Анализ возможности накопления рекуперации электрической энергии с помощью накопителя на основе водородных ячеек, для поддержания напряжения в контактной сети

Приоритетным направлением Куйбышевской железной дороги (далее КбшЖД) является разработка системы способной принимать избыточную энергию, создаваемую при рекуперативном торможении электровоза постоянного тока, с возможностью дальнейшего использования на вторичные нужды межподстанционного участка или самой тяговой подстанции [1].

Одним из возможных способов полезного использования избыточной электроэнергии, по взгляду Трансэнерго и Центра инновационного развития [1], выработанной в процессе рекуперативного торможения, является сохранение ее в системе накопления избыточной энергии (далее СНИЭ) и последующей реализацией на вспомогательные нужды тяговой подстанции, в частности, отопительная система помещений тяговой подстанции, система горячего водоснабжения или смежных зданий, зависящих от электрической энергии.

Электрические тяговые двигатели, применяемые для движения железнодорожного электротранспорта, работают с использованием рекуперативного торможения (РТ). В тот момент, когда электродвигатель совершает торможение, он превращается в генератор.

При работе электротранспорта происходит рекуперация энергии электрического тока. Работу подобной системы можно рассмотреть на примере рекуперации воздуха при вентиляции помещения. При замене воздуха в помещении устройство выполняет передачу части тепла от удаляемого воздуха подаваемому потоку.

Наиболее экономичным при рекуперации является такой режим, при котором вся вырабатываемая электровозом энергия передается находящимся поблизости локомотивам, работающим в режиме тяги. Однако на дорогах постоянного тока всегда необходимо иметь резервные потребители, так как в отдельные периоды времени, потребляемые поездами токи, могут оказаться недостаточными. Тогда не удастся обеспечить выработку необходимого количества электрической энергии и не будет обеспечена необходимая тормозная сила. Для передачи удаленным электровозам энергии рекуперации на рекуперирующем локомотиве необходимо значительно увеличить напряжение. Это напряжение ограничено значением Umax = 4000 (В) с I = 1600 (A).

Если при этом не достигается необходимый ток рекуперации, приходится создавать приемники избыточной энергии рекуперации и располагать их достаточно близко к местам рекуперации, чтобы при напряжении на токоприемнике локомотива не превышающем 4000 В, можно было бы получить необходимый ток рекуперации. В качестве таких приемников избыточной энергии используются мощные поглощающие аппараты тяговой подстанции, в которых энергия рассеивается безвозвратно (в тепло). В статье предполагается равномерное распределение энергии рекуперации на параллельные накопители избыточной энергии на основе водородных ячеек, что обеспечивает повышение срока эксплуатации тяговой подстанции, и в дальнейшем эффективное использование данной энергии.

Сейчас топливный элемент на водороде напоминает традиционный гальванический элемент с одной лишь разницей: вещество для реакции не храниться в элементе, а постоянно поставляется извне. Просачиваясь через пористый анод, водород теряет электроны, которые уходят в электрическую цепь, а сквозь мембрану проходят катионы водорода. Далее на катоде кислород ловит протон и внешний электрон, в результате чего образуется вода.

Рисунок 1. Принцип работы водородного топливного элемента

Принцип работы устройства достаточно прост. Поступающий от возобновляемого источника электрический ток, подается на две электролизные камеры, где в результате процесса электролиза начинает накапливаться кислород/водород. Полученный кислород/водород, с помощью компрессора накачивается в газосберегающую камеру. Из газосберегающей камеры, кислород/водород подается на электрогенерирующие батареи, после чего, не принявший участие в реакции кислород/водород, а также полученная в результате реакции вода, поступает обратно в газосберегающую камеру. Полученный в результате химического объединения кислорода и водорода электрический ток поступает на трансформатор, далее на инвертор и блок управления турбиной/дренажным клапаном. С инвертора, электрический ток подается потребителю. Накопленная в газосберегающей камере вода, через дренажный механизм, поступает в накопительный бак и обратно в электролизные камеры.

С одной топливной ячейки снимается напряжение порядка 70 В, поэтому ячейки объединяют в массивные топливные элементы с приемлемым выходным напряжением и током, вид электролизной станции представлен на рис. 1. Теоретическое напряжение с водородного элемента может достигать 150 В, но часть энергии уходит в тепло. С точки зрения «зеленой» энергетики у водородных топливных элементов крайне высокий КПД — 60%. Для сравнения: КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 35-40%. Для солнечных электростанций коэффициент составляет всего 15-20%, но сильно зависит от погодных условий. КПД лучших крыльчатых ветряных электростанций доходит до 40%, что сравнимо с парогенераторами, но ветряки также требуют подходящих погодных условий и дорогого обслуживания.

Рисунок 2. Модель накопителя избыточной энергии на основе водородных ячеек

Модель представляет собой комплекс устройств, направленных на накопление рекуперативной энергии на аккумуляторный элементах 7, и созданием 99,9% чистого водорода в условиях тяговой подстанции или межподстанционных зон, при помощи электролизных установок 3 и систем хранения кислорода и водорода 4 и 5.

Водород элемент можно получить, например, с помощью двух платиновых электродов, погруженных в водный раствор гидроксида калия. Один электрод омывается водородом, другой – кислородом: (А)(-) Pt(H2)|KOH, насыщ. Н2 |КОН, насыщ. О2 |(О2)Pt (+) (К) В этом элементе окисление водорода и восстановление кислорода пространственно разделены, и ток генерируется в процессе реакций: (А) 2H2 ® 4H++ 4e (К) O2 + 2H2O + 4e ® 4OH- т.е. суммарный процесс сводится к окислению водорода кислородом: 2Н2 + О2 ® 2Н2О/

Основываясь на п4.1 «Водородная энергетика» энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года одними из ключевых факторов и глобальных тенденций научно-технического развития железнодорожного транспорта, является расширение применения эффективных энергоустановок, использующих водородное топливо.[5] Таким образом можно отметить, что использование двух разнонаправленных проектов – накопление рекуперативной энергии и использование водорода в качестве топлива будущего, является приоритетным направлением для включения в проекты, сферы которых связаны с ресурсосберегающей энергетикой.