Железные дороги являются наиболее энергоэффективным и наименее загрязняющим атмосферу видом транспорта. Новые локомотивы соответствуют стандартам выбросов 4-го уровня по данным Агентства по охране окружающей среды США (US EPA). Потребление топлива в современных локомотивах также сократилось, что снижает выбросы парниковых газов в атмосферу.
Пассажирский поезд Coradia iLint, который курсирует на севере Германии.
Железнодорожные компании и их акционеры стремятся к нулевому уровню количества выбросов в США и Канаде. Многие локомотивы, используемые в Северной Америке, в том числе локомотивы, используемые для коротких железнодорожных перевозок, используют устаревшие дизель-электрические двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Например, почти 72 процента локомотивного парка Канады находится на уровне EPA2 по уровню выбросов; 50 процентов локомотивов ниже уровня 1. Исторически сложилось так, что для сокращения выбросов от сжигания ископаемого топлива, используется полная электрификация. Воздушные провода и связанная с ними инфраструктура (линии электропередачи, подстанции и т. д.) чрезмерно дорогостоящие при установке и обслуживании.
Водород во всем мире
Технология гибридных двигателей водородных топливных элементов / аккумуляторов, проверена во всем мире как инновационная технология электрификации, которая полностью исключает выбросы в местах использования (железнодорожные станции, терминалы и т. д.), кроме чистой воды. Гидроусилитель работает бесшумно, отсутствуют шум и вибрации от дизель-электрических аналогов ICE. За последние 20 лет было продемонстрировано несколько испытательных и эксплуатируемых гидравлических систем. Они набирают популярность в качестве привлекательной и экономически выгодной технологии, особенно для маломощных и коротких перевозок в железнодорожной промышленности.
Водородные топливные элементы, используемые в гидросистеме, преобразуют химическую энергию в электрическую, комбинируя водород и кислород. Электричество, тепло и вода являются побочными продуктами. Эксплуатация существующих технологий гидропоезда гарантирует их использование в различных отраслях промышленности. В настоящее время он особенно привлекателен для использования в коммутационных и пассажирских поездах в железнодорожных отраслях Европы и Китая. Было доказано, что такие гидросистемы значительно сокращают выбросы и повышают эффективность в течение всего своего срока службы по сравнению с дизель-электрической системой, работающей на колесах .
Гидрель в эксплуатации
Несмотря на то, что в Европе приложения уже работали в течение некоторого времени, эксплуатация в Северной Америке отстала, несмотря на многочисленные доказательства концептуальных проектов. В 2018 году, после пяти лет реальных испытаний и доработки конструкции, пассажирский поезд Coradia iLint был введен в эксплуатацию в северной Германии во время Международной конференции 2019 года (IHC 2019). Презентация имела такой успех, что еще 60 поездов были заказаны для обслуживания пассажиров в течение следующих пяти лет. Alstom намерен продемонстрировать iLint в Северной Америке весной 2021 года, и Россия недавно запустила локомотивный маневровый / грузовой локомотив для грузовых перевозок.
Гидропоезд для рынков Северной Америки
Исследователи по всей Северной Америке разрабатывают аналогичную технологию гидравлических систем для рынков Северной Америки. В Университете Британской Колумбии в кампусе Оканаган, возглавляемом доктором Гордоном Лавгроувом, региональный пассажирский железнодорожный пассажирский железнодорожный транспорт (OVER PR) в Оканаган Валли проектируется в качестве регионального пассажирского поезда на водородном топливном элементе (гидропоезд), соединяющего малые общины, не более 300 км, на границе США и Камлупса. Предварительная выгода от снижения шума прогнозируются на уровне 12 миллионов долларов в год в этом небольшом регионе. При экстраполяции по всей Северной Америке можно ожидать прибыль в размере 24 млрд. долл. США в год, если гидроэнергетические системы будут использоваться для пассажирских и грузовых железнодорожных перевозок.
Простое дооснащение устаревших дизель-электрических локомотивов также возможно в качестве экономически эффективного способа переоборудования существующих пассажирских поездов. Кроме того, локомотивы железнодорожных станций в Северной Америке ухудшают качество воздуха и потенциально вредны для здоровья в окружающих общинах из-за высоких концентраций дизельных частиц и оксидов азота. На их долю приходится только три процента от общего числа тепловозов в североамериканском парке, что составляет более пяти процентов всех выбросов железнодорожным транспортом. Железнодорожная отрасль Северной Америки рассматривает Hydrail как наиболее успешный локомотив и доказательство правильности концепции выбранной BNSF Лос-Анджелес Metro в 2009-2010 годах. Несмотря на то, что этот локомотив получил основное преимущество из-за нулевых выбросов, он получил чрезвычайно положительные оценки от инженеров поездов из-за отсутствия шума, вибрации и выхлопа дизеля. Спустя десять лет технология гидропоездов нынешнего поколения преодолела свои первоначальные недостатки, так что теперь экономическая целесообразность стала более разумной.
Водородный гибридный локомотив-переключатель, испытанный на железнодорожном вокзале BNSF в районе метро Лос-Анджелеса.
Шум и вибрации
Городской / сельский грузовой железнодорожный интерфейс всегда вызывал обеспокоенность местных жителей. Люди, живущие рядом с железнодорожными путями, часто жалуются на шум, выбросы и вибрации от проходящих локомотивов. Отрасль традиционно создает дорогостоящую инфраструктуру защиты от шума и сокращает объем дизельных двигателей, что оказывает дополнительную экономическую нагрузку на железнодорожную отрасль. Снижение шума локомотива остается приоритетом сегодняшних исследований. Два самых больших источника шума от дизельных локомотивов - это выхлопные газы двигателя и вентиляторы охлаждения. Гидравлические локомотивы по своей сути убирают наиболее значительные источники шума от дизельных двигателей.
Повышенный уровень комфорта вследствие отсутствия выхлопов дизеля, шума двигателя и вибрации приведет к уменьшению хронических заболеваний и травм обслуживающего персонала, повысит производительность отрасли за счет сокращения больничных листов. При более низких уровнях шума риски потери слуха также будут снижены. По этим же причинам переход с локомотивов на гидропривод выгоден всем сотрудникам железнодорожных станций.
Железнодорожная отрасль часто ассоциируется как вредная для здоровья из-за загрязнения воздуха и шума, а также вибраций. Исследования Университета Ноттингема Трента утверждают, что высокоскоростные поезда могут вызывать более высокие уровни вибрации, чем поезда, движущиеся со скоростью 50 км / ч. Уровни вибрации отличаются при различной плотности почвы. Даже при низких скоростях поезда, бегущие по грунту с низкой плотностью (γ = 0,005), могут вызывать уровень вибрации до 140 дБ, что эквивалентно скорости вибрации 10 мм / с. Многие грузовые поезда работают ночью. Сильные ночные вибрации могут серьезно влиять на качество сна и состояние здоровья населения, проживающего вблизи трасс. Исследование, проведенное Гётеборгским университетом в Швеции, о влиянии вибраций поездов на здоровье человека, не обнаружило никаких нарушений сна при амплитуде вибраций менее 0,4 мм/с. Однако нарушения сна неуклонно возрастали с увеличением амплитуды вибраций, что приводило к затруднению засыпания и повышенной усталости в течение дня в экспериментальной группе. В дополнение к нарушению циклов сна, эксперимент также показал и зависимость частоты сердечных сокращений от увеличения амплитуды вибраций, что неблагоприятно для сердечно-сосудистой системы человека. Поезда Hydrail могут быть частью решения этих проблем, так как они работают на топливном элементе, который не создает шума и вибрации от выработки электроэнергии.
Резюме
Водородные топливные элементы в целом уже давно были предложены в качестве решения для достижения целей сокращения выбросов, направленных на улучшение качества воздуха при одновременном снижении выбросов парниковых газов для снижения воздействия на изменение климата. Недавние испытания гидравлических рельсов и проекты по эксплуатации успешно продемонстрировали, что эта технология работает при более низком энергопотреблении для региональных пассажирских поездов и локомотивов. Помимо отсутствия выбросов, улучшения качества воздуха и решения проблем изменения климата, автомобили с гидроусилителем не излучают ни ДВС-шума, ни вибраций, что является серьезной проблемой дизельных двигателей, особенно в городских районах. Hydrail также решает проблемы шума и вибраций, что приведет к улучшению работы железнодорожных работников и инфраструктуры вблизи железнодорожных станций и линий. Стремясь к более чистому энергетическому будущему, водородные топливные элементы дают нулевой уровень выбросов при снижении уровня шума и вибрации. Первый опытный образец Hydrail планируется продемонстрировать на Международной конференции по гидравлическим рельсам в Келоуне, 1-5 июня 2020 года.