Rozwiązania bateryjne, wodór czy elektryfikacja? Przyszłość tras niezelektryfikowanych

Proces zielonej transformacji w Unii Europejskiej w ostatnich latach wyraźnie przyspiesza: obejmuje już nie tylko energetykę, lecz także inne branże, w tym przemysł i transport, który odpowiada za 28% emisji CO₂. W ramach kontrowersyjnego pakietu działań na rzecz klimatu Fit for 55 zaplanowano m. in. zakaz sprzedaży samochodów z silnikami spalinowymi na rynku pierwotnym od 2035 roku, natomiast już w 2027 roku przewiduje się wprowadzenie systemu ETS2, w ramach którego opłaty za emisję CO₂ obejmą również sektor transportowy. Dekarbonizacja czeka zatem także transport kolejowy, co w przypadku takich państw jak Czechy, Dania czy kraje bałtyckie, w których większość sieci kolejowej jest niezelektryfikowana, będzie oznaczało rewolucję. Warto dodać, że już dziś nie jest możliwe finansowanie zakupu taboru trakcyjnego z silnikiem Diesla w ramach instrumentu Łącząc Europę. Dotyczy to nawet lokomotyw elektrycznych z modułem dojazdowym last mile. 

Trudno nie podawać w wątpliwość racjonalności tak radykalnej polityki. W przypadku sektora transportowego może ona spowodować „wylanie dziecka z kąpielą” w postaci dalszego wzrostu znaczenia transportu drogowego w Europie. Z kolei w przypadku energetyki i przemysłu już dziś powoduje ona utratę międzynarodowej konkurencyjności europejskiej gospodarki, a nawet częściową dezindustrializację i przenoszenie produkcji do innych miejsc na świecie, w których przeważnie nie przywiązuje się większej wagi do dobrostanu środowiska naturalnego. Odchodząc od dygresji, należy mieć na uwadze, że kolej nawet w przypadku zastosowania trakcji spalinowej jest znacznie mniej emisyjna niż transport drogowy w przeliczeniu na przewożonego pasażera, a tym bardziej przewożoną tonę ładunku. Nie ulega jednak wątpliwości, że z uwagi na uwarunkowania regulacyjne, ale także na zmieniające się oczekiwania konsumentów przyjęty kierunek zmian jest prawdopodobnie nieodwracalny. W tej sytuacji zasadne jest pytanie, jak dekarbonizować niezelektryfikowane linie kolejowe bez spadku konkurencyjności międzygałęziowej sektora kolejowego. 

Baterie litowo-jonowe i wodór. Jest postęp, ale…  

Podczas debaty poświęconej dekarbonizacji transportu kolejowego, która odbyła się w ramach XIV Kongresu Kolejowego, Łukasz Boroń, prezes zarządu Cargounit, zwrócił uwagę na fakt, że na ten temat wiele się mówi, jednak zarazem niewiele robi. – Nie mamy deadline’u, określającego kres eksploatacji taboru emisyjnego – zauważył szef największego poolu taborowego w Europie Środkowo-Wschodniej. Podkreślił jednocześnie, że w przypadku obsługi tras niezelektryfikowanych nie ma obecnie realnych alternatyw dla taboru trakcyjnego z silnikami wysokoprężnymi. Z drugiej strony, jak zauważył Michał Zięba, partner zarządzający w Hanton, sektor bankowy już teraz patrzy coraz mniej przychylnym okiem na finansowanie pozyskiwania taboru spalinowego. Zdaniem Łukasza Boronia w obecnym stanie swego rodzaju próżni regulacyjnej w tym zakresie pożądane byłoby określenie terminu granicznego dla eksploatacji taboru emisyjnego, co ułatwiłoby poszczególnym graczom na rynku podjęcie decyzji inwestycyjnych.
 
Jednocześnie już dziś w Unii Europejskiej eksploatuje się choćby elektryczne zespoły trakcyjne, które nie są zasilane z sieci trakcyjnej, lecz baterii litowo-jonowych lub wodorowych ogniw paliwowych. Choć w tym obszarze obserwuje się w ostatnich latach znaczący postęp, trudno wciąż mówić o dojrzałości technologicznej tych rozwiązań. Jednocześnie istnieją nieprzekraczalne bariery, które zawsze będą ograniczać ich efektywność kosztową. W przypadku baterii litowo-jonowych problemem jest nie tyle ich ograniczona żywotność (rozwijane są bowiem technologie ich recyklingu), ile niska gęstość energetyczna, co przekłada się na wyższą masę i dość niski zasięg pojazdów elektrycznych. Co więcej, w przypadku rozwiązań bateryjnych faktyczny zasięg znacząco spada w warunkach wysokich i niskich temperatur. Z tym problemem mierzą się już zresztą polskie miasta, w których w ostatnich latach wprowadzono do ruchu w pokaźnej liczbie autobusy elektryczne. Rozwiązaniem alternatywnym, eliminującym największe wady baterii litowo-jonowych, wydaje się zastąpienie ich wodorowymi ogniwami paliwowymi. Jest jednak jedno „ale”... Podkreślmy – dość zasadnicze. Mowa o kosztach. 
 
Obecnie dostępny jest cały szereg technologii wytwarzania wodoru, w tym jakości automotive, czyli możliwego do zastosowania w ogniwach paliwowych. Jednocześnie całkowicie zeroemisyjne są jedynie zielony wodór oraz fioletowy wodór, powstałe w procesie elektrolizy. W przypadku pierwszego z wyżej wymienionych wykorzystywana jest energia elektryczna pochodząca z odnawialnych źródeł, zaś w drugim przypadku – energia jądrowa. W przypadku zielonego wodoru problematyczne są bardzo duże straty energii elektrycznej w procesie elektrolizy. Sprawność tego procesu wynosi obecnie 50-70% w zależności od użytego rodzaju elektrolizera. Innymi słowy: aby wyprodukować kilogram wodoru, potrzebna jest większa ilość energii elektrycznej niż ta, która zostanie w nim teoretycznie zakumulowana. Teoretycznie, ponieważ sprawność ogniw paliwowych, ponownie przetwarzających wodór na energię elektryczną, również jest ograniczona. Powszechna implementacja wodoru jako paliwa transportowego wydaje się zatem całkowicie irracjonalna ekonomicznie, zwłaszcza że wymagałaby dysponowania bardzo dużymi nadwyżkami prądu pochodzącego ze źródeł odnawialnych.
 
Nieco bardziej racjonalnym (przynajmniej pod względem technicznym) rozwiązaniem wydaje się zatem fioletowy wodór, tym bardziej że z uwagi na ogromne ilości ciepła, jakie powstają podczas rozszczepienia atomu, możliwe byłoby zastosowanie technologii wysokotemperaturowej elektrolizy pary wodnej, której sprawność sięga niemal 100% (proces odbywa się w temperaturze 750-950°C). Wówczas znaczące straty miałyby miejsce jedynie w ogniwach paliwowych. Trzeba mieć jednak na uwadze, że Unia Europejska w ramach polityki klimatycznej stawia na rozwój odnawialnych źródeł energii i w zasadzie nie wspiera energetyki jądrowej. Dodatkowo inwestycje w energetykę jądrową są wysoce kapitałochłonne. Znacznie bardziej kosztowne byłyby także prawdopodobnie specjalne elektrolizery przeznaczone do wysokotemperaturowej elektrolizy pary wodnej, które dziś trudno uznać zresztą za rozwiązanie dojrzałe. Choć rozwój gospodarki wodorowej staje się koniecznością, choćby w celu dekarbonizacji procesów technologicznych w przemyśle chemicznym i hutniczym, powszechne zastosowanie wodoru w transporcie nie wydaje się uzasadnione z ekonomicznego punktu widzenia. 
 
Wodór z najwyższymi kosztami cyklu życia wśród rozwiązań dekarbonizacyjnych?

Należy mieć także na uwadze, że same pojazdy wodorowe są wciąż dużo droższe od pozostałych. Maciej Grześkowiak, dyrektor ds. projektów strategicznych i komunikacji w Pesie Bydgoszcz, przyznał, że w przypadku lokomotyw manewrowych tabor wodorowy jest dziś droższy o 30-40% od spalinowego. Ponadto o ile dziś polski producent jest w stanie dostarczyć manewrowe lokomotywy wodorowe w perspektywie dwóch lat, o tyle w przypadku taboru liniowego na komercjalizację rozwiązań wodorowych poczekamy znacznie dłużej. O ile oczekuje się, że z czasem tabor wykorzystujący wodorowe ogniwa paliwowe będzie relatywnie tańszy w zakupie, o tyle problematyczne pozostają koszty eksploatacji. Poza znacznie wyższymi kosztami paliwa należy wspomnieć choćby o ograniczonej żywotności ogniw paliwowych, które trzeba dziś wymieniać co trzy lata. Z drugiej strony, jak zauważył Maciej Grześkowiak, już wkrótce będzie możliwe zastosowanie ogniw paliwowych o 10-letnim okresie eksploatacji, co przełoży się na poprawę efektywności kosztowej. 

Racjonalność zwrócenia się ku rozwiązaniom wodorowym w transporcie pozostaje jednak co najmniej wątpliwa. W Niemczech, które od lat pretendują do roli europejskiego lidera zielonej transformacji, na zlecenie władz kraju związkowego Badenia-Wirtembergia eksperci z firm TransportTechnology-Consult Karlsruhe i komobile przeprowadzili analizę dotyczącą wszystkich kosztów obsługi 16 tras niezelektryfikowanych w 30-letnim cyklu eksploatacji, uwzględniającą zarówno przewidywane wydatki bieżące, jak i niezbędne do poniesienia nakłady inwestycyjne. Zdecydowanie najdroższym rozwiązaniem okazała się implementacja pojazdów zasilanych wodorem, która kosztowałaby 1,325 mld euro. Znacznie mniej kosztowna byłaby elektryfikacja analizowanych tras – wówczas nakłady inwestycyjne i wydatki bieżące przez 30 lat wyniosłyby 874 mln euro. Najbardziej efektywną kosztowo opcją w świetle rzeczonej analizy okazało się wprowadzenie zespołów trakcyjnych, które mogłyby być zasilane zarówno z sieci trakcyjnej, jak i z baterii litowo-jonowych. W tym przypadku łączne koszty oszacowano na 768 mln euro.
 
Powrót do elektryfikacji
 
Wyniki przeprowadzonego badania skłoniły władze kraju związkowego do dekarbonizacji regionalnych przewozów kolejowych przez połączenie elektryfikacji pięciu linii kolejowych z wprowadzeniem wspomnianych pojazdów bateryjnych na kolejnych siedmiu trasach. Przyszłości pozostałych czterech nie przesądzono. Uwzględnienie projektów elektryfikacyjnych uzasadniono możliwością poprawy spójności sieci kolejowej i ułatwienia objazdów w sytuacjach awaryjnych. Wydaje się, że symulacje zrealizowane w Badenii-Wirtembergii powinny dać do myślenia decydentom w wielu innych miejscach w Europie – także w Polsce, gdzie linii kolejowych, w przypadku których zasadna byłaby elektryfikacja, wciąż jest bardzo wiele. Z podobną myślą podzielił się w trakcie debaty mecenas Michał Zięba – wskazał, że optymalnym rozwiązaniem w zakresie dekarbonizacji kolei wydaje się długookresowa elektryfikacja linii kolejowych, zaś w przypadku prac manewrowych – miks rozwiązań bateryjnych oraz własnych instalacji fotowoltaicznych i magazynów energii elektrycznej. 

Radosław Burak-Romanowski, dyrektor Biura Energetyki w PKP Polskich Liniach Kolejowych, podkreślił, że już dziś trwają prace dotyczące elektryfikacji łącznie kilkuset kilometrów linii kolejowych w Polsce. Zaznaczył, że obecnie projektów elektryfikacyjnych realizuje się najwięcej od przełomu lat 80. i 90. minionego stulecia. Wskazał w tym kontekście choćby realizowaną elektryfikację linii kolejowej 38 na odcinku Ełk – Giżycko czy bliską perspektywę rozpoczęcia prac na linii kolejowej nr 181 na fragmencie łączącym Oleśnicę i Kępno. Jednocześnie trudno byłoby zgodzić się z tezą, że aktualnie realizowane projekty inwestycyjne wyczerpują wszystkie potrzeby w tym zakresie. Wydaje się, że w Polsce jest wiele innych linii kolejowych, zarówno istotnych (bądź potencjalnie istotnych) w tranzytowym ruchu towarowym, jak i aglomeracyjnych, których elektryfikacja już dziś, niezależnie od polityki klimatycznej Unii Europejskiej, byłaby ze wszech miar pożądana przez użytkowników. 
 
Biopaliwa drugiej generacji – optymalne rozwiązanie dla prac manewrowych?
 
Interesującą alternatywą dla wodoru w przypadku taboru trakcyjnego wykorzystywanego do realizacji prac manewrowych może być wykorzystanie biopaliw. O możliwości zastosowania w transporcie kolejowym HVO, będącego biopaliwem drugiej generacji, wspominał podczas debaty Maciej Kiersnowski, dyrektor Oddziału Paliwa w PGE Energetyce Kolejowej. HVO powstaje w procesie hydrokrakingu lub uwodornienia olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych. Technologia produkcji HVO wpisuje się w koncepcję gospodarki obiegu zamkniętego, gdyż surowcem mogą być także przepracowane oleje spożywcze. 

Co najważniejsze, HVO wykorzystuje się w silnikach Diesla, co zapewnia redukcję emisji CO₂ o ponad 90%. Zdaniem dyrektora Kiersnowskiego nawet w przypadku elektryfikacji 100% linii kolejowych w Polsce jeszcze długo będzie zapotrzebowanie na olej napędowy lub jego bezemisyjne odpowiedniki na potrzeby prac manewrowych, choćby w ramach obsługi bocznic kolejowych. Wykorzystanie HVO i rozwój jego produkcji wydaje się więc racjonalną opcją w kontekście dekarbonizacji prac manewrowych. Co więcej, HVO od niedawna jest produkowane przez Orlen i zaczęło być oferowane na pierwszych stacjach paliw w Polsce. Choć na razie jest ono importowane (polski koncern produkuje je obecnie tylko w Czechach), w Płocku dobiega końca budowa instalacji do produkcji HVO o wydajności 300 tys. ton w skali roku.