Technologia

Kolej na kolej

Numer 2/2021
Pociągi towarowe Hyperloop – wizja artystyczna. Pociągi towarowe Hyperloop – wizja artystyczna. Virgin Hyperloop
Buchające parą lokomotywy to już romantyczna przeszłość. Dzisiejsza nowoczesna kolej jest szybka, funkcjonalna i ekonomiczna. Dzięki wizjonerom i rozwojowi techniki ma też przed sobą przyszłość – stanie się jeszcze szybsza i bardziej ekologiczna.
Posiłki kuchni indyjskiej podawane w wagonie restauracyjnym luksusowego Maharajas Express.Indigo Posiłki kuchni indyjskiej podawane w wagonie restauracyjnym luksusowego Maharajas Express.
Widok na góry z wagonu Glacier Express (Szwajcaria).Shutterstock Widok na góry z wagonu Glacier Express (Szwajcaria).
Zeroemisyjna Kolejka Leśna Királyrét (Węgry).Rlevente Zeroemisyjna Kolejka Leśna Királyrét (Węgry).
Otwarcie pierwszej linii kolejowej Stockton–Darlington (1825).BEW Otwarcie pierwszej linii kolejowej Stockton–Darlington (1825).
Transrapid Maglev – Szanghaj, Chiny.Shutterstock Transrapid Maglev – Szanghaj, Chiny.
Zawieszenie elektrodynamiczne (EDS) wykorzystuje jednocześnie zjawiska odpychania biegunów magnetycznych jednoimiennych i przyciągania różnoimiennych.Wikipedia Zawieszenie elektrodynamiczne (EDS) wykorzystuje jednocześnie zjawiska odpychania biegunów magnetycznych jednoimiennych i przyciągania różnoimiennych.
Wnętrze testowego wagonu pasażerskiego Virgin Hyperloop.Virgin Hyperloop Wnętrze testowego wagonu pasażerskiego Virgin Hyperloop.
Tor ­badawczy projektu Hyperloop na pustyni w Nevadzie (USA).Virgin Hyperloop Tor ­badawczy projektu Hyperloop na pustyni w Nevadzie (USA).
Pociąg Pendolino.Shutterstock Pociąg Pendolino.
Japoński ­pociąg Shinkansen w Tokio.Shutterstock Japoński ­pociąg Shinkansen w Tokio.
Napędzany wodorem eksperymentalny pociąg firmy Alstom (Szwajcaria).AFP/EAST NEWS Napędzany wodorem eksperymentalny pociąg firmy Alstom (Szwajcaria).
Autonomiczny dron poprzedzający pociąg (wizja artystyczna).Virgin Hyperloop Autonomiczny dron poprzedzający pociąg (wizja artystyczna).

Wszelkiego rodzaju pojazdy szynowe, zarówno poruszające się samodzielnie, jak też w składach pociągów, określamy mianem taboru kolejowego. Ewoluowały one powoli. Wagony aż do początku XX w. wykonywano z drewna. Obecnie produkuje się je z metalu (stal, aluminium). To już nie są rozsypujące się wagony z twardymi drewnianymi siedzeniami, w których ogrzewanie zapewniał mały piecyk żelazny (pamiętam jeszcze takie z dzieciństwa). Dziś nawet na liniach regionalnych mamy bardzo wygodne siedzenia, wagony są najczęściej klimatyzowane, w wielu z nich działa sieć wi-fi (niebawem będzie to 5G), a korzystać możemy też z wyświetlaczy i zasilania do laptopów. Na szczególnie ciekawych szlakach pojedziemy wagonami z przeszklonymi dachami (Dome Car, Skyline), umożliwiającymi panoramiczną obserwację otoczenia. Oprócz składów nastawionych głównie na funkcjonalność i wygodę spotykamy też luksusowe, nawiązujące stylem m.in. do słynnego Orient Expressu. Co ciekawe, sporo tych najbardziej efektownych pociągów można zobaczyć w Indiach (Maharajas Express, Palace on Wheels).

Żeby wagony się przemieszczały, niezbędny jest napęd. I właśnie tutaj dokonuje się prawdziwa rewolucja. Pierwsze lokomotywy były mniejszą lub większą modyfikacją pierwotnej koncepcji Stephensona – napędzała je para wytwarzana w kotle, opalanym zazwyczaj węglem. Choć ich sprawność rosła, to jednak dość szybko okazało się, że znacznie bardziej efektywnym źródłem energii są inne paliwa, przede wszystkim olej napędowy. Równolegle już pod koniec XIX w. do pracy na kolei zaprzęgnięto prąd elektryczny. Obecnie unowocześnia się zarówno lokomotywy spalinowe, jak i elektryczne. Jednocześnie prowadzi się coraz więcej prac nad bezpieczeństwem.

Dziś najczęściej linia kolejowa podzielona jest na sekcje i w danej sekcji może znajdować się tylko jeden pociąg. Można to zmienić, wprowadzając system aktywnego wirtualnego sprzężenia, w którym składy jadące jeden za drugim komunikują się w sposób ciągły. Wymieniają informacje o szybkości oraz działaniu hamulców, co pozwala na automatyczne zmniejszenie lub zwiększenie odstępu między nimi. Czyli zapewnienie bezpieczeństwa przy jednoczesnym zagęszczeniu ruchu.

Diesel czy prąd?

Tego pytania nie możemy traktować jako alternatywy, ponieważ w wielu wypadkach wybór taki nie istnieje. Większość linii kolejowych w obu Amerykach nadal nie jest zelektryfikowana (mamy tu więc niemal wyłącznie lokomotywy spalinowe) i zapewne nieprędko to się zmieni. Inaczej sytuacja wygląda w Europie, Rosji i Japonii, gdzie elektryfikacja zaczęła się najszybciej i jest kontynuowana. W Polsce w roku 1970 zelektryfikowane było niecałe 17% linii, a obecnie jest to ok. 60%. Co ciekawe, w bogatszych i bardziej rozwiniętych Niemczech modernizacja ta objęła niecałe 50% linii.

Obecne konstrukcje lokomotyw z silnikami wysokoprężnymi są znacznie efektywniejsze niż ich odpowiedniki choćby sprzed kilkudziesięciu lat. Emitują znacznie mniej dwutlenku siarki i tlenków azotu, a także cząstek stałych. Lokomotywy elektryczne mogą wydawać się na pierwszy rzut oka znacznie bardziej ekologiczne, ale prąd musi być gdzieś produkowany i to też przyczynia się do zanieczyszczenia środowiska. Dodatkowo trzeba wziąć pod uwagę fakt, że zasilanie sieci trakcyjnej powoduje nieuniknione straty prądu. Dlatego też odpowiedź na pytanie „Diesel czy prąd?” brzmi: „To zależy”. Ba, okazuje się, że można te dwa systemy pogodzić, jak w lokomotywach hybrydowych (dieslowsko-elektrycznych). Silnik wysokoprężny służy do napędu, ale też do ładowania akumulatorów, które są źródłem energii dla kilku (zwykle czterech) silników elektrycznych. Dodatkowo mamy tu zwykle system rekuperacji, czyli odzyskiwania energii kinetycznej w czasie hamowania. Tego typu lokomotywy mogą poruszać się na wszystkich liniach. I zarówno konstrukcje z silnikiem Diesla, jak i elektrycznym będą zawsze bardziej efektywne i ekologiczne niż parowe.

Trwają też prace badawcze nad wykorzystaniem fotowoltaiki. Panele montuje się na dachach pojazdów, ale można je też umieścić na podkładach kolejowych. Zwykle jest to tylko pomocnicze źródło energii, ale można też spotkać pojazdy zasilane wyłącznie w ten sposób. Przykładem dość bliskim jest wąskotorowa Kolejka Leśna Királyrét, na której z szybkością maksymalną 25 km/h kursuje zeroemisyjny wagon Vili.

