CC BY
153
УДК 629.4.01
Т. С. Титова, А. М. Евстафьев, М. Ю. Изварин, М. В. Евстафьева
ОЦЕНКИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ПРИМЕНЕНИЕМ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ УДЕЛЬНЫХ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ *
Дата поступления: 14.02.2017 Решение о публикации: 13.03.2017
Цель: Определение критериев для оценки эффективности производства на железнодорожном транспорте. Методы: Для оценки энергетической эффективности производства использовать абсолютные показатели энергопотребления неудобно, так как они не дают возможности учесть объемы последнего. Поэтому на практике применяются так называемые удельные показатели, прежде всего энергоемкость. Так как продукцией железнодорожного транспорта являются перевозки, то единицей для оценки должен был бы считаться тонно-километр нетто. Однако процесс перевозок достаточно сложный и состоит из большого количества составных частей и этапов, а различные виды перевозок - грузовые и пассажирские - сильно отличаются как по технологии, так и по виду используемого подвижного состава. Особенно выделяются в этом плане скоростные и высокоскоростные пассажирские перевозки, для которых применяется специализированный подвижной состав, имеющий значительные отличия от традиционного. Результаты: Для качественной оценки процесса перевозок, их подвидов и этапов, а также отдельных служб и предприятий железнодорожного транспорта традиционно используются отличные от энергоемкости производственной деятельности единицы, специализированные для каждого конкретного случая. Главным критерием выбора единиц для оценки при этом считается определение единицы продукции той или иной службы и предприятия. Практическая значимость: К примеру, для локомотивной службы продукцией является перемещение не грузов, а вагонов с грузом. Поэтому наилучшим критерием для оценки в магистральном грузовом и пассажирском движении служит удельное энергопотребление на тонно-километр брутто. При выполнении маневровой работы проще оценить время работы маневрового локомотива, так как многочисленные перемещения вагонов при формировании поездов не всегда поддаются оценке и учету. Единицы измерения энергии также могут быть различными. При анализе работы тягового подвижного состава лучше применять конечную энергию, а для оценки нагрузки на окружающую среду - первичную. Если же в железнодорожной системе преимущественно применяется только один вид тяги, например тепловозная, в качестве единиц удобнее использовать объем или массу потребляемых энергоресурсов.
Ключевые слова: Железнодорожный транспорт, энергоэффективность, инновации, расход энергии, приведенный тонно-километр.
Tamila S. Tytova, D. Sci, professor, vice-rector for the research, [email protected]; *Andrey M. Yev-stafiyev, Cand. Sci., associate professor, head of a chair, [email protected]; Mikhail Y. Izvaryn, Cand. Sci., associate professor, [email protected]; Marina V. Yevstafiyeva, postgraduate student, [email protected] (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) ASSESSMENT OF ENERGY EFFICIENCY OF RAIL ACTIVITY WITH THE SPECIFIC UNITS OF MEASUREMENT APPLICATION
* Публикация осуществлена в рамках реализации гранта ОАО «РЖД» на развитие научно-педагогических школ в области железнодорожного транспорта.
Objective: It is inconvenient to use absolute indices of energy consumption in order to estimate energy efficiency of production as they set aside the rate of production. Methods: Therefore, the so-called specific indices are used in practice, first of all energy capacity. As traffic is the product of railway transport, net ton-kilometer should have been taken for the unit of assessment. However, the process of transporting is quite complicated and consists of a number of parts and stages and different kinds of transportation - goods transportation and carriage of passengers - vary considerably both in technology and the choice of the type of a vehicle. Speed and high-speed carriage of passengers stand out as a specialized vehicle which is used in this type of transportation has significant differences with a traditional one. Results: Thus, traditionally the units different from the units of energy content of production activity are applied in order to obtain qualitative assessment of transportation process, the subtypes and stages, as well as certain services and railway companies. These units are specialized for each concrete case. It should be noted that the main criterion for the selection of assessment units is the identification of a production unit of one or another service and company. Practical importance: Thus, for instance, locomotive service production unit is not the transportation of goods, but the transportation of railway cars with goods. Therefore, the best criterion for the assessment in main-line goods service and passenger traffic is the rate of energy consumption on gross tonne-kilometer. In the process of shunting service realization it is easier to assess the time of switcher functioning, as the multiple shifting of cars in the process of train formation are usually unassessable and underdeterminable. The units of energy estimation can also be different. When analyzing a tractive vehicle functioning, it is preferable to use the final energy, whereas for the assessment of environmental load it is better to use primary energy. In case only one type of traction is used in the railway system, for instance, diesel traction, it is more convenient to use the volume or mass of consumed energy resources.
