Оценка эффективности применения накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте

Исследована возможность применения бортовых накопителей электрической энергии на тяговых агрегатах карьерного железнодорожного транспорта. Реализована имитационная модель для проведения тягово-энергетических расчетов и определения энергетического баланса поезда. Для условий Качканарского ГОКа установлено, что за 12-часовую смену расход энергии на тягу составляет 14 ГДж (около 3,9 тыс. кВт·ч) с учетом полного использования энергии торможений, при этом объем энергии торможений составляет 8,48 ГДж (около 2,36 тыс. кВт·ч), что составляет около 37% от расхода энергии на тягу поездов. С помощью разработанной модели исследована эффективность использования LTO и LFP-аккумуляторных батарей для накопления и последующего использования энергии электрических торможений. Определено, что наибольший экономический эффект достигается при установке LTO-батареи массой около 4,5 т с мощностью, равной пиковой мощности тягового агрегата, и полезной энергоемкостью около 400 кВт·ч. Показано, что в современных условиях применение накопителей на основе литиевых аккумуляторов на полностью электрифицированных линиях находится на пределе окупаемости, а его целесообразность определяется величиной косвенных эффектов от установки накопителей. Также показано, что использование бортового накопителя позволит реализовать частичный автономный ход 10–20 км при плоском профиле пути, что позволит частично отказаться от монтажа контактной сети при увеличении глубины карьера. Отмечена высокая эффективность замены аккумуляторными батареями дизельгенераторных секций тяговых агрегатов, если режимы движения поезда обеспечивают возможность их применения.

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.

Спиридонов Егор Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры электротехнических комплексов, НГТУ, ORCID: 0000-0002-7229-0954, spiridonov@corp.nstu.ru;
Ярославцев Михаил Викторович¹ — канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры электротехнических комплексов, НГТУ, ORCID: 0000-0002-1440-2065, yaroslavcev@corp.nstu.ru.
¹ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет», Россия, 630073, г. Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20.

Спиридонов Егор Александрович, spiridonov@corp.nstu.ru.

1. Галанина Т. В., Баумгартэн М. И., Королева Т. Г. Эколого-экономическое моделирование техногенного воздействия горнодобывающего региона на окружающую среду и человека // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 4. — С. 88–97. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-04−0-88−97.

2. Тимофеев И. П., Большунов А. В., Столярова М. С., Авдеев А. М. Особенности работы тягового устройства на криволинейных участках рельсового пути // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2019. — № 1. — С. 171–178. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01−0-171−178.

3. 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.

4. Ben-Awuah E., Richter O., Elkington T., Pourrahimian Y. Strategic mining options optimization: Open pit mining, underground mining or both // International Journal of Mining Science and Technology. 2016, vol. 26, iss. 6, pp. 1065–1071. DOI: 10.1016/j. ijmst.2016.09.015.

5. Belisha E. Railway transport as an important factor in the sustainable development of mining // International Multidisciplinary Scientific GeoConference-SGEM. Albena, BULGARIA. 2016, pp. 705–709. DOI: 10.5593/SGEM2016/B12/S03.092.

6. Tarasov P. I., Khazin M. L., Zyryanov I. V., Nevolin D. G. Mining operations in construction of main transport routes // Gornaya Promyshlennost. 2020, no.5, pp. 91–96. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-5-91−96.

7. Potryasaev Y. A., Pianykh A. A., Brezshnev I. V. Organizing of the Rock transportation by Railway Transport // Gornyi Zhurnal. 2017, no. 5, pp.36–37. DOI: 10.17580/gzh.2017.05.07.

8. Asif Z., Chen Z., Han Y. Air quality modeling for effective environmental management in the mining region // Journal of the Air and Waste Management Association. 2018, vol. 68(9), pp. 1001–1014. DOI: 10.1080/10962247.2018.1463301.

9. Göhlich D., Fay T.-A., Park S. Conceptual Design of Urban E-Bus Systems with Special Focus on Battery Technology // Proceedings of the 22nd International Conference on Engineering Design (ICED19), Delft, The Netherlands. 2019. DOI:10.1017/dsi.2019.289.

10. Nemeth T. Schröer P., Kuipers M., Sauer D. Lithium titanate oxide battery cells for high-power automotive applications — Electro-thermal properties, aging behavior and cost considerations // Journal of Energy Storage. 2020, vol. 31,101656. DOI: 10.1016/j.est.2020.101656.

11. Burke A., Zhao J. Development, Performance, and Vehicle Applications of High Energy Density Electrochemical Capacitors // Applied Sciences (Switzerland). 2022, vol. 12(3), art. 1726. DOI: 10.3390/app12031726.

12. Kimura R., Kondo K., Aiso K., Kobayashi H., Sakamoto S., Okada A., Sasaki K., Kato T. A Method to Design A Power Flow and Energy Management Controller for Battery and EDLC Hybrid Electric Vehicle // IEEE International Symposium on Industrial Electronics. 2021. DOI: 10.1109/ISIE45552.2021.9576437

13. Xu B., Oudalov A., Ulbig A., Andersson G., Kirschen D. S. Modeling of Lithium-Ion Battery Degradation for Cell Life Assessment // IEEE Transactions on Smart Grid. 2018, vol. 9, no. 2, pp. 1131–1140. DOI: 10.1109/TSG.2016.2578950.

14. Степаненко В. П., Белозеров В. И., Сорин Л. Н. Перспективы применения комбинированных накопителей энергии на карьерном железнодорожном транспорте // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — № 5. — С. 317–322.

15. Keropyan A., Kantovich L., Voronin B., Kuziev D., Zotov V. Influence of uneven distribution of coupling mass on locomotive wheel pairs, its tractive power, straight and curved sections of industrial rail tracks // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, no 87, art. 062005. DOI: 10.1088/1755−1315/87/6/062005.

16. Yu W., Zhengyu C., Xuning F., Xuebing H., Languang L., Jianqiu L., Minggao O. Overcharge durability of Li4Ti5O12 based lithium-ion batteries at low temperature // Journal of energy storage. 2018, vol.19, pp. 302–310. DOI: 10.1016/j.est.2018.08.012.

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

18. Nikolaidis P. Chatzis S. Poullikkas A. Life cycle cost analysis of electricity storage facilities in flexible power systems // International journal of sustainable energy. 2019, vol. 38, iss. 8, pp. 752–772. DOI: 10.1080/14786451.2019.1579815.

19. Zhang X., Peng H., Wang H., Ouyang M. Hybrid Lithium Iron Phosphate Battery and Lithium Titanate Battery Systems for Electric Buses // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2018, vol. 67 (2), pp. 956–965. DOI: 10.1109/TVT.2017.2749882.

20. Овчаренко С. М., Минаков В. А., Ведрученко В. Р. Совершенствование технологического процесса ремонта дизелей типа Д-49 // Известия Транссиба. — 2019. — № 2(38). — С. 2–8.