Миф о высокой энергии

Инновации держит сила трения

Как показали недавно проведенные исследования, системы маглев используют принципиально иную концепцию, чем традиционные ВСМ, что развеивает те мифы, с которыми приходится сталкиваться при реализации новых проектов. В частности, чем меньше конкуренция на рынке, тем инвесторам привлекательнее представляется опираться в краткосрочной перспективе на системы, позволяющие производителям техники развиваться по накатанной колее. Это обеспечивает им стабильные источники доходов за счет долгосрочных контрактов на техническое обслуживание и поставки запчастей, связанных с железнодорожными проектами. Подобная ориентация на текущую коммерческую выгоду заметно затрудняет, а в некоторых случаях замораживает внедрение системных технологических инноваций на транспорте.

И все же по мере того, как срок службы высокоскоростной железнодорожной (колесной) инфраструктуры подойдет к концу, снова возникнет вопрос: «Как быть дальше?». Опыт работы с высокоскоростными поездами подсказывает, что ответ на него, вероятно, придется искать значительно раньше, чем это ожидают многие эксперты.

Затраты на поддержку основных трансъевропейских скоростных коридоров растут так быстро, что все чаще возникает желание задуматься о целесооб­разности использования технологии маглев на уже действующих участках железнодорожных ВСМ. Например, в Японии в сегменте высокоскоростных пассажирских перевозок акценты уже смещаются в сторону маглева. В России наблюдается прогресс в развитии стратегий, связанных с обеспечением грузового движения (CargoMaglev). Китай и Корея активизировали внедрение технологий городского транспорта (UrbanMaglev). Китайские университеты занимаются поездами на электромагнитном подвесе (Transrapid Maglev 11-го поколения).
В Германии начали строить лифты маг­лев. Это указывает на то, что в перспективе сдвиг парадигмы в пользу маглева выглядит достаточно вероятным.

В связи с этим целесообразно было бы провести детальную экспертизу новых проектов, связанных с дальнейшим наращиванием скоростей, чтобы сравнить железнодорожные проекты и системы маглев. Например, для использования на маршрутах, связывающих Рио-де-Жанейро и Сан-Пауло, на трассах Гамбург – Берлин – Варшава/страны Балтии – Санкт-Петербург – Москва, Берлин – Прага – Вена – Будапешт, Вашингтон – Балтимор, Лондон – Ливерпуль. Это помогло бы уточнить общую картину. Скажем, одно из заблуждений связано с тем, что проекты маглев якобы проигрывают железнодорожным ВСМ по энергопотреблению.

Давайте сравним энергопотребление таких железнодорожных ВСМ, как ICE 3 (Германия), TGV DuplexDasye (Франция), Синкансэн № 700 (Япония) и маглев – Transrapid TR08 (Германия/Китай), ChuoShinkansen L0 (Япония). Напомним, что обе эти системы используют линейные двигатели, а отличаются тем, что Transrapid опирается на электро­магнитный подвес, а ChuoShinkansen – на технологии со сверхпроводящими магнитами в подвижном составе.

Куда колесо не катит

Показатель энергопотребления является весомой составляющей эксплуатационных расходов. Ранее эксперты использовали достаточно простые методики, которые затрудняли сопоставление результатов эксплуатации систем различной конфигурации – с поездами неодинаковой составности, мощностью двигателей и максимальной скоростью. Поэтому данные приводили к удельному расходу энергии, затрачиваемой на перемещение пассажира или на движение по участку длиной 1 км.

Однако для того, чтобы получить результаты с минимальными искажениями, при исследованиях имеет смысл опираться на гораздо более широкий спектр нормативов, используемых для аудита внутри высокоскоростных систем. Они позволяют понять, сколько энергии потребляется поездами для обеспечения тяги, поддержания работы вспомогательных систем на борту (например, для управления транспортным средством, кондиционирования воздуха в пассажирских вагонах и их освещения), а также осуществления опера­ционной деятельности.

Инвестиции, связанные с инфраструктурой снабжения энергией в течение жизненного цикла, следует учитывать особо. А вот удельные значения потребления энергии для железнодорожной системы зависят от характеристик линии (рельеф местности), конфигурации поездов, фитинговых требований оператора (количество мест и уровень комфорта сервиса), конструкции тяговой системы и источника питания, длины и скорости движения поездов, количества станций и расстояния между ними – все это тоже относится к эксплуатационным затратам.

Анализ показал, что в целом по удельному энергопотреблению на 1 км пути с поправкой на эффективную площадь железнодорожных систем и факторов, влия­ющих на скорость движения, расходы систем маглев и «колесо-рельс» выглядят вполне сопоставимыми. Показатели между ними сблизились в последнее время благодаря совершенствованию приводов и технологий передачи энергии, энерго­снабжения и управления этим процессом.

Рассмотрим некоторые детали, чтобы лучше понять суть. Важным фактором энергопотребления высокоскоростных систем является сопротивление треку и ускорению. Для автомобиля эти показатели складываются из преодоления сопротивления воздуха и силы качения в зависимости от веса машины, градиентов и изгибов дорожки, а также затрат энергии на ускорение. Для железнодорожных систем картина схожая. Поездам маглев также необходимо преодолевать аэродинамику. Однако остальные затраты сведены всего лишь к тому, чтобы пересилить сопротивление линейного генератора и вихревого тока. А здесь итоговый результат – лучше.

Правда, система ChuoShinkansen L0 до момента достижения скорости 100 км/ч для перехода к левитации требует, чтобы подвижной состав двигался на колесном ходу, что увеличивает потребление энергии на ускорение. Кроме того, свой отпечаток накладывает и другое обстоятельство: трасса между Токио и Нагоей почти полностью проложена в тоннеле, где сопротивление воздуха значительно выше, чем на открытом пространстве. Поэтому поездам опять-таки требуется больше энергии. В поднятом или наземном варианте (без длинных тоннельных секций) эффективность трассы маглев в этом плане повышается.

В целом чем выше скорость движения сравниваемых транспортных средств при достижении постоянной инерции, тем у маглева лучше потребление энергии. Поэтому подобные транспортные системы эффективнее применять при дальних расстояниях между станциями и с поездами, включающими пять или более секций.

Речь идет, уточним, о пассажирских поездах. При расчетах не учитывался такой параметр, как потребление энергии на 1 т-км в зависимости от скорости, потому что все ныне существующие системы маглев – пассажирские. А данный показатель может быть полезным для грузовых перевозок. Хотя железнодорожные ВСМ и маглев не предназначены для перемещения тяжелых грузов, тем не менее они вполне пригодны для организации скоростной доставки контейнеров, посылок и почты.

Вопрос выбора

Есть основания полагать, что если бы производители и операторы железно­дорожных ВСМ предоставили проверенные технические параметры о работе своих систем, то можно было бы получить дополнительные аргументы в пользу маглева. В частности, в прошлом представители железнодорожных ВСМ часто сравнивали мощности, необходимые для обеспечения движения составов на 1 км пути, без учета других сопутствующих факторов в отношении потребления энергии. И такие результаты сравнения можно было интерпретировать по-разному.

Реальное потребление энергии железнодорожными ВСМ при скоростях 300–330 км/ч укладывается в диапазон от 35 до 60 Вт/м²/км, а систем маглев при скоростях 330–500 км/ч – в промежуток от 40 до 110 Вт/м²/км. Сравнение показывает: при скоростях около 330 км/ч с точки зрения потребления энергии на основе критериев эффективной площади ни одна из рассматриваемых транспортных систем не имеет существенных преимуществ. Это опровергает миф об энергозатратности технологий маглев по сравнению с железнодорожными ВСМ. Иными словами, по данному параметру нельзя отдать предпочтение каким-либо высокоскоростным проектам. На скорости 330 км/ч, которая в настоящее время является пределом рациональной эксплуатации систем «колесо-рельс», у ВСМ есть лишь небольшие преимущества в плане потребления энергии только по сравнению с технологий Transrapid прежнего поколения. Вместе с тем поскольку системы маглев могут эксплуатироваться при значительно более высоких скоростях, то такой подход может быть экономически оправдан.

Итак, проведенное исследование показывает: системы маглев могут быть функционально выгодными и полезными для высокоскоростного сообщения. В том случае, когда новые проекты нацелены на сокращение времени в пути, технологии маглев представляют собой перспективный вариант перевозок с точки зрения энергопотребления, что целесообразно учитывать при планировании строительства новых железных дорог. Сеть традиционных систем «колесо-рельс» необходимо развивать, но при этом не допускать дискриминации в отношении других вариантов транспортных сообщений. Системное решение, основанное на энергетических аспектах, должно быть открыто для разных технологий, в том числе учитывать реальные показатели маглева.