Kolej magnetyczna (maglev)

Pomysł zbudowania kolei magnetycznej pojawił się na początku XX w., a eksperymenty z pojazdami szynowymi poruszającymi się na takiej poduszce wykonywano już w latach 60. XX w., ale technologia ta zaczęła się rozwijać na dobre dopiero pod koniec ubiegłego wieku. Podstawowa zasada jest następująca: pojazd lewituje nad torami, wykorzystując efekt magnetycznego przyciągania się i odpychania biegunów magnesów. Dzięki temu eliminuje się tarcie kół o szyny, które pochłania energię. Koleje tego typu określa się zwykle słowem „maglev” (ang. magnetic levitation – lewitacja magnetyczna). Co ważne, w tego typu pojazdach brak jest poruszających się elementów. Jedynym, co się porusza, jest sam pojazd.

Idea wydaje się prosta, problemy zaczynają się jednak podczas jej realizacji. Podstawowymi elementami kolei magnetycznej są elektromagnesy umieszczone w konstrukcji pociągu (dokładnie: w wózku, czyli tym elemencie, który w zwykłych pojazdach jest związany z kołami). Aby działały efektywnie, niezbędna staje się spora ilość energii elektrycznej. Konstruktorzy japońscy pierwsi zaczęli do budowy takich pojazdów wykorzystywać magnesy nadprzewodzące. Obecnie zazwyczaj są to magnesy z nadprzewodników wysokotemperaturowych, do których chłodzenia wystarczy tani i łatwo dostępny ciekły azot.

Dokładna analiza wydatków energetycznych pokazuje, że sama lewitacja oraz napęd stanowią tylko niewielki ułamek całkowitej energii pochłanianej przez taki pojazd. Większość tracona jest na pokonanie oporu powietrza. I tu na scenę wkracza Elon Musk.

Hyperloop

Co prawda, pomysł z pojazdem poruszającym się w rurze, z której odpompowano powietrze, kojarzy się dziś właśnie z Elonem Muskiem, ale pierwsze koncepcje takiego typu transportu pojawiły się już ponad 100 lat temu. W tamtych czasach jednak możliwości techniczne były na tyle ograniczone, że próby zostały bardzo szybko zarzucone. Dopiero niedawno odgrzebano tę ideę, ponieważ pojawił się wizjoner mający wystarczająco dużo pieniędzy, aby realizować marzenia. Sama koncepcja polega na stworzeniu swoistej sieci metra, ale takiej, aby pojazdy poruszały się w rurach, z których wypompowano powietrze. Eliminuje się dzięki temu opór powietrza mającego przy dużych prędkościach decydujący wpływ na dynamikę. W założeniu ciśnienie wewnątrz systemu stanowi 1% atmosferycznego, co pozwala na to, by specjalnie zaprojektowane kapsuły poruszające się na poduszce magnetycznej osiągały prędkość 1200 km/h. W jakimś stopniu jest to realizacja pomysłu Stanisława Lema, który w 1955 r. w powieści „Obłok Magellana” opisał taki właśnie pojazd, nazwany organowcem. Planowana sieć tuneli systemu Hyperloop umożliwi bezkolizyjny transport pasażerów i towarów.

Obecnie trwają prace badawczo-rozwojowe, w których uczestniczy także firma Nevomo (dawniej Hyperloop Poland). Celem konstruktorów jest zbudowanie działającego modelu pojazdu (skala 1:5), który mógłby zostać wykorzystany do testów w projekcie Muska. Jednocześnie firma planuje w 2021 r. budowę toru testowego – na terenie Instytutu Kolejnictwa w Żmigrodzie. Tymczasem pod koniec listopada ub.r. nadeszła informacja, że koreańska wersja próżniowej kolei, zwana Hyper-Tube, w trakcie testów przekroczyła prędkość 1000 km/h. Wiadomo też, że wizjonerzy z zespołu Elona Muska obmyślają już wersję Hyperloop, którą można by wykorzystać na Marsie. Tam odpada jeden podstawowy problem: nie będzie trzeba wytwarzać próżni, ponieważ atmosfera marsjańska ma ciśnienie 99% niższe niż ziemska.

Czy kolej się opłaca?

W każdym miesiącu tylko polskie koleje przewożą średnio niemal 30 mln pasażerów (pandemia spowodowała spadek nawet o 50%), a średnia podróż każdego z nich to ok. 60 km. Jeśli chodzi o transport towarów, to w każdym miesiącu po torach przemieszcza się ok. 20 mln t ładunku, przy czym średnia trasa 1 t to jakieś 240 km. W przeciwieństwie do ruchu pasażerskiego pandemia nie wpłynęła specjalnie na ilość przewożonych towarów.

Co jakiś czas czytamy w mediach o tym, że państwo dopłaca do transportu kolejowego. Ale widzimy też tysiące pociągów wożących towary, i to na bardzo długich trasach. Trudno uwierzyć, że jest to działalność charytatywna. Jaka jest więc prawda? W zasadzie można sobie wyobrazić, że ładunki te zostają załadowane na ciężarówki lub do kontenerów i ruszają na drogi. Szybka kalkulacja fachowców pokazuje jednak, że absolutnie nie jest to opłacalne, ale też skończyłoby się dramatem – nie tylko całkowicie zablokowanymi drogami, lecz również olbrzymim wzrostem zanieczyszczenia powietrza.

Alternatywnymi wyjściami są transport lotniczy (niezwykle drogi) albo morski (niezwykle wolny). Jak szacują specjaliści od logistyki, najbardziej opłaca się regularny przewóz kolejowy dużych ładunków na odległości większe niż kilkaset kilometrów. Nie ma on sobie równych, gdy mówimy o takich towarach jak węgiel, ruda, piasek czy żwir. Koleje wygrywają też ze względu na to, że infrastruktura już istnieje, nawet na bardzo długich trasach, a wykorzystywane lokomotywy stają się coraz bardziej sprawne. Poza kosztami istotną rolę, szczególnie ostatnio, odgrywa też ekologia. I tu nie ma wątpliwości – transport kolejowy pozostawia znacząco mniejszy ślad węglowy od drogowego i lotniczego. Dlatego też fracht kolejowy ma przed sobą przyszłość. Nieco inaczej wygląda sytuacja w przypadku transportu pasażerskiego. W zasadzie tutaj koszty przewyższają wpływy, i nie jest to tylko specyfika rynku polskiego. Oczywiście zawsze można kompensować straty ceną biletów, ale wtedy – rzecz jasna – spada liczba pasażerów, dlatego trzeba znaleźć jakiś złoty środek.

Co dalej?

Prognozy specjalistów rynku kolejowego wybiegają daleko – aż do roku 2050. Według nich kolej ma przed sobą wielką przyszłość. Analizy urbanistyczne mówią, że w 2050 r. aż 70% ludzi będzie mieszkać w miastach. Dlatego nacisk będzie kładziony na kolej miejską – klasyczną, podziemną, ale też typu Hyperloop. Coraz śmielej mówi się o pociągach autonomicznych, które już dziś działają w kilku miastach i na liniach towarowych. Trwają intensywne prace nad zastąpieniem systemu biletów technologiami biometrycznymi, np. rozpoznawaniem twarzy, co wyeliminuje konduktorów. Nowoczesna elektronika pozwala już np. na wykrywanie pęknięć szyn i raportowanie ustaleń do centrali przez czujniki montowane w pociągach. Testuje się też pomysły na wykorzystanie autonomicznych dronów, które mają lecieć przed pociągiem i sygnalizować ewentualne przeszkody na torach albo inne problemy wpływające na bezpieczeństwo podróży. Systemy wymiany informacji pozwolą na uproszczenie ewidencji towarów przewożonych koleją, co przyśpieszy kwestie logistyczne. Tu specjaliści bardzo liczą na rozwijaną aktualnie sieć 5G oraz tzw. internet rzeczy, dzięki którym pojawi się automatyczna wymiana danych bez ingerencji człowieka. Fachowcy jednak nie przewidują już znaczącego wzrostu długości linii kolejowych w Ameryce i Europie, podczas gdy takie kraje jak Chiny i Indie będą zdecydowanie przodować w ich rozbudowie.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak
Dziennikarz naukowy – freelancer, współpracujący z „Wiedzą i Życiem” oraz „Tygodnikiem Powszechnym”, dawniej także z „Magazynem Internet” i „PC World”. Z wykształcenia chemik, uzyskał doktorat z fizykochemii organicznej.

Artykuł dedykuję mojemu Tacie, Stefanowi, który jako inżynier konstruktor pracował w jednej z ostatnich kolejowych pracowni projektowych w Polsce.

***

Krótka historia kolei

Dla większości ludzi historia kolei zaczyna się wraz ze skonstruowaniem słynnej lokomotywy parowej przez George’a Stephensona. Tymczasem powinniśmy sięgnąć znacznie dalej w przeszłość, gdy w starożytności konie ciągnęły wozy dopasowane do kolein w drogach (Egipt, Grecja, Rzym). Kolejnym etapem było stworzenie drewnianych szyn, które w epoce rewolucji przemysłowej zostały zastąpione żeliwnymi, a potem stalowymi. Nieefektywny napęd konny został wyparty przez lokomotywę parową. Pierwszą regularną linię na świecie (15 km) uruchomiono w 1825 r. na trasie Stockton–Darlington (Anglia). Na terenie obecnej Polski pierwsza (1842) powstała linia Wrocław–Oława. Do końca XIX w. kolej parowa była obecna już na wszystkich kontynentach. W drugiej dekadzie XX w. pojawiły się lokomotywy spalinowe oraz spalinowo-elektryczne. Eksperymentalna kolej elektryczna (jeszcze w XIX w.) to dzieło von Siemensa. Nie dziwi więc fakt, że największa sieć trakcji elektrycznej znajduje się w Europie.

***

Najszybsze

Pierwszą rekordzistką szybkości była lokomotywa Stephensona, która w 1830 r. rozpędziła się do 48 km/h. Dziś rekord dzierżą oczywiście Japończycy. W 2015 r. ich pociąg na poduszce magnetycznej – Shinkansen L0 Series – osiągnął prędkość maksymalną 603 km/h. W Europie rekord należy do poruszających się na klasycznym torowisku francuskich pociągów TGV (574,8 km/h w 2007 r.). Te prędkości są osiągane oczywiście w warunkach kontrolowanych. Obecnie na niektórych liniach TGV realna prędkość maksymalna wynosi 320 km/h. Aby komercyjne pociągi mogły tak pędzić, muszą poruszać się po odpowiednio przygotowanych torach, spełniających konkretne wymagania. Największą sieć kolei wielkich prędkości posiadają obecnie Chiny (ok. 30 tys. km). W Polsce najszybciej jeżdżą pociągi Pendolino – dopuszczalna prędkość maksymalna jednak nie imponuje, bo wynosi 200 km/h. Praktycznie wszystkie składy wielkich prędkości to zestawy pasażerskie. W założeniu mają być konkurencją dla transportu lotniczego.

***

A może wodór?

Na początku XXI w. rozpoczęto szeroko zakrojone prace badawcze nad stworzeniem pociągu napędzanego wodorem, a dokładniej – ogniwami paliwowymi wykorzystującymi ten gaz. Technologia rozwija się na tyle szybko, że już na początku drugiej dekady pociągi wodorowe zaczęły być wykorzystywane komercyjnie, przede wszystkim w Niemczech i Austrii. W tym przypadku energia pochodzi z bezpłomieniowego spalania wodoru w tlenie, przy czym produktem jest tu oczywiście woda. Uzyskiwana energia napędza trójfazowe silniki trakcyjne, a jej nadmiar gromadzi się w akumulatorach litowych. Z wyliczeń wynika, że farma wiatrowa o mocy 10 MW może wyprodukować 2,5 t wodoru dziennie, co wystarczy do zasilenia 14 pociągów iLint (producent: Alstom, Niemcy), przy czym każdy może przejechać 600 km. Mamy więc do czynienia z projektem prawdziwej zeroemisyjnej kolei. Dziś kolej wodorowa jest jeszcze dość droga w eksploatacji, ale wydaje się, że może to być przyszłość transportu szynowego.

01.02.2021 Numer 2/2021
Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną