Lokomotywa Wabtec FLXdrive
Przedefiniowanie kolei
Pociągi od dawna kojarzone są z tłuszczem i brudem, ale czy rozwiązanie Wabtec oparte na bateriach może zrewolucjonizować kolejnictwo? Relacja Graya
Koleje odgrywają kluczową rolę w transportie towarów i pasażerów na całym świecie. Stanowią one 7% wszystkich globalnych przewozów towarowych – a w przypadku transportu lądowego ten odsetek wzrasta do prawie 40% – oraz zapewniają niezbędne trasy dla miliardów pasażerów co roku. Jednak chociaż stanowią wyjątkowo energooszczędny sposób transportu, duże odległości i ciężary sprawiają, że ich elektryfikacja jest niezwykle trudna.
Pociągi diesla-elektryczne od dawna stanowią główny element infrastruktury kolejowej, a chociaż pociągi elektryczne zasilane z linii napowietrznych zastąpiły je na niektórych trasach, wysokie koszty infrastruktury sprawiają, że elektryfikacja na dłuższych odległościach jest bardzo kosztowna. W rezultacie ponad 60% sieci kolejowej w Wielkiej Brytanii pozostaje nielektryfikowana; natomiast w Chinach – gdzie w 2024 roku przewieziono 51,75 miliarda ton towarów koleją – około 25% sieci jest nielektryfikowana. Stany Zjednoczone są jeszcze bardziej zależne od tej technologii, posiadając ogromną flotę 28 000 lokomotyw diesla-elektrycznych oraz 124 000 mil linii kolejowych klasy I w intensywnym użyciu.
Klasyczne lokomotywy diesla-elektryczne wykorzystują silniki napędzane paliwami kopalnymi do wytwarzania prądu, który z kolei napędza silniki bezpośredniego przeniesienia. Według Międzynarodowej Organizacji Energetycznej są one głównym źródłem 250 milionów ton CO2 emitowanych rocznie w transporcie kolejowym. Do tej pory jednak nie istniało żadne inne rozwiązanie, które mogłoby zapewnić taką samą moc i wydajność.
Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) od dawna jest liderem na świecie w dziedzinie rozwoju lokomotyw diesla-elektrycznych, wprowadzając innowacyjne metody zwiększające ich efektywność. W 2001 roku zastosowali hamowanie regeneracyjne w niektórych swoich lokomotywach, tworząc pierwszą na świecie hybrydową maszynę typu bateria-diesel-elektryczny, a w ciągu następnych 25 lat rozwijali ten pomysł, tworząc pierwszą na świecie w pełni 100% elektryczną lokomotywę do transportu ciężkiego – FLXdrive.
Jeśli wydaje się to długim okresem na rozwój, to dlatego, że – podobnie jak w przypadku większości wyzwań związanych z elektryfikacją – udało się to osiągnąć dopiero wtedy, gdy wszystkie elementy się skompletowały. Jim Bunce spędził siedem lat na kierowaniu pracami nad pakietami baterii oraz systemem zarządzania, a obecnie jest kierownikiem ds. inżynierii systemów. Wyjaśnia: „Celem było zaprojektowanie pojazdu elektrycznego na baterie w taki sposób, aby oferował taką samą moc jak tradycyjna lokomotywa diesla-elektryczna – i udało nam się to teraz osiągnąć.”
„Systemy trakcji i napędu w lokomotywach diesel-elektrycznych oraz FLXdrive są niemal identyczne, więc w zasadzie zapewniają tę samą moc 4500 koni mechanicznych. System elektryczny na baterie nie może działać samodzielnie na takich samych odległościach jak lokomotywa diesel-elektryczna, ale może zapewnić znaczne poprawy efektywności przy długich trasach, gdy jest używany w połączeniu z innymi pojazdami. System FLXdrive jest skalowalny i modułowy, co pozwala na zastosowanie go w różnorodnych sytuacjach, takich jak transport liniiowy, ciężki transport, przewóz towarów, ruchy na dworcach oraz operacje hybrydowe.”
Zdolność skalowania jest ważna, ponieważ ma znaczenie wskaźnik czasu pracy, ale obecnie system na baterie nie jest w stanie funkcjonować jako samodzielne rozwiązanie. Celem nie jest eliminacja silnika diesla we wszystkich sytuacjach, lecz wykorzystanie energii z baterii tam, gdzie przynosi ona największe korzyści operacyjne i środowiskowe. Lokomotywa pracująca w warunkach konserwacji metra napotyka zupełnie inne problemy niż lokomotywa towarowa poruszająca się na długich dystansach – dlatego opracowano różne wersje przeznaczone do konkretnych zastosowań.
Switcher jest idealny do użytku na terenach przemysłowych, do budowy pociągów transportujących ładunki z jednego miejsca na drugie – takie pojazdy zwykle wymagają mniej baterii, ponieważ znajdują się w pobliżu systemu ładowania. Wersja hybrydowa, zaprojektowana do prac konserwacyjnych w większych systemach metra miejskiego, zachowuje silnik diesla, ale może przechodzić na pełne zasilanie bateryjne w tunelach. Jej rozmiar został dostosowany tak, aby umożliwić wyłączenie silnika w miejscach, gdzie dymy i emisje mogłyby negatywnie wpłynąć na środowisko pracy.
W przypadku lokomotyw towarowych do dalekich tras FLXdrive wyposażony jest w maksymalną liczbę pakietów baterii i został zaprojektowany do pracy w ramach floty, uzupełniając istniejące lokomotywy diesla-elektryczne poprzez współpracę z nimi w celu stworzenia efektywnego rozwiązania hybrydowego. „Pociąg towarowy dalekobieżny w USA ma zazwyczaj około półtorej mili długości i składa się z trzech lub czterech lokomotyw prowadzących ruch”, wyjaśnia Bunce. „Zastępujemy jedną z tych lokomotyw diesla-elektrycznych FLXdrive, dzięki czemu wszystkie lokomotywy pracują razem jako część zespołu hybrydowego. Duże zasięgi są nadal zapewniane przez flotę lokomotyw diesla-elektrycznych, a efektywność zużycia paliwa poprawiona dzięki zastosowaniu napędu bateria-elektryczny”.
Dowodzenie skutecznością koncepcji
Pierwszy prototyp konstrukcji FLXdrive został wprowadzony do testów w 2021 roku. Był wyposażony w 18 000 komórek baterii litowo-jonowych chłodzonych powietrzem, które zapewniały łącznie 2,4 MWh pojemności magazynowania energii, a jego masa wynosiła 430 000 funtów. Nacisk kładziono na transport o większym zasięgu, dlatego lokomotywa była testowana w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego we współpracy z BNSF Railway, największą koleją w Stanach Zjednoczonych, zamiast jeździć po pętlach na torze testowym.
W trzymiesięcznym okresie testowym w dolinie San Joaquin w Kalifornii – obszarze otoczonym górami o pagórkowatym terenie, które maksymalizowało wykorzystanie hamowania regeneracyjnego – lokomotywa przebyła 13 320 mil, pracując w składzie kolejowym obok innych lokomotyw diesla-elektrycznych. Dzięki temu udało się osiągnąć 11% redukcji zużycia paliwa (co odpowiada ponad 6200 galonom oleju napędowego) oraz zmniejszenie emisji CO2 o około 69 ton, co potwierdziło poprawność początkowego koncepcji, ale jednocześnie wskazało na istotną możliwość dalszych ulepszeń.
Druga wersja, wprowadzona do usług demonstracyjnych dla klientów w Australii kilka lat temu, przeszła znaczące ulepszenia – oryginalny system baterii chłodzonych powietrzem został zastąpiony konstrukcją chłodzoną wodą. Lepsza efektywność chłodzenia wodnego umożliwiła znaczny wzrost gęstości baterii, co oznacza, że pojemność baterii pojazdu mogła zostać potrojona, osiągając łącznie 7 MWh. Firma szacuje, że w zależności od trasy i działalności klienta może to przynieść redukcję zużycia paliwa i emisji o nawet 30%.
„W systemie chłodzonym powietrzem potrzeba naprawdę dużo miejsca na przepływ powietrza niezbędnego do chłodzenia baterii” – mówi Bunce. „Przechodząc na system chłodzony cieczą, możemy wykorzystać każdy cal dostępnego miejsca w lokomotywie. Równolegle z tym rozwojem testy terenowe znacząco pomogły naszym klientom w ocenie nowej technologii w ich zastosowaniach – aby zrozumieć, jakie będą wymagania serwisowe i potrzeby infrastrukturalne – a także umożliwiły nam pokazanie bezpiecznego i sprawnego systemu, który zachowuje wydajność przy znacznym oszczędzaniu paliwa i korzyściach w zakresie emisji.”
Lokomotywa FLXdrive bardzo przypomina tradycyjny silnik diesla-elektryczny, mając tę samą zewnętrzną obudowę i układ kabiny – choć informacje dostarczane kierowcy są zupełnie inne. Różnica staje się jeszcze bardziej widoczna poza kabiną, gdzie brakuje silnika diesla, alternatora, który zwykle przekształca moc mechaniczną silnika na energię elektryczną, oraz dużego systemu chłodzenia związанego z instalacją diesla. Zamiast nich znajdują się baterie wraz z systemem zarządzania temperaturą, który ma na celu utrzymanie baterii w zakreślonym przedziale temperatur operacyjnych.
Różnica jest odczuwalna również pod względem doświadczenia jazdy, ponieważ zmniejszenie wibracji generowanych przez silnik znacznie poprawia jakość jazdy w pojeździe. „Gdybyś wszedł do kabiny operatora, w której dziś pracuje załoga przy lokomotywie diesla-elektrycznej w porównaniu z lokomotywą FLXdrive, obie są w zasadzie identyczne – ale brak silnika diesla ma istotny wpływ na poziom hałasu i wibracji pojazdu”, mówi Bunce.
