Закрыть
1 сентября 2020 года Перспективы применения решений на основе суперконденсаторов в железнодорожном транспорте

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
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.

Экономический эффект при эксплуатации тепловоза ТЭМ18ДМ
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.

САЗДТ установлены в том числе и на тепловозах ТЭМ18ДМ ОАО «РЖД»
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.

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

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

Источник бесперебойного питания для компании Ducati в сборе
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

  • Смотрите также: