Admin

Перспективы применения контактно-аккумуляторных поездов в России

В.Е. БЫСТРАНОВ, начальник отдела скоростных поездов Центральной дирекции моторвагонного подвижного состава — филиала ОАО «РЖД»,
И.В. СЕМЁНОВ, доцент РУТ(МИИТ),
С.В. ЖЕЛЕЗНОВ, главный инженер Калининградской дирекции моторвагонного подвижного состава — филиала ОАО «РЖД»

Контактно-аккумуляторные поезда конструктивно схожи с традиционными электропоездами. Отличие в том, что они оснащены тяговыми аккумуляторами большой емкости, которые позволяют им следовать без контактной сети на расстояние до 150 км (на сегодняшний день).
Данный тип подвижного состава может обеспечить беспересадочные перевозки пассажиров с электрифицированных линий на примыкающие к ним неэлектрифицированные, а также выступить в качестве экологически нейтральной замены существующим видам дизельного подвижного состава в пригородном сообщении.
Помимо этого, можно отметить, что контактно-аккумуляторные электропоезда используют до 100 % энергии рекуперации при торможении поезда, так как нет необходимости в наличии на участке другого поезда, который может принять данную энергию. Эта энергия может использоваться непосредственно для подзарядки тягового аккумулятора. Современные тяговые аккумуляторные батареи не требуют специализированного обслуживания.
Недостатком контактно-аккумуляторных электропоездов является то, что они на 10 % тяжелее и до 45 % дороже электропоездов одинаковой конструкции из-за большой массы и стоимости аккумуляторов.
Подзарядка аккумуляторных батарей возможна как при движении на электрифицированных линиях, так и от стационарных источников, и при рекуперации (рис. 1). Проведенным анализом существующих и перспективных типов подвижного состава установлено, что контактно-аккумуляторный электропоезд является наиболее экологичной альтернативой дизельному подвижному составу.


Коэффициент полезного действия традиционного электропоезда составляет 85 % из-за потерь в трансформаторе и выпрямительноинверторном преобразователе, при этом энергия рекуперации в лучшем случае принимается в контактную сеть, в худшем — гасится на резисторах, но не может использована полезно.
Подвижной состав, работающий на дизельном топливе, обладает самым низким КПД на уровне 40 %. Коэффициент полезного действия преобразования энергии контактно-аккумуляторного электропоезда составляет 85 %, как и у традиционного электроподвижного состава, а в аккумуляторном режиме он снижается еще на 90 % для промежуточного хранения энергии в аккумуляторе; итоговый КПД составляет 90 % * 85 % = 77 %. При этом энергия рекуперации может полностью храниться в тяговых аккумуляторных батареях (ТАБ) и использоваться для тяги.
Эффективность водородных поездов также снижается из-за работы силовой установки. Данный поезд генерирует приводную мощность за счет водорода с коэффициентом преобразования около 60%, при этом часть энергии временно хранится в динамическом аккумуляторе, который обеспечивает высокие уровни пусковых токов. Итоговый КПД определяется так: 0,6-0,9-0,85 = 46 % (рис. 2).

Контактно-аккумуляторные электропоезда не являются принципиально новыми для отечественных железных дорог. Многолетний опыт эксплуатации контактно-аккумуляторного электрического моторвагонного подвижного состава на Прибалтийской железной дороге в 1960-х годах подтвердил работоспособность этого типа подвижного состава.
С 1962 по 1980 гг. на неэлектрифицированных курортных линиях Рижского железнодорожного узла с интенсивными пригородными перевозками эксплуатировались 9 контактно-аккумуляторных поездов серии С^-АбМ. Данные поезда были переоборудованы из шестивагонных электропоездов серии Ц, они оснащались кислотно-свин-цовыми аккумуляторными тяговыми батареями и способны были преодолевать до 100 км неэлектрифицированного участка железнодорожного пути. В пути каждый поезд преодолевал порядка 350 км, причем 45 % — при питании от аккумуляторных батарей (рис. 3). Зарубежный опыт также показывает перспективы применения таких электропоездов. Согласно данным исследования, проведенного специалистами Технического университета Дрездена, электрификация, как правило, эффективна на линиях, где межпоездной интервал не превышает 30 мин, в отдельных случаях — 60 мин. Например, если участок уже частично электрифицирован или если проект электрификации можно реализовать достаточно просто. На основании этого Объединение железнодорожной промышленности Германии (VDB) подготовило и обнародовало в июле 2021 г. стратегию перехода к электропоездам с тяговыми аккумуляторами, которые призваны заменить ди-зель-поезда на маршрутах, частично проходящих по неэлектрифицированным линиям. Это связано с тем, что подвижной состав, использующий жидкое моторное топливо, теряет привлекательность по ряду причин, в числе которых, в частности, вредные выбросы, повышенный уровень шума и рост цен на дизельное топливо.