„Jednym z największych źródeł wibracji w lokomotywie jest silnik diesla, a chociaż nasze lokomotywy diesel-elektryczne posiadają system miękkiego mocowania, dzięki któremu maszyniści nie odczuwają tych wibracji, one nadal są znaczące. Waga lokomotywy jest prawdopodobnie głównym czynnikiem powodującym zużycie torów, a całkowita waga nie zmienia się zbytnio, ale ma istotny wpływ na jakość jazdy maszynisty. Jazda jest o wiele przyjemniejsza!”
Elektryfikacja na dużą skalę
Pod względem napędu FLXdrive opiera się na dobrze znanej technologii trakcji prądu przemiennego. Większość wersji wykorzystuje sześć oddzielnych silników trakcyjnych prądu przemiennego o wysokim momencie obrotowym marki General Electric GEB13, zamontowanych na osiach pojazdu, z których każdy generuje około 1000 koni mechanicznych. Każda oś jest napędzana przez oddzielny silnik, a każda z nich jest sterowana indywidualnie za pomocą własnego zaawansowanego, chłodzonego cieczą inwertera o zmiennych częstotliwościach. Dzięki temu uzyskuje się pewien stopień odporności, ponieważ problem dotyczący jednego silnika lub inwertera niekoniecznie uniemożliwia dostarczenie mocy do pozostałych silników.
Architektura elektryczna opiera się na wysokonapięciowym busie prądu stałego, a system pracuje w normie przy napięciu 1350 V prądu stałego, przy czym systemy inwerterów przekształcają ten prąd w prąd zmienny dla silników indukcyjnych. Takie wysokie napięcie – podczas gdy typowe nowoczesne platformy samochodowe pracują przy około 800 V – sprawiło, że rozwój lokomotywy elektrycznej na baterie wymagał czegoś więcej niż zwykłego dodania baterii w stylu samochodowym do istniejącej platformy lokomotyw. Zamiast tego firma musiała opracować specjalne pakety baterii, dostosowane do pracy w systemie napędowym ciężkich pociągów towarowych.
To jest elektryfikacja w zupełnie innym wymiarze. Każdy pakiet baterii ma mniej więcej rozmiar materaca queen-size – około 64 cali długości, 48 cali szerokości i 10 cali wysokości – a po usunięciu oryginalnych komponentów powstaje miejsce na te ogromne elementy, które mogą zajmować nawet dwie trzecie lokomotywy. „Obecnie mamy na pokładzie aż 72 pakietów baterii” – mówi Bunce. „To równoznaczne z 72 pakietami baterii o mocy Tesli na jednym pojeździe!”
Wabtec projektuje i wytwarza baterie wyłącznie we własnych zakładach w Erie w stanie Pensylwania. Do ich produkcji wykorzystuje ogniwa bateryjne od dostawców zewnętrznych, oferujących różnorodne chemie ogniw, w tym NMC (mangan-cynk-tlenek niklu), LFP (fosforan żelaza litu) oraz LTO (tlenek tytanatu litu). Każda bateria składa się z 504 oddzielnych ogniw, zaprojektowanych tak, aby przy maksymalnym naładowaniu pracowały przy napięciu 350 V; cztery takie baterie mogą wspólnie działać przy napięciu 1400 V, co jest nieco powyżej wymaganego poziomu 1350 V.
„Komórki baterii, których używamy, są projektowane do zastosowań samochodowych, ponieważ to one najwięcej zużywają pojedynczych komórek baterii, więc są najłatwiej dostępne” – mówi Bunce. „Wybrany przez nas format jest dostępny u wielu dostawców, w różnych konfiguracjach chemicznych i o różnej pojemności, a wszyscy oni mają plany rozwoju produktów na kilka kolejnych generacji. Dlatego, w miarę poprawy pojemności i właściwości chemicznych, powinniśmy odczuć korzyści wynikające z tych zmian.”
„Wszystkie nasze baterie są połączone elektrycznie w szyny i banki, dzięki czemu możemy w razie potrzeby izolować poszczególne banki baterii. Całą tę energię kierujemy do wspólnego obwodu prądu stałego, a następnie poszczególne zestawy inwerterów pobierają energię z tego obwodu, aby indywidualnie sterować każdym osią. Rozmiar i liczba baterii są dobierane w zależności od zastosowania – nasz większy system do transportu towarów o dużej masie posiada aż 72 pakiety baterii, podczas gdy nasza mniejsza konfiguracja Switcher ma 28 – a w niektórych przypadkach pozostawiamy miejsce, aby móc w przyszłości zmodyfikować te jednostki, jeśli pojawi się potrzeba większego zasięgu.”
Kontrola poszczególnych osi zapewnia wrodzoną odporność na awarie pojedynczych silników lub systemów inwerterowych – energia jest po prostu przekierowywana do innych silników bez żadnego wpływu na wydajność lokomotywy. Pozwala to również systemowi zarządzać poślizgiem pomiędzy silnikami, a każdy silnik trakcyjny posiada własną, niezależną przekładnię zintegrowaną w konstrukcji silnika osiowego, zamiast przekładni znajdującej się w całym układzie napędowym – co maksymalizuje siłę trakcji.
Znaczny system baterii zwiększa wagę lokomotywy, ale w tym przypadku – w odróżnieniu od wielu innych pojazdów elektrycznych, gdzie waga baterii stanowi nieuniknioną przeszkodę, nad którą inżynierowie ciągle pracują, by ją zmniejszyć – ta dodatkowa masa jest zaletą, ponieważ przyczynia się do trakcji między kołami a torami. Pojazdy diesla-elektryczne faktycznie dodają balastu w celu zwiększenia masy, ale system baterii oznacza, że potrzeba go mniej, aby skutecznie dostarczyć energię na tory, a masa pojazdu jest maksymalizowana w ramach ograniczeń narzuconych przez podkład torowy i infrastrukturę naziemną.
Bезpieczeństwo i wydajność baterii
Z uwagi na wysokie napięcia, bezpieczeństwo operacyjne jest priorytetem, a możliwość izolacji poszczególnych części systemu elektrycznego przed wymianą baterii lub obsługą urządzeń inwerterowych stanowiła kluczowy element kryteriów projektowych. FLXdrive wykorzystuje podejście LOTO („Lock Out – Tag Out”) – powszechnie stosowaną praktykę w przemyśle kolejowym – która zapewnia izolację systemu oraz fizyczne zablokowanie go, aby uniemożliwić komukolwiek innemu przywrócenie zasilania podczas prac. Dodatkową ochronę zapewnia system kluczy zamekowych, który wymaga od zespołów konserwacyjnych wykonywania określonej sekwencji działań w celu stopniowej izolacji i odłączenia urządzeń.
„Bezpieczeństwo było kluczowym elementem przy projektowaniu lokomotywy” – wyjaśnia Bunce. „Poświęciliśmy sporo czasu i wysiłku na ocenę różnych scenariuszy użycia w ramach różnych zadań służbowych oraz na zrozumienie nie tylko tego, w jaki sposób pojazd może być wykorzystywany jako lokomotywa, ale także tego, jak konserwatorzy będą obsługiwać sprzęt, jak będą wymieniać części oraz jak będą współpracować z pozostałymi elementami pojazdu.”
Kwestia bezpieczeństwa obejmuje również wymóg ochrony fizycznej przed trudnymi warunkami, z którymi zwykle borykają się pojazdy kolejowe o dużej masie, jeżdżące z dużą prędkością i narażone na poważne wypadki. Wabtec współpracował bezpośrednio z poszczególnymi klientami w celu oceny scenariuszy reagowania w sytuacjach awaryjnych, łącząc ich wiedzę o technologii baterii z rozumieniem przez operatorów specyfiki ich środowiska kolejowego, a Bunce dodaje: „Zaprojektowaliśmy tę obudowę tak, aby była wytrzymała, przy czym jej niezawodność potwierdzono poprzez liczne testy upadków, wstrząsów i wibracji.”
Podtrzymywanie baterii w odpowiedniej temperaturze pracy jest również kluczowym elementem zapewnienia bezpieczeństwa, a także ważnym czynnikiem osiągania najlepszych wyników. Aby optymalizować wydajność w obu tych aspektach, Wabtec poświęcił znaczną ilość czasu na opracowanie własnego, specjalnie zaprojektowanego systemu chłodzenia. „Obecna technologia wymaga od baterii środowiska o nominalnej temperaturze pracy około 25 stopni Celsjusza” – mówi Bunce. „Nasz system zarządzania temperaturą baterii został zaprojektowany tak, aby ogrzewać lub chłodzić baterie i utrzymywać je w tej temperaturze, wykorzystując mieszankę etylenoglikolu i wody w proporcji 50:50, co umożliwia osiągnięcie tego efektu.”
System, który został opracowany przez spółkę-siostrę Wabtec i stanowi istniejącą technologię wykorzystywaną w innych zastosowaniach transportowych, został dostosowany do integracji z systemem lokomotyw towarowych. Pakiety baterii są zamontowane bezpośrednio na wbudowanej płycie chłodzącej, co umożliwia niezależne chłodzenie każdego z pakietów. Rury i kanały chłodzące w żaden sposób nie mają kontaktu z komórkami baterii ani z systemem elektrycznym, co zapewnia ich pełną izolację, a płyta chłodząca dostarcza chłód do wszystkich komórek.
Zazwyczaj system wykorzystuje jeden obwód na każdą kolumnę, a każdy pojedynczy pakiet baterii posiada suchy zacisk rozłączny, który umożliwia oddzielenie poszczególnych pakietów bez konieczności opróżniania całego systemu chłodzenia lokomotywy. Dzięki temu inżynierowie konserwacyjni mogą łatwo odizolować dany pakiet od systemu chłodzącego, usunąć go i zastąpić nowym, a następnie ponownie połączyć linie chłodzące, aby system znów działał.
Aby zapobiec awarii termicznej – która jest jednym z najbliżej monitorowanych zagrożeń we wszystkich dużych systemach baterii – zespół opracował pasywną rozwiązanie na poziomie pakietów. Bunce wyjaśnia: „Lokomotywy spędzają znaczną ilość czasu w trybie czuwania lub wyłączenia, a w wielu przypadkach wysyłamy je na cały świat. W takich sytuacjach w ogóle nie są zasilane, a system zarządzania bateriami nie funkcjonuje.
„Z tych powodów zaprojektowaliśmy nasz system w taki sposób, aby nie był zależny od systemu zarządzania bateriami w celu zapobiegania awariom termicznym. Gazy są kierowane przez tarczę wybuchową, a następnie w kontrolowany sposób wypływają z pakietu baterii przez komin i opuszczają pojazd. Nie ma przenoszenia się awarii z jednego pakietu na drugi, ponieważ wszystko znajduje się w obrębie pojedynczego pakietu baterii. Chociaż system zarządzania bateriami przynosi korzyści podczas pracy i może zmniejszyć ryzyko awarii wewnątrz danego pakietu, nie stanowi on kluczowego elementu bezpieczeństwa w naszej strategii zapobiegania awariom termicznym.”
Zarządzanie energią
Kluczem do funkcjonowania lokomotywy elektrycznej na baterie jest jej zdolność do pozyskiwania energii w trakcie ruchu. Dlatego tak dobrze sprawdza się jako uzupełnienie lokomotyw diesla-elektrycznych w składzie podczas długich podróży. Konwencjonalne lokomotywy diesla-elektryczne tej firmy już wykorzystują napęd prądu przemiennego, w którym hamowanie dynamiczne powoduje, że silniki napędowe wytwarzają energię elektryczną. Jednak tradycyjny system po prostu rozpraszają tę energię hamowania w postaci ciepła za pomocą rezystorów elektrycznych i wentylatorów chłodzących, podczas gdy system na baterie wykorzystuje tę energię, przechowując ją do ponownego użycia podczas podróży.
Ilość korzyści, jakie to zapewnia, oczywiście zależy od konkretnej operacji wykonywanej przez lokomotywę FLXdrive, a Bunce wyjaśnia: „Każda trasa i zastosowanie jest inne. Prace na torach manewrowych przynoszą duże korzyści dzięki cyklowi start-stop, ale nawet w zastosowaniach transportu towarowego może ona zapewnić znaczne zalety. Masa i prędkość pociągu oraz nachylenie zbocza, po którym jedzie, wpływają na ilość wytwarzanej energii, która może zostać zgromadzona – a może to być spora ilość.”
Kluczem nie jest jedynie odzyskiwanie energii; chodzi o zrozumienie i zarządzanie tym, jak i kiedy powinna być przechowywana lub wykorzystywana. Dzięki temu hamowanie regeneracyjne staje się częścią szerszej strategii energetycznej – a zaletą kolei jest to, że zawsze porusza się po ustalonej linii wzdłuż znanej topografii. Biorąc to pod uwagę, Wabtec może optymalizować działanie na trasie i opracował inteligentny system zarządzania energią dla FLXdrive, który potrafi planować procesy ładowania i rozładowywania w zależności od tego, co nas czeka, dążąc do wykorzystania energii regenerowanej przy jednoczesnym unikaniu niepotrzebnie intensywnego ładowania.
Znany jako FLXoptimizer, ten zaawansowany system oprogramowania do zarządzania energią i automatyzacji został specjalnie opracowany do obsługi FLXdrive. Działając jako system nadrzędny we wszystkich lokomotywach składu, opiera się na sprawdzonej technologii Trip Optimizer firmy Wabtec, używanej w jej pociągach diesla, rozwijając standardowe funkcje takie jak inteligentny kontroler prędkości sterowany sztuczną inteligencją oraz rozszerzając tę logikę o możliwość mądrego zarządzania hybrydowym połączeniem lokomotyw diesla i na baterie.
„To było mniej więcej w 2010 roku, gdy rozpoczęto prace nad systemem zarządzania energią, i od tamtej pory jest on stale rozwijany” – mówi Bunce. „Praca lokomotywy FLXdrive jest zasadniczo identyczna jak w przypadku każdej innej lokomotywy diesla-elektrycznej – poszczególni operatorzy nie podejmują decyzji o tym, jak najlepiej zoptymalizować zużycie paliwa lub prędkość, wszystko to odbywa się w tle za pośrednictwem systemu zarządzania energią – a my obecnie również wykorzystujemy sztuczną inteligencję na różne sposoby, aby jeszcze bardziej zoptymalizować to, co już osiągnęliśmy.”