Keywords: Railway transport, energy efficiency, innovations, energy consumption, virtual ton-km.
Введение
Для оценки энергоэффективности различных видов деятельности человека используется ряд показателей. Основными из них являются энергоемкость (или удельный расход топливно-энергетического ресурса (ТЭР) на единицу продукции), представляющая собой отношение количества потребленных энергоресурсов к выполненной работе или произведенной продукции и обратный ему показатель энергоэффективности, часто применяемый за рубежом, характеризующий объем выполненной работы на единицу потребленного ТЭР [1-3]. При этом процесс оценки не исключает использование и абсолютных единиц
[1, 4].
Оценка энергоэффективности
Так как для железнодорожного транспорта продукцией являются перевозки, то его энерго-
эффективности определяются по отношению к выполненному грузообороту (измеряется в тонно-километрах [ткм] нетто) или коммерческому (тарифному) грузообороту (тарифных или коммерческих, либо тонно-километрах нетто), но эти показатели отличаются незначительно. Энергоэффективность в пассажирском движении оценивается по отношению к пассажирообороту (пасс-км) [1, 2, 4-10]. Для того чтобы оценить энергоэффективность работы железной дороги в целом, как в пассажирском, так и в грузовом движении, используется показатель «Приведенный ткм». За рубежом он иногда называется «Единица измерения перевозочной деятельности», или «Транспортная единица» (transport unit) [2]. При этом приведение осуществляется простым суммированием пассажирооборота и коммерческого грузооборота.
Наибольшую часть энергопотребления при перевозках по железной дороге составляет расход энергоресурсов на тягу. В то же время приведенные выше показатели не позволяют
определить, насколько эффективно с точки зрения расходования энергоресурсов применяется тяговый подвижной состав, так как их величина зависит и от общих показателей (коэффициент загрузки вагонов, весовые нормы, населенность пассажирских поездов и т. д.). Поэтому в таких случаях используется не продукция железнодорожного транспорта в виде ткм нетто или пассажирооборота, а выполненная работа в виде ткм брутто как для грузового, так и для пассажирского движения.
В качестве измерителя потребления энергоресурсов принимается масса условного топлива (кг у. т., т у. т.), масса дизельного (натурного) топлива (кг д. т., т д. т.), либо его объем (литры, галлоны и пр.), расход электрической энергии (кВт-ч). За рубежом за «условное топливо», в отличие от РФ, принимается не угольный, а нефтяной эквивалент. В последнее время в мире наблюдается тенденция отказа от понятия «Потребление энергоресурсов» с заменой его на понятие «Потребление энергии». Кроме того, в статистических данных ООН, ЮНЕСКО, Международного союза железных дорог (МСЖД) и Международного энергетического агентства (МЭА) для оценки энергии все более часто используются единицы системы измерений СИ. В этом случае затраченная конечная и первичная энергии измеряются в джоулях или в производных от него единицах: килоджоулях (кДж), мегаджоулях (МДж), гигаджоулях (ГДж), тераджоулях (ТДж) и пе-таджоулях (ПДж). Как правило, данных производных величин достаточно для оценки энергопотребления железнодорожных систем стран мира. Джоуль и его производные легко переводятся в любые применяемые величины, по которым оценивается потребление энергоресурсов.
