Když začaly ve 20. letech minulého století pronikat na naši železnici benzínem i naftou poháněné motorové vozy, držely v rukou oproti parní trakci nepopiratelné trumfy. Přinesly nižší náklady, snadnější údržbu, vyšší flexibilitu, umožnily nová konstrukční řešení. Postupující elektrifikace železnice je sice vytlačila z hlavních tratí, ale na tratích „bez drátů“ dominují dodnes. Nyní se však zdá, že pokrok v technologiích a odklon od fosilních paliv je o tuto pozici připraví.
Z pohledu provozních nákladů, údržby, spolehlivosti, jízdní dynamiky, komfortu, spotřeby energie, dopadů na životní prostředí, hluku, vibrací i konstrukčních možností je jednoznačným premiantem na železnici elektrická vozba. V běžném provozu je jasnou volbou pro dopravce, objednatele i cestující. Již dnes proto u nás zajištuje 82 % dopravních výkonů v osobní a 87 % v nákladní dopravě. To je impozantní podíl. Podstatným problémem elektrické vozby však je její závislost na elektrizaci tratí, na existenci trakčního vedení a systému napájecích stanic. Tu bohužel může nabídnout jen třetina našich tratí, což nás v rámci Evropy řadí hluboko pod průměr. Na zbytku naší železnice proto nadále kraluje naftou poháněná nezávislá trakce. Přes vyšší provozní náklady, nízkou – zhruba 40% – účinnost spalovacího motoru, nemožnost rekuperace brzdné energie a další nevýhody. Mezi ně patří i horší dynamika vozidel, se kterými je pak těžké zejména na sklonově náročných vedlejších tratích vytvářet atraktivní jízdní řády. Nedostatečná elektrizace naší železniční sítě přináší i koncentraci nákladní dopravy na elektrizovaných tepnách. Například s Německem, naším nejvýznamnějším obchodním partnerem a naší bránou k severomořským přístavům, nás spojuje jediný elektrizovaný železniční přechod. Není proto divu, že na kolejích mezi Děčínem a Bad Schandau je rušno. I zajížďka je levnější a provozně jednodušší než pálit naftu na alternativní trase.
O výhodnosti liniové elektrizace intenzivně využívaných tratí není sporu. Ale co s tratěmi méně zatíženými? „Z hlediska ekonomické efektivity, tedy docílení alespoň limitní hodnoty vnitřního výnosového procenta v analýze nákladů a výnosů, postačuje pro elektrizaci tratě slabší dopravní provoz, než jaký ospravedlní samotnou existenci železnice,“ vysvětluje Jiří Pohl ze společnosti Siemens Mobility. „V Česku proto máme mnoho tratí, na kterých je elektrizace účelná a velice potřebná.“ Letmý pohled do železniční mapy prozradí, že na elektrizaci čekají tak významné tratě jako Praha – Kladno, Praha – Mladá Boleslav – Liberec – státní hranice nebo Plzeň – Domažlice – státní hranice. Podmínky pro rozvoj elektrizace jsou přitom dnes lepší než kdy jindy. Již v roce 2016 schválilo Ministerstvo dopravy přechod na jednotný napájecí systém 25 kV. Ten je hospodárnější, výkonnější a při výstavbě levnější než v severní části republiky dosud používaný systém 3 kV. Používá lehčí trakční vedení a vyžaduje menší počet napájecích stanic. Umožňuje tak snadnou a relativně levnou elektrifikaci i poměrně dlouhých tratí odbočujících z hlavních páteřních tahů. Jaká je však realita? K elektrizaci již byly ministerstvem schváleny stovky kilometrů tratí, finanční zdroje jsou zajištěny. Přesto ročně přibudou maximálně jednotky kilometrů. Na vině je zejména zdlouhavý postup územního řízení, který je u nás bolestí všech liniových staveb. Elektrizace je zpravidla spojena s celkovou modernizací tratě, jejíž schvalování trvá léta. Urychlení by snad měl přinést nový zákon o liniových stavbách.
