Korzystne wiatry dla pociągów

Z prof. drem hab. inż. Adamem Szelągiem, dyrektorem Instytutu Maszyn Elektrycznych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, rozmawia Jacek Świdziński

Panie Profesorze, na samym wstępie chciałbym zapytać, dlaczego pociąg z Warszawy do austriackiego Villach, jadąc przez cały czas po torze 1435 mm, musi po drodze trzykrotnie zmieniać lokomotywy elektryczne?
Wynika to z różnic napięcia w różnych sieciach kolejowych Europy. Utrudnia to uzyskanie interoperacyjności kolei w skali kontynentu. Unia Europejska od wielu usiłuje dojść z tym do ładu. Takie działania rozpoczęto już w latach 90. XX w. Aby uzyskać interoperacyjność na trasie z Portugalii czy Hiszpanii do Moskwy trzeba skonstruować lokomotywę elektryczną wielosystemową, przystosowaną do co najmniej trzech systemów napięcia i różnej szerokości torów. Jest to pokłosie jeszcze XIX w., kiedy to rozpoczęła się era trakcji elektrycznej na kolei. Dla ówczesnego rozwoju przemysłowego wąskim gardłem stał się transport – pamiętajmy, że nie było jeszcze silnika spalinowego! Rosjanie na przykład twierdzą, że pierwsze zastosowanie silnika elektrycznego w transporcie miało miejsce na Newie, a więc był to transport wodny, śródlądowy. Jednak pierwszą lokomotywą, a raczej lokomotywką elektryczną, była skonstruowana w roku 1879 przez Wernera von Siemensa maszyna, która pobierając prąd z trzeciej szyny, ciągnęła mały wagonik-ławkę po terenach wystawy powszechnej w Berlinie.

Wówczas uznano to za zabawkę, ale wkrótce nastąpił szybki rozwój trakcji elektrycznej. Dodajmy, że tenże Siemens zbudował pierwszą elektryczną windę (w 1880 r.) i tramwaj elektryczny, a w 1882 r. zaprezentował pierwszy na świecie model trolejbusu.

Ówcześni inżynierowie, którzy zachłysnęli się możliwościami, jakie daje elektryczność, próbowali je wykorzystywać na różne sposoby. Systemy transportowe czy komunikacyjne rozwijały się lokalnie. W każdym regionie budowano tak, jak potrafiono, jak pozwalały na to warunki i ówczesna wiedza. Początkowo rozpowszechniały się napędy małych mocy w oparciu prąd stały o niskim napięciu do 750 V – dla tramwajów, metra czy kolei. Używano silników komutatorowych, również przy zasilaniu napięciem przemiennym, jednofazowym o większej wartości, ale o obniżonej częstotliwości, np. 25 czy 16 2/3 Hz. Były co prawda próby zastosowania silnika synchronicznego, trójfazowego, ale to już wymagało doprowadzenia trzech faz do lokomotywy, zatem pociągało konieczność budowy trzech, a przynajmniej dwóch sieci zasilających. A wiadomo nie od dziś, że sieć trakcyjna to najbardziej zawodny element całego systemu, bez możliwości rezerwowania, dlatego najbardziej wrażliwy na wszelkiego rodzaju czynniki zewnętrzne i kosztowny w utrzymaniu. Jeśli dzisiaj zimą mamy problemy z jednym przewodem jezdnym, to proszę sobie wyobrazić, ile oblodzenia trzeba byłoby usuwać z trzech przewodów. Energetycy coś na ten temat mogą powiedzieć…

A tzw. trzecia szyna?

To rozwiązanie jest stosowane do tej pory, ale niemal wyłącznie w systemach zamkniętych. Choć w Wielkiej Brytanii, na południowym wschodzie, kursują pociągi zasilane z trzeciej szyny, co wymaga odgrodzenia torowiska, bo trzecia szyna, umieszczona z boku lub pomiędzy szynami stwarza zagrożenie dla ludzi i zwierząt. Mimo to dochodzi tam niekiedy do wypadków. Ponadto w ten sposób można doprowadzać dość małe moce (niskie napięcia – poniżej 1kV DC), między innymi dlatego pociągi Eurostar, dojeżdżając do Kanału Angielskiego (dla Francuzów – La Manche), podróżowały z prędkościami poniżej 100km/h.  

Znakomitym przykładem różnorodności rozwiązań dla kolei elektrycznych stanowi Szwajcaria. Funkcjonuje tam cała gama rozstawów szyn, napięć i systemów trakcji. Kolej elektryczna wjeżdża na wysokość prawie 3,5 km, wymaga to jednak przesiadek na poszczególnych etapach. Ten kraj nie wykorzystuje zasadniczo innej trakcji niż elektryczna, ale za to w całej jej różnorodności. Każda kotlina, nawet każda kolej linowa ma swoje rozwiązania wynikające z uwarunkowań lokalnych. Dzięki temu w Szwajcarii trakcja elektryczna dociera do każdej praktycznie miejscowości.

Czy w Polsce trakcja elektryczna na kolei jest słabo rozwinięta?

Można powiedzieć, że sieciowo – w kilometrach linii zelektryfikowanych jest bardzo dobrze rozwinięta. Mamy w kraju 12 tys. km zelektryfikowanych linii kolejowych, dzięki którym wykonuje się ponad 90 proc. przewozów – trakcja spalinowa pełni rolę uzupełniającą. Sporadycznie powinny pojawiać się u nas także rozwiązania hybrydowe, np. trakcja spalinowo-elektryczna, kiedy to pociąg jakiś odcinek przebywa napędzany silnikiem spalinowym, a tam, gdzie dostępna staje się trakcja elektryczna – korzysta z sieci. Takie rozwiązanie jest bardziej ekologiczne. Niestety, w Polsce wiek oraz stan techniczny taboru i infrastruktury odbiega od standardów nie tylko wiodących krajów w Europie, ale również takich sąsiadów jak Czechy.

Generalnie biorąc, od lat 70. XX w. mamy powrót do trakcji elektrycznej w całej Europie, a Polska jest pod tym względem opóźniona o jakieś 20 lat.

Panie Profesorze, wspomniał Pan, że w Europie pracuje się nad rozwiązaniami unifikacyjnymi dla kolei elektrycznej. Jak to wygląda? Jakie rozwiązania, jakie napięcia uznano za szczególnie korzystne?

            Dokonano wyboru pewnych priorytetów. Trzeba jednak pamiętać, że wybór napięcia dla sieci trakcyjnych jest uwarunkowany szeregiem czynników. Nawet jeśli mamy „pole niczyje, na którym inżynier może poszaleć” i wybrać dowolne rozwiązanie, to musimy się zastanowić, czemu dany system transportu ma służyć, np. gdy to ma być kolej wysokiej prędkości, to napięcie musi być odpowiednio wysokie. Przy wyborze systemu zasilania, przez który rozumie się rodzaj napięcia w sieci trakcyjnej musimy zadać warunki wyjściowe: prędkości zasilanych pociągów, ich moce oraz częstość kursowania, czyli zdolność przewozową. Dla trakcji miejskiej, ze względu na potrzebę mniejszych mocy oraz z uwagi na bezpieczeństwo dobiera się napięcia niskie, do 1,5 kV prądu stałego. Ale – dla przykładu – metro w New Delhi ma kolejowy system zasilania i napięcie 25 kV 50Hz. Co prawda były problemy, ze względu na skrajnię i wymogi bezpieczeństwa, głównie na odcinkach w tunelach, ale – generalnie – Hindusom się to udało.

            Może dlatego, że metro akurat ma większość linii biegnących po estakadzie, nie pod ziemią.

            Dla pociągów TGV, jeżdżących z wielką prędkością, niezbędne jest wysokie napięcie – 25 kV 50 Hz. Pojawiają się jeszcze wyższe napięcia: 2x25kV lub 50 kV 50/60 Hz. W Niemczech, Szwajcarii, Austrii oraz krajach skandynawskich stosowany jest ciągle rozwijany od początku rozwoju trakcji system 15 kV 16 2/3 Hz.

            Jednak takie w Europie „puste pole” zdarza się rzadko – z reguły działamy przy już istniejącej infrastrukturze, taborze, systemie zasilania itd., co uwarunkowuje wybór systemu.

A w Polsce?

            W Polsce od czasów międzywojennych mamy system 3 kV prądu stałego. Jego inicjatorem i propagatorem był twórca trakcji elektrycznej w Polsce, prof. Roman Podoski, pierwszy kierownik Zakładu Trakcji Elektrycznej w Politechnice Warszawskiej. Potem jego prace kontynuował syn, Jan Podoski, również profesor Politechniki Warszawskiej i równie wielka postać polskiej inżynierii elektrycznej, ponadto bohater walk o niepodległość i „ojciec” metra warszawskiego. W czasie, gdy prof. Roman Podoski zaproponował takie rozwiązanie systemowe, systemem dojrzałym był system 1,5kV prądu stałego, 3kV DC dopiero powstawał. Dzięki dobrej decyzji prof. Podoskiego do dzisiaj mamy w Polsce jednolity system o jednym napięciu 3 kV. W związku z tym nie mamy takich problemów wielosystemowości jak Czechy czy Słowacja, które mają dwa systemy: 25 kV i 3 kV DC, a ten pierwszy kraj jeszcze odcinek 1,5kV DC!

            System 25 kV/50 Hz ma największą zdolność przesyłową energii, pozwala zmniejszyć przekrój sieci i zwiększyć odległości pomiędzy podstacjami trakcyjnymi, a więc jest najbardziej ekonomiczny. Koszt infrastruktury jest wówczas o około 1/3 niższy. Niestety, ma swoje wady, do których należy przede wszystkim wprowadzanie asymetrii do zasilającego systemu elektroenergetycznego.

Czy należy elektryfikować wszystkie linie, tak jak w Szwajcarii?

            Istnieje pojęcie „progu elektryfikacji”, linii, na której nie ma zbyt wielkich przewozów, nie powinno się elektryfikować z punktu widzenia efektywności. Choć mogą pojawić się inne powodu niż wielkość przewozów: polityczne, strategiczne, a niekoniecznie finansowo-ekonomiczne

W jednej z Pańskich publikacji, Panie Profesorze, natknąłem się na informację, że w porównaniu do kolei zachodnioeuropejskich w Polsce zużycie energii przez nasz tabor jest o 15 do nawet 30 proc. wyższe…

            To rzecz jasna szacunki, ponieważ trudno to wyliczyć z dokładnością do kilowatogodziny. Przestarzały tabor trakcyjny, w tym podmiejski w Polsce, wykorzystujący historyczne rozwiązania z rozruchem rezystorowym, zużywa znacznie więcej energii niż tabor nowoczesny z rozruchem bezstratnym. Już 1996 r. została uchwalona Ustawa o kolei, na mocy której stwierdzono, że dla ok. 15 tys. km linii kolejowych państwowego znaczenia państwo będzie łożyć nakłady na ich utrzymanie i modernizację. Od tamtego czasu niestety Sejm przyznawał kolejom znacznie mniej, tylko ok. 30 proc. niezbędnych środków, więc trudno się dziwić, że stan techniczny, a w tym energochłonność taboru są takie, jakie są. Tak powstały kilkudziesięcioletnie zapóźnienia, i to nie tylko w stosunku do krajów najwyżej uprzemysłowionych, ale również na przykład wobec Czech. A zatłoczenie dróg i dojazd lub wyjazd, już nie tylko z wielkich miast, ciągle się wydłuża.

Kolej jest zaopatrywana w energię elektryczną przez PKP Energetyka SA. Jaki jest jej udział w ogólnym bilansie kraju, jeśli idzie o zużycie energii?

            Dysponuję danymi dotyczącymi 2008 r. Wtedy PKP Energetyka zużyła 2,5 TWh na potrzeby trakcyjne oraz 0,94 TWh na inne cele, w tym na dostawy dla odbiorców niekolejowych. Było to ok. 3,4 proc. zużycia krajowego. Inne porównanie – cała moc wytwórcza zainstalowana w Polsce to nieco ponad 34 tys. MW, a w podstacjach PKP Energetyka zainstalowana jest moc odbiorcza 4,2 tys. MW, czyli powyżej 10 proc. Choć wykorzystanie tej mocy w trakcji elektrycznej jest znacznie niższe niż u innych odbiorców.

