Енергетична криза, що розпочалася в середині 2022 року, обіцяє бути довгою і за прогнозами може затягнутися на десятиліття, вимагаючи нових рішень за старими рецептами. Проблема полягає в тому, щоб з відомих нам старих рецептів економії енергетичних ресурсів, потрібно вибрати оптимальні рецепти, які мають прийнятне співвідношення між втратами і вигодами.

У даній статті буде розглянута проблема економії енергоресурсів для європейського рейкового транспорту та її можливе рішення, яке може бути адаптоване для будь-якої подібної інфраструктурної мережі. Як рецепт розв’язання проблеми економії енергоресурсів інфраструктури рейкового транспорту буде розглянуто і запропоновано найдієвіший засіб економії ресурсів, що дає змогу стабілізувати ситуацію за найкоротший термін, без значних капіталовкладень. І так, для початку розгляду питання, необхідно встановити можливі джерела економії енергетичних ресурсів для рейкового транспорту європейської мережі доріг. Перелік джерел споживання для економії енергетичних ресурсів за усередненими показниками буде наступний (Таблиця 1):

Таблиця 1 – Перелік джерел споживання енергії для рейкового транспорту Європи

Найменування енергетичного ресурсу

Відсоткове співвідношення

1

Електрична енергія

79%

2

Дизельне паливо

19%

3

Інші види енергії та палива

2%

Джерело: складено автором на базі матеріалів https://rne.eu/downloads

Як можна побачити з цього переліку Таблиці 1, основною енергією для мережі європейського рейкового транспорту є електрична енергія і дизельне паливо. Пошук рецепта щодо вирішення проблеми економії енергоресурсів інфраструктури рейкового транспорту слід проводити, ґрунтуючись на його універсальності в застосуванні. Для цього, необхідно встановити на які процеси витрачатися рейковим транспортом зазначені ресурси.

Таблиця 2 – Основні витрати енергії на процеси для рейкового транспорту Європи

Найменування процесів

Відсоткове співвідношення

1

Робота рейкового транспорту

65%

2

Робота рейкової інфраструктури

27%

3

Робота додаткової інфраструктури

8%

Джерело: складено автором на базі матеріалів https://transport.ec.europa.eu/transport-themes_en

У результаті, дані Таблиці 2 вказують на той факт, що основним джерелом можливої економії енергії, є сам рейковий транспорт, а саме – процеси його роботи. Наразі необхідно визначити перелік складових для витрат енергії, з яких утворюється робота європейського рейкового транспорту.

Таблиця 3 – Перелік складових витрат енергії для рейкового транспорту Європи

Найменування складових

Відсоткове співвідношення

1

Режим тяги рейкового екіпажу

83%

2

Режим вибігу рейкового екіпажу

0%

3

Режим гальмування рейкового екіпажу

2%

4

Системи управління рейковим екіпажем

5

5

Допоміжні системи рейкового екіпажу

10%

Джерело: складено автором на базі матеріалів https://transport.ec.europa.eu/transport-themes/digital-transport-and-logistics-forum-dtlf_en

Із зазначеного переліку Таблиці 3, найбільші витрати енергії відбуваються в режимі тяги рейкового екіпажу. Цей висновок не є чимось новим у даному питанні, але він необхідний для побудови безперервного логічного ланцюга від вартості до рецепту економії енергетичних ресурсів. Завдяки попереднім даним, з’являється основний об’єкт застосування рецепта економії, а саме – режим тяги рейкового екіпажу. Розберемо з яких частин він складається, враховуючи той факт, що дизельне паливо на рейковому транспорті використовується в кінцевому підсумку для вироблення електричної енергії:

Таблиця 4 – Основні витрати енергії в режимі тяги для рейкового транспорту Європи

Найменування частин витрат енергії

Відсоткове співвідношення

1

Витрати на подолання земного тяжіння

43%

2

Витрати на подолання інерції руху

25%

3

Витрати на подолання опору повітря

22%

4

Витрати на подолання тертя в екіпажі

2%

5

Витрати на подолання тертя на рейках

3%

6

Витрати на електричні втрати в проводах

4%

7

Витрати на магнітні втрати в двигунах

2%

8

Витрати на комутаційні втрати в схемах

1%

Джерело: складено автором на базі матеріалів https://alstom.canto.global/allfiles?viewIndex=0

Проаналізуємо кожну із зазначених частин витрат електроенергії, зазначених у Таблиці 4, на предмет придатності як джерела економії енергетичних ресурсів. І так, першим пунктом йдуть витрати на подолання земного тяжіння. У цій частині всі межі досягнуті і можливості модернізації вичерпані на даному етапі розвитку технологій. Другим пунктом йдуть витрати на подолання інерції руху, що так само для джерела економії енергії не підходить з тієї причини, що зменшення моменту інерції можна досягти тільки шляхом зменшення загального габариту рейкового екіпажу і маси його матеріалів. Очевидно, що габарит рейкового екіпажу меншим уже бути не може, оскільки він уже стиснутий до мінімуму на європейських магістралях. З масою рейкового екіпажу потенційно працювати можливо, однак тільки шляхом впровадження нових конструкційних матеріалів, оскільки сама конструкція вже близька до своєї досконалості. А зміна матеріалу призведе до значного подорожчання виробництва, що в нинішніх економічних умовах, ймовірно, не матиме окупності за період експлуатації. Третій пункт витрат енергії на подолання опору повітря є найперспективнішим у питаннях економії енергії і на цьому пункті необхідно зупинитися окремо. З п’ятого по восьмий пункт витрати енергії мінімальні і конструктивне виконання рейкового екіпажу досягло досконалості, вичерпавши свій потенціал економії на даному етапі розвитку технологій. Детально розглянемо витрати енергії рейкового екіпажу на подолання опору повітря. Для візуалізації розглянемо анімацію процесу розгону рейкового екіпажу, показану на Рисунку 1.

Рисунок 1 – Анімація процесу розгону рейкового екіпажу

Вхідними умовами для модуляції процесу руху рейкового екіпажу в повітряному середовищі є: форма середньої обтічності головної частини, п’ять моторних вагонів загальною потужністю 10 000 кВт і масою по 100 т кожний (загальна навантажена маса становить 500 т). Вітрові навантаження в даній модуляції не враховуються, оскільки не належать до системних закономірних чинників. Рейковий екіпаж із п’яти вагонів рухається зі швидкістю до 350 км/год. Контрольні точки вимірювань: починаючи з 50 км/год і закінчуючи 350 км/год.

Починаємо аналіз процесу подолання опору повітря з руху рейкового екіпажу в режимі тяги під час досягнення ним швидкості в 50 км/год, показаного на Рисунку 2.

Рисунок 2 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 50 км/год

Як видно зі схеми повітряних потоків Рисунка 2, що обтікають рейковий екіпаж на швидкості 50 км/год, особливого опору повітря не відбувається, а значення тиску не перевищують 1,7 кПа. При подальшому збільшенні швидкості руху рейкового екіпажу, формуються зони підвищеного тиску у верхній частині кабіни машиніста, під першим візком, у просторі між вагонами і в кінці рейкового екіпажу (за кабіною машиніста). Ці зони підвищеного тиску діють як демпфер, перешкоджаючи розгону і руху рейкового екіпажу. Природа виникнення зони підвищеного тиску пов’язана із завихреннями повітряних потоків і вивчені в розділі фізики (рух газів крізь об’єкти різної форми). З підвищенням швидкості рейкового екіпажу, виникає такий розподіл повітряних потоків.

Рисунок 3 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 100 км/год

Розглядаючи схему повітряних потоків рисунка 3, що обтікають рейковий екіпаж на швидкості 100 км/год, відзначаємо наростання опору повітря, а максимальне значення тиску зростає до 2,6 кПа. Під час подальшого збільшення швидкості руху рейкового екіпажу, зони підвищеного тиску збільшуються у верхній частині кабіни машиніста, розширюються під першим візком, у просторі між вагонами та наприкінці рейкового екіпажу надлишковий тиск виходить назовні передніх частин вагона, за кабіною машиніста у хвостовій частині поїзда тиск через завихрення наростає. При подальшому підвищенні швидкості рейкового екіпажу виникає процес посилення завихрень повітряних потоків.

