Опубликовано: ГП 08-2019
Контактная революция (Часть 1)

Внедрение троллейвозов на магистралях eHighway

Владимир Чехута, Роберт Яблонский, Юрий Петров
Фото Роберта Яблонского и Siemens AG

В феврале 2019 года шведская компания Scania AB представила первый грузовик из партии 15 седельных тягачей, разработанных для проекта e-Highway. Машины будут эксплуатироваться на электрической тяге между городами и запитываться от контактной сети. В этой новости не было ничего особенного. Обычная февральская революция, но вся подоплёка появления этих машин даёт понять, где находится Россия.

Заказчиком этих машин выступило германское Федеральное министерство окружающей среды, охраны природы и ядерной безопасности (BMU). Её отдел IG развернул масштабную программу испытаний тяжёлых автопоездов с нулевой эмиссией. Фактически они представляют собой безрельсовые электровозы. Энтузиасты железных дорог могут порадоваться, что редкая профессия машиниста электровоза теперь сроднилась с шофёрским братством. И теперь им будет чем поделиться в блогах. Об этом же судачили в троллейбусных социальных сетях. Спешим обрадовать обе команды: это слишком свежая технология, которая по внедрённым ноу-хау может начать диктовать свои правила бизнесу и экономикам целых стран.

Блок с пантографом расположен сразу за кабиной Scania

Три автобана

Тестовая эксплуатация Scania затронет три немецких автобана eHighway, и первая уже вошла в график испытаний. С мая маршрутные тесты ведутся в земле Гессен на трассе А5 в обоих направлениях. Там же завершено строительство линий электропередач вдоль 5-километрового участка автомагистрали. К июлю будет открыт сегмент eHighway на автобане A1 возле северного порта Любек. И наконец, третья электромагистраль появится в начале 2020 года на территории земли Баден-Вюртемберг вдоль участка федеральной дороги B 462.

Закупаемые 15 грузовиков Scania R 450 представляют собой троллейвоз с гибридной дизель-электрической трансмиссией: электромоторы запитаны от воздушной контактной сети (КС), смонтированной на 4,7- или 5,15-метровой высоте (с подмостовым габаритом 5,0 или 5,65 м, соответственно). Но в отличие от троллейбусов, питание идёт через пантографы, в которых специалисты компании Siemens AG учли опыт скоростных электропоездов. Устройство смонтировано на раме за кабиной. Кроме «прямого электропривода» грузовой автомобиль комплектуется мощным блоком АКБ для рекуперации электроэнергии.

Германский инженер Макс Шиман (Max Schiemann, 1866–1933 гг.) на рубеже XX века создал сеть троллейбусных линий. Самая известная открыта в Альтоне (пригород Гамбурга) в 1912 году и отличалась крутым подъёмом. Электротягач на 1-км линии, за день оборачивал до 200 прицепов: за 1 ходку цеплялись 3–5 тележек общей массой 8–7 т. Подъём на гору со скоростью 5–8 км/ч занимал 8–10 минут. В месяц потребление составляло 380 кВт·ч
Германский инженер Макс Шиман (Max Schiemann, 1866–1933 гг.) на рубеже XX века создал сеть троллейбусных линий. Самая известная открыта в Альтоне (пригород Гамбурга) в 1912 году и отличалась крутым подъёмом. Электротягач на 1-км линии, за день оборачивал до 200 прицепов: за 1 ходку цеплялись 3–5 тележек общей массой 8–7 т. Подъём на гору со скоростью 5–8 км/ч занимал 8–10 минут. В месяц потребление составляло 380 кВт·ч
Первый отечественный троллейбус в 1902 году был изготовлен на фабрике Петра Фрезе именно в варианте грузовой платформы
Первый отечественный троллейбус в 1902 году был изготовлен на фабрике Петра Фрезе именно в варианте грузовой платформы

Возврат к истокам

Потребовался целый век, чтобы вернуться к электротяге, благо Европа нашла её излишки.

Развитие троллейбусных линий в промышленно развитых районах Германии, Франции и Италии в самом начале XX столетия служило необычайным проявлением прогресса в индустриальных районах. Этому способствовал государственный патернализм и переход промышленности на электроэнергию, связанный с ростом местных экономик. С развитием электросетей распространение электротранспорта в большей мере стало социально значимым проектом в США, СССР и Европе. Практически одновременно с пассажирскими перевозками на трамвайных и троллейбусных линиях целый век до начала 2010-х годов ещё осуществлялась и транспортировка грузов. Немецкий концерн решил подновить историю.

Первый советский 2,15-тонный грузовой троллейбус построенный в 1936 году московским заводом «Динамо» им. Кирова на шасси ЯГ-4

После Второй мировой войны массовое применение грузового троллейного транспорта сконцентрировалось в трёх сферах: грузовые троллейвозы для развозки товаров внутри городов (1930–1990 гг.), карьерный транспорт на горных разработках (активно используется в Африке с 1980 гг.), а также шахтный безрельсовый транспорт (рудничные самосвалы с питанием от подвесной КС). Как вариант применялась кабельная сеть (буквально с намоткой силового кабеля на само ТС).

В Советском Союзе рассматривались планы регулярных грузовых перевозок на междугородных и пригородных линиях в Свердловске (ныне Екатеринбург), Крыму и Кишинёве (Молдавия). Но тогда во главу угла стояла экономика, а не экология.

Но в каждом случае обнаруживалась одна странная особенность – узкая локальность эксплуатации. Но стоило ли сейчас городить контактную сеть над европейскими автобанами, коли уже имеются электровозы и железная дорога?

Советский 65-тонный троллейвоз БелАЗ-7524-792 1964 года – не первый и не последний опыт по внедрению электротяги в карьерах

Железнодорожный тупик

Повальный перевод междугородных грузоперевозок на железную дорогу имеет свои ограничения. Специалисты наверняка вспомнят рубеж 1980–1990-х годов, когда в СССР, ФРГ, Италии, Франции, Австрии подъездные пути грузовых дворов были забиты товарными вагонами, а опоздания пассажирских поездов от графика достигали одного часа на 500 км пути. Проблему кое-как удалось решить за счёт внедрения новых систем электронной обработки информации грузов, производительных видов портовой и складской техники, а потери удачно компенсировали за счёт автотранспортных грузоперевозчиков.

Именно тогда возник острый дефицит на шоферов. Но никто не предвидел ещё и трёхкратного роста потребления промышленных товаров населением в последующие десятилетия. Сейчас объём грузоперевозок в Германии соответствует суммарному мировому грузовому обороту за 1953–1955 годы! Порты вернулись к проблеме 30-летней давности: оборот контейнеров и контрейлеров вырос и не хватает ни подъездных путей, ни складов.

Эксперты предрекают дальнейшее галопирующее увеличение нагрузки на автодороги и рост трафика за счёт развития электронной коммерции. Например, только в Подмосковье по данным журнала «Склад и техника» за последние 10 лет введено порядка 1 000 000 м2 складских комплексов класса А без ж.-д. подъездов. Это почти сотня капитальных и временных строений. Значит, без автотранспорта эту проблему вообще нельзя будет решить.

В Болонье в 1980–1990-х гг. муниципальная троллейбусная сеть была использована для коммунальной техники. Троллейвозы IVECO Tracker использовались для сбора ТБО

Углеродная кабала

В Германии и Швеции на придорожном трафике (санитарная зона в 0,3 км) треть общего объёма выбросов CO2 относится к самому автотранспорту. Эту зависимость впервые зафиксировали в 1960-х годах. Сейчас в Германии на грузовики в среднем приходится треть выбросов CO2 от всего автотранспорта (легковые занимают 48%), а в Швеции грузовики дают около 50% выбросов CO2 в междугородном трафике. Цели Швеции и Голландии – к 2030 году сделать страны независимыми от ископаемого топлива сейчас кажутся фантастическими по своему исполнению. Тогда как цель Германии более приземлённая – снизить нефтегазовую кабалу втрое в ближайшие 10 лет.

Промышленность ФРГ очень близка к России по процентному выделению CO2 среди всех отраслей экономики. Но если РФ продаёт нефть, газ и экологические квоты (засчитывается площадь территории лесов), то Германия их готова покупать. В Германии в 1990 г. на выбросы CO2 приходилось 1,25 млн тонн. Выполняя условия киотского протокола в 2008–2015 наблюдалось неуклонное снижение CO2 в атмосфере до уровня 977–912 тыс. тонн и доля автотранспорта в нём не была доминирующей. Падение обусловливалось внутренним снижением добычи и потребления угля с 53 до 40 млн т ежегодно во всех секторах экономики, включая частные домохозяйства. Но и уровень потребления энергетических углеводородов в экономике Германии также упал. Сейчас он ниже 30% (15% составляет газ, включая поставки «Газпрома»). Остальное уже восполняют солнечные фермы, гидро- и ветроэнергетика. Дешевизна заокеанского топлива (США, Ближний Восток, Северная Европа, Африка) заставляет страны ЕС отступать от намеченных целей по внедрению зелёных технологий. К тому же местный бизнес не очень заинтересован выполнять экологические программы. В итоге в 2017 году в ФРГ был превышен допуск в 970 тыс. тонн CO2, определённых для Германии киотскими соглашениями. И это произошло несмотря на введение норм Euro 5 на транспорте и Tier 4 в промышленности.