Pro odklon od nafty ale nehovoří jen provozní a ekonomické důvody. Pomalu vyvstává důvod nový – ekologie. Pokud mohly být výstrahy Mezivládního panelu pro změny klimatu třicet let blahosklonně přehlíženy, nyní se doba razantně mění. Evropa chce dekarbonizovat svou ekonomiku, a také doprava se proto dostala do hledáčku Evropské komise. A to po právu. „Doprava patří celosvětově k významným spotřebitelům energie. To platí i v ČR, kde v roce 2018 její konečná spotřeba energie činila zhruba 79 TWh/rok, což je srovnatelné s celým průmyslem,“ vypočítává Jiří Pohl. Vysoká spotřeba energie v dopravě jde na vrub nejen rostoucím přepravním výkonům, ale také nízké účinnosti spalovacích motorů. Ještě horší je dopad z pohledu emisí. „Plných 93 % energie použitých v ČR v dopravě bylo získáno spalováním fosilních paliv,“ upozorňuje Jiří Pohl. „Doprava u nás tak produkuje zhruba 21 milionů tun oxidu uhličitého ročně, což je více než dvojnásobné množství ve srovnání s průmyslem.“ Již v roce 2021 proto vstupuje v účinnost nařízení Evropského parlamentu a rady, které předepisuje mezní průměrnou uhlíkovou stopu celkové roční produkce osobních automobilů na hodnotu 95 g CO2/km. Dnešní běžné automobily se spalovacími motory ale produkují kolem 125 g CO2/km. Pokud tedy mají automobilky podmínku splnit, musí být každým čtvrtým prodaným vozidlem elektromobil. Obdobné nařízení přitom vstoupí o čtyři roky později v účinnost i pro nákladní automobily. A regulaci se nevyhne ani hromadná doprava. Již brzy bude účinný zákon, stanovující minimální podíly nízkoemisních a bezemisních vozidel při pořizování veřejných služeb v přepravě cestujících. Od nabytí účinnosti zákona do konce roku 2025 tak bude muset být podíl nakupovaných nízkoemisních vozidel alespoň 41 %. V následujících pěti letech pak musí být podíl nakupovaných vozidel dokonce 60 %. Přitom alespoň polovinu takto stanovených podílů musí objednatel dosáhnout vozidly bez spalovacího motoru. Železnice je zatím takové regulace ušetřena. „Nezapomínejte ale, že životnost železničního kolejového vozidla je zhruba třikrát až čtyřikrát delší než životnost autobusu. Nyní pořizovaná kolejová vozidla jsou nakupována s předpokladem služby až k horizontu roku 2060,“ připomíná Jiří Pohl. Nová vozidla nezávislé trakce jsou tak pro dopravce i financující banky rok od roku stále rizikovější investicí. Do kdy budou využitelné na výkonech na veřejnou objednávku? Do kdy budou vůbec využitelné? To se již zřetelně projevuje na trhu. „Dopravci, až na výjimky, prakticky přestali nové naftou poháněné motorové vozy a jednotky nakupovat. Na to obratem reagovali renomovaní výrobci naftových motorových vozů útlumem vývoje a výroby. Tradiční obor rychle spěje k zániku,“ konstatuje pan Pohl.
Většina našich tratí na svou elektrizaci ještě čeká a éra nafty se chýlí ke konci. Co s tím? Jako řešení se nabízejí trakční vozidla se zásobníky energie. Na železnici se rýsují dvě možnosti – vozidla se zásobníky vodíku a palivovými články nebo vozidla s akumulátory. Podle Jiřího Pohla jsou pro Česko zajímavá zejména moderní dvouzdrojová vozidla trolej / akumulátor (BEMU). „Velmi vhodně se doplňují s postupně budovanou liniovou elektrizací železničních tratí,“ vysvětluje. „Pokračující elektrizace důležitých železničních tratí vytváří svým trakčním vedením zázemí pro nabíjení trakčních akumulátorů ve vozidlech a zároveň zkracuje délku tratí bez elektrizace. Akumulátory pak poskytují dostatečný dojezd k zajištění bezemisního provozu i na méně zatížených odbočných tratích bez nutnosti jejich liniové elektrizace.“ Na odbočných tratích se pak zužitkují i další výhody nových vlaků. „Moderní elektrické jednotky dosahují svým měrným trakčním výkonem 15 kW/t zhruba dvoj- až pětinásobku měrného trakčního výkonu naftou poháněných vozidel, která jsou u nás dosud používána na regionálních zastávkových spojích,“ porovnává pan Pohl. „Pro elektrické jednotky je navíc typický pohon velkého počtu dvojkolí, který jim dává vysokou adhezní jistotu. Na vedlejších tratích se tyto vlastnosti dokonale zužitkují. Rychlejší akcelerace a schopnost udržet rychlost i ve stoupáních umožní vlakům plně využívat maximálních traťových rychlostí. Akumulátorová vozidla tak mají předpoklady pro vydatné zkrácení jízdních dob osobních zastávkových vlaků a zatraktivnění jízdních řádů.“
„Vysoce odolné lithium-titanátové akumulátory lze z trakčního vedení 25 kV nabíjet virtuální rychlostí až 400 km/h.“
Akumulátorové vlaky přitom nejsou žádnou neozkoušenou novinkou. Například v sousedním Německu byly hojně využívány už od přelomu 19. a 20. století. Od roku 1907 byly drahám dodávány snadno rozpoznatelné dvouvozové a třívozové elektrické trakční jednotky podle návrhu Gustava Wittfelda s akumulátory umístěnými pod nízkými kapotami nad pojezdem na čelech vozidla. Vrcholnou konstrukcí pak bylo 232 elektrických trakčních vozů ETA/ESA 150 dodávaných pro Deutsche Bahn v letech 1959 až 1965. Vynikaly lehkou samonosnou vozovou skříní, která pod podlahou ukrývala těžké olověné trakční akumulátorové baterie. Jejich jmenovitá energie byla postupem času navyšována z 352 kWh až na 603 kWh, což vozu dosahujícímu maximální rychlosti 100 km/h poskytovalo dojezd 250–400 km. Akumulátory byly nabíjeny v režimu pomalého nočního nabíjení ze stejnosměrné nabíjecí stanice. Zajímavostí je, že vytápění vozů bylo z důvodů úspory energie řešeno naftovým teplovzdušným agregátem. Provoz těchto vozidel u DB skončil až v roce 1995. Zkušenosti s provozem akumulátorových vozidel získaly i tehdejší ČSD, byť pouze v posunu. Již v letech 1926 až 1928 uvedly v Praze do provozu první dvě čtyřnápravové akumulátorové posunovací lokomotivy řady E 407.0. Jejich konstrukce využívala dílů převzatých z parních lokomotiv. Například trakční podvozky osazené tlapovými trakčními motory byly odvozeny z podvozků tendrů rychlíkových lokomotiv 375.0 a 387.0. Lokomotivy byly symetrické – uprostřed vozidla umístěnou krátkou kabinu strojvedoucího z obou stran obklopovaly nízké kapotáže kryjící 34 t těžkou trakční akumulátorovou baterii o jmenovité energii 300 kWh. Vozidla se v provozu osvědčila, a tak na ně mohly později navázat dodávky dvanácti obdobně řešených lokomotiv řad E 417.0 a E 416.0 ze Škodových závodů. Vyřazeny byly počátkem 60. let. Na tradici čistého posunu navázalo až v roce 1993 ČKD svou dvounápravovou akumulátorovou lokomotivou A 219.0001, odvozenou z tehdy vyráběné dieselelektrické lokomotivy 704.5 (T 238.0). Byla vybavena olovněnou trakční akumulátorovou baterií se jmenovitou energií 192 kWh a GTO pulsním měničem pro jízdu, elektrodynamické rekuperační brzdění i pro nabíjení přes kabel. Prototyp se v ověřovacím provozu osvědčil a dodnes slouží, ale v té době ještě nebyla po bezemisních vozidlech poptávka.
Doba olověných trakčních akumulátorů je pryč. Dnešní akumulátorové elektrické jednotky používají, stejně jako elektromobily, moderní lithiové akumulátory. Kladou na ně však výrazně odlišné požadavky. U elektromobilů je žádána vysoká měrná energie, aby měl vůz velký dojezd a byl lehký. Na železnici, kde je turnusové vozidlo využíváno zhruba 16 hodin denně, je rozhodující životnost, spolehlivost a energetická hospodárnost akumulátoru. Používají se proto dražší lithiové LTO akumulátory typu HP (High Power) s hrubší vnitřní strukturou a s nízkým vnitřním odporem. Ty zvládnou desítky tisíc nabíjecích cyklů, vysoké odběry při rozjezdech, ale také vysoké nabíjecí výkony při rekuperaci brzdné energie nebo rychlém nabíjení, které si provoz žádá. „Vysoce odolné lithium titanátové akumulátory lze z trakčního vedení 25 kV nabíjet virtuální rychlostí až 400 km/h, respektive 6,7 km/min. Tedy, za jednu minutu vozidlo získá energii potřebnou pro ujetí téměř sedmi kilometrů. Pro běžné provozní nabíjení je rozumné uvažovat hodnotu zhruba poloviční,“ vysvětluje Jiří Pohl. Dojezd dnešních akumulátorových vozidel s baterií na konci životního cyklu dnes činí okolo 100 km. Pro jejich typickou aplikaci – tj. obsluhu odbočných tratí – je to dostatečné. Nabíjet je lze několikrát denně, a to buď staticky, během stání v elektrizované železniční stanici, nebo dynamicky, za jízdy po liniově elektrizované trati. „Schopnost jízdy po hlavní elektrizované trati i po trati bez trakčního vedení umožňuje nabídnout i přímá spojení bez nutnosti přestupu z centra regionu do jeho okrajových oblastí,“ upozorňuje na jednu z výhod Jiří Pohl.
Zajímavou alternativou pohonu železničních vozidel je také použití palivových článků. To se dobře doplňuje s rozvojem nových obnovitelných zdrojů elektřiny. Využití energie větru a slunce nevyhnutelně vede v určitých částech dne k přebytku dodávaného výkonu nad spotřebou. Právě tehdy lze přebytečnou elektrickou energii uložit pomocí moderních elektrolyzérů do vodíku, který lze kdykoliv později v palivových článcích přeměnit zpět v elektřinu. Ta může pohánět třeba vlak. Na společném testování takové technologie se v listopadu dohodli společnosti Deutsche Bahn a Siemens Mobility. Cílem je uvést v roce 2024 do provozu mezi městy Tübingen, Horb a Pforzheim prototyp dvouvozové trakční jednotky Siemens Mireo Plus H vybavené novou vodíkovou technologií. Deutsche Bahn ve stejný čas otevře servisní zázemí ve městě Ulm a nový typ plnicí stanice, která dokáže doplnit vodík do vozidla během patnácti minut. Mireo Plus H, poskytující nejvyšší provozní rychlost 160 km/h a dojezd až 600 km, má v průběhu testu najezdit okolo 120 000 km v pravidelné dopravě. Přitom bude ověřováno nejen vozidlo, ale i související infrastruktura. Deutsche Bahn dnes provozují přibližně 1 300 vozidel s naftovým pohonem, které chtějí v rámci snahy o dosažení uhlíkové neutrality postupně vyřadit. Pomoci k tomu mají elektrifikace tratí i akumulátorová a vodíková vozidla. Jednotka Mireo dobře ilustruje i další velkou výhodu nových vlaků. To jsou konstrukční synergie. „V Siemens Mobility byla vytvořena rodina tří regionálních elektrických trakčních jednotek. Kromě typu Mireo pro liniové trolejové napájení je to i dvouzdrojové uspořádání trolej/ akumulátor Mireo Plus B a vodíkové Mireo Plus H. Komponenty a principy mechanické části vozidel i trakční pohon jsou přitom u všech tří alternativ stejné, odlišnost je jen a pouze v oblasti zdroje elektřiny,“ uzavírá Jiří Pohl.
Vypravte se s námi do historie české energetiky, společně ale nahlédneme i do její budoucnosti. Hostem podcastu je Tomáš Hüner, ředitel divize chytré infrastruktury v českém Siemensu, který se oblasti energetiky věnuje již více než 30 let.
Průmyslové metaverzum – nový svět, který zrcadlí a simuluje skutečné stroje, továrny, města, dopravní sítě a ostatní i velmi složité systémy – nabídne svým aktérům interaktivní reprezentace a simulace skutečného světa v reálném čase. V dějinách průmyslu představuje zcela novou kapitolu, kterou začínáme společně psát.
Reprezentativní budova Opery v Dubaji, hlavním městě stejnojmenného emirátu, v sobě skrývá špičková zařízení Siemens, která symbolizují pronikání moderních technologií této společnosti nejenom do exkluzivních koncertních sálů. Jsou také příkladem pro budování inteligentních měst.
Budoucím trendem zemědělství je udržitelné pěstování plodin s méně zdroji a bez použití chemických přípravků. Aby zemědělci mohli vyhovět těmto novým nárokům a požadavkům, musejí úzce spolupracovat s průmyslem, který jim dokáže poskytnout potřebné nástroje. Jak dobře může taková spolupráce fungovat, názorně předvádí FRAVEBOT – robot, který na brněnské rodinné farmě Ráječek monitoruje a sklízí jahody.
