Означают ли поезда с водородом и аккумуляторными батареями конец дизельной тяги?
Европейские операторы пассажирских перевозок переходят на альтернативные источники на основе батарей или водорода, исключая использование дизельных двигателей. Так дни дизеля сочтены? Или технология должна развиваться?
В прошлом месяце Siemens заключил первый контракт на аккумуляторные электрические блоки, и планирует заказывать такие блоки в дальнейшем, как альтернативу дизельной тяге.
БАДЕН-Вюртемберг является последним немецким регионом, присоединившимся к «революции» в области железнодорожной тяги, которая обещает преодолеть разрыв между повсеместным распространением дизельного топлива и электрической устойчивостью.
Государственное лизинговое предприятие Баден-Вюртемберг (SFBW) 17 марта подтвердило приобретение у компании Siemens 20 аккумуляторных мультиблоков (BEMU) Mireo Plus B.
Следуя за Рейн-Майном, Шлезвиг-Гольштейном, Средней Саксонией и Нижней Саксонией, Баден-Вюртемберг закупает в последние годы альтернативные пассажирские транспортные средства для замены дизельных поездов.
Действительно, рынок сокращается в связи с растущей экологической угрозой выбросов вредных веществ в атмосферу.
Конкурент Alstom продолжает активно работать в этой области, выиграв в 2019 году контракты в Германии на поставку восьми дизельных двигателей Coradia Lint для Восточно-Германской железнодорожной компании (Odeg), 18 единиц для SFBW и 41 для Transdev для эксплуатации в Баварии.
Производитель заявляет о заключении контракта на поставку 11 BEMU для Средней Саксонии в феврале.
Компания Alstom впервые разработала поезда на водородных топливных элементах с несколькими агрегатами Coradia iLint.
Два прототипа поездов находятся в эксплуатации в сети Эльба-Везер в Нижней Саксонии с сентября 2018 года, в то время как поставщик заключил свой первый крупный контракт в ноябре 2017 года, когда Транспортное управление Нижней Саксонии (LNVG) заказало 14 поездов, который поступят в 2021 году.
Затем в мае 2019 года была заключена сделка с дочерней компанией Рейнско-Майнского транспортного управления (RMV) - компанией Fahma - на 27 поездов, которые будут введены в эксплуатацию с 2022 года.
Поставщик активно тестирует концепцию, стимулируя интерес к этой технологии.
В частности, в 2019 году была организована поездка в Германию для заинтересованных сторон, а в прошлом месяце завершились испытания в Нидерландах.
«Операторы ищут варианты, чтобы больше не проводить тендеры на поставку дизельных поездов».
Г-жа Катрин Сигер, руководитель проекта по развитию бизнеса альтернативных систем привода для региональных поездов в Siemens.
Stadler, Hitachi и CAF также активно работают на рынке альтернативных тяговых механизмов, поскольку спрос на эти типы решений растет.
Вслед за Германией, Франция планирует начать внедрение гибридных поездов в конце этого года, так как планирует отказаться от дизельных двигателей к 2035 году.
Великобритания испытывает водородные и аккумуляторные решения; Норвегия изучает замену дизельных поездов на аккумуляторные; а Австрия в настоящее время испытывает Siemens Desiro ML BEMU в сфере обслуживания пассажиров.
Цели Европейского Союза по декарбонизации транспорта в рамках его «Зеленого соглашения» усиливают применение всех альтернативных возможностей.
Транспортная Белая книга ЕС 2011 года нацелена на 30% сокращение выбросов CO₂ к 2030 году, 50% к 2035 году и 90% к 2050 году.
Предпочтительным решением является электрификация и использование электроэнергии, получаемой из экологически чистых источников.
Однако континент далек от повсеместной электрификации: к концу 2017 г. электрифицировано было около 54% железнодорожной инфраструктуры в 27 странах ЕС плюс Великобритания.
Во многих странах существуют значительные программы электрификации, в частности, в Германии, которая к 2030 году нацелена на 70% по сравнению с 52% сегодня.
Однако прокладка проводов обходится дорого и в зависимости от источника электроэнергии не всегда является «зеленой».
Кроме того, экономия на предоставлении полного покрытия часто не оправдывается, особенно для линий с низкой плотностью населения.
Исполнение также оказалось в последние годы проблематичным, особенно в Великобритании, где дизель остается основной формой тяги на многих основных линиях.
Планы дальнейших проектов электрификации теперь, похоже, отошли на второй план, несмотря на то, что к 2040 году правительство планирует осуществление ЖД перевозок без дизельного топлива.
К другим европейским сетям со значительными неэлектрифицированными участками и потенциалом для альтернативной тяги относятся скандинавские страны, Бельгия, Нидерланды, Испания, Ирландия и Италия.
В Северной Америке дизельное топливо является основным.
Несмотря на некоторые альтернативные тяговые испытания, особенно с использованием СПГ и КПГ, грузовые железные дороги продолжают эксплуатировать дизельные поезда на длительных расстояниях.
Северо-восточный коридор электрифицирован, как и некоторые пригородные линии, но в большинстве городов США и Канады используется дизельная тяга.
Аналогичным образом, Австралия является страной дизельного топлива, как и Бразилия; большая часть российской сети использует дизельную тягу, как и сети в Азии, Латинской Америке и Африке.
Диверсификация
Г-н Юрген Блассманн, директор железнодорожной компании MTU Friedrichshafen, говорит, что перспектива полной электрификации и угроза тяговому бизнесу компании, никогда не была столь реальной.
Однако поставщики используют альтернативные системы тяговых приводов, в том числе гибридные блоки питания, в качестве средств диверсификации.
MTU Hybrid PowerPacks производство
Действительно, г-жа Катрин Сигер, руководитель проекта по развитию бизнеса альтернативных систем привода для региональных поездов в Siemens, говорит, что поставщик испытывает растущий интерес к альтернативным тяговым решениям по всему миру, включая операторов в Северной Америке и Австралии.
В Европе тендеры все чаще ограничивают определенный тип тяги, даже если это дороже.
«Операторы ищут варианты, чтобы больше не участвовать в тендерах на дизельные поезда», - говорит Сигер.
Поставщик может предложить различные тяговые решения для удовлетворения спроса, будь то гибридное решение с батарейками и традиционное электрическое тяговое усилие, где батареи имеют радиус действия 100-120 км, или водородные топливные элементы, которые могут работать до 600 -1000 км.
Улучшения способов хранения батареи уменьшили вес устройства, в то время как дальность работы увеличилась.
Технологии достаточно развиты для многих приложений, все зависит от модели, которую выбирает оператор.
Германия - первая страна, заключившая крупные контракты на аккумуляторные электропоезда.
Затраты, однако, остаются основным тормозящим фактором для многих. Контракт RMV на 27 Coradia iLints стоит примерно 500 миллионов евро, а Alstom - 360 миллионов евро.
Кроме того, многие из немецких альтернативных тяговых проектов получили поддержку в виде государственных субсидий.
Например, федеральная государственная инновационная программа по водородным технологиям и топливным элементам предоставила грант в размере 8,4 млн. евро для поддержки строительства водородной заправочной станции для проекта Coradia iLint в депо Elbe-Weser Transport Company (EVB) в Бремервёрде.
Хотя этот проект значительно дешевле, чем аналогичный проект электрификации, он намного дороже, чем использование дизельного топлива.
Альтернативная тяга
Текущий разрыв в стоимости альтернативной тяги является результатом отсутствия эффекта масштаба в цепочке поставок. По мере того, как технология становится все более распространенной, это исправиться само собой.
Если субсидии исчезнут, правительство может поддержать чистую тягу, приняв законодательство, ограничивающее эксплуатацию дизельных поездов в городских районах.
По крайней мере, можно ввести дополнительную плату в зависимости от выбросов вредных веществ в атмосферу.
С учетом того, что субсидии не распространяются на другие страны, спрос на дизельные железнодорожные транспортные средства будет оставаться стабильным, особенно за пределами Европы.
Общее мнение заключается в том, что рынок останется стабильным в ближайшее время, при этом альтернативная тяга в настоящее время составляет менее 2% всех заказов.
За последние три года было размещено семь таких заказов, причем все из Германии.
Рынок будет оставаться относительно стабильным в течение следующих 30 лет, учитывая текущее внедрение проектов электрификации. Кроме того, сама дизельная технология становится намного чище.
С 1 января 2021 г. вступят в силу новые стандарты ЕС по выбросам V ступени, которые распространяются на все новые двигатели и предлагают значительно улучшенные эксплуатационные характеристики по сравнению с предыдущими стандартами.
Двигатели пятой ступени ограничивают выбросы твердых частиц до 0,015 г/кВтч, что на 40% меньше по сравнению с предыдущей ступенью IV - 0,025 г/кВтч.
В некоторых сильно загрязненных районах воздух, выбрасываемый двигателем пятой ступени, чище, чем окружающая атмосфера.
Гибридные силовые агрегаты сокращают расход топлива и, следовательно, выбросы CO₂ на 25%.
Это европейские стандарты, но страны, где нет таких нормативных актов, уже запрашивают двигатели, отвечающие последним требованиям.
Компания Voith предлагает двигатели только европейского стандарта Stage IIIB или Stage V, все из которых оснащены технологией избирательной каталитической нейтрализации (SCR).
Растет осведомленность общественности об уровнях выбросов, поэтому приобретаются лучшие из доступных на рынке дизельных решений.
Voith разработал свой двигатель Stage V в партнерстве с Liebherr. Поставщик заключил пятилетний контракт с Alstom на поставку блока питания, совместимого с RailPack 400DM Stage V, для DMU Coradia Lint.
По сообщению компании Tekale, Voith ожидает, что испытания на выносливость начнутся во второй половине этого года, прежде чем коммерческая доступность в 2021 году.
Другие инновации также улучшают эффективность дизельных двигателей.
Например, трансмиссионная система EcoWorld от ZF, которая передает реверсивный блок, непосредственно на переключающую трансмиссию, может предложить режим отсоединяющий двигатель от системы тяги, помогающий снизить расход топлива до 5%. Это также облегчает переход гибридной системы MTU с двигателя на аккумулятор.
Система передачи ZW EcoWorld
Г-н Маркус Гросс, директор ZF по системам привода рельсов, говорит, что он видит значительный потенциал для этой технологии наряду со стабильным спросом на дизельные продукты в течение следующих 10-15 лет.
Однако, поставщики не отдают предпочтение одной области перед другой.
EcoWorld, новейшая 6-ступенчатая трансмиссионная платформа, подходит для обычного дизельного топлива - ZF является поставщиком DMU Coradia Lint - и гибридных приложений.
Существуют значительные возможности по перезагрузке дизельных двигателей для повышения их эффективности.
«Мы провели испытание в Великобритании с Porterbrook (Юго-Западная железная дорога), где заменили гидродинамическую коробку передач гидромеханической коробкой передач, и сэкономили более 20% топлива», - говорит Гросс.
Если существует большое количество дизельных парков, работающих по всему миру, то есть огромный потенциал для переоснащения».
Voith также активно работает в области гибридных технологий, предлагая дизель-электрические генераторные установки и сложные системы рекуперации энергии торможения.
Тем не менее, желание основных производителей оборудования разрабатывать водород и BEMU является плохой новостью для субпоставщиков силовых установок, поскольку тенденция состоит в дальнейшей разработке аккумуляторов и водорода.
«Чем больше электрифицированных автомобилей становится, тем больше они будут получать от OEM-поставщиков», - говорит Текале.
Voith и MTU уделяют пристальное внимание разработке альтернативы дизельному топливу, которое потенциально продлит срок службы двигателя внутреннего сгорания, а также будут использовать существующую инфраструктуру.
Биотопливо, где натуральные продукты, такие как этанол, смешивают с дизельным топливом, чтобы снизить потребление дизельного топлива и загрязнение воздуха, существует уже несколько десятилетий.
Однако проблемы с накоплением нагара на двигателях из-за более высокой температуры сгорания топлива, а также устойчивости этих видов топлива, особенно использования пальмового масла в некоторых районах, ограничивают масштабы их использования.
Но, эти решения слишком долго упускались из виду, и начавшаяся работа по созданию альтернативного топлива обещает углеродную нейтральность.
Ineratec - одна из таких компаний, основанная в 2016 году как отделение от Технологического института Карлсруэ (KIT).
Технология Ineratec объединяет водород и CO₂ посредством процесса, называемого Power-to-Liquid, для производства заменителя топлива для бензина, керосина или жидкого масла.
Топливо производится по принципу Power-to-X (или Power-to-liquid), согласно которому избыточная энергия, получаемая из возобновляемых источников, используется для питания электролизера для выработки водорода, который комбинируется с CO₂ из биомассы, окружающего воздуха или промышленных отходов газа с помощью химического процесса под названием Фишер-Тропш.
Конечным продуктом является прозрачная жидкость, которая горит, высвобождая CO₂, что делает производство и использование топлива полностью нейтральным с точки зрения углерода, при этом CO₂ не выделяется в атмосферу.
Производимая фракция дизельного топлива соответствует стандарту синтетического или парафинового дизеля EN15940, который был принят в 2016 году, и предусматривает, что такое топливо является приемлемым для всех существующих дизельных двигателей.
Оно выглядит как вода, потому что его производят только из водорода и CO.
Там нет ядов, таких как сера или хлор, и уже существуют эквивалентные виды топлива, такие как синтетический компонент Shell Vpower, высокоэффективное топливо, которое представляет собой смесь существующего ископаемого топлива и синтетического топлива.
Можно не заменять это топливо сразу полностью. Если начать с 5 или 10%, то сокращения выбросов сразу же снизится на 5 или 10%.
Преимущество системы Ineratec в том, что она является модульной.
Единая система обработки, использующая, например, 1 МВт электроэнергии, поступающей в электролизер, может производить 350 тонн топлива в год из одного 40-футового транспортировочного контейнера.
Таким образом, заказчики могут легко расширить производство в зависимости от своих потребностей на определенном участке путем добавления дополнительных контейнеров. Более крупные модули также находятся в стадии разработки.
Экономически конкурентоспособный.
В связи с резким падением цен на нефть в начале 2020 года синтетическое дизельное топливо столкнулось с проблемой конкурентоспособности затрат.
Определяющим фактором является не стоимость нефти, а цена электроэнергии, при этом ее использование на таких дешевых рынках электроэнергии, как Норвегия, Чили, Ближний Восток и юг Испании, предпочтительнее, чем на таком высокоэнергетическом рынке, как Германия.
Однако в последние годы разработчики добились значительного прогресса в снижении стоимости этого процесса.
Начиная примерно с 10 евро за литр, когда Tekale впервые была представлена в Техническом университете Карлсруэ около десяти лет назад, стоимость сейчас эквивалентна примерно 2 евро за литр.
Если цена снизится до 1,50 евро за литр, тогда автомобилисты, возможно, захотят потратить немного больше денег на топливо, но в результате получить низкий объем выбросов CO₂.
После завершения нескольких демонстрационных проектов, чтобы доказать жизнеспособность концепции, Ineratec достигла стадии демонстрации в промышленном масштабе.
Эти виды топлива не только могут производиться с определенным уровнем затрат, но и могут конкурировать с ископаемым топливом.
ЖД транспорт ни в коем случае не является единственным сектором, который мог бы извлечь выгоду из такой установки.
При ограниченных масштабах это касается авиационного, дорожного и химического производства, чтобы изменить ситуацию к лучшему.
В ближайшие годы это действительно важно не только для бизнес-модели, но и для всей проблемы климата.
Так что на рынке дизельной тяги жизнь продолжается.