Наряду с экологическими преимуществами, поезда с тяговыми аккумуляторами экономически выгодны и для заказчика в лице местной транспортной администрации (а потому и для налогоплательщиков), и для пассажиров. Такие поезда выигрывают у дизельного подвижного состава и по эксплуатационным показателям, и по стоимости обслуживания. Кроме того, при последовательной реализации концепции электропоездов с тяговыми аккумуляторами железнодорожная промышленность Германии получит возможность не только совершенствовать новые технологии, но и экспортировать их на мировой рынок.
В Российской Федерации, в развитие линейки электропоездов «Ласточка» специалистами завода ООО «Уральские локомотивы» проведены эскизные проработки электропоезда с тремя системами питания. Электропоезд с автономной тягой серии ЭС1А может двигаться при питании от контактной сети (3 и 25 кВ), а также от тяговой батареи.

Тяговые батареи и зарядно-разрядный преобразователь размещаются в третьем прицепном вагоне на крыше и под кузовом. Средний расчетный запас хода пятивагонного поезда для батареи мощностью около 1,44 мВт ч составляет 150 км при средней скорости 120 км/ч. Время полного заряда батареи составляет 2 ч. Заряд батареи можно осуществлять от контактной сети, при рекуперативном торможении и на стоянке от внешнего источника питания (например, 3x380 В или 220 В). Для источника питания рассматриваются различные виды аккумуляторных батарей, в том числе и современные литий-ионные аккумуляторы.
В данный момент заводом «Уральские локомотивы» прорабатывается применение автономных видов тяги в рамках концепции электропоезда «Ласточка 2» с характеристиками, представленными в табл. 1. Следует отметить, что потребность в контактно-аккумуляторных электропоездах в России обусловлена текущей инфраструктурой пригородных пассажирских перевозок. Железные дороги России электрифицированы на 51 % при эксплуатационной длине 85,6 тыс. км, протяженность электрифицированных линий составляет 43,8 тыс. км.

Пригородные перевозки на неэлектрифицированных участках осуществляются с использованием дизельного подвижного состава. В основном расстояния неэлектрифицированных участков пригородного движения не превышает 100 км — 63 % от общего количества, от 100 до 150 км — 28 % и от 150 до 200 км — менее 10 %. Данный анализ определяет оптимальное расстояние автономного хода контактно-аккумуляторных электропоездов до 150 км.
Уже сейчас в России реализованы проекты эксплуатации электропоездов на неэлектрифицированных линиях. ОАО «РЖД» успешно реализует проекты по организации сквозного беспересадочного движения с помощью электропоездов «Ласточка» с тепловозом ТЭП70БС.
Опрос компаний-перевозчиков показал их заинтересованность в контактно-аккумуляторных электропоездах для пригородных железнодорожных перевозок России. Сформировано более 57 беспересадочных маршрутов от Калининградской области до Приморского края. Предварительная потребность в контактно-аккумуляторных электропоездах составляет 121 состав (464 вагонов), средней составное™ 3— 4 вагона.


Калининградская дорога в силу уникальных особенностей может служить пилотным полигоном для отработки организации пассажирского железнодорожного сообщения с использованием контактно-аккумуляторных электропоездов и систем обеспечения, а также для создания центра компетенций в области их эксплуатации, поддержки перехода к применению контактно-аккумуляторных электропоездов и систем обеспечения на других дорогах, сотрудничества с потенциальными зарубежными партнерами.
Особенности Калининградской дороги, важные для данного проекта:

• электрифицировано не более 10 % железнодорожных линий; из эксплуатационной длины 900 км электрифицированы только два направления — это Калининград — Зеленоградск — Светлогорск (59 км) и Калининград — Пионерский Курорт (40 км);
• относительно небольшие длины неэлектрифицированных участков (до 150 км);
• устойчивый пассажиропоток из глубины региона в курортные районы, особенно в летний период, и, как следствие, важность организации прямого беспересадочного сообщения.

