MICHNEJ Maciej 1 SZACHNIEWICZ Bartosz 2 Lokomotywy hybrydowe jako narzędzie zapewniające elastyczność operacyjną przewoźników kolejowych WSTĘP Orientacja kolejowych przewozów ładunków na kompleksową obsługę łańcucha dostaw oraz dynamiczne zmiany w strukturze popytu na usługę transportową, wymagają od operatorów kolejowych przemyślanego podejścia do zagadnień związanych z organizacją i zarządzaniem parkiem pojazdów szynowych, szczególnie w zakresie rozwiązywania takich problemów jak specjalizowanie lub uniwersalność parku lokomotyw i wagonów towarowych. Jednym z warunków zapewnienia skutecznej konkurencji w kolejowych przewozach ładunków jest posiadanie przez operatorów kolejowych niezawodnych pojazdów trakcyjnych, charakteryzujących się niskim poziomem kosztów LCC, na które składają się nakłady związane z nabyciem, eksploatacją i kasacją lokomotywy [1]. Decyzja o zakupie pojazdu trakcyjnego do realizacji określonej pracy przewozowej wymaga przeanalizowania wielu wariantów i scenariuszy związanych z wielkością i specyfiką przewozów, wyposażeniem zaplecza technicznego, parametrami linii kolejowych itp. Ocena przydatności danej lokomotywy do wykonywania pracy przewozowej w określonych warunkach jest bardzo ważna z punktu widzenia efektywności eksploatacji oraz samego transportu [2]. Innowacyjne rozwiązanie pozwalające na zwiększenie elastyczności operacyjnej przewoźników kolejowych oraz ograniczające koszty eksploatacji lokomotyw polega na wykorzystaniu do pracy przewozowej pojazdów hybrydowych określanych mianem last mile. Lokomotywy tego typu łączą w sobie cechy pojazdów liniowych oraz manewrowych. W trakcie pracy liniowej lokomotywa pracuje jako pojazd elektryczny pobierając energie z sieci trakcyjnej, natomiast w trakcie rozrządu wagonów i pracy na bocznicy, elektryczne silniki trakcyjne zasilane są energią pochodzącą z niewielkiego agregatu prądotwórczego umieszczonego w przedziale maszynowym. 1. KOLEJOWE PRZEWOZY TOWAROWE W POLSCE Wejście Polski do Unii Europejskiej, włączyło krajowy transport kolejowy w sieć Europejskiego systemu transportowego Unii. Z tego powodu konieczne stało się nadrobienie zaległości oraz zniesienie różnic w sferze technicznej i organizacyjnej Polskich kolei. Przemiany w europejskim, a także polskim kolejnictwie zostały zapoczątkowane dzięki dyrektywie 91/440/EWG z dnia z dnia 29 lipca 1991 r. w sprawie rozwoju kolei wspólnotowych. Dyrektywa nałożyła obowiązek rozdzielenia funkcji przewoźnika kolejowego i zarządcy infrastruktury, co stanowiło istotny kamień milowy na drodze do otwarcia rynku przewozów kolejowych i ograniczenia monopolu narodowych przewoźników. Według danych opublikowanych przez Urząd Transportu Kolejowego [1] w 2012 r. kolejowe przewozy towarowe na terenie Polski realizowało 49 licencjonowanych przedsiębiorców, w tym 48 przewoźników na liniach normalnotorowych i 1 przewoźnik na linii szerokotorowej. W 2012 r. przewoźnicy kolejowi przetransportowali 231,3 mln ton towarów, wykonując pracę przewozową na poziomie 49 039 mln tonokilometrów. W porównaniu do 2011 r. stanowiło to spadek przewiezionej masy towarowej o 7,22% i pracy przewozowej wyrażonej w tonokilometrach o 9,14%. 1 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Mechaniczny, 31-864 Kraków; al. Jana Pawła II 37, Tel: +48 12 370-35-22, miechnej@m8.mech.pk.edu.pl 2 Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Mechaniczny, 31-864 Kraków; al. Jana Pawła II 37, Tel: +48 12 370-34-46, b.szachniewicz@m8.mech.pk.edu.pl 4345
