◄ مزایا و معایب قطارهای برقی با پیش ران باتری

بخش هشتم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش نهم آن در ادامه می آید.

1.1کاربری باتری در حمل و نقل

در بخش مربوط به سوخت هیدروژن و پیل سوختی، به این موضوع مهم اشاره شد که بهترین کاربری پیل سوختی در کنار باتریست. در تمامی وسایل نقلیه مدرن یکی از آنها پیش‌ران اصلی و دیگری پیش‌ران جانبی می‌باشد. در آن بخش تا حدود زیادی درباره کاربری باتری در انواع وسایل نقلیه نیز مطالبی عرضه شد. در این بخش صرفاً به موارد کاملاً اختصاصی مربوطه یا همراه با شبکه‌های بالاسری برق پرداخته می‌شود. 

1.1.1آینده‌ بهره گیری از باتری در حمل و نقل

الف - بهره گیری از باتری دارای مزایای زیر است:

• عدم استفاده از سوخت های فسیلی و نبود آلایندگی‌های ناشی از آن.
• سادگی فناوری و سهولت بهره برداری از آن.
• نداشتن آلودگی صوتی (که در مناطق پرازدحام جمعیتی و حمل و نقلی بسیار مهم است) 

ب - بهره گیری از باتری دارای معایب زیر است:

• سنگین بودن آن که در حمل و نقل یک بار مرده محسوب می‌ شود.
• محدود بودن بُرد مؤثر آن.
• نیاز به دستگاه های شارژر گرانبها.
• زمانبر بودن شارژ باتری.
• گرانتر بودن استفاده از آنها نسبت به موتورهای احتراق داخلی متداول.

ج - انگیزه‌های اصلی برای استفاده از باتری در کشورهای پیشرفته :

• لزوم کاهش سطح آلایندگی (که در غیر این صورت مستلزم پرداخت مالیات برکربن می‌گردد).
• روند مستمر افزایش بازدهی و پایین آمدن قیمت باتری ها طی 2 دهه‌ اخیر و تداوم سرمایه‌گذاری های سنگین کنونی برای بهبود هرچه بیشتر این 2 عامل کلیدی.
• حتمی بودن جایگزین شدن سوخت های فسیلی با باتری یا هیدروژن در آینده.

1.1.1.1قطارهای برقی  با پیش‌ران اصلی باتری

الف – مزایای قطارهای برقی با پیش ران باتری:

• نیروی باتری به عنوان پاکترین راه حل برای جایگزینی قطارهای دیزلی.
•  دستیابی به اهداف جلوگیری از تغییرات آب و هوایی و بهبود هوای شهرها.
• کاربری در مناطق شهری که نصب شبکه‌ی بالاسری برق موجب کاهش زیبایی می‌شود(مثل محلات تاریخی و تفریحی).
• امکان گسترش کاربری قطارهای مترو شهری به خطوط غیر برقی حومه ای.
• کاربری در مسیرهای شهری و حومه‌ ای که فاقد شبکه‌ بالاسری برق هستند و عدم نیاز به انجام سرمایه‌گذاری های سنگین برای برقی کردن خطوط و عدم تحمل هزینه‌ های زیاد نگهداری آنها.
• کاربری در خطوط بدون یا دارای شبکه‌ بالاسری برق و شارژ شدن باتری ها به هنگام حرکت در خطوط برقی.
• امکان استفاده از باتری در مناطق شهری و بهره گیری از موتورهای دیزلی در خارج از شهرها.

ب - معایب قطارهای برقی با پیش ران باتری:

• کوتاه بودن بُرد قطار با یک شارژ باتری(بسته به عوارض طبیعی مسیر و وزن قطار) عموماً بین 300 تا 600 کیلومتر.
• لزوم نصب چند دستگاه شارژر در فواصل معین در مسیرهای طولانی مبدأ تا مقصد.
• وقت‌گیر بودن شارژ آنها (که با انتظار سرعت حمل در تضاد است).

در حال حاضر قطارهای حومه‌ای مناسبترین وسیله برای بکارگیری باتری هستند. زیرا اولاً طول مسافت مسافرت کوتاه است. ثانیاٌ به هنگام سوار و پیاده کردن مسافرین در مبدأ و مقصد حمل، فرصت مغتنمی برای شارژ باتریها به وجود می‌آید.

کاربرد قطارهای دارای پیش ران باتری در کشورهای مختلف

الف – استفاده از خازن در قطارهای دارای پیش ران باتری

روش مرسوم دیگر استفاده از خازن های برقی بسیار بزرگ (SuperCapacitor) است. سرعت شارژ خازن های بزرگ بسیار زیاد است. لذا در هر توقف تراموا در ایستگاه برای سوار و پیاده کردن مسافران، فرصتی ایجاد می‌شود تا خازن های بزرگ توسط دستگاه های بالاسری شارژ شوند و پس از حرکت قطار، این بار خازن های بزرگ، باتری ها را شارژ می‌کنند. این سیستم سبب کاسته شدن از تعداد و وزن باتری ها به تناسب ظرفیت خازن ها شده و از مدت توقف برای شارژ کردن کم می‌کند. شرکت زیمنس با استفاده از این فناوری در سال 2008 تراموای بین آلماد- سیکسال را در پرتغال نصب و راه اندازی کرد. متعاقباً برای ترامواهای سه واگنه در دوحه قطر از همین فناوری بهره گیری نمود که توان حمل قطار به مسافت 2.5 کیلومتر بدون شبکه‌ بالاسری را دارد. کشور چین نیز در سال 2016 یک خط تراموای برقی بدون شبکه‌ بالاسری را در هوآیان ساخته و به کار انداخته است. مطالعات متنوعی در حال انجام است تا استفاده از خازن های بزرگ در قطارهای شهری و حومه‌ ای نیز به کار گرفته شود. در استرالیا از فناوری خازن بزرگ برای شارژ باتری های تراموا استفاده می‌شود که در حین توقف شارژ می‌ گردند.    

ب - استفاده از باتری در خطوط کوتاه غیر برقی

راه آهن ژاپن دارای خطوطی با شبکه‌ بالاسری برق است که در انتها یا ابتدای بعضی نقاط به یک خط غیر‌برقی ختم می‌شوند. باتری ها در این خطوط غیر برقی به کار می‌افتند و عموماً توسط شبکه‌ بالاسری شارژ می‌شوند. راه‌ آهن شرق ژاپن اولین سری واگن های خود کشش باتری‌ دار جهان را در سال 2009 عرضه نمود. این واگنها قادر به کار تحت دو پیش ران شبکه‌ بالاسری برق 1500 ولت مستقیم و باتری هستند. باتری ها توان حمل قطار تا 50 کیلومتر را دارند. علاوه بر آن در سال 2014 و در سری دوم، تعدادی از خودکشش‌های 2 واگنه در مسیر غیر برقی دیگر به مسافت 20 کیلومتر، مورد بهره برداری قرار گرفتند. از سال 2017 باتری ها کاملاً جایگزین موتورهای دیزلی در این مسیر شدند. ضمناً در مسیری دیگر باتری های 360 کیلووات ساعتی تحت برق 20 کیلوولت 50 هرتز شارژ می‌گردند.

در سال 2015 در انگلستان قطار مسافری با پیش ران دوگانه‌ شبکه‌ بالاسری- باتری راه اندازی شد. شرکت زیمنس نیز در سال 2019 یک قطار دارای 2 پیش ران شبکه‌ بالاسری- باتری را برای آزمایش در خطوط اتریش به کار انداخته است. در حالت استفاده از پیش ران باتری (که عمدتاً در خطوط غیر برقی به کار می‌رود)، حداکثر سرعت آن 100 کیلومتر بر ساعت است.

در راه‌ آهن مجارستان مقرر گردیده است که طی سال های 2023 تا 2029 حدود 50 رام قطار با 2 پیش ران شبکه‌ بالاسری برق 25 کیلوولت 50 هرتز و باتری ساخته شود. این قطارها دارای سرعت 80 تا 120 کیلومتر بر ساعت خواهند بود. راه‌ آهن ایرلند نیز در نظر دارد ظرف مدت 10 سال 250 دستگاه واگن خودکشش را خریداری کند که در صورت دارا بودن بهره وری مناسب، به کارگیری آنها تا 600 دستگاه قابل ارتقاء است. این واگن ها دارای 2 پیش ران شبکه‌ بالاسری برق و باتری می‌ باشند.

دولت آلمان مبلغ 3 میلیون یورو برای پیشبرد پروژه 3 رام ترامواهای سه واگنه با سیستم پیش‌ران دوگانه‌ مجهز به باتری و شبکه برق بالاسری به شرکت بمباردیه کمک کرده است. مؤسسات پژوهشی آلمان با این پروژه همکاری می‌کنند. در این نوع قطارها، پیش‌ران اصلی باتریست. در مواقع عادی قطار از شبکه‌ بالاسری جداست. ولی برای شارژباتری ها، پانتوگراف ها به شبکه متصل می‌گردند.

شرکت (Voltap) آلمانی توانسته یک دستگاه شارژ بسیار سریع باتری های لکوموتیو را با موفقیت از مرحله آزمایش های سخت بگذراند. در این سیستم به جای دوشاخه و پریز، از خط برق پانتوگراف بالاسری همراه با ایستگاه ترانسفورمر استفاده شده است (تصویر زیر).

در کشور آلمان 40 درصد از خطوط ریلی موجود برقی نیستند. ایستگاه شارژ سریع باعث می‌شود که اولاً به پیل های سوختی برای شارژ مستمر نیاز نباشد. ثانیاً بر حوزه‌ کاربری و بُرد مؤثر باتری افزوده می‌ گردد. ضمن این که این ایستگاه های شارژ را می‌ توان در خطوط پارکینگ نصب نمود تا لکوموتیوهای در حال انتظار (آماده به کار) برای فعالیت بعدی تحت شارژ قرار گیرند. چنانچه سیستم الکترونیکی لکوموتیوها (با سازندگان متنوع) طبق سیستم ایستگاه های شارژ مزبور تنظیم شده باشند، آنگاه این دستگاه های برای شارژ کردن انواع لکوموتیوهای باتری‌ دار سازگاری دارند. 

در آلمان برای نمونه هایی از واحدهای چندگانه برقی (EMU)، امکان کار با شبکه‌ بالاسری برق و در عین حال با باتری ایجاد شده است. تا به حال از فرکانس شبکه با 16.7 هرتز برای جریان تراکشن استفاده می‌شده است. همین فرکانس در خارج از خطوط برقی نیز عرضه می‌ شوند. سیستم الکترونیک قدرت قطار با یکسوسازی جریان AC و فراهم کردن فرکانس 16.7 هرتز، باتری ها را شارژ می‌کند. رویکرد فنی جدید شرکت  (Voltap)، سیستم را قادر می‌سازد تا با فرکانس 50 هرتز شبکه‌ محلی کار کند و لذا بدون سیستم الکترونیک قدرت و استفاده از کانورتر اضافی به طور مستقیم باتری ها شارژ می‌ گردند. 

در نمونه‌ ای دیگر، برای خطوط عرض کم مترو استان ابخازیای گرجستان، قطارهای 6 واگنه‌ خودکشش ساخته شده اند که با برق خط سوم و باتری کار می‌ کنند. در نقاطی که نصب خط سوم برقی با مشکلات فنی ( در سوزن ها) یا حفظ ایمنی (در ایستگاه ها) مواجه اند، از باتری ها استفاده می‌ گردد.

ج - جایگزین شدن موتورهای دیزلی توسط باتری

یکی دیگر از کاربری های رایج باتری در قطارهاست. در ادامه به چند نمونه از آنها اشاره می‌ شود. در سال 2017 راه‌ آهن استرالیا برای اولین بار در جهان از قطاری مشتمل بر واگن های خودکشش مجهز به پانل خورشیدی نصب شده در سقف آنها بهره‌ برداری کرد. از انرژی خورشیدی حاصل شده، برای شارژ باتری های پیش ران استفاده می‌ گردد.

اولین تراموای باتری‌ دار نیز در فلورنس ایتالیا در اوایل 2021 به کار افتاده است. در ژانویه 2021 شرکت بمباردیه اعلام نمود که در نظر دارد قطارهای خودکشش متداول کنونی شامل دو پیش ران شبکه‌ بالاسری- موتور دیزلی را به شبکه‌ بالاسری- باتری تغییر کاربری دهد. با انعقاد قرارداد با راه‌ آهن فرانسه SNCF و 5 ناحیه‌ ریلی این کشور، قرار است طرح مزبور را به صورت تجاری تا قبل از 2023 عرضه کند.این اقدام تأییدی است بر هدف بلند مدت کنار گذاردن کامل موتورهای احتراق داخلی از راه‌آهن فرانسه تا سال 2035 می‌باشد.

در حال حاضر 58 درصد از خطوط 32000 کیلومتری بریتانیا غیربرقی است و برای حرکت قطارها در این خطوط 469 میلیون لیتر نفت‌گاز در سال مصرف می‌ شود. در سال 2015 ، در یک قطار مجموعه‌ ای از باتری ها نصب گردید که مسافت 97 کیلومتر را طی نمود. شارژ باتری ها در موقع ترمز کردن، یا در مسیر‌های دارای خط برقی انجام می‌پذیرد. با جایگزین کردن موتورهای دیزلی با باتری، امکان تداوم حرکت قطارها به تونل های زیرزمینی در خطوط حومه‌ای و شهری فراهم گردیده است. بدین وسیله اولاً یک جابجایی اضافی مسافران بین قطارهای دیزلی و برقی حذف شده، ضمن اینکه نیاز به برقی کردن مسیرهای منتهی به خطوط برقی منتفی گردیده است.   

در ماه سپتامبر سال 2020 دو لکوموتیو متصل باری (FKXdrive) به طول 24 متر و با پیش ران باتری، اولین بار در دانشگاه کارنگی ملون پیتسبورگ پنسیلوانیای آمریکا در حضور قانونگذاران، دانشگاهیان و مدیران راه‌ آهن به نمایش گذارده شد (تصویر زیر). قانونگذاران دموکرات در نظر دارند که برای کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای لایحه‌ 600 میلیون دلاری را در بودجه‌ سال های آینده بگنجانند تا برای برقی کردن راه‌ آهن (و جابجایی 1.7 میلیارد تن بار) صرف گردد.

در حال حاضر حمل بار تجاری ریلی به مبلغ 80 میلیارد دلار و در شبکه‌ ای به طول 225 هزار کیلومتر در جریان است. در راه‌ آهن آمریکا که دارای لکوموتیوهای دیزلی با میانگین قدرت 4400 اسب بخار است، سالانه 13.2 میلیارد لیتر نفت‌ گاز مصرف می‌شود.  کارشناسان به این نتیجه رسیده اند که استفاده از باتری به مراتب از سرمایه گذاری های عظیم برای تجهیز کل خطوط راه‌ آهن به شبکه‌ برق سراسری به صرفه‌ تر است. مسئولان بر این نظر هستند که اگر این روش در کل جهان به کار گرفته شود، سالانه 300 میلیون تن گاز کربنیک کمتر ایجاد می‌گردد. اما در راه‌ آهن آمریکا که به طور سنتی به حمل انبوه زغال سنگ و نفت می‌پردازد، از پشتیبانی طرح های کاهش آسیب های تغییرات آب و هوایی اجتناب می‌گردد. استفاده گسترده از نفت گاز در حمل و نقل زمینی و علاقه‌ صاحبان بار به حمل جاده ای، مشکلی جهانی عظیمی است که خارج از توان آژانس بین‌المللی انرژی برای مهار سریع مصرف و به تبع آن آلایندگی ناشی از سوخت فسیلی، لااقل در آمریکاست. در آمریکا حمل و نقل عامل ایجاد 29 درصد از گازهای گلخانه ایست و کامیونهای سنگین عامل ایجاد 25 درصد از آلاینده‌ های بخش حمل و نقل است که به تنهایی حتی بیشتر از صنعت هوایی می‌باشد. راه‌ آهن که حمل حدود 40 درصد از بارها با مسافات طولانی را بر عهده دارد، فقط 2 درصد از گازهای آلاینده را ایجاد می‌ کند. با این وجود به دلیل عبور قطارها از مناطق مسکونی و جمعیتی می‌بایست به مشکل آلایندگی این شیوه‌ حمل هم توجه شود. یکی از نمایندگان آمریکا اظهار داشته که چون فقط 7 درصد از بارهای جهان توسط راه‌آهن حمل می‌شود، در مهار آلایندگی این شیوه‌ حمل و نقل غفلت شده است. 

در راه‌ آهن آمریکا جایگزینی لکوموتیوهای باتری‌دار با موتور دیزلی با چند مانع عمده روبروست.

• بزرگترین سازندگان لکوموتیوهای دیزلی چون جنرال موتورز و جنرال الکتریک در آمریکاست و تغییر فناوری به پیشتازی آنها در جهان خاتمه می‌ دهد.
• تعداد لکوموتیوهای دیزلی موجود حتی بیشتر از نیازهای فعلی است.
• حداقل بهای هر لکوموتیو باتری‌دار (معادل لکوموتیو دیزلی 3 میلیون دلاری) به دقت مشخص نشده است.
• تولیدکنندگان و صادر کنندگان نفت شیل آمریکا در کنگره قدرت زیادی دارند و با توسعه‌ مصرف انرژی های پاک مخالفت می‌کنند.

از طرف دیگر برای کاهش سطح آلایندگی، سرعت جایگزینی موتورهای دیزلی با باتری به میزان فشار تنظیم‌گرها (regulators) به شرکت های معظم راه‌ آهن وابسته است. در ایالت کالیفرنیا این فرصت 14 سال در نظر گرفته شده است.

در این نمایش قطار، قانونگذاران و هیأت همراه از لکوموتیو، کابین جمع و جور راننده و 500 مدول با 18000 باتری کوچک لیتیوم- یونی (که بر روی هم چیده شده بودند) بازدید کردند (تصویر زیر).

این قطار 195 تنی که توسط باتری هایی به قدرت 4400 اسب بخار و ظرفیت 2.4 مگاوات ساعت کار می‌کنند، پارسال در کالیفرنیا آزمایش های مربوطه را طی سه ماه و پیمودن 21 هزار کیلومتر سپری کرده و نشان داده شده که از مصرف سوخت به مقدار 11 درصد معادل 23400 لیتر کاسته شده است. هر لکوموتیو باتری‌دار که جایگزین لکوموتیو با موتور دیزلی شود، سالانه 300 تن از تولید گازکربنیک می‌کاهد. ضمن اینکه بازدهی آن به میزان 30 درصد بالاتر است. این لکوموتیو دارای سیستم هوش مصنوعی برای کنترل نظام حرکت به نام سیستم بهینه ساز سفر است که بازدهی جریان انرژی را بهینه می‌کند. استفاده از باتری در لکوموتیوهای (FKXdrive) قرار است که به روند آلایندگی قطارهای دیزلی پایان دهد. باتری ها ضمن راندن قطار، از برق برگشتی ناشی از ترمز برای شارژ بهره گیری می‌نمایند.

نمونه بعدی دو سال دیگر به بازار عرضه می‌ شود که دارای مجموعه باتری هایی به میزان 7 مگاوات ساعت (معادل 100 خودرو تسلا) است و مصرف انرژی و انتشار گازهای آلاینده را به میزان 30 درصد تقلیل می‌دهد. در نمونه لکوموتیو مزبور، سرعت بهبود فناوری باتری فوق العاده زیاد است و این موضوع بیش از صنعت خودرو، در راه‌ آهن تحول ایجاد خواهد کرد. در تصویر زیر یک مدول باتری مربوطه نشان داده شده است.

راه‌ آهن انگلیس (Network Rail)، با همکاری بمباردیه اولین قطار مسافری با پیش‌ران اصلی باتری را به راه انداخته است. هر یک از واگن ها به صورت خودکشش و مستقل عمل می‌کنند. این قطار مدت پنج هفته با موفقیت کار کرده و در نظر است که جایگزین قطارهایی با موتورهای دیزلی شود.

قریب دو سوم خطوط ریلی بریتانیا غیر برقی است و قطارهایی به پیش ران باتری فرصتی بزرگ برای کاهش آلودگی با کمترین قیمت می‌باشند. شرکت هیتاچی همراه با شریک بریتانیایی سازنده‌ باتری خود توانسته بدون آنکه از تعداد صندلی ها، سیستم حمل و تجربه‌ مسافرت چیزی بکاهد، قطارهای باتری‌دار با سرعت 144 تا 162 (و اگر صرفاً با باتری باشد، 90) کیلومتر در ساعت را راه اندازی کند. با استفاده از فناوری های نوین شرکت (Vivarail) ضمن افزایش بُرد باتری ها به مسافت 160 کیلومتر، مدت شارژ شدن آنها را به مدت اعجاب انگیز 10 دقیقه کاهش داده است. این برد و مدت شارژ، کاربری باتری ها در قطارها را به شدت گسترش خواهد داد. در عین حال استفاده از باتری 30 درصد از هزینه‌های عملیاتی را هم کاهش می‌بخشد. اینک در طراحی فناوری، بر میزان هزینه‌ های بهره‌برداری در طول عمر باتری متمرکز گردیده است. برنامه‌ جایگزینی باتری با موتورهای دیزلی در قطارهای بین شهری، به لحاظ مدولار بودن طراحی باتریها، به مفهوم عدم نیاز به مهندسی مجدد ساخت قطار است. این به معنی باز گرداندن لکوموتیوها به کار در کوتاهترین زمان ممکن است. شرکت هیتاچی بازار بریتانیا در آینده را مستعد به کار بردن 400 لکوموتیو دارای باتری می‌شناسد.

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته