Перспективным рынком для новинки станут США.
Швейцарская компания Stadler создала первый в мире экологически чистый поезд, работающий на водородном топливе. Тот в процессе испытаний вошел в Книгу рекордов Гиннесса, пройдя почти 3 тысячи километров без дозаправки. Поезд состоит из двух пассажирских вагонов и «зарядника» с водородными баками и генераторами, которые преобразуют топливо в электричество. А электричество с этих генераторов подается на тяговую батарею и двигатель поезда. Осталось прицепить еще вагонов — и в путь!
Опытным образцом дело не ограничилось. Партию новых поездов уже закупила железнодорожная компания в Италии. Так что в 2025-м у пассажиров есть шанс прокатиться в железнодорожном составе будущего.
На начальном этапе были проработаны обобщенная концепция обеспечения тяги поезда и его архитектура. Были рассмотрены возможные варианты интеграции в конструкцию поезда пяти новых систем — резервуара для водорода, топливных элементов, тяговых аккумуляторных батарей, преобразователя постоянно-постоянного тока и средств охлаждения. Многие варианты были исключены, поскольку предполагали слишком мало места для размещения водородных резервуаров либо чрезмерно ограничивали емкость аккумуляторных батарей. Часть вариантов пришлось отбросить из‑за их плохой экономической эффективности или превышения лимита по массе.
В конечном счете Stadler остановилась на варианте с размещаемой между вагонами промежуточной секцией с силовым модулем, в котором установлены резервуары для хранения водорода и топливные элементы. В максимальной комплектации их достаточно для питания четырехвагонного поезда. Промежуточная секция может иметь разную длину в зависимости от количества размещаемого в ней оборудования. Подобные конструктивные решения с промежуточной секцией уже применялись компанией ранее в дизель-поездах и поездах с комбинированным приводом семейства FLIRT.
Выбранная концепция позволяет удовлетворить еще одному требованию — обеспечить возможность переоборудования дизель-поезда в поезд на водородном топливе. Для этого достаточно заменить дизельную силовую установку на водородную в промежуточной секции и установить на крышах концевых вагонов тяговые аккумуляторные батареи.
Резервуары для хранения водорода сгруппированы в выдвигаемые модули, что обеспечивает простоту монтажа и замены. С каждой стороны промежуточной секции предусмотрена возможность заправки резервуаров водородом, что ускоряет процесс пополнения запаса этого топлива. Такая конфигурация позволяет избежать зависимости от ориентации поезда относительно пункта заправки.
На железнодорожном транспорте решающее значение имеет энергоэффективность подвижного состава. В связи с этим при проектировании поезда уделялось особое внимание оптимизации расхода топлива.
В поездах с гибридным приводом, состоящим из накопителя энергии и энергогенерирующей установки, имеется возможность варьировать распределение мощности между этими двумя системами. Оптимальное распределение мощности в значительной мере зависит от параметров обеих систем. Топливные элементы, как и двигатели внутреннего сгорания, имеют наиболее высокий КПД и соответственно наибольшую энергоэффективность при средних нагрузках. Кроме того, работа в условиях очень низких или очень высоких нагрузок наиболее негативно влияет на срок службы топливных элементов. Таким образом, оптимальной для топливных элементов является работа в условиях неизменной нагрузки, причем топливные элементы не способны динамично реагировать на ее изменение.
Накопители на аккумуляторных батареях оптимально эксплуатируются в узком диапазоне уровней заряда для предотвращения преждевременного старения батарей. Вместе с тем, аккумуляторные батареи способны динамично реагировать на колебания нагрузки — в отличие от топливных элементов.
Для выбора оптимального распределения мощности разработан предиктивный алгоритм, который был опробован и протестирован на имитационной модели. Алгоритм использует наряду с основными техническими данными поезда и информацией о состоянии системы питания также прогнозные сведения о впередилежащем участке пути, которые могут поступать из банка данных, полученных при помощи спутниковой навигации. Для этого на электронной карте участка определяют значимые координаты таких объектов, как станции, или участков, на которых значительно меняется потребность в электроснабжении тягового привода поезда. Это могут быть порталы тоннеля, протяженные кривые или подъемы.
В ходе разработки формировались и отбирались решения, которые по сумме критериев достигали не менее 95 % оптимума. Посредством имитационного моделирования каждое из этих решений оценивалось с учетом стоимостного критерия, в результате чего выбиралось наиболее эффективное из них. Выбранное решение, определяющее распределение мощности между топливными элементами и тяговыми аккумуляторами, используется до тех пор, пока вновь не запускается предиктивный алгоритм. Обычно это происходит многократно при движении поезда по маршруту, что позволяет уменьшить неточность прогноза.
В процессе имитационного моделирования предиктивный алгоритм сравнили с обычной функцией, не использующей прогнозирование, чтобы количественно оценить качество алгоритма. Обычная функция опирается только на архивные данные, т. е. основана на потреблении мощности на пройденной части маршрута.
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/_7TmB2MHbvw?si=eXucZnG8YSp3tcc2" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share" referrerpolicy="strict-origin-when-cross-origin" allowfullscreen></iframe>