Podobnie jak w latach poprzednich polski transport kolejowy opierał się na przewozach towarów masowych, przede wszystkim surowców. Przewozy węgla, rud metali oraz wyrobów górnictwa i kopalnictwa w 2012 r. stanowiły 68% ogólnego wolumenu masy oraz 56,3% wykonanej przez przewoźników pracy przewozowej. Najwyższy udział w rynku przetransportowanej masy należał do węgla kamiennego [1]. 6.38% 33.34% 60.28% PKP Cargo PKP LHS Prywatni przewoźnicy Rys. 1. Udział w rynku największych przewoźników towarowych wg. pracy przewozowej w 2012 r. Głównym udziałowcem rynku kolejowych przewozów towarowych w Polsce jest tzw. przewoźnik narodowy, spółka PKP Cargo S.A., która jest trzecim w Europie i drugim w Unii Europejskiej przewoźnikiem towarowym. Pozostali udziałowcy (nie wliczając w to spółki PKP Linia Hutnicza Szerokotorowa) to prywatni operatorzy kolejowi, z których na rynku liczy się około ośmiu przewoźników. Obecna sytuacja na rynku kolejowych przewozów towarowych w coraz większym stopniu wymaga od operatorów kolejowych świadczenia kompleksowych usług transportowych. Transport towarów koleją jest elementem intermodalnych łańcuchów logistycznych, których wielokrotnie pierwszym i/lub ostatnim ogniwem jest niezelektryfikowana linia lub bocznica kolejowa. Oznacza to, że przewoźnik kolejowy odpowiada nie tylko za dostarczenie składu pociągu towarowego do stacji węzłowej praca przewozowa, ale także za rozrząd składu i dostarczenie właściwych wagonów na wskazaną bocznicę praca manewrowa. Wymienione powyżej rodzaje pracy posiadają zróżnicowaną charakterystykę, a do ich realizacji niezbędne są odmienne pojazdy trakcyjne. Praca przewozowa realizowana jest przede wszystkim z wykorzystaniem lokomotyw elektrycznych. Praca manewrowa z uwagi na brak elektryfikacji większości bocznic kolejowych, górek rozrządowych oraz grup torów postojowych wymaga przede wszystkim wykorzystywania lokomotyw spalinowych. W efekcie operator kolejowy chcący świadczyć kompleksową usługę transportową zmuszony jest posiadać odpowiednią liczbę pojazdów przystosowanych do realizacji obu rodzajów pracy, tak aby w określonych przypadkach włączać do składu pociągu towarowego dodatkową lokomotywę spalinową umożliwiającą wjazd lub wyjazd z niezelektryfikowanej bocznicy kolejowej. 2. CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA LOKOMOTYW LAST MILE Aktualna oferta rynku pojazdów trakcyjnych, w tym dotycząca lokomotyw elektrycznych stale się powiększa. Zauważalny jest wzrost ilości dostępnych rozwiązań dostosowanych do potrzeb indywidualnego klienta. Wśród szerokiej gamy dostępnych pojazdów zdecydowanie należy podkreślić pojawienie się lokomotyw hybrydowych. Idea pojazdu hybrydowego nie jest nowa i była podnoszona wielokrotnie, jednakże stosowane dotychczas rozwiązania nie dostarczały zadowalających parametrów eksploatacyjnych. Dotychczasowe lokomotywy hybrydowe uzyskiwały przeciętne właściwości trakcyjne oraz charakteryzowały się dużą masą. Należy zauważyć, że w chwili kiedy przewoźnik kolejowy dostarcza kompleksową usługę transportową powyższe rozwiązanie m.in. 4346
z uwagi na koszty eksploatacji oraz opłaty za korzystanie z infrastruktury kolejowej nie ma uzasadnionego zastosowania [4, 5]. W maju 2011 roku kanadyjska firma Bombardier przedstawiła odmienną koncepcje lokomotywy hybrydowej pod nazwą TRAXX F140AC Last Mile. W trakcie budowy pojazdu oparto się na rozwiązaniach konstrukcyjnych stosowanych w platformie lokomotyw TRAXX. Pojazd ma konstrukcje modułową, charakteryzującą się takim samym rozmieszczeniem poszczególnych elementów wyposażenia jak we wszystkich lokomotywach platformy TRAXX. Nadwozie lokomotywy wykonano jako samonośną konstrukcję, składającą się z ramy, ścian bocznych, dwóch kabin maszynisty stanowiących oddzielne moduły oraz trzyczęściowego odejmowanego dachu. Do napędu lokomotywy zastosowano 4 silniki asynchroniczne pozwalające na uzyskanie mocy ciągłej 5600 kw przy zasilaniu z sieci trakcyjnej. Pojazd ten łączy w sobie cechy lokomotywy liniowej oraz manewrowej. Nowością w stosunku do pozostałych pojazdów platformy TRAXX jest zastosowanie niewielkiego zespołu prądotwórczego wraz z zespołem akumulatorów trakcyjnych, dzięki czemu lokomotywa Last Mile może realizować pracę manewrową na odcinkach niezelektryfikowanych przy zasilaniu z zespołu prądotwórczego lub w halach i magazynach przy zasilanie z zespołu akumulatorów. W przypadku pracy z ciężkim składem istnieje możliwość pracy przy równoległym zasilaniu silników trakcyjnych z zespołu prądotwórczego oraz zespołu prądotwórczego. Na rys. 2 przedstawiono widok lokomotywy TRAXX F140AC Last Mile. Rys. 2. Lokomotywa Bombardier TRAXX F140AC Last Mile [7] 4347
układ przetwarzania zespół akumulatorów Rys. 3. Schemat zasilania siników trakcyjnych lokomotywy TRAXX F140AC Last Mile w zależności od typu realizowanej pracy [7] Na rysunku 3 przedstawiono schemat zasilania silników trakcyjnych lokomotywy hybrydowej Bombardier TRAXX F140AC Last Mile, którego głównym elementem jest układ przetwarzania energii. W zależności od typu realizowanej pracy silniki trakcyjne mogą być zasilane z sieci jezdnej, zespołu prądotwórczego oraz zespołu akumulatorów. W przypadku pracy na liniach zelektryfikowanych energia elektryczna pobrana z sieci jezdnej i odpowiednio przetworzona przekazywana jest do silników trakcyjnych oraz zespołu akumulatorów trakcyjnych w celu ich doładowania. W trakcie realizowania pracy manewrowej na odcinkach niezelektryfikowanych silniki trakcyjne zasilane są energią elektryczną pochodzącą z zespołu prądotwórczego. Wspomniany zespół prądotwórczy odpowiada również za utrzymanie akumulatorów trakcyjnych w stanie pełnego naładowania. W przypadku pracy w obiektach zamkniętych hale/magazyny silniki trakcyjne zasilane są z zespołu akumulatorów. Możliwe jest również równoległe zasilanie silników trakcyjnych poprzez zespół prądotwórczy i akumulatory. Przełączanie trybu zasilania odbywa się bez zatrzymania pojazdu [7]. Lokomotywa Gama 111Ed Marathon jest pierwszym modelem z rodziny lokomotyw Gama oferowanych przez polskiego producenta pojazdów szynowych PESA Bydgoszcz S.A. Budowa lokomotywy rozpoczęła się na początku 2012, a premiera odbyła się 18 września na targach InnoTrans 2012 w Berlinie. 4-osiowa lokomotywa Gama 111Ed Marathon zasilana jest napięciem 3 kv DC z sieci trakcyjnej. Moc lokomotywy wynosi 5600 kw. Na lokomotywie zamontowano dodatkowo pomocniczy silnik spalinowy mocy 403 kw Caterpillar C15 ACERT, sprzęgnięty z prądnicą prądu przemiennego o mocy 420kW. Maksymalna prędkość eksploatacyjna przy jeździe na silniku spalinowym wynosi 40 km/h. Napęd lokomotywy umożliwia hamowanie elektrodynamiczne z odzyskiwaniem energii do sieci trakcyjnej lub jej wytracaniem w opornikach [8]. 4348
Rys. 2. Lokomotywa PESA Gama 111Ed Marathon [8] 3. PORÓWNANIE POJAZDÓW W tabeli 1 zestawiono porównawczo podstawowe dane techniczne wybranych lokomotyw elektrycznych w wersji zasilania prądem stałym 3kV DC, stanowiących potencjalną ofertę dla polskich operatorów kolejowych. Dalej na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę obu lokomotyw z uwzględnieniem obu źródeł zasilania. Pod uwagę brana była tylko obsługa pociągów towarowych, stąd też prędkość na ww. charakterystyce ograniczona została do 140 km/h. Tab. 1 Parametry techniczne lokomotyw [7,8] Lokomotywa Lp. Parametr F140AC Last Mile 111Ed Marathon 1 Producent Bombardier Pesa Bydgoszcz S.A. 2 Platforma TRAXX GAMA 3 Zasilanie 15 kv/16.7 Hz, 25 kv/50 Hz 3 kv DC 4 Układ osi Bo Bo Bo Bo 5 Prędkość max. 160 km/h 160 km/h 6 Moc ciągła 5600 kw 5600 kw 7 Masa 87 t 82 t 8 Max. siła pociągowa 300 kn 300 kn 9 Długość całkowita 18 900 mm 19 800 mm 10 Szerokość 2977 mm 3000 mm 11 Wysokość 4283 mm 4232 mm 12 Agregat Deutz BR 2013 Caterpillar C15 prądotwórczy 4V ACERT 13 Moc agregatu prądotwórczego 230 kw 403 kw 14 Pojemność zbiornika paliwa 400 l 900 l 4349
