Энергетическое будущее железнодорожного транспорта

В этой статье мы хотим обратить внимание на возможные технологические изменения энергетического хозяйства транспортной системы, в частности, железнодорожного транспорта, начиная с изменения архитектуры энергетического комплекса и вплоть до «последней мили», включая распределительные сети, распределенную генерацию и конечных потребителей.

Энергетический переход задает направления изменения архитектуры энергетического комплекса, включая масштабное использование возобновляемой энергетики, развитие распределенной энергетики и просьюмеров, повсеместное применение в электроэнергетике цифровых управляемых устройств, обеспечивающих возможность реализации интеллектуального управления энергосистемами, основанного на межмашинном взаимодействии (M2M, IoT). Эти изменения окажут определяющее влияние не только на долгосрочное развитие электроэнергетики, но и на взаимосвязанные с ней отрасли, включая железнодорожный транспорт.

Основными комплексными решениями и практиками, связанными с переходом на новую архитектуру энергетики и освоением новых технологий, на горизонте до 2050 года являются:

Футуристический проект реконструкции железнодорожного терминала в Западном Коулуне в Гонг-Конге

Использование микрогридов для обеспечения собственного потребления станционных объектов позволит гибко реагировать на изменяющуюся конъюнктуру энергетического рынка и использовать открывающиеся на этом рынке возможности повышения экономической эффективности энергоснабжения. Под микрогридом мы понимаем локальную энергосистему или систему электроснабжения, представляющую собой технологический комплекс в составе объектов генерации (источников энергии), источников энергетической гибкости и потребителей электроэнергии, которые собраны под единым управлением в целях обеспечения эффективного и удобного для потребителя энергоснабжения. В первую очередь, технологии промышленных микрогридов целесообразно использовать в крупных центрах потребления электроэнергии и мощности, характеризующихся неравномерной нагрузкой, для снижения расходов на их электроснабжение. По оценкам Инфраструктурного центра “Энерджинет”, такие технологии могут обеспечить снижение расходов коммерческих и промышленных потребителей на электроснабжение в диапазоне от 5% до 25% и даже более по сравнению с потреблением энергии только из централизованной энергосистемы.

Архитектура энергоснабжения железных дорог Китая от фотоэлектрических панелей

Технологии цифровых сетей включают комплекс решений, обеспечивающих эффективную и надёжную работу распределительной сети, открытой и адаптивной к новым объектам и участникам рынка. Среди технологий умных цифровых сетей можно назвать цифровые устройства релейной защиты и автоматики, цифровые измерители тока и напряжения, устройства синхронизированных измерений, интеллектуальные комплектные распределительные устройства, автоматические системы управления напряжением и реактивной мощностью и многие другие. Использование технологий умных цифровых сетей, интегрирующих распределенные источники энергии и гибкости, позволит железнодорожным компаниям создать систему распределенного управления собственными сетями, электрификацией тяги и энергоснабжением объектов пути. Использование этих технологий позволит снять ограничения на число пар проходящих поездов на ряде участков железнодорожного сообщения, снизить потери в контактной сети и расходы на электроэнергию, а также снизить инвестиции в новые тяговые подстанции.

Управление спросом — это механизм изменения потребления электроэнергии конечными потребителями относительно их нормального профиля нагрузки в ответ на ценовые сигналы или прямые команды. Такими сигналами могут быть изменение цен на электроэнергию во времени или стимулирующие выплаты, предусмотренные для того, чтобы снизить потребление в периоды высоких цен на электроэнергию на оптовом рынке, обеспечить динамическое регулирование генерации на базе ВИЭ или в моменты, когда системная надежность под угрозой. Использование технологий управления спросом на транспортных узлах, в первую очередь, для маневровой работы с возможностью ограничивать или переносить по времени потребление электроэнергии и мощности, позволит снизить затраты на электроэнергию и мощность, а также снизить затраты на рост надежности электроснабжения.

Проект локомотива на базе системы накопления электроэнергии

Международным энергетическим агентством (МЭА) прогнозируется, что технологии водородной энергетики, использующие водород в качестве топлива, получат массовое распространение на частном и общественном транспорте, а также в распределенном энергоснабжении частных домохозяйств и коммерческой недвижимости [1]. Использование технологий водородной энергетики позволит обеспечить развитие грузовых и пассажирских перевозок на водородном топливе (гибриды с дизелем, поезда на водородных топливных элементах) для участков железных дорог без электрификации в целях обеспечения декарбонизации железнодорожного транспорта и снижения шума.

Устройство поезда Coradia iLint на водородных топливных элементах

Стремительное развитие рынка систем накопления энергии обусловлено распространением вариабельных возобновляемых источников энергии (ветер, солнце), эволюцией и падением стоимости технологий и оборудования, в частности литий-ионных батарей. Использование накопителей энергии не только на тяговых подстанциях, но и на маневровых локомотивах позволит выравнивать нагрузку на дизельные двигатели и увеличивать их межремонтный ресурс в несколько раз, при применении на электровозах — снять ограничения для числа пар проходящих поездов на некоторых участках пути. Распространение практики использования накопителей энергии позволит железнодорожным компаниям повысить эффективность управления собственной гибкостью, качеством и надежностью электроснабжения.

Генерация на основе ветровой и солнечной энергии уже сейчас является самым дешевым способом генерации в более чем двух третях мира. По прогнозам Bloomberg к 2030 году стоимость электроэнергии от ВИЭ будет существенно ниже традиционных технологий практически по всем странам мира, а платежеспособный спрос на экологичную, надежную и доступную энергетику будет в разы превышать спрос на традиционные энергоисточники [2]. Использование генерации на основе ВИЭ позволит компаниям снизить затраты на электроэнергию и получить дополнительный источник энергетической гибкости.

Перечисленные комплексные решения и практики будут актуальны и для российских железных дорог. Если взять за точку отсчета действующую энергетическую стратегия РЖД, разработанную в 2011 году, то она ориентирована на использование технологических решений, которые позволят повысить энергетическую эффективность во всех сферах деятельности, включая тягу поездов, инфраструктуру, ремонт и производство; мониторинг потребления топливно-энергетических ресурсов и оптимизацию энергозатрат; создание мощностей собственной генерации и использование накопителей; внедрение технологий рекуперации энергии [3]. Имеющееся представление может и должно быть существенно дополнено перечисленными выше комплексными решениями и практиками, которые помимо технологического контекста ориентированы еще и на достижение экономических эффектов.

Железнодорожный ретро-футуризм в представлении современного художника Алехандро Бурдисио

Однако, можно взглянуть на предложенный выше перечень новых технологических и бизнес-практик с другой точки зрения — с позиции их влияния на стратегические цели транспортных компаний.

Образ энергетической трансформации транспортной системы складывается не только из множества возникающих энергетических технологий, но и в результате системно-инженерного ответа на перспективные инфраструктурные требования, задаваемые стратегическим видением развития транспортной системы.

Например, стратегическое видение бизнеса может быть использовано для задания новых контекстов и требований к его энергетической структуре. Так, стратегия цифровой трансформации РЖД, утвержденная в конце 2019 года, задает восемь цифровых платформ, каждая из которых становится базовым элементом ИТ-инфраструктуры для ключевых сфер деятельности компании: мультимодальных пассажирских перевозок, мультимодальных грузовых перевозок, транспортно-логистических узлов, оператора линейной инфраструктуры, логистического оператора электронной коммерции, управления перевозочным процессом, тягового подвижного состава, а также платформы непроизводственных процессов [4]. Поэтому при управлении всем жизненным циклом железнодорожной инфраструктуры становится важным поддерживать управляемость и гибкость энергетической инфраструктуры, а также обеспечить переход от учетных систем энергомониторинга к интеллектуальному управлению, которое позволит повысить скорость реализации основных бизнес-процессов и снизить их зависимость от человеческого фактора. Это становится новым вызовом для энергетической стратегии РЖД и направлением для технологического поиска.

