

нежных средств. Реагируя на за­

интересованность операторов в

снижении расхода топлива, изгото­

вители разрабатывают инноваци­

онные конструкции локомотивов.

Компания Alstom является твер­

дым сторонником внедрения ги­

бридных технологий на рынке ди­

зельного подвижного состава срав­

нительно небольшой мощности и

стала первым изготовителем, поста­

вившим несколько таких локомо­

тивов для коммерческой эксплуа­

тации. В настоящее время Alstom

ГОТОВИТСЯ к началу производства

локомотивов нового поколения, в

которых гибридные технологии

доминируют.

Инновационные инициативы

исходят не только от поставщиков

локомотивов . Операторы также

экспериментируют с перспективны­

ми технологиями, хотя и в меньших

масштабах. Так, нидерландская

компания Strukton оснастила один

из своих локомотивов солнечными

батареями, и успех проекта стиму­

лировал дальнейшие разработки в

этом направлении.

В последние годы завод компа­

нии Alstom Locomotive Services — со­

вместного предприятия компании

Alstom и железных дорог Герма­

нии (DB) в Штендале (Германия)

специализировался на модерниза­

ции эксплуатировавшихся в боль­

шом количестве в бывшей ГДР теп­

ловозов серии V100 (BR 203) с це­

лью продления срока их службы. В

период либерализации рынка гру­

зовых перевозок в Европе такие ло­

комотивы позволяют сравнительно

экономичным образом обеспечить

потребность в тяговом подвиж­

ном составе действующих и новых

некрупных компаний-операторов,

выходящих на этот рынок.

Один из модернизированных

тепловозов заметно отличался от

остальных, поскольку был выбран

для проведения экспериментов по

применению гибридного привода

на основе концепции, которую Al­

stom начала разрабатывать в 2004 г.

В кузов локомотива были встроены

аккумуляторная батарея, дизель-ге­

нератор, силовые электронные пре­

образователи и механическая пере­

дача. Для тяги используются акку­

муляторные батареи. Постоянно

работающий в оптимальном режи­

ме дизель-генератор относительно

небольшой мощности подзаряжает

батареи, когда не используется для

нужд тяги (он может служить ис­

точником дополнительной энер­

гии, если требуется увеличить тя­

говую мощность) . Поскольку во

время стоянок энергия на тягу не

расходуется, потребление топли­

ва может быть сокращено на 4 0%

для эксплуатационного цикла с до­

лей времени работы в режиме хо­

лостого хода 75%, что является су­

щественным достоинством при ис­

пользовании локомотива на манев­

ровой работе.

В 2006 г. модернизация локомо­

тива была закончена, и он экспо­

нировался на выставке InnoTrans в

Берлине (рис. 1), после чего прохо­

дил опытную эксплуатацию у раз­

личных операторов, в частности у

компании Rotterdam Rail Feeding

в порту Роттердам (Нидерланды).

В настоящее время он находится

на автомобилестроительном заво­

де компании Volkswagen в Вольфе-

бурге (Германия), где будет посто­

янно работать в течение ближай­

ших 2 лет.

Передача локомотива во вре­

менное пользование различным

операторам не только позволила

познакомить потенциальных заказ­

чиков с новой технологией, но и да­

ла специалистам компании Alstom

возможность собрать ценную ин­

формацию о его поведении в усло­

виях эксплуатации. Полученная

информация использовалась для

дальнейших разработок и совер­

шенствования локомотива. Так, в

2007 г. установленные на нем акку­

муляторные батареи были замене­

ны на более эффективные никель-

кадмиевые. В ходе эксплуатации

были также отрегулированы систе­

мы управления аккумуляторными

батареями.

Первая партия гибридных локомотивов

В 2010 г. компания Alstom и

компания-оператор Mitteldeutsche

Eisenbahn (MEG), дочерняя DB

Schenker, заключили контракт на

поставку пяти гибридных дизель-

аккумуля торных л окомо ти во в

мощностью 600 кВт, выполненных

на базе тепловозов V100 (рис. 2) .

Первоначально локомотивы пере­

даются в лизинг, однако в 2018 г.,

по истечении срока действия кон­

тракта, MEG сможет приобрести их

в собственность.

Четыре локомотива были пере­

даны заказчику в июне 2012 г. и ис­

пользуются на химическом заводе в

Шкопау (Германия). Еще один дол­

жен быть готов в конце 2012 г. Спе­

циалисты Alstom тесно сотрудни­

чают с представителями заказчика,

отслеживая состояние тепловозов

вместе с техническим персоналом

железных дорог Германии (DB).

Наличие парка (хотя и немногочис­

ленного) таких локомотивов и до­

статочная продолжительность пе­

риода лизинга предоставляют боль­

шие возможности для исследований

и оценки, чем испытания только од­

ного локомотива.

