Перспективы применения решений на основе суперконденсаторов в железнодорожном транспорте

01.09.2020

С-А-Агеев.png
С.А. Агеев, руководитель производственного дивизиона ООО «Товарищество энергетических и электромобильных проектов» (ТЭЭМП)

В эпоху стремительного распространения электротранспорта и возрастающего спроса на эффективные накопители энергии второе дыхание приобретает технология, зарекомендовавшая себя десятилетиями посредством НИОКР и практического применения. Речь идет о суперконденсаторах (СК), способных обеспечить устройство (в том числе автономное) током большой мощности. Работы в данном направлении ведет ТЭЭМП (входит в АО «Ротек»): компания разработала конструктивно новый тип ячейки СК, имеющий потенциал к применению на железнодорожном транспорте. Создание гибридных маневровых тепловозов с применением суперконденсаторов в ОАО «РЖД» определено как одно из перспективных направлений развития подвижного состава [1].

Особенности новой конструкции суперконденсаторов

СК способны мгновенно выдать ток большой мощности, обладают огромным ресурсом, при этом не отличаются высокой плотностью энергии [2]. Благодаря такому сочетанию качеств СК являются идеальной основой для устройств стартерного пуска, рекуперации электроэнергии, систем стартстоп на подвижном составе, а также источников бесперебойного питания (ИБП) большой мощности, способных компенсировать провалы и кратковременные пропадания напряжения на промышленных и железнодорожных объектах

Объем мирового рынка суперконденсаторов в 2019 году составил 487 млн долл., что говорит о широком распространении и применении СК во всем мире (данные аналитического отчета) [3]. Однако в России такая технология никогда не была востребована в прямом смысле этого слова. Объяснением этого может быть целый комплекс причин, начиная от традиционного скепсиса в отношении экономии ресурсов и заканчивая сложными бюрократическими процедурами согласования внедрения дополнительных систем в существующую транспортную инфраструктуру.

Возрождению спроса на СК способствовала бы разработка суперконденсаторных модулей, не имеющих аналогов по соотношению плотности накапливаемой энергии к занимаемому объему и массе, равномерности распределения токовой нагрузки и интегрированной системе диссипации тепловых полей (охлаждения).

СК ячейка в форм-факторе ТЭЭМП.png
Рисунок 1. СК ячейка в форм-факторе ТЭЭМП

Способ соединения СК ячеек в модуле.png
Рисунок 2. Способ соединения СК ячеек в модуле

Реализовать такой подход решил ТЭЭМП. В R&D-центре компании совместно с МИСиС в 2014 году приступили к разработке конструктива и электролита для суперконденсаторной ячейки – единичного элемента, из которого собирают модули с необходимыми характеристиками по напряжению и емкости по требованию заказчика (рис. 1, 2). В 2017 году продукт был запущен в серийное производство. Благодаря оригинальной конструкции базовые ячейки модулей СК обладают рядом преимуществ: минимальным количеством деталей в ячейке; минимальным внутренним сопротивлением; коммутацией по всей боковой поверхности ячейки; сохранением работоспособности после испытаний токами короткого замыкания; оптимизацией токовых и тепловых полей; снижением массы ячейки и собранного модуля на 30% по сравнению с аналогичными устройствами конкурентов. Использование многокомпонентного органического электролита расширяет диапазон рабочих температур СК и пусковой системы до -60°С.

Более высокие характеристики по сравнению с аналогами (табл. 1) позволили компании вести разработки применения СК на железнодорожном транспорте в двух направлениях:

  • системы автоматического запуска – остановки дизеля тепловоза (САЗДТ);
  • комбинированные системы энергоснабжения электропоездов на основе Li-ION аккумуляторов, суперконденсаторов в опциональном сочетании с дизель-генераторной установкой (ДГУ).

Таблица_1.png
Таблица 1. Сравнение характеристик суперконденсаторных ячеек напряжением 2,7В разных производителей (данные с официальных сайтов зарубежных производителей суперконденсаторов)

Системы автоматического запуска-остановки дизеля тепловоза

На маневровых и магистральных тепловозах в холодное время года прогрев теплоносителей (вода, масло) осуществляется при работающем дизель-генераторе на холостом ходу, что приводит к неэффективному расходу топливно-энергетических ресурсов. С целью нивелирования данного эффекта целесообразно применение автоматизированных систем прогрева с автоматическим включением и выключением силовой установки тепловоза. С учетом этого по инициативе ООО «АВП Технология», которое занимается автоматизацией процессов управления подвижным составом, были разработаны и согласованы технические условия на САЗДТ для маневровых и магистральных тепловозов, интегральным элементом которых является СК производства ТЭЭМП.

Таблица_2.png
Таблица 2. Экономический эффект при эксплуатации тепловоза ТЭМ18ДМ после установки САЗДТ

При применении CАЗДТ снижается расход топлива, увеличивается ресурс тягового оборудования [4], снижается негативное влияние на окружающую среду. Экономический эффект был рассчитан при установке САЗДТ на тепловоз ТЭМ18ДМ (табл. 2). При эксплуатации тепловозов основная часть расходов (до 80%) приходится на дизельное топливо. При длительном простое локомотива происходит непроизводительное потребление дизельного топлива на холостом ходу, которое достигает 40% от общего расхода (данные бортовых систем регистрации РПДА-Т. – Прим. автора), в том числе 17% при стоянках на холостом ходу более 15 мин. Так, тепловоз работает на холостом ходу со средним расходом топлива 7,5 кг/ч [5]. САЗДТ при таких простоях позволяют автоматически отключить дизель тепловоза с контролем температуры охлаждающей жидкости (воды) и возможностью обеспечения автоматического запуска дизеля с использованием накопителя энергии при снижении температуры ниже допустимой. При этом обеспечивается уменьшение расхода до 50% от нормы на прогрев тепловоза. Экономия также достигается за счет снижения расходов на моторное масло и сокращения платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу [6]. Кроме этого, при использовании накопителей энергии значительно уменьшается нагрузка на аккумуляторную батарею тепловоза во время запуска дизеля, что позволяет увеличить срок службы аккумуляторов в 1,6-1,8 раза.

Рис_3_САЗДТ установлены в том числе.png
Рисунок 3. САЗДТ установлены в том числе и на тепловозах ТЭМ18ДМ ОАО «РЖД»

В рамках инвестиционного проекта «Внедрение ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте» Дирекция тяги – филиала ОАО «РЖД» провела ТЭО, на основании которого было принято решение об использовании САЗДТ. На данный момент системами оснащено свыше 1 000 маневровых тепловозов ЧМЭ3 и ТЭМ18 (рис. 3). На подвижной состав установлены САЗДТ на основе суперконденсаторных моделей MO-110V18F-0, MO-75V50F-01, MO-75V100F. Система автоматического запуска и остановки дизельных двигателей на основе суперконденсаторов ТЭЭМП позволяет только одному тепловозу в течение одного года экономить до 300 тыс. руб. на дизельном топливе, моторном масле и плате за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. В результате расчета ТЭО проекта срок окупаемости системы составит: при стоянке 15 мин. и более – 2,6 года; при стоянке 30 мин. и более – 5,1 года.

В настоящее время ТЭЭМП совместно с ООО «АВП Технологии» и ОАО «РЖД» осуществляет сбор статистики по эффективности работы САЗДТ, результаты ожидаются к концу 2020 года. Отказов по запуску тепловозов в минусовую температуру с использованием СК пока не зафиксировано. Суперконденсатор сохраняет свои эксплуатационные характеристики по выдаче мощности вне зависимости от низкой температуры (в отличие от аккумуляторной батареи), внутреннее сопротивление в холодную погоду остается неизменным.

Комбинированные системы энергоснабжения электропоездов на основе Li-ION аккумуляторов и СК в опциональном сочетании с ДГУ

Оборудование электропоезда системой автономной тяги с использованием СК и возможной комплектацией ДГУ превращает его в гибрид, способный автономно преодолевать расстояние до 320 км при скорости 120 км/ч.

