Накопители энергии на электротранспорте. Современные подходы к рекуперации энергии

1. Подпитка соседних поездов за счёт энергии рекуперативного торможения состава

Эта идея закладывалась в самые ранние труды о рекуперации. Проще всего данный подход описать на классическом примере: поезд А тормозит, а поезд Б – начинает движение. В теории, энергию торможения поезда А можно отдать поезду Б через тяговую сеть, тем самым облегчая его пуск (который, как известно, является наиболее тяжёлым режимом). Тем самым мы достаточно просто решаем две задачи: облегчаем режимы работы преобразовательных агрегатов подстанции, уменьшая их пиковую мощность, и экономим электроэнергию.

В теории это достаточно простой способ, который не требует сложных технических решений для обеспечения своей работы. Однако на практике требования, предъявляемые к графику движения поездов оказываются практически невыполнимыми. Дело в том, что поезда А и Б должны быть скоординированы так, чтобы второй поезд пускался (или находился в режиме тяги) одновременно с тем, как первый начинал бы своё торможение. В противном случае рекуперированную энергию будет просто некому принять, и её снова придётся «сжигать» на резисторах. Разница будет лишь в том, что резисторы придётся установить уже в тяговой сети.

Как показала практика эксплуатации железных дорог и метрополитенов России и других стран, поездов, способных принять энергию рекуперации, поблизости с тормозящим составом, как правило, не оказывается. По данным исследований Новосибирского Государственного Технического Университета, проведённых на полигоне новосибирского метрополитена, в наиболее плотные режимы движения поездов вероятность подпитки соседнего поезда составляет всего около 35%.

2. Возвращение энергии, полученной при рекуперации, обратно во внешнюю энергосеть

Если при первом подходе найти приёмник для электроэнергии не всегда представлялось возможным, то в данном случае он есть всегда – внешняя энергосеть, от которой питаются тяговые подстанции. По сути, выработанная энергия перепродаётся другим потребителям, обеспечивая дополнительный доход предприятию за счёт уже купленной у энергокомпании электроэнергии. Логично предположить, что предприятие будет иметь несколько другой статус, когда начнёт являться поставщиком электроэнергии, а значит будет обязано поддерживать определённое ГОСТ качество выдаваемой электроэнергии. Компания ОАО «РЖД» имеет такой опыт по исторически сложившимся причинам, но для метрополитена Москвы это может стать новой задачей.

В отличии от первого подхода, требовавшего изменений в основном в конструкции локомотивов, в данном случае необходимо усложнение оборудования и на тяговых подстанциях. Так-как полезная энергия рекуперации вырабатывается в том же режиме, в котором была потреблена, для обратной подпитки сети её необходимо преобразовать. На системах тяги постоянного тока это означает замену выпрямительных агрегатов более дорогостоящими выпрямительно-инверторными. Однако этим вопрос организации отдачи в сеть не ограничивается. Для её грамотной реализации необходимо согласовать этот процесс с внешней сетью, что тоже может вызвать некоторые затруднения.

3. Сохранение энергии рекуперации в аккумуляторах для её последующего использования

С развитием технологической базы в области промышленных накопителей энергии разнообразных видов, конструкций и характеристик, стала очевидна возможность их эффективного применения во многих технических сферах, в том числе и в системах тягового электроснабжения. В вопросе рекуперации накопители применяются в качестве приёмника выработанной энергии, что позволяет развить имевшиеся ранее подходы и предложить принципиально новое решение.

3.1 Подпитка поездов стационарными накопителями энергии, установленными в тяговой сети

Развивая идею подпитки пускающихся локомотивов энергией рекуперации через тяговую сеть, мы сталкиваемся с проблемой труднореализуемой регулировки движения поездов, отвечающей требованиям её выполнения. Однако, если бы мы могли запасти энергию торможения и отдать её при необходимости ближайшему составу, когда бы он ни перешёл в режим тяги, это позволило бы обойти данные ограничения. Установка аккумуляторов в тяговую сеть позволяет достичь этого эффекта без изменения графиков движения поездов.

Помимо ожидаемого сокращения потребления электрической энергии на тягу при установке накопителей энергии на территории тяговых подстанций может быть получен и сопутствующий эффект: выравнивание графика электрической нагрузки тяговых подстанций, стабилизации напряжения в месте подключения накопителей, а также в снижении уровня потерь в преобразовательных трансформаторах (тяговой сети). Однако, это справедливо только для использования накопителей непосредственно на тяговых трансформаторных подстанциях. Размещение их в различных пунктах соединений (например, пунктах параллельных соединений на железных дорогах) не оказывает никакого положительного эффекта на тяговую сеть.

С основной своей задачей - обеспечением эффективного использования энергии рекуперации, в большинстве случаев они справляются хуже, чем бортовые аналоги.

В отличии от бортовых накопителей, стационарные накопители устанавливаются в условиях менее ограниченных площадей, однако требования к удельной электроёмкости также довольно высоки. Наиболее существенны требования к цикличности накопительных установок. При наличии соответствующих площадей, эффективно использовать накопители кинетической энергии, у них наиболее реальные шансы окупиться. Также обосновано использование гибридных систем суперконденсаторов в сочетании с электрохимическими накопителями литий-ионных (литий-титанатовых) и проточных систем.

3.2 Использование стационарных накопителей в качестве буферного устройства, предназначенного для облегчения отдачи рекуперированной энергии в энергосеть

Это менее популярное решение нашло место в метрополитене Филадельфии. Энергия рекуперации в нём запасается в отдельно размещённой накопительной станции, которая отдаёт энергию в общую сеть только для облегчения работы системы во время пиков нагрузки. Таким образом достигается как экономия для предприятия (за счёт денег с продажи отданной в сеть электроэнергии), так и более благоприятные условия работы всей энергосистемы, за которыми следуют экономия топлива и ресурса агрегатов электростанций. 

3.3. Подпитка поездов бортовыми накопителями энергии, установленными непосредственно в подвижном составе

Это принципиально новая идея, недостижимая без использования современных накопителей энергии. Её суть заключается в использовании энергии, рекуперированной составом, непосредственно для облегчения следующего пуска этого же состава. Преимущество над другими способами реализации использования энергии рекуперации, заключается в уменьшении суммарных потерь, возникающих при передаче энергии по тяговой сети до приёмника. В данном случае приёмник (аккумуляторная батарея) находится в непосредственной близости от тягового двигателя, на борту подвижного состава. Современное развитие накопителей энергии значительно увеличило их энергоёмкость и упростило их размещение и обслуживание, что и сделало возможным установку их в более трудных условиях без значительных препятствий и угрозы транспортной безопасности.

В целом, применение мощных накопителей энергии на ЭПС позволит наиболее эффективно использовать электрическую энергию рекуперативного торможения для облегчения пусков каждого конкретного состава вне зависимости от соседних поездов на линии. Их использование позволяет увеличить пропускную способность линии и облегчить режимы работы выпрямителей, чего не получается достичь при помощи стационарных аналогов.

При их установке на ЭПС важны высокая удельная ёмкость и способность выдавать большую мощность (то есть высокие токи заряда/разряда). Наилучшим вариантом будут комплексные, необслуживаемые батареи с высоким сроком эксплуатации и большим ресурсом. Оптимальным представляется использование суперконденсаторных батарей, никель-металлогидридных, натрий-серных, литий-титанатовых или проточных систем, а также комбинированных систем с использованием суперконденсаторов.