Bariery stosowania technologii odzysku energii w transporcie szynowym Obstacles for the use of energy recuperation technology in railways

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 115. Transport. 2017. )* $ -Brzozowska, !"+ }=^ V' 9

(2) . BARIERY STOSOWANIA TECHNOLOGII ODZYSKU ENERGII W TRANSPORCIE SZYNOWYM , , X :$%. Streszczenie: # V V

(3) energii w

(4)

(5) [ \ 0 akumulowania rekuperowanej energii w zasobnikach stacjonarnych oraz tych zainstalowanych w

(6) ^ _ V

(7)

(8)

(9)

(10) 0

(11)

(12) .

(13)

(14)

(15) [

(16) opracowania przeanaliz

(17) . 0 =[ . 0 V0

(18) ^ X

(19) [

(20) ^ 0 _zarówno do upowszechnienia stosowania odzysku energii w procesie hamowania, jak 0

(21) [ # = 0 = i ich zdaniem

(22)

(23) ^ 0

(24) [ "

(25) = transport szynowy, odzysk energii, pojazdy autonomiczne. 1. #;, # V

(26) 0 rozwój

(27) [

(28)

(29) 0 V ^0

(30)

(31) V0 0

(32) 6 8[ 0 . V ~ +

(33)

(34) uv^

(35) 0 0

(36)

(37)

(38)

(39) 0 6 CO2) do atmosfery [2, 13, 15, 16]. {

(40) V_ _ V _

(41) [ 4

(42) _ sposobów, a technicznej, organizacyjnej czy ekonomicznej..

(43) 70. #!=-Brzozowska, 4 V~. 2. TECHNIKI WYKORZYSTANIA ODZYSKANEJ ENERGII W przypadku konwencjonalnych elektrycznych pojazdów trakcyjnych energia kinetyczna podczas hamowania jest bezpowrotnie wytracana w postaci energii cieplnej. W pojazdach V

(44) .

(45) znej [17]. Jest to

(46)

(47)

(48) [ +

(49) _0 [3 u`^%$^%%^%:v| odzyskiwanie do globalnego systemu energetycznego kraju, co w przypadku polskiego systemu zasilania (3 kV DC w systemie kolejowym a AC systemie

(50) 8

(51) {)&)^ gromadzenie w zasobnikach energii umieszczonych w podstacjach trakcyjnych lub umi . ;

(52) ^

(53) energii elektrycznej zarówno na potrzeby trakcyjne jak i nie trakcyjne pojazdu czy podstacji, [ pojazdów autonomicznych,

(54) [

(55)

(56)

(57) _^ ^ najbardziej innowacyjnych technikach wykorzystania odzyskanej energii tj. pojazdach autonomicznych (z wykorzystaniem zasobników energii) oraz technologii odzysku energii w technologii pojazd –

(58) . _

(59) .. 2.1. POJAZDY AUTONOMICZNE

(60) 0

(61)

(62)

(63) innymi poprzez stosowanie w pojazdach zasobników energii takich jak superkondensatory, [ , 0 0 .

(64) 0 [ 4 _ trakcyjnej, ogniw paliwowych oraz poprzez bezstykowe zasilanie indukcyjne przez

(65)

(66)

(67) X [ 4

(68) V 0^ 0

(69) e

(70) auton [3 0 ^0

(71) V . 0[ \ fragmentach [ m ujemnym V ,

(72) _ w celu utrzyma V

(73) . {

(74) _ V 0

(75) [ { zakresie energoelektroniki i _ zasilania pojazdów V <$ [ ~

(76) z ^ V. ^

(77)

(78) . 0 kosztowna np. w tunelach, na mostach i [ { 0.

(79) Bariery stosowania technologii odzysku energii w transporcie szynowym. 71. jest odzyskiwanie energii z hamowania oraz jej gromadzenie w celu X

(80) .

(81) [ [28, 29]. /

(82)

(83) ^

(84) 0 [ {

(85)

(86)

(87)

(88) V ^

(89) [ V tramwajach je

(90) !3 ^0V / :$$ [ V -metalowo- ^

(91)

(92) V%$ [,0 :$$[# V

(93)

(94) & )^ 3 ^0 z baterii

(95) V [% [!

(96) V

(97) 3^ 0

(98) ! :$%` [ #

(99) w baterie litowo-

(100) _ bez zasilania z trakcji [1, 28]. 3 0

(101) ^

(102)

(103)

(104)

(105)

(106) [ V

(107) z

(108)

(109) ^ 0 V

(110)

(111) w 2014 roku. Jest to linia Utsunomiya – ! /^0

(112) VV_ V<$ ^ :$^ [+ 0V trakcyjny serii EV-+<$%

(113) -

(114) [' V

(115) testowana zasobnikowa jednostka trakcyjna IPEMU (ang. Independently Powered Electric Multiple-Unit – 0V

(116) 8[) +"( + <x V -litowo-magnezowe. Testy odbywaV

(117) ?w 2015 r. [4, 20]. &

(118)

(119) V 0

(120) indukcyjnie poprzez specjalne ur

(121)

(122)

(123)

(124) [ ! V -

(125)

(126) ^

(127)

(128) X ^

(129)

(130) [#

(131) Vstem Primove, który jest zastosowany w sieci tramwajowej Nanjing w Chinach od 2014 r., gdzie funkcjonuj: V

(132) V % km. Pojazdy 9+µ'( : 2 systemy baterii litowo-jonowych o

(133) x uxv[. 2.2. ODZYSK ENERGII W TECHNOLOGII POJAZD – POJAZD Odzysk energii na drodze jej transferu w technologii pojazd –

(134)

(135)

(136)

(137)

(138)

(139) V. _

(140) do innego pojazdu (rys. 1). Uzy

(141)

(142)

(143) V0

(144) .

(145) 0 pojazdów, czyli cykli jazdy, w których

(146)

(147)

(148)

(149)

(150) [\ to _ V0

(151)

(152)

(153) 0

(154)

(155) ["

(156)

(157) ^ _ V0 .

(158) 72. #!=-Brzozowska, 4 V~.

(159) ^

(160) ^ =V_

(161)

(162)

(163)

(164) u%:v[. Rys. 1. ~. V

(165)

(166) – pojazd | V u<v. V

(167) –

(168) V

(169) . 0[u::v V

(170) V

(171) na algorytmach genetycznych,

(172)

(173) 0^0

(174) z

(175) .

(176) [ V ^

(177)

(178) . energii trakcyjnej na poziomie 14%. Z kolei w pracy [25] autorzy zaproponowali nowy V

(179)

(180) 4

(181) ^

(182) . q lektrycznej potrzebnej na cele trakcyjne.

(183) V . V 3%. Koncepcja odzysku energii w technologii pojazd –

(184) ^ V 0 przedstawiona w [24] oraz dla linii metra w Rennes [6], gdzie zdaniem autorów wprowadzenie jej V.

(185) %:q[. 3. BARIERY WYKORZYSTANIA TECHNOLOGII 3.1. TECHNICZNE 0

(186) ^ X

(187) V

(188)

(189)

(190) _

(191) V [ 40

(192) sieci jezdnych 0 _ izolatory sekcyjne ora V [ "

(193)

(194)

(195)

(196)

(197) 6

(198) 8

(199) 6

(200)

(201)

(202) 8[\ 0.

(203) Bariery stosowania technologii odzysku energii w transporcie szynowym. 73. ekspedycyjnych sieci kolej

(204) [ V0 30 ( u:v.

(205)

(206)

(207) 0 V0

(208)

(209) ^V

(210)

(211)

(212)

(213)

(214) V 0 onymi wymaganiami technologicznymi posterunków ruchu. _ _ V

(215)

(216) V

(217)

(218) na obszarze. W przypadku gdy w s

(219) V 0 ^

(220)

(221)

(222) .

