Loading

O dalsze zmniejszenie energochłonności transportu kolejowego.

mgr inź. Wojciech Bogdański
kierownik zespołu w Zakładzie Pojazdów Szynowych
GOBiRTK Warszawa

"Trakcja i Wagony" Nr.1/1983

W 1981 roku trakcja elektryczna PKP zużyła 3.819,6 min kWh energii elektrycznej, z czego należy szacować, że 2100 min kWh (56%) zużyto w ruchu towarowym, pozostałe zaś 1719,6 min kWh (44%) w ruchu pasażerskim.
Trakcja spalinowa PKP zużyła 599,3 tys. t oleju napędowego, z czego 469,8 tys. (78,4%) w ruchu towarowym, gospodarczym i w pracy manewrowej oraz 129,5 tys. t (21,6%) w ruchu pasażerskim. Wynosi to 3,13% globalnej produkcji energii elektrycznej i 11,8% produkcji oleju napędowego w Polsce. W stosunku do 1980 roku nastąpił spadek zużycia energii elektrycznej przez PKP na cele trakcyjne o około 7% i oleju napędowego o około 22%. Spowodowane to było zmniejszeniem się ilości towarów przewożonych przez PKP o 16,2% i zmniejszeniem, wskutek tego, pracy przewozowej w ruchu towarowym o 16,8%.
Wskutek równoległego znacznego wzrostu ceny energii elektrycznej z 0,64 do 2,0 zł/kWh i oleju napędowego z '5,40 do 25,80 zł/kg bardzo wzrosły koszty energetyczne PKP. I tak koszt energii elektrycznej na cele trakcyjne wyniósł w 1981 roku około 7,639 mld zł wobec 2,621 mld zł w 19810 roku. Natomiast koszt oleju napędowego wyniósł 15,4-62 mld zł wobec 3,95 mld zł w 1930 roku.
W porównaniu z innymi zarządami kolejowymi w Europie (poza ZSRR) zużycie energii i paliwa na cele trakcyjne jest na PKP stosunkowo duże i wynika z dużej, w stosunku do innych Zarządów Kolejowych, pracy przewozowej. W 1980 roku pod względem zużycia oleju napędowego w liczbach bezwzględnych PKP plasowały się na I miejscu w Europie (768 tys. t), wyprzedzając Anglię (711 tys. t), RFN (523 tys. t) i Francję (446 tys. t) [5]. Natomiast pod względem zużycia energii elektrycznej PKP zajmowały III miejsce (4095 min kWh) za RFN (6935 min kWh) i Francją (5350 min kWh), wyprzedzając Włochy (3162 min kWh) i Anglię (2397 min kWh).
W 1980 roku PKP miały w Europie (bez ZSRR) jedno z najniższych jednostkowych zużyć oleju napędowego: 6,62 kg/1000 tkm brutto w porównaniu z 5,45 - Finlandia, 7,09 - Jugosławia i 7,16 - Anglia, wobec np. 12,94 - Szwajcaria i RFN, 13,05 - Szwecja i aż 16,35 - Austria. Podobnie niskie było na PKP jednostkowe zużycie w 1980 roku energii elektrycznej na cele trakcyjne: 20,06 Wh/tkm brutto. Jest ono porównywalne ze zużyciem w Czechosłowacji i niższe niż np. w Jugosławii (21,54) i Francji (25,03), znacznie zaś niższe niż np. w Szwajcarii (43,97), Anglii (41,92) czy Austrii (39,2).
Jest oczywiste, że tak niskie jednostkowe zużycie energii i paliwa na cele trakcyjne wynika z jednej strony z warunków terenowych PKP (równinny charakter większości linii kolejowych) i małych prędkości maksymalnych w ruchu towarowym, z drugiej zaś - ze stosunkowo dużej masy brutto pociągów towarowych prowadzonych przez lokomotywy elektryczne i spalinowe.
Pomimo stosunkowo małego jednostkowego zużycia paliwa i energii, zużycie to wyrażone w liczbach bezwzględnych jest jednak - jak to wskazano wyżej - znaczne i liczy się- w sposób widoczny w bilansie paliwowo-energetycznym kraju. Stąd niezwykle istotne są systematyczne działania w celu zmniejszenia energochłonności procesu przewozowego. Dotyczą one przede wszystkim dalszej elektryfikacji sieci PKP. Istotne są również działania w zakresie techniczno-organizacyjnym.

Efekty z elektryfikacji

Trakcja elektryczna jest wprowadzana obecnie na linie PKP zasadniczo jako zamiennik trakcji spalinowej. Porównanie efektywności ekonomicznej trakcji elektrycznej i spalinowej, oparte na cenach, bieżących energii elektrycznej i oleju napędowego, wykazuje, że zastąpienie przez trakcję spalinową pracy przewozowej, wykonywanej w 1980 roku, trakcją elektryczną kosztowałoby w zakresie energii trakcyjnej blisko 30 mld zł, zamiast nieco ponad 9 mld zł w trakcji elektrycznej, czyli 3-krotnie więcej. Przy doliczaniu kosztów paliwa w pracy manewrowej koszt trakcji spalinowej wzrósłby do ponad 35 mld zł, stosunek zaś kosztów energetycznych obu trakcji kształtowałby się jak 4 : 1.
 Ponadto należy zwrócić uwagę, że powyższe porównanie dotyczy tylko strony energetycznej obu trakcji, bez uwzględnienia kosztów utrzymania i napraw taboru, które jeszcze wyżej ustalają ekonomiczną efektywność trakcji elektrycznej w porównaniu z trakcją spalinową.
Planowana do roku 1985 elektryfikacja dalszych około 1400 km linii (do około 8500 km, czyli 35,5% długości sieci PKP), przy zachowaniu pracy przewo zowej na poziomie 1980 roku, pozwoli zaoszczędzić
- w stosunku do zużycia w 1980 roku - średnio około 100 tys. t oleju napędowego kosztem (oprócz inwestycyjnych kosztów elektryfikacji) wzrostu zużycia energii elektrycznej o ok. 350 min kWh. Natomiast do 1990 roku - przy planowanym wzroście pracy przewozowej w stosunku do 1980 roku o 13% i zakładanym zakresie elektryfikacji sieci do ok. 10 500 km
- oszczędność oleju napędowego wyniesie około 470 tys. t przy wzroście zużycia energii elektrycznej średnio o około 1,7 mld kWh.

Efekty z ograniczenia zakłóceń w ruchu pociągów

Pod pojęciem "zakłócenia ruchowe" rozumie się tu wszelkie nieplanowe zatrzymania pociągów i lokalne ograniczenia ich prędkości poza zatrzymaniami przewidzianymi w rozkładzie jazdy. Są one bezpośrednim źródłem znacznego wzrostu zużycia energii trakcyjnej. Przykładowo w tablicy 1 przedstawiono, pomierzone przez COBiRTK [3], wielkości dodatkowego zużycia energii elektrycznej wskutek nieplanowych zatrzymań pociągów towarowych PKP prowadzonych przez lokomotywy serii ET21.

Tablica l

Prędkość początkowa hamowania [km/h] Masa pociągu [Mg] Dodatkowe zużycie energii [kWh]
70-60 800-1100
1100-1600
1600-2100
63-73
72-198
156-390
60-50 800-1100
1160-1600
1600-2600
65-155
93-263
144-355
50-40 80-1100
1100-1600
1600-2600
56
76-232
75-216
40-20 800-1100
1100-1600
1600-2600
28-34
54-64
52-136

 

Tablica 2 przedstawia zaś, pomierzone przez COBiRTK, wielkości dodatkowego zużycia energii elektrycznej wskutek nieplanowych ograniczeń prędkości na trasie pociągów towarowych prowadzonych przez lokomotywy ET21.
Natomiast tablice 3 i 4 przedstawiają przykładowe wielkości dodatkowego zużycia energii wskutek nieplanowych zatrzymań i ograniczeń prędkości w pociągach pospiesznych i ekspresowych prowadzonych przez lokomotywy serii EU05 i EU07.
Różnice dodatkowych zużyć energii, występujące w poszczególnych przypadkach, wynikają z warunków indywidualnych, takich jak np. masa pociągu, profil linii, umiejętności maszynisty.

