ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ ДЛЯ ПЕРЕХОДА К ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЕ ТЯГИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ РОССИИ

PTOSPECTS FOR THE APPLICATION OF ALTERNATIVE ENERGY FOR THE TRANSITION TO A HYBRID TRANCTION SYSTEM IN RUSSIAN RAILWAY TRANSPORT

Pchelintsev Dmitry Valerievich

Student, Department of Electric Trains and Locomotives, Russian University of Transport,

Russia, Moscow

Nazarov Dmitry Valerievich

Scientific supervisor, Senior Lecturer of the Department of Electric Trains and Locomotives, Russian University of Transport,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье обоснован переход от традиционной сосредоточенной системы тяги к гибридной (универсальной) как ключевого направления модернизации железнодорожного транспорта России. Проанализированы ограничения существующей модели, жестко привязанной к контактной сети и дизельному топливу. Рассмотрены технологии водородных топливных элементов (ВТЭ) и аккумуляторных накопителей энергии (АКБ) в качестве основы для создания подвижного состава с гибридной системой энергообеспечения. Проведённый анализа конкретных компоновочных решений подтверждает, что данный подход способствует повышению гибкости, энергоэффективности и снижению эксплуатационных затраты, особенно на протяженных и не охваченных электрификацией участках.

ABSTRACT

The article substantiates the transition from the traditional centralized traction system to a hybrid (universal) system as a key direction for the modernization of Russian railway transport. The limitations of the existing model, which is rigidly tied to the overhead contact line and diesel fuel, are analyzed. Technologies of hydrogen fuel cells (FC) and battery energy storage systems (BESS) are considered as the basis for creating rolling stock with a hybrid power system. The analysis of specific design layouts confirms that this approach contributes to increased flexibility, energy efficiency, and reduced operational costs, especially on long-distance and non-electrified sections.

Ключевые слова: альтернативная энергетика; гибридная система тяги; подвижной состав; сосредоточенная тяга; водородные топливные элементы; аккумуляторные системы; железнодорожный транспорт России.

Keywords: alternative energy; hybrid traction system; rolling stock; centralized traction; hydrogen fuel cells; battery systems; Russian railway transport.

Введение

Железнодорожный транспорт является ключевым инфраструктурным элементом и драйвером социально-экономического развития России. Его конкурентоспособность и технологическая состоятельность напрямую влияют на обороноспособность, территориальную целостность и устойчивый рост национальной экономики. В этой связи модернизация тягового подвижного состава, направленная на преодоление зависимости от традиционных энергоресурсов, переходит из разряда технических задач в категорию стратегических государственных приоритетов [1].

Современная модель тягового электроснабжения российских железных дорог основана на принципе сосредоточенной тяги. Эта модель предполагает жесткую привязку подвижного состава к источнику энергии: электровозы — к контактной сети, тепловозы — к запасам дизельного топлива. Несмотря на отработанность, данная система обладает фундаментальными недостатками: высокие капитальные затраты на электрификацию, эксплуатационная негибкость на стыках электрифицированных и неэлектрифицированных участков, а также сохраняющаяся зависимость от ископаемого топлива и неполное использование потенциала существующей инфраструктуры.

Цель работы – обосновать перспективность перехода к гибридной системе тяги на основе альтернативных источников энергии для железнодорожного транспорта России.

От сосредоточенной к гибридной системе тяги: технологический прорыв

Сосредоточенная система тяги, исторически сложившаяся как доминирующая модель, основана на принципе жесткого разделения функций между инфраструктурой и подвижным составом. Энергия генерируется централизованно (на крупных электростанциях или в дизель-генераторных установках локомотивов) и передается к точкам потребления. Это приводит к сегментации сети на два технологически несовместимых пространства:

1. Электрифицированные линии, где тяга обеспечивается электровозами или электропоездами.

2. Неэлектрифицированные линии, обслуживаемые тепловозами или дизель-поездами.

Данный подход порождает системные недостатки, подтвержденные операционным анализом. Низкая операционная гибкость проявляется в необходимости смены локомотива на стыковых станциях, что приводит к простоям поездов на 1 – 2 часа и увеличивает общее время цикла грузового поезда до 15%. Невозможность рекуперации энергии на неэлектрифицированных участках приводит к безвозвратным потерям кинетической энергии торможения, тогда как на маневровых режимах потенциальный объем сберегаемой энергии достигает 25% от общего потребления. Высокие капитальные затраты делают полную электрификацию малодеятельных линий экономически нецелесообразной, а эксплуатация тепловозов сопряжена с растущими расходами на дизельное топливо и экологическими платежами.

Гибридная система тяги представляет собой технологический прорыв – переход от сосредоточенной к распределенной и адаптивной модели энергообеспечения. Ее основу составляет интеграция на борту подвижной единицы нескольких источников энергии и накопителей. Ключевыми компонентами являются:

– тяговые аккумуляторные батареи высокой энергоемкости (Li-ion, LiFePO4), выполняющие роль буфера и автономного источника;

– водородные топливные элементы, обеспечивающие длительный запас хода;

– системы рекуперативного торможения, направляющие энергию в бортовые накопители;

– интеллектуальные системы распределения энергии, оптимально управляющие мощностью между источниками.

Данный подход преобразует локомотив из узкоспециализированной единицы в универсальный тяговый модуль. Такой модуль способен работать как от контактной сети, так и автономно на неэлектрифицированных линиях, а также накапливать энергию торможения, что повышает общий КПД системы.

Технологическая основа и варианты компоновок гибридных подвижных единиц

Современные разработки в области гибридных тяговых систем демонстрируют разнообразие технических решений, адаптированных для различных эксплуатационных условий. Анализ зарубежных компоновочных решений [3] позволяет выделить ключевые направления развития:

1. Аккумуляторные системы: технология «электрификации без проводов».

Интеграция тяговых аккумуляторных батарей (АКБ) высокой энергоемкости в конструкцию подвижного состава создает принципиально новые эксплуатационные возможности: преодоление «последней мили» – движение по неэлектрифицированным участкам без потери энергоэффективности; накопление рекуперативной энергии – использование кинетической энергии торможения с последующим применением; работу в сложных узлах – функционирование на станциях и узлах без контактной сети. Примеры технических решений: аккумуляторный локомотив (сценарий B – маневровая работа) демонстрирует емкость накопителя 773 кВт·ч, что обеспечивает автономность работы в течение 4-6 часов при стандартной маневровой нагрузке, при этом компоновка включает модульное расположение АКБ под кузовом с интегрированной системой жидкостного охлаждения (рисунок 1); аккумуляторный локомотив (сценарии M – магистральный и П – пригородный/промышленный) с увеличенной емкостью 1766 кВт·ч предназначен для более требовательных режимов эксплуатации, включая грузовые перевозки на участках средней протяженности (рисунок 2).

Рисунок 1. Аккумуляторный локомотив для маневровой работы

Рисунок 2. Аккумуляторный локомотив для магистральной работы

2. Водородно-аккумуляторные гибридные системы.

Комбинированные энергетические установки, объединяющие водородные топливные элементы (ВТЭ) и тяговые аккумуляторы, представляют собой перспективное направление развития экологичного железнодорожного транспорта. Данные системы демонстрируют повышенную эффективность в условиях комбинированной эксплуатации, обеспечивая значительный запас хода при нулевом вредном воздействии на окружающую среду. Конструктивной особенностью таких решений является оптимизированное размещение компонентов силовой установки с сохранением эксплуатационных характеристик подвижного состава. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика гибридных компоновок.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики гибридных компоновок

*КС – контактная сеть.

Анализ представленных конфигураций показывает, что гибридная система АКБ+ВТЭ (сценарий B) представляет собой компактное решение для регионального применения с достаточной автономностью. Базовый вариант гибридизации АКБ+КС демонстрирует возможности работы на электрифицированных участках с функцией накопления энергии. Наиболее универсальными являются системы АКБ+КС+ВТЭ (рисунок 3), которые предусматривают различные варианты запаса водорода для сценариев эксплуатации М и П, что позволяет адаптировать подвижной состав под конкретные эксплуатационные требования. Следует отметить, что все рассмотренные конфигурации включают современные системы управления, обеспечивающие оптимальное распределение мощности между источниками энергии в различных режимах работы.

Применение аналогичной концепции для пригородных поездов способствует повышению качества пассажирских перевозок за счет организации беспересадочного сообщения между электрифицированными и неэлектрифицированными участками, устраняя необходимость пересадки и сокращая общее время поездки. Реализация такого поезда должна учитывать ограниченность габарита моторного вагона. Дополнительную сложность представляет необходимость сохранения пассажирского салона без уменьшения вместимости, что требует инновационных подходов к компоновочным решениям. В частности, одним из таких решений является размещение систем АКБ в нише пола (рисунок 4), что дает возможность не снижать количество мест.

Рисунок 3. Концепция компоновки по схеме АКБ+КС+ВТЭ

Рисунок 4. Концепция компоновки пригородного поезда по системе АКБ+ВТЭ

Также, существенным барьером остаётся высокая стоимость разработки, сертификации, обусловленная необходимостью создания принципиально новых технических регламентов для гибридных систем

3. Локомотивы с двигателем на водородном топливе.

Адаптация классических дизельных систем внутреннего сгорания для работы на водородном топливе является перспективой с точки зрения развития экологичного подвижного состава. Конструкция таких систем предусматривает два основных варианта хранения водорода – при давлении 350 и 750 бар, что непосредственно отражается на эксплуатационных характеристиках. Критически важным аспектом становится обеспечение безопасного размещения водородных емкостей и систем управления распределением энергии.

Особенностью компоновки является необходимость модификации прохода в кабину управления и организация линий обзора с учётом новых конструктивных элементов.

Таблица 2.

Сравнительные параметры водородных двигательных установок

*Расчетный запас хода для грузового движения.

Сравнение основных параметров на основе данных [3] приведены в таблице 2. Возможные схемы компоновок приведены на рисунке 5.

Анализ представленных данных демонстрирует существенное преимущество систем давлением хранения 700 бар, которые обеспечивают увеличение запаса хода на 40-50% по сравнению с решениями на 350 бар. Это достигается за счет большей плотности хранения водорода и оптимизации системы подачи топлива. При этом конструкции с меньшей мощностью 700 кВт демонстрируют лучшую энергоэффективность на единицу запаса хода, что делает их перспективными для маршрутов с умеренными нагрузками. Все варианты исполнения оснащаются многоуровневыми системами безопасности, контролирующие целостность емкостей и параметры рабочей среды, что особенно важно в условиях вибрационных нагрузок железнодорожного транспорта.

Рисунок 5. Концепция компоновки локомотива с двигателем на водородном топливе

Перспективы для России

Внедрение гибридной тяги особенно актуально для России в следующих сценариях:

1. Магистрали с частичной электрификацией: устранение «узких мест», где сейчас требуется замена локомотивов.

2. Малодеятельные линии Крайнего Севера и Сибири: отказ от дорогостоящей электрификации и неэффективных тепловозов в пользу автономных гибридных решений.

3. Грузовые терминалы и сортировочные станции: Использование гибридных маневровых локомотивов для работы без контактной сети.

4. Пригородное сообщение: создание универсальных электропоездов для обслуживания центральных и удаленных участков вблизи крупных городов.

Заключение

Проведенное исследование подтверждает, что переход к гибридным системам тяги является стратегическим направлением модернизации железнодорожного транспорта России. Технологическая зрелость решений на основе водородных топливных элементов и тяговых аккумуляторов позволяет уже сегодня начинать их практическую реализацию в различных сегментах железнодорожного транспорта для достижения поставленных целей в рамках развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года [1].

Вывод

Проведенный анализ наглядно демонстрирует, что переход на гибридные системы тяги является не теоретической перспективой, а следующим логическим этапом развития российских железных дорог. Уже сегодня отечественные производители демонстрируют реальные прототипы, такие как ГТ1h – газотурбовоз с водородной силовой установкой, созданный специалистами ВНИКТИ, успешно эксплуатируемый в депо Свердловск-Сортировочный, а также первый в России пассажирский поезд на водородных топливных элементах, созданным концерном ТМХ. Эти проекты свидетельствуют о наличии в стране необходимого научно-технического задела для организации серийного производства перспективного подвижного состава. Ключевой задачей на современном этапе становится формирование экономически обоснованных моделей эксплуатации, при этом важнейшим ресурсом оптимизации затрат выступает инфраструктурная синергия, позволяющая интегрировать развитие водородной энергетики на железнодорожном транспорте с общегосударственными программами формирования водородной экономики, включая проекты по производству "зеленого" водорода. Данный подход обеспечит значительное снижение капитальных затрат за счет использования единой производственной и логистической инфраструктуры, а также создаст предпосылки для формирования замкнутого технологического цикла. Перспективным представляется создание региональных пилотных полигонов, где может быть отработана комплексная модель перехода на гибридную тягу. Дальнейшие исследования целесообразно сконцентрировать на оптимизации параметров жизненного цикла гибридных систем и развитии отечественной производственной базы ключевых компонентов, что в конечном итоге позволит не только обеспечить технологическую модернизацию отрасли, но и сформировать экспортный потенциал в области перспективных транспортных систем.

Список литературы:

1. Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года [Электронный ресурс]: утв. распоряжением Правительства Рос. Федерации от 17 июня 2008 г. № 877-р. – Режим доступа: https://mintrans.gov.ru/documents/3/1010?type (дата обращения: 01.11.2025).
2. М.М. Соколов Анализ эффективности технологий тяги на железнодорожном транспорте. М.: ВНИИЖТ, 2021.
3. Ефремов А. Альтернативные технологии тяги для маневровых локомотивов. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://zdmira.com/articles/alternativnye-tekhnologii-tyagi-dlya-manevrovykh-lokomotivov#q4 (дата обращения 01.11.2025)