Гибридный поезд. В Омске работают над новым видом рельсового транспорта

Электропоезд может двигаться за счёт энергии получаемой в результате химической реакции с использованием водорода. Проекты по применению водородных двигателей для железнодорожных перевозок в мире уже есть.

Омский учёный Кирилл Доманов предложил новый вариант – гибридный рельсовый подвижной состав, в котором привычное оборудование дооснащается водородными топливными элементами. Это новое и весьма перспективное направление в транспортной энергетике, не только сокращает вред экологии от использования дизельного топлива, но и повышает рентабельность перевозок и позволяет совершенствовать систему транспортной доступности.

 Решением прикладных задач по совершенствованию подвижного состава кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав электрических железных дорог» Омского государственного университета путей сообщения занимается уже 10 лет. В процесс создания инновационного гибридного подвижного состава погрузился в октябре 2023-го, когда в вуз пришёл запрос от РЖД на решение проблемы перевозки пассажиров на не электрифицированных участках железных дорог. Именно тогда стартовала большая научная работа, в результативности которой заинтересован не только крупнейший перевозчик страны, но и вся отрасль электрического транспорта в целом.

Учёный рассказал «Трамплину» о потенциальных преимуществах гибридных двигателей с использованием возобновляемых источников энергии.

— Кирилл Иванович, поясните, пожалуйста, инновационный гибридный рельсовый транспорт — что это? Как он выглядит? Условно говоря, небольшой генератор, вместо паровозной топки, или, напротив, огромный агрегат, занимающий всю кабину машиниста? 

— Это абсолютно новый вид рельсового транспорта, иначе сконструированный, который может работать от разных источников энергии.  Например, от дизельного топлива и от контактной сети. Или от аккумуляторных батарей. Или другой вариант, в нашем понимании — это модернизация уже существующего рельсового транспорта. Когда на имеющийся подвижной состав дополнительно устанавливаются установки–конденсаторы, накопители электрической энергии, водородные топливные элементы, от которых он получает питание для своих тяговых двигателей.

Химия + физика

— В своём исследовании вы предлагаете в качестве дополнения к привычной электрической тяге энергию водородных топливных элементов. Что представляет собой такая установка с технологической точки зрения и как долго с её помощью поезд может ехать на водороде? И главное: зачем менять привычную систему электроснабжения поездов, ведь она апробирована десятилетиями и работает до сих пор?

— Потребность в таком усовершенствовании объясняется тем, что сегодня на сети железных дорог существуют электрифицированные и не электрифицированные участки пути. И такие участки между собой могут соприкасаться. И на подобных участках проживают жители во многих регионах России и всего мира. Чтобы обеспечить мобильность, сделать транспортное сообщение более доступным для населения, как один из вариантов мы предлагаем сделать вот такой вот инновационный подвижной состав, модернизировав существующий.

В рамках нашего исследования мы не предлагаем заменить, мы предлагаем дополнить существующую систему электроснабжения тяговых электрических двигателей дополнительным источником питания. В данном случае электроэнергия будет вырабатываться от водородных топливных элементов, которые будут установлены на головной вагон электропоезда (установить такое оборудование в ограниченное пространство локомотива не получится, поскольку серьёзно увеличится нагрузка на ось). 

— В чём экологический эффект от внедрения вашей разработки? 

— Сегодня на не электрифицированных участках перемещение грузов и пассажиров осуществляется путём в первую очередь дизельной тягой, то есть, с помощью тепловозов. А это двигатели внутреннего сгорания, которые выбрасывают в атмосферу огромное количество вредных веществ. При работе от электроэнергии, понятное дело, такие вещества в окружающую среду не поступают. А при работе от водородных топливных элементов  у нас вообще будет выделяться только вода. Это ли не экологический эффект!

Спрос на энергию водорода 

— Я, как дилетант, из школьного курса физики помню, что водородная энергия — это что-то очень мощное.  На ум сразу приходит водородная бомба.  Мне сложно сложить в голове слова водород и пассажир. Насколько безопасно использование водородных элементов для приведения в движение железнодорожного транспорта? 

— Безусловно, использование водорода на транспорте требует беспрецедентных мер безопасности. Сегодня в мире уже существуют водородные поезда, у которых единственным источником питания тяговых двигателей служит водород. Такие поезда уже эксплуатируются на линиях малой протяжённости и перевозят пассажиров. Мы в своём исследовании в вопросы безопасности не углубляемся, этим будут заниматься коллеги другого профиля. Но уже все стандарты и все необходимые меры безопасности в мире известны для того, чтобы использовать такие элементы для перевозки и пассажиров, и грузов. 

— Насколько сложным, на ваш взгляд, будет процесс массового внедрения водородных топливных элементов в электропоездах?  Что для этого нужно в первую очередь?

— Сегодня в России существует порядка 200 участков, где скрещиваются и электрифицированные, и не электрифицированные пути. Процесс внедрения будет зависеть от спроса на такие электропоезда. От того, насколько актуальна будет потребность у главного железнодорожного перевозчика страны, а также и у других корпораций, которые задействованы в перевозке пассажиров рельсовым транспортом. Ведь это могут быть не только магистральные железные дороги, но и трамваи, и троллейбусы городских агломераций. И такие примеры в мире тоже уже известны. В данном случае мы говорим о новом, полностью оснащённом водородном транспорте. А мы предлагаем модернизировать существующий, то есть, чтобы сделать его гибридным для более гибкого использования на тех или иных маршрутах. Повторюсь, для этого, прежде всего, нужен спрос. Был запрос от РЖД. Сегодня разработкой такого подвижного состава занимается «Трансмашхолдинг», так что те, кто смогут сделать такой подвижной состав и кто его будет покупать – они есть.

Экономика инновации

— В какой стадии работа над проектом сегодня? Уже есть действующая модель?

—Сейчас мы завершаем разработку математической модели по взаимодействию водородных топливных элементов с тяговыми электрическими двигателями электропоезда. Нюанс какой: мы берём современные электропоезда, где в контактной сети ток постоянный, а двигатели асинхронны, то есть, переменного тока, и здесь есть определённые моменты, над которыми мы сегодня работаем. Думаю, что мы близки к решению ряда вопросов. В данном случае действующая модель, рассматривается как математическая. В ближайшем будущем мы будем создавать имитационную модель, чтобы можно это было на компьютере смоделировать. Сделать, например, цифровой двойник.

— В одном из интервью вы сказали, что у вас уже есть научно обоснованный план модернизации тягового подвижного состава железных дорог, который позволит повысить качественные показатели железнодорожных перевозок на территории Омской области. Что нужно для воплощения этого плана в жизнь? 

— Научно обоснованный план мы с коллегами в своё время просчитывали: как изменятся показатели перевозок и грузов, и пассажиров при использовании вот такого гибридного подвижного состава. В данном случае мы отказываемся от тепловозов, что важно. Ведь для того, чтобы электропоезд работал на не электрифицированном участке нам необходимо к составу подсоединять тепловоз. А это использование двух локомотивных бригад – для электропоезда и для тепловоза. Тепловозы — они более мощной тяги. Такой локомотив предназначен для перевозки длинносоставных поездов по 20, 40, 60 вагонов. А электропоезд сегодня у нас в Омском регионе — это 4-6 вагонов. Таким образом, исходя из уменьшения потребной мощности, мы будем повышать качественные показатели железнодорожных перевозок. Кроме того, благодаря внедрению такого подвижного состава можно значительно расширить мультимодальные перевозки, сделать расписание движения поездов более гибким для того, чтобы, например, можно было подстроить под расписание автобусов и т.д. 

Стимул для умных

—Вы руководите студенческим научным кружком в ОмГУПС. Один из ваших учеников два года назад представил своё изобретение — солнечный трекер с оптической системой — на Международном форуме инноваторов в Новосибирске, и был удостоен серебряной медали.  Как вы оцениваете потенциал студенческой научной мысли и что нужно для её стимуляции? 

— Да, я занимаюсь со студентами. Мы действительно неоднократно занимали и продолжаем занимать призовые места, выполняем грантовые работы для РЖД в качестве выпускных квалификационных работ. Это серьёзно стимулирует ребят к продолжению научной деятельности и в дальнейшем к поступлению в аспирантуру. Из пяти моих дипломников четверо идут в аспирантуру по окончании университета. Я считаю, что это хороший показатель. 

Важно, что сегодня у нас наука становится конкурентоспособной по сравнению с другими отраслями по заработной плате в первую очередь, в том числе за счёт грантовой поддержки. К примеру, данным исследованием мы занимаемся вместе с моим студентом Захаром Щёткиным, сейчас он обучается на пятом курсе. Работы по данному проекту выполняются в рамках гранта Российского научного фонда № 24-79-00250 по итогам конкурса «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учёными. Такая финансовая поддержка — это хорошее подспорье для молодых ребят, когда занимаешься  любимым делом и за это получаешь какие-то средства.

Также хотелось бы отметить, что в Омской области у нас существует инструмент для поддержки молодых учёных — премия Губернатора. Но, безусловно, нам есть, куда совершенствоваться, чтобы повышать качество инструментов поддержки научной мысли молодых. И в целом в первую очередь оказание финансовой помощи перспективным студентам будет способствовать развитию студенческой научной мысли в целом.

Беседовала Марина Неупокоева

Фотографии предоставлены К.И. Домановым