artykul4070[1].pdf

)OSPSKMG^REQSGL]FV]H]

6EMPTS[IV8IGLRSPSKMIW'SVT

^ENQYNIWMVS^[SNIQTVSHYOGNk

SVE^QEVOIXMRKMIQ

MWTV^IHEàk

WTIGNEPMWX]G^R]GL

W]WXIQz[^EWMPERME

[IRIVKMHPEXVERWTSVXY

;TSVz[RERMY

HSOSR[IRGNSREPR]GL

PSOSQSX][REW^E

XIGLRSPSKMEYQSàPM[ME

OPMIRXSQ^REG^RMI

^VIHYOS[EpOSW^X]

Yà]XOS[ERME TV^]

Vz[RSG^IWR]Q

[]VEsR]Q SFRMàIRMY

IQMWNMW^OSHPM[]GL

WOEHRMOz[[WTEPMREGL¬

0ITW^E)OSRSQME

'^]WXIÈVSHS[MWOS

([MIPMRMITVSHYOXY

7IVME64PSOSQSX][]PMRMS[IMQERI[VS[I

" 64&([IVWNEXV^]WMPRMOS[E

-RRS[EG]NRE8IGLRSPSKME

,]FV]HS[E

8IGLRSPSKMEL]FV]HS[E[REW^]GL

W]WXIQEGLSHRSWMWMHS[]OSV^]WXERME

[MGINRMàNIHRIKSsVzHEIRIVKMM

/SV^]ÉGM

">QRMINW^IRMISHHS^Yà]GME

TEPM[EMIQMWNMKE^z[GMITPEVRMER]GL

"(S^QRMINW^SREIQMWNEXPIROz[

E^SXY23\MG^kWXIOWXE]GL

"3FRMàIRMIOSW^Xz[YXV^]QERME

"6IHYOGNELEEWY

" 64&,[IVWNEH[YWMPRMOS[E

4VSHYOX]

6S^[Mk^ERME6EMPTS[IVFE^YNk

REWXERHEVHS[]GLPSOSQSX][EGL

WTEPMRS[]GL;MOW^SÉpEOXYEPRMI

IOWTPSEXS[ER]GLTSNE^Hz[QSàIF]p

^TS[SH^IRMIQHSWXSWS[ERE

HSXIGLRSPSKMML]FV]HS[IN

7IVME++PSOSQSX][]QERI[VS[I

" ++&TIREL]FV]HE

%OXYEPRMOPMIRGM

"9RMSR4EGMJMG

"&27*6EMP[E]

"6EMPWIVZI

"¬

OEFMRE

QEW^]RMWX]

W^EJE

IPIOXV]G^RE

^IWTz

FEXIVMM

WMPRMO

WTEPMRS[]

^IWXE[LEQYPGE

H]REQMG^RIKS

STGNSREPRMI

)YVSTIERLIEHUYEVXIVW6EMPTS[IV8IGLRSPSKMIW'SVT

# F&PH4EITWIQ # &&VYWWIPW

# MRJS$VEMPTS[IVGSQ # LXXT[[[VEMPTS[IVGSQ

Maciej Michnej, Maciej Szkoda

Współczesne rozwiązania

hybrydowych układów napędowych

spalinowych pojazdów trakcyjnych

Europejski rynek hybrydowych pojazdów trakcyjnych

znajduje się w fazie rozwoju. Jednym z wiodących produ-

centów tego typu rozwiązań jest kanadyjska firma Railpo-

wer Technologies Corp., która w Europie wdrożyła swoją

technologię między innymi w firmie Swedish Tiran Tech-

nology (STT). W artykule przedstawiono ideę hybrydowe-

go układu napędowego oraz konfigurację wyposażenia

lokomotywy, w oparciu o rozwiązania firmy Railpower.

22 czerwca 2006 r. Komisja Europejska uchwaliła dokument pod

nazwą Keep Europe Moving, stanowiący rewizję Białej Księgi

uchwalonej w 2001 r. Jedną z głównych kwestii podnoszonych

w tym dokumencie jest zmniejszenie negatywnego wpływu trans-

portu na środowisko naturalne poprzez redukcję emisji zanie-

czyszczeń oraz zmniejszenie jednostkowego zużycia energii. Nie-

stabilna sytuacja na światowych rynkach ropy naftowej wpływa

niekorzystnie na ceny paliw używanych w transporcie. Wzrost cen

paliwa wpływa na zwiększenie kosztów eksploatacji pojazdów

trakcyjnych oraz zmniejsza efektywność przewozów pasażerskich

i towarowych.

W ostatnich latach nastąpił rozwój techniki napędów hybry-

dowych, pozwalający na powszechne zastosowanie ekologiczno-

-ekonomicznych rozwiązań w transporcie kolejowym. Biorąc pod

uwagę długi cykl życia pojazdów trakcyjnych oraz oszczędności

wynikające ze zmniejszonego zużycia paliwa, można stwierdzić,

że stosunkowo wysoka cena tych systemów zwróci się szybko,

pozwalając przy tym osiągnąć niewymierne korzyści o charakte-

rze ekologicznym.

Fot. 1. Lokomotywa hybrydowa GG20B w technologii Railpower [1]

Fot. 2. Lokomotywa hybrydowa RP20BH w technologii Railpower [1]

Idea systemu hybrydowego

Zasadniczym celem stosowania hybrydowych układów napędo-

wych jest ograniczenie zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń,

poprzez efektywne wykorzystanie mocy spalinowego pojazdu

trakcyjnego. Obecne rozwiązania opierają się głównie na wyko-

rzystywaniu do napędu silników trakcyjnych lokomotyw, energii

elektrycznej zmagazynowanej w akumulatorach zasilanych z ze-

społu napędowego (silnik-prądnica) lub na zastosowaniu dwóch

silników o małej mocy oraz baterii akumulatorów. Spotykane są

również rozwiązania polegające na wyposażeniu lokomotywy

w trzy jednostki napędowe uruchamiane zależnie od obciążenia

pojazdu. Zasadę działania najprostszego napędu hybrydowego

przedstawiono na rysunku 1.

Zespół napędowy (silnik–prądnica) wytwarza energię elek-

tryczną, która jest magazynowana w akumulatorach składających

się z określonej liczbie modułów baterii. W zależności od akual-

nego zapotrzebowania mocy silniki trakcyjne mogą być zasilane

poprzez falownik (IGBT) z baterii akumulatorów lub z prądnicy ze-

Rys. 1. Idea działania napędu hybrydowego konstrukcji Railpower Techno-

logies Corp. [1]

społu napędowego. Optymalnym wykorzystaniem zmagazynowa-

nej energii steruje mikroprocesorowy system sterowania.

Rozwiązania hybrydowych układów napędowych

Konstrukcja hybrydowych układów napędowych uzależniona jest

w głównej mierze od przeznaczenia eksploatacyjnego lokomoty-

wy. Liczba modułów baterii akumulatorów oraz silników spalino-

wych dobierana jest do określonych warunków pracy pojazdu.

Na rysunku 2 przedstawiono lokomotywę manewrową serii

GK10B, w której z uwagi na niewielkie zapotrzebowanie mocy za-

stosowano dwa moduły baterii 700 V DC 600 Ah typu VRLA oraz

silnik spalinowy o mocy 120 KM.

10 /2007

Rys. 2. Lokomotywa serii GK10B konstr. Railpower Technologies Corp. [1]

1 - kabina maszynisty, 2 - wyposażenie elektryczne, 3 - moduł bate-

rii, 4 - sprężarka powietrza, 5 - zespół napędowy (silnik–prądnica)

mi spalinowymi. Zarządzanie pracą silników wykonywane jest

przez mikroprocesorowy system sterowania, który analizuje aktu-

alne warunki obciążenia lokomotywy i włącza odpowiednią liczbę

zespołów napędowych. Ponadto system sterowania odpowie-

dzialny jest za równomierne obciążenie poszczególnych silników

spalinowych wyrażone w motogodzinach pracy. Pozwala to za-

chować porównywalne parametry zużycia wszystkich jednostek

napędowych.

Lokomotywa serii GG20B (rys. 3) dzięki zastosowaniu czte-

rech modułów baterii 700 V DC, 1200 Ah typu VRLA oraz silnika

spalinowego o mocy 268 KM ma charakter bardziej uniwersalny

i może wykonywać cięższe prace manewrowe, jak również obsłu-

giwać bocznice kolejowe.

Rys. 5. Lokomotywa serii RP20BD konstrukcji Railpower Technologies

Corp. [1]

1 - kabina maszynisty, 2 - wyposażenie elektryczne, 4 - sprężarka

powietrza, 5 - zespół napędowy (silnik–prądnica)

Rys. 3. Lokomotywa serii GG20B konstr. Railpower Technologies Corp. [1]

1 - kabina maszynisty, 2 - wyposażenie elektryczne, 3 - moduł bate-

rii, 4 - sprężarka powietrza, 5 - zespół napędowy (silnik–prądnica)

Lokomotywa serii RP20BD (rys. 5) wyposażona jest w trzy

zespoły napędowe z silnikami spalinowymi o mocy 667 KM.

W tym rozwiązaniu baterie akumulatorów służą do rozruchu silni-

ków oraz zasiania elementów wyposażenia elektrycznego podczas

postoju lokomotywy. W tabeli 1 zestawiono podstawowe dane

techniczne lokomotyw hybrydowych oraz wielosilnikowych, zbu-

dowanych na bazie technologii Railpower.

W przedstawionych rozwiązaniach, silnik spalinowy włączany

jest jedynie w celu ładowania baterii akumulatorów. Pozwala to

uniknąć znacznych strat paliwa podczas pracy na biegu jałowym.

W lokomotywach manewrowych praca na biegu jałowym stanowi

od 50 nawet do 80% całkowitego czasu pracy pojazdu. Ponadto,

większość lokomotyw używanych w ruchu manewrowym wyko-

rzystywana jest w znikomym zakresie mocy znamionowej silnika

– najczęściej nie przekracza 30% [2, 3].

Rozwiązania hybrydowe przeznaczone są również do lokomo-

tyw liniowych, w których zastępuje się duży silnik spalinowy,

dwoma mniejszymi jednostkami napędowymi oraz dodatkowo

montuje się baterie akumulatorów. Lokomotywa liniowa może ko-

rzystać z energii zgromadzonej w bateriach, podczas przejazdu

przez obszary zurbanizowane, dzięki czemu redukuje się do mini-

mum emisję hałasu i zanieczyszczeń. Takie rozwiązanie zastoso-

wano w lokomotywie serii RP20BH, prezentowanej na rysunku 4.

Lokomotywa RP20BH ma dwa zespoły napędowe z silnikami

o mocy 667 KM każdy oraz dwa moduły baterii 700 V DC 600 Ah

typu VRLA. Zespoły napędowe pracują równocześnie jedynie pod-

czas obsługi ciężkich pociągów i dużego zapotrzebowania mocy.

Rozwiązania zastosowane w ciężkich lokomotywach liniowych

z silnikiem spalinowym o dużej mocy polegają na zastąpieniu

energochłonnej jednostki napędowej, trzema mniejszymi silnika-

Tabela 1

Podstawowe dane techniczne lokomotyw hybrydowych

Railpower Technologies Corp.

Lokomotywy serii

GG – manewrowe

RP – liniowe

GK10B GG20B RP20BH RP20BD

dwa silniki, trzy silniki

dominujący dominujący dominujący

udział baterii udział baterii udział silnika

Moc lokomotywy [KM] 1000 2000 2000 2000

Silnik spalinowy [KM] 120 268 667 667

(dwa silniki) (trzy silniki)

Baterie

700 V DC 700 V DC 700 VDC funkcja

600 AH 1200 AH 600 AH pomocnicza

Technologia hybrydowa firmy Railpower przeznaczona jest

głównie do modernizowanych lokomotyw spalinowych. Proces

modernizacji polega na demontażu nadwozia i elementów wypo-

sażenia lokomotywy (rys. 6). Ramę, wózki i silniki trakcyjne pod-

daje się naprawie lub modernizacji. Na przygotowaną ramę mon-

tuje się wyposażenie elektryczne i elektroniczne, baterie

akumulatorów oraz silnik. Standardowy pulpit sterowniczy oraz

prosta obsługa eliminują konieczność specjalnego szkolenia ma-

szynistów do pracy na lokomotywie hybrydowej.

Rys. 4. Lokomotywa serii RP20BH konstrukcji Railpower Technologies

Corp. [1]

1 - kabina maszynisty, 2 - wyposażenie elektryczne, 3 - moduł bate-

rii, 4 - sprężarka powietrza, 5 - zespół napędowy (silnik–prądnica)

Korzyści z zastosowania systemu hybrydowego

Ogólne korzyści płynące z zastosowania systemu hybrydowego

w lokomotywach spalinowych można podsumować w dwóch ka-

tegoriach: kosztów zewnętrznych związanych ze szkodliwym od-

działywaniem na środowisko naturalne oraz kosztów eksploatacji

związanych z użytkowaniem i utrzymaniem pojazdu. Wstępna

analiza efektywności systemu hybrydowego wykazała, że w zakre-

sie kosztów zewnętrznych rozwiązanie to umożliwia:

n zmniejszenie o 70–90% emisji NO x i cząstek stałych,

10 /2007 39

n zmniejszenie o 20–60% emisji HC i CO 2 ,

n znaczące zmniejszenie poziomu hałasu i drgań zarówno gene-

rowanych w kabinie maszynisty, jak i na zewnątrz pojazdu.

Natomiast w zakresie kosztów eksploatacji:

n zmniejszenie o 20–70% kosztów zużycia paliwa,

n kilkakrotnie mniejsze koszty zużycia oleju silnikowego,

n zwiększenie o około 60% niezawodności, a tym samym zmniej-

szenie kosztów utrzymania nieplanowego (naprawy awaryjne),

n zmniejszenie kosztów obsług planowych (przeglądów i napraw

planowych),

n polepszenie komfortu jazdy, poprzez wprowadzenie nowocze-

snych rozwiązań w układzie sterowania i napędu.

5,0

4,5

RP20BH

GG20B

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

Cena oleju napędowego [zł/litr]

Tabela 2

Porównanie zmniejszenia zużycia paliwa

i emisji spalin lokomotyw hybrydowych

Rys. 7. Okres zwrotu nakładu dla dwóch hybrydowych układów napędo-

wych RP20BH i GG20B

Seria GG

Seria RP

GG20B RP20BH RP20BD

Ocena opłacalności poprzez okresu zwrotu nakładu stanowi

zaledwie początek obszernej analizy efektywności systemów hy-

brydowych oferowanych przez firmę Railpower, która zostanie

wykonana w Instytucie Pojazdów Szynowych Politechniki Krakow-

skiej z zastosowaniem zaawansowanych modeli decyzyjnych,

w tym analizy LCC.

Zmniejszenie zużycia paliwa [%] 40–70 20–40

Zmniejszenie emisji spalin [%] 80–90 ok. 80

Przeznaczenie

Lekka praca Praca Ruch liniowy

manewrowa, manewrowa,

zakłady obsługa górek

przemysłowe rozrządowych

(np. huty)

Podsumowanie

Lokomotywy z systemami hybrydowymi testowane były w róż-

nych warunkach atmosferycznych – zarówno w temperaturach

powietrza powyżej 35°C, podczas badań w Kalifornii (USA), jak

i w surowych warunkach zimowych w Kanadzie, w temperaturze

poniżej –30°C, lokomotywy charakteryzowały się wysoką nieza-

wodnością i gotowością techniczną. Pozytywne opinie przewoźni-

ków, jak: Amtrak, Union Pacific, Canadian Pacific Railway, Rail-

serve czy BNSF Railway, eksploatujących lokomotywy hybrydowe

w Ameryce Płn., pozwalają optymistycznie myśleć o rozwoju tych

rozwiązań na kontynencie europejskim.

Wykonane analizy wykazały, że optymalnym rozwiązaniem

implementacji hybrydowych układów napędowych na rynku pol-

skim, jest modernizacja popularnej lokomotywy serii SM42.

Z uwagi na swoją konstrukcję, lokomotywa ta może zostać wypo-

sażona w dwusilnikowy hybrydowy układ napędowy (seria

RP20BH), jak również w „pełny” hybrydowy układ napędowy (se-

ria GG20B), w zależności oczywiście od przeznaczenia pojazdu.

Bardzo duże oszczędności w zużyciu paliwa oraz znaczące

ograniczenie emisji spalin w serii GG, tzw. pełnej hybrydy, wyni-

kają z faktu, że czas pracy silnika spalinowego na biegu jałowym

jest w tym rozwiązaniu ograniczony do minimum. Podczas posto-

jów eksploatacyjnych silnik spalinowy jest wyłączony, a ponowny

rozruch lokomotywy odbywa się z baterii akumulatorowych.

Kalkulacje, wykonane za pomocą prostych metod oceny fi-

nansowej, wykazały, że przedsięwzięcie polegające na moderni-

zacji starej lokomotywy manewrowej, np. serii SM42, na lokomo-

tywę hybrydową powinno być bardzo opłacalne. Opłacalność ta

jest tym większa, im większe jest eksploatacyjne wykorzystanie

pojazdu w ciągu roku. Na rysunku 7 przedstawiono zależność

okresu zwrotu nakładu w funkcji ceny paliwa dla dwóch syste-

mów hybrydowych: pełnej hybrydy (seria GG20B) i wersji dwu-

silnikowej (seria RP20BH). Obliczenia zostały wykonane dla przy-

jętych, hipotetycznych warunków eksploatacji. W pierwszym

przypadku założono warunki odpowiednie dla pracy pojazdu w za-

kładzie przemysłowym, w drugim założono, że lokomotywa zaan-

gażowana jest przy pracy manewrowej o rocznym obciążeniu

5000 mth (motogodzin).

Literatura

[1] Materiały ofertowe firmy Railpower Technologies Corp.

[2] Kałuża E.: Czynniki warunkujące opłacalność eksploatacji pojazdów hy-

brydowych . Czasopismo Techniczne Elektronika 7/1993-E, s. 63–76.

[3] Kałuża E.: Hybrydowe lokomotywy manewrowe w świetle efektywności

eksploatacyjnej . Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Z.118. Gliwice

1990.

[4] Studium techniczno-ekonomiczne odnowy parku pojazdów trakcyjnych

eksploatowanych przez PKP CARGO S.A. Etap IV: Modernizacja ma-

newrowych lokomotyw spalinowych serii SM42. Praca nr M8/631/2006.

Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Szynowych. Kraków 2007.

Autorzy

mgr inż. Maciej Michnej

mgr inż. Maciej Szkoda

Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Szynowych

Rys. 6. Proces modernizacji klasycznej lokomotywy na lokomotywę hybrydową [1]

10 /2007

2,5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: