PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 119 Transport 2017 Dawid Gallas, Maciej Andrzejewski, Paweł Daszkiewicz Instytut Pojazdów Szynowych TABOR w Poznaniu Agnieszka Merkisz-Guranowska, Hanna Stawecka Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu METODY ZMNIEJSZENIA UCIĄŻLIWOŚCI ŚRODOWISKOWEJ POJAZDÓW KOLEJOWYCH Rękopis dostarczono, maj 2016 Streszczenie: W artykule przedstawiono przegląd najbardziej nowatorskich technologii i systemów wykorzystywanych do oczyszczania spalin emitowanych z silników tłokowych montowanych w pojazdach szynowych. Przedmiotowe układy zostały scharakteryzowane zarówno pod względem wydajności, jak i zastosowanych rozwiązań technologicznych. Przedstawiono wpływ ich użycia na zmianę klasy emisji jednostki napędowej pojazdu kolejowego, co jest istotne w dobie obecnej problematyki skutecznego zmniejszania emisji zanieczyszczeń stałych i gazowych z każdego sektora transportu. Słowa kluczowe: pojazdy kolejowe, emisja zanieczyszczeń, systemy oczyszczania spalin 1. WSTĘP Limity emisji w krajach członkowskich Unii Europejskiej odnoszą się zarówno do pojazdów nowych będących obecnie w produkcji, jak i do starszych, używanych pojazdów szynowych sprowadzanych z innych krajów. Dopuszczenie sprowadzanej lokomotywy do eksploatacji w Europie wymaga poddania jej badaniom emisyjności oraz potwierdzenie, że spełnia ona limity emisji dla pojazdów w danym wieku i o danej mocy. W Polsce limity te mają znaczący wpływ na eksploatowane pojazdy szynowe. Wiek taboru kolejowego w kraju jest bowiem bardzo wysoki jak na standardy europejskie [9]. Powodem tego jest niski koszt tzw. polonizacji taboru sprowadzanego, w porównaniu do zakupu nowego, przy zbliżonych parametrach eksploatacyjnych pojazdów. W rezultacie przykładowo średni wiek lokomotyw spalinowych w Polsce wynosi około 30 lat (tab. 1) [3]. Przystosowanie pojazdów sprowadzanych do eksploatacji w Polsce umożliwia znaczące zmniejszenie poziomu ich emisji oraz energochłonności ruchu. Należy stale podejmować działania w celu zminimalizowania udziału substancji toksycznych w spalinach emitowanych przez silniki lokomotyw, ponieważ regulacje prawne w zakresie emisji spalin są obecnie szybko zmieniane i zaostrzone (rys. 1). Stąd konieczne jest korzystanie
128 D. Gallas, M. Andrzejewski, P. Daszkiewicz, A. Merkisz-Guranowska, H. Stawecka z coraz bardziej wyrafinowanych i efektywnych układów oczyszczania spalin, które zapewniają dużą redukcję zanieczyszczeń z gazów wylotowych. Elektryczne Zespoły Trakcyjne Wiek taboru kolejowego wybranych polskich przewoźników [5] Tablica 1 Przewozy regionalne PKP Intercity Koleje Mazowieckie Liczba [szt.] Średni wiek [lata] Liczba [szt.] Średni wiek [lata] Liczba [szt.] Średni wiek [lata] 868 25 14 4 199 30 Wagony 920 25 3 127 24,7 37 *** 2 Lokomotywy 136 * 30 402 ** 30 138 * 30 * lokomotywy spalinowe ** lokomotywy elektryczne *** wagony piętrowe Rys. 1. Zmiany w limitach emisji EPA i UE dla ciężkich pojazdów pozadrogowych, w tym szynowych [1] W przypadku polonizacji pojazdów sprowadzanych możliwe są różne typy układów, w zależności od tego jak znaczące modyfikacje zamierza (lub opłaca) się wprowadzić. Naprawa lub wymiana silnika na nowocześniejszy i bardziej wydajny jest często utrudniona przez ograniczenia masy, rozmiaru, kompatybilności oraz wysokie koszty. W rezultacie większość pojazdów z przestarzałymi silnikami nie jest poddawana naprawie głównej silnika, która umożliwiłaby wykorzystanie wewnątrzsilnikowych rozwiązań redukcji emisji, a polonizacja ogranicza się do wymiany tylko pewnych elementów oraz dodania pozasilnikowych układów oczyszczania spalin. Mimo tego wykorzystując tego typu dodatkowe układy dodawane do starszych silników możliwe jest uzyskanie znaczącej poprawy emisyjności pojazdu. Na rynku dostępne są gotowe moduły, które można zamontować na lokomotywie, aby poprawić jej klasę emisji. Tego typu działanie określa się jako retrofitting, czyli implementowanie nowych układów do starszych silników. Przykładem tego typu rozwiązania jest układ oczyszczania spalin firmy Cummins (rys. 2).
Metody zmniejszenia uciążliwości środowiskowej pojazdów kolejowych 129 Rys. 2. Układ oczyszczania do silników o wysokiej mocy z oferty firmy Cummins [7] 2. RETROFITTING Jak już wspomniano modyfikacja podzespołów silnika spalinowego lokomotywy ma na celu redukcję emisji związków szkodliwych spalin i poprawienie klasy emisji pojazdu. Na rynku oferowane są całe układy, które można zamontować na starszych lokomotywach. Głównymi ograniczeniami są koszty, masa oraz dostępna przestrzeń. Przykładem retrofittingu jest dodanie w trakcie modernizacji lokomotywy SD59MX systemu składającego się z 9-ciu układów DOC i DPF (rys. 3), który montuje się na dachu pojazdu (rys. 4). Zastosowanie tego układu pozwoliło na znaczące zmniejszenie emisji związków szkodliwych tej lokomotywy. Spadek emisji dla tlenków azotu wynosił około 35%, dla tlenku węgla 75%, a dla węglowodorów oraz cząstek stałych nawet 90% (rys. 5). Dzięki zastosowanym technologiom oczyszczania spalin klasa emisji tej lokomotywy podniosła się do Tier 2. Wskazuje to na olbrzymi potencjał leżący w tego typu systemach modułowych montowanych na eksploatowanych lokomotywach, które pozwalają na wyraźną poprawę emisji nawet starszych silników spalinowych. Różnica ta może pozwolić na dalszą eksploatację sprawnej lokomotywy w zgodności z europejskimi normami emisji, kosztem zaledwie ułamka kosztu zakupu nowej lokomotywy wyposażonej w nowoczesny silnik o podobnych parametrach eksploatacyjnych. Dodatkowe opory przepływu spalin oraz konieczność cyklicznego wypalania filtrów DPF zwiększa oczywiście zużycie paliwa, jednak wzrost ten, jak i wiążący się z tym wzrost emisji dwutlenku węgla, jest bardzo nieznaczny.
130 D. Gallas, M. Andrzejewski, P. Daszkiewicz, A. Merkisz-Guranowska, H. Stawecka Rys. 3. System dziewięciu układów DOC z DPF przygotowany do zamontowania na lokomotywie [6] Rys. 4. Zmodernizowana lokomotywa SD59MX po zamontowaniu układów oczyszczania spalin na dachu pojazdu [6] Rys. 5. Względna zmiana poziomu emisji lokomotywy SD59MX po modernizacji [6]
Metody zmniejszenia uciążliwości środowiskowej pojazdów kolejowych 131 Przedstawiony wcześniej system nie pozwolił na zmniejszenie emisji NOx lokomotywy o więcej niż 35% ta wartość emisji jest głównym ograniczeniem w zwiększeniu klasy emisji pojazdu szynowego do Tier 3 lub nawet wyższej normy. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku pojazdów drogowych, w których udało się jednak osiągnąć znaczące zmniejszenie emisji tlenków azotu przez zastosowanie układów wtrysku wodnego roztworu mocznika o nazwie handlowej AdBlue (SCR Selective Catalytic Reduction). Rozwiązanie tego typu oferuje firma Rail Propulsion Systems, które zmniejsza poziom emisji silnika Tier 0 do poziomu Tier 4 dla emisji NOx i Tier 3 dla emisji PM. System ten klasyfikowany jest jako BATS (Blended Aftertreatment System), czyli system łączący gazy wylotowe z silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym o dużej mocy i generatora HEP dostarczającego energię do zasilania systemów elektrycznych w wagonach pociągu (rys. 6). Połączenie to pozwala efektywniej wykorzystać wtryskiwany mocznik, wykorzystując go do redukcji emisji NOx ze gazów wylotowych obu jednostek. Niestety rozwiązanie takie wymaga wygospodarowania znacznego miejsca w pojeździe na zbiornik płynu AdBlue i system dozujący. Rys. 6. Schemat podłączenia systemu BATS przy modernizacji lokomotywy starego typu [11] Przedstawiony powyżej system BATS skutecznie zmniejsza emisję tlenków azotu. Nie posiada on jednak w tej wersji skutecznej metody redukcji emisji cząstek stałych, stąd niższy spełniany poziom emisji tych związków. W celu rozwiązania tego problemu firma Rail Propulsion Systems pracuje obecnie nad opracowaniem i opatentowaniem wersji systemu BATS z dodatkowym filtrem cząstek stałych (DPF) oraz innymi usprawnieniami poprawiającymi sprawność oraz właściwości ekologiczne układu napędowego pojazdu (rys. 7). Rys. 7. Nowsza wersja systemu BATS z pasywnym filtrem cząstek stałych [11]
132 D. Gallas, M. Andrzejewski, P. Daszkiewicz, A. Merkisz-Guranowska, H. Stawecka Każdy układ SCR wykorzystujący roztwór mocznika wymaga dostosowania odpowiedniej infrastruktury, by mógł on być powszechnie stosowany. W celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania tego systemu konieczna jest możliwość regularnego uzupełniania wspomnianego roztworu. Konieczność jego uzupełniania jest głównym problemem utrudniającym wprowadzenie tego rodzaju rozwiązań technologicznych w dziedzinie oczyszczania spalin do powszechnego użytku w pojazdach kolejowych. Zwłaszcza w przejazdach długodystansowych potrzeba uzupełniania dodatkowego płynu wiąże się nieraz ze znaczącymi, dodatkowymi kosztami koniecznymi aby dostosować infrastrukturę kolejową do korzystania z tego typu rozwiązania. Koszt zaimplementowania odpowiedniego dystrybutora do tankowania roztworu mocznika na każdej stacji oraz, w przypadku długich tras, do tankowania pomiędzy stacjami wymagałoby takich nakładów finansowych, że wiele firm działających na rynku amerykańskim zasadniczo odrzuciło możliwość wykorzystania układów SCR w spalinowych pojazdach szynowych. W związku z tym, że limity emisji są coraz bardziej zaostrzane, niezależnie od utrudnień w implementacji i eksploatacji, systemy SCR będą wciąż znajdywały coraz szersze zastosowanie w transporcie szynowym. Jak już udowodniono system BATS przedstawiony na rysunku 6 może bowiem bardzo efektywnie zmniejszyć poziom zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery. Przez zastosowanie tego typu systemu w innej modernizowanej lokomotywie PR30C (rys. 8) zmniejszono emisję CO, HC i NOx o 80 90%, natomiast emisję PM o 40 60% (rys. 9). Rys. 8. Zmodernizowana lokomotywa PR30C z zaznaczonym reaktorem SCR oraz zbiornikiem płynu AdBlue [4] Rys. 9. Względna zmiana poziomu emisji lokomotywy PR30C po modernizacji z dodanym układem SCR [4]
Metody zmniejszenia uciążliwości środowiskowej pojazdów kolejowych 133 W trakcie modernizacji lokomotyw istotne jest ergonomiczne rozmieszczenie dodatkowych systemów (rys. 10) [8]. Poszczególne elementy instalowanych układów muszą się zmieścić na lokomotywie nie przekraczając przy tym skrajni taboru oraz w miarę możliwości nie zmieniając jej gabarytów i rozkładu masy. Zasygnalizowana problematyka często jest ograniczeniem w możliwości renowacji lokomotyw manewrowych, w których to często nie ma wolnej przestrzeni do zabudowy. Rys. 10. Ergonomiczne wykorzystanie przestrzeni w pojazdach szynowych na przykładzie układu DPF firmy Speedy [10] 3. PODSUMOWANIE Innowacje w dziedzinie systemów oczyszczania spalin oraz nowe technologie pozwalające na redukcję szkodliwych związków są integralną częścią rozwoju silników spalinowych. Należy zauważyć, że głównym powodem konieczności stosowania tego typu systemów w trakcie modernizacji lokomotyw, są uregulowania prawne dotyczące dopuszczalnej emisji związków toksycznych z pojazdów szynowych. Głównym celem dyrektyw unijnych, dotyczących wspomnianych ograniczeń emisji z pojazdów kolejowych z silnikami spalinowymi, jest dążenie do minimalizacji emisji związków, negatywnie oddziałujących zarówno na człowieka, jak i środowisko. Przekłada się to na konieczność opracowywania silników o większej sprawności, czystszych paliw oraz coraz bardziej rozbudowanych systemów oczyszczania gazów wylotowych. Normy określające dozwolone poziomy emisji dla pojazdów szynowych są różne dla lokomotyw w różnych przedziałach mocy. W przeciągu ostatnich 15 lat, dla lokomotyw o mocy w przedziale 130 560 kw, największym zmianom uległy wartości graniczne
134 D. Gallas, M. Andrzejewski, P. Daszkiewicz, A. Merkisz-Guranowska, H. Stawecka emisji tlenków azotu (95%), węglowodorów (85%) i cząstek stałych (97%), podczas gdy ograniczenia emisji tlenku węgla zostały zmienione nieznacznie (rys. 11). Rys. 11. Zmiany w normach emisji dla lokomotyw w latach 1999 2019 [2] Technologie wykorzystywane przy modernizacji liniowych i manewrowych lokomotyw spalinowych w celu obniżenia poziomu ich emisji muszą być odpowiednio dobrane i dostosowane do tego typu pojazdów. Poza opisywanym w artykule retrofittingiem pozostaje jeszcze możliwość wymiany jednostki napędowej pojazdu na nowszą. Przykładowo koszt modernizacji lokomotywy typu SU 45, z wymianą silnika na nowszy, szacuje się na około 5 mln złotych. Jest to wciąż około 3 4 razy mniej niż zakup nowego pojazdu, z czego można wnioskować, że renowacje i przebudowy starych lokomotyw pozostaną preferowaną metodą na utrzymanie funkcjonalnego taboru kolejowego polskich przewoźników. Dlatego też ważne jest rozwijanie rynku i technologii systemów oczyszczania spalin, tak aby zapewnić wystarczający poziom redukcji emisji z eksploatowanych lokomotyw spalinowych. Bibliografia 1. John Deere: Emission Limit Changes for Rail Vehicles. 2. Lenz M.: Powertrains and Fuels for Locomotives. Electro-Motive Diesel, NAFTANEXT, April 23, 2014. 3. Miłaszewicz D., Ostapowicz B.: Stan transportu kolejowego w polskiej gospodarce. Studia i Prace Wydziału Nauk Ekonomicznych i Zarządzania nr 25, Uniwersytet Szczeciński, Szczecin 2012. 4. Osborne D., Steven G., Fritz P.E.: Progress Rail PR30C-LoNO x Locomotive with DOC and Urea based SCR. Final Report 2011. 5. PKP SA, ZDG TOR, przewoźnicy. 6. Progress Rail Services: EMD Tier 4 (PM) Aftertreatment Upgrade on a Line Haul Locomotive. Final Report 2010-2012. 7. www.cumminspr.com/on-highway-presskit-2014apta.aspx, dostęp: 09.03.2016.
Metody zmniejszenia uciążliwości środowiskowej pojazdów kolejowych 135 8. www.czloko.cz/pl/lokomotywy-zmodernizowane, dostęp: 09.03.2016. 9. www.dieselnet.com/standards/eu/nonroad.php, dostęp: 10.03.2016. 10. www.gencat.co.uk/projects.asp, dostęp: 14.03.2016. 11. www.railpropulsion.com/products/blended-aftertreatment-systems, dostęp: 16.03.2016. MODERN EXHAUST AFTERTREATMENT SYSTEMS USED IN RAILWAY VEHICLES Summary: The article presents an overview of the most novel technologies and systems used as aftertreatment in rail vehicles. Different solutions, both in terms of efficiency and technologies used, are explored and evaluated based on their applicability. Modern aftertreatment solutions were assessed based on their cost and availability, the downsides and advantages of using either solution are presented, their impact on the vehicle emission class is also described. The article aims to present a clear assessment of available technologies currently in use, such as aftertreatment systems to be attached to locomotives and their ergonomic limitations, to serve as a guide for further development in the rail transport sector emission reduction technologies. Keywords: railway vehicles, pollutants emissions, aftertreatment systems