Stan rozwoju i perspektywy alternatywnych napędów kolejowych

Rozwój zespołów trakcyjnych na alternatywne paliwa w ostatnich latach mocno przyspieszył. Wynika to m.in. z faktu, że elektryfikacja wszystkich linii kolejowych nie jest ekonomicznie uzasadniona, a tradycyjne spalinowe pociągi, podobnie jak to ma miejsce z silnikami spalinowymi w transporcie drogowym, generują zbyt wysokie poziomy gazów cieplarnianych. Warto podkreślić, że nie ma jednego uniwersalnego sposobu na zmiany w tym obszarze, a kluczowe pozostają uwarunkowania na poszczególnych rynkach. Tempo zmian nie będzie jednolite, a rynek w Europie zostanie mocno zróżnicowany.

W Niemczech planuje się elektryfikację linii na poziomie 70% z obecnego poziomu 52%. Z kolei Wielka Brytania za cel obrała sobie wymianę całej spalinowej floty na napędzaną paliwami alternatywnymi do 2040 r. W Norwegii i Danii ma dojść do zastąpienia pojazdów spalinowych bateryjnymi, a w Czechach nadal jest duży popyt na tradycyjne pojazdy spalinowe typu DMU – w ciągu 8 lat ma być zamówionych nawet do 210 szt. Jak zatem, widać mechaniczne DMU mają jeszcze przed sobą perspektywy, ale liczba użytkowanych pojazdów kolejowych z alternatywnymi napędami będzie się systematycznie zwiększać. Wśród nich znajdziemy pociągi na wodór, bateryjne oraz z silnikiem Diesla i przekładnią elektryczną oraz z możliwością zasilania z sieci trakcyjnej, jak również jednostki spalinowej.

W pojazdach typu DEMU (diesel z przekładnią elektryczną) silnik Diesla napędza generator prądu lub alternator wytwarzający energię elektryczną. Wygenerowany w ten sposób prąd jest następnie wykorzystany do zasilenia elektrycznych silników trakcyjnych zawieszonych na wózkach. Układ przenoszenia mocy jest zatem identyczny jak w przypadku elektrycznych zespółów trakcyjnych (EZT). Różnica polega na źródle zasilania – wewnętrznym, czyli znajdującym się w samym pojeździe w przypadku DEMU lub zewnętrznym z sieci trakcyjnej dla EMU.

DEMU i EMU w jednym, czyli EDMU

Niektóre pociągi są konstruowane w sposób identyczny jak elektryczny zespół trakcyjny EMU, który może być zasilany zarówno prądem z pantografu, jak i olejem napędowym. Są to pojazdy elektro-dieslowskie EDMU, czyli z napędem hybrydowym (elektryczno-spalinowym). Z polskich producentów takie pociągi oferuje NEWAG, a wśród zagranicznych firm można wymienić HITACH Rail Italy oraz Vivarail. Od tych producentów do tej pory złożono 18 zamówień w Polsce oraz 135 we Włoszech, z czego 43 są w produkcji. W Wielkiej Brytanii 2 tego typu pojazdy od Vivarail użytkuje obecnie West Midlands Trains. Są to zmodernizowane pojazdy typu Class 150 z nowym systemem zasilania elektrycznego z sieci oraz silnikiem spalinowym w członie napędowym.

Jak wynika z unijnej Białej Księgi Transportu w skali całej Unii Europejskiej (wliczając w to Wielką Brytanię) w 2017 r. w tylko nieco ponad połowa (54%) linii kolejowych było zelektryfikowanych, co oznacza, że ponad 90 tys. km linii wymaga rozwiązań spalinowych lub alternatywnych. Teoretycznie pojazdy z napędem hybrydowym mogą wypełnić tę lukę, gdyż mogą operować zarówno na trasach zelekryfikowanych, jak i poza nimi. Dotychczasowe analizy LCC pokazują jednak, że ich opłacalność ekonomiczna hybryd nie jest atrakcyjna, stąd też wiodący producenci taboru jak Siemens czy Alstom nie są zainteresowani rozwojem tego typu pojazdów. Na przeszkodzie do ich upowszechnienie można wymienić wysoką cenę zakupu, mniejszą moc w porównaniu do analogicznego pojazdu przeznaczonego do obsługi jednego typu linii oraz większą masa wynikającą z konieczności zawarcia dwóch systemów napędowych w takim samym pudle.

Pojazdy bateryjne i wodorowe

W Niemczech na podstawie wnikliwej analizy do obsługi linii niezelektryfikowanych (w 2030 r. mają stanowić 30% całej sieci połączeń) podjęto decyzję o wyborze 2 typów napędu do ich obsługi. W przypadku dłuższych odcinków bez trakcji będą to pociągi z ogniwami paliwowymi na wodór (HEMU) o zasięgu minimum 800 km. Zakłada się, że tego typu pojazdy będą tankowane raz dziennie, a wodór do ich zasilania ma pochodzić z elektrolizy przy wykorzystaniu OZE, czyli bez emisji CO2. Plan ten został wpisany do narodowej strategii wodorowej Niemiec do 2030 r. Na odcinkach bez trakcji do 50 km Niemcy zakładają wykorzystanie pojazdów elektryczno-bateryjnych (BEMU), które będą ładowane z trakcji na stacjach końcowych.

Eksploatację próbną BEMU od 2019 r. prowadzi DB na liczącej 40 km trasie w Badenii-Wirtembergii. 2 pojazdy Bombardier Talent 3 potrzebują zaledwie 10 minut, aby doładować baterie z sieci. W 2022 r. dostawy 55 szt. pojazdów BEMU z opcją na kolejne 50 w Niemczech rozpocznie Stadler. W zaawansowanej fazie rozwoju są modele Siemens Mireo Plus B (z technologią wózków Jacobsa) i Desiro ML (na wózkach standardowych).

Pojazdy typu HEMU rozwija zarówno Alstom, jak i Siemens. Od 2018 r. w fazie testowej są 2 pojazdy Alstom iLint, a do 2022 r. w regionie Dolnej Saksonii ma pojawić się dodatkowe 14 szt. W tym samym roku rozpoczną się dostawy 27 szt. dla RMV, a kolejne 10 chce kupić bawarski BEG. Pojazdy kolejowe Siemensa na wodór są w fazie rozwoju i mają być opracowane 2 wariantach na 120 oraz 160 miejsc. Jak zapewnia niemiecki producent pociąg Mireo Plus H ma być poddany testom jeszcze w 2021 roku w ramach projektu badawczego z udziałem kanadyjskiego dostawcy ogniw paliwowych Ballard Power. Również na przyszły rok debiut własnego prototypu lokomotywy zapowiada Pesa, która chce pokazać nowy pojazd na targach Innotrans w kwietniu 2021 r. To wspólny projekt największego polskiego producenta taboru oraz PKN Orlen planującego rozpoczęcie produkcji czystego paliwa wodorowego m.in. do lokomotyw w przyszłym roku.

Alternatywnie czy spalinowo?

W ostatnich 2 latach nieco ponad 5% zamawianych pojazdów w Europie stanowiły pojazdy typu DEMU, EDMU, BEMU oraz HEMU. Pojazdy czysto spalinowe mają jeszcze przed sobą wieloletnią perspektywę, chociaż ze względu na coraz ostrzejsze normy ich udział będzie się kurczył. Producenci muszą obecnie stosować silniki spalinowe nowej generacji Stage V, które także znacząco redukują emisję. Część krajów będzie stosowało rozwiązania pomostowe, np. pojazdy z napędem hybrydowym, ale już w Niemczech czy Wielkiej Brytanii transport kolejowy ma jasno wyznaczony cel zeroemisyjności, co oznacza docelową wymianę taboru na BEMU i/lub HEMU. W dłuższej perspektywie oznacza to koniec ery pociągów z silnikami spalinowymi. Nawet w Czechach, gdzie w najbliższym czasie będą zamawiać głównie „tradycyjne” pojazdy typu DMU, docelowo ma zwiększyć się popyt na pojazdy elektryczno-bateryjne lub wodorowe.

Polska jako znaczący producent wodoru w Europie ma szansę skorzystać z tego trendu i rozwijać własne rozwiązania technologiczne oraz przemysłowe z możliwością ich wdrożenia oraz eksportu wodoru do innych krajów, np. Niemiec.