По данным Alstom, использова­

ние гибридного локомотива на ба­

зе тепловоза V100 позволит сокра­

тить на 3 0 - 5 0% потребление энер­

гии, уменьшить на 5 0% эмиссию

углекислого газа и снизить уровень

шума за счет уменьшения мощности

дизеля и сокращения времени его

работы на холостом ходу.

Мониторинг и оценка эксплуа­

тационных показателей неболь­

шого парка экспериментальных

локомотивов будут иметь важное

значение для создания гибридно­

го подвижного состава нового по­

коления. Реализация этого проек­

та была начата компанией Alstom в

2009 г.

Новые ЛОКОМОТИВЫ

Решение о разработке совершен­

но нового локомотива принимали с

учетом нескольких факторов:

• для отработки технических но­

вовведений остается доступным

лишь небольшое число локомо­

тивов V100, еще не прошедших

модернизацию;

•гибридный локомотив V100

слишком большой и мощный, что­

бы была целесообразна заме­

на им менее крупных маневровых

тепловозов;

• модернизация обходится доста­

точно дорого (стоимость модерни­

зированного гибридного локомоти­

ва V100 почти равна стоимости но­

вого тепловоза вследствие исполь­

зования значительного количества

новых компонентов);

• на рынке требуются локомоти­

вы с более широким диапазоном

характеристик;

• необходим более высокий уро­

вень эксплуатационных показате­

лей и эффективности.

В результате было разработано

семейство трехосных локомотивов

Н3(рис . 3), состоящее из четырех

типов (таблица) : локомотив, ра­

ботающий только от аккумулятор­

ных батарей; гибридный локомо­

тив мощностью 700 кВт; локомо­

тив мощностью 700 кВт с двумя ди­

зелями и локомотив мощностью

1000 кВт с одним дизелем (в таб­

лице для сравнения приведены

также характеристики гибридных

локомотивов V100—эксперимен­

тального и следующей партии).

Применение компоновки с тре­

мя моторными осями позволяет

создать локомотив, который имеет

меньшую массу, дешевле в эксплуа­

тации и обслуживании. Однако в

связи с особенностями ходовых ха­

рактеристик трехосных локомоти­

вов возможности их эксплуатации,

как правило, ограниченны. С уче­

том результатов проведенных спе­

циалистами компании Alstom ис­

следований ходовой части эксплуа­

тируемых в Копенгагене сочленен­

ных электропоездов S-Train была

разработана ходовая часть трехос­

ного локомотива достаточно боль­

шой длины, способного развивать

скорость до 100 км/ч (что прием­

лемо при его использовании и в ка­

честве магистрального) и при этом

вписывающегося в кривые мини­

мальным радиусом 60 м. Сила тяги

локомотива достигает 240 кН, что

существенно больше по сравнению

с гибридным локомотивом V100 и

тем более с любым из имеющихся

на рынке трехосных маневровых

локомотивов.

Стоимость нового гибридного

локомотива выше, однако допол­

нительные затраты компенсируют­

ся сокращением эксплуатационных

расходов. По оценкам специалистов

Alstom, снижение расхода топлива

превысит 25 тыс. л в год на один

локомотив . Типичные современ­

ные маневровые тепловозы за 1 ч

потребляют около 16 л топлива, а

использование разработанного Al­

stom гибридного локомотива обес­

печивает экономию примерно 7 л/ч.

В среднем маневровый локомотив

эксплуатируется 4000 ч в год. Эко­

номия топлива при использовании

тепловоза в режиме магистрально­

го также существенна.

Еще один аргумент в пользу ги­

бридного локомотива — его спо­

собность работать практически

с нулевой эмиссией вредных ве­

ществ, что особенно важно, напри­

мер, во внутренних помещениях

депо и в тоннелях. Кроме того, ло­

комотив отличается пониженным

уровнем шума при работе как от

аккумуляторной батареи, так и от

дизель-генератора.

Немаловажное значение имеет и

совместимость. Несколько локомо­

тивов НЗ различных версий способ­

ны работать по системе многих еди­

ниц в разных режимах под управ­

лением одного машиниста. Так, го­

ловной локомотив может вести

поезд с работающим дизелем, в то

время как второй локомотив будет

работать в режиме гибридного или

только от аккумуляторной батареи.

Потребность в таких локомоти­

вах может быть довольно сущест­

венной. В Европе эксплуатируют­

ся около 3000 тепловозов мощно­

стью до 1000 кВт. Многие из них

имеют значительный возраст и ну­

ждаются в замене. В условиях ро­

ста цен на энергоносители и ужесто­

чения ограничений по уровню шу­

ма и содержанию углекислого газа

в выхлопных газах конструктивная

платформа НЗ имеет неплохой по­

тенциал. В то же время спрос на от­

носительно мощные маневровые

тепловозы снижается.

В июле 2012 г. представители

компаний Volkswagen и Alstom под­

писали соглашение о намерениях, в

соответствии с которым будут по­

строены четыре гибридных локо­

мотива НЗ. С 2014 г. предполагает­

ся начать их эксплуатацию на заво­

де в Вольфсбурге.

Использование солнечной энергии

В Нидерландах компания Struk-

ton Rail Equipment, дочерняя ком­

пании — оператора инфраструктуры

Strukton Rail, начала эксперименты

по применению солнечной энергии

на подвижном составе железнодо­

рожного транспорта. Разработана

концепция использования солнеч­

ных батарей на локомотивах.

Для проведения испытаний

был выбран построенный в 1963 г.

компанией Deutz четырехосный

тепловоз серии 1200ВВМ, получив­

ший название Janine (эксплуатируе­

мым Strukton Rail локомотивам тра­

диционно присваиваются женские

имена, их вместе с номером пишут

на капоте), мощностью 808 кВт с

кабиной управления, расположен­

ной в центральной части капотно-

го кузова. Солнечная батарея уста­

новлена на капоте тепловоза таким

образом, чтобы дым из выхлопной

трубы не закрывал солнечный свет,

что могло бы повлиять на ее работу

(рис. 4 и 5). Размеры солнечной ба­

тареи 1920x990x50 мм, мощность —

280 Вт при напряжении 24 В.

Имеется несколько веских при­

чин для исследования возможно­

стей применения солнечной энер­

гии на локомотивах. Экологические

Рис. 4. Солнечная батарея, установленная на капоте тепловоза Janine

проблемы приобретают все боль­

шее значение, в том числе на же­

лезнодорожном транспорте. Эконо­

мия энергии и отсутствие вредных

воздействий на окружающую сре­

ду становятся важными факторами,

пренебрежение которыми может

снизить шансы на получение новых

контрактов. Компания Strukton Rail

рассматривает улучшение экологи­

ческих характеристик как путь к по­

вышению эффективности исполь­

зования энергии и сокращению рас­

ходов, а испытания солнечных ба­

тарей — как новый шаг на этом пути.

Целью испытаний была оценка

сокращения эмиссии углекислого

газа, уменьшения расхода топлива,

снижения уровня шума, повыше­

ния надежности и эксплуатацион­

ной готовности.

Еще до полного завершения ис­

пытаний выявились несомненные

достоинства новой технологии.

Улучшены показатели эксплуатаци­

онной готовности. Локомотив при­

меняется для выполнения работ по

текущему содержанию инфраструк­

туры, т. е. нерегулярно. Это значит,

что, пока локомотив не использу­

ется, аккумуляторы разряжают­

ся. При наличии солнечных бата­

рей аккумуляторы могут постоян­

но подзаряжаться. Испытания были

начаты в холодных зимних услови­

ях, и с тех пор, несмотря на низкие

температуры, не было необходимо­

сти в замене батарей.

Аккумуляторные батареи необ­

ходимы не только для пуска локо­

мотива, но и для питания вспомо­

гательного оборудования. При вы­

ключенном дизеле мощность на­

грузки, подключенной к батарее,

может быть увеличена. Примене­

ние солнечной батареи позволяет

быстро подзаряжать аккумулятор в

большинстве ситуаций.

Повышение надежности спо­

собствует сокращению эксплуата­

ционных расходов. В связи с этим

отпадает необходимость тратить

рабочее время персонала на выезд

к локомотиву и замену на нем ак­

кумуляторных батарей после того,

как он в течение некоторого време­

ни не использовался. Потребность

в новых аккумуляторах с началом

опытной эксплуатации солнечных

батарей также снизилась.

В течение нескольких месяцев

после завершения испытаний бу­

дут проведены обработка и анализ

их результатов, на основании че­

го может быть принято решение об

оснащении солнечными батареями

оставшейся части парка локомоти­

вов Strukton Rail.

Специалисты компании рассма­

тривают пути дальнейшего расши­

рения использования солнечной

энергии на подвижном составе, в

частности на путевых машинах, где

широко применяется питание от ак­

кумуляторных батарей. В зависи­

мости от результатов испытаний с

2013 г. может быть начата установ­

ка солнечных батарей на путевых

машинах во время их капитально­

го ремонта.

Q. Vosman. International Railway Journal, 2012, № 9, p. 53 - 54, 56 - 57; материалы компаний Alstom (www.alstom.com) и Strukton Rail (www.struktonrail.com).