Tablica 2

Granica zmian prędkości
pociągu [km/h]
Masa pociągu [Mg] Dodatkowe zużycie energii [kWh]
70-30 800-1100
1100-1600
164
98-232
60-30 (20) 800-1100
1100-1600
1600-2600
40-130
68-152
89 -265
50-30 (20) 800-1100
1100-1600
1600-2600
45-129
81-192
88-170
40-30 (20) 1100-1600 6O- 69

Należy nadmienić, że podane w tablicach od 1 do 4 wielkości dotyczą wyłącznie dodatkowego zużycia energii spowodowanego koniecznością przeprowadzenia ponownego, pełnego lub częściowego rozruchu pociągu w celu jego dojścia do pierwotnej prędkości jazdy. Nie uwzględniają natomiast dodatkowego zużycia energii wskutek konieczności stosowania na dalszej części trasy skróconych czasów jazdy celem odrobienia opóźnienia. Źródła czechosłowackie [4] podają np., że nieplanowe .zatrzymanie na czas 1 min pociągu pospiesznego o masie brutto 600 t powoduje wzrost zużycia energii o 55 kWh.

Tablica 3

Prędkość początkowa hamowania [km/h] Dodatkowe zużycie energii [kWh]
31 41,3
45 50,0
60 133,5
80 115,0
100 76,2-150,0

Natomiast dodatkowe zużycie energii wskutek konieczności odrobienia opóźnienia spowodowanego tym postojem wynosi 105 kWh. Według tych samych źródeł nieplanowe zwolnienie ww. pociągu do prędkości 40 km/h na długości 1 km wymaga dodatkowo 43 kWh energii na ponowny rozruch i 110 kWh na odrobienie opóźnienia. W razie zaś zwolnienia do prędkości 20 km/h dodatkowe zużycie energii wynosi odpowiednio: 60 kWh i 140 kWh.
Podczas przeprowadzonych przez Politechnikę Poznańską badań symulacyjnych na EMC jazdy pociągów trakcji spalinowej: osobowego (380 t) i towarowego (350 t), prowadzonych lokomotywą serii ST44 na linii Wrbcław - Międzylesie, stwierdzono, że rozruch pociągu osobowego do prędkości'80 km/h wymaga około 16 kg oleju napędowego, pociągu zaś towarowego do prędkości 40 km/h - 28 kg oleju. Tyle więc paliwa zużywa się przeciętnie podczas jednego nieplanowego zatrzymania pociągu.

Tablica 4

Granice zmian prędkości pociągu [km/h] Dodatkowe zużycie energii [kWh]
100-70 75.0
100-50 (30) 92,5-105,0
90-45 (36) 36,3-100,0
80-30 (24) 27,5-102,5
70-25 60,0
40-10 25,0

Lokalne ograniczenie prędkości pociągu osobowego do 40 km/h wywołuje dodatkowe zużycie około 13 kg oleju napędowego, pociągu zaś towarowego do prędkości 25 km/h- 32 kg oleju. Powyższe dane dotyczą wyłącznie zużycia paliwa ńa ponowny rozruch pociągu do jego poprzedniej prędkości, nie uwzględniają paliwa niezbędnego na odrobienie opóźnienia w rozkładowej jeździe pociągu.
Nieplanowane zatrzymania i lokalne ograniczenia prędkości występują na PKP często i poza przypadkami o charakterze incydentalnym w większości są spowodowane:
- niewłaściwym stanem toru, w tym uszkodzeniami semaforów blokady samoczynnej, wskutek braku odpowiedniej izolacji obwodów torowych,
- robotami torowymi prowadzonymi na odcinkach nie skomasowanych,
- brakiem obsługi na przejazdach w poziomie toru lub brakiem automatyzacji sterowania zaporami na tych przejazdach,
- zbyt późnym podaniem przez służbę ruchu na semaforach sygnałów zezwalających na jazdę,
- operatywnym sterowaniem ruchem pociągów towarowych z pominięciem obowiązującego rozkładu jazdy.
Praktycznie na każdej linii PKP, oprócz stałych ograniczeń prędkości (wymienionych w "Wykazie ostrzeżeń stałych"), istnieje wiele ograniczeń czasowych. Na przykład na 158-kilometrowym odcinku Kraków Gł. - Rzeszów linii Kraków - Medyka występuje obecnie 29 stałych ograniczeń prędkości pociągów [6], w tym 7 ograniczeń do prędkości 90-f-80 km/h, 8 do 70-^50 km/h, 9 do 30H-40 km/h i 5 do 15 km/h. Większość ich jest spowodowana złym stanem torów i rozjazdów, zbyt krótkimi krzywymi przejściowymi lub zbyt małym promieniem łuku toru, uszkodzeniami mostów oraz urządzeń zrk. Podczas jazd pomiarowych, przeprowadzonych przez COBiRTK w ubiegłych latach na linii węglowej Tarnowskie Góry - Bydgoszcz - Gdańsk, stwierdzono, że bardzo często typowy pociąg towarowy miał przeciętnie 40-50 zatrzymań na trasie długości około 500 km-brakowi należytej płynności ruchu pociągów niewątpliwie sprzyja praktycznie nieprzestrzeganie rozkładu jazdy w ruchu towarowym. Ruch pociągów towarowych na sieci PKP jest bowiem regulowany wyłącznie przez decyzje personelu służby ruchu.
Należy tu szczególnie podkreślić, że doprowadzenie na sieci PKP do widocznego zwiększenia płynności jazdy pociągów, zwłaszcza towarowych, przyniesie praktycznie największe oszczędności energii.
Przyjmując jednostkowe zużycie energii elektrycz-. nej w ruchu towarowym w wysokości 9 Wh/tkm i pociąg o masie brutto 3200 t na linii węglowej (400 km), zużycie energii przez ten pociąg wyniesie około 15 400 kWh. Przyjmując z kolei średnią wartość zużycia energii na 1 nieplanowe zatrzymanie 200 kWh i 32 dodatkowe zatrzymania na ww. trasie, zużycie energii przy ruchu zakłóconym wyniesie 21 800 kWh, czyli o około 40% więcej. Ponieważ liczba zakłóceń ruchowych na rozpatrywanej tu linii jest być może dużo większa od średniej na PKP, można przyjąć, że w ruchu towarowym zakłócenia ruchowe są źródłem wzrostu zużycia energii o około 20%.

Efekty z właściwego (rozkładowego)ciężaru pociągu

Kolejnym realnym źródłem oszczędności energii trakcyjnej może być optymalizacja doboru lokomotywy do składu pociągu. W naszych warunkach, przy małej ilości typów lokomotyw liniowych, istnieje konieczność przestrzegania rozkładowych mas pociągów, a szczególnie dla lokomotyw elektrycznych 3-osiowych. Dla każdego typu lokomotywy, pracującej na określonej linii, rozkład jazdy określa dopuszczalne masy pociągów. Badania prowadzone przez Politechnikę Poznańską [2] z lokomotywami ST43 wykazały, że przez optymalizację masy pociągów można się liczyć z oszczędnością energii rzędu 10%.

