Локомотив Wabtec FLXdrive
Переосмислення залізниць
Поїзди вже давно асоціюються з жиром та брудом, але чи може батарейно-електричне рішення Wabtec здійснити революцію в залізничному транспорті? Репортаж Грея
Залізниці відіграють вирішальну роль у транспортуванні як вантажів, так і пасажирів по всьому світу. Вони становлять 7% від усіх світових вантажних перевезень – цей показник сягає майже 40% у випадку транспортування лише по суші – та щороку забезпечують основні маршрути для мільярдів пасажирів. Однак, хоча це надзвичайно енергоефективний спосіб пересування, великі відстані та вага вантажів ускладнюють їх електрифікацію.
Дизель-електричні поїзди вже давно є основним засобом перевезень на залізничних коліях, і хоча електричні поїзди, які живляться від повітряних кабелів, замінили їх на деяких маршрутах, високі витрати на інфраструктуру роблять електрифікацію на довших відстанях надзвичайно недоцільною. У результаті понад 60% залізничної мережі у Великобританії залишається нез електрифікованою; проте в Китаї – де у 2024 році залізницею було перевезено 51,75 мільярда тонн вантажів – близько 25% мережі є нез електрифікованою. США ще більше залежать від такої технології: у країні експлуатується величезний парк з 28 000 дизель-електричних локомотивів, а 124 000 миль залізниць класу I активно використовуються.
Традиційні дизель-електричні локомотиви використовують двигуни, що працюють на викопному паливі, для виробництва електроенергії, яка потім живить двигуни з прямим приводом. За даними Міжнародної енергетичної асоціації, вони є основною причиною викидів 250 мільйонів тонн CO2 щороку на залізницях. Однак досі не існувало інших рішень, які могли б забезпечити необхідну потужність та продуктивність для конкуренції з ними.
Wabtec (Westinghouse Air Brake Technologies Corporation) вже давно є світовим лідером у розробці дизель-електричних локомотивів, створюючи інноваційні методи для підвищення їхньої ефективності. У 2001 році вони впровадили регенеративне гальмування у деякі зі своїх локомотивів, створивши першу у світі гібридну машину на основі акумуляторів та дизеля, а протягом наступних 25 років розвинули цю ідею до створення першої у світі повністю електричної локомотиви для вантажних перевезень з 100% використанням акумуляторів – FLXdrive.
Якщо це здається тривалим процесом розробки, то це тому, що – як і у більшості завдань з електрифікації – це стало можливим лише після того, як усі складові були синхронізовані. Джим Банс провів сім років, керуючи розробкою акумуляторних блоків та систем керування, і зараз є керівником відділу інженерії систем. Він пояснює: «Метою було створити електромобіль на акумуляторах таким чином, щоб він забезпечував таку саму потужність, як традиційна дизель-електрична локомотива – і ми тепер цього досягли».
«Системи тяги та приводу майже ідентичні у дизель-електричних та FLXdrive локомотивів, тому вони фактично забезпечують однакову потужність у 4500 к.с. Система на батареях та електродвигунах не може працювати самостійно на таких же дистанціях, як дизель-електрична локомотива, але вона може забезпечити значне підвищення ефективності при довгих переїздах, якщо використовуватися разом з іншими транспортними засобами. Система FLXdrive є масштабованою та модульною, і може підходити для різноманітних застосувань, включаючи перевезення вантажів по лініях, вантажоперевезення великими об’ємами, фрахтові перевезення, рухи на вокзалах та гібридні робочі операції».
Масштабованість має велике значення, оскільки важливий цикл роботи, проте система на батарейних елементах наразі не здатна функціонувати як автономна. Метою не є повне виключення дизельних двигунів у всіх ситуаціях, а використання енергії батарей там, де це забезпечує найбільшу ефективність у роботі та користь для навколишнього середовища. Наприклад, локомотив, який працює у умовах технічного обслуговування метро, стикається з зовсім іншими проблемами, ніж вантажний локомотив, який перевозить вантажі на великі відстані – тому для різних сценаріїв використання були розроблені різні версії.
Switcher ідеально підходить для використання на подвір’ях, для формування поїздів з перевезенням вантажів з одного місця в інше, причому такі транспортні засоби зазвичай мають менше акумуляторних блоків, оскільки знаходяться поблизу системи заряджання. Гібридна версія, розроблена для технічного обслуговування у великих міських метрополітенах, зберігає дизельний двигун, але може переходити на роботу виключно від акумуляторів у тунелях. Її конструкція передбачає достатню потужність для вимкнення двигуна там, де дим та викиди інакше могли б негативно вплинути на робоче середовище.
У випадку локомотивів для дальнього вантажоперевезення FLXdrive оснащується максимальною кількістю акумуляторних блоків та розроблений для роботи в складі флоту, доповнюючи існуючі дизель-електричні локомотиви шляхом їх сумісної роботи та ефективного створення гібридного рішення. „Дальньої вантажна поїзд у США зазвичай має довжину близько півтори милі та складається з трьох чи чотирьох локомотивів, які керують рухом“, — пояснює Банс. „Ми замінюємо один із цих дизель-електричних локомотивів на FLXdrive, тож локомотиви працюють разом як частина гібридного складу. Великі відстані все ще подолуються за допомогою дизель-електричних локомотивів, причому ефективність використання палива покращується завдяки акумуляторно-електричній силові установці“.
Доведення концепції
Перший прототип конструкції FLXdrive був випущений для тестування у 2021 році. Він був оснащений 18 000 аерохолодженими літій-іонними акумуляторними елементами, які забезпечували загальний запас енергії 2,4 МВт·год, а його вага становила 430 000 фунтів. Основною метою було забезпечення довшої дальності пересування, і замість тестування на тестових трасах локомотив пройшов випробування на справжніх дорогах у співпраці з BNSF Railway — найбільшою залізничною компанією у США.
Протягом тримісячного періоду тестування в долині Сан-Хоакін у Каліфорнії – території, оточеній горами з пагорбистим рельєфом, що максимізувало можливості використання регенеративного гальмування – ця локомотива пройшла відстань у 13 320 миль, працюючи в складі залізничного поїзда разом із іншими дизель-електричними локомотивами. Вона дозволила досягти зниження споживання пального на 11% (що еквівалентно понад 6200 галонам дизельного пальва) та зниження викидів CO2 приблизно на 69 тонн, що підтвердило правильність початкової концепції, а також вказало на одну з основних можливостей для покращення.
Друга версія, яка була випущена для демонстраційних послуг для клієнтів в Австралії кілька років тому, отримала суттєве оновлення: початкову систему акумуляторів з охолодженням повітрям замінили на систему з охолодженням водою. Покращена ефективність охолодження водою дозволила значно підвищити щільність акумуляторів, що означає можливість подвоєння їхньої ємності — до загальних 7 МВт·год. Компанія оцінює, що залежно від маршруту та умов експлуатації це може зменшити споживання пального та викиди на 30%.
«У системі з повітряним охолодженням насправді потрібно значна кількість простору для циркуляції повітря, необхідного для охолодження акумуляторів», — каже Банс. «Перейшовши на систему з рідкісним охолодженням, ми можемо використати кожен дюйм доступного простору на локомотиві. Разом із цим розвитком польові випробування суттєво допомогли нашим клієнтам оцінити нові технології у своїх застосуваннях – зрозуміти, які потреби у технічному обслуговуванні та інфраструктурі у них можуть виникнути – а також дозволили нам продемонструвати безпечну та ефективну систему, яка зберігає продуктивність при значній економії палива та перевагах у рівні викидів».
Локомотив FLXdrive дуже схожий на традиційний дизель-електричний двигун – у нього така сама зовнішня конструкція та розташування кабіни; проте інформація, яка надходить до машиніста, суттєво відрізняється. Різниця стає ще більш помітною поза кабіною, де відсутні дизельний двигун, генератор, який зазвичай перетворює механічну енергію двигуна на електричну, та велика система охолодження, притаманна дизельним установкам. Натомість там знаходяться акумуляторні батареї разом із системою керування температурою, призначеною для підтримки батарей у заданому діапазоні робочої температури.
Різниця також відчувається під час керування транспортним засобом, адже зменшення вібрацій, що створюються двигуном, значно покращує якість поїздки. „Якби ви увійшли до кабіни машиніста, де сьогодні працює екіпаж на дизель-електричній локомотиві порівняно з локомотивом FLXdrive, вони фактично ідентичні – але відсутність дизельного двигуна справляє значний вплив на рівень шуму та вібрацій транспортного засобу“, — каже Банс.
«Одним із найбільших джерел вібрації у локомотиві є дизельний двигун, і хоча наші дизель-електричні локомотиви мають систему м’якого кріплення, яка не дозволяє машиністам відчувати ці вібрації, вони все одно є значними. Вага локомотива, ймовірно, є основним фактором зносу рейок; загальна вага майже не змінюється, але це суттєво впливає на якість їзди машиніста. Керувати таким локомотивом набагато приємніше!»
Масштабна електрифікація
У сфері приводу FLXdrive використовує знайому технологію електричного приводу з постійним струмом. Більшість версій оснащені шістьма окремими двигунами приводу з постійним струмом General Electric GEB13 високого крутного моменту, розміщеними на осях; кожен з них виробляє приблизно 1000 кінських сил. Один двигун приводить у рух кожну ось, і кожна ось керується окремо за допомогою власного сучасного інвертора з змінною частотою та охолодженням рідиною. Це забезпечує певний рівень стійкості, адже проблема з одним двигуном чи інвертором не обов’язково перешкоджає подачі енергії до решти двигунів.
Електрична архітектура ґрунтується на високовольтному пості постійного струму, і система працює при номінальній напрузі 1350 В постійного струму; системи інверторів перетворюють це електроживлення на змінний струм для асинхронних двигунів. Через таку високовольтну схему – у більшості сучасних автомобільних платформ напруга становить близько 800 В – розробка локомотива на батареях вимагала більшого, ніж просто додавання акумуляторів у автомобільному стилі до існуючої платформи локомотива. Натомість компанії довелося розробити спеціальні акумуляторні блоки, налаштовані для роботи в системі приводу важких вантажних поїздів.
Це електрифікація іншого масштабу. Кожен блок акумуляторів приблизно за розміром дорівнює матрацу розміру «квін-сайз» – довжиною близько 64 дюймів, шириною – 48 дюймів та висотою – 10 дюймів – і завдяки видаленню початкових компонентів з’являється простір, який дозволяє цим величезним блокам займати до двох третин локомотива. «Наразі у нас на борту є до 72 блоків акумуляторів», — каже Банс. «Це еквівалентно 72 акумуляторам моделі Tesla на одному транспортному засобі!»
Wabtec повністю самостійно проєктує та виробляє акумуляторні блоки у своєму заводі в Ері, штат Пенсильванія, США. Для їх виготовлення використовуються акумуляторні елементи від стороннього постачальника, які можуть бути різних хімічних типів, зокрема NMC (нікель-марганець-кобальт), LFP (літій-залізо-фосфат) та LTO (оксид літій-титанату). Кожен акумуляторний блок складається з 504 окремих акумуляторних елементів; при максимальному заряді напруга кожного блоку становить 350 В. Ці елементи розташовані так, що чотири з них разом можуть працювати при напрузі 1400 В, що трохи перевищує необхідні 1350 В.
«Акумуляторні елементи, які ми використовуємо, розроблені для автомобільних застосувань, оскільки саме вони є найбільшими споживачами окремих акумуляторних елементів, тому їх найлегше знайти», — каже Банс. «Форм-фактор, який ми обрали, доступний у багатьох постачальників, у різних хімічних формах та з різною ємністю, причому у всіх існують плани щодо розробки продукції на кілька поколінь. Тож, у міру покращення ємності та хімічних властивостей, ми повинні відчути переваги цих змін».
«Усі наші акумулятори сконструйовані електрично у стрінги та банки, що дозволяє нам за потреби ізолювати окремі банки акумуляторів. Ми подаємо всю цю енергію до спільної постійної мережі, після чого окремі інвертори беруть енергію з цієї мережі та живлять кожен ося окремо. Розмір та кількість акумуляторів визначаються залежно від застосування – у нашій системі для тяжких вантажів є аж 72 блоки акумуляторів, тоді як у нашій меншій системі Switcher їх 28; у деяких випадках ми залишаємо простір для можливості модифікації цих пристроїв у майбутньому, якщо з’явиться потреба у більшому діапазоні пробігу».
Індивідуальний контроль осей забезпечує вбудовану стійкість до несправностей будь-якого окремого двигуна чи інвертора, оскільки потужність просто перенаправляється на інші двигуни без жодного впливу на продуктивність локомотива. Це також дозволяє системі керувати зсувом між двигунами, а кожен тяговий двигун має власну незалежну передачу – вбудовану в конструкцію двигуна осі, на відміну від передачі в загальній трансмісії – щоб максимізувати тягу.
Велика система акумуляторів збільшує вагу локомотива, але у цьому випадку – на відміну від багатьох інших електромобілів, де вага акумуляторів є неминучим недоліком, який інженери постійно намагаються зменшити – ця додаткова маса є перевагою, оскільки сприяє зчепленню коліс із рейками. У дизель-електричних локомотивах для збільшення ваги додають баласт, проте система акумуляторів дозволяє використовувати менше такого баласту для ефективного передавання потужності на рейки, а вага транспортного засобу максимізується в межах, встановлених рейковим полотном та наземною інфраструктурою.
Безпека та продуктивність акумуляторів
З огляду на високі напруги, які використовуються, безпека експлуатації є пріоритетом, а можливість ізоляції окремих частин електричної системи перед заміною акумуляторних блоків чи роботою з обладнанням інвертора була важливою складовою критеріїв проектування. FLXdrive використовує підхід LOTO («Lock Out – Tag Out») — усталену практику в залізничній промисловості — який забезпечує ізоляцію системи та її фізичне замикання для запобігання відновленню живлення іншими особами під час виконання робіт. Додаткову безпеку забезпечує система замкненого ключа, яка вимагає від команд обслуговування виконання певної послідовності дій для поступової ізоляції та від’єднання обладнання.
«Безпека була ключовим пріоритетом під час проектування локомотива», — пояснює Банс. «Ми витратили чимало часу та зусиль на аналіз різних сценаріїв використання у різних умовах експлуатації, щоб зрозуміти не лише те, як можна використовувати цей транспортний засіб як локомотив, а й те, як персонал буде обслуговувати обладнання, як замінювати його компоненти та як взаємодіяти з іншими частинами транспортного засобу».
Крім того, вимоги до безпеки охоплюють і фізичний захист від суворих умов, з якими зазвичай стикаються вагони важкого рейкового транспорту, що їдуть на високій швидкості та можуть бути причетними до серйозних аварій. Компанія Wabtec працювала безпосередньо з окремими клієнтами над оцінкою сценаріїв реагування на надзвичайні ситуації, поєднуючи їхні знання про технології акумуляторів із розумінням операторами їхнього конкретного залізничного середовища. Банс додає: «Ми розробили цей пристрій так, щоб він був міцним, а його надійність підтверджується численними тестами на падіння, удари та вібрації».
Підтримання акумулятора при доцільній температурі роботи також є важливою складовою забезпечення безпеки, а також ключовим фактором для досягнення найкращої продуктивності. Щоб оптимізувати продуктивність у обох випадках, компанія Wabtec приділила значний час розробці власної спеціалізованої системи охолодження. „Сучасні технології вимагають від акумуляторів середовища з номінальною температурою роботи близько 25 градусів Цельсія“, — каже Банс. „Ми розробили нашу систему керування температурою акумуляторів, яка може нагрівати чи охолоджувати їх, щоб підтримувати температуру близько цього значення, використовуючи суміш етиленгліколю та води у співвідношенні 50–50 для забезпечення цієї функції“.
Система, розроблена дочірньою компанією Wabtec та що є вже існуючою технологією, яка використовується в інших транспортних застосуваннях, була адаптована для інтеграції в систему вантажних локомотивів. Акумуляторні блоки закріплені безпосередньо до вбудованої пластини охолодження, що дозволяє незалежно забезпечувати охолодження кожного окремого блоку. Трубки та канали охолодження ніколи не контактують з елементами акумулятора чи електричною системою, що забезпечує їхню повну ізоляцію, а пластина охолодження подає холодну рідину до всіх елементів акумулятора.
Система зазвичай використовує по одній схемі на кожен стовпець, і кожен окремий блок акумуляторів має сухе з’єднання, яке дозволяє відокремлювати окремі блоки без необхідності розряджати всю систему охолодження локомотива. Це дозволяє інженерам з технічного обслуговування просто ізолювати окремий блок від системи охолоджувальної рідини, вийняти та замінити його, а потім знову під’єднати лінії охолоджувальної рідини, щоб система знову почала працювати.
Щоб запобігти тепловому вибуху – який є одним із найретельніше контрольованих ризиків у будь-якій великій системі акумуляторів – команда розробила пасивне рішення на рівні блоків. Банс пояснює: «Локомотиви значну частину часу перебувають у режимі очікування або вимкнення, і в багатьох випадках ми доставляємо ці локомотиви по всьому світу. У таких ситуаціях вони зовсім не підключені до електроенергії, і система керування акумуляторами не працює.
«З цих причин ми спроєктували нашу систему так, щоб вона не залежала від системи керування акумуляторами для запобігання тепловому вибуху. Гази проходять через протиперепонний диск, а потім контрольовано витікають з блоку акумуляторів через димохід назовні автомобіля. Не відбувається поширення вогню від одного блоку до іншого, оскільки все знаходиться всередині окремого блоку акумуляторів. Хоча система керування акумуляторами додає цінності під час роботи та може зменшити ризик у межах цього блоку, вона не є критичним елементом нашої стратегії запобігання тепловому вибуху з точки зору безпеки».
Керування енергією
Ключем до функціонування електролокомотива на акумуляторах є його здатність збирати енергію під час руху. Саме тому він так добре підходить як доповнення до дизель-електричних локомотивів у складі поїзда під час довгих подорожей. Традиційні дизель-електричні локомотиви цієї компанії вже використовують тракцію змінного струму, при якій динамічне гальмування змушує двигуни тракції генерувати електроенергію. Однак традиційна система просто розсіює цю енергію від гальмування у вигляді тепла через електричні резистивні мережі та вентилятори охолодження, тоді як система на акумуляторах використовує цю енергію, зберігаючи її для подальшого використання під час поїздки.
Обсяг вигоди, яку це забезпечує, звісно, залежить від конкретної роботи, яку виконує локомотив FLXdrive, і Банс пояснює: «Кожен маршрут та сфера застосування є унікальними. Робота на депо дає значну користь від регенерації енергії завдяки процесу початку та зупинки руху, але навіть під час транспортування вантажів це може принести суттєві переваги. Вага та швидкість поїзда, а також висота схилу, з якого він спускається, — усе це впливає на кількість енергії, яка генерується для зберігання, і ця кількість може бути значною».
Ключовим моментом є не просто відновлення енергії; це розуміння та контроль над тим, як і коли її слід зберігати чи використовувати. Це робить регенеративне гальмування частиною ширшої енергетичної стратегії – а перевагою залізниць є те, що вони завжди рухаються по фіксованій лінії відомою топографією. Усвідомлюючи це, компанія Wabtec може оптимізувати роботу по маршруту та розробила інтелектуальну систему управління енергією для FLXdrive, яка може планувати процеси заряджання та розряджання з урахуванням майбутніх умов, прагнучи використовувати регенерацію та уникати надмірно інтенсивного заряджання.
Ця складна система програмного забезпечення для управління енергією та автоматизації, відома під назвою FLXoptimizer, була спеціально розроблена для керування приводом FLXdrive. Функціонуючи як система керування для всіх локомотивів у складі, вона ґрунтується на перевіреній технології Trip Optimizer компанії Wabtec, яка використовується для дизельних поїздів цієї компанії. Вона розширює стандартні функції, такі як розумний круїз-контроль на основі штучного інтелекту, та застосовує цю логіку для розумного керування гібридними локомотивами, що поєднують дизельні двигуни та акумулятори.
«Приблизно у 2010 році почалась розробка системи управління енергією, і з того часу вона постійно розвивається», — каже Банс. «Робота локомотива FLXdrive по суті ідентична роботі будь-якого іншого дизель-електричного локомотива – окремі машиністи не приймають рішень щодо оптимізації витрат палива чи швидкості; усе це відбувається на фоні за допомогою системи управління енергією. Крім того, ми зараз також використовуємо штучний інтелект різними способами, щоб ще більше оптимізувати те, чого вже досягли».
«Ми співпрацюємо з нашими клієнтами, щоб зрозуміти різні умови експлуатації та будь-які особливі вимоги, які вони мають, але все це керується через систему управління енергією. Ми фактично прокладаємо кожен окремий маршрут під час впровадження системи управління енергією для конкретних умов використання поїзда – тож на початку поїздки ми точно знаємо, що перевозимо, які локомотиви у нас є, скільки енергії використовуємо та куди прямуємо».
«Ми використовуємо цю систему у звичайних дизель-електричних складах, але коли у складі є локомотив на батарейному ходу та ми можемо працювати в гібридному режимі, ми розробляємо повний план зарядки та розрядки ще до того, як поїзд виїде з депо. Система управління енергією розуміє маршрут, тому планування здійснюється так, щоб акумулятор ніколи не опустився до повного рівня заряду, а також щоб можна було отримати з нього максимальну кількість енергії».
Окрім регенеративного заряджання, електровоз із акумуляторною силовою установкою має інтегроване рішення для можливості статичного підключення до мережі для заряджання. Стандартну систему було адаптовано з технологій, які зазвичай використовуються в автомобільній промисловості, і Банс продовжує: «Вимоги до заряджання залежать від застосування, профілю роботи та інфраструктури клієнта, і ми працюємо з кожним клієнтом, щоб індивідуально налаштувати це під його потреби».
«Зазвичай під час транспортування вантажів залізничним транспортом більша частина заряджання здійснюється за допомогою системи регенеративного гальмування там, де це дозволяє рельєф місцевості, але стаціонарне підключення для заряджання є корисним для таких локомотивів, як гібридні чи Switcher, де наприкінці зміни, коли локомотив не використовується, його можна підключити до мережі та зарядити під час перерви. Це дуже схоже на систему електромобіля, і в деяких випадках ми використовуємо постачальників послуг заряджання для електромобілів для підтримки цього процесу».
Крім цього, компанія також розробила спеціальний варіант швидкого заряджання від постійного струму для потягів, який використовує стаціонарну систему пантографа для отримання енергії з повітряних ліній. Наразі вона не підходить для заряджання під час руху, але Банс каже, що Wabtec «абсолютно сподівається отримати таку можливість» у майбутньому. «Ми б отримували енергію з системи пантографа під час проїзду під нею та використовували її для заряджання акумуляторів під час руху, а також одночасно для живлення системи приводу», — пояснює він. «Коли ми більше не будемо під повітряною лінією, ми б використовували акумулятори для подальшого руху вперед».
Узгодження продуктивності
Філософія FLXdrive полягала у максимальному наближенні продуктивності до рівня існуючих дизель-електричних машин – проте це було не так просто, як просто замінити дизельний двигун на еквівалентну кількість акумуляторної ємності. На відміну від дизель-електричної локомотиви, у якій двигун мусить набрати швидкість, перш ніж надати повну відповідь, ранні дослідження показали, що акумуляторно-електрична локомотива може реагувати занадто швидко, що створює для оператора непередбачувані труднощі порівняно з традиційними моделями.
Звісно, показники продуктивності та дальності поїздки залежать від маршруту, але метою завжди було створення набору рішень, які підходять для різноманітних застосувань. Банс пояснює: «FLXdrive Switcher розроблений для роботи протягом повних восьми годин, що ґрунтується на типових вимогах до перегону вантажів, які мають наші клієнти. У той же час FLXdrive heavy-haul може тягнути за собою один з половиною милі вагонів або навіть більше, тож його здатність до подолання відстаней сильно залежить від маршруту, рельєфу та умов експлуатації».
«Зазвичай на пересіченій маршруті локомотив використовує потужність для підйому на пагорб, а потім система заряджається під час спуску. Типове гірничодобувне застосування від копалень до порту передбачає перевезення вгору в одному напрямку та вниз у іншому – таким чином досягається повне використання особливостей цього рельєфу у таких умовах».
У Wabtec є замовлення на всі типи операцій по всьому світу. Union Pacific незабаром отримає чотири одиниці FLXdrive Switcher для роботи на депо в Каліфорнії, а Canadian National – одну таку одиницю. В Австралії компанія BHP використовує кілька одиниць для вантажних перевезень у гірничодобувному регіоні Пілбара, приводячи їх у дію з повним навантаженням під час спуску від внутрішніх копалень до прибережних портів для самозарядки під час спуску.
Питання вже не полягає просто у тому, чи може працювати електропоїзд на акумуляторах; йдеться про те, як слід специфікувати, підтримувати та інтегрувати цю технологію для кожного конкретного застосування. FLXdrive 2.0 продовжує розвивати цю концепцію, дозволяючи технології, клієнту та інфраструктурі навколо неї разом навчатися. Технологія все ще знаходиться на ранній стадії розвитку, і покращення ємності акумуляторів та їх енергетичної щільності будуть і надалі розширювати спектр можливих застосувань у майбутньому.
У кінцевому підсумку повна електрифікація залізничних мереж все ще знаходиться далеко, і хоча батарейні електропоїзди дуже підходять для деяких застосувань – особливо для маневрування та робіт на станціях – обмеження щодо дальності поїздки все ще означають, що гібридні системи будуть актуальними ще довгий час. Тож у світі, де сталість є пріоритетом, Банс вважає, що альтернативні види палива також матимуть свою роль поруч із FLXdrive, причому йдеться про набір рішень, а не про єдину технологію заміни, яка мала б застосовуватися на всіх мережах.
З цією метою, окрім розробки власної батарейної електричної системи, компанія Wabtec вже досліджує технології альтернативного палива та приводу, такі як біодизель, відновлюваний дизель та природний газ, причому етанол та водень наразі перебувають на стадії оцінки.
«Технологія батарейних електромобілів все ще залишається новою, і зрештою знадобиться низка продуктів для підтримки наших клієнтів, включаючи альтернативні види палива, гібридні та батарейні рішення, які всі будуть використовуватися у майбутньому», — каже Банс. «Кожне застосування матиме свої власні вимоги, але безумовно існують деякі клієнтські сценарії, які цілком підходять для повністю електричного майбутнього».
Текуща локомотивна установка FLXdrive є платформою для розвитку, а не остаточним рішенням. Аккумуляторні батареї базуються на форматах елементів, які можуть отримати перевагу від удосконалень, що створюються в усій галузі акумуляторів – завдяки вищій ємності, кращим технологіям заряджання та вищій енергетичній щільності, що всі можуть сприяти покращенню майбутніх локомотивів. Система керування також буде продовжувати покращувати спосіб використання наявної енергії, користуючись неминучими досягненнями штучного інтелекту.
Вже зараз ясно, що технологія вийшла за межі початкового питання про те, чи можуть акумулятори живити локомотив. Тепер інженерна складність полягає у масштабуванні, інтеграції, управлінні енергією та створенні інфраструктури, необхідної для експлуатації такого типу обладнання. FLXdrive пропонує кілька рішень цієї проблеми: локомотив, спроектований так, щоб виглядати та функціонувати як звичайне залізничне обладнання, але з принципово іншим підходом до використання енергії для різних операцій.
Прогрес від початкових гібридних уроків до демонстрацій для клієнтів свідчить про те, як буде продовжувати розвиватися ця система. Системи охолодження вже дозволили збільшити потужність; архітектура високої напруги уможливила використання перевірених двигунів тяги; процес регенерації тепер може перетворювати енергію гальмування на збережену енергію; прогностичне програмне забезпечення перетворило стандартну залізницю на енергетичну карту; крім того, вся система була створена для забезпечення безпеки експлуатації та обслуговування.
Майбутнє залізниць для вантажних перевезень із нижчим рівнем викидів, ймовірно, не настане шляхом однієї драматичної технологічної зміни; скоріше воно буде розвиватися поступово, маршрут за маршрутом та застосування за застосуванням, у міру спільного вдосконалення акумуляторів, програмного забезпечення, систем заряджання та альтернативних палив – і Банс каже: «Кожен маршрут та кожне застосування мають свої конкретні потреби, і ми оцінюємо кожну з них, щоб визначити можливі довгострокові перспективи».
«Технологія електропоїздів на акумуляторах все ще знаходиться на початкових етапах розвитку та впровадження. Тож, у міру покращення ємності акумуляторів та подальшого розвитку нашої системи управління енергією, я думаю, що ми будемо досягати все більшої дальності їзди. Ми постійно вивчаємо нові конструкції та технології, щоб знайти способи підвищити загальну ефективність нашої системи – і, на мою думку, ми лише починаємо цей процес».
Гнучкий інструмент для роботи
Wabtec співпрацює з окремими клієнтами в Північній та Південній Америці, а також в Австралії над розробкою електропоїздів на акумуляторах для різних конкретних потреб – від місцевого транспортування до дальньої перевезення корисних копалин. Жодна робота на світових залізницях не є однаковою, тому Wabtec розробив чотири різні базові версії своєї системи FLXdrive для різних умов використання.
Усі базові моделі розроблені для роботи на ширині колії 1435 мм, але кожна з них налаштована для оптимізації продуктивності у різних основних режимах роботи залізниць – включаючи роботу на депо, місцеві перевезення, роботу під землею та дальні вантажоперевезення великими вагонами.
Ці базові моделі побудовані на стандартній платформі Heavy-Haul 32 т/ось, причому потужність подається через окремі двигуни до шести приводних осяв. Регенеративне гальмування дозволяє ефективно повторно використовувати енергію, а також є вбудована система заряджання 480 В AC, з можливістю додаткового швидкого заряджання від постійного струму за допомогою зарядних рейок, розташованих на верхній частині локомотива.
Вантажоперевезення великими вагонами
Це найвища потужна версія, призначена для експлуатації на магістральних лініях. Її зазвичай використовують разом із іншими дизель-електричними двигунами у складі електропоїзда.
Потужність (максимальна): 3200 кВт / 4360 к.с.
Ємність акумулятора: 7 МВт·год
Осі: 6, формат Co-Co
Вага: 461 клб / 209 т
Розміри: L – 76 фт / 23,2 м; W – 10 фт / 3 м; H – 15,5 фт / 4,7 м
Максимальна швидкість: 76 миль/год / 123 км/год
Сила тяги
- При старті: до 200 клбф / 890 кН
- Постійно: до 155 клбф / 690 кН
- Гальмування за допомогою дощу: до 98 клбф / 436 кН
Варіант з меншою потужністю
Ця версія з меншою потужністю призначена для роботи на складах та для коротких місцевих та регіональних перевезень.
Потужність (максимальна): 1700 кВт / 2280 к.с.
Ємність акумулятора: 2,7 МВт·год, час повного заряджання – 4–7 годин
Осі: 6, формат Co-Co
Вага: 417 клб / 189 т
Розміри: L – 68 фт / 20,7 м; W – 10 фт / 3 м; H – 15,5 фт / 4,7 м
Максимальна швидкість: 70 миль/год / 112 км/год
Сила тяги
- При старті: до 200 клбф / 890 кН
- Постійно: до 155 клбф / 690 кН
Shunter
Це найменш потужна версія, розроблена на сьогодні; вона призначена для роботи на залізницях Центральної Азії та має іншу прохідну частину.
Потужність (максимальна): 700 кВт / 940 к.с.
Ємність акумулятора: 1,2 МВт·год
Осі: 4, формат Bo-Bo
Вага: 212 клбс / 96 т
Максимальна швидкість: 70 миль/год / 112 км/год
Сила тяги
– Режим запуску: до 83 клбф / 370 кН
Двокомпонентний режим
Ця версія розроблена спеціально для експлуатації на підземних залізницях у Європі та має гібридну схему з електродвигуном та двигуном на акумуляторній енергії.
Потужність (максимальна): 800–1500 кВт / 1072–2010 к.с. (лише акумулятор); 3800–5500 кВт / 5095–7375 к.с. (електродвигун + акумулятор)
Ємність акумулятора: 1,5 або 2 МВт·год
Осі: 6, формат Co-Co
Вага: 278 клбс / 126 т
Максимальна швидкість: 70 миль/год / 112 км/год
Зусилля тяги
– Режим запуску: до 117 клбф / 520 кН
Натисніть тут, щоб прочитати останній випуск E-Mobility Engineering.