Другое стратегическое видение транспортной системы может быть связано с ролью железнодорожного сообщения в качестве критической общественной инфраструктуры страны, в результате чего железнодорожный транспорт оказывается стратегически значимым для государства инструментом обеспечения мобильности населения и стимулирует экономическое развитие городских агломераций и целых регионов страны. Это задает требования к реализации социально-экономической роли в долгосрочной перспективе, которые могут быть рассмотрены в контексте создания мульти-инфраструктурных сред, которые будут интегрировать в средовой системе мультимодальный транспорт (железные дороги, автомобильный транспорт, водный и воздушный), энергетику, телекоммуникации, транспортировку воды, утилизацию отходов. Мульти-инфраструктурные среды, управляемые кибер-социальными технологиями, получили в Японии название «умных городов» (smart city), а в Корее — «вездесущих городов» (ubiquitous city). Подобные системы будут стабилизировать повседневную городскую жизнь и вводить в действие вспомогательные услуги, повышающие своим наличием ценность основной услуги. Технологии мульти-инфраструктурных сред основаны на самоорганизующихся интеллектуальных системах управления, способных обучаться на основе опыта во взаимодействии с человеком.

Мультимодальный транспорт в “умном” городе в представлении Deutsche Bahn и PwC

Еще один вариант стратегического видения может быть заимствован из европейского представления о железнодорожном транспорте как одном из драйверов декарбонизации транспортной системы, конкурирующем с электрическим транспортом. Так, в своем интервью президент французской национальной железнодорожной компании SNCF Жан-Пьер Фаранду: «Мое видение заключается в том, что к 2030 году поезда с водородной тягой заменят всю дизельную тягу на неэлектрифицированных участках сети. Я хочу, чтобы SNCF была пионером и возглавляла движение по внедрению водородной тяги. Мы введем первые прототипы в эксплуатацию в 2023 году. Сейчас мы совместно с Alstom разрабатываем гибридные поезда, которые поступят в четыре региона страны в 2021 году. Они используют дизельную тягу на маршруте, а в городской черте переходят на электрическую тягу» [5].

Образ мультимодальных транспортно-логистических систем в 2050 году

В результате декарбонизации транспорт с использованием водородных топливных элементов будет конкурировать с батарейным (аккумуляторным) электрическим транспортом. В зависимости от типа транспортных средств эта конкуренция будет складываться в пользу одного или другого решения. Так, например, транспорт с водородными топливными элементами, включая железнодорожный, за счет водородного топлива, служащего накопителем энергии для энергосистемы, своим распространением не создает проблем для энергетики по сравнению с распространением заряжаемого электротранспорта, который не просто повышает спрос на мощность, но и приводит к значительному разуплотнению профиля потребления, а значит — к снижению эффективности использования и росту стоимости мощности. Кроме того, электротранспорт целесообразно использовать для поездок на небольшие расстояния, а нишу для дальних перемещений в долгосрочной перспективе займет водородный транспорт. Поэтому в такой перспективе для железнодорожного транспорта становится целесообразным переход на использование водорода для обеспечения тяги поездов в локомотивной и мотор-вагонной схемах, а также развитие инфраструктуры водородной энергетики для собственных нужд.

Конечно, во многом эти стратегические видения не новы и коррелируют с развиваемыми во всем мире энергетическими технологиями. Однако, важным представляется взаимосвязь образа энергетической трансформации железнодорожного транспорта с его стратегическим позиционированием, которая поможет каждой железнодорожной компании расставить приоритеты среди всех возможных направлений изменения технологического устройства энергетического хозяйства. Более того, оценка потенциала и порядок внедрения новых энергетических технологий становится не просто перебором или ожиданием «чужих ошибок», но программированием действий по развитию необходимых компетенций системного инжиниринга комплексных решений, по реализации комплексных пилотных проектов, демонстрирующих необходимые эффекты, и по снятию регуляторных барьеров для их масштабного применения.

Подготовлено IC ENERGYNET / Авторы: Кирилл Ермолаев, Игорь Чаусов

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.