РЖД пока не в полной мере используют один из лучших инструментов ресурсосбережения – рекуперацию

Для начала две цифры: РЖД потребляют до 6% всей произведенной в России электроэнергии (44 млрд кВт⋅ч в год), и 73% от общего потребления РЖД приходится на тягу (32,12 млрд кВт⋅ч в год).

Каждый электровоз, равно как и любая электрическая машина, обладает свойством обратимости преобразования энергии – в тот момент, когда с обмотки статора снимается напряжение, он становится генератором, вырабатывая электроэнергию, не спрашивая нас. Она в любом случае находит выход – либо паразитарный ток дает дополнительную нагрузку на провода, разогревая их, либо разогреву подвергаются тормозные резисторы. Так или иначе, эти 30% электродвигатель выдаст назад.

Таким образом, каждый день электромоторы на транспорте, а также те, что работают циклично в стационарном режиме, вырабатывают дополнительную энергию, эквивалентную более 1/3 от затраченной и которая преобразуется в тепло, выбрасывается в атмосферу, дополнительно разогревая ее. В отрасли уже приняли термин для обозначения растрачиваемой электромашинами энергии – «энергетические отходы».

В силу ряда технических и технологических причин (на них мы подробнее остановимся ниже) эта возможность вплоть до последнего времени не могла быть использована в полной мере, и речь тут не столько об экономии электроэнергии и ресурсов, сколько о появлении нового вида генерации, требующего к себе внимания не меньшего, чем к возведению новых ВИЭ-мощностей. Компании же, которым нужно будет лишь включить потенциал уже имеющихся у них электродвигателей, в ближайшие годы зададут новый тренд получения чистой энергии, по своей экологичности превосходящей любой вид существующей ВИЭ-генерации, как то солнечный парк, ветряной генератор или тем более гидроэлектростанция.



Российские железные дороги развиваются в рамках целевых направлений Экологической стратегии ОАО «РЖД» до 2030 г. в области устойчивого развития, связанных с охраной окружающей среды, и внимательно рассматривают самые современные решения, позволяющие драматически сократить потребление электроэнергии и воздействие на окружающую среду. Сравнение показывает, что ОАО «РЖД» по удельным выбросам на единицу приведенной тонно-километровой работы находится на уровне лучших мировых компаний, уступая только французской SNCF.

Удельные выбросы парниковых газов на единицу приведенной работы железнодорожного транспорта

Современные системы рекуперации на основе суперконденсаторных модулей позволяют исключить выброс тепла в атмосферу тормозными резисторами и вместо этого употребить энергию на месте для последующего разгона состава или направить собранное электричество в сеть железнодорожной инфраструктуры.

Тепловой след тормозящего электропоезда

А в системах метрополитена этот вопрос еще более актуален ввиду замкнутого пространства. Направляя электричество, получаемое в процессе сброса скорости в пускотормозные резисторы, мы получаем целый ряд сопутствующих проблем. Одна из них – накопление теплоизбытков, выделяющихся от подвижного состава. На удаление этих избытков теряется порядка 53% электроэнергии, расходуемой системой тоннельной вентиляции. Она уступает только потреблению подвижного состава и составляет 0,8–1,2 млн кВт⋅ч в год (расчет-пример по метрополитену Новосибирска). И эти вопросы актуальны не только для России.

Нагрев тормозных резисторов в метрополитене Лондона

Стоит отметить, что в предыдущий период проводились эксперименты с синхронизацией движения, когда составы начинали отправление одновременно с торможением, балансируя энергосистему всей линии. Разгон и торможение поезда можно синхронизировать с несколькими составами на разных ветках и возвращать энергию в сеть по максимуму. Однако расписание движения составов определяется не инженерами, а пассажиропотоком, и при расширении транспортной сети эта концепция оказалась нежизнеспособной.

Как уже указывалось, электрический транспорт обладает способностью частичного возобновления затраченной на тягу энергии путем ее рекуперации. При рациональных режимах движения транспортных средств рекуперация в разных системах электротранспорта позволяет на 30–50% уменьшить энергоемкость перевозочного процесса, однако вследствие особенностей тягового электропотребления показатель рекуперации энергии в электросетях существующих систем электротранспорта сегодня не превышает 5–10%. На этих процентах стоит остановиться подробнее. К настоящему моменту в мире было проведено немало экспериментов по применению стационарных систем и с учетом технического состояния сетей как в России, так и в США и Европе, сброс рекуперированной энергии в сеть каждый раз упирается в возможность этой сети принять ее. Это провоцирует технические сложности, подвергающие инфраструктуру дополнительной нагрузке. К тому же не решен вопрос, кто и в какой мере от такой передачи энергии в сеть выигрывает, ввиду отсутствия понятного решения по подсчету отданной в сеть мощности. Все эти факторы показывают кратно большую эффективность бортовых систем, которые позволяют собрать рекуперированный объем энергии и использовать его на месте, исключив любые потери в сетях.