Efekty z dostosowania składu pociągów do zmiennego potoku podróżnych w ruchu podmiejskim

Potencjalnym źródłem dużych oszczędności energetycznych jest dostosowanie liczby wagonów w pociągach podmiejskich do zmiennego w ciągu doby potoku podróżnych. Umożliwia to - przynajmniej teoretycznie - zarówno sprzęg samoczynny Scharfenberga, stosowany powszechnie w elektrycznych zespołach trakcyjnych, jak i całkowita autonomiczność napędowa każdego zespołu umożliwiająca jego samodzielną eksploatację.
Tymczasem w większości aglomeracji ruch podmiejski i lokalny jest obsługiwany przez stałe składy pociągowe, z reguły trzyzespołowe, również w okresach pozaszczytowych, kiedy to wystarczająca byłaby całkowicie eksploatacja pociągu złożonego z jednego zespołu.
Aby móc wdrożyć na PKP zmienność składów pociągów podmiejskich w różnych okresach doby, należałoby - oprócz związanych z tym spraw organizacyjnych - rozwiązać problem modernizacji sprzęgu amoczynnego.
Ograniczenie pojemności składów pociągów podmiejskich w okresach pozaszczytowych, np. z 3 do 2 zespołów trakcyjnych, pozwoli na zmniejszenie zużycia energii, zużywanej przez te pociągi, o około 30%. W przypadku wahadłowej relacji W-wa Zach. - Otwock (tam i z powrotem) dla 1 pociągu ograniczę nie wynosi około 500 kWh energii.

Efekty z energooszczędnych metod prowadzenia pociągów

Według badań COBiRTK [3] zużycie energii trakcyjnej przez pociąg w dużym stopniu zależy od spo sobu jego prowadzenia przez maszynistę. Porównawcze pomiary prowadzone w ubiegłych latach wykazały duże różnice w zużyciu energii między identycznymi pociągami eksploatowanymi na tej samej linii w warunkach ruchowych całkowicie porównywalnych i tak np. w przypadku pociągów podmiejskich na linii Warszawa Zachodnia - Otwock zużycie to wahało się w granicach od 165 do 313 kWh na 1 zespół trakcyjny, zależnie od sposobu prowadzenia pociągu przez maszynistę. Podobne wahania zużycia energii przez pociąg ekspresowy, złożony z lokomotywy serii EP05 i 9 wagonów pasażerskich na trasie W-wa Wsch. - Poznań, wyniosły od 2175 do 3180 kWh. Należy zaznaczyć, że w obu przypadkach badane pociągi utrzymywały rozkładowy czas jazdy, eksploatacja zaś odbywała się w warunkach porównywalnych. W przypadku pociągu towarowego o masie brutto 1650 t, prowadzonego przez lokomotywę serii ET21 na trasie Wrocław - Kraków, różnice w zużyciu energii wyniosły od 4166 do 6724 kWh. Wskazuje to na nieener-gooszczędną jazdę, a jeśli nawet przyjąć, że,podane wyżej rozrzuty zużycia energii były spowodowane również innymi czynnikami (np. nieplanowymi zatrzymaniami, niesprawnością taboru itp) i że bardziej realna byłaby rozpiętość np. dwukrotnie mniejsza, to, mimo to, można jednak stwierdzić, że stosując jazdę energooszczędną, osiąga się bardzo dużą oszczędność energii.
Podobne rozpiętości zużycia paliwa występują na PKP w trakcji spalinowej. Na przkład dzięki badaniom symulacyjnym [1], na nr cyfrowej, procesu jazdy lekkiego pociągu prowadzonego przez lokomotywę SF Nasielsk - Działdowo, stwierdź uzyskania oszczędności w zuży co w badanym przypadku wyr napędowego. Z badań Politechmili Poznańskiej ,dotyczących symulacji jazdy pociągu towarowego o masie brutto 1320 t, prowadzonego na trasie Wrocław - Międzylesie (127 km) ,wynika że jazda normalna wymaga na tej trasie zużycia 906,5 kg paliwa, a jazda bardziej oszczędna, polegająca na stosowaniu wybiegu na spadkach - 868 kg (4% mniej).
Próby wdrożenia na PKP energooszczędnych metod prowadzenia pociągów były już czynione w ubiegłych latach; przeszkadzał w tym jednak:
- brak odpowiedniej zachęty materialnej dla maszynistów (np. premii za oszczędność energii),
- brak liczników rejestrujących zużycie energii lub paliwa na taborze trakcyjnym, co dawałoby podstawę do rozliczania maszynistów.
Do czasu uruchomienia seryjnej produkcji liczni- . ków zużycia energii i paliwa, należy efektywniej, niż dotychczas, szkolić maszynistów wg instrukcji efektywnej jazdy oraz podjąć próbę wdrożenia premiowania zespołowego drużyn lokomotywowni od zużytego przez lokomotywę paliwa. Pewną pomocą w tym zagadnieniu będzie opracowany przez COBiRTK prototypowy układ elektroniczny wprowadzający automatyzację rozruchu i hamowania w zespołach EN57. W 1981 roku przeszedł on badania eksploatacyjne w rejonie Łodzi. Obecnie trwają prace nad wykonaniem serii informacyjnej 10 sztuk.
Automatyzacja będzie tu polegać na zastosowaniu tzw. urządzeń ARET, za pomocą których maszynista na początku każdego rozruchu będzie nastawiać optymalny czas jego trwania, urządzenie zaś to, po upływie nastawionego czasu, będzie samoczynnie przerywać zasilanie silników trakcyjnych pociągu. Urządzenia ARET będą współpracować z urządzeniami ARH (automatyczny regulator hamowania). Pozwoli to na automatyzację procesu prowadzenia pociągów wg uprzednio przygotowanych programów uwzględniających jazdę energooszczędną oraz wykluczy subiektywne, niewłaściwe decyzje i nawyki maszynistów wpływające na wzrost zużycia energii.

Dalsze możliwości zmniejszenia energochłonności transportu

Do zagadnień technicznych, wpływających na zużycie energii, można zaliczyć:
- zastosowanie rozruchu impulsowego, co znacznie zmniejsza straty pray każdym rozruchu pojazdu.
- zastosowanie lokomotyw elektrycznych do celów manewrowych, co pozwala zmniejszyć zużycie paliw płynnych,
- utrzymanie układów paliwowych lokomotyw spalinowych w bardzo dobrym stanie technicznym.
Niezależnie od powyższego, na zużycie,energii trakcyjnej duży wpływ mają opory ruchu pociągów, których wielkość rośnie w zależności od:
- złego stanu nawierzchni (wichrowatość, luźne złącza, wychlapki, zużycie szyn etc),
- złego stanu wagonów, a szczególnie urządzeń hamulcowych,
- otwartych lub zupełnego braku drzwi wagonów towarowych.
Aby uzyskać zmniejszenie zużycia paliw i energii elektrycznej na cele trakcyjne, konieczne jest, niezależnie od działań podejmowanych w służbie trakcji, jednolite działanie odpowiednich służb PKP, każdej w swoim zakresie, a szczególnie w dziedzinie organizacji ruchu kolejowego, likwidacji zbędnych zatrzymań pociągów, poprawy stanu technicznego wagonów, dyscypliny formowania pociągów i przygotowania ich do drogi oraz poprawy stanu nawierzchni kolejowej.

Bibliografia

[1] Andrzejczyk W., Bogdański W.: Metoda wyboru energooszczędnego sposobu prowadzenia pociągów trakcji spalinowej. Trakcja i Wagony 1982 nr 4
[2] Gronowicz J. i wsp.: Opracowanie metod zmniejszenia zużycia paliwa w trakcji spalinowej. Praca Politechniki Poznańskiej. Poznań grudzień 1975. Praca nie publikowana
[3| Badania nad ustaleniem środków zaoszczędzenia energii elektrycznej w trakcji elektrycznej. Warszawa praca COBiRTK nr 3002/17 1971
[4] Rezerwy na kolei: pallwo-energla. Żeleznićny obzor 1980 nr 2. Tłumaczenie OBET nr 47 Warszawa, maj 1980
[5| Statistique Internationale des chemlns de Fer 1980. Wyd. UIC Paryż 1981
[6] Wykaz ostrzeżeń stałych. Cz. VII. Płd. DOKP Kraków 1982