[b]Выбросы CO[sub]2[/sub] в ФРГ по секторам экономики[/b]

В бундестаге задействованы уже все рычаги и педали: повышение эффективности ДВС, льготы на железнодорожные грузоперевозки, использование биотоплива, лоббирование законов «партией зелёных». И всё оказалось напрасным: железная дорога не в состоянии дальше расширять пути, а газ имеет ограниченную доступность. На этом фоне шалости немецких автопроизводителей по припискам о снижении уровня выхлопа CO2 в двигателях выглядят лишь детским лепетом. Нужны очень радикальные меры.

Даже у Германии не получилось сократить выбросы в необходимом объёме. И это на фоне того, что в Западной и Центральной Европе давно свёрнуты тысячи грязных производств и такой экологической катастрофы, как в Красноярске, там уже не существует. Но грузоперевозкам предрекают дальнейший рост. Даже перевод 20% магистральных тягачей сулит снижение выбросов CO2 на 10 тыс. тонн в рамках только одной узкой сферы (т.е. ежегодно 8 граммов на каждого жителя). Поэтому решение о развитии экологичного автотранспорта уже не выглядит как блажь. Люди хотят жить подольше и увидеть побольше и дело не в цене.

Казалось бы, причём тут Меркель?

Появление канцлера ФРГ Ангелы Доротеи Меркель на презентации электротягачей Scania связано с её прошлой деятельностью.

Заказчик электромобилей – Германское федеральное министерство окружающей среды, охраны природы и ядерной безопасности (BMU) было сформировано в ФРГ в июне 1986 года. Интересно, что в ГДР такое же министерство было образовано в 1971 г., т.е. за 15 лет до того, как это сделала ФРГ!

Штаб-квартира департамента находится в Бонне (тогдашней столице ФРГ). Уроженка Гамбурга Ангела Меркель выросла в ГДР, где после учёбы работала в берлинском Центральном институте физической химии (ZIPC). После объединения двух Германий в 1990 году она начала политическую деятельность от партии ХДС. В 1994 году при правлении канцлера Гельмута Коля ей предложили пост федерального министра BMU, которое она и возглавляла до 1999 года. При ней активно усилились субсидии по внедрению передовых зелёных технологий. Сохранение на улицах трамваев, троллейбусов, развитие электромобилей, внедрение ветрогенераторов, солнечных батарей – отчасти её заслуга

Расплата за тонны

Как и предрекали эксперты, массовое внедрение электропривода в коммерческом транспорте началось с развозных фургонов, городских автобусов и коммунальной техники. Они имеют малую локацию (5–10 км) и схожие технические характеристики: режим работы (движение в интенсивном трафике со множеством остановок) ограничен световым днём, парковка в гараже или стоянке на всю ночь, где имеются зарядные станции. Их суточный пробег не превышает 150 км, а мощность привода, ёмкость батарей, наличие высоковольтных устройств ускоренной подзарядки уже унифицированы. Электромобили и электробусы являются идеальными кандидатами под полную электрификацию. Они даже показывают снижение расходов при грамотном использовании.

А с переводом тяжёлых магистральных автопоездов на электротягу всё обстоит иначе – АКБ им категорически не подходит.

Аккумуляторы не готовы к интенсивным нагрузкам на шоссе. Эмпирические исследования показали, что региональным автопоездам в Европе с разрешённым «дедвейтом» 33–40 т понадобятся электрические накопители общим весом до 10 т («Транзит передовых технологий») и тогда снаряжённая масса автопоезда превысит 20 т. Получается, что машина больше половины энергии затратит лишь на своё передвижение: коэффициент тары превысит единицу, вместо положенных 0,5–0,7 и тогда все расходы лягут на потребителя. Сколько людей в Москве готовы покупать литр молока в сетевых магазинах за 150–110 рублей вместо 80 только потому, что его привёз магистральный электромобиль? При таких затратах на электротягачах можно возить только выскомаржинальные или сезонные товары (гладиолусы на 1 сентября, розы к 8 марта, пиво на окторберфест, рождественские игрушки). Но ретейл экономит каждую копейку и не готов возить на межгороде какие-то 13–20 т в сутки на одном тягаче. Так что передадим пламенный привет Илону Маску, до сих пор скрывающему технические характеристики распиаренного им магистрального электротягача Tesla Electric Semi.

Альтернативой батарейному тяжеловозу мог бы стать седельный тягач, оборудованный водородными топливными элементами. Несколько прототипов тягачей Toyota Fuel Cell Truck Semi вскоре начнут тестовую эксплуатацию в портах Лос-Анджелеса в рамках Project Portal Hydrogen. Их намереваются использовать на 100-км участке между интермодальными терминалами и логистическими хабами, куда стекаются грузопотоки из портов. Проект же Nikola Motor остаётся в стадии концепта как минимум до II полугодия 2020 года.

Один из вариантов внешнего электропривода индукционного двигателя от подземной сети. Внешний инвертор преобразовывает ток от 3-фазной электросети переменного тока (напряжение 440 В/ 60 Гц) в высокочастотные 20 кГц с силой тока 200 А

Миллиардные субсидии

Эксперименты по переводу тягачей на электротягу в последние 30 лет велись по всем направлениям: развивались смежные отрасли электротехники, а все наработки 1970-х с мокрыми АКБ давно отправлены в архив. Проводились эксперименты по внедрению индуктивной тяги, запитывание через наземную шину от контактного рельса. В свежих опытах выяснялись банальные вещи. Не стоит, например, держать постоянно всю сеть под напряжением. Автомат на подстанции способен сам подключать только тот участок, где движется ТС. Без сотовой связи такое было бы невозможно! И каждый раз прорабатывались ещё десятки решений, на которые были получены сотни патентов и привилегий: индивидуальный учёт потраченной и возвращённой электроэнергии. Некоторые из ноу-хау уже успешно внедрены в массовое производство. Способ передачи с подвесной КС был выбран как наиболее безопасный и не требующий гигантских капиталовложений в дорожную инфраструктуру.

Испытания системы питания от внешней контактной сети через наземную токосъёмную шину, установленной на тягаче Volvo FH с гибридным дизель-электрическим приводом

Вот на этом фоне 10 лет назад инженеры электротехнического концерна Siemens AG и сформировали инновационную транспортной концепции eHighway, смысл которой заключался в полной электрификации коммерческих автомобилей, или превращение их в настоящие троллей-траки и троллейбусы. Оставалось придумать обширную контактную электросеть над всеми основными автодорогами страны. После первых опытов энтузиазм стал угасать. Дело оказалось не в деньгах, а в их количестве. Как говорят специалисты, стоимость электрификации одного километра пути варьируется в пределах от 3 до 4,5 млн евро. Суммарная протяжённость всех важнейших автобанов в Германии сегодня достигает 5700 км, т. е. их полная электрификация обойдётся государству в 50 млрд евро. Для бундестага это стало шоком.

Стрелка перехода с одной тяговой подстанции на другую, рассчитана под магистральный тягач и не приспособлена под токосъёмники обычного «рогатого» троллейбуса. Типичный междугородный электробус должен быть оборудован новым пантографом
Ещё один способ сэкономить: можно подавать электроэнергию от сети на контактный рельс, провод КС или индукционную катушку, только на тех участках, где сейчас находится транспортное средство
Ещё один способ сэкономить: можно подавать электроэнергию от сети на контактный рельс, провод КС или индукционную катушку, только на тех участках, где сейчас находится транспортное средство

За это время подход к концепции eHighway кардинально изменился. В 1970-х многие думали, что нужно устанавливать провода на всех основных дорогах страны, и объёмы инвестиций повергали налогоплательщиков в уныние. Но инженеры пояснили, что достаточно электрифицировать дороги и фрагментарно: в наиболее напряжённых участках, которыми являются подъёмы и спуски.

На таких участках, магистральный электрогрузовик сможет преодолевать немалые расстояния в режиме троллей-трака и одновременно использовать контактную сеть не только для запитывания своих опустевших батарей, но и возврата энергии для других машин. Старый шофёрский принцип, взятый из детского сада: сегодня я тебе помогу, а завтра ты мне поможешь!

Управление переходом на электротягу возможно с мобильного приложения

Когда электросеть над дорогой прерывается, т. е. система Siemens будет регулировать ток, добавленный в сеть другими грузовиками при рекуперации за счёт возврата электроэнергии при торможении. Уже не нужны будут массивная 10-тонная батарея, частые и нудные остановки для запитывания АКБ.

В реальности это выглядит как заманчивая конфетка. На равнинной местности для снижения потерь на передачу тока через ЛЭП, электроэнергию можно брать с местного производства – ветрогенераторов, солнечных электростанций… Последние могут служить и шумозащитными экранами.

При подъезде к троллейной линии не требует от водителя дополнительных действий
Комментировать ... >>
Loading...