Энергоэффективность грузовых перевозок в США и Канаде
В США, где в качестве основной тяги на железных дорогах I класса применяется тепловозная тяга, энергоэффективность оценивает-
ся как коммерческий грузооборот (в тонно-милях), выполняемый на 1 галлоне топлива. Необходимо учитывать, что 1 галлон (жидкостный) США равен 3,785 л. Для оценки грузооборота в США берется сухопутная миля, равная 1,609 км, и так называемая «короткая» тонна, равная 0,9072, привычной для нас метрической тонны. Физический смысл этого понятия состоит в том, что оно представляет собой расстояние, на которое можно перевести 1 т груза, израсходовав 1 галлон топлива.
В Канаде применяется тот же принцип оценки энергоэффективности, что и в США. Разница состоит только в том, что для оценки используется канадский галлон, равный 4,546 л.
Так как в США и Канаде крайне мал объем перевозок на электротяге, доля электрифицированных линий снижалась из-за перевозки контейнеров в 2 яруса [11], а электровозы эксплуатируются только в пассажирском движении, в США в основных статистических изданиях не ведется учет потребления электроэнергии на тягу, так как компания-оператор дальних пассажирских перевозок АМТИАК не является железной дорогой I класса. В Канаде же энергозатраты на пассажирские перевозки электровозами учитываются путем обратного пересчета и приведения к натурному топливу.
Энергоэффективность грузовых перевозок в Европе
В Европе оценками энергоэффективности служат показатели как энергоемкости, так и энергоэффективности. Так как в Европе широко распространено пассажирское движение, то оценка проводится по различным видам движения. Если определяется энергоэффективность перевозок, то применяется показатель кг у. т./тарифный ткм для тепловозной тяги и кВт-ч/тарифный ткм для электрической. С целью оценки эффективности работы локомотивов в большей части железнодорожных компаний принято измерять удельное по-
требление энергоресурсов на единицу работы (в кг удельного топлива/10 4 ткм брутто). Для оценки энергоэффективности пассажирской работы применяется показатель кг удельного топлива/пасс-км или кВт-ч/пасс-км [2, 12].
Россия и страны СНГ
В России и странах СНГ принято оценивать энергоэффективность работы локомотивов при помощи показателя «Удельный расход электроэнергии/топлива на тягу поездов», определяемого отношением грузооборота брутто и потребленными энергоресурсами. Единица измерения удельного расхода -кВт-ч/10 4 ткм брутто для электрической тяги или кг у. т./10 4 ткм брутто для тепловозной, отдельно для каждого вида движения. Такой же показатель используется и в странах СНГ [13]. В последние годы руководством ОАО «РЖД» принят ряд решений, приводящих единицы измерения к международной системе.
Энергоэффективность скоростного и высокоскоростного движения
Режим работы скоростного и высокоскоростного железнодорожного подвижного состава значительно отличается от традиционного. Движение с высокой скоростью, длительная работа тяговых двигателей с мощностью, близкой к максимальной, снижает потери энергии на подвижном составе, так как и тяговые двигатели, и преобразователи постоянно находятся в зоне высокого коэффициента полезного действия, а малое время в пути уменьшает абсолютное потребление энергии на собственные нужды. В то же время увеличение скорости до 250-300 км/ч и более вызывает значительной рост сопротивления движению, особенно его аэродинамической составляющей, и соответственно увеличение расхода энергии на его преодоление, а большой потребляемый ток приводит к значительным потерям в контактной сети (в данном
случае рассматривается только скоростное движение с электрической тягой) [14]. Для того чтобы адекватно оценить энергоэффективность той или иной серии подвижного состава, в мировой практике принято оценивать отношение потребляемой электроэнергии к одному пассажирскому месту, умноженному на километры пробега (место-км). Такой показатель позволяет более точно оценить реальную энергетическую эффективность скоростных электропоездов, так как нивелируется влияние реальной населенности поезда (по сравнению с пассажиро-километрами) и учитываются его положительные конструктивные особенности (по сравнению с тонно-километрами брутто).
При этом влияние реальной населенности на потребление электроэнергии * очень незначительно, так как практически все современные скоростные и высокоскоростные электропоезда имеют эффективную систему рекуперации и рост ее реального потребления из сети за счет придания дополнительной кинетической энергии при разгоне компенсируется возвратом при торможении [6]. В соответствии с терминологией МСЖД скоростным принято называть поезд с эксплуатационной скоростью от 160 км/ч, а высокоскоростным -250 км/ч и выше. В Российской Федерации с 2009 г. эксплуатируются высокоскоростные электропоезда ЭВС1 и ЭВС2, а с 2013 г. -скоростные электропоезда ЭС1. Кроме того, относительно небольшой объем перевозок выполняется с использованием скоростных поездов с электровозной тягой: «Невским экспрессом», поездами «Стриж» и т. д. Развитие в стране скоростного и высокоскоростного движения позволило собрать статистические данные о потребленной электроэнергии и провести анализ энергоэффективности [1, 2, 5, 15, 16].
Для сопоставления оценок энергоэффективности различных скоростных и высокоскоростных электропоездов в данной статье
* Доля скоростных поездов на дизельной тяге крайне мала.
принимались как опубликованные данные, так и показатели, полученные в результате тяговых расчетов.
Ассоциация компаний по эксплуатации пассажирских поездов (Association of Train Operating Companies, ATOC), основанная в 1993 г. в Великобритании, в своей работе по заказу некоммерческой организации Greengauge 21 провела анализ энергопотребления высокоскоростных поездов разных типов и годов выпуска. Данные, полученные по информации компаний-производителей и эксплуатан-
тов (Virgin, Eurostar, Systra, Alstom), а также управления по безопасности и стандартизации на железных дорогах (Rail Safety & Standards, RSSB) приведены в таблице.
Из рис. 1, 2 видно, что энергопотребление поездов, выраженное в кВт-ч/место-км, уменьшается с увеличением года его постройки (т. е. у новых поездов оно ниже) и незначительно растет со снижением массы (без учета электропоезда ЭС1, так как он не высокоскоростной). При этом эксплуатирующиеся в России поезда ЭВС1 и ЭВС2 имеют одни из наилучших по-
Энергоэффективность высокоскоростных поездов
Тип поезда и год начала эксплуатации TGV Reseau (1992) Class 373 Euro star (1993) TGV Duplex (1997) Shinkan-sen 700 Series (1998) Class 390 Pendo- lino (2003) AGV (2008) ЭBC1 PBC2) (2009) ЭС1* (2011)
Страна эксплуатации Франция Bелико-британия-Франция Франция Япония Bелико-британия Франция Россия Россия
Скорость, км/ч 300 300 300 300 200 300 250 160
Вместимость, мест 377 750 545 1323 439 650 604 443
Длина, м 200 394 200 400 215 250 250 130
Составность, ваг. 10 20 10 16 9 14 10 5
Масса, т 386 723 384 634 460 510 656 (672) 267
Масса метра поезда, т 1,93 1,84 1,92 1,59 2,14 2,04 2,62 (2,68) 2,05
Масса поезда на пассажирское место, т 1,02 0,96 0,7 0,48 1,05 0,78 1,08 (1,11) 0,60
Удельное энергопотребление, кВт-ч/место-км 0,039 0,041 0,037 0,029 0,033 0,033 0,034 0,019
Удельное энергопотребление, кВт-ч/ткм брутто 381 425 525 563 315 420 319 321
* Не является высокоскоростным поездом.
Рис.
Поезд, год выпуска
1. Диаграмма удельной энергоемкости поездов в зависимости от года выпуска
■ Удельное энергопотребление, кВгч/место-км
Поезд, масса
Рис. 2. Диаграмма удельной энергоемкости поездов в зависимости от массы состава
казателей энергопотребления, выраженное в кВт-ч/ткм брутто, но немного уступают по удельному расходу, приведенному к пассажирскому месту, в основном из-за меньшей вместимости по сравнению с аналогами.
Заключение
Использование специализированных единиц измерения энергоэффективности позволяет более точно оценить работу различных подразделений и служб железнодорожного транспорта. Их применение не отменяет общую оценку энергоемкости, но дает возможность для сравнения качества работы на разных железных дорогах РФ и в различных странах мира. Это позволит выбрать наиболее энергетически эффективные технологии и успешно применить их на практике.
Библиографический список
1. Сравнение воздействия на окружающую среду традиционного и высокоскоростного железнодорожного транспорта : отчет компании Network Rail (Великобритания). - 2010. - 60 с.
2. Железнодорожный справочник 2015. Энергопотребление и выбросы CO2. - URL : http://www. iea.org (дата обращения: 20.12.2016).
3. ГОСТ Р ИСО 50001-2012 «Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство по применению». - М. : Стандартинформ, 2013. -28 с.
4. Косарев А. Б. Научное обеспечение роста энергоэффективности и экологической безопасности железнодорожного транспорта. Подходы и потенциал / А. Б. Косарев // Бюл. объед. учен. совета ОАО «РЖД». - 2015. - № 5. - С. 1-15.
5. Потребление энергии и воздействие CO2 от высокоскоростного железнодорожного транспорта : аналитический отчет ассоциации компаний-операторов поездов Великобритании (ATOC). -2009. - 29 с.
6. Косарев А. Б. Методика расчета экономической эффективности применения рекуперативного
торможения и использования энергии рекуперации / А. Б. Косарев, М. М. Никифоров, А. С. Вильгельм // Транспорт Урала. - 2016. - № 3 (50). -С. 95-99.
7. Гапанович В. А. Энергосбережение на железнодорожном транспорте : справ.-метод. изд. / В. А. Гапанович, В. Д. Авилов, Б. И. Иванов, Л. А. Мугинштейн, Ю. Л. Король, Е. Н. Школьников, В. Т. Черемисин ; под ред. В. А. Гапановича. - М. : Интехэнергоиздат, Теплоэнергетик, 2014. - 304 с.
8. Гапанович В. А. Энергоэффективность - путь к снижению затрат и к экологической безопасности / В. А. Гапанович // Железнодорожный транспорт. - 2014. - № 8. - С. 22-25.
9. Бакланов А. А. Энергосбережение на железнодорожном транспорте : учебник / А. А. Бакланов, В. Д. Авилов, В. В. Сероносов и др. - М. : МИСиС, 2012. - 619 с.
10. Проект ОБШ-К : оценка энергопотребления подвижного состава // Железные дороги мира. -2015. - № 12. - С. 45-48.
11. Перспективы второй интермодальной революции в США // Железные дороги мира. - 2015. -№ 2. - С. 14-18.
12. Перспективы грузовых железнодорожных перевозок в Европе // Железные дороги мира. -2015. - № 3. - С. 30-34.
13. Игин В. Н. Энергоэффективность локомотивов : планирование и прогнозирование /
B. Н. Игин // Локомотив. - 2016. - № 4. - С. 10-13.
14. Экономический анализ повышения скорости на LGV // Железные дороги мира. - 2013. -№ 12. - С. 17-21.
15. Школьников Е. Н. Коммерческий учет электрической энергии на электроподвижном составе / Е. Н. Школьников, В. Т. Черемисин, С. Ю. Ушаков // Железнодорожный транспорт. - 2016. - № 8. -
C. 50-54.
16. Системный подход к эффективности энергопотребления // Железные дороги мира. - 2015. -№ 9. - С. 33-36.
References
1. Sravnenye vozdeistviya na okruzhajushuju sredu traditsionnogo i vysokoskorostnogo zheleznodoro-
zhnogo transporta [The comparison of traditional and high-speed trains impact on environment]. Network Rail's report (Great Britain), 2010, 60 p. (In Russian)
2. Zheleznodorozhniy spravochnyk 2015. Energo-potreblenye i vybrosy CO2 [Railway handbook 2015. Energy Consumption andCO2 emissions']. International Energy Agency [Website]. Available at: http://www.iea. org (access: 20.12.2016). (In Russian)
3. GOST R ISO 50001-2012. Systemy energe-ticheskogo menedzhmenta. Trebovaniya i rukovodstvo po prymeneniju [State Standard R ISO 50001-2012. Energy management systems - Requirements with guidance for use. International standard]. Moscow, Standartinform Publ., 2013. 28 p. (In Russian)
4. Kosarev A. B. Nauchnoje obespechenye rosta energoeffektyvnosty i ekologicheskoy bezopasnosty zheleznodorozhnogo transporta. Podkhody i potentsial [Scientific support of energy efficiency increase and the environmental safety of railway transport. Approaches and potential]. JSC "Russian Railways" Joint Scientific Council Bull., 2015, no. 5. pp. 1-15. (In Russian)
5. Potreblenye energii i vozdeistvye CO2 ot vysoko-skorostnogo zheleznodorozhnogo transporta [The energy consumption and impact of CO2 from high-speed railway]. Analyticheskiy otchet assotsiatsii kompaniy-operatorov pojezdov Velykobrytanii (ATOS) [ATOS's analytic report], 2009, 29 p. (In Russian)
6. Kosarev A. B., Nikiforov M. M. & Wilghelm A. S. Metodyka rascheta ekonomycheskoy effektivnosty prymeneniya rekuperatyvnogo tormozheniya i ispol-zovaniya energii rekuperatsii [Calculation method for economic efficiency of regenerative braking application and using of regenerative energy]. Ural's Transport, 2016, no. 3 (50), pp. 95-99. (In Russian)
7. Ghapanovich V. A., Avilov V. D., Ivanov B. I., Mughinshtein L. A., Korol Y. L., Shkolnikov E. N. & Cheremisin V. T. Energosberezheniye na zheleznodoro-zhnom transporte [Energy saving on railway transport]. Ed. by V. A. Ghapanovich. Moscow, Intekhen-
ergoizdat, Teploenergetik Publ., 2014, 304 p. (In Russian).
8. Ghapanovich V. A. Energoeffektivnost - put' k snyzheniju zatrat i ekologycheskoy bezopasnosty [Energy efficiency - the way to the cost reducing and environmental safety]. Railway transport, 2014, no. 8, pp. 22-25. (In Russian)
9. Baklanov A. A., Avilov V. D., Seronosov V. V. at all. Energosberezhenye na zheleznodorozhnom transporte [Energy saving on railway transport]. Moscow, MISiS Publ., 2012, 619 p. (In Russian)
10. Proyekt OSIRIS: otsenka energopotrebleniya podvyzhnogo sostava [OSIRIS Project: energy consumption evaluation of the rolling stock]. World Railway, 2015, no. 12, pp. 45-48. (In Russian)
11. Perspektyvy vtoroy intermodalnoy revolutsii v Soyedinennykh Shtatakh Ameriky [Prospects for the second intermodal revolution in the USA]. World Railway, 2015, no. 2, pp. 14-18. (In Russian)
12. Perspektyvy gruzovykh zheleznodorozhnykh perevozok v Yevrope [Prospects of rail freight in Europe]. World Railway, 2015, no. 3, pp. 30-34. (In Russian)
13. Igin V. N. Energoeffektyvnost lokomotivov: planyrovaniye i prognozyrovaniye [Locomotive energy efficiency: planning and prediction]. Locomotive, 2016, no. 4, pp.10-13. (In Russian)
14. Ekonomycheskiy analys povysheniya skorosty na LGV [Economic analysis to improve the speed of LGV]. World Railway, 2013, no. 12, pp. 17-21. (In Russian)
15. Shkolnikov E. N., Cheremisin V. T. & Usha-kov S. Y. Kommercheskiy uchet elektricheskoy energii na elektropodvyzhnom sostave [Commercial accounting of electrical energy on rolling stock]. Railway transport, 2016, no. 8, pp. 50-54. (In Russian)
16. Systemniy podkhod k effektyvnosty energopotrebleniya [Efficiency of energy consumption system approach]. World railway, 2015, no. 9, pp. 33-36. (In Russian)
ТИТОВА Тамила Семеновна - доктор техн. наук, профессор, проректор по научной работе, titova@ pgups.ru; *ЕВСТАФЬЕВ Андрей Михайлович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected]; ИЗВАРИН Михаил Юльевич - канд. техн. наук, доцент, misha3568723@yandex. ги; ЕВСТАФЬЕВА Марина Валерьевна - аспирант, [email protected] (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
