Локомотив Wabtec FLXdrive
Переосмысление железных дорог
Поезда уже давно ассоциируются с жиром и грязью, но может ли решение Wabtec на основе аккумуляторов полностью изменить железнодорожный транспорт? Репортаж Грея
Железные дороги играют важнейшую роль в перевозке как грузов, так и пассажиров по всему миру. Они составляют 7% от общего объема грузовых перевозок в мире — этот показатель достигает почти 40% при перевозках исключительно по суше — и ежегодно обеспечивают основные маршруты для миллиардов пассажиров. Однако, несмотря на то что это чрезвычайно энергоэффективный способ транспортировки, большие расстояния и большой вес грузов делают электрификацию железных дорог крайне сложной задачей.
Дизель-электрические поезда уже давно являются основным средством транспорта на железных дорогах, и хотя электрические поезда, работающие от воздушных контактных сетей, заменили их на некоторых маршрутах, высокие затраты на инфраструктуру делают электрификацию на больших расстояниях крайне нерентабельной. В результате более 60% железнодорожной сети Великобритании остается неэлектрифицированным; однако в Китае, где в 2024 году по железной дороге было перевезено 51,75 миллиарда тонн грузов, около 25% сети неэлектрифицированы. США ещё больше зависят от такой технологии: в стране действует огромный парк из 28 000 дизель-электрических локомотивов, а 124 000 миль железных дорог первого класса активно используются.
Традиционные дизель-электрические локомотивы используют двигатели, работающие на ископаемом топливе, для выработки электроэнергии, которая затем питает двигатели с прямым приводом. По данным Международной ассоциации энергетики, они вносят значительный вклад в ежегодные выбросы 250 миллионов тонн CO2 на железных дорогах. Однако до сих пор не существовало другого решения, способного обеспечить необходимую мощность и производительность, сопоставимые с их показателями.
Компания Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) уже давно является мировым лидером в разработке дизель-электрических локомотивов, внедряя инновационные методы для повышения их эффективности. В 2001 году они ввели регенеративное торможение на некоторых своих локомотивах, создав первый в мире гибридный дизель-электрический локомотив с аккумуляторами; за следующие 25 лет они развили эту идею до создания первой в мире полностью электрической локомотивы для тяжелых перевозок с 100%-ным использованием аккумуляторов — FLXdrive.
Если кажется, что на разработку ушло много времени, это потому, что — как и в случае с большинством задач, связанных с электрификацией — её удалось реализовать только после того, как все компоненты согласовались между собой. Джим Банс провёл семь лет над разработкой аккумуляторных блоков и системы управления, а сейчас является руководителем отдела технологий системного проектирования. Он объясняет: «Целью было создать электромобиль с такими характеристиками, чтобы он обеспечивал такую же мощность, как традиционная дизель-электрическая локомотива — и мы теперь этого добились».
«Системы тяги и привода в дизель-электрических и FLXdrive локомотивах практически идентичны, поэтому они обеспечивают одинаковую мощность в 4500 л.с. Система на батареях не может работать самостоятельно на таких же дистанциях, как дизель-электрическая локомотива, но она способствует значительному повышению эффективности при дальних переездах при использовании в сочетании с другими транспортными средствами. Система FLXdrive является масштабируемой и модульной, что позволяет применять её в различных сферах: для грузоперевозок по линиям, тяжелых перевозок, грузовых перевозок, перемещения вагонов на станциях и гибридных операций».
Масштабируемость имеет важное значение, поскольку значимым является коэффициент рабочего времени, однако система на аккумуляторах в настоящее время не способна функционировать как автономная. Цель заключается не в том, чтобы полностью исключить дизельные двигатели во всех ситуациях, а в использовании энергии аккумуляторов там, где это приносит наибольшую пользу с точки зрения эксплуатации и охраны окружающей среды. Локомотив, работающий в условиях технического обслуживания метро, сталкивается с совершенно иными проблемами, чем грузовой локомотив, перевозящий грузы на большие расстояния; поэтому для разных сценариев использования были разработаны отдельные версии локомотивов.
Локомотив Switcher идеален для использования на участках железных дорог, где формируются поезда для транспортировки грузов с одного места на другое; в таких случаях в нем обычно требуется меньше блоков аккумуляторов, поскольку он находится рядом с системой зарядки. Гибридная версия, предназначенная для технического обслуживания в крупных городских метрополитенах, сохраняет дизельный двигатель, но может переходить на полностью электрическую работу в туннелях. Его размеры рассчитаны таким образом, чтобы можно было выключать двигатель там, где дым и выбросы могли бы негативно повлиять на рабочую среду.
В случае магистральных грузовых локомотивов FLXdrive оснащается максимальным количеством аккумуляторных блоков и разработан для работы в составе флота, дополняя существующие дизель-электрические локомотивы путем совместной эксплуатации, что позволяет создать гибридное решение. «Магистральный грузовой поезд в США обычно имеет длину около полутора миль и состоит из трех или четырех локомотивов, работающих в авангарде», — объясняет Банс. «Мы заменяем один из этих дизель-электрических локомотивов на FLXdrive, так что локомотивы работают согласованно в составе гибридного поезда. Для преодоления больших расстояний по-прежнему используется дизель-электрический флот, при этом эффективность использования топлива повышается за счет аккумуляторно-электрической системы».
Подтверждение концепции
Первый прототип конструкции FLXdrive был представлен для тестирования в 2021 году. Он был оснащен 18 000 элементов литиево-ионных аккумуляторов с воздушным охлаждением, обеспечивавших общий емкостной резерв в 2,4 МВт·ч, а его масса составляла 430 000 фунтов. Основной упор делался на транспортировку большими расстояниями, и вместо тестирования на испытательных трассах локомотив проходил испытания в реальных дорожных условиях совместно с BNSF Railway — крупнейшей железнодорожной компанией в США.
В течение трехмесячного периода испытаний в долине Сан-Хоакин в Калифорнии — регионе, окруженном горами с холмистым рельефом, что способствовало максимальному использованию регенеративного торможения — эта локомотива пробежала 13 320 миль, работая в составе железнодорожного поезда вместе с другими дизель-электрическими локомотивами. Благодаря снижению расхода топлива на 11% (что эквивалентно более чем 6200 галлонам дизельного топлива) и сокращению выбросов CO2 примерно на 69 тонн была доказана правильность первоначальной концепции, однако также была выявлена одна из основных возможностей для усовершенствования.
Вторая версия, выпущенная для демонстрационных целей у клиентов в Австралии несколько лет назад, получила значительное улучшение: первоначальная система аккумуляторов с воздушным охлаждением была заменена на систему с водяным охлаждением. Благодаря повышенной эффективности водяного охлаждения удалось существенно повысить плотность аккумуляторов, в результате чего емкость аккумуляторов транспортного средства удалось увеличить в три раза — до 7 МВт·ч. Компания считает, что в зависимости от маршрута и условий эксплуатации это может снизить расход топлива и уровень выбросов на 30%.
«В системе с воздушным охлаждением действительно требуется значительное пространство для циркуляции воздуха, необходимого для охлаждения аккумуляторов», — говорит Банс. «Переход на систему с жидкостным охлаждением позволяет использовать каждый сантиметр доступного пространства на локомотиве. Помимо этого, полевые испытания сыграли важную роль, позволив нашим клиентам оценить новые технологии в своих приложениях — понять, какие потребности возникают в обслуживании и инфраструктуре, — а также дав нам возможность продемонстрировать безопасную и надежную систему, сохраняющую высокие показатели эффективности при значительной экономии топлива и снижении уровня выбросов».
Локомотив FLXdrive сильно похож на традиционный дизель-электрический двигатель: у него такая же внешняя конструкция и расположение кабины, хотя информация, поступающая к машинисту, существенно отличается. Разница становится ещё более заметной за пределами кабины, где отсутствуют дизельный двигатель, генератор, обычно преобразующий механическую энергию двигателя в электрическую, а также крупная система охлаждения, связанная с дизельным установкой. На их месте находятся батарейные блоки вместе с системой управления температурой, предназначенной для поддержания блоков в заданном диапазоне рабочих температур.
Разница ощущается также во время управления поездом: сокращение вибраций, возникающих от двигателя, значительно улучшает комфорт пассажиров внутри транспортного средства. «Если вы зайдете в кабину машиниста современной дизель-электрической локомотива и сравните её с кабиной локомотива FLXdrive, они практически идентичны — но отсутствие дизельного двигателя действительно существенно влияет на уровень шума и вибрации локомотива», — говорит Банс.
«Одним из крупнейших источников вибрации на локомотиве является дизельный двигатель, и хотя наши дизель-электрические локомотивы оснащены системой мягкой фиксации, которая не позволяет машинистам ощущать эту вибрацию, она всё равно значительна. Вес локомотива, вероятно, является основной причиной износа рельсов; общий вес практически не меняется, но он сильно влияет на качество поездки машиниста. Водить такую локомотиву гораздо приятнее!»
Массовая электрификация
В качестве привода FLXdrive использует традиционную технологию электропривода с переменным током. Большинство версий оснащены шестью отдельными двигателями электропривода с высоким крутящим моментом модели General Electric GEB13 с переменным током, установленными на осях; каждый из них обеспечивает мощность примерно 1000 лошадиных сил. Каждая ось приводится в движение отдельным двигателем, а каждая ось управляется независимо с помощью собственного современного инвертора с переменной частотой и охлаждением жидкостью. Это обеспечивает определенную устойчивость, поскольку проблема с одним из двигателей или инверторов не обязательно мешает подаче энергии к оставшимся двигателям.
Электрическая архитектура основана на высоковольтном постоянном токе, при этом система работает в нормальных условиях при напряжении 1350 В постоянного тока; инверторные устройства преобразуют это напряжение в переменный ток для привода асинхронных двигателей. Высокое напряжение — в то время как большинство современных автомобильных платформ имеют напряжение около 800 В — требовало от разработчиков локомотива на электрическом тяговом приводе не просто установки автомобильных аккумуляторов на существующую локомотивную платформу. Вместо этого компании пришлось разработать специальные аккумуляторные батареи, настроенные для работы в условиях интенсивного грузового транспорта.
Это электрификация в совершенно ином масштабе. Каждый блок батарей примерно размером с матрас queen-size — длиной около 64 дюймов, шириной 48 дюймов и высотой 10 дюймов — и благодаря удалению оригинальных компонентов появляется место, позволяющее этим гигантским блокам занимать до двух третей объема локомотива. «В настоящее время у нас на борту до 72 блоков батарей», — говорит Банс. «Это эквивалентно 72 батареям Tesla в одном транспортном средстве!»
Компания Wabtec полностью самостоятельно проектирует и производит аккумуляторные блоки на своем заводе в Эри, штат Пенсильвания, США. Для их изготовления используются аккумуляторные элементы от сторонних поставщиков; предусмотрена возможность применения различных типов элементов, включая NMC (никель-марганец-кобальт), LFP (фосфат лития-железа) и LTO (оксид титаната лития). Каждый аккумуляторный блок содержит 504 отдельных элементов, рассчитанных на напряжение 350 В при максимальном заряде; эти элементы расположены таким образом, что четыре из них могут работать при напряжении 1400 В, что немного превышает требуемые 1350 В.
«Аккумуляторные элементы, которые мы используем, разработаны для автомобильных приложений, поскольку именно они наиболее интенсивно потребляют отдельные аккумуляторные элементы, и поэтому они наиболее легко доступны», — говорит Банс. «Выбранный нами форм-фактор доступен у множества поставщиков, в различных химических составах и с разными емкостями, причем у всех них есть планы по развитию продукции на несколько поколений. Таким образом, по мере улучшения емкостей и химических составов мы должны ощутить преимущества этих изменений».
«Все наши аккумуляторы собираются в электрические цепи и группы, что позволяет нам по мере необходимости изолировать отдельные группы аккумуляторов. Вся энергия поступает на общий постоянный ток, после чего отдельные инверторы берут энергию с этого постоянного тока для индивидуального управления каждым осям. Размер и количество аккумуляторов определяются в зависимости от применения — в нашей системе для тяжелых грузовых перевозок используется до 72 блоков аккумуляторов, тогда как в более компактной системе Switcher их количество составляет 28; в некоторых случаях мы оставляем свободное пространство для возможности модификации этих устройств в будущем при потребности в большей дальности пробега».
Индивидуальный контроль осей обеспечивает встроенную устойчивость к сбоям в отдельных двигателях или системах инверторов, поскольку мощность просто перенаправляется на другие двигатели без какого-либо воздействия на производительность локомотива. Это также позволяет системе управлять скольжением между двигателями, причем каждый тяговый двигатель имеет собственную независимую передачу — встроенную в сборку двигателя оси, в отличие от передачи во всей трансмиссии — что способствует максимизации тяги.
Массивная система аккумуляторов значительно увеличивает вес локомотива, но в данном случае — в отличие от многих других электромобилей, где вес аккумуляторов является неизбежным недостатком, над уменьшением которого инженеры постоянно работают — этот дополнительный вес оказывается преимуществом, поскольку способствует сцеплению колес с рельсами. У дизель-электрических локомотивов для увеличения веса используется балласт, однако система аккумуляторов позволяет сократить его количество, необходимое для эффективной передачи мощности на рельсы, при этом вес транспортного средства максимизируется в рамках ограничений, налагаемых рельсовым пути и наземной инфраструктурой.
Безопасность и характеристики аккумуляторов
Учитывая высокие напряжения, с которыми сталкивается система, безопасность эксплуатации является приоритетом; способность изолировать отдельные части электрической системы перед заменой аккумуляторных блоков или работой с оборудованием инвертера была важнейшим критерием проектирования. FLXdrive использует подход LOTO («заблокировать и пометить») — распространенную практику в железнодорожной промышленности — который обеспечивает изоляцию системы и физическую блокировку для предотвращения восстановления питания другими лицами во время проведения работ. Дополнительную защиту обеспечивает система с заблокированным ключом, требующая от команд по техническому обслуживанию выполнения определенной последовательности действий для постепенной изоляции и отсоединения оборудования.
«Безопасность была ключевым фактором при проектировании локомотива», — объясняет Банс. «Мы потратили много времени и усилий на анализ различных сценариев использования в рамках разных операций и на понимание не только того, как можно использовать этот транспортный средство в качестве локомотива, но и того, как технические специалисты будут обслуживать оборудование, как они будут заменять комплектующие и как будут взаимодействовать с другими частями транспортного средства».
Кроме того, требования к безопасности включают необходимость физической защиты от суровых условий, характерных для тяжелых железнодорожных вагонов, которые ездят на высокой скорости и могут попасть в серьезные аварии. Компания Wabtec сотрудничала непосредственно с отдельными клиентами для оценки сценариев чрезвычайных ситуаций, сочетая их знания в области технологий аккумуляторов с пониманием операторами их конкретной железнодорожной среды. Банс добавляет: «Мы спроектировали устройство так, чтобы оно было прочным, и проверили его надежность с помощью многочисленных тестов на падения, удары и вибрации».
Поддержание батареи при подходящей температуре работы также является важной частью обеспечения безопасности, а также ключевым фактором для достижения наилучшей производительности. Для оптимизации производительности в обоих случаях компания Wabtec потратила много времени на разработку собственной специальной системы охлаждения. «Современные технологии требуют от батарей среды с номинальной температурой работы около 25 градусов Цельсия», — говорит Банс. «Мы спроектировали нашу систему управления температурой батарей так, чтобы она нагревала или охлаждала их, поддерживая температуру на уровне 25 градусов Цельсия, с использованием смеси этиленгликоля и воды в соотношении 50 к 50».
Система, разработанная дочерней компанией Wabtec и представляющая собой уже существующую технологию, используемую в других транспортных решениях, была адаптирована для интеграции в систему грузовых локомотивов. Аккумуляторные блоки закреплены непосредственно на встроенной охлаждающей пластине, что позволяет обеспечивать независимое охлаждение каждого отдельного блока. Охлаждающие трубки и каналы никогда не соприкасаются ни с элементами аккумуляторов, ни с электрической системой, что гарантирует их полную изоляцию; охлаждающая пластина обеспечивает охлаждение всем элементам аккумулятора.
В системе обычно используется по одной схеме на каждый столб, причем каждый отдельный блок аккумуляторов имеет разъем с сухим соединением, что позволяет отсоединять отдельные блоки без необходимости опустошения всей системы охлаждения локомотива. Это позволяет инженерам по техническому обслуживанию просто отсоединить конкретный блок от системы охлаждающей жидкости, заменить его и снова подключить линии охлаждающей жидкости, чтобы система снова заработала.
Чтобы предотвратить тепловой сбой — один из наиболее тщательно контролируемых рисков в любой крупной системе аккумуляторов — команда разработала пассивное решение на уровне блоков. Банс объясняет: «Локомотивы длительное время находятся в режиме ожидания или выключения, и во многих случаях мы перевозим их по всему миру. В таких ситуациях они совсем не питаются, и система управления аккумуляторами не работает».
«По этим причинам мы спроектировали нашу систему так, чтобы она не зависела от системы управления аккумуляторами для предотвращения теплового выхода из-под контроля. Газы направляются через предохранительный диск, а затем контролируемым образом выходят из блока аккумуляторов через дымоход наружу из транспортного средства. Нет распространения газов от одного блока к другому, поскольку всё находится внутри отдельного блока аккумуляторов. И хотя система управления аккумуляторами при работе приносит пользу и может снизить вероятность возникновения проблем внутри этого блока, она не является критически важным элементом нашей стратегии предотвращения теплового выхода из-под контроля».
Управление энергией
Ключом к работе электропоезда на аккумуляторах является его способность поглощать энергию во время движения. Именно поэтому он так хорошо подходит в качестве дополнения к дизель-электрическим локомотивам в составе поезда, отправляющегося в дальнюю поездку. Традиционные дизель-электрические локомотивы этой компании уже используют тракцию постоянного тока, при которой динамическое торможение заставляет двигатели тракции генерировать электроэнергию. Однако в традиционной системе эта энергия просто рассеивается в виде тепла через электрические резистивные сети и вентиляторы охлаждения, тогда как в системе с аккумуляторами эта энергия используется и хранится для повторного применения во время поездки.
Размер выгоды от использования этой технологии, конечно же, зависит от конкретной работы локомотива FLXdrive, и Банс объясняет: «Каждый маршрут и сценарий использования уникальны. Работа на разъездах позволяет получить значительную выгоду от регенеративной системы благодаря частым стартам и остановкам, но даже при перевозках грузов по магистралям она может обеспечить существенные преимущества. Вес и скорость поезда, а также уклон, по которому он движется, влияют на количество генерируемой энергии, которая может быть сохранена — и это может быть довольно значительное количество».
Ключевым моментом является не просто восстановление энергии, а понимание и контроль того, как и когда её следует хранить или использовать. Это делает регенеративное торможение частью более широкой стратегии использования энергии. Преимущество железных дорог заключается в том, что они всегда следуют по фиксированной линии вдоль известной топографии. Учитывая это, компания Wabtec может оптимизировать работу по маршруту и разработала интеллектуальную систему управления энергией для FLXdrive, способную планировать процессы зарядки и разрядки с учётом будущих условий, стремясь использовать регенерацию энергии при одновременном избежании чрезмерно интенсивной зарядки.
Эта передовая система программного обеспечения для управления энергией и автоматизации, известная как FLXoptimizer, была специально разработана для управления приводом FLXdrive. Действуя в качестве системы управления для всех локомотивов состава, она основана на хорошо проверенной технологии Trip Optimizer компании Wabtec, используемой в дизельных поездах этой компании. Она расширяет стандартные функции, такие как умный круиз-контроль на основе ИИ, и применяет эту логику для интеллектуального управления гибридными локомотивами, сочетающими дизельные и аккумуляторные двигатели.
«Разработка системы управления энергией началась примерно в 2010 году, и с тех пор она постоянно совершенствуется», — говорит Банс. «Работа локомотива FLXdrive по сути идентична работе любого другого дизель-электрического локомотива — отдельные операторы не принимают решений о том, как наилучшим образом оптимизировать расход топлива или скорость; всё это происходит на фоне через систему управления энергией. Кроме того, мы сейчас используем искусственный интеллект различными способами для дальнейшей оптимизации уже достигнутых результатов».
«Мы сотрудничаем с нашими клиентами, чтобы понять их специфические условия эксплуатации и любые особые требования, но всё управляется через систему управления энергопотреблением. Мы детально прорабатываем каждый отдельный маршрут в процессе внедрения этой системы для конкретных задач поезда — так что в начале пути мы точно знаем, что перевозим, какие у нас локомотивы, сколько энергии используется и куда мы направляемся».
«Мы используем эту систему на обычных дизель-электрических поездах, но когда в составе есть электропоезд на аккумуляторах и мы можем работать в гибридном режиме, мы разрабатываем полный план зарядки и разрядки ещё до того, как поезд покинет депо. Решение для управления энергией понимает маршрут, поэтому план составляется таким образом, чтобы аккумулятор никогда не опустошался полностью и чтобы можно было извлечь из него максимально возможное количество энергии».
Помимо регенеративного зарядки, электропоезд с аккумуляторной тягой оснащен интегрированным решением для статической подключаемой зарядки. Стандартная система была адаптирована из технологий, обычно используемых в автомобильной промышленности, и Банс продолжает: «Требования к зарядке варьируются в зависимости от применения, профиля эксплуатации и инфраструктуры клиента, и мы сотрудничаем с каждым клиентом, чтобы разработать решения, подходящие именно для его нужд».
«Как правило, при транспортировке грузов по железнодорожным магистралям зарядка в основном осуществляется с помощью системы регенеративного торможения там, где это позволяет рельеф местности. Однако стационарная подключаемая зарядка полезна для таких локомотивов, как гибридные или Switcher, когда в конце смены, когда локомотив не используется, её можно подключить к сети и зарядить во время перерыва. Это очень похоже на систему электромобилей, и в некоторых случаях мы используем поставщиков услуг зарядки для электромобилей для обеспечения такой зарядки».
Помимо этого, компания также разработала специальный вариант быстрой зарядки постоянным током для поездов, использующий стационарную связку пантографа для получения энергии от воздушных линий. В настоящее время он ещё не может использоваться для зарядки в движении, но Банс говорит, что Wabtec «абсолютно рассчитывает получить такую возможность» в будущем. «Мы бы брали энергию из системы пантографа, проезжая под ней, и использовали её для зарядки аккумуляторов во время движения, а также одновременно для питания системы привода», — объясняет он. «Когда мы уже не будем находиться под воздушной линией, мы будем использовать аккумуляторы для дальнейшего движения вперед».
Соответствие характеристикам
Философия FLXdrive заключалась в максимальном приближении к характеристикам существующих дизель-электрических локомотивов – однако дело было не в простой замене дизельного двигателя на аналогичную по емкости аккумуляторную систему. В отличие от дизель-электрических локомотивов, у которых двигатель должен набрать скорость перед тем, как проявить полную эффективность, ранние испытания показали, что аккумуляторно-электрические локомотивы могут реагировать слишком быстро, что создавало для машиниста неожиданные трудности по сравнению с традиционными моделями.
Конечно, показатели производительности и дальности поездки варьируются в зависимости от маршрута, но цель всегда заключалась в разработке ряда решений, подходящих для различных задач. Банс объясняет: «FLXdrive Switcher разработан для работы в течение полных восьми часов, что соответствует типичным требованиям к перегонке поездов у наших клиентов. В то же время FLXdrive heavy-haul может тянуть за собой поезд длиной в полторы мили или более, поэтому его способность к преодолению расстояний сильно зависит от маршрута, рельефа и условий эксплуатации».
«Как правило, на пересеченной местности локомотив использует мощность для подъема в гору, а затем система пополняет заряд при спуске. Типичное горнодобывающее применение — транспортировка грузов из шахты в порт: в одном направлении движение происходит вверх по склону, а в другом — вниз; таким образом полностью используется особенность рельефа в данном случае».
У компании Wabtec есть заказы на оборудование для всех типов операций по всему миру. Компания Union Pacific скоро получит четыре единицы FLXdrive Switcher для работы на железнодорожных станциях в Калифорнии, а компания Canadian National — одну единицу такого оборудования. В Австралии компания BHP использует несколько единиц для тяжеловесных перевозок в горнодобывающем регионе Пилбара, приводя их в движение с полной нагрузкой вниз по склону от внутренних шахт к прибрежным портам для самовозобновления заряда в процессе спуска.
Вопрос уже не заключается просто в том, может ли работать электропоезд на аккумуляторах; речь идет о том, как следует определять требования к этой технологии, обеспечивать ее поддержку и интегрировать в конкретные условия применения. FLXdrive 2.0 продолжает совершенствовать эту концепцию, позволяя технологии, клиентам и связанной с ней инфраструктуре развиваться вместе. Технология все еще находится на ранней стадии разработки, и улучшения в емкости аккумуляторов и плотности энергии будут способствовать расширению круга возможных сфер применения в будущем.
В конечном итоге полная электрификация железнодорожных сетей все еще далека, и хотя батарейные электропоезда в высокой степени подходят для некоторых задач — особенно для маневров и работ на станциях — ограничения по дальности пробега заставляют считать, что гибридные системы будут актуальны еще долгое время. Поэтому в мире, где устойчивость является приоритетом, Банс считает, что альтернативные виды топлива также найдут применение наряду с FLXdrive, при этом необходим портфель решений, а не единая технология замены, внедряемая во всех сетях.
Для этой цели, помимо разработки собственной батарейной электрической системы, Wabtec уже исследует альтернативные виды топлива и технологии привода, такие как биодизель, возобновляемый дизель и природный газ; этанол и водород в настоящее время находятся на стадии оценки.
«Технология полностью электрических автомобилей по-прежнему находится на начальной стадии развития, и в конечном итоге потребуется ассортимент продуктов для поддержки наших клиентов, включая альтернативные виды топлива, гибридные системы и решения на основе аккумуляторов — все они будут играть важную роль в будущем», — говорит Банс. «Каждое применение будет иметь свои собственные требования, но определённо существуют клиентские задачи, которые в полной мере подходят для использования полностью электрических автомобилей».
Текущая локомотива FLXdrive представляет собой платформу для дальнейшего развития, а не окончательное решение. Аккумуляторные блоки основаны на форматах элементов, которые могут получить преимущества от усовершенствований, внедряемых всей батарейной индустрией — более высокая емкость, улучшенные технологии зарядки и повышенная энергетическая плотность способны принести улучшения будущим локомотивам. Система управления также будет продолжать совершенствоваться в использовании имеющейся энергии, получая пользу от неизбежного прогресса в области искусственного интеллекта.
Очевидно уже то, что технология вышла за рамки первоначального вопроса о том, могут ли батареи обеспечить питание локомотива. Теперь инженерная задача заключается в масштабировании, интеграции, управлении энергией и создании инфраструктуры, необходимой для эксплуатации такого оборудования. FLXdrive представляет собой несколько решений этой проблемы: локомотив, спроектированный так, чтобы выглядеть и функционировать как традиционное железнодорожное оборудование, но с принципиально иным подходом к использованию энергии в различных режимах работы.
Прогресс от первоначальных гибридных уроков к демонстрациям для клиентов показывает, как будет развиваться система. Системы охлаждения уже позволили увеличить производительность; архитектура высокого напряжения обеспечила возможность использования проверенных тяговых двигателей; система регенерации теперь способна преобразовывать энергию торможения в накопленную энергию; прогностическое программное обеспечение превратило традиционную железнодорожную сеть в карту энергопотребления; к тому же вся система была создана с учетом необходимости обеспечения безопасности эксплуатации и технического обслуживания.
Будущее железнодорожных перевозок с меньшим уровнем выбросов вряд ли наступит в результате одного кардинального технологического сдвига; скорее оно будет развиваться постепенно, маршрут за маршрутом и в конкретных приложениях, по мере совершенствования аккумуляторов, программного обеспечения, систем зарядки и альтернативных видов топлива – и Банс констатирует: «У каждого маршрута и каждого приложения есть свои особые требования, и мы анализируем каждое из них, чтобы определить возможные долгосрочные перспективы».
«Технология электропоездов на аккумуляторах все еще находится на ранних этапах разработки и внедрения. По мере улучшения емкости аккумуляторов и дальнейшего совершенствования нашей системы управления энергией, я думаю, мы будем достигать все большей дальности пробега. Мы постоянно изучаем новые конструкции и технологии, чтобы найти способы повысить общую эффективность нашей системы — и, по-моему, мы только начинаем этот путь».
Универсальный инструмент
Компания Wabtec сотрудничает с отдельными клиентами в Северной и Южной Америке, а также в Австралии над разработкой электропоездов на аккумуляторах, предназначенных для различных задач — от местного транспорта до дальнобойной перевозки руды. Ни одна работа на железных дорогах мира не похожа на другую, поэтому Wabtec разработала четыре различные версии своей системы FLXdrive для удовлетворения разных потребностей.
Все базовые модели разработаны для работы на ширине колеи 1435 мм, но каждая из них адаптирована для оптимизации производительности в различных основных режимах использования железных дорог — включая работы на станциях, местные перевозки, движение под землёй и дальние тяжеловесные перевозки.
Эти базовые модели созданы на стандартной платформе Heavy-Haul с грузоподъёмностью 32 тонны на ось; мощность передаётся через отдельные двигатели на до шести приводных осей. Регенеративное торможение позволяет эффективно повторно использовать энергию, кроме того, имеется встроенная система зарядки от 480 В переменного тока, а также опциональная быстрая зарядка от постоянного тока с использованием зарядных рельсов, расположенных над локомотивом.
Дальние тяжеловесные перевозки
Это модель максимальной производительности, предназначенная для эксплуатации на магистральных линиях. Обычно она используется вместе с другими дизель-электрическими локомотивами в составе поезда.
Мощность (максимальная): 3200 кВт / 4360 л.с.
Емкость аккумулятора: 7 МВт·ч
Оси: 6, формат Co-Co
Вес: 461 фунт / 209 т
Размеры: длина – 76 футов / 23,2 м; ширина – 10 футов / 3 м; высота – 15,5 футов / 4,7 м
Максимальная скорость: 76 миль/ч / 123 км/ч
Тяговая сила
- При запуске: до 200 фунт-сил / 890 кН
- При непрерывной работе: до 155 фунт-сил / 690 кН
- При регенеративном торможении: до 98 фунт-сил / 436 кН
Версия с уменьшенной мощностью
Эта версия предназначена для работы на складах и для более коротких местных и региональных перевозок.
Мощность (максимальная): 1700 кВт / 2280 л.с.
Емкость аккумулятора: 2,7 МВт·ч, время полной зарядки – 4–7 часов
Оси: 6, формат Co-Co
Вес: 417 фунтов / 189 т
Размеры: длина – 68 футов / 20,7 м; ширина – 10 футов / 3 м; высота – 15,5 футов / 4,7 м
Максимальная скорость: 70 миль/ч / 112 км/ч
Тяговая сила
- При запуске: до 200 фунт-сил / 890 кН
- При непрерывной работе: до 155 фунт-сил / 690 кН
Shunter
Это самая мощностью ограниченная версия, разработанная на сегодняшний день; она имеет другую рабочую платформу, подходящую для эксплуатации на железных дорогах Центральной Азии.
Мощность (максимальная): 700 кВт / 940 л.с.
Емкость аккумулятора: 1,2 МВт·ч
Оси: 4, формат Bo-Bo
Вес: 212 клбс / 96 т
Максимальная скорость: 70 миль/ч / 112 км/ч
Тяговый усилие
– Режим запуска: до 83 клбф / 370 кН
Двойной режим
Эта версия была разработана специально для эксплуатации на подземных железных дорогах в Европе; она оснащена гибридной схемой, сочетающей электропривод и привод от аккумуляторов.
Мощность (максимальная): 800–1500 кВт / 1072–2010 л.с. (только от аккумулятора); 3800–5500 кВт / 5095–7375 л.с. (электропривод + аккумуляторы)
Емкость аккумулятора: 1,5 или 2 МВт·ч
Оси: 6, формат Co-Co
Вес: 278 клбс / 126 т
Максимальная скорость: 70 миль/ч / 112 км/ч
Сила тяги
– Режим запуска: до 117 клбф / 520 кН
Нажмите здесь, чтобы прочитать последний номер журнала E-Mobility Engineering.