Энергия солнца послужит РЖД

Экономическая привлекательность предлагаемых решений значительно выше, чем это может показаться на первый взгляд
11.10.2018
Владимир Горелкин

Научный труд авторского коллектива, возглавляемого Егором Локтионовым, победил в одной из номинаций конкурса ориентированных фундаментальных исследований по актуальным междисциплинарным темам в интересах ОАО "РЖД", прошедшего в 2017 году.

Учредителем конкурса выступил Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) и компания "РЖД". Выполненное учёными исследование посвящено энергетической и экономической целесообразности применения солнечных электростанций для энергоснабжения железнодорожного транспорта.

Руководитель группы исследователей Егор Локтионов рассказал о задачах, которые пришлось решать в процессе изучения выбранной темы.

- Особенностью данного конкурса, как изначально заявлено, было обязательное наличие в составе исследовательских коллективов учёных из научных институтов и высших учебных заведений железнодорожного транспорта.

- Да. Мы выполнили это условие, включив в наш коллектив директора института пути, строительства и сооружений Российского университета транспорта (МИИТ), доктора технических наук, профессора Таисию Шепитько. Всего же в исследовании приняли участие пятеро учёных. Также в состав нашей группы вошли доктор технических наук, профессор, заслуженный энергетик РФ, заведующий отделением ОАО "Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского" Павел Безруких, молодые исследователи аспирант НИУ "Московский энергетический институт" Ибрагим Асанов и магистрант МГТУ имени Н.Э. Баумана Максим Щербина.

- Даже для неспециалиста в вашей области очевидно, что сегодня идея использования солнечных батарей, интегрированных в линейные сооружения, особенно в нашей стране достаточно нова и не обеспечена существенным опытом как строительства, так и использования. Это обстоятельство как-то отразилось на характере исследования?

- Несмотря на простоту положенной в основу нашей работы идеи, существуют серьёзные проблемы для её реализации, связанные в первую очередь с условиями эксплуатации, накоплением и распределением получаемой электроэнергии. Компания "РЖД" имеет статус крупнейшего её потребителя в стране. Затраты на приобретение электроэнергии составляют около 17% эксплуатационных расходов, причём на электрическую тягу расходуется около 86%.

Об актуальности выбранной нами темы исследования говорят и другие данные. Так, протяжённость обслуживаемых линейных сооружений (железнодорожных путей общего пользования РФ) сегодня превышает 86 тыс. км. А значит, уместно говорить о том, что имеется существенная инфраструктурная база для использования солнечных батарей с уменьшенными капитальными и эксплуатационными затратами при их установке вдоль железнодорожного пути и полосы отчуждения, на откосах насыпей и выемок, эксплуатационных ограждений и т. д. Иначе говоря, рациональное использование затрат на землеотвод и обслуживание, на создание распределителей сети в структуре типовых расходов объектов солнечной энергетики позволяет получить значительный социально-экономический эффект при реализации.

- То есть в выполненном вами проекте вы постарались основное внимание уделить исследованию энергетической и экономической целесообразности применения солнечных электростанций для энергоснабжения железнодорожного транспорта.

- Но для этого нашему авторскому коллективу пришлось поломать головы над определением основных экономических показателей применения преобразователей солнечной энергии и различных типов аккумуляторов, исходя из современного уровня техники, определить внешние воздействующие факторы, характерные для железных дорог и влияющие на эффективность преобразования, хранения и передачи энергии.

- Можно, хотя бы вкратце, познакомить наших читателей с выводами, которые сделаны вами вместе с коллегами в предложенном исследовании?

- В целом они и сводятся к целесообразности использования солнечной энергии на железнодорожном транспорте. Для этого многое из того, что надо, имеется. Например, установленная мощность солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) в мире выросла с 40 ГВт в 2010 году до 400 ГВт в 2017-м. Годовой темп ввода мощностей за этот же период вырос с 17 до 100 ГВт. С ростом объёмов производства и общей установленной мощности существенно улучшились технико-экономические показатели. Благодаря совершенствованию материалов и технологий срок службы солнечных батарей возрастает с 25 до 50 лет, эффективность преобразования превышает 20-25%, стоимость генерации электроэнергии в уже ближайшей перспективе станет ниже 1 руб./кВт.ч. Удельная годовая выработка недорогих солнечных батарей превышает 100 кВт.ч/кв. м. Таким образом, годовое потребление РЖД, нормированное на протяжённость путей (523 кВт.ч/м), может быть в значительной степени покрыто солнечной генерацией без дополнительного землеотвода.

- То есть, если принять во внимание ценовую сторону вопроса, можно утверждать, что стоимость электроэнергии в контактной сети железных дорог существенно выше той, по которой она закупается у генераторов.

- И соответственно поэтому срок окупаемости электростанции, работающей на тяговую сеть железных дорог, существенно меньше, чем у таковой, продающей энергию в сеть. Особенность солнечных батарей состоит в том, что они выдают постоянный ток и легко могут быть соединены последовательно для получения напряжения 3,3 кВ, которым запитана четверть железных дорог в стране, тогда получится, что на тяговой подстанции не нужны будут трансформаторы и выпрямители - весьма дорогостоящее оборудование. Нами отдельно выполнены оценки стоимости электроэнергии, потребляемой из контактной сети, генерируемой СФЭС и аккумулируемой. При этом мы стремились максимально учесть затраты жизненного цикла. Анализ составляющих показал, что киловатт-час из контактной сети значительно дороже закупаемого у сбытовых компаний, с которым обычно и сравнивают стоимость генерации внешних источников энергии, в которой, в свою очередь, значительно полнее учтены капитальные и эксплуатационные затраты. В результате доказано, что экономическая привлекательность предлагаемых решений значительно выше, чем может показаться на первый взгляд.

- Полученные выводы были сделаны на основе моделирования описанных вами процессов?

- Да. Мы смоделировали процессы выработки электроэнергии солнечными батареями в условиях эксплуатации на определённых участках железной дороги в зависимости от климатических условий, уровня загрязнений, типа используемых солнечных панелей для определения оптимальной общей конфигурации системы способов и методов борьбы с загрязнением, особенностей конструкции подвижного состава и типа используемых солнечных панелей.

Другие данные были получены на создании модельного ряда использования различных типов солнечных батарей, их сравнения для определения оптимальной конфигурации общей системы. Кроме того, нами представлены результаты моделирования переходных процессов в системе распределённой генерации энергии при изменении внешних условий, например, при затмении облаком или движущимся составом. А на основе проведённых в этом направлении исследований даны рекомендации по выбору типа аккумулятора энергии, способам аккумулирования и дальнейшего использования излишков вырабатываемой энергии, их возможной транспортировки с наименьшими потерями и затратами. Например, существует вариант накопления энергии, принципиально аналогичный гидроаккумулирующим электростанциям, когда, используя избыточную энергию, состав перевозит грузы в гору, а для выработки - спускает с горы, фактически реализуя режим рекуперативного торможения. Но стоимость создания, особенно в равнинной местности, такого накопителя, тем более при существующей железнодорожной инфраструктуре, будет существенно ниже, чем для ГАЭС. Вынесены рекомендации и по выбору участков железных дорог, оптимальных для использования солнечных батарей.

- Несколько слов о том, как бы вы оценили перспективы внедрения солнечной энергии в железнодорожной сфере.

- Полагаю, у многих читателей мои фантастические рассказы вызвали улыбку или недоумение. Фундаментальные исследования, конечно, далеки от эксплуатационных будней и нужны они, чтобы смотреть далеко вперёд. Для скептиков же отмечу, что голландские железные дороги уже полностью запитаны от ветряных электростанций. Метро в Калгари тоже, а в Дели - от СФЭС. В ближайшие 30 лет энергетические системы очень сильно изменятся. Уже в обозримой перспективе многие электростанции в нашей стране должны будут заменены. Рационально ли заменять их на аналогичные? В наиболее развитых странах уже несколько лет новых мощностей на возобновляемых источниках энергии вводится в строй больше, чем традиционных. Для реализации наших предложений не потребуется изменения верхнего строения пути, солнечные батареи могут размещаться непосредственно на насыпи или в полосе землеотвода, тем самым являясь доработкой к готовой конструкции. Такое решение позволяет максимально снизить экономические затраты, не нарушить технологичность готовой конструкции железнодорожного покрытия. Использование при аккумулировании энергии долгосрочного и краткосрочного типа аккумуляторов, регенераторов водорода позволит не только снизить потери на транспортировку электричества, но и повысить автономность всего железнодорожного пути, что, несомненно, приведёт к повышению общей безопасности транспортировки по железной дороге.

В любом случае солнечные батареи, расположенные вдоль железнодорожных путей, способны полностью покрыть потребности в энергии неэлектрифицированных железных дорог, значительная часть которых находится в удалённых местностях, где снабжение электроэнергией затруднено. Вспомним о том, что нормы масс для пассажирских поездов в 3-6 раз меньше, чем для грузовых, а пассажирооборот, выраженный в ткм, в 150 раз меньше грузооборота. Отсюда напрашивающийся вывод: тяга для пассажирских перевозок может быть полностью обеспечена за счёт солнечной генерации. А оптимизация сооружений перспективных железных дорог, ориентированных преимущественно на пассажирские перевозки (городские, пригородные, курортные, высокоскоростные), для установки солнечных батарей может иметь существенный экономический, социальный и экологический эффект.

Кроме того, для достижения темпов развития солнечной энергетики в России, соответствующих мировым, требуется значительный импульс, в том числе для загрузки уже созданных производств фотоэлектрических преобразователей. Такой импульс может быть сообщён за счёт масштабного проекта, объединяющего государственные и частные интересы, требующего взвешенного обоснования и значительных подготовительных работ.

Справка

До сих пор в мире возможность установки солнечных батарей на железных дорогах рассматривалась только для крыш зданий, сооружений. В предместье Антверпена (Бельгия) установлено 16 тыс. солнечных батарей на крыше тоннеля. Работой над проектом занималась энергетическая компания "Инфинити". Общая стоимость проекта обошлась в 16 млн евро. Данная система вырабатывает 4 ГВт.ч и способна обеспечивать энергией до 4 тыс. поездов в год, в том числе и высокоскоростные поезда, скорость которых превышает 300 км/ч.

В настоящее время идея использования солнечных батарей, интегрированных в линейные сооружения, достаточно нова и не обеспечена существенным опытом как строительства, так и использования. В Швейцарии успешно развивается проект, согласно которому солнечные батареи располагаются на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях, тем самым избавляя от необходимости использовать дорогостоящие сельскохозяйственные и городские территории. Автономная солнечная установка у посёлка Гримзель обеспечивает необходимое количество электроэнергии для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Солнечные панели вблизи города Кур общей протяжённостью 700 м вмонтированы в шумозащитное ограждение, вырабатывают порядка 100 кВт.ч ежегодно.

Источник: Гудок

Читайте другие наши материалы