Рис_4_Обородуование электропоезда.png
Рисунок 4. Оборудование электропоезда системой автономной тяги с использованием СК и Li-ion и возможной комплектацией ДГУ

Требуемая мощность распределяется между ДГУ и накопителем энергии из батарей и суперконденсаторов. Система способна рекуперировать энергию торможения и возвращать обратно для питания электродвигателей (рис. 4). В таблице 3 представлены технические характеристики системы, расчеты были сделаны на участке Владимир – Иваново, на котором в связи с отсутствием электрической сети электропоезд «Ласточка» стыкуется с тепловозом ТЭП70БС.

Таблица_3.png
Таблица 3. Технические характеристики системы автономной тяги с использованием СК и Li-ion и возможной комплектацией ДГУ

Преимущества подобной комбинированной установки могут в полной мере раскрыться на участках, не оборудованных сетью питания, а также сэкономить на использовании тепловозов и эксплуатационных расходах. Ориентировочная стоимость подобной системы, по нашим подсчетам, составляет 115,2 млн руб. (без учета стоимости самого вагона).

Перспективы

Новый тип ячейки СК открывает широкие возможности применения решений и в железнодорожной автоматике. ТЭЭМП разработало систему бесперебойного питания, повышающую надежность электроснабжения объектов на время просадок и кратковременного пропадания основного источника питания. ИБП на суперконденсаторах способен обеспечить энергоснабжение максимальной мощностью 20 кВт в течение 6 мин. во время отсутствия основного питания. В 2018 году ТЭЭМП совместно с подразделением группы Ducati Energia Spa, занимающимся электроникой и системами автоматизации на транспорте, включая железнодорожную инфраструктуру, завершили сборку ИБП на основе суперконденсаторов для железнодорожной сети Италии (рис. 5). В настоящее время осуществляется опытная эксплуатация системы с дальнейшей сертификацией для использования на объектах повышенной ответственности.

Рис_5_Источник бесперебойного питания.png
Рисунок 5. Источник бесперебойного питания для компании Ducati в сборе

В процессе разработки находится применение суперконденсаторов в системах рекуперации, которая позволяет не растрачивать избыточную энергию торможения железнодорожного транспорта. Она может работать параллельно с существующей системой тягового электропитания в двух режимах – энергосбережения и стабилизации напряжения сети. Разработку планируется завершить в 2021-2022 годах. Пока данная система накопления энергии используется только в метрополитене Варшавы.

Список использованной литературы
1. Годовой отчет ОАО «РЖД» за 2019 год. – 121 с. – [Электронный ресурс] URL: https://bit.ly/31ULAJ7. (Дата обращения: 15.07.2020).
2. Шурыгина. В. Суперконденсаторы. Размеры меньше, мощность выше / В. Шурыгина// Электроника: наука, технология, бизнес. – № 7. – 2009.
3. Global Supercapacitors Market Report (2020-2025). Mordor Intelligence Industry Reports. – [Электронный ресурс] URL: www.mordorintelligence.com. (Дата обращения: 15.07.2020).
4. Попель О.С. и др. Физическое моделирование работы гибридного накопителя электрической энергии при пуске двигателя в случае пониженных температур окружающей среды / О.С. Попель, А.Б. Тарасенко, А.А. Федотов, С.Е. Фрид // Интеллектуальная электротехника. – № 3 – 2018.
5. Tarasenko A.B. etc. Cold engine cranking by means of modern energy storage devicesphysical simulation / A.B. Tarasenko, T.S. Gabderakhmanova, S.V. Kiseleva, M.J. Suleymanov // MATEC Web of Conferences – Vol. 178. – 2018.
6. Постановление Правительства РФ от 12.06.2003 № 344 (ред. от 24.12.2014) «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, в том числе через централизованные системы водоотведения, размещение отходов производства и потребления».

Источник: Техника Железных Дорог № 3 (51) август