Ученые из Римского университета Ла Сапиенца создали цифровую модель гибридных поездов, использующих водородные топливные элементы и аккумуляторы. Разработанный ими симулятор на платформе MATLAB воспроизводит поведение состава на реальных железнодорожных линиях и помогает подобрать оптимальное соотношение мощности и емкости системы, необходимое для замены дизельной тяги экологически чистым источником энергии.
Задача замены дизельных локомотивов остается одной из самых острых в европейской транспортной повестке. По данным исследователей, сегодня электрифицировано только 57% железнодорожной сети Евросоюза в целом, а в той же Италии – менее трети. Для многих региональных направлений строительство контактной сети слишком дорого и технически сложно, поэтому на таких линиях до сих пор работают дизельные поезда, увеличивая углеродный след отрасли. Между тем железнодорожный транспорт считается самым экологичным видом сухопутного сообщения, и успех европейской стратегии декарбонизации напрямую зависит от того, насколько быстро удастся отказаться от углеводородного топлива. Водород здесь рассматривается как наиболее перспективная альтернатива: при его использовании в топливных элементах выделяется только вода, снижается шум и повышается общая энергоэффективность. Однако топливные элементы чувствительны к резким изменениям мощности, поэтому инженеры ищут сбалансированные решения – гибридные системы, где водородные установки работают в паре с аккумуляторами.
Именно такую гибридную технологию предложили итальянские ученые. В их модели поезд получает энергию от двух взаимодополняющих источников: водородного топливного элемента, который вырабатывает электричество, и литий-железо-фосфатной батареи, сглаживающей пики нагрузки и аккумулирующей энергию при торможении. Оба источника соединены через общую электрическую шину, питающую тяговый двигатель и вспомогательные системы. Управление потоками энергии осуществляет специальный контроллер, который поддерживает стабильную работу топливного элемента и использует батарею для компенсации кратковременных колебаний потребления.
Чтобы подобрать оптимальное соотношение между мощностью топливного элемента и емкостью батареи, исследователи ввели два параметра. Первый (m) отражает долю максимальной мощности двигателя, обеспечиваемую топливным элементом, а второй (n) – относительный размер батареи по сравнению с той, что могла бы полностью питать поезд. Изменяя эти параметры, ученые анализировали расход водорода, нагрузку на аккумулятор, скорость износа оборудования и итоговую стоимость километра пути. В расчет включались капитальные затраты на оборудование, стоимость водорода и электроэнергии, а также расходы на замену компонентов в процессе эксплуатации.
Моделирование проводилось на трех реальных итальянских маршрутах – длинном и ровном в Калабрии, холмистом в Тоскане и коротком горном в Пьемонте. Для каждого участка программа рассчитывала движение поезда, учитывая массу состава, уклоны пути, число остановок и ограничения скорости. Одновременно отслеживались все энергетические потоки и уровень заряда батареи на каждом этапе поездки. Модель также учитывала износ оборудования: с помощью уравнений вычислялось, как частые изменения нагрузки снижают мощность топливных элементов и как глубина разрядов влияет на срок службы аккумуляторов.
Результаты показали, что при недостаточной мощности топливного элемента или слишком малой емкости батареи поезд не успевает восстанавливать заряд и не способен пройти весь маршрут. При слишком мощном топливном элементе система становилась дороже и быстрее изнашивала аккумулятор. Оптимальным оказалось соотношение, при котором топливный элемент обеспечивает около половины пикового спроса (m = 0,45-0,50), а батарея имеет примерно 20% от полной емкости (n = 0,20). В этом случае поезд проходит маршрут устойчиво, а совокупная стоимость эксплуатации снижается до 4,5 евро за километр – при том, что для дизельных составов этот показатель обычно составляет от 6 до 8 евро.
Однако итоговая стоимость эксплуатации сильно зависела от характера маршрута. Например, если на ровном маршруте за 20 лет службы потребовалось бы всего пять замен топливных элементов, то в горных условиях – более двадцати. При этом топливо составляло лишь небольшую часть общих расходов: до 80% затрат приходилось на обслуживание и замену оборудования, прежде всего, топливных элементов и аккумуляторов.
Таким образом исследование показало, что универсального решения для водородных поездов сегодня не существует. А значит конфигурацию гибридной установки необходимо разрабатывать индивидуально для каждого маршрута. На коротких и сложных линиях целесообразно увеличивать долю аккумуляторов, чтобы сглаживать колебания мощности и продлевать срок службы топливных элементов, а на длинных и равнинных участках – наоборот, усиливать водородную часть, чтобы обеспечить стабильную работу системы при меньшей нагрузке на батарею.
