Doprava

Vodík a akumulátory ve službách železnice

Pavel Záleský
0

Spalovacími motory poháněná vozidla mají vysokou spotřebu energie, produkcí CO2 přispívají k nežádoucím změnám klimatu a exhalacemi poškozují zdraví obyvatelstva. Nejen proto je budoucnost železniční dopravy spojena s elektřinou. Nové technologie urychlí její nástup i na vedlejších tratích. 

Jednodušší konstrukce, vyšší účinnost, nižší provozní náklady, nižší hluk, možnost rekuperace brzdné energie a v neposlední řadě nulové lokální emise a menší ekologická stopa. Elektrická vozba má oproti vozidlům poháněným spalovacími motory řadu předností. Proto jsou důležité železniční tratě elektrizovány a zvyšování výkonnosti pevných trakčních zařízení a elektrizace dalších tratí jsou základními trendy rozvoje železnic.

Dopravně méně vytížené železniční tratě však na svou elektrizaci stále čekají. Pro zajištění tichého a čistého provozu i na nich jsou proto hledána nová technická řešení. Dobře je ilustruje připravovaná regionální elektrická jednotka Siemens Mireo. Kromě základní varianty využívající napájení z trakčního vedení nabízí také dvě varianty určené pro provoz na neelektrifikovaných tratích. První využívá zásobníků energie na bázi lithiových akumulátorů, druhá kombinuje akumulátory s technologií vodíkových palivových článků.

Mireo s lithiovými akumulátory má dojezd kolem 80 až 100 km.

Vozidla se zásobníky energie nejsou konkurentem liniové elektrizace. Obě možnosti se naopak výborně doplňují. Navíc platí, že čím větší část sítě je elektrizována, tím kratší dojezd stačí vozidlům se zásobníky, aby se dostala k místům, kde se mohou během stání nebo v průběhu jízdy dobíjet. Aplikace nové technologie tak zvyšuje ekonomické přínosy liniové elektrizace. Pevné trakční zařízení jedné trati může nyní sloužit také vozidlům provozovaným na tratích okolních.

S větrem v zádech

To, zda je vhodné k ukládání energie použít jen lithiové akumulátory, nebo jejich kombinaci s vodíkovou technologií, závisí na geografických podmínkách každé země. A ty jsou dost rozdílné. Jako první příklad si vezměme Německo s jeho větrnými parky v Severním moři a energetickou koncepcí zaměřenou na maximální využití obnovitelných zdrojů. Výhody přírodní čisté energetiky doprovází jedna přirozená nevýhoda. Výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů nelze plně řídit, značně závisí na aktuálních povětrnostních podmínkách. Ve velkých větrných parcích vznikají zejména v noční době podstatné přebytky levné elektrické energie. Jak ji uchovat pro pozdější použití?

Jednou z možností je uplatnit ji při výrobě vodíku pomocí elektrolýzy. Tento plyn je však velmi lehký, pro přepravu musí být silně stlačen (přetlak 35 MPa) a uchován v těžkých ocelových tlakových lahvích - k přepravě 1 kg vodíku je potřeba ocelová tlaková láhev o hmotnosti 50 kg. Využití vodíku by proto mělo proběhnout nedaleko od místa jeho produkce. Železniční doprava na neelektrizovaných tratích může být dobrým příkladem a německé dráhy se jím nechaly inspirovat. Odpovědí na jejich poptávku je připravovaná varianta vozidel Mireo se zásobníky stlačeného vodíku a palivovými články. Vodík u ní představuje základní zdroj energie, lithiové akumulátory slouží k vyrovnávání výkonové bilance a ukládání energie při rekuperačním brzdění.

Až sto kilometrů na akumulátor

V zemích bez přístupu k moři, včetně Česka, je situace odlišná. Zásadní přebytky levné elektřiny zde neexistují a vyrábět vodík pomocí elektřiny nakoupené za běžnou tržní cenu nemá logiku. Účinnost řetězce elektrolýza – palivový článek se pohybuje kolem 40 %. Ve srovnání s ukládáním elektřiny do akumulátoru tak roste spotřeba energie na dvou a půl násobek.

Ve vnitrozemských podmínkách se proto uplatní lépe vozidla s akumulátory nabíjenými z trakčního vedení po dobu jízdy nebo stání na elektrizovaných tratích. Pro tyto aplikace nabízí jednotka Mireo s lithiovými akumulátory dojezd kolem 80 až 100 km. To je pro obsluhu mnoha vedlejších tratí více než dostačující akční rádius. Pro tento druh provozu navíc není nutno budovat žádnou novou infrastrukturu. Vozidla jsou vybavena běžným vrchním sběračem, který použijí, jakmile se ocitnou „pod dráty“.

Palivové články nové generace

Limitujícím faktorem pro širší aplikaci vodíkového pohonu na železnici jsou výkonové parametry dnešních palivových článků. Na konci roku oznámená spolupráce Siemensu a kanadské společnosti Ballard Power Systems chce tuto hranici posunout opět o něco dál. Cílem společného projektu je připravit modulární a škálovatelný systém napájení trakčních pohonů využívající palivové články.

Co je to palivový článek?

„Palivový článek je zařízení přeměňující chemickou energii paliva a okysličovadla přímo na energii elektrickou. Jedná se v podstatě o galvanický článek skládající se ze dvou elektrod oddělených membránou nebo elektrolytem. K elektrodám je přiváděno palivo a okysličovadlo, které se katalyticky slučují. Palivem je zpravidla vodík, ale existují i palivové články využívající metan nebo alkohol.“

Ballard vyvine nový druh palivového článku s výkonem 200 kW, prodlouženou životností, vyšší hustotou výkonu a lepší efektivitou. Technologie bude připravená k provoznímu nasazení do roku 2021 a jako první bude integrována právě do jednotky Siemens Mireo. Tato nízkopodlažní regionální elektrická jednotka je pro tento účel naprosto ideální. Díky odlehčené konstrukci vozidla používající podvozky s vnitřním rámem, nízkému aerodynamickému odporu, energeticky úsporným komponentům a inteligentnímu energetickému managementu spotřebuje o 25 % energie méně ve srovnání s obdobnými vozidly se stejnou přepravní kapacitou.

Očekává se však, že Mireem projekt rozhodně neskončí. „Naše spolupráce s Ballardem je důležitým krokem v dlouhodobé cestě za náhradou železničních vozidel spalujících naftu vozidly bezemisními,“ nechala se slyšet výkonná ředitelka divize Mobility Siemensu Sabrina Soussan. „Sledujeme rapidní nárůst zájmu o čistou technologii palivových článků. Týká se všech sektorů osobní i nákladní přepravy, ať už jde o vlaky, tramvaje, autobusy nebo nákladní vozidla,“ přizvukoval jí prezident Ballardu Randy MacEwen.      

Zdroje: Siemens

Diskuze k článku

Pro přidání komentáře je nutné se přihlásit přes facebook. Přihlásit se

Vaše komentáře

Zatím nebyl přidán žádný příspěvek. Buďte první.

Mohlo by vás zajímat

 
Galerie