Один из основных трендов на железнодорожном транспорте последних лет — проработка внедрения альтернативных видов тяги, призванных заменить дизельные силовые установки. Такой вектор связан с принятым во многих странах курсом на снижение выбросов парниковых газовых в соответствии с целями устойчивого развития ООН, а также выработкой ресурса дизельного подвижного состава на неэлектрифицированных линиях. К тому же перевозчики ищут альтернативы более оптимальной и традиционной, но дорогостоящей и продолжительной электрификации сети.
Опубликовано в альманахе «Тренды рынка подвижного состава» к международному железнодорожному салону «PRO//Движение.Экспо» 2023 года
В ответ на запрос рынка разработки по такому подвижному составу ведут все крупные производители подвижного состава. Предлагаемая потенциальным заказчикам техника делится на две основных категории — водородная и аккумуляторная тяга, внутри которых возможны гибридные исполнения с дополнительным питанием как от контактной сети, так и дизеля. В то же время ряд компаний экспериментирует с применением альтернативного топлива в традиционных двигателях внутреннего сгорания — природного газа или биотоплива. Стоит отметить, что параллельно презентациям подвижного состава в мире выходит значительное количество сравнительных исследований, посвященных оценкам экономической целесообразности внедрения альтернативной тяги. Однако их результаты во многом зависят от того, за какой период берутся вводные для расчетов параметры стоимости электроэнергии, дизеля, топливных элементов, аккумуляторов, затрат на создание различной инфраструктуры и т.п.
Водородные поезда
В части преимуществ водородных поездов отмечается то, что они обладают «нулевым» выбросом CO2, практически бесшумны, имеют более высокий КПД по сравнению с дизелем. Однако использование невозобновляемых источников энергии для производства водорода ставит под сомнение «нейтральность» углеродного следа такой тяги. К тому же на текущий момент довольно высокими остаются стоимость водорода и затраты на его транспортировку, а также требуется создание соответствующей заправочной инфраструктуры.
На рынке представлены два основных технологических решения по водороду. Первое — топливные элементы — предполагает выработку электроэнергии посредством реакции «холодного горения» между водородом и кислородом. В данном случае побочными продуктами химической реакции являются водяной конденсат и пар, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах. Второе — включение водорода в смесь с дизелем. В этой технологии сохраняется традиционная работа двигателя внутреннего сгорания, а водород служит повышению КПД и снижению объема выбросов.
Французская Alstom стала первой на рынке, создавшей серийную модель поезда Coradia iLint с тягой от водородных топливных элементов. Такие поезда пошли в опытную эксплуатацию в Германии в 2018 году, а с прошлого года там заработала первая в мире коммерческая водородная линия протяженностью 100 км с парком из 14 двухвагонных составов. По оценкам заказчика — транспортной администрации Нижней Саксонии LNVG — это позволит экономить около 1,6 млн литров дизельного топлива и сократить выбросы CO2 на 4,4 тыс. т ежегодно. Однако недавно LNVG отказалась от планов дальнейшей закупки водородных машин из-за высокой стоимости эксплуатационных расходов и выбрала для дальнейшего внедрения аккумуляторную тягу.
Сейчас в портфеле заказов Alstom находятся контракты на поставку 27 поездов Coradia iLint для различных регионов Германии, 14 поездов — для итальянского перевозчика FNM, 12 поездов —для регионов Франции. Демонстрационные испытания водородного поезда Alstom проводились в Австрии, Нидерландах, Польше, Швеции, сейчас идут в Канаде и планируются в Саудовской Аравии.
Силовая установка Coradia iLint состоит из двух модулей с топливными элементами мощностью по 200 кВт каждый, которые расположены на крыше двух вагонов. Их производителем является канадская компания Hydrogenics (входит в американскую Cummins). В подвагонном пространстве установлены два литий-ионных аккумулятора общей мощностью 220 кВт производства немецкой компании Akasol. Максимальная скорость Coradia iLint составляет 140 км/ч, запас хода — 800 км, хотя в рамках показательного заезда в прошлом году поезду удалось преодолеть и 1175 км без дозаправки.
