«Зеленые» технологии: в Россию возвращается рекуперация энергии

Но чаще, когда говорят про рекуперацию, подразумевают энергию. Сегодня она нередко расходуется бездумно и в немалых количествах. В связи с чем даже появился новый термин — «энергетические отходы». Это энергия, которую вырабатывают электромашины при торможении или на холостом ходу, когда электродвигатель работает как генератор в момент снятия напряжения. Производимая им энергия сегодня, как правило, выбрасывается в атмосферу через тормозные резисторы или систему охлаждения. Но, как и в случае с физическими материалами, ее можно собрать и повторно использовать с помощью систем рекуперации энергии торможения.

Впервые оборудование рекуперативного торможения было опробовано еще в 1932 году на первом советском электровозе ВЛ19-01. Тяговые двигатели этой машины постоянного тока на спусках и при остановках работали как генераторы. Они уже не потребляли энергию, а вырабатывали электрический ток и через установленную систему напрямую отдавали его в сеть.

Но в такой системе обязательным условием является разгоняющийся локомотив, который примет эту энергию. В противном случае всплеск энергии просто выводит из строя ближайшую подстанцию, то есть без перестройки инфраструктуры электросетей и дорогостоящей модернизации тяговых подстанций, такое решение не работает.

К сожалению, уже в 1939 году с ВЛ19-01 сняли оборудование для рекуперативного торможения. Оно не показало достаточной эффективности на равнинных участках, где электровоз планировали использовать. В серию машина пошла уже с более простой электросхемой, реализованной на системе реостатного электрического торможения (в этом случае электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями в режиме генератора, поглощается на самом подвижном составе в тормозных резисторах).

Однако советская инженерная мысль на этом не остановилась. С появлением мощных силовых кремниевых тиристоров, которые понижают, выпрямляют и сглаживают подаваемое напряжение, рекуперационными системами стали оснащаться электровозы уже переменного тока — ВЛ80Р. На участках с перепадами высот экономия энергии была настолько заметной, что электровоз был запущен в серийное производство и честно прослужил до 1986 года.

Однако наибольший эффект был получен советскими конструкторами при внедрении рекуперационных систем в поездах московского метрополитена. Здесь инженерам удалось «приручить» до 50% вырабатываемой электродвигателями энергии. Чтобы максимально ее использовать, движение встречных поездов было синхронизировано таким образом, чтобы прибытие одного состава совпадал с отправлением другого. Таким образом, один поезд, притормаживая, отдавал электроэнергию, а другой, на соседнем пути, в этот же момент тратил ее на разгон.

Подобные рекуперационные системы до сих пор используются в метрополитене. Но сегодня их эффективность составляет лишь 10%. Принцип рекуперации уступил все увеличивающемуся пассажиропотоку: поддерживать согласованное движение поездов стало невозможным.

С появлением все большего количества рельсового электротранспорта и увеличением нагрузки на энергосистему стало понятно: отдавать энергию напрямую в сеть — не лучшее решение. Ее пики, так или иначе возникающие при возврате, приводят к выходу из строя сетевой инфраструктуры. Проблему решили с помощью мощных силовых резисторов, которые стали устанавливать на всем электротранспорте. Они отводили излишки энергии, выбрасывая их в атмосферу в виде тепла.

Скажем честно, не самая практичная идея: в этом случае огромное количество энергии просто бесполезно рассеивается. Кроме того, интенсивное выделение тепла с резисторов привело к ряду проблем — например, в метро пришлось модернизировать систему вентиляции, чтобы обеспечить достаточное охлаждение тоннелей и станций. Ничего хорошего не несут тормозные резисторы и в том случае, когда транспорт, электричка или, к примеру, трамвай, эксплуатируются «на свежем воздухе». При том количестве составов, что сегодня используются, образуются такие значительные выбросы тепла, что они оказывают негативное воздействие на климат.

Есть. Причем пришло оно из другой сферы применения рекуперации — как раз из тех электромобилей, которые мы упоминали в начале статьи. В них рекуперационная энергия используется не сразу, а сначала собирается в накопитель и отдается «по требованию». Выработанная при торможении энергия используется для подзарядки аккумуляторов, и впоследствии идет на запуск электродвигателя или дает возможность увеличить расстояние пробега.

Системе, работающей по такому принципу, легко бы нашлось применение и на рельсовом транспорте. Например, накопленную энергию можно направить на нужды самого транспортного средства. Однако до конца XX века существовал один нюанс: еще не были разработаны такие накопители, которые были бы способны мгновенно принять импульсные токи большой мощности. Как правило, в автомобилях применяются литий-ионные аккумуляторы, а они способны принимать не более 3-5% возвратной энергии. Это даже не мало. Это капля в море, которой явно будет недостаточно для обеспечения потребностей тяжелого электропоезда, оснащенного большим количеством энергопотребляющего оборудования.

Кроме того, Li-Ion батареи:

Такие особенности этого накопителя полностью исключили его применение в рельсовом транспорте на тот момент.

Глобальные изменения в системах рекуперации для рельсового транспорта стали возможны с появлением суперконденсаторов с на порядок большей удельной емкостью, чем у аккумуляторов. В отличие от батарей, они рассчитаны на более чем 1 млн циклов заряда-разряда и могут использоваться в широком температурном диапазоне эксплуатации — даже при критических минус 60 градусах. При накоплении заряда в суперконденсаторах не протекает никаких химических реакций. Они легко утилизируются, не несут вреда окружающей среды и людям.

Суперконденсаторы были разработаны в 80-х годах. К началу 2000-х эта технология стала доступна в России благодаря компании ТЭЭМП. Она не только вывела продукт на рынок, но и довела его «до ума». Новые суперконденсаторы получили пожаробезопасный электролит на основе пропиленкарбоната, став безопасными даже при нагреве или повреждении, и плоскую призматическую форму ячеек с токосъемом по всей поверхности, которая позволила отказаться от системы принудительного охлаждения.

Стоит отметить, что компания не только разработала суперконденсаторы принципиально новой конструкции, но и предложила для них ряд актуальных применений: системы запуска дизель-генераторных установок, грузовых транспортных средств и спецтехники, решения для гибридного транспорта. Есть у ТЭЭМП вариант использования накопителя и для рельсового транспорта. Это система Energy Recycler для метро, электричек и трамваев, которая уже показала высокую эффективность на испытаниях. Она позволила собрать порядка 40% от того количества энергии, что потребляет состав, которую в можно направить на нужды самого транспортного средства.

Аналогичные системы, пусть в небольшом количестве, есть и за рубежом. Например, в 2020 году подобный трамвай был создан в Китае. Он работает на трех комплектах суперконденсаторов мощностью 60 тыс. фарад, которые заряжаются буквально за 30 секунд во время посадки и выхода пассажиров. Полученного заряда хватает не только на повторный запуск электродвигателя, но и на 5 км по прямой дороге с максимальной скоростью 70 км в час.

Такие результаты делают не только целесообразным, но и экономически выгодным использование рекуперации, которая стала возможной благодаря уникальному свойству электродвигателя – становиться генератором в момент снятия напряжения. Хотелось бы надеяться, что «новая старая» технология будет активно внедряться, снижая наши расходы при использовании рельсового транспорта.

Материал подготовлен АО «Ротек»