Технико-экономическая эффективность применения литий-титанатных аккумуляторов на карьерном железнодорожном транспорте

В работе исследована технико-экономическая эффективность применения LTO-аккумуляторов в качестве бортового накопителя энергии для эффективного использования энергии электрических торможений. С помощью имитационной модели получено распределение мощности электрических торможений и объемов энергии, вырабатываемой за один акт торможения. Разработан модуль, учитывающий снижение эффективной емкости батареи в зависимости от глубины разряда и количества циклов. Исследованы три батареи LTO-элементов энергоемкостью 352, 282 и 235 кВт·ч и мощностью 6,66, 5,33 и 4,44 МВт соответственно. Показано, что в условиях работы с электрическими нагрузками, характерными для Качканарского ГОКа, батареи деградируют на 7 — 16% в зависимости от их начальной энергоемкости. В этих условиях доля энергии торможений, аккумулированная батареями, снижается с 90% в начале работы до 82% по истечении 5 лет эксплуатации. На основании оценки NPV проведен расчет окупаемости проекта, показано, что за 5 лет положительный денежный поток для батарей 352, 282 и 235 кВт·ч составляет 3,3, 7 и 8,6 млн рублей при остаточной емкости 93, 85 и 83,5% соответственно. Таким образом, можно констатировать технико-экономическую эффективность применения LTO-батарей для аккумулирования энергии торможений в условиях работы железнодорожного транспорта Качканарского ГОКа.

Спиридонов Е. А. Технико-экономическая эффективность применения литий-титанатных аккумуляторов на карьерном железнодорожном транспорте // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 10-1. — С. 214—228. DOI: 10. 25018/0236_1493_2023_101_0_214.

Спиридонов Егор Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры электротехнических комплексов, ORCID: 0000-0002-7229-0954, e-mail: spiridonov@corp.nstu.ru, Новосибирский государственный технический университет, Россия, 630073, г. Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20.

Спиридонов Е. А., spiridonov@corp.nstu.ru.

1. Хазин М. Л., Тарасов А. П. Эколого-экономическая оценка карьерных троллейвозов // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — 2018. — Т. 17. — № 2. — С.166–180. DOI: 10.15593/2224−9923/2018.2.6.

2. Журавлев А. Г. Вопросы оптимизации параметров транспортных систем карьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 3−1. — С. 583–601. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-31−0-583−601.

3. Бахтурин Ю. А. Актуальные вопросы железнодорожного транспорта карьеров // Проблемы недропользования. — 2014. — № 3(3). — С. 145–153.

4. Тарасов П. И., Хазин М. Л., Зырянов И. В., Неволин Д. Г. Горные работы при строительстве транспортных коридоров // Горная промышленность. — 2020. — № 5. — С. 91–96. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-5-91−96.

5. Бурмистров К. В., Осинцев Н. А. Принципы устойчивого развития горнотехнических систем в переходные периоды // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2020. — Т. 331. — № 4. — С. 179–195. DOI: 10.18799/24131830/ 2020/4/2606.

6. Хазин М. Л., Тарасов П. И., Фурзиков В. В., Тарасов А. П. Эколого-экономическая оценка использования карьерных самосвалов // Известия вузов. Горный журнал. — 2018. — № 7. — С. 85–94. DOI: 10.21440/0536-1028-2018-7-85−94.

7. Fedele E., Iannuzzi D., Del Pizzo A. Onboard energy storage in rail transport: Review of real applications and techno‐economic assessments // IET Electrical Systems in Transportation. 2021, vol. 11, iss. 4, pp. 279–309. DOI: 10.1049/els2.12026.

8. Wu C., Lu S., Xue F., Jiang L., Chen M. Optimal Sizing of Onboard Energy Storage Devices for Electrified Railway Systems // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2020, vol. 6, iss. 3, pp. 1301–1311. DOI: 10.1109/TTE.2020.2996362.

9. Popescu M., Bitoleanu A. A review of the energy efficiency improvement in DC railway systems // Energies. 2019, vol. 12, iss. 6, art. 1092. DOI: 10.3390/en12061092.

10. Kono Y., Shiraki N., Yokoyama H. Furuta R. Catenary and storage battery hybrid system for electric railcar series EV‐E301 // 2014 International Power Electronics Conference, IPEC‐Hiroshima‐ECCE Asia 2014, 18‐21 May 2014, Hiroshima, Japan. 2014, pp. 2120–2125. DOI: 10.1109/IPEC.2014.6869881.

11. Murray‐Smith D. A Review of Developments in Electrical Battery. Fuel Cell and Energy Recovery Systems for Railway Applications // Report for the Scottish Association of Public Transport. 2019, pp. 1–32. DOI: 10.13140/RG.2.2.16555.67362.

12. Laperrière Y. Realize your vision with Bombardier TALENT3 BEMU // APTA 2019 Rail Conference, 23‐26 June 2019, Toronto ON, Canada. 2019. https://www.apta.com/wp‐ content/uploads/Realize‐your‐vision‐with‐Bombardier‐TALENT‐3‐BEMU_Yves_Lappierre. pdf.

13. Siemens A. G. Desiro ML ÖBB Cityjet. 2019. https://assets.new.siemens.com/siemens/ assets/api/uuid:b26911b1−2b0e-48b4-b593−81adbf032d75/db-desiro-ml-oebb-cityjeteco-e.pdf.

14. Степаненко В. П. Пути повышения энергоэффективности и ресурсосбережения горного локомотивного транспорта // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 9. — С. 128–137.

15. Kondratieva L., Bogdanovs A., Overianova L., Riabov I., Goolak S. Determination of the working energy capacity of the on-board energy storage system of an electric locomotive for quarry railway transport during working with a limitation of consumed power // Archives of Transport. 2023, vol. 65, iss. 1, pp. 119–135. DOI: 10.5604/01.3001.0016.2631.

16. Porzio J., Scown C. D. Life-Cycle Assessment Considerations for Batteries and Battery Materials // Advanced Energy Materials. 2021, vol. 11, iss. 3, art. 2100771. DOI: 10.1002/aenm.202100771.

17. Zhang R., Xia B., Li B., Cao L., Lai Y., Zheng W., Wang H., Wang W. State of the Art of Lithium-Ion Battery SOC Estimation for Electrical Vehicles // Energies. 2018, vol. 11, art. 1820. DOI: 10.3390/en11071820.

18. Sharma P., Bhatti T. S. A review on electrochemical double-layer capacitors // Energy Conversion and Management. 2010, vol. 51(12), pp. 2901–2912. DOI: 10.1016/j. enconman.2010.06.031.

19. He X., Zhang X. A comprehensive review of supercapacitors: Properties, electrodes, electrolytes and thermal management systems based on phase change materials // Journal of Energy Storage. 2022, vol. 56, part C, art. 106023. DOI: 10.1016/j.est.2022.106023.

20. Спиридонов Е. А., Ярославцев М. В. Оценка эффективности применения накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12−2. — С. 241–256. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2022_122_0_241.

21. Bank T., Feldmann J., Klamor S., Bihn S., Sauer D. Extensive aging analysis of highpower lithium titanate oxide batteries: Impact of the passive electrode effect // Journal of Power Sources. 2020, vol. 473, art. 228566. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228566.

22. Bank T., Alsheimer L., Löffler N., Sauer D. State of charge dependent degradation effects of lithium titanate oxide batteries at elevated temperatures: An in-situ and ex-situ analysis // Journal of Energy Storage. 2022, vol. 51, art. 104201. DOI: 10.1016/j. est.2022.104201.