Сергей Агеев
Электровелосипеды – наглядный пример рекуперации, при которой подзарядка происходит за счет торможения. Фото Reuters
В ноябре прошлого года правительство приняло транспортную стратегию РФ. В ней учтены все современные тренды: декарбонизация, использование зеленых технологий и переход на новые источники энергии. Например, в качестве эффективного способа борьбы с загрязнением воздуха городов выхлопными газами предлагается увеличить долю электротранспорта на дорогах страны – как личного, так и общественного. Идея замечательная, но все ли варианты ее реализации продуманы?
По мнению составителей документа, для перехода на электротранспорт потребуется значительно увеличить объем производимых энергоресурсов, чтобы можно было удовлетворить спрос отрасли. Хотя есть более очевидное решение – не наращивать выработку электроэнергии, а рачительно расходовать уже имеющуюся. Причем способ, как это можно сделать в транспортной отрасли, уже давно известен: использовать системы рекуперации энергии торможения. Почему это решение ускользнуло от разработчиков стратегии?
Как считает Михаил Астахов, доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Московского института стали и сплавов (МИСиС): «...даже несмотря на то, что в нашей стране уже есть решения, позволяющие собирать до 40% затрачиваемой на разгон электродвигателей энергии, промышленность инертна и не спешит использовать рекуперационные системы. Этому есть как минимум два объяснения. Во-первых, машиностроение, как и любая системообразующая отрасль, консервативна, и любые новации выходят в серию спустя годы бюрократических процедур и сертификаций. И во-вторых, несмотря на риторику политиков и руководителей крупнейших компаний относительно ESG-инициатив, на деле мало кто озабочен реальной экономией ресурсов: в стране существует избыточная мощность электроэнергии, а ее цены все еще позволяют смотреть на решения, помогающие экономить, как на факультатив».
Между тем Европа, на опыт которой постоянно ссылаются разработчики российской транспортной стратегии, довольно успешно применяет рекуперацию. В первую очередь на транспорте, который изначально электрический: метро, трамваи, электрички.
Европейский опыт
Про рекуперацию в EC вспомнили, когда появились более совершенные накопители, позволяющие эффективно собирать и использовать возвратную энергию. Так, в лондонском метро в 2015 году был запущен проект «Инвертор», целью которого стала проверка целесообразности применения современных систем рекуперативного торможения. Испытания проводились на подстанции Cloudesley Road в течение пяти недель и являлись частью программы модернизации всей системы метрополитена.
Полученные результаты продемонстрировали, что у последних разработок большой потенциал для использования в поездах метро. Всего за один день работы было высвобождено 1 МВт-ч электроэнергии, которая собиралась на подстанции и впоследствии могла быть использована повторно. Дополнительным преимуществом применения технологии стало уменьшение количества тепла, выделяемого при торможении поездов в тоннелях. А значит, стало возможным снизить объем потребления электроэнергии, необходимой для работы систем кондиционирования метрополитена.
Англичане народ практичный. Они быстро подсчитали возможный экономический эффект от внедрения технологии: он составил 6 млн фунтов стерлингов (9 млн долл.). С этого момента существующий парк еще 70-х годов стал меняться на новые поезда, которые имеют на борту системы рекуперации торможения. Технология внедряется постепенно, так как приходится практически полностью перестраивать инфраструктуру, чтобы сеть могла принять рекуперированную энергию. Но дело движется: уже сегодня новые поезда работают на линии «Элизабет», а с 2025 года аналогичные будут вводиться на линии «Пикадилли».
А что в России?
В отечественном метро тоже использовали рекуперацию за счет согласованного движения встречных поездов на станции: разгон отходящего поезда синхронизировался с торможением пребывающего, а энергия использовалась для межпоездного обмена. Только в современных условиях, когда расписание движения составов определяется пассажиропотоком, а не расчетами инженеров, такая система малоэффективна.
Сегодня в метро удается собрать лишь до 10% электроэнергии. Оставшаяся ее часть выбрасывается в атмосферу в виде тепла. Это создает немало проблем метрополитену с его отводом, на что также тратится электроэнергия. Но пока каких-либо действий, способных изменить эту ситуацию, не предпринимается. Это особенно удивительно в рамках предлагаемой стратегии: одна из ее идей – переориентировать россиян с использования личного транспорта в пользу общественного. Это значит, что транспортные сети, в частности метрополитена, будут активно развиваться и дальше и на них потребуется все больше электроэнергии. При условии, что только московское метро сегодня ежегодно потребляет до 1,6 млрд кВт-ч, вопрос экономии здесь более чем актуален.
Где можно сэкономить
Как уже было сказано выше, сегодня у нас есть решения, которые позволят эффективно использовать рекуперируемую энергию. Это можно сделать без особой перестройки инфраструктуры сетей, а значит, и без значительных временных и финансовых затрат, как в лондонском метрополитене. Подобные системы рекуперации не передают электроэнергию в сеть: при отсутствии постоянного потребителя это может привести к раскачиванию энергосистемы. Энергия здесь собирается в один из наиболее эффективных накопителей – суперконденсатор, который способен практически мгновенно принимать и отдавать большие токи.
Справедливости ради нужно сказать, что подобные устройства появились еще в 80–90-х годах прошлого века, но только в начале 2000-х годов были доработаны до уровня, необходимого для эффективного применения в промышленности и на транспорте. Более того, сегодня они уже прошли испытания «на натуре». Рекуперативная система на основе суперконденсаторов была установлена нами на трамвае, что позволило из него сделать некоторое подобие электростанции. Результат впечатлил: всего за один день трамвай произвел около 145 кВт-ч – это около 40% от того количества энергии, что он потребляет. Энергия используется на нужды самого транспортного средства. Например, старт трамвая или его доезд до рабочего участка в случае пропадания напряжения в контактной сети.
Если представить, что подобными системами будет оснащен весь рельсовый электротранспорт, включая железнодорожный и метро, в разрезе страны экономия электроэнергии выйдет колоссальная. Поэтому игнорировать подобные новые инструменты сохранения энергии в современных реалиях попросту неразумно. С этим согласен исполнительный директор АО «НПП «ЭПРО», кандидат технических наук Владимир Шаряков, предприятие которого участвовало в испытаниях: «С электротранспортом мы работаем с 1991 года, и у нас была хорошая возможность изучить очень многие нюансы его использования, понять, каким образом расходуется энергия и где есть потенциал ее экономии. Испытания, которые были проведены на трамвайном транспорте в Санкт-Петербурге, показали, что современные системы рекуперации на основе суперконденсаторов позволяют повысить энергоэффективность подвижного состава на 40%. И эта энергия, собранная методом рекуперации в суперконденсаторы, может быть использована на месте для разгона трамвая либо повышения его автономности на участках, где питание сети отсутствует. При этом можно избежать потерь, связанных с передачей энергии по сети».
Любопытно, но в Европе суперконденсаторы пока еще не очень распространены. В основном здесь продвигаются системы на основе Li-ion аккумуляторов, несмотря на то, что они менее эффективны и имеют ряд недостатков. Экспериментально проверено: в современные литий-ионные батареи можно рекуперировать только 3–5% энергии.
Помимо этого, АКБ способны воспринимать большие пиковые нагрузки по току: испытывая их, они быстро деградируют, что снижает экономический эффект от внедрения технологии. Однако это не мешает европейцам устанавливать подобные системы везде, где есть хоть небольшая возможность использовать рекуперацию,– на гибридных автомобилях, авто со старт-стопом, электрокарах и городских общественных электробусах.
Такое стремление к экономии похвально, и нам стоило бы перенять подобный опыт. Но тут есть один нюанс: свою задачу – снизить расход топлива, а соответственно и выброс выхлопных газов в атмосферу – все эти системы сегодня выполняют формально. Эффект есть, но он минимален. Для перехода к зеленым технологиям определенно нужны более совершенные системы. И суперконденсаторы в этом тоже могут помочь.
Этот момент стоило бы учесть при внедрении концепции развития электротранспорта в России, которая также была утверждена осенью прошлого года. Как и транспортная стратегия, она основана на опыте других стран, но не учитывает выявленные недостатки уже существующих технологий. Так, может, не стоит слепо копировать чужой опыт, а пора находить собственные решения, способные помочь сделать нашу транспортную отрасль более зеленой?
Константин Ремчуков 