IK i ProKolej: Najlepsze rozwiązanie to dwa systemy (wywiad)

Roman Czubiński, Rynek Kolejowy: W raporcie stwierdzili Panowie, że wprowadzenie systemu zasilania prądem przemiennym 25 kV jest uzasadnione przede wszystkim w przypadku budowy nowych, wydzielonych linii o prędkości powyżej 250 km/h lub odcinków dotychczas niezelektryfikowanych o długości co najmniej 100 km. Na czym opiera się taka teza?

J. Majewski: Chcemy uniknąć dezorganizacji systemu kolejowego. Jeśli nie będzie decyzji o przebudowie całej sieci – a nic nie wskazuje na to, by w realnej przyszłości miała zostać podjęta – w Polsce będą działały dwa równoległe systemy. Linie dużych prędkości oraz odcinki przygraniczne będą zelektryfikowane prądem przemiennym, a reszta sieci – nadal prądem stałym. Napięcie 25 kV 50 Hz może też znaleźć zastosowanie na Rail Baltica od granicy do Ełku – tym bardziej, że linie leżące na północny wschód od tego węzła dziś w ogóle nie są zelektryfikowane. Kryterium odległości nie mniejszej niż 100 km pozwala natomiast uniknąć „mozaiki” systemów zasilania, która byłaby nieefektywna.

Drugi argument to wymagania wobec zasilania z systemu krajowego. Podstacje w systemie 25 kV 50 Hz są wprawdzie rozmieszczone znacznie rzadziej, nawet co 80 km, ale trzeba doprowadzić do nich linie przesyłowe 110 kV, a najlepiej – 220 kV. W wielu regionach Polski takiej sieci praktycznie nie ma. Dlatego trzeba je traktować jak integralny element inwestycji w nową infrastrukturę, który uzasadnia dopiero odpowiednia skala.

A. Rojek: Na 3 kV po prostu nie da się pojechać szybciej, niż 250 km/h. Wynika to z problemów współpracy odbieraka z siecią trakcyjną oraz z trudności z przekazywaniem odpowiednio wysokich wartości prądu. Co do tras niezelektryfikowanych, zastosowanie na nich napięcia 25 kV musi mieć dodatkowe uzasadnienie. Na przykład w przypadku odcinka Ełk – Suwaki – Trakiszki jest nim fakt, że na Litwie jest stosowany właśnie system 25 kV. Można też zastanowić się nad jego wykorzystaniem do ewentualnej elektryfikacji LHS – również na Ukrainie istnieją linie zelektryfikowane prądem przemiennym o takim napięciu.

Dlaczego – skoro nowy system pozwoliłby znacznie ograniczyć zużycie energii, a duża część taboru elektrycznego wciąż nadaje się do wymiany – nie uznano za wskazane zastosowanie go także w innych przypadkach?

JM: Do prędkości 250 km/h włącznie różnice między systemami są niewielkie. Wyjątkiem są straty energii, ale także one nie są na tyle wysokie, by ich eliminacja zrównoważyła koszt inwestycji. Poza tym w system 3 kV dużo już zainwestowaliśmy w ostatnim czasie. Wystarczy spojrzeć na program inwestycyjny PKP Energetyka, którego wartość przekracza 9 mld zł. Całkowita rezygnacja z tej infrastruktury byłaby niegospodarnością.

AR: O stopniowym przełączeniu można myśleć w perspektywie 50-70 lat. Obecna sieć jest w dużym stopniu zmodernizowana, a budynki podstacji czy aparatura elektryczna to inwestycje o trwałości ok. 40 lat. Rozpoczęcie wprowadzania zmian w obecnej chwili doprowadziłoby do ograniczenia ruchu – taboru wielosystemowego jest w Polsce wciąż mało, a wymiana taboru na punktach styku sieci nie wchodzi w grę. Oprócz tego zmiana taka musiałaby być decyzją ogólnogospodarczą, obejmującą nie tylko kolej, ale cały system energetyczny. Należałoby w tym celu znacząco zwiększyć nasycenie liniami wysokich napięć (których budowa jest trudna, także ze względów środowiskowych), co jest niezbędne do wprowadzenia systemu 25 kV.

Dlaczego, wobec tego, na stopniową likwidację systemu 3 kV zdecydowały się Czechy i Słowacja?

JM: Przesądziła o tym skala. Sieć 3 kV w obu krajach jest o wiele mniejsza, niż w Polsce. Kompleksowa zmiana jest nieporównywalnie prostsza przy małych sieciach. Na skalę taką, jaka byłaby konieczna w Polsce, nikt tego procesu dotychczas nie przeprowadzał. Poza tym w Czechach i na Słowacji i tak funkcjonują równolegle dwa różne systemy – zmiana, odwrotnie niż dla Polski, oznacza więc dla tych krajów ujednolicenie.

AR: Dodajmy, że zanim pojawił się tabor wielosystemowy, w krajach tych często występowała konieczność zmiany lokomotyw. Jako analogię warto przywołać proces zmiany napięcia w sieci SKM Trójmiasto z 800 V na 3 kV: trwał on kilkanaście lat, choć linia była wydzielona. Przy sieci tak rozbudowanej, jak w Polsce, konsekwencje byłyby niewyobrażalne. Tylko odpowiednie nasycenie taborem wielosystemowym dałoby możliwości myślenia o zmianie systemu przy najbliższych modernizacjach.

Dlaczego spośród czterech dominujących w Europie systemów zasilania za najbardziej odpowiedni do zastosowania w Polsce uznali Panowie właśnie 25 kV 50 Hz?

JM: Po pierwsze, jest on stosowany na wszystkich sieciach KDP w Europie. Aby zachować na polskich inwestycjach spójność z europejskimi, tabor KDP musi być interoperacyjny. Nawet Włochy, w których większość sieci jest zasilana prądem 3 kV, elektryfikują linie dużych prędkości w systemie 25 kV 50 Hz. Po drugie – na system ten przechodzi kolej we wspomnianych już Czechach i na Słowacji.

AR: System 1,5 kV DC ma parametry jeszcze gorsze od 3 kV. Z kolei sieć 16 kV 2/3 Hz jest zasilana prądem o specyficznej częstotliwości, trzeba byłoby więc budować dodatkowe generatory w elektrowniach albo potężne przekształtniki. Koszty byłyby astronomiczne, a korzyści – właściwie brak.

A jakie korzyści mógłby przynieść system zasilania 25 kV 50 Hz na liniach obsługujących Centralny Port Komunikacyjny?

JM: Przede wszystkim – podniesienie prędkości oraz oszczędności dzięki mniejszym stratom energii. Pozytywnym skutkiem ubocznym będzie też nabycie doświadczeń przez producentów i firmy budowlane. Ze zdobytymi kompetencjami będzie zaś można wyjść z produktami, komponentami i usługami budowlano-montażowymi poza granice kraju.

AR: Im większe napięcie, tym większe moce można przekazać. Główną korzyścią byłoby więc osiągnięcie odpowiednich prędkości (230-250 km/h). Nawet jednak przy wolniejszej jeździe możliwe byłoby większe natężenie ruchu – system 25 kV 50 Hz jest mniej podatny na zaniki napięcia i spadki energii.

Co wprowadzenie nowego systemu zasilania będzie oznaczało dla producentów taboru elektrycznego?

JM: Opracowanie, wyprodukowanie i przetestowanie taboru to poważne wyzwanie. Dodatkowo, w polskim przypadku, będzie to musiał być tabor przygotowany do obsługi obu rodzajów zasilania – bo pojazdy wyłącznie na prąd przemienny będą nieprzystosowane do większej części sieci i głównych węzłów. To właśnie jeden z najważniejszych wniosków z naszego raportu: przyszłością taboru w Polsce są w znacznej mierze pojazdy dwusystemowe. Kwestią do dalszych analiz jest również to, na ile modernizacja taboru może być okazją do przebudowy na dwusystemowy – bo nowoczesne pojazdy mają już silniki asynchroniczne.

Tabor dwusystemowy jest nieco droższy, niż jednosystemowy. Producenci deklarują jednak, że różnica w cenie w stosunku do pojazdów obecnie dostarczanych nie powinna przekraczać 10-15%. Tłumaczą to faktem, że zamówienia na takie pojazdy są zbliżone do produktów dla Europy Zachodniej i mogą być częścią dłuższych serii – a to pozwala na zniwelowanie części kosztów.

AR: Spodziewam się, że przy masowej produkcji różnica w cenie wyniesie najwyżej kilka procent, jeśli w ogóle wystąpi. Producenci działający na polskim rynku rozszerzą portfolio, choć część z nich oferuje pojazdy wielosystemowe już dziś. Większych kosztów badawczo-rozwojowych raczej nie będzie – pojazdy i tak są produkowane modułowo: większość urządzeń jest taka sama, zmieniają się tylko obwody wejściowe, np. pojawia się konieczność zastosowania transformatora obniżającego. Wiele urządzeń pracuje w obu systemach, choć pełni w nich różne funkcje. Jedynie przy certyfikacji niektóre parametry trzeba będzie sprawdzić dwukrotnie – dla każdego z obu systemów zasilania.

W jaki sposób brak konieczności wymiany lokomotyw na granicach zachodniej czy południowej wpłynie na konkurencyjność połączeń międzynarodowych, w tym – tranzytowych na Nowym Jedwabnym Szlaku?

JM: Uniwersalność zawsze poprawia płynność ruchu. Bezproblemowe pokonywanie granicy oznacza bardziej efektywne wykorzystywanie taboru i redukcję czasu marnowanego na zmianę lokomotyw. Nie mówiąc już o eliminowaniu przesiadek na stacjach granicznych, które zniechęcają do wyboru kolei. Zresztą w pasażerskich przewozach międzynarodowych trudno wyobrazić sobie atrakcyjną ofertę, jeśli pociągi będą nadal utykać na granicach. A renesans połączeń transeuropejskich, w tym – podróży nocnych, to element strategii Nowego Zielonego Ładu, która zakłada rezygnację z części przewozów lotniczych właśnie na rzecz kolei.

AR: Do korzyści trzeba zaliczyć także mniej skomplikowane obiegi pojazdów na stacjach granicznych. Kolej będzie można porównać do transportu samochodowego, w którym kierowca na granicy nawet się nie zatrzymuje.

Czy polska branża kolejowa i energetyczna – zarządcy infrastruktury, dostawcy urządzeń, przewoźnicy etc. – są przygotowani na wprowadzenie w ciągu najbliższej dekady nowego systemu zasilania?

JM: Jeszcze nie. Do niedawna dyskusja na temat zmiany systemu napięcia toczyła się bez konkluzji – nie było więc uzasadnienia, by inwestować w przygotowania. Skoro jednak zdecydowaliśmy, że realizujemy program CPK wraz z Kolejami Dużych Prędkości – oznacza to, że decyzja o wprowadzeniu zasilania prądem przemiennym została podjęta. Również PKP PLK zapowiadają, że w tym systemie będą elektryfikowane przygraniczne fragmenty linii. Kto chce w tym uczestniczyć, musi zbudować kompetencje. Narzędziem mogącym wspomóc ten proces byłyby granty rozwojowe np. z PFR lub NCBiR.

AR: Z pewnością będą lekcje do odrobienia. Polscy zarządcy nie mają doświadczenia w tym systemie – trzeba będzie wprowadzić nowe regulacje i zasady bezpieczeństwa. Producenci powinni się dostosować raczej szybko – dla przemysłu nie widzę zagrożeń innych, niż obecne, takie jak deficyt dostawców w niektórych miejscach. Niektóre elementy na prąd przemienny już są w Polsce produkowane.

Gorzej będzie z energetyką. Potrzeba odpowiedniego nasycenia kraju liniami najwyższych napięć. W tym celu konieczna będzie bardzo ścisła współpraca kolei z PSE: gdy te ostatnie będą planować budowę linii przesyłowych, powinny uwzględniać potrzeby kolei przy wytyczaniu ich przebiegu, tak by podłączanie podstacji było później jak najłatwiejsze i najtańsze.

Jeśli chcemy wprowadzać nowy system, sama kolej to za mało – niezbędna będzie szeroka współpraca międzygałęziowa, taka jak miała miejsce we Francji przy budowie linii KDP. Wykorzystano wtedy okazję do pobudzenia francuskiego przemysłu i zaplecza technicznego, odpowiednio ukierunkowano rozwój własnych firm, takich jak Alstom. Podobnie postępowali później Niemcy, korzystając z własnego zaplecza gospodarczego i producentów takich jak Siemens. Można dziś wyobrazić sobie zakup gotowych rozwiązań z Zachodu, ale lepiej, by na większą skalę zaangażować polski przemysł. W wielu miejscach współpraca międzynarodowa będzie jednak konieczna (nikt nie będzie budował np. fabryki polskich elementów półprzewodnikowych dla pojazdów trakcyjnych) – w każdej branży są fabryki wyspecjalizowane w produkcji konkretnych komponentów, z którymi nikt nie próbuje konkurować.

* * *

Komentarz (Piotr Dybowski, dyrektor ds. sprzedaży lokomotyw, Siemens Mobility):

Myślę, że obecnie jest dobry czas na analizy i porównania dotyczące systemów zasilania sieci trakcyjnej 3 kV prądu stałego i 25 kV prądu przemiennego. Zakładamy rozwój sieci kolejowej w Polsce, nie tylko w związku z CPK, ale także z polityką likwidacji „wykluczeń komunikacyjnych”, polityką „Nowego Zielonego Ładu”, coraz większym zatłoczeniem dróg i ze względów środowiskowych. Musimy być dobrze przygotowani do odpowiedzi na pytanie, jakim systemem elektryfikować poszczególne linie, uwzględniając między innymi bliższą lub dalszą perspektywę włączenia niektórych z nich do sieci KDP. Obecnie nowe lub zmodernizowane sieci trakcyjne, wraz z urządzeniami towarzyszącymi, w ciągu kilkunastu – kilkudziesięciu lat będą wymagały kolejnej modernizacji. Tereny, na których obecnie nie ma sieci energetycznych 110 kV lub 220 kV, będą się rozwijać i budowa takich sieci zapewne będzie elementem tego rozwoju. Biorąc pod uwagę ograniczenie strat przesyłu energii w sieci przemysłowej, w układzie zasilania sieci trakcyjnej, jak również w samej sieci trakcyjnej, gdybyśmy wprowadzili system 25 kV 50 Hz chociażby na części infrastruktury kolejowej, moglibyśmy osiągnąć oszczędności liczone w terawatogodzinach rocznie.

Argument braku dwusystemowych pojazdów trakcyjnych traci na znaczeniu, a wkrótce ta przeszkoda zniknie całkowicie w związku z zakupem nowych pojazdów w celu wymiany starego taboru i rozwoju floty do obsługi nowych połączeń. Mówią o tym Panowie Jakub Majewski i Artur Rojek. Zapewne pojazd wielosystemowy będzie droższy, jednakże rozwój nowych technologii spowoduje, że ta różnica będzie malała. Już teraz jest ona stosunkowo niewielka, a wyższą cenę dyskontuje o wiele większa uniwersalność pojazdów, pozwalająca uzyskiwać przewoźnikom wyższe przychody. Możliwość przekraczania granic państwowych bez konieczności wymiany lokomotywy spowoduje wzrost konkurencyjności kolei, poprzez zwiększenie prędkości handlowej możliwa będzie optymalizacja obrotu lokomotyw, ale także składów wagonowych, a to wszystko przekłada się na poprawę opłacalności transportu kolejowego. Na rozwój kolei, w tym także rozwój systemów zasilania sieci trakcyjnych, będzie można wykorzystać środki z funduszu odbudowy oraz z programów unijnych, jakie będą uruchamiane w nowej perspektywie finansowej. Musimy bardzo dobrze rozważyć, gdzie te środki powinny być ulokowane, aby możliwe były długofalowe efekty inwestycji.