Начавшийся в середине 2022 года энергетический кризис обещает быть долгим и по прогнозам может затянуться на десятилетия, требуя новых решений по старым рецептам. Проблема состоит в том, чтобы из известных нам старых рецептов экономии энергетических ресурсов, нужно выбрать оптимальные рецепты, которые имеют приемлемое соотношение между потерями и выгодами.

В данной статье, будет рассмотрена проблема экономии энергоресурсов для европейского рельсового транспорта и её возможное решение, которое может быть адаптировано для любой подобной инфраструктурной сети. В качестве рецепта по решению проблемы экономии энергоресурсов инфраструктуры рельсового транспорта, будет рассмотрено и предложено наиболее действенное средство экономии ресурсов, позволяющее стабилизировать ситуацию в самые короткие сроки, без значительных капиталовложений. И так, для начала рассмотрения вопроса, необходимо установить возможные источники экономии энергетических ресурсов для рельсового транспорта европейской сети дорог. Перечень источников потребления для экономии энергетических ресурсов по усреднённым показателям будет следующий (Таблица 1):

Таблица 1 — Перечень источников потребления энергии для рельсового транспорта Европы

Наименование энергетического ресурса

Процентное соотношение

1

Электрическая энергия

79%

2

Дизельное топливо

19%

3

Прочие виды энергии и топлива

2%

Источник: составлено автором на базе материалов https://rne.eu/downloads

Как можно увидеть из данного перечня Таблицы 1, основной энергией для сети европейского рельсового транспорта является электрическая энергия и дизельное топливо. Поиск рецепта по решению проблемы экономии энергоресурсов инфраструктуры рельсового транспорта следует проводить, основываясь на его универсальности в применении. Для этого, необходимо установить на какие процессы тратиться рельсовым транспортом указанные ресурсы.

Таблица 2 – Основные затраты энергии на процессы для рельсового транспорта Европы

Наименование процессов

Процентное соотношение

1

Работа рельсового транспорта

65%

2

Работа рельсовой инфраструктуры

27%

3

Работа дополнительной инфраструктуры

8%

Источник: составлено автором на базе материалов https://transport.ec.europa.eu/transport-themes_en

В результате, данные Таблицы 2 указывают на тот факт, что основным источником возможной экономии энергии, является сам рельсовый транспорт, а именно – процессы его работы. Сейчас необходимо определить перечень составляющих для затрат энергии, из которых образуется работа европейского рельсового транспорта.

Таблица 3 – Перечень составляющих затрат энергии для рельсового транспорта Европы

Наименование составляющих

Процентное соотношение

1

Режим тяги рельсового экипажа

83%

2

Режим выбега рельсового экипажа

0%

3

Режим торможения рельсового экипажа

2%

4

Системы управления рельсовым экипажем

5

5

Вспомогательные системы рельсового экипажа

10%

Источник: составлено автором на базе материалов https://transport.ec.europa.eu/transport-themes/digital-transport-and-logistics-forum-dtlf_en

Из указанного перечня Таблицы 3, наибольшие затраты энергии происходят в режиме тяги рельсового экипажа. Это заключение не является чем-то новым в данном вопросе, но оно необходимо для построения непрерывной логической цепи от стоимости к рецепту экономии энергетических ресурсов. Благодаря предыдущим данным, появляется основной объект применения рецепта экономии, а именно – режим тяги рельсового экипажа. Разберём из каких частей он состоит, учитывая тот факт, что дизельное топливо на рельсовом транспорте используется в конечном итоге для выработки электрической энергии:

Таблица 4 – Основные затраты энергии в режиме тяги для рельсового транспорта Европы

Наименование частей затрат энергии

Процентное соотношение

1

Затраты на преодоление земного притяжения

43%

2

Затраты на преодоление инерции движения

25%

3

Затраты на преодоления сопротивления воздуха

22%

4

Затраты на преодоление трения в экипаже

2%

5

Затраты на преодоление трения на рельсах

3%

6

Затраты на электрические потери в проводах

4%

7

Затраты на магнитные потери в двигателях

2%

8

Затраты на коммутационные потери в схемах

1%

Источник: составлено автором на базе материалов https://alstom.canto.global/allfiles?viewIndex=0

Проанализируем каждую из указанных частей затрат электроэнергии, указанных в Таблице 4, на предмет пригодности в качестве источника экономии энергетических ресурсов. И так, первым пунктом следуют затраты на преодоление земного притяжения. В этой части все приделы достигнуты и возможности модернизации исчерпаны на данном этапе развития технологий. Вторым пунктом следуют затраты на преодоление инерции движения, что так же для источника экономии энергии не подходит по той причине, что уменьшение момента инерции могут быт достигнуто только путём уменьшения общего габарита рельсового экипажа и массы его материалов. Очевидно, что габарит рельсового экипажа меньше уже быть не может, так как он уже ужат до минимума на европейских магистралях. С массой рельсового экипажа, потенциально работать возможно, однако только путём внедрения новых конструкционных материалов, так как сама конструкция уже близка к своему совершенству. А изменение материала приведёт к значительному удорожанию производства, что в нынешних экономических условиях вероятно не будет иметь окупаемости за период эксплуатации. Третий пункт затрат энергии на преодоления сопротивления воздуха, является самым перспективным в вопросах экономии энергии и на этом пункте необходимо остановиться отдельно. С пятого по восьмой пункт затраты энергии минимальны и конструктивное исполнение рельсового экипажа достигло совершенства, исчерпав свой потенциал экономии на данном этапе развития технологий. Детально рассмотрим затраты энергии рельсового экипажа на преодоления сопротивления воздуха. Для визуализации, рассмотрим анимацию процесса разгона рельсового экипажа, показанную на Рисунке 1.

Рисунок 1 – Анимация процесса разгона рельсового экипажа

Входными условиями для модуляции процесса движения рельсовой экипажа в воздушной среде, являются: форма средней обтекаемости головной части, пять моторных вагонов общей мощностью 10 000 кВт и массой по 100 т каждый (общая нагруженная масса составляет 500 т). Ветровые нагрузки в данной модуляции не учитываются, так как не относятся к системным закономерным факторам. Рельсовый экипаж из пяти вагонов, движется со скоростью до 350 км/ч. Контрольные точки измерений: начиная с 50 км/ч и заканчивая 350 км/ч.

Начинаем анализ процесса преодоления сопротивления воздуха с движения рельсового экипажа в режиме тяги при достижении им скорости в 50 км/ч, показанного на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 50 км/ч

Как видно из схемы воздушных потоков Рисунка 2, которые обтекают рельсовый экипаж на скорости в 50 км/ч, особого сопротивления воздуха не происходит, а значения давления не превышают 1,7 кПа. При дальнейшем увеличении скорости движения рельсового экипажа, формируются зоны повышенного давления в верхней части кабины машиниста, под первой тележкой, в пространстве между вагонами и в конце рельсового экипажа (за кабиной машиниста). Данные зоны повышенного давления действуют как демпфер, препятствуя разгону и движению рельсового экипажа. Природа возникновения зоны повышенного давления связана с завихрениями воздушных потоков и изучены в разделе физики (движение газов сквозь объектов различной формы). С повышением скорости рельсового экипажа, возникает следующее распределение воздушных потоков.

Рисунок 3 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 100 км/ч

Рассматривая схему воздушных потоков Рисунка 3, которые обтекают рельсовый экипаж на скорости в 100 км/ч, отмечаем нарастание сопротивление воздуха, а максимальное значения давления возрастает до 2,6 кПа. При дальнейшем увеличении скорости движения рельсового экипажа, зоны повышенного давления увеличиваются в верхней части кабины машиниста, расширяются под первой тележкой, в пространстве между вагонами и в конце рельсового экипажа избыточное давление выходит наружу передних частей вагона, за кабиной машиниста в хвостовой части поезда давление из-за завихрений нарастает. При дальнейшем повышении скорости рельсового экипажа возникает процесс усиления завихрений воздушных потоков.