            Warto także podkreślić, że system trakcji elektrycznej ma taką charakterystykę, że spłaszcza szczyty energetyczne: jedziemy do pracy czy na uczelnię bądź do szkoły po porannych zabiegach domowych uruchamiających pobór energii, a przed włączeniem maszyn, urządzeń i oświetlenia w miejscu pracy czy nauki; w drugiej części dnia jest podobnie.

            W krajach, w których krajowy system elektroenergetyczny ma duże wahania zapotrzebowania na moc, to właśnie zelektryfikowany transport publiczny równoważy i bardziej równomiernie obciąża system wytwórczy. Tramwaje, metro, czy system kolei podmiejskich, które jeżdżą przez 20 godzin, wyrównują obciążenia.

A co z polskim TGV – kolejami wielkich prędkości? Czy polska elektroenergetyka podołałyby zasilaniu takich linii?

            Odwołałbym się do przykładu Hiszpanii, kraju, na którym Polska mogłaby się wzorować, ze względu na podobieństwo obszaru i liczby mieszkańców. Hiszpanie, którzy obecnie szybko rozbudowują koleje wielkich prędkości, do ich zasilania wykorzystując w dużym stopniu energetyką wiatrową. Ich pierwsza linia TGV, Madryt–Sewilla, ukończona przed wystawą światową w 1992 r., była budowana przez firmy zagraniczne. Obecnie koleje te budują już firmy hiszpańskie, silnie obecnie również na polskim rynku. W Hiszpanii wydaje się rocznie na modernizację i rozbudowę kolei ok. 10 mld euro! Kolej ratuje pogrążoną w kryzysie hiszpańską gospodarkę. I stanowi stabilizujący odbiór dla rozwijającej się ekologicznej energetyki wiatrowej. Zasilanie nowych hiszpańskich podstacji kolejowych odbywa się za pomocą linii o napięciu 400 kV, a moce zwarciowe przekraczają 13 tysięcy MVA.

            Przy czym zakłada się bardzo wysoki poziom rezerwowania zasilania systemu trakcji, nie taki typowy „n-1”, lecz nawet „n/2”. A hiszpańskie pociągi szybkie (do 350 km/h) mogą się poruszać nawet co trzy minuty.

A więc obawy, że ewentualna budowa TGV „pożre” nam energię, to strachy na Lachy?

            O nie, już w rządowej strategii budowy kolei wielkich prędkości zawarte zostało stwierdzenie, że równolegle należy budować elektroenergetykę do celów kolejowych. Trwają w PKP PLK SA przygotowania do wykonania studium wykonalności budowy kolei wielkich prędkości i tam te zagadnienia zostaną szczegółowo uwzględnione. Być może Politechnika Warszawska zostanie włączona do tych prac. W każdym razie na dziś mogę stwierdzić, że na potrzeby takiej kolei będziemy musieli zbudować ok. 8-9 nowych podstacji trakcyjnych w systemie 2x25kV/50Hz oraz co najmniej 500 km linii energetycznych NN. W sumie potrzeba będzie do tego celu około 1000 MW dodatkowej mocy zainstalowanej, rozłożonej w różnych obszarach i o wysokim poziomie rezerwowania. Tu pojawia się problem asymetrii – system 25 kV jest dobry, bo ma duże zdolności przesyłowe, ale jako odbiór jednofazowy powoduje, że jeśli podstacja będzie mieć moc np. 120 MVA to moc zwarciowa w węźle przyłączenia powinna sięgać 6 tys. MVA. Jeśli nie, to pozostanie robić to samo, co np. Anglicy przy budowie zasilania trasy pod Kanałem Angielskim (La Manche) – instalować w podstacjach symetryzatory. Jest to potężne urządzenie, które zwiększa koszt instalowania podstacji.

            Alternatywą jest stosowanie równie drogich transformatorów specjalnych, np. Scotta. Próbowaliśmy zainteresować odpowiednie władze budową pilotażowego odcinka systemu 25kV/50Hz od Suwałk do granicy z Litwą, jako że na Litwie na kolei używa się napięcia właśnie 25 kV, jest odzew ze strony Litwy oraz w tym rejonie ma przebiegać most energetyczny Polska–Litwa. Linia ta ponadto leży w priorytetowym korytarzu E-75, ale nadaje się do testów, bo ruch z Suwałk w kierunku Litwy jest minimalny, więc bez wielkiego uszczerbku można było nabrać doświadczenia w stosowaniu takiego napięcia. Trudno taką zmianę przeprowadzać na newralgicznej linii, takiej jak E30 czy CMK. Wprowadzanie nowego systemu 25 kV na tej ostatniej linii mogłoby na ładne parę lat zmniejszyć jej zdolności przewozowe.

            Póki co wciąż jednak mamy w Polsce na kolei system napięcia 3 kV DC, którego możliwości ciągle nie do końca są wykorzystywane, bo mimo że pozwala na prowadzenie pociągów z prędkościami 200-220 km/h, to do tej pory takich prędkości w naszym kraju nie ma. Rekord pochodzi 1994 r. – wówczas pociąg typu Pendolino osiągnął na odcinku CMK 251 km/h, ostatnio skład lokomotywowy przekroczył 230km/h. 

Panie Profesorze, na całym świecie trwa renesans tramwaju jako środka komunikacji miejskiej. Czy u nas jest to możliwe?

            Jest możliwe i obserwujemy to także w Polsce. Warszawa właśnie zamówiła 186 tramwajów. Inne miasta zamawiają mniej, niekiedy nawet po dwie sztuki (choć przy większej liczbie można uzyskać niższe ceny), ale proces odnawiania taboru rozwija się. Czasami nawet za bardzo chcemy – wszyscy życzą sobie tramwajów niskopodlogowych, i to w stu procentach, choć są one droższe też o 100 proc. A przecież odsetek pasażerów wymagających takiej konfiguracji wagonu jest o wiele mniejszy!

            Ten boom widać również u krajowych producentów taboru – rozwija nowe technologie i sprzedaje tabor nie tylko w Polsce PESA, jest NEWAG, ostatnio dołączył Solaris, są u nas obecne także międzynarodowe firmy takie jak Alstom czy Bombardier. 

            Najkrócej mówiąc – na nowo odkrywamy wszystkie zalety trakcji elektrycznej. I w miastach, i w relacjach międzymiastowych, i w przewozach pasażerskich, w tym tych szybkich, i w transporcie ładunków. Rozwija się konkurencja wśród operatorów, najbardziej jest to widoczne w transporcie towarowym, ale również monopol w przewozach pasażerskich został przełamany.

Panie Profesorze, dziękujemy za rozmowę i prosimy przyjąć gratulacji z okazji otrzymania tytułu „Człowiek roku – przyjaciel kolei” w kategorii „Naukowiec roku 2009”.

            Bardzo dziękuję i niech moc (a)trakcji elektrycznej dobrze wszystkim nam służy. 

Prof. dr hab. inż. Adam Szeląg

Od 2008 r. dyrektor Instytutu Maszyn Elektrycznych na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej; w latach 2004-2008 był kierownikiem Zakładu Trakcji Elektrycznej i zastępcą dyrektora IME.

Znany w kraju i zagranicą specjalista z zakresu trakcji elektrycznej, a szczególnie w dziedzinie analiz i symulacji funkcjonowania systemów tej trakcji, układów zasilania i elektroenergetyki trakcyjnej, oddziaływania na infrastrukturę techniczną i środowisko pojazdów elektrycznych. Autor (także w zespołach) ponad 70 prac naukowo-badawczych i wdrożeniowych zarówno w Polsce, jak zagranicą. Przygotował około 150 artykułów, referatów, opinii i ekspertyz dotyczących elektroenergetyki kolejowej; autor patentów i zgłoszeń patentowych w swojej dziedzinie. Członek Rady Naukowo-Technicznych Metra Warszawskiego, sekretarz Sekcji Trakcji Elektrycznej Komitetu Elektrotechniki PAN, członek Rady Naukowej Kolei Dużych Prędkości, przewodniczący zespołu ds. energii, członek rady Naukowej Instytutu Elektrotechniki, członek Railway Advisory Panel IEE; nagrodzony nagrodą premiera (2009), Ministra Szkolnictwa Wyższego i Ministra Transportu; Laureat konkursu „Człowiek roku – Przyjaciel Kolei w 2009 r.” w kategorii „Naukowiec roku”.