Рисунок 4 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 150 км/год

На даному етапі розгону, коли потоки повітря обтікають рейковий екіпаж на швидкості 150 км/год, варто відзначити стабілізацію напрямів руху з незначним зростанням тиску в зонах завихрень до 3,2 кПа (Рисунок 4). Однак за подальшого збільшення швидкості руху рейкового екіпажу, зони підвищеного тиску зберігають попередній характер руху повітряних потоків із розшаруванням, що виникає.

Рисунок 5 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 200 км/год

На цьому етапі розгону рейкового екіпажу на швидкості 200 км/год виникають в наявних зонах із тиском 2,6 кПа (Малюнок 5), нові зони, імовірно, з внутрішнім розміщенням зони високого тиску, де сам тиск у ядрі завихрення може сягати до 4,0 кПа. Варто зазначити, що ядра завихрень, які сформувалися, чітко видно на схемі руху повітряного потоку і в разі подальшого збільшення швидкості збільшення цих зон не відбувається.

Рисунок 6 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 250 км/год

Стабілізація сформованої схеми повітряного потоку на швидкості руху рейкового екіпажу в 250 км/год (Малюнок 6), спричинена певною рівновагою між силами обертання і силами переміщення самого потоку. Цю модель можна порівняти з колесом і поверхнею, коли колесо крутиться, а поверхня переміщується. Тиск у ядрі завихрення може досягати 4,2 кПа. При подальшому підвищенні швидкості рейкового екіпажу, виникає процес розриву обертових зон повітряного потоку.

Рисунок 7 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 300 км/год

У результаті наростання тиску повітря, на швидкості рейкового екіпажу в 300 км/год, виникає нова модель повітряних потоків (Малюнок 7), яку створили зони високого тиску, що розірвалися. Через цю подію, тиск зростає не значно до 4,4 кПа, але у всій початковій області, фактично впливаючи на весь рейковий екіпаж, що рухається. При подальшому збільшенні швидкості, зона високого тиску, яка була раніше ядром, розширюється на значну відстань від рухомого рейкового екіпажу.

Рисунок 8 – Рух рейкового екіпажу в режимі тяги на швидкості 350 км/год

Стабілізація сформованої схеми повітряного потоку не спостерігається навіть на швидкості руху рейкового екіпажу в 350 км/год, завихрення виникають на відстані по габариту рейкового екіпажу і далеко позаду хвостового вагона (Рисунок 8). Таким чином по всьому рейковому екіпажу тиск зростає з піковими значеннями в 4,6 кПа, які спостерігаються в головній частині та в просторі між вагонами рейкового екіпажу. Досягнуто максимальної швидкості для цього моделювання.

Аналізуючи весь процес проведеного моделювання, відзначаємо кілька зон опору повітря з різними характеристиками. Для подальшого аналізу та інтерпретації даних, отримані результати співвідносимо в зручній графічній формі.

Як видно з графіка (Рисунок 9), є низка зон опору повітря руху рейкового екіпажу, які залежать від швидкості руху. Отже, розглянемо детально кожну із зон. Зона блакитного кольору “B” і зона зеленого кольору “G” характеризуються низьким опір повітря руху рейкового екіпажу і підходить під визначення економічного режиму експлуатації. Зона жовтого кольору “Y” характеризується зміною моделі повітряних потоків із завихреннями, що виникають, і зонами високого тиску. Зона помаранчевого кольору “O” і зона червоного кольору “R” характеризуються сильними завихреннями повітряних потоків, які протидіють розгону і руху рейкового екіпажу. Так само ці зони характерні високими показниками витрати енергії.

Рисунок 9 – Зони опору повітря руху рейкового екіпажу

Для підбиття підсумків, необхідно вказати систематизувати цифри за зонами, для подальшого аналізу результатів взятої модуляції процесу.

Виходячи з отриманої раніше інформації, витрати на подолання опору повітря можуть становити до 22% від загальної потужності рейкового екіпажу, тобто 2 200 кВт в наших умовах модуляції.

Пропорційно інтегрувавши подальші співвідношення, отримуємо перелік орієнтовних значень наведених витрат електроенергії відносно зон опору повітря руху рейкового екіпажу, Кінцевою точкою рівняння є швидкість 350 км/год, для якої витрати енергії рейкового екіпажу на подолання повітряного опору дорівнюватимуть 2 200 кВт. Отримані дані зберігаємо у вигляді Таблиці 5.

Таблиця 5 – Результати аналізу зон опору повітря

Шифр

Найменування зони

Опір повітря

Витрати енергії

B

Блакитна

5%

500 кВт

G

Зелена

8%

800 кВт

Y

Жовта

15%

1500 кВт

O

Помаранчева

19%

1900 кВт

R

Червона

22%

2200 кВт

Джерело: складено автором на базі розрахунків за попередніми матеріалами

Для зручності подальшого аналізу, дані Таблиці 5 виражаємо в графічному вигляді, з основною прив’язкою витрат електроенергії до зон руху рейкового екіпажу. Основний інтерес у цьому разі полягає у визначенні фактичної енергії опору, яку передає повітряний потік рейковому екіпажу, що рухається на нього. На Рисунку 10 відображено результати модуляції процесу, що цікавить, на підставі яких необхідно зробити висновки про зону руху, які є обґрунтованими з точки зору економії енергії.

Рисунок 10 – Результати модуляції енергії опору повітря

На підставі отриманих даних, робимо такі висновки. Маємо два типи руху рейкового екіпажу. Перший – це економічний режим руху в зонах “B” і “G”, анімована візуалізація якого представлена на Рисунку 11.

Рисунок 11 – Рух рейкового екіпажу в економічному режимі

Цей запропонований режим руху є оптимальним з точки зору споживання ресурсів і відбувається на швидкостях до 150 км/год. Для його впровадження не потрібно особливих витрат і вкладень, а реалізується цей режим звичайною зміною графіків рухів. Зворотним боком цього режиму руху є збільшення часу руху рейкового екіпажу до кінцевої станції.

Тепер розглянемо другий режим руху, це швидкісний режим руху рейкового екіпажу в зонах “O”, “Y” і “R”, анімовану візуалізацію якого наведено на Рисунку 12. На даний момент реалізується цей режим руху на більшості європейських рейкових магістралей. Він суттєво економить час і забезпечує швидке переміщення вантажів і пасажирів до цілої мережі магістралей. Зворотним боком цього режиму руху є велике енергоспоживання, яке забезпечує рух рейкового екіпажу на швидкостях до 350 км/год. Рух у зоні “Y” для цього випадку є перехідним, оскільки з погляду фізичних процесів ця зона не є чітко вираженою, проте за характером опору повітря руху рейкового екіпажу вона належить саме до другої візуалізації.

Рисунок 12 – Рух рейкового екіпажу в швидкісному режимі

Цей запропонований режим руху є екстремальним з точки зору споживання ресурсів і відбувається на швидкостях до 350 км/год.

Проаналізувавши цей матеріал, отримуємо рецепт економії енергії для рейкових європейських магістралей, де швидкість руху в середньому перебуває в другому типі швидкісного руху із зонами “O”, “Y” і “R”. Цей рецепт економії простий і не потребує особливих капіталовкладень, до того ж його можна застосовувати просто зараз, лише змінивши швидкість руху рейкового транспорту до першого типу економічного режиму руху, зі швидкісними зонами “B” і “G”. Цей рецепт економії ресурсів дасть моментальний ефект, на рівні до 12% від споживання рухомого рейкового екіпажу, що є величезною економією, але збільшить час поїздки до кінцевої станції. Тому в кінцевому підсумку вибір зробить споживач в умовах, коли енергія дорожча за час.

Дмитро Ключніков

Залізничні новини, які Ви могли пропустити:

Продажа: Напіввагон люковий

Дізнавайтесь першими найсвіжіші новини залізничної галузі в Україні та світі на нашій сторінці в Facebook, каналі в Telegram, долучайтесь до групи Ukraine: Railway Supply, читайте журнал Railway Supply онлайн.



Розмістіть рекламу на порталі та в журналі Railway Supply. Детальна інформація в Railway Supply media kit