Стоит также упомянуть, что, кроме суперконденсаторов, эксперименты по накоплению энергии проводились и с маховиками, литий-ионными, а также никель-металлогидридными аккумуляторами. Маховик-накопитель представляет собой крайне экзотическую, сложную и труднообслуживаемую систему. Использование решений на основе аккумуляторов ограничивается законами химии, не позволяющими этим накопителям выдерживать большие пиковые нагрузки при рекуперации. Испытывая их, они попросту деградируют, и без того небольшое количество циклов заряд-разряд (менее 3000) сокращается в 2 раза. Однако для суперконденсаторов огромные пиковые нагрузки оказываются родной стихией и позволяют достигать более 1 млн циклов без заметной деградации ячеек, что было подтверждено многочисленными испытаниями как в России, так и за рубежом.

Сравнение различных систем накопления энергии

Действительно, суперконденсатор и рекуперация были открыты не сегодня. К примеру, многие автопроизводители вот уже более десятка лет заявляют об использовании рекуперации в своей продукции, особо не фокусируя внимание покупателей на том, что эффективность устанавливаемых систем составляет немногим более 3%, а токи, направляемые в штатный аккумулятор, значительно сокращают срок его жизни, так как конструкция не подразумевает получение пиковых нагрузок.

Эксперименты показали: без суперконденсаторных систем рекуперация на транспорте не дала ощутимого результата – в электросетях существующих систем электротранспорта показатель сегодня не превышает 5–10%. В качестве примера тут можно вспомнить принцип работы турбины, изобретенный греческим математиком и механиком Героном Александрийским еще в I веке н. э. Однако вплоть до конца XIX века турбина не имела заметного промышленного применения. Все изменилось только когда английский инженер Чарлз Парсонс создал многоступенчатый реактивный механизм, сумел направить пар таким образом, что его энергия начала использоваться действительно эффективно (по меркам того времени, конечно).

Похожую историю мы можем наблюдать и с рекуперацией, которую сегодня дополнил современный суперконденсатор и сделал ее действенным инструментом сбора энергии.

Современные системы накопления поменяли роль рекуперации, сделав ее способной собирать до 40% от затрачиваемой двигателем энергии. Они открыли совершенно новые возможности: сегодня рекуперационные решения на основе суперконденсаторов фактически могут стать game changer'ом, который производит чистую энергию без потерь в сетях и негативного воздействия на экосистему (в отличие от аккумуляторов, в основе действия которых лежат химические реакции, суперконденсаторы реализуют электростатический принцип работы и не имеют в составе конструкции вредных, трудноперерабатываемых компонентов). Заряд-разряд суперконденсатора происходит за счет смещения ионов электролита в поле заряженных электродов. Поэтому они успешно функционируют в цепях с часто повторяющимся циклом перезаряда.

Сегодня многие заявляют, что «занимаются рекуперацией», но не показывают эффективных, внедренных решений. Рекуперацией не нужно заниматься – изобретать изобретенное. Нужно предлагать готовые решения.

В России есть такие решения – уже был создан Energy Waste Collector (EWC) производства ТЭЭМП, впервые позволяющий эффективно накапливать и использовать рекуперативную энергию.

На испытаниях, проведенных в 2019 году в Санкт-Петербурге, установлено, что генерация электроэнергии составляет до 40% от потребляемой составом энергии при разгоне.

EWC для рельсового электротранспорта (трамваев, поездов метро, электричек) предусматривает их установку вместо блоков резисторов. Относительная компактность решений на основе суперконденсаторов позволяет осуществлять монтаж бортовых систем в самых различных конфигурациях, в зависимости от требуемой мощности. Система занимает тот же объем, что и штатный тормозной резистор.

Это не первые устройства, которые используют рекуперацию. Но они делают сбор и хранение рекуперированной энергии технически осуществимыми и коммерчески привлекательными.

Автор: Михаил Лифшиц, председатель Совета директоров РОТЕК и ТЭЭМП