Если Alstom представила свой поезд еще в 2016 году, то остальные производители вступили в «водородную гонку» по большей части только в прошлом году. Так, в феврале 2022 года состоялась презентация первого японского поезда Hybari, разработанного Toyota и Hitachi. Он оснащен четырьмя топливными элементами суммарной мощностью 240 кВт и двумя литий-ионными батареями с идентичной мощностью. Двухвагонный состав имеет запас хода 140 км, его максимальная скорость составляет 100 км/ч.
Затем в мае 2022 года немецкая Siemens Mobility представила образец своего поезда Mireo Plus H. До этого перевозчик Niederbarnimer Eisenbahn, обслуживающий агломерацию Берлина, сделал первый заказ на поставку 7 таких двухвагонных поездов. Машина оснащена топливными элементами американской Ballard и аккумуляторами с общей мощностью тяговой системы 1,7 МВт. Максимальная скорость заявлена в 140 км/ч, ускорение — 1 м/с². Запас хода поезда в двухвагонной компоновке составляет 800 км, в трехвагонной — 1 тыс. км.
Водородный поезд Mireo Plus H на заводе в Крефельде. Источник: Siemens
В свою очередь водородный поезд FLIRT H2 швейцарской Stadler стал в прошлом году одной из основных премьер выставки InnoTrans. Он должен стать первым водородным пассажирским поездом, запущенным в эксплуатацию в США в 2024 году. Сейчас есть заказ на 5 таких поездов, также предусмотрены опционы на еще 29 машин. Главное отличие FLIRT H2 от разработок Alstom и Siemens заключается в расположении топливных элементов и бака. Если в поездах Alstom и Siemens они установлены на крыше, то в поезде Stadler — между вагонами в промежуточной секции. Как заявляет производитель, FLIRT H2 может работать весь день без дозаправки. Однако этот поезд сильно уступает Coradia iLint и Mireo Plus H по заявляемому запасу хода: 460 км против 800 км при сопоставлении двухвагонных моделей.
Водородный поезд FLIRT H2 для американского рынка. Источник: r/trains/reddit.com
Также в прошлом году свой первый водородный поезд для городских перевозок представила китайская CRRC. Он создан на базе высокоскоростной платформы Fuxing и включает 4 вагона. Заявляется, что тяговая система (топливные элементы + суперконденсаторы) позволяет ему разгоняться до 160 км/ч, а запас хода без дозаправки составляет 600 км.
Презентация первого водородного поезда CRRC на заводе в Чэнду. Источник: Liu Zhongjun/China News
Дополнительно в конце 2022 года министерство земли, транспорта и морских дел Южной Кореи и корейский институт железнодорожных исследований KRRI представили прототип водородного поезда с синхронными тяговыми двигателями на постоянных магнитах, который был выпущен Woojin Industrial Systems. Его запас хода идентичен поезду CRRC, но в то же время максимальная эксплуатационная скорость составляет 110 км/ч.
Также свой водородный поезд испытывает испанская CAF, однако он создан путем модернизации электропоезда Civia 463. Так, на трехвагонную машину был установлен гибридный двигатель с водородными топливными элементами Toyota. В этом году он был допущен к тестовой эксплуатации на железнодорожной сети Испании. Завершение испытаний намечено на 2024 год.
В России водородный поезд на базе дизельного рельсового автобуса РА-3 «Орлан» разрабатывает «Трансмашхолдинг». Запуск опытной эксплуатации 7 таких поездов на Сахалине планируется в конце 2025 года.
Водородные локомотивы
В настоящее время натурные образцы водородных тяговых машин созданы CRRC, Alstom, польской Pesa, испанской Talgo и канадским перевозчиком Canadian Pacific (CP). При этом в последних четырех топливные элементы устанавливались путем модернизации локомотивов.
CRRC показала свой прототип маневрового водородного локомотива в начале 2021 года. Заявляемая мощность составляет 700 кВт, а тяга обеспечивается водородными топливными элементами и аккумуляторами. Локомотив уже преодолел 20 тыс. км опытного пробега при перевозках угля на севере Китая, а в 2022 году CRRC получила первый экспортный контракт на поставку подобной машины в Чили.