kn 350 300 250 1600t 12 200 150 100 50 1600t 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Rys. 3. Charakterystyki trakcyjne lokomotyw Last Mile oraz Marathon z naniesionymi krzywymi oporów dla składu o masie 1600 t na wzniesieniu o wartości 0 oraz 16 [7, 8] Analizując dane zawarte w tabeli 1należy stwierdzić, że oba pojazdy posiadają zbliżone cechy. Są to lokomotywy czteroosiowe, posiadające taką samą moc przy zasilaniu z sieci trakcji elektrycznej. Różnica masy obu pojazdów wynika z zastosowanie innej aparatury elektrycznej w lokomotywie Last Mile pojazd przystosowany do pracy na liniach zasilanych prądem przemiennym. Należy jednak podkreślić, iż producent zdeklarował gotowość do dostarczenia odpowiednika przystosowanego do pracy na liniach zasianych prądem stałym 3 kv. Zauważalne różnice dotyczą natomiast parametrów zespołów prądotwórczych obu pojazdów. Wynika to bezpośrednio z filozofii projektowej obu producentów. W trakcie opracowywanie koncepcji lokomotywy Last Mile stwierdzono, że średnia masa składów towarowych w Europie Zachodniej nie przekracza 1600 2000t. Na bazie tej informacji oszacowano minimalną moc silnika spalinowego na poziomie 230 kw. Koncepcja lokomotywy Gama Marathon zakładała, zastosowanie silnika o największej dostępnej mocy przy gabarytach umożliwiających zabudowę w dostępnej przestrzeni przedziału maszynowego pojazdu. Moc wybranego silnika wynosi 403 kw. Na rysunku 3 zamieszczona została charakterystyka trakcyjna obu pojazdów wraz z naniesionymi przykładowymi oporami składu towarowego o masie 1600t na wzniesieniu o wartości odpowiednio 0 oraz 16 linie czarne. Analizując powyższy wykres należy zauważyć, że w przypadku zasilania z sieci trakcyjnej oba rozwiązania cechują się taką samą charakterystyką trakcyjną linia czerwona. W przypadku zasilania z agregatu prądotwórczego charakterystyki lokomotyw Bombardier Last Mile linia zielona oraz Pesa Gama Marathon linia niebieska różnią się dość znacznie. PODSUMOWANIE Przeznaczone głównie do obsługi przewozów towarowych lokomotywy hybrydowe stanowią kolejny krok na drodze do poprawy konkurencyjności transportu kolejowego w przewozie ładunków w Europie, co stanowi jeden z priorytetów Białej księgi transportu [10]. Zastosowane w tych pojazdach innowacyjne rozwiązania techniczne umożliwiają pokonanie złożonych trudności na drodze do budowy elastycznych łańcuchów dostaw odpowiadających potrzebom klientów. Obsługa km/h 4350
przewozów towarowych będzie w przyszłości realizowana za pomocą nowej generacji lokomotyw hybrydowych, wielosystemowych, których zastosowanie pozwoli na wyeliminowanie konieczności dokonywania zmiany lokomotyw na bocznicach kolejowych oraz na granicach państwowych. Niskie koszty eksploatacji oraz nowoczesne rozwiązania pozwalają na znaczną redukcję kosztów eksploatacji w stosunku do obecnie użytkowanych elektrycznych pojazdów trakcyjnych. Streszczenie Obecna sytuacja na rynku kolejowych przewozów towarowych w coraz większym stopniu wymaga od operatorów kolejowych świadczenia kompleksowych usług transportowych. Oznacza to, że przewoźnik kolejowy odpowiada nie tylko za dostarczenie składu pociągu towarowego do stacji węzłowej praca przewozowa, ale także za rozrząd składu i dostarczenie właściwych wagonów na wskazaną bocznicę praca manewrowa. Wymienione powyżej rodzaje pracy posiadają zróżnicowaną charakterystykę, a do ich realizacji niezbędne są odmienne pojazdy trakcyjne. Praca przewozowa realizowana jest przede wszystkim z wykorzystaniem lokomotyw elektrycznych. Praca manewrowa z uwagi na brak elektryfikacji większości bocznic kolejowych, górek rozrządowych oraz grup torów postojowych wymaga przede wszystkim wykorzystywania lokomotyw spalinowych. W efekcie operator kolejowy chcący świadczyć kompleksową usługę transportową zmuszony jest posiadać odpowiednią liczbę pojazdów przystosowanych do realizacji obu rodzajów pracy, tak aby w określonych przypadkach włączać do składu pociągu towarowego dodatkową lokomotywę spalinową umożliwiającą wjazd lub wyjazd z niezelektryfikowanej bocznicy kolejowej. Innowacyjne rozwiązanie pozwalające na zwiększenie elastyczności operacyjnej przewoźników kolejowych oraz ograniczające koszty eksploatacji lokomotyw jest wykorzystanie do pracy przewozowej pojazdów hybrydowych określanych mianem last mile. Lokomotywy tego typu łączą w sobie cechy pojazdów liniowych oraz manewrowych. W trakcie pracy liniowej lokomotywa pracuje jako pojazd elektryczny pobierając energie z sieci trakcyjnej, natomiast w trakcie rozrządu wagonów i pracy na bocznicy, elektryczne silniki trakcyjne zasilane są energią pochodzącą z niewielkiego agregatu prądotwórczego umieszczonego w przedziale maszynowym. W niniejszym artykule dokonano charakterystyki rynku lokomotyw typu last mile oraz przeprowadzono analizę techniczno-ekonomiczną możliwości zastosowania tego typu pojazdów w kolejowych przewozach towarowych. Hybrid Locomotives as a tool to provide operational flexibility of railway operators Abstract The authors of this paper characterise the market of hybrid electric locomotives of the last mile type. The paper presents the technical analysis of possible applications of these vehicles in railway cargo transport. It also presents the construction and properties of a chosen hybrid electric locomotive. BIBLIOGRAFIA 1. MICHNEJ M., Zagadnienia interoperacyjności pojazdów trakcyjnych na zliberalizowanym rynku przewozów kolejowych. Logistyka nr 2/2010, s. 1198 1205. 2. MICHNEJ M., SZKODA M., Współczesne rozwiązania hybrydowych układów napędowych spalinowych pojazdów trakcyjnych. TTS Technika Transportu Szynowego 13 (10), s. 38-40 3. MŁYNARSKI S., Problemy rentowności technicznych środków transportu szynowego. Czasopismo Techniczne, Mechanika. 2012, R. 109, z. 14, nr 7-M, s. 167-178 4. SZACHNIEWICZ B., Koncepcja doboru uniwersalnego zespołu prądotwórczego wraz z agregatem chłodniczym do ciężkich lokomotyw spalinowych. Czasopismo Techniczne Mechanika 9-M/2012. s.311-320 5. Ocena Funkcjonowania Rynku Transportu Kolejowego i Stanu Bezpieczeństwa Ruchu Kolejowego w 2012 roku. Urząd Transportu Kolejowego. Warszawa 2013. 6. Mały rocznik statystyczny Polski 2013. Główny Urząd Statystyczny 2013. 7. Materiały promocyjne Bombardier Transportation. 8. Materiały promocyjne PESA Bydgoszcz S.A. 9. M. FREYBERG. Repozytorium wolnych zasobów - Wikimedia Commons. 4351
10. Biała księga - Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu dążenie do osiągnięcia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu. KOM(2011)144, marzec 2011. Prezentowane wyniki badań zostały zrealizowane w ramach projektu EUREKA E!6726 LOADFIX dofinansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju 4352