Рисунок 4 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 150 км/ч

На данном этапе разгона, когда потоки воздуха обтекают рельсовый экипаж на скорости в 150 км/ч, стоит отметить стабилизацию направлений движения с незначительным ростом давления в зонах завихрений до 3,2 кПа (Рисунок 4). Однако при дальнейшем увеличении скорости движения рельсового экипажа, зоны повышенного давления сохраняют предыдущий характер движения воздушных потоков с возникающим расслоением.

Рисунок 5 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 200 км/ч

На данном этапе разгона рельсового экипажа на скорости в 200 км/ч, возникают в существующих зонах с давлением 2,6 кПа (Рисунок 5), новые зоны с предположительно внутренним размещением области высокого давления, где само давление в ядре завихрения может достигать до 4,0 кПа. Стоит отметить, что сформировавшиеся ядра завихрений отчётливо видно на схеме движения воздушного потока и при дальнейшем увеличении скорости, увеличение данных зон не происходит.

Рисунок 6 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 250 км/ч

Стабилизация сформированной схемы воздушного потока на скорости движения рельсового экипажа в 250 км/ч (Рисунок 6), вызвана определённым равновесием между силами вращения и силами перемещения самого потока. Эту модель можно сравнить с колесом и поверхностью, когда колесо крутится, а поверхность перемещается. Давление в ядре завихрения может достигать 4,2 кПа. При дальнейшем повышении скорости рельсового экипажа, возникает процесс разрыва вращающихся зон воздушного потока.

Рисунок 7 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 300 км/ч

В результате нарастания давления воздуха, на скорости рельсового экипажа в 300 км/ч, возникает новая модель воздушных потоков (Рисунок 7), которую создали разорвавшиеся зоны высокого давления. Из-за этого события, давление возрастает не значительно до 4,4 кПа, но во всей начальной области, фактически влияя на весь движущееся рельсовый экипаж. При дальнейшем увеличении скорости, зона высокого давления, которая была раньше ядром, расширяется на значительное расстояние от движущегося рельсового экипажа.

Рисунок 8 – Движения рельсового экипажа в режиме тяги на скорости в 350 км/ч

Стабилизация сформированной схемы воздушного потока не наблюдается даже на скорости движения рельсового экипажа в 350 км/ч, завихрения возникают на расстоянии по габариту рельсового экипажа и далеко позади хвостового вагона (Рисунок 8). Таким образом по всему рельсовому экипажу давление возрастает с пиковыми значениями в 4,6 кПа, которые наблюдаются в головной части и в пространстве между вагонами рельсового экипажа. Достигнута максимальная скорость для данного моделирования.

Анализируя весь процесс проведённого моделирования, отмечаем несколько зон сопротивления воздуха с различными характеристиками. Для дальнейшего анализа и интерпретации данных, полученные результаты соотносим в удобной графической форме.

Как видно из графика (Рисунок 9), имеется ряд зон сопротивления воздуха движению рельсового экипажа, которые зависят от скорости движения. И так, рассмотри детально каждую из зон. Зона голубого цвета «B» и зона зелёного цвета «G» характеризуются низким сопротивление воздуха движению рельсового экипажа и подходит под определение экономичного режима эксплуатации. Зона жёлтого цвета «Y» характеризуется изменением модели воздушных потоков с возникающими завихрениями и зонами высокого давления. Зона оранжевого цвета «O» и зона красного цвета «R» характеризуются сильными завихрениями воздушных потоков, которые противодействуют разгону и движению рельсового экипажа. Так же эти зоны характерны высокими показателями расхода энергии.

Рисунок 9 – Зоны сопротивления воздуха движению рельсового экипажа

Для подведения итогов, необходимо указать систематизировать цифры по зонам, для дальнейшего анализа результатов взятой модуляции процесса.

Исходя из полученной ранее информации, затраты на преодоления сопротивления воздуха могут составлять до 22% от общей мощности рельсового экипажа, то есть 2 200 кВт в наших условиях модуляции.