Прототип маневрового водородного локомотива CRRC на заводе в Датуне, январь 2021 года. Источник: Xinhua
Кроме того, в этом году китайский производитель реализовал проект модернизации тепловоза под водородную тягу. Локомотив, получивший название Ningdong, оборудовали водородным двигателем мощностью 800 кВт с запасом топлива на 190 часов работы. Объем бака для хранения водорода составляет 270 кг. Сейчас в Китае курсирует более 7,8 тыс. тепловозов и, как заявляет CRRC, данный проект подойдет для модернизации 90% из них.
Тепловоз Ningdong. Источник: Weibo
Параллельно с CRRC в 2021 году Pesa представила свой образец маневрового локомотива SM42-6Dn с водородной тягой. Он создан на базе тепловоза SM42 и оснащен четырьмя электродвигателями мощностью по 180 кВт и двумя комплектами водородных топливных ячеек суммарной мощностью 85 кВт. Заявляется, что локомотив может тянуть составы массой около 3,2 тыс. т, топлива хватает на 15 часов. В этом году он получил допуск к эксплуатационным испытаниям на сети. Pesa намерена использовать опыт, полученный в ходе этого проекта, для создания водородного поезда, прототип которого планируется представить в 2025 году.
Водородный маневровый локомотив Pesa SM42-6Dn. Источник: Eisenbahn-Kurier
Alstom же не столь активна в части водородных локомотивов по сравнению с поездами. Компания в прошлом году заявила, что реализует проект по модернизации маневровых тепловозов под водород в Германии и планирует к 2025 году разработать водородную бустерную секцию для электровозов.
В Испании водородный локомотив TPH2 создала Talgo: компания сейчас испытывает модернизированный под тягу от водородных топливных элементов и контактной сети электровоз Travca. Запас хода локомотива заявляется на уровне 800 км, а максимальная скорость — 140 км/ч. Примечательно, что водородные топливные элементы и аккумуляторные батареи расположены в салоне прицепных пассажирских вагонов из-за нехватки свободного места внутри самого локомотива.
Водородный локомотив Talgo TPH2 на путях завода Лас-Матас. Источник: Oscar Lopez/trainspo.com
На североамериканском континенте в части внедрения водорода на локомотивах пока наиболее активен не производитель, а перевозчик. Так, CP представила модернизированный собственными силами под водород магистральный локомотив H2 0EL в январе 2022 года. В машине установлены водородные модули мощностью по 200 кВт от Ballard, а также аккумуляторы. К середине 2023 года его испытательный пробег в коммерческой эксплуатации превысил 1,5 тыс. км.
В России о планах работы над водородными локомотивами заявляла «Синара — Транспортные Машины» (СТМ). Соглашение о создании магистрального и маневрового локомотивов с гибридной тягой от водородных топливных элементов и аккумуляторов СТМ, РЖД и «Роснано» подписали в 2021 году. Тогда обозначались планы создания образца маневровой машины в начале 2026 года.
Аккумуляторные поезда
Внедрение аккумуляторной тяги также предполагает снижение прямых выбросов CO2. Технология представлена сегодня на рынке большой вариативностью исполнения силовой установки. Во-первых, различаются сами накопители энергии в зависимости от применяемых в них металлов. Во-вторых, аккумулятор в подавляющем большинстве случаев является одним из элементов гибридного исполнения. Про совместное применение с водородными топливными элементами было написано ранее, однако производители предлагают рынку и машины, где батареи совмещены с тягой от контактной сети или дизельного двигателя, а в ряде случаев техника включает комбинацию и всех трех источников энергии.
Stadler и Siemens Mobility представили свои образцы аккумуляторных поездов в рамках выставки InnoTrans в 2018 году. Stadler показала двухвагонный гибридный FLIRT Akku с тягой от контактной сети и аккумуляторных батарей. Затем в 2019 году компания заключила контракт с транспортным объединением немецкой федеральной земли Шлезвиг-Гольштейн NAH.SH на поставку 55 таких двухвагонных поездов. Максимальная скорость заявлена на уровне 160 км/ч, запас хода в аккумуляторном режиме — 150 км (однако зимой-2021 поезд установил рекорд, проехав 224 км без подзарядки батареи).
Аккумуляторный поезд Flirt Akku. Источник: Urban Transport Magazine
В свою очередь Siemens Mobilty показала машину Desiro ML семейства Cityjet eco с тягой от контактной сети и аккумуляторных батарей. На крыше одного из вагонов поезда были установлены блоки батарей общей мощностью 528 кВт. В режиме работы от батареи его максимальная скорость составляет 120 км/ч, ускорение при разгоне — 0,7 м/с², при питании от контактной сети скорость достигает 160 км/ч, ускорение — 1 м/с². Однако данный поезд в серию не пошел, и в 2022 году на InnoTrans был представлен двухвагонный гибридный поезд Mireo Plus B. Как заявляет производитель, запас хода у него составляет 80 км, а максимальная скорость — до 140 км/ч. В портфеле заказов компании находятся три контракта на поставку суммарно 58 таких поездов в Германию и Данию.
Гибридный поезд Siemens Mireo Plus B. Источник: wikimedia.org
Также и у Stadler в портфолио есть вторая модель поезда с аккумуляторной тягой, показанная на InnoTrans 2022. Это поезд FLIRT TRIMODAL с тягой от контактной сети переменного тока, аккумуляторных батарей и дизельного двигателя уровня Stage V мощностью 480 кВт. При этом в условиях эксплуатации приоритетным является использование электрической тяги. Силовая установка, включающая аккумуляторы и двигатель, расположена в отдельном отсеке между вагонами. Максимальная скорость поезда составляет 120 км/ч, ускорение — 1,1 м/с2. Контракт на поставку 24 поездов FLIRT TRIMODAL был заключен с британским перевозчиком TfW в 2019 году.
Гибридный поезд Stadler FLIRT TRIMODAL. Источник: railway-news.com
Схожую модель в прошлом году показала Hitachi Rail — поезд Blues с гибридной силовой установкой, включающей тягу от дизельного двигателя, контактной сети и аккумуляторных батарей. Машина была спроектирована на основе платформы Hitachi Caravaggio специально для участия в тендере на поставку до 135 таких поездов в различные регионы Италии. Первый поезд был введен в эксплуатацию в марте этого года. Blues может развивать максимальную скорость 160 км/ч при ускорении 1,1 м/с2.
Гибридный поезд Hitachi Blues в Италии. Источник: transportrail
Развитие Alstom в аккумуляторной тяге значительно уступает ее водородным решениям. В прошлом году в Германии компания начала тестировать гибридные поезда на основе платформы Coradia Continental с тягой от аккумуляторных батарей и контактной сети. При этом сообщалась, что в ходе тестов батареи выходили из строя. Заявляется, что поезда способны разгоняться до 160 км/ч при питании от батарей, запас хода составляет 120 км. Контракт на поставку 11 таких машин был заключен в 2020 году с транспортной администрацией VMS округа Средняя Саксония.
В процессе обкатки своего двухвагонного поезда с тягой от контактной сети и аккумуляторных батарей находится и чешская Skoda Group. Такая машина создана на основе платформы одноэтажных поездов 7Ev, которая выпускается с 2011 года. Заявляется, что поезда могут работать как в двухвагонной составности, так и в сцепке со старыми вагонами. На одном заряде поезд должен преодолевать около 80 км и разгоняться до 120 км/ч.
В России создание электропоезда с аккумуляторной тягой ЭС105А анонсировала СТМ. Гибридную машину планируется изготовить в 2025 году.
Аккумуляторные локомотивы
По аккумуляторной тяге для локомотивов наиболее заметна сегодня работа американских производителей. Такой локомотив EMD Joule был представлен компанией Progress Rail несколько лет назад. В линейку EMD Joule входит 5 модификаций с мощностным рядом от 1,5 до 5,7 МВт, максимальной силой тяги в продолжительном режиме от 294 до 690 кН, емкостью батарей от 4 до 14,5 МВт·ч, количеством осей от 4 до 8 единиц. Также Progress Rail создала собственную систему зарядки. Изначально машина была разработана совместно с бразильской горнодобывающей компанией Vale. Кроме того, такой локомотив был испытан в 2021 году в США, в порту Лос-Анджелеса, а в прошлом году 2 локомотива были заказаны австралийской Fortescue Metals Group.