„Współpracujemy z naszymi klientami, aby zrozumieć różne środowiska operacyjne oraz ewentualne specjalne tryby, jakich pragną, ale wszystko to jest zarządzane za pośrednictwem systemu zarządzania energią. W rzeczywistości mapujemy każdą pojedynczą trasę podczas wdrażania systemu zarządzania energią dostosowanego do konkretnych potrzeb pociągu – dzięki temu na początku podróży wiemy dokładnie, co transportujemy, jakie mamy lokomotywy, ile energii zużywamy i dokąd zmierzamy.”
„Używamy tego systemu w zwykłych jednostkach diesla-elektrycznych, ale gdy w składzie znajduje się lokomotywa elektryczna na baterie i możemy pracować w trybie hybrydowym, opracowujemy pełny plan ładowania i rozładowywania jeszcze przed opuszczeniem stacji. Rozwiązanie do zarządzania energią rozumie trasę, więc planuje się tak, aby bateria nigdy nie była ani w pełni naładowana, ani całkowicie pusta, a także aby można było wydobyć z niej jak najwięcej energii.”
Oprócz ładowania regeneracyjnego, lokomotywa elektryczna na baterie posiada zintegrowane rozwiązanie umożliwiające statyczne ładowanie przez złącze. Standardowy system został dostosowany na podstawie technologii powszechnie stosowanej w przemyśle motoryzacyjnym, a Bunce dodaje: „Wymagania dotyczące ładowania zmieniają się w zależności od zastosowania, profilu pracy oraz infrastruktury klienta, dlatego współpracujemy z każdym klientem, aby dostosować je do jego potrzeb.”
„Zazwyczaj w przypadku przewozów towarowych większość ładowania odbywa się za pomocą systemu hamowania regeneracyjnego, gdzie to pozwala teren, natomiast ładowanie przez złącze podczas postoju jest przydatne w przypadku lokomotyw hybrydowych lub typu Switcher – na końcu zmiany, gdy lokomotywa nie jest używana, można ją podłączyć i naładować po zakończeniu pracy. Jest to bardzo podobne do systemu pojazdów elektrycznych, a w niektórych przypadkach korzystamy z usług dostawcy ładowania dla pojazdów elektrycznych w tym celu.”
Oprócz tego firma opracowała również specjalną opcję szybkiego ładowania prądem stałym przeznaczoną dla pociągów, wykorzystującą nieruchomy pantograf do pobierania energii z linii napowietrznych. Obecnie nie ma ona możliwości użycia do ładowania w ruchu, ale Bunce twierdzi, że Wabtec „absolutnie oczekuje posiadania tej możliwości” w przyszłości. „Pobieralibyśmy energię z systemu pantografowego, gdy przechodzimy pod nim, i wykorzystalibyśmy ją do ładowania baterii w trakcie ruchu, a jednocześnie do zasilania systemu napędowego” – wyjaśnia. „Gdy już nie będziemy pod linią napowietrzną, używalibyśmy baterii do dalszego poruszania się naprzód”.
Dopasowanie osiągów
Filozofią FLXdrive było jak najdokładniejsze dorównanie osiągom istniejących lokomotyw diesla-elektrycznych – jednak nie chodziło tu tylko o zastąpienie silnika diesla odpowiednią ilością pojemności akumulatorowej. W odróżnieniu od lokomotywy diesla-elektrycznej, w której silnik musi najpierw osiągnąć odpowiednią prędkość, zanim będzie mógł w pełni zadziałać, wczesne prace pokazały, że lokomotywa na akumulatorach może reagować zbyt szybko, stwarzając dla operatora niespodziewane wyzwania w porównaniu z konwencjonalnymi rozwiązaniami.
Oczywiście wskaźniki wydajności i zasięgu różnią się w zależności od trasy, ale celem zawsze było stworzenie serii rozwiązań nadających się do różnorodnych zastosowań. Bunce wyjaśnia: „FLXdrive Switcher został zaprojektowany do pracy przez pełne osiem godzin, co odpowiada typowym wymaganiom naszych klientów dotyczącym manewrowania pociągami. Z kolei FLXdrive heavy-haul może ciągnąć pociąg o długości jednej i pół mili lub więcej, więc jego zdolność zasięgu jest ściśle uzależniona od trasy, terenu i warunków eksploatacji.”
„Ogólnie rzecz biorąc, na trasie pełnej wzniesień lokomotywa wykorzystuje moc do pokonywania wzniesień, a następnie system naładowuje się podczas zjazdu. Typowa aplikacja górnicza, od kopalni do portu, polega na transportie w górę po jednej stronie i w dół po drugiej – dzięki temu wykorzystuje się pełny potencjał tego terenu w takiej aplikacji.”
Wabtec ma zamówienia na wszystkie rodzaje zadań w całym świecie. Union Pacific wkrótce otrzyma cztery jednostki FLXdrive Switcher do prac na dworcach w Kalifornii, a Canadian National otrzyma jedną taką jednostkę. W Australii firma BHP wykorzystuje kilka ciężkich jednostek w regionie górniczym Pilbara, używając ich w pełni załadowanych do jazdy w dół od kopalń w głębi lądu do portów przybrzeżnych, aby mogły się naładować podczas zjazdu.
Kwestia nie dotyczy już tylko tego, czy lokomotywa elektryczna na baterie może funkcjonować; chodzi o to, w jaki sposób technologia ta powinna być określona, wspierana i integrowana w zależności od konkretnego zastosowania. FLXdrive 2.0 dalej rozwija ten koncepcję, umożliwiając wspólne uczenie się technologii, klienta oraz otaczającej ją infrastruktury. Technologia znajduje się nadal we wczesnym stadium rozwoju, a poprawy w pojemności baterii i gęstości energii będą nadal rozszerzać zakres możliwych zastosowań w przyszłości.
Ostatecznie pełna elektryfikacja sieci kolejowych jest jednak jeszcze daleka, a chociaż pojazdy na baterie doskonale nadają się do niektórych zastosowań – szczególnie do manewrowania pociągami i prac na stacjach – ograniczenia zasięgu oznaczają, że hybrydowe systemy będą miały sens jeszcze przez długi czas. W świecie, w którym zrównoważony rozwój jest priorytetem, Bunce uważa, że paliwa alternatywne również będą odgrywać rolę obok FLXdrive, przy czym należy szukać portfolio rozwiązań, a nie jednej technologii zastępczej stosowanej we wszystkich sieciach.
W tym celu, oprócz rozwijania swojego systemu na baterie, Wabtec bada już technologie paliw i napędów alternatywnych, takie jak biodiesel, odnawialny diesel i gaz ziemny, natomiast etanol i wodór są obecnie poddawane ocenie.
„Samochody na baterie to nadal technologia w fazie rozwoju, więc ostatecznie konieczne będzie dostarczenie szerokiej gamy produktów wspierających naszych klientów, w tym paliw alternatywnych, rozwiązań hybrydowych oraz systemów na baterie – wszystkie one będą odgrywać ważną rolę w przyszłości” – mówi Bunce. „Każde zastosowanie będzie miało swoje własne wymagania, ale z pewnością istnieją takie przypadki u klientów, które doskonale nadają się do pełnego przejścia na samochody elektryczne napędzane bateriami.”
Obecna lokomotywa FLXdrive stanowi platformę do dalszego rozwoju, a nie ostateczne rozwiązanie. Pakiety baterii opierają się na formatach ogniw, które mogą skorzystać z ulepszeń wprowadzanych przez całą branżę baterii – wyższa pojemność, lepsze metody ładowania oraz większa gęstość energii mogą przynieść korzyści przyszłym lokomotywom. System sterowania będzie również nadal poprawiał sposób wykorzystania istniejącej energii, czerpiąc korzyści z nieuniknionych postępów w dziedzinie sztucznej inteligencji.
Jest już jasne, że technologia wykroczyła poza początkowe pytanie o to, czy baterie mogą zasilać lokomotywę. Obecnie wyzwaniem inżynieryjnym jest skalowanie, integracja, zarządzanie energią oraz rozwój infrastruktury niezbędnej do obsługi tego typu urządzeń. FLXdrive stanowi kilka rozwiązań tego problemu: lokomotywę zaprojektowaną tak, by wyglądać i funkcjonować jak tradycyjne pojazdy kolejowe, ale z zupełnie innym podejściem do wykorzystania energii w zależności od rodzaju pracy.
Rozwój od wczesnych lekcji hybrydowych po demonstracje dla klientów pokazuje, w jaki sposób system będzie się dalej rozwijał. System chłodzenia już zwiększył przepustowość; architektura wysokiego napięcia umożliwiła użycie sprawdzonych silników trakcyjnych; regeneracja pozwala teraz przekształcać energię hamowania w energię przechowywaną; oprogramowanie predykcyjne zamieniło stałą linię kolejową w mapę energii; a cały system został zaprojektowany tak, aby zapewnić bezpieczeństwo eksploatacji i konserwacji.
Przyszłość kolei towarowej o niższych emisjach raczej nie nadejdzie poprzez jedną dramatyczną zmianę technologiczną; bardziej prawdopodobne jest, że będzie rozwijać się stopniowo, na poszczególnych trasach i w poszczególnych zastosowaniach, w miarę jak baterie, oprogramowanie, systemy ładowania oraz paliwa alternatywne będą się wspólnie udoskonalać – a Bunce podsumowuje: „Każda trasa i każde zastosowanie ma swoje specyficzne potrzeby, a my analizujemy każdą z nich, aby określić, jakie mogą być długoterminowe oczekiwania.”
„Technologia napędzana bateriami znajduje się nadal we wczesnym etapie rozwoju i wprowadzania do użycia. Dlatego, w miarę poprawy pojemności baterii oraz dalszego rozwoju naszego systemu zarządzania energią, sądzę, że zwiększy się zasięg tych lokomotyw. Ciągle analizujemy projekt i nowe technologie, aby znaleźć sposoby na podniesienie ogólnej wydajności naszego systemu – i myślę, że dopiero zaczynamy tę drogę.”
Uniwersalny sprzęt roboczy
Wabtec współpracuje z indywidualnymi klientami w Ameryce Północnej, Południowej oraz Australii nad opracowywaniem lokomotyw napędzanych bateriami, dostosowanych do różnych specyficznych potrzeb – od transportu lokalnego po dalekodystansową przewóz rud. Żaden z zadań na globalnych kolei nie jest taki sam, dlatego Wabtec opracował cztery różne wersje podstawowe swojego systemu FLXdrive dla różnych zastosowań.
Wszystkie modele bazowe są zaprojektowane do pracy na rozstawie torów 1435 mm, ale każdy z nich jest dostosowywany tak, aby optymalizować wydajność w różnych kluczowych zastosowaniach kolejowych – w tym przy pracach na dworcach, transportie lokalnym, eksploatacji podziemnej oraz dalekobieżnych przewozach ciężkich.
Te modele bazowe są budowane na standardowej platformie Heavy-Haul 32 t/Oś, przy czym moc jest dostarczana za pomocą oddzielnych silników do maksymalnie sześciu osi napędzanych. Hamowanie regeneracyjne umożliwia kluczową możliwość ponownego wykorzystania energii, a dodatkowo istnieje wbudowane ładowanie z napięciem 480 V AC, wraz z opcjonalnym szybkim ładowaniem prądem stałym za pomocą szyn ładowania umieszczonych na dachu lokomotywy.
Dalekobieżne przewozy ciężkie
Jest to najwyższa specyfikacja pod względem pojemności, przeznaczona do eksploatacji na liniach głównych. Zazwyczaj jest używana razem z innymi silnikami diesla-elektrycznymi w składzie pociągu.
Moc (maksymalna): 3200 kW / 4360 KM
Pojemność baterii: 7 MWh
Ośmiówka: 6, układ Co-Co
Masa: 461 funtów / 209 t
Rozmiar: L – 76 stóp / 23,2 m; Szerokość – 10 stóp / 3 m; Wysokość – 15,5 stóp / 4,7 m
Maksymalna prędkość: 76 mph / 123 kph
Siła napędowa
- W trybie rozruchu: do 200 funtów siły / 890 kN
- Ciągła: do 155 funtów siły / 690 kN
- Hamowanie regeneracyjne: do 98 funtów siły / 436 kN
Wersja o niższych parametrach
Ta wersja przeznaczona jest do prac na terenie zakładu oraz do krótszych tras transportowych na poziomie lokalnym i regionalnym.
Moc (maksymalna): 1700 kW / 2280 KM
Pojemność baterii: 2,7 MWh, czas pełnego naładowania 4–7 godzin
Ośmiówka: 6, układ Co-Co
Masa: 417 funtów / 189 t
Rozmiar: L – 68 stóp / 20,7 m; Szerokość – 10 stóp / 3 m; Wysokość – 15,5 stóp / 4,7 m
Maksymalna prędkość: 70 mph / 112 kph
Siła napędowa
- W trybie rozruchu: do 200 funtów siły / 890 kN
- Ciągła: do 155 funtów siły / 690 kN
Shunter
To najmniej wydajna dotychczas opracowana wersja, zaprojektowana z wykorzystaniem innej platformy jezdnej odpowiedniej do pracy na kolei Azji Środkowej.
Moc (maksymalna): 700 kW / 940 KM
Pojemność baterii: 1,2 MWh
Ośmiówka, układ Bo-Bo
Masa: 212 klbs / 96 t
Maksymalna prędkość: 70 mph / 112 km/h
Siła trakcyjna
– Tryb rozruchu: do 83 klbf / 370 kN
Tryb podwójny
Został opracowany specjalnie do eksploatacji na kolejach podziemnych w Europie, z hybrydowym połączeniem silnika elektrycznego i silnika na baterie.
Moc (maksymalna): 800–1500 kW / 1072–2010 KM (tylko bateria); 3800–5500 kW / 5095–7375 KM (silnik elektryczny + bateria)
Pojemność baterii: 1,5 lub 2 MWh
Ośmiówka, układ Co-Co
Masa: 278 klbs / 126 t
Maksymalna prędkość: 70 mph / 112 km/h
Siła napędowa
– Tryb rozruchu: do 117 klbf / 520 kN
Kliknij tutaj, aby przeczytać najnowszy numer czasopisma E-Mobility Engineering.