К особенностям можно отнести необходимость строительства в пунктах оборота участков воздушной контактной сети для подзарядки и наличие коротких платформ (70 м) на неэлектрифицированных участках, кроме главного направления, где курсируют пассажирские поезда.
Существующий парк МВПС Калининградской области и схема движения пригородных поездов представлены на рис. 4.

Пригородные перевозки осуществляются в границах Калининградской области по 8 маршрутам:

• Калининград — Светлогорск, 46 км;
• Калининград — Зеленоградск, 32 км;
• Зеленоградск через Светлогорск, 25 км;
• Калининград — Чернышевское, 150 км;
• Калининград — Советск, 124 км;
• Калининград — Балтийск, 47 км;
• Калининград — Багратионовск, 36 км;
• Калининград — Мамоново, 50 км.

В парке Калининградской дороги находятся 8 электропоездов «Ласточка» серии ЭС2Г, которые обслуживают электрифицированные направления на Светлогорск и Зеленоградск, 9 рельсовых автобусов серии РА2, один рельсовый автобус серии РА1, обслуживающие неэлектрифицированные направления на Чернышевское, Советск, Балтийск, Багратионовск, Мамоново.
Необходимо отметить, что в период массовых летних перевозок предпринимались попытки продлевать маршрут рельсовых автобусов от Черняховска до Зеленоградска, но из-за ограничения скорости рельсовых автобусов серии РА2 до 100 км/ч было сложно сформировать параллельный график движения с учетом скоростей на электрифицированном участке до 135 км/ч без ущерба для движения электропоездов «Ласточка».
При замене парка рельсовых автобусов на парк контактно-аккумуляторных электропоездов будет возможно организовать беспересадочное сообщение через всю Калининградскую область в направлении Светлогорска и Зеленоградска. При возможности автономного хода до 150 км зарядные станции необходимо будет установить на станциях Гусев (115 км от Калининграда) и Советск (124 км). Обслуживание инновационного подвижного состава рационально осуществлять с помощью контракта жизненного цикла или договора сервисного обслуживания на весь срок службы данных электропоездов. В табл. 2 приведены характеристики контактно-аккумуляторных электропоездов. Разработка перспективного графика
движения контактно-аккумуляторных
электропоездов была проведена на основании осваиваемых пассажиропотоков, тягового расчета и энергобаланса. Использовались утвержденные Продольные профили пути, а также утвержденные ведомости наибольших допускаемых скоростей движения на перегонах и в пределах раздельных пунктов Калининградской дороги (от 21.12.2018 № ЦДИ-452). Определены времена хода по перегонам и сформирован энергобаланс для определения возможности автономного хода и проверки достаточности емкости тяговой аккумуляторной батареи. При расчетах использовалось допущение, что вся энергия рекуперации, вырабатываемая при торможении (с учетом КПД преобразования, равного 0,875), используется для подзаряда тяговой аккумуляторной батареи.
Выбор участков обращения контактно-аккумуляторных электропоездов на полигоне Калининградской дороги обусловлен предложениями АО «Калининградская ППК». Это участки:

• Калининград Южный — Балтийск;
• Калининград Южный — Светлогорск II;
• Калининград Южный — Зеленоградск — Светлогорск II;
• Калининград Южный — Советск;
• Калининград Южный — Гусев;
• Калининград Южный — Багратионовск;
• Калининград Южный — Мамоново.

В табл. 3 представлены расходы электроэнергии контактно-аккумуляторных электропоездов на участках обращения Калининградской железной дороги.
Из анализа тяговых расчетов и энергобаланса можно сделать следующие выводы.
Ф наибольшее энергопотребление происходит в зимний период с учетом затрат на отопление на участке Мамоново — Калининград — Мамоново и составляет 1276,9 кВт-ч;
® на станциях Советск и Гусев необходимо устройство станций подзарядки контактно-аккумуляторного электропоезда;
® емкость тяговой аккумуляторной батареи (ЕГО) должна составлять не менее 1,3 МВт-4, оптимальная емкость батареи с учетом разрядки не более чем на 80 % составляет 1,6 МВт-ч.
Также можно сформировать следующие
укрупненные требования к электропоездам с тяговыми аккумуляторными батареями:
tf составность от 2-х вагонов, возможность работы по системе многих единиц (далее — СМЕ);
if максимальная скорость — 160 км/ч при питании от контактной сети, 140 км/ч при питании от аккумуляторных батарей;
(Р расстояние автономного хода — до 200 км;
время полного заряда аккумуляторных батарей — не более двух часов.
Для разрабатываемого проекта были подготовлены нормативные графики движения поездов для участков Калининградской дороги. Нормативные графики движения поездов разработаны для семи пригородных направлений, отправляющихся от станции Калининград-Пассажирский-Южный:

• Светлогорск II;
• Светлогорск (через Зеленоградск);
• Советск;
• Багратионовск (о.п. Стрельня);
• Мамоново;
• Балтийск;
• Гусев.

