Россия проложила рельсы к рекуперации на базе отечественного суперконденсатора

Анастасия Филиппова
30 декабря 2021, 16:48

Компания «ТЭЭМП» разработала системы, превращающие энергетические отходы электротранспорта в чистую энергию.

компания «ТЭЭМП»
Изображение трамвая, снятое тепловизором. В хвостовой части на крыше самые яркие элементы - это резисторы, рассеивающие энергию в виде тепла

Несмотря на то, что электротранспорт более безопасен для экологии, чем автомобили с двигателем внутреннего сгорания, он все равно вносит свой вклад в долгосрочное повышение температуры климатической системы Земли. В процессе торможения и на холостом ходу электрические машины, будь то электрички, трамваи или электробусы, вырабатывают энергию, которая рассеивается в воздухе, нагревая атмосферу. Это так называемые энергетические отходы.

Частично возвращать их в электрическую сеть позволяет рекуперативное торможение. При нем электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая энергия передается через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции. Однако большая часть энергии все равно уходит в атмосферу. Российская компания «ТЭЭМП» (входит в холдинг «Ротек») усовершенствовала этот механизм и разработала линейку систем Energy waste collector, позволяющих эффективно накапливать и использовать рекуперативную энергию. 

Трамвай как двигатель прогресса

В основе предлагаемой прогрессивной технологии лежат система управления, подключаемая к тяговому преобразователю, и накопитель энергии — суперконденсатор. Именно он играет ключевую роль благодаря способности мгновенно принимать и отдавать импульсные токи большой мощности, которые возникают при торможении. По задумке «ТЭЭМП», энергия, вырабатываемая электротранспортом, должна быть собрана и применена на месте или передана в сеть. Разработанная линейка систем для рельсового электротранспорта предусматривает их установку вместо блоков резисторов, через которые сегодня электроэнергия превращается в тепло.

«Мы испытали систему на трамвае: он трогается и едет сначала на той энергии, которую накопил, а потом начинает питаться от сети. Или же мы можем выгрузить электроэнергию обратно в сеть. Просто уже не в режиме импульса, а в мягком режиме через систему управления, так как сеть в состоянии принять ее без перегрузки», — объяснил председатель совета директоров «ТЭЭМП» Михаил Лифшиц. По его словам, сейчас на электротранспорте собирается максимум 10% энергии от того, что вырабатывается во время торможения, потому что сети такие импульсные токи принимать просто не могут.

Суперконденсатор способен в течение десятых долей секунд подхватить тормозную энергию и рекуперировать ее. Такого рода устройства появились еще в 80-90-х годах прошлого века. Однако серийные продукты стали доступны лишь с 2000-х годов. Например, с 2009 года аналогичные технологии используются в болидах «Формулы 1». Крупные системы, которые в состоянии безопасно и эффективно работать с большими токами, являются относительно недавними разработками. «Наши системы позволяют собрать то, что вырабатывают электромашины, не побоюсь этого слова, без остатка», — говорит Михаил Лифшиц.

«ТЭЭМП» провел испытания своего устройства в одном из трамвайных парков Санкт-Петербурга. По данным компании, один трамвай вырабатывает 142 кВт/ч чистой энергии в день, что сопоставимо с работой солнечного парка в 1000 квадратных метров. При этом рельсовый электротранспорт генерирует 40% электроэнергии от потребляемой при разгоне.

«К сожалению, пока мы не дошли до модернизации существующего парка, работаем с производителями трамваев и другого электротранспорта в части новых изделий. Модернизация уже существующих, то есть замена тепловых систем на накопительные — это то, что как раз хотелось бы увидеть, и то, к чему мы призываем наших эксплуатантов. Это не сложно, потому что мы, в том числе, делаем систему, устанавливаемую на те посадочные места, на которых сейчас стоят резисторы, нагревающие атмосферу. Нужно всего лишь снять одно и поставить другое», — рассказал председатель совета директоров «ТЭЭМП».

По его словам, рекуперативное торможение можно также эффективно применять в метрополитене. Раньше движение в метро было устроено таким образом, что торможение прибывающего на станцию поезда синхронизировалось с отправлением другого. Это позволяло использовать так называемый межпоездной обмен. Однако с развитием метрополитена такая схема перестала закладываться в расписание движения поездов. Поэтому сегодня межпоездной обмен позволяет собрать всего 10% генерируемой при торможении энергии. Остальные 30–40%, которые потенциально можно сохранить, пропадают зря и лишь разогревают тоннели.

При этом суперконденсаторы могут найти применение не только на рельсовом транспорте. «Это абсолютно релевантно для любого транспорта. Мы начали с рельсового просто потому, что там эффект больше: двигатели мощнее, сами транспортные средства тяжелее. На рельсовом транспорте система окупится в пределах пяти лет, а с легковыми автомобилями, особенно в городских условиях, экономика не такая яркая», — говорит Михаил Лифшиц. Однако на электробусах новые системы тоже смогут работать достаточно эффективно, считает он.

Подобные системы могут отличаться друг от друга по техническим особенностям и стоимостью в зависимости от поставленных задач. «Например, когда мы ставили систему на трамвай, нужно было, чтобы она не только собирала вырабатываемую энергию, но и чтобы в случае пропажи напряжения в контактной сети позволяла доехать до следующего участка на накопленном. Поэтому конденсаторный блок обеспечивал километровый докат. Из-за этого система получилась больше, чем можно было бы поставить только для рекуперации», — говорят в «ТЭЭМП».

Не только «ТЭЭМП»

Подобные системы уже устанавливаются на общественном транспорте, в частности на новых трамваях. Однако пока речь идет об иностранных разработках. Сегодня на рынке суперконденсаторов в мире 5–6 заметных игроков. Аналогичные системы разработаны такими производителями трамваев, как CAF, Bombardie, Alstom, Scoda, Pesa, Stadler и тестируются в Европе с 2011 года. Но скорость внедрения их достаточно низкая. «Это новая технология, она везде находится в стадии опробования», — сказал Михаил Лифшиц.
 
Работа в этом направлении ведется и в холдинге «Синара — Транспортные машины», рассказал Салават Халилов, директор направления «Энергорешения» дивизиона городского общественного транспорта этой компании. По его словам, вырабатываемую при торможении электроэнергию следует перенаправлять в накопители, и решения для подобных накопителей должны быть реализованы на основе суперконденсаторов. В частности, это будет эффективно для городских трамваев.

«Подобный проект устройства рекуперации у нас практически готов. Мы ставим к нему довольно жесткие требования: вес, габариты, безопасность, и в ближайшем будущем сможем предъявить рекуператор, который можно интегрировать в подвижной состав, не ухудшая качество хода и характеристики безопасности. Внедрение подобной технологии позволит снизить потребление энергии из контактной сети до 50% по сравнению с обычным трамваем», — рассказал Салават Халилов.

Он отметил, что сокращение энергопотребления и более рациональное использование ресурсов — это глобальный мировой тренд. Поэтому над повышением эффективности использования рекуперативной энергии в рельсовом и городском транспорте работают многие компании. В России уже есть ряд патентов по этой теме, в том числе решения, схожие с представленными в «ТЭЭМП», добавил представитель «Синара — Транспортные машины». По его словам, какие-либо выводы о характеристиках системы «ТЭЭМП» невозможно сделать без просмотра конструкторской документации, однако решение должно быть эффективным.

Со своей стороны, в «Трансмашхолдинге» сообщили, что компании было бы интересно рассмотреть предложение «ТЭЭМП» для вагонов метрополитена, хотя сейчас вагоны холдинга уже оснащены другой системой рекуперации.

Будущее электротранспорта

В транспортной стратегии России до 2035 года, утвержденной правительством в конце ноября, говорится, что в 2025‒2030 годах инвестиции в городской пассажирский транспорт увеличатся в 3-4 раза по сравнению с предыдущим периодом. До 2035 года в развитие городского наземного электрического транспорта, метрополитена, железных дорог в агломерациях и обновление подвижного состава планируется вложить 10 трлн рублей. «Приоритет при государственной поддержке обновления транспортных средств получит техника с высоким экологическим классом и в первую очередь техника, работающая на электрической тяге», — говорится в документе.

Как рассказывал прессе зампредседателя—член правления ВЭБа Олег Говорун, в России в ближайшие пять лет планируется модернизировать общественный электротранспорт как минимум в 13 городах. Заявки на участие в программе уже подали Владивосток, Иркутск, Ярославль, Краснодар, Красноярск, Тверь, Нижний Новгород, Пермь, Курск, Саратов, Уфа, Южно-Сахалинск и Ростов-на-Дону.
 
Программа включает в себя замену трамвайных путей, поставку вагонов, электробусов и строительство зарядных станций. В частности, планируется заменить 668 км трамвайных путей, закупить 1544 трамвайных вагона. На эти цели направят около 400 млрд руб. Ожидается, что регионы будут привлекать инфраструктурные бюджетные кредиты, 70% средств предоставят ВЭБ и инвесторы, в том числе за счет ФНБ. Оснащение общественного транспорта системами рекуперации энергии позволит существенно сократить выбросы «энергетических отходов» и повысить его эффективность.