Пропорционально интегрировав дальнейшие соотношения, получаем перечень ориентировочных значений приведённых затрат электроэнергии относительно зон сопротивления воздуха движению рельсового экипажа, Конечной точкой уравнения, является скорость 350 км/ч, для которой затраты энергии рельсового экипажа на преодоление воздушного сопротивления будут равны 2 200 кВт. Полученные данные сохраняем в виде Таблицы 5.

Таблица 5 – Результаты анализа зон сопротивления воздуха

Шифр

Наименование зоны

Сопротивление воздуха

Затраты энергии

B

Голубая

5%

500 кВт

G

Зелёная

8%

800 кВт

Y

Жёлтая

15%

1500 кВт

O

Оранжевая

19%

1900 кВт

R

Красная

22%

2200 кВт

Источник: составлено автором на базе расчётов по предыдущим материалам

Для удобства дальнейшего анализа, данные Таблицы 5 выражаем в графическом виде, с основной привязкой затрат электроэнергии к зонам движения рельсового экипажа. Основной интерес в данном случае, состоит в определении фактической энергии сопротивления, которую передаёт воздушный поток движущемуся на него рельсовому экипажу. На Рисунке 10 отображены результаты модуляции интересующего процесса, на основании которых необходимо сделать выводы об зоне движения, которые являются обоснованными с точки зрения экономии энергии.

Рисунок 10 – Результаты модуляции энергии сопротивления воздуха

На основании полученных данных, делаем следующие выводы. Имеем два типа движения рельсового экипажа. Первый, это экономичный режим движения, в зонах «B» и «G», анимированная визуализация которого представлена на Рисунке 11.

Рисунок 11 – Движения рельсового экипажа в экономичном режиме

Этот предложенный режим движения является оптимальным с точки зрения потребления ресурсов и происходит на скоростях до 150 км/ч. Для его внедрения не требуется особых затрат и вложений, а реализуется данный режим обычным изменением графиков движений. Обратной стороной этого режима движения, является увеличение времени движения рельсового экипажа до конечной станции.

Теперь рассмотрим второй режим движения, это скоростной режим движения рельсового экипажа, в зонах «O», «Y» и «R», анимированная визуализация которого представлена на Рисунке 12. На данный момент реализуется это режим движения на большинстве европейских рельсовых магистралей. Он существенно экономит время и обеспечивает быстрое перемещение грузов и пассажиров до целой сети магистралей. Обратной стороной этого режима движения, является большое энергопотребление, которое обеспечивает движения рельсового экипажа на скоростях до 350 км/ч. Движение в зоне «Y» для данного случая, является переходным, так как с точки зрения физических процессов данная зона не является чётко выраженной, однако по характеру сопротивления воздуха движению рельсового экипажа она относится именно ко второй визуализации.

Рисунок 12 – Движения рельсового экипажа в скоростном режиме

Этот предложенный режим движения является экстремальным с точки зрения потребления ресурсов и происходит на скоростях до 350 км/ч.

Проанализировав данный материал, получаем рецепт экономии энергии для рельсовых европейских магистралей, где скорость движения в среднем находится в втором типе скоростного движения с зонами «O», «Y» и «R». Данный рецепт экономии прост и не требует особых капиталовложений, к тому же его можно применять прямо сейчас, всего лишь изменив скорость движения рельсового транспорта до первого типа экономичного режима движения, с скоростными зонами «B» и «G». Этот рецепт экономии ресурсов даст моментальный эффект, на уровне до 12% от потребления движущегося рельсового экипажа, что является огромной экономией, но увеличит время поездки до конечной станции. Потому в конечном итоге, выбор сделает потребитель в условиях, когда энергия дороже времени.

Дмитрий Ключников

Железнодорожные новости, которые Вы могли пропустить:

Продажа: Полувагон люковый

Узнавайте первыми самые свежие новости железнодорожной отрасли в Украине и мире на нашей странице в Facebook, канале в Telegram, читайте журнал Railway Supply онлайн.



Разместите рекламу на портале и в журнале Railway Supply. Подробная информация в Railway Supply media kit