Аккумуляторный локомотив EMD Joule. Источник: Progress Rail
В свою очередь другой американский производитель — Wabtec — показал натурный образец своего аккумуляторного FLXdrive в 2020 году. Его мощность заявлена на уровне 3,2 МВт, а тяга на 100% обеспечивается накопителями энергии. Первый заказ на него сделал канадский перевозчик CN в ноябре 2021 года. Затем сообщалось о заказах от американской Union Pacific, а также от австралийских горнорудных холдингов Rio Tinto и BHP. Суммарный заказ пока находится в пределах 20 машин. Также в прошлом году Wabtec подписала меморандум с «Казахстан Темир Жолы», предполагающий поставку 150 аккумуляторных маневровых локомотивов по технологии FLXdrive.
Аккумуляторные локомотивы FLXdrive. Источник: post-gazette.com
В направлении аккумуляторной локомотивной тяги работает и CRRC. Машины китайского производителя предназначены как для внутреннего рынка, так и поставок на экспорт. К первым относится локомотив модели NGD, который пошел в эксплуатацию в 2020 году. Максимальная скорость заявлялась на уровне 20 км/ч, запас хода — 120 км при ведении состава весом 2,5 тыс. т. В прошлом году была выпущена другая модель HXN6. Тяговая система локомотивов состоит из дизельного двигателя и аккумуляторной батареи. Мощность силовой установки составляет 1,2 МВт, максимальная сила тяги при трогании с места — более 560 кН, длительного режима — более 540 кН. Производитель заявляет, что машина сможет перевозить составы массой более 10 тыс. т.
Если говорить про экспорт, то в прошлом году первый аккумуляторный шестиосный локомотив CRRC получила бразильская Vale. Он оснащен батареями емкостью 1 МВт·ч, сила тяги составляет 520 кН. Также в прошлом году таиландской энергетической компании Energy Absolute (ЕА) был доставлен локомотив CRRC с накопителями энергии. Производитель заявляет, что машина может водить грузовые составы массой 2,5 тыс. т со скоростью 70 км/ч или пассажирские составы массой 1 тыс. т со скоростью 100 км/ч. При этом накопители энергии для машины произведены самой EA. Они должны обеспечить запас хода 150-200 км, а экономия энергии, согласно заявлению EA, составит 40% относительно тепловоза. Также летом CRRC передала венгерскому грузовому перевозчику Rail Cargo Hungaria маневровый контактно-аккумуляторный локомотив класса 461 и магистральный четырехосный электровоз Bison с суперконденсаторами. Первый в аккумуляторном режиме может буксировать 800-тонный состав со скоростью 20 км/ч в течение 85 минут. Второй имеет запас хода 10 км для работы на последней миле.
Аккумуляторный локомотив CRRC для Таиланда. Источник: wenweipo.com
В портфолио CRRC выделяется также работа немецкого завода Vossloh Rolling Stock (приобретен китайским производителем в 2020 году). На выставке Innotrans в 2022 году он представил линейку гибридных маневровых локомотивов Modula с тремя различными комбинациями тяги. Один из них — модель EBB — предполагает гибридную тягу от контактной сети и двух блоков накопителей, второй — модель BDD — имеет силовую установку в виде накопителя и двух дизельных двигателей.
Stadler на прошедшем InnoTrans показала магистральный трехсистемный локомотив Stadler EURO9000 мощностью 9 МВт с силой тяги в длительном режиме 430 кН. Главной его особенностью является гибридная силовая установка, состоящая из электродвигателя, рассчитанного для эксплуатации на линиях постоянного и переменного тока, двух дизельных двигателей суммарной мощностью 1,9 МВт и аккумуляторных батарей.
В России наиболее ожидаемым является проект контактно-аккумуляторного маневрового электровоза ЭМКА2 от ТМХ. Первая машина, созданная на одной платформе с тепловозом ТЭМ23, была выпущена в начале 2023 года, подробности компания планирует раскрыть в рамках салона «PRO//Движение.Экспо». Ранее в 2019 году ТМХ представлял концепт двухосного гибридного локомотива ТЭМ5Х с тягой от аккумуляторов и дизеля, однако на данный момент машина развития не получила. В свою очередь СТМ выпускала гибридный локомотив с подобной тягой — ТЭМ9H — в 2012 году, но и он в серию не пошел.
Другие альтернативы
Страны, имеющие значительные запасы природного газа, ведут апробацию тягового подвижного состава с применением такого топлива в двигателях внутреннего сгорания. Цель та же — снижение выбросов. Если говорить про зарубежье, то к применению природного газа подступали несколько раз в США. Один из последних проектов датирован 2017 годом: перевозчик Florida East Coast Railway тогда презентовал собственный парк из 24 модифицированных локомотивов ES44AC производства GE с тягой на сжиженном природном газе (СПГ). Для их эксплуатации была создана специальная топливная секция.
Модернизация парка тепловозов ТЭ33А под работу с СПГ прорабатывается в Казахстане. Также возможность закупки подвижного состава на газовой тяге рассматривается в Нигерии.
Очевидно, что в направлении использования природного газа идет работа и в России. К идее применения газа обращались регулярно, в частности при создании газотурбовоза, а ускорение она получила на фоне принятых национальных приоритетов по развитию газомоторного рынка. Сейчас можно выделить несколько проектов. Так, ТМХ в 2013 году выпустил маневровый тепловоз ТЭМ19 с тягой на СПГ, однако машина была произведена в единичном экземпляре, который сегодня эксплуатируется на Свердловской железной дороге. Сегодня холдинг работает над созданием новых газовых локомотивов — маневрового ТЭМ29 и магистрального 3ТЭ30Г.
В свою очередь в 2022 году в парке «Газпромтранса» в опытно-промышленную эксплуатацию пошел газотепловоз ТЭМГ1 от СТМ. Машина работает на СПГ. Этот локомотив, а также подвижной состав ТМХ предполагаются к выходу в серию в соответствии с многосторонним соглашением, которое ТМХ, Группа Синара, РЖД и «Газпром» подписали в 2016 году.
Маневровый газотепловоз ТЭМГ1 в оренбургском филиале «Газпромтранса». Источник: Газпром
В европейских же странах особое внимание сегодня уделяется возможностям применения топлива из биоматериалов. Наиболее прорабатываемым является использование биотоплива из гидроочищенных растительных масел (HVO). Эксплуатантов подвижного состава биотопливо привлекает тем, что такое сырье имеет меньшие выбросы CO2, легко внедряется, не требуется глубокая модернизация силовых установок, а также и заправочных станций. Однако, по оценкам ассоциации европейских лизингодателей подвижного состава AERRL, стоимость биотоплива пока остается выше, чем дизеля. К тому же, как вспоминал в интервью журналу «Техника железных дорог» президент ОПЖТ Валентин Гапанович, в середине 2000-х годов в России пробовали применить биотопливо на основе рапсового масла в локомотивах, однако топливная аппаратура выходила из строя.
Гибридный поезд Stadler Wink, переведенный на работу от биотоплива. Источник: Вольфанг Шеер/Railcolor
Наиболее активно в мире на внедрение биотоплива в текущем парк е нацелена Deutsche Bahn. В прошлом году перевозчик разрешил использование HVO для 1 тыс. единиц тягового подвижного состава. Кроме того, он перевел на биотопливо 57 дизель-поездов, курсирующих в федеральной земле Баден-Вюртемберг, и 30 дизель-поездов, работающих в регионе Северный Гессен. Также в этом году нидерландский перевозчик Arriva завершил перевод на тягу от HVO своего парка из 50 дизель-поездов GTW и 18 гибридных поездов WINK, которые эксплуатируются в провинциях Гронинген и Фрисландия.