(223)

(224) _ V jezdnym. (

(225) ybszej degradacji zarówno sieci trakcyjnej jak i odbieraków

(226) 0

(227) u<`v[ V 6%8 0 ^ V _

(228) _

(229) [

(230) V

(231) V . uv[ + . (1). gdzie: Es – V ^ U –

(232)

(233) , Is – ^ Rs – rezystancja silnika. 4

(234)

(235) ^ V[ "

(236) 0V 0 V0 |

(237) ^ 0 V[ Pewne ograniczenia techniczne

(238) 0 samej specyfikacji stosowanych w

(239) V0 [ V + " 0V (

(240) STAD9+,+{'

(241) _ V

(242)

(243)

(244)

(245) tylko w :^ kV do 3,6 kV. W chw <^ kV energia elektryczna przekazywana do sieci ulega

(246) ^

(247)

(248)

(249) V [{ ^$ kV taktowanie prostowników silnika zostaje zablokowane, a

(250) 4,2 ¨

(251) V V u:%v[ Przy stosowaniu zasobników pojazdowych _

(252)

(253)

(254) _ 0

(255) [

(256) _0 [/

(257) V _ ^ . _ V i V 0 [#

(258) _ ^ V_ [

(259)

(260) V

(261) [ uperkondensatorów [11, 30, 33]..

(262) 74. #!=-Brzozowska, 4 V~. N

(263) V0 ^ . 0

(264)

(265) _ przy zastosowaniu tylko baterii litowo –

(266) V ok. 30 km [31]. Studium zastosowania hybrydowego zasobnika pojazdowego V [u%xv[ Pewnym utrudnieniem 0

(267)

(268) 0 oraz sieci trakcyjnej. W takich przypadkach, aby móc dV_

(269) elektrycznej, instaluje Vi DC-DC

(270) X [ V zasilania zasobników pokazano na rys. 2.. Rys. 2. V V 0

(271) X : opracowanie V u:$v. / 0

(272)

(273) V = ^ V _ [ \ V

(274)

(275) u<%v[. 3.2. ORGANIZACYJNE

(276)

(277) jest istnienie takiej sytuacji ruchowej, w której [3, 24]: oba pojazdy, 0

(278) 6[

(279)

(280) 8

(281) i

(282) 6[

(283)

(284) 8^

(285)

(286) odcinku zasilania, najlepiej na obszarze gdzie wys

(287) i rozruchu, np. w ruchu (rys. <8^0 V hamowania pojazd – _

(288) – pojazd jest optymalna z punktu widzenia strat V^

(289)

(290)

(291)

(292)

(293)

(294)

(295) odcinkach zasilania –

(296) V V V ych organizacji ruchu..

(297) Bariery stosowania technologii odzysku energii w transporcie szynowym. 75. Rys. 3. Uproszczony schemat rekuperacji energii w systemie pojazd - pojazd w rejonie posterunku ruchu | V. & _

(298)

(299)

(300) V

(301) _

(302) u%v[# _

(303) ^

(304)

(305)

(306) odz

(307)

(308)

(309) 0 V

(310) [ " V

(311) i

(312) 0X

(313) º

(314) _0 odcinku przejazdu 3[ # 0 _^

(315) V

(316) _ =

(317) ^ 0 . ^

(318) [ 4

(319) V

(320) 0 .

(321)

(322) u:<v[ \

(323)

(324) j

(325) _ V

(326)

(327) i symetryczny, a

(328)

(329)

(330) V[ Bariery organizacyjne stosowania zasobników pojazdów z zV 0

(331) auton

(332) 0 V

(333) gów oraz organizacji sposobów i

(334) V[{ _

(335) [

(336)

(337) ^

(338) 0V

(339) _

(340) niej oraz odzyskanej energii. W 0_ 0 V

(341) |

(342)

(343)

(344)

(345) = ^ V 0V ^ przed i po odcinkach jazdy autonomicznej linia jest zasilana z sieci jezdnej lub innego systemu zasilania. W pierwszym przypadku (rys. 8

(346)

(347)

(348) _ [ V 0 ^ V

(349) ^

(350) odpowiedni czas postoju na przystanku = [ V

(351) linia Utsunomiya – Karasuyama w Japonii, gdzie

(352) 6% ^ %%^ 8

(353)

(354) _ (36 minut, 20,4 km). Na stacji =

(355) V V:$ [.

(356) 76. #!=-Brzozowska, 4 V~. "

(357) V

(358) ^

(359)

(360) jest V

(361) jduje ^0 [ System trzeci nie stanowi bariery organizacyjnej,

(362) V_ 0

(363)

(364) V^ V _

(365) [. Rys. 4. ~.

(366)

(367) | V. 3.3. EKONOMICZNE 0 V0

(368) pojazdami nie jest koszt wprowadzenia ^

(369)

(370) V odzyskiwanej energii, natomiast koszt potencj [ z

(371) V

(372) lów maksymalizacji

(373) _

(374) 0[ 0X = stosunku do optymalnego w sensie minimalizacji.

(375) V[\ _V _

(376) V

(377) [ &

(378) V

(379) ^ a

(380) 0V ^

(381) _ V _|. >

(382) . (2). gdzie: CSE - _ .

(383) ^ CLT - _ [ \ .

(384)

(385) V ^ |. = × gdzie: CE - koszt 1 kWh energii, ES - _ .

(386) [. (3).

(387) Bariery stosowania technologii odzysku energii w transporcie szynowym. 77.

(388)

(389) % kWh energii trakcyjnej na poziomie 0,28144 PLN [26] otrzymamy:. = × 0,28144 []. (4). { 0X _

(390) . 0 . 0 u<:^ <v[

(391)

(392) gospodarce narodowej Polski za 2015 rok na poziomie 3 900 9# uv 0: 016 (wyliczone w oparciu o Dz. U. z 2014 r. poz. %`$:8^ _^ _

(393)

(394)

(395) 6wLT) dla statystycznego pracownika wyniesie: ×.

(396) = × 0,39 [/]. (5). Zate Pi^0 Vn 0^

(397)

(398) 0X (CLT) wyniesie:

(399) = × ×

(400) = × × 0,39 [/]. (6). gdzie: ck - 0V :

(401)

(402)

(403) u<v[ ~0

(404) ^

(405)

(406) V

(407) maksymalizacji zysków z odzysku energii ma ekonomiczne uzasadnienie tylko wtedy, gdy .

(408) n 0 0| !" > !"

(409) . (7). !"(0,28144 × ) > !"(0,39 × × × # ). (8). gdzie: J - _0X ^ n - 0^ i -

(410) [ Zastosowanie zasobników energii V [# _ takie czynniki jak koszt zasobnika oraz. .

(411) [ { V u%xv, w której zaproponowano wykorzystanie hybrydowego zasobnika energii _

(412) ok. 4 kWh/km. Przy. V ebiegu pojazdu 150 [

(413) . _[$$4– 200 [ V[! [< V 0 V[ V V0 0V_%` [# przy.

(414) 78. #!=-Brzozowska, 4 V~. tym _ _ 0^ 0 %` . Taka uposzczona analiza pokazuje^ V V _ 0zasobnika.. 4. PODSUMOWANIE ^

(415) 0 .

(416)

(417) [ ono techniczne, organizacyjne i ekonomiczne =

(418)

(419) 0

(420) rekuperacji energii i jazdy autonomicznej oraz technologia odzysku energii w technologii pojazd –

(421) . _

(422) [ " ^ hamowania w technologii pojazd –

(423) V V ^

(424)

(425)

(426) kolejowej oraz odopwiednie

(427) V

(428)

(429) [ ,

(430) 0

(431) 0

(432) autonomicznej wymaga dostosowania rodzaju zasobnika do warunków linii, stosowania V0{)-{) =

(433)

(434) [ / 0 V

(435) V

(436) pojazdów. /

(437) _

(438)

(439) V

(440)

(441) zysków z odzysku energii. 0 . ^ V ^ 0

(442) V nowania energii w zasobnikach. Technologia odzysku energii hamowania w technologii pojazd –

(443) V 0 _ 0 ^

(444) i ekonomicznym. Wykorzystanie zmagazynowanej energii do wprowadzenia na niektórych odcinkach pojazdów autonomicznych ma uzasadnienie techniczne i organizacyjne. + _

(445) rozptrzenia charakteru llinii i odcinków.. Bibliografia 1. Akiyama S.: The development of low floor battery-driven LRV "SWIMO". Kawasaki Heavy Industries, Ltd., Kobe, Japan 2008. 2. & ([^ / ,[^ {[^ 3. = E.: Analysis of the traffic stream distribution in terms of identification of areas with the highest exhaust pollution. Polish Academy of SciencesArchives of Transport 4/32, Warszawa 2014, s. 7-16. 3. ?V

(446) 4[^ V 4[| #

(447)

(448)

(449) [( (3 ;:$%<^0X:$%<^[:-46. 4. Batteries included: Prototype battery-powered train carries passengers for first time. { 16.02.2016: http://www.networkrailmediacentre.co.uk/news/..

(450) Bariery stosowania technologii odzysku energii w transporcie szynowym. 79. 5. Batty P., Palacin R.: The Circumvention of Barriers to Urban Rail Energy Efficiency. Urban Rail Transit 2/2015, Springer Berlin Heidelberg 2015, s. 71-77. 6. Boizumeu J. R., Leguay P., Navarro E.: Braking energy recovery at the Rennes metro. Workshop on Braking Energy Recovery Systems – Ticket to Kyoto, Bielefeld 2011. 7. {-line 15.02.2016: www.wynagrodzenia.pl/gus_roczne.php. 8. European Environment Agency: Adaptation of transport to climate change in Europe. EEA 8/2014, Luxembourg 2014. 9. First catenary- [ { :x[$<[:$%| http://primove.bombardier.com/. 10. González-Gil A., Palacin R., Batty P.: Optimal energy management of urban rail systems: Key performance indicators. Energy Conversion and Management Vol. 90, 2015, s. 282–291. 11. González-Gil A., Palacin R., Batty P.: Sustainable urban rail systems: Strategies and technologies for optimal management of regenerative braking energy. Energy Conversion and Management Vol. 75, 2013, s. 374–388. 12. Gonzalez-Gil A., Palacin R., Powell J.P.: Energy-efficient urban rail systems: strategies for an optimal management of regenerative braking energy. Transport Research Arena, Paris 2014. 13. Jacyna M., Merkisz J.: Proecological approach to modelling traffic organization in national transport system. Polish Academy of Sciences, Archives of Transport 2/30, Warszawa 2014. 14. Jacyna M., Urbaniak M.: Wybrane zagadnienia wielokryterialnej optymalizacji ruchu kolejowego w aspekcie kosztów przewozu. 4 V

(451) '¨ 4

(452) !

(453) #

(454) Najnowsze Technologie w Transporcie Szynowym, Józefów 2015. 15. / 4[^4[^9 ![^!V4[[|3 tool for developing sustainable transport. Polish Academy of Sciences, Archives of Transport 3/31, Warszawa 2014, s. 23-35. 16. Jacyna-}V'[^/[^}V[|4 development of proecological transport system. Polish Academy of Sciences, Archives of Transport 4/32, Warszawa 2014, s. 17-28. 17. /"[|" 0V

(455) [ Czasopismo Techniczne z. 6-M/2008. 18. ! /[^4V /[^/[|"

(456)

(457) [!^ %x$[ 19. !=-Brzozowska N., Karwowski K.: Elektryczne autonomiczne jednostki trakcyjne na linii Pomorskiej Kolei Metropolitalnej? Technika Transportu Szynowego 12/2015. 20. Kono Y., Shiraki N.: Catenary and Storage Battery Hybrid System for Electric Railcar Series EV-E301. The 2014 International Power Electronics Conference. 21. 4 /[|0V V

(458) +{'[Logistyka-#;:$%%^ = 2011, s. 2447-2459. 22. Nasri A., Fekri Moghadam M., Mokhtari H.: Timetable optimization for maximum usage of regenerative energy of braking in electrical railway systems. International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion – SPEEDAM, Pisa 2010. 23. Nowosielski L.: Organizacja przewozów kolejowych. KOW, Warszawa 1999. 24. Pazdro P.: !

(459)

(460)

(461) [ Technika Transportu Szynowego 1-:;:$$<^0X:$$<^[:-64. 25. Pena-Alearaz M., Fernandez A., Cucala A. P., Ramos A., Pecharroman R.R.: Optimal underground timetable design based on power flow for maximizing the use of regenerative-braking energy. Journal of Rail and Rapid Transit 226/2011, s. 397-408. 26. PKP Enegrgetyka S.A.: Taryfa dla energii elektrycznej 2015.{ -line 15.02.2016: www.pkpenergetyka.pl/Energia-dla-kolei/Sprzedaz-energii-trakcyjnej/Taryfa-TRAKCYJNA-Bt21. 27. ! 9! 3[&[^ )#(!| 3 | 3. 0V

(462)

(463) ¨ °¼:$$ km/h (dla taboru konwencjonalnego) / 250 km/h (dla.

(464) 80. 28. 29. 30. 31.. 32. 33. 34. 35.. #!=-Brzozowska, 4 V~. V 8 (\4 '¨[ { -line 16.02.2016: www.plk-sa.pl/dla-klientow-ikontrahentow/akty-prawne-i-przepisy/standardy-techniczne. Pyrgidis C. N.: Railway Transportation Systems: Design, Construction and Operation. Boca Raton, CRC Press 2016. Swanson J.: Light rail systems without wires?, 2003 IEE/ASME Joint Rail Conference, Chicago. 3 &[|+ _ [Pojazdy Szynowe 4/2009. Taguchi Y., Terada Y. A., Miki M., Hatakeda K., Kimura T.: Evaluation of a Thermal Network Model for the Traction Battery of the Battery-Powered EMU. Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2015 IEEE, s. 1-6. Tarski I.: Czynnik czasu w procesie transportowym. !^ Warszawa 1976. 4[^9 4[|? [ Logistyka 3/2015. &[| \ 0

(465)

(466) [ Wydawnictwo =

(467)

(468) 3 V"

(469) , Gorzów Wielkopolski 2011, s. 65-69. Zagozdon P.: SKM Warszawa -

(470)

(471) rekuperacji energii hamowania. Transport i Komunikacja 3/2009, Warszawa 2009.. OBSTACLES FOR THE USE OF ENERGY RECUPERATION TECHNOLOGY IN RAILWAYS Summary:At the beginning of the article an overview of existing technologies for energy recovery from braking and the possibility of its use was presented. The possibility of storing energy in stationary and onboard storage devices and the possibility of power transmission to the national electricity grid as well as its direct use by other trains located on the network was discussed. The main part contains the analysis of the boundaries for implementation of particular solutions. The main obstructing or preclusive obstacles for using described technologies were listed. Due to existing problems the paper proposes the solutions that might both contribute to the promotion of the use of recuperation energy as well as increase efficiency in the use of this technology. In conclusion the authors compared the presented technologies and solutions proposed and selected in their opinion the most effective ones, both technically and economically. Keywords: railway transport, energy recovery, autonomous vehicles.

(472)