FCH2RAIL (EU) — bi-modalny napęd wodorowo-elektryczny dla kolei
Projekt badawczo-rozwojowy układu Fuel Cell Hybrid PowerPack (FCHPP) do zastosowań szynowych: zasilanie z sieci trakcyjnej + hybrydowy moduł wodorowy (ogniwo paliwowe) z magazynem energii, skalowalny do retrofitów i nowego taboru.
| Zakres | Opracowanie, budowa, testy i wstępna homologacja modułowego FCHPP; demonstrator w pociągu Civia (bi-modal: sieć trakcyjna + H₂/FC + bateria) |
|---|---|
| Konsorcjum (wybrane) | CAF (integracja pojazdu, OESS/DC-DC/EMS), Toyota Motor Europe (moduły FC), DLR (architektura, symulacje, walidacja), Renfe, Adif, CNH2, IP, Stemmann-Technik |
| Architektura napędu | Moduł FCHPP: stosy ogniw paliwowych (PEM) + magazyn energii (bateria trakcyjna) + układy DC/DC + EMS/DASEM + układ chłodzenia + HRS (zbiorniki, redukcja, bezpieczeństwo) |
| Tryby pracy | 1) Zasilanie z sieci 25 kV/15 kV AC (jazda w pełni elektryczna), 2) Tryb bez sieci: FC (ciągłe) + bateria (szczytowe obciążenia, odzysk energii) |
| Cel TRL | TRL7 (demonstracja w warunkach operacyjnych na sieciach ES/PT) |
| Energia/sterowanie | Strategie EMS optymalizujące punkt pracy FC (wysoka sprawność), zarządzanie SOC baterii, rekuperacja, bilans cieplny i ograniczenia mocy chwilowej |
| Integracja | Konfiguracja dachowa modułów FC (płaska), podzespoły mocy i OESS w wydzielonych przestrzeniach; minimalna ingerencja w wózki i ramę nadwozia |
| Bezpieczeństwo H₂ | Zbiorniki kompozytowe, strefy wentylowane, ciągłe monitorowanie H₂, detekcja i odcięcia, zgodność z normami kolejowymi i H₂ (hazard analysis, FMEA) |
| Testy | Badania stanowiskowe CNH2/CAF (Hardware-in-the-Loop), testy dynamiczne w Hiszpanii i Portugalii, przejazdy >10 000 km na H₂ w zróżnicowanych profilach |
| Wyniki (skrót) | Potwierdzona zdolność jazdy bi-modalnej, walidacja strategii EMS, spełnienie wymogów ruchu próbnego na liniach niezelektryfikowanych |
| Przeznaczenie | Jednostki elektryczne/dieslowskie (retrofit), linie niezelektryfikowane, trakty górskie/pośrednio obciążone; możliwość skali do lokomotyw manewrowych i liniowych |
| Finansowanie | Budżet ~14 mln €, ok. 70% środki UE (Clean Hydrogen Partnership) |
Architektura FCHPP i ścieżki energii
FCHPP jest pakietem modułowym, w którym źródło pierwotne w trybie off-grid stanowi ogniwo paliwowe (PEM), a bateria pełni rolę bufora mocy i magazynu energii krótkoterminowej. Układy DC/DC utrzymują stabilną szynę DC dla przekształtników trakcyjnych. Strategia EMS utrzymuje stos FC w obszarze wysokiej sprawności (obciążenie prawie stałe), odciążając go w transjentach dzięki baterii. Przy jeździe pod siecią trakcyjną zasilanie trakcji odbywa się bezpośrednio z OHL; FCHPP pozostaje w standby lub ładuje baterię zgodnie z algorytmem minimalizacji kosztu energii i zużycia komponentów.
Integracja mechaniczna i termiczna
Konfiguracja „flat-roof” modułów FC ogranicza ingerencję w przestrzeń pasażerską i utrzymuje gabaryty skrajni. Chłodzenie FC i elektroniki realizowane jest przez dedykowane układy cieplne z kontrolą temperatury i przepływu, projektowane pod misję trakcyjną (ciągły pobór mocy + piki). Zbiorniki H₂ (kompozytowe, wysokociśnieniowe) ulokowano w strefach o wymuszonej wentylacji i barierach ogniowych. Przejścia serwisowe i interfejsy diagnostyczne włączono w standardy utrzymaniowe taboru.
Bezpieczeństwo funkcjonalne i H₂
- Detekcja H₂ (czujniki wielopunktowe, logiczne progi alarmowe), automatyczne odcięcia, purging, segmentacja stref potencjalnego nagromadzenia.
- Analizy FMEA/Fault-Tree dla zdarzeń krytycznych (wycieki, przegrzanie stosu, awarie DC/DC, thermal runaway baterii) z redundancjami na poziomie sterowania i zasilania pomocniczego.
- Zgodność z normami kolejowymi dot. kompatybilności elektromagnetycznej, pożarów, crashworthiness oraz wymaganiami dla instalacji H₂ (kolej + przemysł H₂).
Wyniki walidacji i jazd próbnych
Po testach stanowiskowych (w tym HIL i testach mocy) demonstrator bi-modalny uzyskał dopuszczenia do ruchu próbnego i realizował przejazdy na odcinkach o zróżnicowanych profilach obciążenia oraz warunkach klimatycznych. Zweryfikowano strategie sterowania energią, stabilność termiczną i zdolność utrzymania mocy trakcyjnej w trybie H₂ przy ograniczeniach zbiorników i temperaturowych oknach pracy stosów.
Możliwości skalowania i retrofit
FCHPP zaprojektowano jako zestaw skalowalny (liczba modułów FC, pojemność/chemia baterii, moc DC/DC), co umożliwia dostosowanie do profilu misji: od manewrów (wysokie piki, krótkie cykle) po ruch regionalny (długie odcinki bez OHL). Interfejsy mechaniczne i elektryczne przygotowano tak, by skracać czas konwersji pojazdów istniejących i upraszczać homologację wariantów.
Ryzyka techniczne i mitigacje
- Żywotność FC — zarządzanie obciążeniem (avoid stop-start cycling), filtracja/warunki pracy, mapy mocy ograniczające degradację membran.
- Degradacja baterii — algorytmy ograniczające głębokie cykle, kontrola temperatury, okno SOC zredukowane dla długowieczności.
- Infrastruktura H₂ — plan tankowania i jakość H₂ (ISO 14687), integracja z łańcuchem dostaw zielonego wodoru na zapleczu utrzymaniowym.
Wnioski inżynieryjne
Demonstrator FCH2RAIL potwierdził wykonalność architektury bi-modalnej na realnej sieci, a modułowy FCHPP tworzy bazę do wdrożeń seryjnych i retrofitów. Kluczem do TCO będzie optymalizacja mocy FC vs. pojemności baterii (trade-off CAPEX/OPEX), gęstości energii w zbiornikach oraz dostępność H₂ o niskim śladzie węglowym.
Opracowanie redakcyjne.
