Kolej na wodór. H2 odmieni transport kolejowy [ANALIZA]

Transport kolejowy jest jedną z najprężniej rozwijających się gałęzi transportu na świecie, co widać szczególnie po jego rozwoju na terenie Europy oraz Azji. W obliczu narastającego zagrożenia katastrofą klimatyczną rola niskoemisyjnego transportu zbiorowego stała się bardziej istotna niż kiedykolwiek. Sektor transportu odpowiada za około 32% całkowitych emisji CO2 w Europie (bardziej emisyjny pozostaje jedynie sektor energetyczny odpowiedzialny za 33% emisji), przy czym kolejowe przewozy pasażerskie oraz towarowe przyczyniają się do mniej niż 1% emisji w tym sektorze.

Dla porównania transport drogowy generuje około 71% emisji, z czego 60,6% pochodzi od samochodów osobowych. Należy zaznaczyć, że mimo niewielkiego udziału w emisyjności w obrębie gałęzi transportu kolejowego nadal podejmowane są oddolne i odgórne inicjatywy dążące do zmniejszenia emisji generowanych przez tę gałąź transportu – od roku 1990 całkowite emisje CO2 generowane przez transport kolejowy zmalały o ponad 70%, zaś w roku 2019 pierwszy raz osiągnięto łączną wartość emisji mniejszą niż 4 MtCO2 z wynikiem na poziomie 3,8 MtCO2 (Rys.1.1) ^{1, 2, 3}

Rys. 1.1. Roczna wielkość emisji CO2 [MtCO2] na przestrzeni lat 1990-2019.

Rys. 1.2. Procentowy udział emisyjności poszczególnych gałęzi sektora transportu w Europie – dane z 2019 roku.

Oprócz wspomnianej niskoemisyjności, transportu kolejowy cechuję również wysoka efektywność energetyczna oraz niewielki, na tle pozostałych gałęzi transportu, wpływ na środowisko. Nic więc dziwnego, że nie tylko kraje wspólnoty europejskiej oraz kraje azjatyckie podjęły działania dążące do zwiększenia udziału przewozów kolejowych. Zainteresowanie tą gałęzią transportu wzrosło również w pozostałych regionach, takich jak Ameryka Północna lub Afryka, gdzie do tej pory dominowały inne rodzaje transportu lądowego. Ma to związek nie tylko z ogólnoświatowymi działaniami dążącymi do znaczącej dekarbonizacji.

Istotnymi przyczynami są również niestabilne ceny paliw kopalnych, będące pokłosiem napaści Rosji na Ukrainę oraz drastycznie malejącymi zasobami chociażby ropy naftowej, która po dzień dzisiejszy pozostaje kluczowym zasobem w sektorze transportu, w szczególności transportu ciężkiego (koleje towarowe, transport morski, samochody ciężarowe). Rzeczywistość popandemiczna oraz jej wpływ na łańcuchy dostaw i wartości przedsiębiorstw również odcisnęły swoje piętno na przyszłości paliw kopalnych.

Wobec tego rozwiązania, które dotychczas nie zawsze były opłacalne – takie jak pełna lub częściowa elektryfikacja linii kolejowych – zaczęły być ponownie rozpatrywane. Jako przykład tego jak efektywnie i skutecznie realizować wieloletnie projekty związane z elektryfikacją można posłużyć się sukcesem Niemiec, gdzie przy niektórych inwestycjach np. elektryfikacji linii Schönbuchbahn osiągnięto jednostkowy koszt i w wysokości około 290 000 € z a pojedynczy torokilometr, co jest jedną z najniższych wartości jaką osiągnięto na tle pozostałych projektów prowadzonych w Niemczech oraz innych państwach Europy Zachodniej. (Rys.1.3)

Rys. 1.3. Zestawienie kosztów elektryfikacji - zaokrąglonych do 100 tys. £ w przeliczeniu na torokilometr – na przykładzie poszczególnych europejskich projektów.

Elektryczne Zespoły Trakcyjne poruszające się po nowoczesnej sieci trakcyjnej są najmniej emisyjnym oraz najefektywniejszym energetycznie wariantem przewozów kolejowych, w szczególności na nowobudowanych trasach. Elektryfikacja pozostaje również jedynym skutecznym rozwiązaniem w podniesieniu konkurencyjności sektora kolejowego w stosunku do transportu lotniczego, gdyż jako jedyna umożliwia przewozy kolejowe wysokich prędkości. Jest to szczególnie istotne z punktu widzenia niektórych grup konsumenckich np. segmentu użytkowników biznesowych.

Przesłanki do stosowania taboru hybrydowego

Pomimo zalet elektryfikacji oraz wielu udanych projektów, takich jak wspomniane inwestycje w Niemczech, związane z nią wysokie koszty inwestycyjne oraz utrzymania nadal stanowią istotną barierę w realizacji inwestycji kolejowych. Czynnikami przyczyniającymi się do wspomnianych kosztów należą:

• niekorzystne warunki terenowe (różnice wysokości między poszczególnymi odcinkami trasy, obecność tuneli, wiaduktów lub mostów),
• konieczność dostosowania się do norm środowiskowych wynikających m.in. z programów ochrony przyrody np. programu Natura 2000,
• niewystarczające zagęszczenie ruchu na danej trasie,
• niewystarczająca dostępność infrastruktury elektroenergetycznej,
• niewystarczająco wysokie parametry ruchowe linii – przykładem takiej linii w Polsce jest niezelektryfikowana linia kolejowa na Helu, która posiada odpowiednie (w kontekście elektryfikacji linii) parametry ruchowe jedynie w okresie sezonu turystycznego, trwającego od 3 do 4 miesięcy w roku.

Dotychczasowym rozwiązaniem tego problemu było stosowanie trakcji spalinowej na liniach niezelektryfikowanych – w szczególności na liniach przeznaczonych do przewozów towarowych. Jest to rozwiązanie preferowane szczególnie w systemach o niższym napięciu (np. obowiązującym w Polsce systemie 3kV DC), z uwagi na konieczność dostarczenia wysokich mocy szczytowych potrzebnych do skutecznego zrealizowania przewozów o wysokiej ładowności.

Obecne ceny paliw oraz regulacje unijne dążące do stopniowego odejścia od ich stosowania sprawiają, że trakcja spalinowa nie może być dłużej rozpatrywana jako rozwiązanie długoterminowe. W Wielkiej Brytanii ogłoszono już wstępne deklaracje znacznego odejścia od stosowania trakcji spalinowej - zarówno w przewozach pasażerskich, jak i towarowych – na rzecz paliw alternatywnych bądź elektryfikacji. Plany te zostały ogłoszone pomimo fiaska takich projektów jak chociażby Great Western Electrification Project , gdzie w przeciągu 7 lat od rozpoczęcia inwestycji (2009-2016) koszt elektryfikacji wzrósł z 500 tys. £ do 2 – 2,4 mln. £ za jeden torokilometr. ^{4, 5, 6}

Rozwiązaniem pozwalającym odejść od stosowania trakcji spalinowej oraz konieczności pełnej lub częściowej elektryfikacji jest stosowanie zespołów trakcyjnych zasilanych przez ogniwa paliwowe i/lub akumulatory. Z uwagi na strukturę układu zasilania (główne i podrzędne źródło energii) mowa tu o zastosowaniu pojazdów hybrydowych, nawet przypadku pojazdów pozbawionych odbieraka prądu.

Specyfika przejazdów dalekobieżnych wymusza instalowanie zasobników energii zarówno o wysokiej gęstości mocy, jak i wysokiej gęstości energii. Wobec tego na trasach częściowo zelektryfikowanych lub trasach ze stacjami ładowania pojazdu - wzorem pojazdów trakcji lekkiej (tramwaje, trolejbusy) – bardziej wskazane jest stosowanie elektrycznych zespołów trakcyjnych wyposażonych w mniejsze pokładowe zasobniki energii (np. do zastosowań Last Mile).

Stosowanie zasobników na pojazdach poruszających się częściowo po trasach zelektryfikowanych może być również korzystne dla kondycji sieci trakcyjnej, gdyż umożliwia jej odciążenie m.in. poprzez częściowy rozruch pojazdu z baterii oraz rekuperacje energii wprost do zasobnika (w przypadku gdy sieć nie jest wystarczająco receptywna – np. na odcinkach o małym zagęszczeniu ruchu). Zalety te są szczególnie korzystne w kontekście polskiego systemu zasilania, gdzie przy rekuperacji do sieci występują również (większe niż w innych systemach zasilania) straty energii, a czasem i przekroczenia dopuszczalnego napięcia.

Z uwagi na zasięg pojazdu zasilanego z zasobnika energii można stwierdzić, iż pojazdy hybrydowe sprawdzą się na liniach o maksymalnej prędkości eksploatacyjnej w zakresie 80 do 160 km/h. W obliczu tych informacji można przypuszczać, iż pojazdy z napędem hybrydowym mogą być konkurencyjnym rozwiązaniem w Polsce, gdzie elektryfikacja zrealizowana jest na około 63% procent linii kolejowych (średnia europejska wynosi 62%), a większość odcinków – zarówno zelektryfikowanych jak i niezelektryfikowanych – dopuszcza prędkości eksploatacyjne poniżej 160 km/h (około 88% linii kolejowych).^{7, 8}

Podsumowując – niskoemisyjne pojazdy hybrydowe, w tym wodorowe zespoły trakcyjne, stanowią obiecującą alternatywę dla elektryfikacji, a zarazem pełnią kluczową rolę w dekarbonizacji transportu.

Przyszłość europejskiego sektora kolejowego

W obrębie wspólnoty europejskiej aktywnie podejmowane są inicjatywy dążące do zwiększenia niskoemisyjności transportu m.in. europejska strategia w zakresie paliw alternatywnych, europejska strategia na rzecz mobilności niskoemisyjnej, Pakiet Czystej Mobilności oraz dokument planistyczny przyjęty lipcu 2020 roku tzw. Europejski Zielony Ład, zakładający znaczącą redukcję emisji gazów cieplarnianych.⁸

Jednocześnie w Europie realizowanych jest wiele strategicznych przedsięwzięć zrzeszających zarówno przedsiębiorstwa związane bezpośrednio z gałęzią transportu kolejowego – w tym przewoźników kolejowych, producentów taboru oraz podzespołów pojazdów szynowych, zarządców infrastruktury kolejowej (linie kolejowa, sieć trakcyjna) – jak i firmy z innych branż np. branży motoryzacyjnej. Do wspomnianych przedsięwzięć należą inicjatywy takie jak Fuel Cells and Hydrogen JU (od 2021 roku zastąpione przez Clean Hydrogen JU), Shift2Rail JU, Europe’s Rail JU dążące do transformacji europejskiego systemu kolejowego. W połączeniu z wysoką kulturą praktyk w zakresie konstrukcji nowoczesnego taboru kolejowego oraz budowy infrastruktury kolejowej, stwarzają one wielką szanse na wzmocnienie gospodarki Europy, w stosunku do Chin lub Stanów Zjednoczonych, oraz postawienia całego regionu w roli niekwestionowanego lidera zielonej transformacji.⁵

Na Rys.1.4 zamieszczono prognozowane wartości udziału wodoru w gospodarce wspólnoty europejskiej, z naciskiem na wariant ambitny oraz z podziałem na poszczególne sektory, w tym sektor transportu.^{8, 9, 10}

Rola i wykorzystanie wodoru w Unii Europejskiej do 2050 roku

W obliczu zarówno inwestycji w infrastrukturę kolejową, jak i tabor, w tym trakcję hybrydową, związanymi bezpośrednio (Zielony Ład) lub pośrednio (Fit for 55 – w zakresie integracji infrastruktury elektroenergetycznej oraz zmniejszenia emisyjności transportu) z programami unijnymi lub państwowymi (np. polską Strategią Zrównoważonego Rozwoju Transportu do 2030 r.), Polska oraz pozostałe kraje unijne mają wielką szansę na przełom w możliwości rozwoju sektora transportu kolejowego. Jednakże nowe możliwości stwarzają nowe wyzwania – jednym z nich jest odejście od trakcji spalinowej, a w konsekwencji gruntowna zmiana podejścia do planowania taboru oraz infrastruktury.

Bartłomiej Kiepura, PGE Energia Odnawialna

Treść materiału nie jest stanowiskiem spółki.

Bibliografia

1. Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking, „Hydrogen Roadmap Europe,” Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2019.
2. I. Tiseo, „Statista - Rail transportation CO2 emissions in the EU-27 1990-2019,” 2 Listopad 2021. [Online]. Available: https://www.statista.com/statistics/1237597/transport-greenhouse-gas-emissions-by-mode-eu/. [Data uzyskania dostępu: 8 Kwiecień 2022].
3. I. Tiseo, „Statista - Transportation-related GHG emission shares in the EU-27 2019, by mode,” 2 Listopad 2021. [Online]. Available: https://www.statista.com/statistics/1237597/transport-greenhouse-gas-emissions-by-mode-eu/. [Data uzyskania dostępu: 8 Kwiecień 2022]
4. Railway Industry Association, „RIA Electrification Cost Challenge,” 2019.
5. J. Siwiec, „Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w transporcie kolejowym,” Problemy Kolejnictwa, nr 190, pp. 53-57, 2021.
6. „UK government launches plan for a world-leading hydrogen economy,” 17 Sierpień 2021. [Online]. Available: https://www.gov.uk/government/news/uk-government-launches-plan-for-a-world-leading-hydrogen-economy. [Data uzyskania dostępu: 8 Kwiecień 2022].
7. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A, „Raport roczny za 2020 rok,” 2021. [Online]. Available: https://www.plk-sa.pl/files/public/raport_roczny/Raport_roczny_2020_pl.pdf. [Data uzyskania dostępu: 12 Kwiecień 2022].
8. J. Siwiec, „Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w transporcie kolejowym,” Problemy Kolejnictwa, nr 190, 2021.
9. J. Chatzimarkaki, „Hydrogen opportunities – best practices and projects,” 2018.
10. M. Składowska, „Powstaje wodorowa strategia Unii. Czy Polska na niej skorzysta?,” 25 Czerwiec 2020. [Online]. Available: https://wysokienapiecie.pl/29964-unijna-strategia-wodorowa-stawia-na-czysty-wodor/. [Data uzyskania dostępu: 18 Maj 2022].
11. N. Dolphin, „Global Railway Review - Building a case for cost reductions in the electrification of UK infrastructure,” 4 Lipiec 2018. [Online]. Available: https://www.globalrailwayreview.com/article/69703/building-a-case-for-cost-reductions-in-the-electrification-of-uk-infrastructure/. [Data uzyskania dostępu: 11 Kwiecień 2022].
12. The New Indian Express, „Mission Electrification to save railways power bill by Rs 10K crore,” 4 Listopad 2016. [Online]. Available: https://www.newindianexpress.com/nation/2016/nov/04/mission-electrification-to-save-railways-power-bill-by-rs-10k-crore-1534699.html. [Data uzyskania dostępu: 11 Kwiecień 2022].
13. A. Levy, „Pedestrian Observations - Construction Costs: Electrification,” 22 Maj 2018. [Online]. Available: https://pedestrianobservations.com/2018/05/22/construction-costs-electrification/. [Data uzyskania dostępu: 11 Kwiecień 2022].
14. „European vs US Salaries: Why You Get More In The US?,” 2 Marzec 2022. [Online]. Available: https://russianvagabond.com/european-vs-us-salaries-why-you-get-more-in-the-us/. [Data uzyskania dostępu: 12 Kwiecień 2022].
15. „Is electrifying the freight rail network cost prohibitive?,” 28 Marzec 2021. [Online]. Available: https://www.freightwaves.com/news/is-electrifying-the-freight-rail-network-cost-prohibitive. [Data uzyskania dostępu: 12 Kwiecień 2022].
16. C. Curry, „Lithium-ion Costs and Market,” 2017. [Online]. Available: https://data.bloomberglp.com/bnef/sites/14/.
17. R. I. A. H. M. S. T. S. M.-H. Federico Zenith, „Techno-economic analysis of freight railway electrification by overhead line, hydrogen and batteries: Case studies in Norway and USA,” Proc IMechE Part F: J Rail and Rapid Transit, tom 7, nr 234, pp. 791-802, 2020.
18. International Railway Journal, „International Railway Journal,” 8 Wrzesień 2020. [Online]. Available: https://www.railjournal.com/in_depth/pandemic-hurts-global-rail-market-growth/. [Data uzyskania dostępu: 10 marzec 2022].