Особенностью контактно-аккумуляторных поездов является их диаметральное движение по отношению к Калининграду, при котором пригородные аккумуляторные поезда сначала следуют по электрифицированному участку, а после прибытия на станцию Калининград-Южный продолжают движение на неэлектрифициро-ванных участках, и наоборот.
Общий размер движения контактно-аккумуляторных поездов составил 15 пар диаметральных поездов между курортными городами и станциями назначения Балтийск, Мамоново, Багратионовск Гусев и Советск, в том числе:

• Балтийск — Светлогорск II — 2 пары (одна пара в режиме экспресса, остановки только на станциях);
• Балтийск — Зеленоградск — две пары (одна пара в режиме экспресса, остановки только на станциях), итого 4 пары;
• Мамоново — Зеленоградск — Светлогорск II — одна пара;
• Мамоново — Калининград — одна пара;
• Багратионовск — Зеленоградск — Светлогорск II — одна пара;
• Багратионовск — Калининград — одна пара;
• Гусев — Светлогорск II — 3 пары (две пары в режиме экспресса, остановки только на станциях);
• Гусев — Зеленоградск — 3 пары (две пары в режиме экспресса, остановки только на станциях), итого б пар;
• Советск — Зеленоградск — Светлогорск II — одна пара.

При этом размеры движения электропоездов «Ласточка» не уменьшались (Калининград — Светлогорск II — 10 пар, Калининград — Зеленоградск — 8 пар, Зеленоградск — Светлогорск — 3 пары).
Для обеспечения движения по нормативному графику поездов в соответствии с оборотом необходимо 7 составов контактно-аккумуляторных поездов. Общее количество эксплуатируемых аккумуляторных поездов должно быть 8 из расчета: 7 составов на график, один состав на плановом обслуживании. Пробег аккумуляторных электропоездов составляет 498,5 км в сутки из расчета на один состав или 3489,80 км общего пробега.


График движения аккумуляторных поездов составлен таким образом, что обеспечивает ночной отстой на электрифицированных путях станций:

• в Светлогорске (1 состав);
• в Калининграде (2 состава);
• на станции Зеленоградск-Новый (2 состава).
• На станциях Советск и Гусев предусмотрено устройство зарядных станций (береговое питание или участок контактной сети):
• на станции Гусев (1 состав);
• на станции Советск (1 состав);
• Итого 7 составов на график (рис. 5).
• При разработке проектного графика движения использовались следующие параметры:
• запас автономного хода 150 км;
• время на полный заряд аккумулятора 2 ч на стациях Советск и Гусев;
• время на стоянку на станциях смены направления движения (Зеленоградск-Новый и Калининград-Южный) 10 — 15 мин.

Применение контактно-аккумуляторных электропоездов позволит сократить время поездки пассажиров, отправляющихся от станций: Балтийск, Багратионовск, Мамоново, Советск, Гусев в направлении станций Светлогорск и Зеленоградск. Сокращение времени поездки достигается в основном благодаря отсутствию пересадки на станции Калининград. Так, в данный момент для того, чтобы проследовать железнодорожным транспортом от станции Балтийск до станции Светлогорск II, потребуется суммарно потратить 4 ч 39 мин, в том числе следование на рельсовом автобусе по маршруту Балтийск — Калининград-Южный — 1 ч 5 мин, пересадка 2 ч 38 мин, и продолжение следования по маршруту Калининград-Южный — Светлогорск II, на электропоезде «Ласточка» — 56 мин.
При переходе на беспересадочный маршрут с применением аккумуляторных поездов общее время в пути по маршруту Балтийск — Светлогорск II составит 2 ч 9 мин, таким образом, время в поездке сократится на 2 ч 30 мин.
В табл. 4 представлен выборочный анализ изменения времени следования по маршрутам при текущей схеме обслуживания (рельсовый автобус — пересадка в Калининграде — продолжение следования на электропоезде) в сравнении с использованием беспересадочных аккумуляторных поездов.
Таким образом, находящиеся в эксплуатации 10 трехвагонных рельсовых автобусов предлагается заменить восемью составами контактно-аккумуляторных электропоездов, что позволит:

• > сократить количество и типаж эксплуатируемого на Калининградской дороге моторвагонного подвижного состава (остаются только ЭС2Г и контактно-аккумуляторные ЭС1 А);
• повысить эффективность использования подвижного состава увеличением среднесуточного пробега в 2,5 раза (200 км/сутки для РА 1 и РА2 и 498 км/сутки для контактно-аккумуляторных электропоездов);
• > снизить простой во всех видах технического обслуживания и текущего ремонта исходя из конструктивных особенностей ЭС2, в сравнении с РА1,2;
• > полностью исключить потребление МВПС углеводородного топлива и выбросы в атмосферу.

Исходя из анализа сокращения времени в пути, можно сделать вывод, что эксплуатация контактно-аккумуляторных электропоездов ожидаемо вызовет индуцированный спрос на пригородные перевозки. Благодаря вводу в эксплуатацию нового вида транспорта с кардинально лучшими для пассажира характеристиками и соотношением времени в пути, стоимости и комфорта очевидно, что часть пассажиров будет ездить чаще, чем раньше.
Также часть пассажиров, которые вовсе воздерживались от поездок, начнет их совершать — появится определенная доля в дополнение к тому потоку, который спрогнозирован из расчета переключения между видами транспорта на аккумуляторные поезда.
По проведенным расчетам чистой приведенной стоимости установлено, что проект окупается за период срока службы подвижного состава — ЗОлет.
При оценке коммерческой эффективности в составе потоков денежных средств учтены необходимые затраты на приобретение 8 контактно-аккумуляторных электропоездов (40 вагонов) на сумму 7,2 млрд руб. (за основу взят стандартный электропоезд ЭС2Г), строительство берегового питания на станциях Советск и Гусев стоимостью 144 млн руб., единовременной замены аккумуляторных батарей на всем парке через 15 лет эксплуатации на сумму 1,7 млрд руб. Кроме того, учтены доходы и текущие затраты по прочим видам деятельности, формируемые в части услуги сдачи в аренду подвижного состава.



Внедрение контактно-аккумуляторных электропоездов ожидаемо вызовет следующие социально-экономические эффекты:

• сокращение времени следования;
• повышение транспортной мобильности населения внутри области;
• индуцированный спрос на пригородные перевозки;
• снижение загрязняющих выбросов в окружающую среду и шумового воздействия от подвижного состава.
• Проведенным анализом установлено, что внедрение в будущем в эксплуатацию контактно-аккумуляторных электропоездов соответствует следующим планам развития ОАО «РЖД» в долгосрочной перспективе.
• Повышение качества обслуживания и транспортной мобильности населения внутри и между агломерациями в пригородном сообщении благодаря внедрению нового инновационного подвижного состава и организации беспересадочных маршрутов. Повышение уровня сервиса, расширение транспортных возможностей для жителей агломераций, отказ от затратных поездок на автомобиле.
  
  
• Стимулирование создания линейки российского моторвагонного подвижного состава с применением автономных источников питания (тяговых аккумуляторных батарей), обеспечивающих новый уровень комфорта и сервиса для пассажиров (полнофункционально индивидуальное пространство, информационно-технические решения и системы связи и др.).
• Внедрение наилучших доступных технологий в природоохранной деятельности, обеспечение необходимого уровня экологической безопасности ОАО «РЖД» путем замены дизельного подвижного состава пригородного сообщения (рельсовые автобусы, дизель-поезда, пассажирские вагоны при следовании с тепловозом).

На итоговом заседании Центральной комиссии ОАО «РЖД» за 2020 г. отмечалось, что в целом перед страной в плане международных обязательств стоит задача снизить углеродные выбросы к 2030 г. на 30 % от уровня 1990 г. Внедрение в эксплуатацию контактно-аккумуляторных поездов будет способствовать снижению углеродных выбросов.
Безусловно, генеральной линией Компании является электрификация железных дорог, но на участках только с пассажирским движением вполне себя может оправдать технология применения контактно-аккумуляторных поездов на автономной тяге. В стране есть возможность возобновить эксплуатацию контактно-аккумуляторных поездов отечественного производства.
С системной точки зрения, решение на базе контактно-аккумуляторного электропоезда является выгодным, поскольку оно полагается на постоянно растущую долю возобновляемых источников энергии в той же степени, что и электропоезд, и, таким образом, будет автоматически становиться все более экологически чистым. Это также представляет собой разумное временное решение на пути к полной электрификации железных дорог.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК