В современном рельсовом транспорте каждый цикл разгона и торможения напрямую зависит от большого количества энергии. И если набор скорости потребляет мощность, то торможение, наоборот, производит ее в избытке. Проблема в том, что значительная часть этой энергии пропадает впустую, буквально сгорая при нагреве контактной сети и тормозных систем. Но уже есть электрохимические и емкостные накопители энергии, которые могут собирать, хранить и возвращать в сеть драгоценные киловатт-часы, делая транспорт одновременно дешевле и экологичнее. Как предполагают белорусские инженеры, в перспективе подобные накопители станут одним из ключевых элементов энергоэффективной транспортной инфраструктуры uST, пишет Naked Science.
Рельсовый транспорт — особенно городской — работает в режиме постоянных циклов «разгон — торможение». В метро составы выполняют их тысячи раз в день. Электродинамическое торможение позволяет превращать кинетическую энергию обратно в электрическую. Но есть нюанс: рекуперация будет эффективной, только если рядом окажется еще один поезд, а между ними будет подобран момент отдачи энергии и ее приема второй машиной. Технически сделать это очень непросто. В итоге энергия, которая могла бы питать контактную сеть, уходит в тепло.
Накопители энергии помогают решить эту проблему. Они принимают излишки энергии во время торможения поезда и отдают ее обратно, когда составы начинают разгон или когда контактная сеть испытывает перегрузку.
В ряде стран, таких как Германия, Испания, США, Япония, применение систем накопления электрической энергии (СНЭ) в рельсовом транспорте — это уже стандарт. Так, в японском метро установлены никель-металлгидридные накопители GIGACELL, работающие как буфер для контактной сети.
В Испании и Германии действует система Siemens SITRAS SES, в основе которой — 1344 суперконденсатора Maxwell с мегаваттом пиковой мощности и эффективностью около 95 %. В Филадельфии (США) местное транспортное управление SEPTA внедрило литийионную систему Saft, которая ежедневно «перехватывает» энергию примерно от 400 электропоездов и экономит до 10 % энергии, уходящей на движение.
В ряде проектов СНЭ обеспечивает не только рекуперацию, но и аварийное питание: например, система от SEPTA может поддерживать работу состава при отключении сети. В московском метро аналогичная система дает возможность вывести автономно три-четыре состава к станции на расстояние до 2,3 километра для безопасного вывода пассажиров.
Перспективы технологии
Хотя Беларусь, Россия и другие страны постсоветского пространства пока только начинают внедрять СНЭ, такие примеры уже есть. Здесь стоит отметить контактно-аккумуляторный электровоз ЭМКА2 с бортовым накопителем, разработанный «Трансмашхолдингом» вместе с партнерами.
Он предназначен для выполнения маневровой работы на частично электрифицированных станциях или вокзалах, где использование дизельного двигателя нежелательно. Машина получила бортовой аккумулятор, которому достаточно собственной энергии, чтобы протащить поезд массой 2000 тонн до 14 километров без контактной сети.
В региональной инфраструктуре СНЭ тоже становятся решением. К примеру, в Ленинградской области планируется установка накопителей на проблемном участке Октябрьской железной дороги, где тяжеловесные составы «просаживают» напряжение.
Отдельный проект — станция в Мордовии, где совместили солярный генератор, дизельное резервирование и модульный накопитель энергии. Такая гибридная архитектура — прототип будущих автономных транспортных узлов.
Если говорить о практической пользе таких систем, то в московском метро они способны: экономить более 10 % электроэнергии, снижать максимальные токи нагрузки тяговой подстанции на 27 %, экономить до 6,8 % энергии на участке с высокой рекуперацией. Благодаря этому СНЭ окупается за 5–7 лет, что по меркам индустрии транспортной энергетики — отличный показатель. А некоторые зарубежные системы дают до 20 % экономии на участках с интенсивным трафиком.
Почему это важно для струнного транспорта
Струнные комплексы uST — это системы с небольшим энергопотреблением и четко прогнозируемой траекторией движения. Их архитектура идеально подходит для интеграции СНЭ сразу на нескольких уровнях.
Так, на борту юнимобиля подобные накопители позволяют возвращать энергию торможения, снижать пиковое потребление с сети, обеспечивать аварийный пробег в случае отключения питания. На станциях и тяговых подстанциях комплекса uST СНЭ работают так же, как в метро: стабилизируют напряжение, перераспределяют нагрузку, поддерживают электрическую сетевую архитектуру.
Кроме того, в энергетике автономных участков комплексы uST уже проектируются под работу с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) — солнечными и ветровыми модулями, которые будут установлены вдоль путевой структуры. Накопители превращают такие источники в полноценную систему питания, сглаживая пиковые провалы и скачки напряжения.
Фактически в технологии uST СНЭ могут применяться не как дополнение, а как один из основных новых элементов системы электроснабжения. Согласно расчетам, это радикально повысит энергоэффективность рельсо-струнных транспортных комплексов.
Новый стандарт
Мировая статистика показывает: внедрение СНЭ в рельсовый транспорт дает 3–10 % прямой экономии, а на загруженных линиях — до 20 %. Но важнее другое: такие накопители создают гибкую, устойчивую к перегрузкам и энергоэффективную инфраструктуру, способную работать в связке с ВИЭ.
Компании UST Inc. это даст возможность строить экономичные и автономные транспортные магистрали, особенно там, где тянуть традиционные линии электропередачи бессмысленно и дорого.
Таким образом, энергия торможения больше не обязана «сгорать» на контактных рельсах. Теперь она может работать на пользу транспорта, меняя саму логику городской и междугородней мобильности.
