Интеграция возобновляемых источников энергии в высокоскоростные железнодорожные энергетические системы

Интеграция возобновляемых источников энергии в высокоскоростные железнодорожные энергетические системы

Сети высокоскоростных железных дорог (ВСМ) уже являются одним из самых энергоэффективных видов массового транспорта, но их экологический след далеко не нейтральный. Электричество, которое питает эти поезда, часто поступает из сетей, все еще зависящих от ископаемого топлива. По мере того, как страны ускоряют свои цели декарбонизации, интеграция возобновляемых источников энергии - солнечной, ветровой, гидро- и новых технологий - непосредственно в энергосистемы ВСМ стала стратегическим императивом. В этой статье рассматриваются методы, реальные примеры, проблемы и будущие пути для создания высокоскоростной железнодорожной системы, которая не только быстра и надежна, но и действительно устойчива.

Стратегический аргумент в пользу возобновляемых источников энергии в высокоскоростных железных дорогах

Основным драйвером интеграции возобновляемых источников энергии в ВСМ является сокращение выбросов парниковых газов в течение всего жизненного цикла. В то время как электропоезда не производят прямых выхлопных газов, полные выбросы на колесах полностью зависят от смеси генерации сети поставок. В странах, где до сих пор доминирует уголь или природный газ, система ВСМ может иметь углеродный след, сопоставимый с авиацией на короткие расстояния. При непосредственном поиске или производстве возобновляемой электроэнергии операторы могут сократить эти косвенные выбросы.

Помимо сокращения выбросов углерода, существуют экономические и стратегические выгоды. Цены на возобновляемые источники энергии резко упали: солнечные и ветряные электростанции в коммунальном масштабе теперь дешевле, чем новые электростанции на ископаемом топливе в большинстве регионов. Долгосрочные соглашения о покупке электроэнергии (PPA) с разработчиками возобновляемых источников энергии могут обеспечить стабильные затраты на электроэнергию в течение десятилетий, изолируя железнодорожных операторов от неустойчивых цен на ископаемое топливо. Энергетическая независимость также снижает воздействие геополитических сбоев в цепочках поставок топлива. Кроме того, железнодорожные станции и склады технического обслуживания требуют значительной базовой мощности для освещения, HVAC и сигнализации - местные возобновляемые источники энергии могут обеспечить чистую энергию для этих объектов, одновременно подавая излишки в тяговую сеть.

Методы интеграции возобновляемых источников энергии в высокоскоростные железнодорожные энергетические системы

Поколение на месте вдоль правого пути

Высокоскоростные железнодорожные коридоры часто пересекают открытые сельские ландшафты с достаточным воздействием солнца и ветра. Установка солнечных фотоэлектрических (PV) панелей на крышах станций, звуковых барьеров и даже вдоль набережных на рельсах может генерировать энергию непосредственно для тяговых или вспомогательных нагрузок. Например, в Великобритании Network Rail развернула солнечные батареи на нескольких станциях для питания без тяги. Некоторые пилотные проекты исследовали гибкие фотоэлектрические пленки, интегрированные в шумовые барьеры или сами крыши поездов, хотя последние остаются экспериментальными из-за веса и аэродинамических ограничений.

Ветровые турбины также могут быть размещены вблизи инфраструктуры ВСМ при условии, что они расположены на безопасном расстоянии от дорожек для предотвращения рисков метания льда или отказа лопастей. Малые и средние турбины на участках депо могут компенсировать использование энергии станции. Однако изменчивость ветра и необходимость постоянной мощности для сигнальных систем и линий катенария означают, что автономные возобновляемые источники энергии на месте редко покрывают всю нагрузку на тягу. Они наиболее эффективны в сочетании с подключением к сети и хранением.

Соглашения о сетевой интеграции и покупке электроэнергии

Наиболее масштабируемым методом является подключение железнодорожной сети к сети, которая имеет высокое проникновение возобновляемых источников энергии. Высокоскоростная железная дорога обычно потребляет энергию при очень высоком напряжении (например, 25 кВ переменного тока или 2×25 кВ автотрансформаторных систем в Европе). Железнодорожные операторы могут вводить виртуальные PPA с помощью ветровых или солнечных ферм, эффективно сопоставляя их потребление электроэнергии с возобновляемой генерацией на той же самой сети. Это не означает, что электроны текут непосредственно от фермы к поезду - но договорное соглашение гарантирует, что возобновляемая мощность добавляется к сети, эквивалентной использованию железной дороги.

Такие страны, как Испания, добились почти 100% высокоскоростных услуг на возобновляемых источниках энергии благодаря таким механизмам. Renfe, национальный оператор, подписал долгосрочные PPA с разработчиками возобновляемых источников энергии для покрытия спроса на электроэнергию своих поездов AVE, работая в координации с оператором сети Red Eléctrica de España . Этот подход использует существующую сетевую инфраструктуру при создании новых возобновляемых мощностей.

Системы хранения энергии

Периодичность солнечного и ветрового — дневной/ночный циклы, облачный покров, спокойные периоды — создает несоответствие с спросом на железнодорожные операции 24/7. Хранение энергии преодолевает этот разрыв. Банки литий-ионных аккумуляторов теперь развернуты на подстанциях для сглаживания краткосрочных колебаний, обеспечения резервного копирования для аварийной сигнализации и даже захвата энергии рекуперативного торможения из поездов. Для более длительного хранения перекачиваемые гидро- или новые проточные батареи могут перемещать избыточное дневное солнечное время в вечерние пики.

Использование стационарного хранения также позволяет операторам снизить пиковые затраты на электроэнергию от коммунальных служб, что позволяет сэкономить затраты. Некоторые системы HSR, такие как японский JR Central, исследовали боковое хранение энергии для стабилизации катанэрного напряжения и снижения потребности в дополнительных подстанциях.

Водород и альтернативные виды топлива

Хотя водород не является строго возобновляемым источником энергии (он должен быть произведен с использованием возобновляемой электроэнергии, чтобы быть «зеленым водородом»), он предлагает многообещающий путь для декарбонизации неэлектрифицированных участков или в качестве резервного. Высокоскоростные поезда требуют огромной мощности - около 8-10 МВт на поезд при 300 км / ч - поэтому водородные топливные элементы еще не жизнеспособны для полной магистральной тяги. Однако водород может приводить в действие депо, маневровые локомотивы или экспериментальные низкоуглеродистые поезда для фидерных линий. Технология все еще находится на ранней стадии для ВСМ, но стоит контролировать.

Глобальные тематические исследования в области высокоскоростных железных дорог с возобновляемыми источниками энергии

Испания: всевозобновляемая приверженность Renfe

Испания лидирует в мире по интеграции возобновляемых источников энергии для ВСМ. С 2019 года Renfe приобрела 100% сертифицированную возобновляемую электроэнергию для своих AVE и поездов дальнего следования, охватывающих около 2500 км пути. Компания подписала PPA с разработчиками солнечной и ветровой энергии на общую сумму более 600 ГВтч в год. Этот шаг в сочетании с высокой солнечной и ветровой мощностью Испании позволил Renfe претендовать на углеродно-нейтральную электроэнергию для своих высокоскоростных услуг с 2020 года. Результат: внутренняя высокоскоростная сеть, которая выделяет на 81% меньше CO2 на пассажиро-километр, чем воздушные перевозки, с компонентом электроэнергии уже при нулевых выбросах.

Япония: солнечная энергетика и инновации в Синкансене

Японские скоростные поезда Shinkansen уже давно известны своей пунктуальностью и энергоэффективностью. JR East установила солнечные батареи на нескольких станциях и тестирует модель самопотребления , где на крыше PV питает освещение и эскалаторы. Что еще более важно, железная дорога использует рекуперативное торможение для возврата энергии в сеть - форму хранения и эффективности. В то время как японская сеть по-прежнему полагается на ископаемое топливо и ядерную энергию, железнодорожная компания активно работает над увеличением своей доли возобновляемых источников энергии через PPA и виртуальный учет.

Во многих странах железнодорожные энергетические системы рассматриваются как отдельные «тракционные сети» со своей собственной нормативной базой, которая может не разрешать перекачку электроэнергии от частных генераторов или чистого учета. Заряды сетевого подключения для небольших возобновляемых установок могут быть непомерно высокими. Согласование политики, например, позволяющее железнодорожным операторам напрямую покупать возобновляемые источники энергии через виртуальные PPA или продавать избыточную энергию обратно в сеть, ускорит интеграцию. Пакет чистых источников энергии Европейского союза для всех европейцев и альтернативное регулирование топливной инфраструктуры являются шагами в этом направлении, но реализация варьируется.

Железнодорожные станции являются энергетическими узлами, которые объединяют тяговую мощность, коммерческих арендаторов, общественное освещение, зарядку электромобилей для пассажиров и резервные нагрузки. Микросети станции, подключенные к местной солнечной энергии, аккумуляторам и комбинированному тепло- и энергоблоку (если биогаз) могут оптимизировать затраты на энергию и осесть от сбоев в сети. Инициатива European Shift2Rail профинансировала проекты, демонстрирующие такие микросети на станциях в Германии и Нидерландах. По мере того, как они становятся стандартными, весь железнодорожный коридор может выступать в качестве распределенного энергетического ресурса для более широкой энергетической системы.

Учет и сертификаты углерода жизненного цикла

Для того, чтобы интеграция возобновляемых источников энергии действительно сокращала выбросы, операторы должны принять надежный учет выбросов углерода, включая объем 2 и объем 3. Сертификаты возобновляемой энергии (REC) или гарантии происхождения (GO) могут проверить, что потребляемая электроэнергия соответствует возобновляемой генерации. Однако критики отмечают, что REC могут быть учтены в два раза или получены из старой гидроэнергетики, которая в любом случае существовала бы. Поэтому дополнительность - обеспечение покупки оператором приводит к новым возобновляемым мощностям - имеет решающее значение. Инициатива RE100 и Сеть зеленой электроэнергии ведут усилия по стандартизации таких претензий. Операторы высокоскоростных железных дорог, которые хотят достоверно заявить о «100% возобновляемых источников энергии», должны инвестировать в новые мощности, а не просто покупать дешевые сертификаты.