الحد من استهلاك الطاقة في القطارات: الاستراتيجيات والتقدم

A جديد النموذج الحسابي التي طورتها جامعة البوليتكنيك في فالنسيا (UPV) تساهم بشكل كبير في تقليل استهلاك الطاقة في القطارات. هذا النموذج المبتكر لديه القدرة على توليد وفورات بين 15% و 20%مما يسمح لشبكات السكك الحديدية بأن تكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. الفريق البحثي بقيادة دكتور المهندس المدني ريكاردو إنسامن معهد النقل والإقليم (UPV)، عملت منذ أشهر على قياس وتحليل البيانات الحقيقية التي تم الحصول عليها من القطارات المجهزة بأجهزة تسجيل متقدمة.

تطوير نموذج حسابي لتقليل استهلاك الطاقة في القطارات

ولحساب استهلاك الطاقة في القطارات وكفاءتها في الاستخدام اليومي بدقة، استخدم الفريق بقيادة Insa سلسلة من الأدوات المبتكرة. وفي هذه العملية تم تجهيز القطارات بثلاثة أنواع من أجهزة القياس:

• مقياس البانتوغراف: كان هذا الجهاز هو المفتاح لتسجيل مقدار الطاقة الإجمالية التي يتلقاها القطار ويمتصها.
• عداد الخدمات المساعدة: مسؤول عن تسجيل استهلاك الطاقة لأنظمة مثل تكييف الهواء والتدفئة والإضاءة والأبواب وكاميرات الفيديو وغيرها.
• مقياس المقاومة: يقوم هذا العداد بالتحقق من استهلاك الطاقة في مقاومات القطارات.

وبفضل هذه التقنية، تمكن الفريق من الحصول على خريطة مفصلة لاستهلاك الطاقة من البداية إلى نهاية كل رحلة قطار.

تحليل منحنيات السرعة لتحسين الطاقة

اجناسيو فيلالبا، باحث آخر من UPV، ركز على دراسة منحنيات السرعة من القطار. ومن خلال هذه المعلومات أمكن التعرف على هوية السرعة المثلى التي يجب أن تحافظ عليها القطارات في كل قسم من المسار، مما يسمح بتقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير. تنطبق هذه الطريقة على كل من القطارات الآلية، مثل مترو الأنفاق، والقطارات السطحية التي يتم قيادتها يدويًا.

ضبط ملفات تعريف السرعة والتعامل الفعال في القيادة اليدوية

يمكن إعادة برمجة قطارات مترو الأنفاق، التي تعمل عادة في الوضع التلقائي، للمتابعة ملفات تعريف السرعة الأمثل. ومع ذلك، بالنسبة للقطارات السطحية المدفوعة يدويًا، من الضروري توفيرها إرشادات مفصلة للسائقين. تتضمن هذه الإرشادات إرشادات حول السرعات المثالية التي يجب الحفاظ عليها، وأنماط الكبح والتسارع المناسبة، والتي تتيح تحقيق توفير ملحوظ في الطاقة.

"الفكرة هي أن ملفات تعريف السرعة الجديدة التي تم الحصول عليها في النموذج يتم تطبيقها أثناء التشغيل العادي، مما يسمح لنا بتحليل ما إذا كانت الوفورات النظرية التي تم الحصول عليها في النموذج تحدث في الممارسة العملية". وأضاف فيلالبا.

ما وراء النموذج: استراتيجيات أخرى لتوفير الطاقة في قطاع السكك الحديدية

على الرغم من أن أبحاث UPV قد حققت تقدمًا كبيرًا، إلا أن هناك العديد من الاستراتيجيات الأخرى التي يتم وضعها موضع التنفيذ عالميًا لتقليل استهلاك الطاقة في القطارات. بناءً على أبحاث ودراسات مماثلة مثل تلك التي أجراها مؤسسة السكك الحديدية (بأمر من UIC)، تعد المجالات التالية أساسية في تقليل استهلاك الطاقة في هذا القطاع:

التحسين في تصميم البنية التحتية والمحطات الفرعية القابلة للعكس

من تصميم مخطط المسار، يمكن تنفيذ التحسينات مثل استخدام محطات فرعية قابلة للعكس على الخطوط المكهربة بالتيار المباشر. تتيح لك هذه المحطات الفرعية الاستفادة من الطاقة المتجددة في الكبح القطارات، مما يقلل بشكل كبير من كمية الطاقة المفقودة.

بالإضافة إلى ذلك، يتم دراسة استخدام مراكم الطاقة، سواء على الأرض أو في القطارات نفسها، مما يساهم في استعادة الطاقة أثناء التشغيل ويقلل الاعتماد على الطاقة الخارجية. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك الأنظمة المطبقة في مترو الأنفاق في مدن مثل بلباو ومدريد.

استراتيجيات تصميم المركبات

كما أن لتصميم القطارات تأثير كبير على استهلاك الطاقة. ال الديناميكا الهوائية من القطار، أداء نظام القيادة ويعد تقليل الكتلة (باستخدام مواد خفيفة الوزن) من العوامل الأساسية. علاوة على ذلك، فإن وجود مراكم على متن القطار يجعل من الممكن الاستفادة من الطاقة المتولدة أثناء الكبح، خاصة في أنظمة الترام مثل تلك الموجودة في سرقسطة وإشبيلية.

القيادة الفعالة من خلال الأنظمة الأوتوماتيكية

القيادة الاقتصادية هي أسلوب آخر يتم اعتماده على نطاق واسع. يمكن برمجة القطارات المجهزة بأنظمة القيادة الأوتوماتيكية (ATO) للمتابعة ملفات تعريف السرعة الأمثلمما يضمن الاستخدام الفعال للطاقة وتكييف السرعة وفقًا لحركة المرور أو ظروف الطريق.

في إسبانيا، العديد من خطوط المترو، مثل خط مترو برشلونة رقم 9، مؤتمتة بالكامل بدون سائق، مما يسمح بتنظيم دقيق لاستهلاك الطاقة. ويتم أيضًا توسيع هذه التكنولوجيا لتشمل الخطوط عالية السرعة وشبكات السكك الحديدية الأخرى.

تأثير أنظمة الجر الكهربائي والكبح المتجدد

نظم التجدد الكبح إنها تسمح للطاقة الحركية المتولدة عند الكبح بالعودة إلى الشبكة الكهربائية أو تخزينها لاستخدامها لاحقًا. وقد تم تنفيذ ذلك في العديد من أنظمة القطارات ومترو الأنفاق الحديثة، مما أدى إلى تقليل فقد الطاقة بشكل كبير.

علاوة على ذلك، الجر الكهربائي تقدم أداءً أكثر كفاءة بكثير من قطارات الديزل. فقد نجحت شركة رينفي، على سبيل المثال، في زيادة نسبة قطاراتها التي تعمل بالجر الكهربائي، كما نجحت في خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة تزيد على 2%. بالإضافة إلى تحسين الكفاءة، فإن هذا النوع من الجر يولد مستويات أقل من التلوث.

تحسينات في التكييف والإضاءة

هناك جانب آخر مهم يجب مراعاته عند توفير الطاقة وهو تكييف الهواء وإضاءة القطارات. استخدام أنظمة ذكية يمكن لإدارة الهواء، التي تتكيف مع عدد الركاب الحاضرين، أن توفر ما يصل إلى 50% من الطاقة المخصصة عادة لتكييف الهواء.

في المقابل، إضاءة LED قابلة للخفتوالتي تم تنفيذها بالفعل في بعض القطارات، لديها إمكانية توفير الطاقة بأكثر من 70% مقارنة بالأنظمة التقليدية.

توفير الطاقة في تشغيل حركة المرور والتحكم المركزي

كما ذكر أعلاه، التخطيط الفعال للجدول الزمني وتنفيذ أنظمة الاتصالات التحكم المركزي في حركة المرور يمكن أن تولد وفورات كبيرة في الطاقة. ويسمح هذا النهج بإعادة تخطيط عمليات القطارات في الوقت الفعلي، وتحسين مساراتها واستهلاكها وفقًا لظروف حركة المرور.

ومن المتوقع أن تصبح هذه التقنيات معايير حيث يسمح التقدم في الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة بإدارة شبكات السكك الحديدية بشكل أكثر كفاءة.

يعد النقل بالسكك الحديدية أحد أكثر وسائل النقل كفاءة من وجهة نظر الطاقة. ومع ذلك، فإن التحسينات المستمرة في البنية التحتية، وتصميم المركبات، وتشغيل حركة المرور، إلى جانب اعتماد الطاقات المتجددة، تسمح لنا بمواصلة تقليل استهلاك الطاقة، والمساهمة في نموذج نقل أكثر استدامة وصديقة للبيئة.