ELEKTRYCZNE ZASOBNIKOWE JEDNOSTKI TRAKCYJNE NA CZĘŚCIOWO ZELEKTRYFIKOWANYCH LINIACH MIEJSKICH I PODMIEJSKICH

Transkrypt

1 ELEKTRYCZNE ZASOBNIKOWE JEDNOSTKI TRAKCYJNE NA CZĘŚCIOWO ZELEKTRYFIKOWANYCH LINIACH MIEJSKICH I PODMIEJSKICH D. Karkosiński 1, A. Jakubowski 1, N. Karkosińska-Brzozowska 2, K. Karwowski 1, A. Wilk 1 1 Wydział Elektrotechniki i Automatyki, 2 Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska III Kongres Elektryki Polskiej

2 Agenda 1. Pojazdy z zasobnikami energii na pokładzie w komunikacji zbiorowej 2. Innowacyjne elektryczne kolejowe zespoły trakcyjne 3. Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych a) przykład linii miejskiej b) przykład linii aglomeracyjnej c) przykład linii regionalnej 4. Podsumowanie III Kongres Elektryki Polskiej 2

3 Pojazdy z pokładowymi zasobnikami energii w komunikacji zbiorowej Geneza historia na Pomorzu Gdańskim może się kołem toczyć Od 1914 r. w Prusach jeździło170 elektrycznych zespołów akumulatorowych serii AT3, znanych jako Wittfeldy od nazwiska konstruktora inż. Gustava Wittfelda. Pojazdy te znalazły zastosowanie jako pociągi lokalne i kursowały, między innymi na trasie Gdańsk Chojnice o długości ponad 120 km. Ostatnie 3 egzemplarze skończyły służbę pod flagą PKP w latach III Kongres Elektryki Polskiej 3

4 Współczesne trolejbusy zasobnikowe Pojazdy z pokładowymi zasobnikami energii w komunikacji zbiorowej Od 2004 r. w Rzymie 30 trolejbusów z akumulatorami niklowowodorkowymi 5 km przez centrum starego miasta bez sieci trakcyjnej Od 2009 r. w Gdyni 40 trolejbusów Solaris Trollino 12M z akumulatorami niklowo-kadmowymi 80 Ah, 800 kg 7 km bez sieci trakcyjnej, w tym na Skwer Kościuszki i do granic Gdańska i Sopotu W Tychach 15 trolejbusów z bateriami niklowo-kadmowymi W Lublinie 5 trolejbusów z bateriami litowo-polimerowymi 5 km bez sieci trakcyjnej Od 2019 r. w Gdyni dostawy trolejbusów z zasobnikami ponad 30 km bez sieci trakcyjnej Zaleta ładowanie dynamiczne podczas jazdy pod siecią trakcyjną bez dodatkowych postojów III Kongres Elektryki Polskiej 4

5 Współczesne tramwaje zasobnikowe Pojazdy z pokładowymi zasobnikami energii w komunikacji zbiorowej W wielu miastach w obszarach zabytkowych i centrach jazda bez sieci Koreański Railroad Research Institute testowany tramwaj z baterią Li Ion do 25 km bez sieci trakcyjnej (z pełnym obciążeniem i włączoną klimatyzacją) na jednym doładowaniu. Wersja rozwojowa z baterią Li Nano 40 km bez sieci trakcyjnej Koszty budowy i funkcjonowania takiej komunikacji to zaledwie ok. 12% kosztów linii metra! Przy obecnym zaawansowaniu technologii zasobników bateryjnych, budowa i utrzymywanie sieci trakcyjnej architektonicznie nieestetyczne i nieuzasadnione ekonomicznie! Kraków przetarg na 50 tramwajów 3 km bez sieci trakcyjnej III Kongres Elektryki Polskiej 5

6 Innowacyjne elektryczne kolejowe zespoły trakcyjne Światowe trendy do wprowadzania zasobników energii pojazdy o napędzie spalinowym DMU (ang. Diesel Multiple Unit), zasobnikowe pojazdy elektryczne BEMU (ang. Battery Electric Multiple Unit) a zwłaszcza zespoły IPEMU (ang. Independent Powered Electric Multiple Unit) mogące się poruszać na liniach częściowo niezelektryzowanych bez dodatkowych postojów na ładowanie zasobnika III Kongres Elektryki Polskiej 6

7 Innowacyjne elektryczne kolejowe zespoły trakcyjne Przykłady IPEMU Japonia 2014 r. linia Utsunomiya Karasuyama długości 30 km, w tym 20,4 km odcinka niezelektryfikowanego (napędy 2 x 95 kw) Wielka Brytania 2015 r. 4-wagonowy prototyp Bombardier Electrostar z bateriami fosforanowo-litowo-magnezowymi (brak informacji o wdrożeniu do regularnej eksploatacji) W Niemczech 40% infrastruktury kolejowej niezelektryfikowanej 2016 r. Bombardier Talent 3 zasięg 40 km bez sieci trakcyjnej, 140 km/h, docelowo zasięg 100 km III Kongres Elektryki Polskiej 7

8 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych a) Linia miejska Gdynia Główna Gdynia Chylonia Port Oksywie Niezelektryfikowany jednotorowy (remont 2007 r.) odcinek 15,6 km w obie strony, dopuszczalna prędkość 70 km/h Hipotetycznie przyjęto pojazd dwuczłonowy, bazujący na DMU firmy PESA typ SA132 o danych: moc silników 2 x 350 kw, prędkość maks. ok. 100 km/h Przyjęto, że silniki elektryczne i falowniki zastąpią silniki spalinowe z przekładniami oraz zbiorniki paliwa masę służbową pojazdu 80 t powiększono o hipotetyczną masę zasobnika 10 t Przyjęto hybrydowy zasobnik energii (akumulatory litowo-jonowe wraz z superkondensatorami do odzysku energii hamowania) III Kongres Elektryki Polskiej 8

9 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych a) Linia miejska Gdynia Główna Gdynia Chylonia Port Oksywie Obliczenia energetyczne przejazd teoretyczny w Matlab/Simulink III Kongres Elektryki Polskiej 9

10 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych a) Linia miejska Gdynia Główna Gdynia Chylonia Port Oksywie Przebieg prędkości Przebieg pobieranej energii i mocy Wyniki obliczeń energetycznych dla jazdy forsownej III Kongres Elektryki Polskiej 10

11 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych a) Linia miejska Gdynia Główna Gdynia Chylonia Port Oksywie Wyniki obliczeń energetycznych / Dobór zasobnika hybrydowego Przebieg prądu, napięcia i stopnia naładowania zasobnika IPEMU dla jazdy forsownej Niezbędna energia do forsownego prowadzenia pojazdu na trasie 78 kwh, dla jazdy energooszczędnej 70 kwh Wymagany maks. prąd zasobnika 1150 A Dobrano 189 modułów litowo-jonowych typu SB12V160E-ZC o maks. prądzie 300 A w układzie 62 szeregowo x 3 równolegle. Wypadkowa pojemność 384 kwh, masa z przekształtnikiem 6 t, objętość 5,5 m 3 Do przejmowania energii hamowania dobrano superkondensatory o pojemności 10,25 kwh, masa z przekształtnikiem 2 t. Prąd maksymalny zasobnika 1440 A Pojemność akumulatorów prawie 5-krotnie przewymiarowana. Pojazd może obsługiwać 2-3 razy dłuższą trasę bez obawy o głębokie rozładowanie. III Kongres Elektryki Polskiej 11

12 b) Linia aglomeracyjno-regionalna Gdańsk Gł. Port Lotniczy Gdynia/ Kartuzy/ Kościerzyna Od Gdańska Wrzeszcza niezelektryfikowana 15 km, łuki o R = m, zmiana wysokości 130 m, największe pochylenie wzdłużne ~ 27, charakter kolei miejskiej 9 przystanków, średnio co 1500 m Przebieg przy granicy Trójmiejskiego Parku Krajobrazowego, obsługiwana przez DMU! Przyjęto zelektryfikowanie odcinków od Rębięchowa do Gdyni i Kartuz/Kościerzyny Hipotetycznie przyjęto BEMU FLIRT firmy Stadler moc silników 1000 kw masa służbowa 76 t i doposażenie w zasobniki hybrydowe Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych III Kongres Elektryki Polskiej 12

13 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych b) Linia aglomeracyjno-regionalna Gdańsk Gł. Port Lotniczy Gdynia/ Kartuzy/ Kościerzyna Wrzeszcz Port Lotniczy Port Lotniczy Wrzeszcz Obliczenia energetyczne - przebieg prędkości III Kongres Elektryki Polskiej 13

14 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych b) Linia aglomeracyjno-regionalna Gdańsk Gł. Port Lotniczy Gdynia/ Kartuzy/ Kościerzyna Obliczenia energetyczne wymagana energia i dobór zasobnika Przed wyjazdem ze stacji Gdańsk Wrzeszcz w kierunku Port Lotniczy 130 kwh, w tym 50 kwh w superkondensatorach Przed wyjazdem ze stacji Port Lotniczy w kierunku Gd. Wrzeszcz 101 kwh, w tym 76 kwh w superkondensatorach może być uzyskiwana z hamowania pomiędzy przystankami i oddawana podczas rozruchu Można przyjąć baterię akumulatorów analogiczną jak dla trasy (a) pojemność 384 kwh, Zasobnik superkondensatortowy powinien być dwukrotnie większy 20 kwh, Łączna masa zasobnika hybrydowego < 10 t Szacunkowy koszt zasobnika wraz z osprzętem 2,5 mln zł III Kongres Elektryki Polskiej 14

15 Studium zastosowania elektrycznych jednostek trakcyjnych na liniach częściowo zelektryfikowanych c) Linia aglomeracyjna Gdynia Gł. Reda Hel (wakacyjne oblężenia) Od stacji Reda do stacji Hel linia niezelektryfikowana 62 km, 10 stacji i przystanków, obsługiwana przez DMU! Przyjęto wybudowanie na stacji Hel ładowarki postojowej zasobnika pojazdów Liczba zatrzymań na trasie podobna jak w przypadku (a) Gdynia Port Oksywie W uproszczeniu wymagana pojemność akumulatorów dla zasięgu jazdy 78 kwh x 62 km/15,6 km = 312 kwh W celu zabezpieczenia przed głębokim rozładowaniem 2 x 312 kwh = 624 kwh III Kongres Elektryki Polskiej 15

16 Podsumowanie Przeprowadzone analizy symulacyjne wskazują na możliwość realizacji zadań transportowych bez kosztownej i zaburzającej krajobraz elektryfikacji wybranych przykładowo 3 odcinków połączeń kolejowych istotnych dla obsługi aglomeracji trójmiejskiej i turystycznego regionu Zatoki Gdańskiej. Lekkie elektryczne jednostki trakcyjne wyposażone w hybrydowe zasobniki energii mogą zapewnić dynamikę jazdy typową dla nowoczesnych miejskich jednostek elektrycznych, zarówno w ruchu aglomeracyjnym, w tym na linii o profilu zbliżonym do linii górskiej oraz dla linii regionalnej. Środowisko tych istotnych dla mieszkańców i turystów tras kolejowych nie będzie zanieczyszczana przez spaliny emitowane przez zespoły trakcyjne z silnikami Diesla. Dzięki sąsiedztwu zelektryfikowanych linii lub realizowanych elektryfikacji, można zapewnić ładowanie baterii akumulatorów elektrycznych jednostek trakcyjnych bez dodatkowych przerw w podróży. III Kongres Elektryki Polskiej 16

17 III Kongres Elektryki Polskiej 17