Jednym ze sposobów na ochronnego naszego środowiska jest maksymalne wykorzystanie dostępnej energii, tak by jej nie marnować. Pod tym względem na kolei zrobiono bardzo wiele w ostatnim okresie.
Jako dziecko uwielbiałem parowozy. Były to wspaniałe maszyny i wszyscy są zgodni – miały dusze. Wszystko w nich pracowało niejako na zewnątrz, można było zachwycać się ruchem tłoków, korbowodów, wiązarów, przestawianym stawidłem regulującym „przełożenie”… Gorący, ociekający wodą i olejem kocioł, sycząca para wydobywająca się z cylindrów maszyny parowej i kierowana do komina, wyrzucająca wysoko kłęby ciemnego dymu z kotła. Kiedy miałem kilka lat, a później nawet kiedy byłem nastolatkiem, co przypadło na późne lata 60. i na lata 70., na Polskich Kolejach Państwowych używano mnóstwo parowozów. Sam pamiętam piękne, rasowe Petuchy – Pt47, wspaniałe polskie parowozy pośpieszne pędzące z pociągami dalekobieżnymi z całkiem przyzwoitymi prędkościami.
Wielkie koła powodowały, że choć nie były one w stanie uciągnąć ciężkiego pociągu towarowego, to jednak z lekkim pasażerskim potrafił rozwijać wysokie prędkości. Z kolei poniemieckie parowozy towarowe Ty2 miały pięć małych kół, przez co siła pociągowa była o wiele większa, ale cierpiała na tym prędkość maksymalna. Jeszcze bardziej niesamowicie wyglądały wielkie Ty51, które miały olbrzymie kotły i walczaki, przy stosunkowo małych kołach. Te sapiąc pracowicie, ciągnęły najcięższe pociągi.
Wówczas jednak nie wiedziałem jednego – parowozy miały bardzo, ale to bardzo małą sprawność. Niesamowicie marnowały energię. Spalały mnóstwo węgla, a uzyskiwana energia mechaniczna była nieproporcjonalnie mała.
Pierwsze spalinówki
Wprowadzenie do eksploatacji lokomotyw spalinowych już było w pewnym sensie oszczędnością. Mowa wszak o czasach, w których mało kto miał samochód, a jeśli już to z silnikiem benzynowym. Ktoś pamięta jeszcze silniki dwusuwowe i dodawanie oleju do paliwa? Takich właśnie silników używały polska Syrenka czy NRDowski Trabant. Tymczasem lokomotywy korzystały z silników wysokoprężnych – czyli dziś popularnych „Diesli”. Olej napędowy był powszechnie dostępny i niedrogi, nawet w porównaniu z benzyną. Dla ówczesnej PKP liczyło się głównie to, że koszty przewozów się zmniejszyły.
Ale najważniejszą zaletą, nowego wtedy napędu, była większa sprawność. Co to oznacza? Pojęcie to najbardziej kojarzy nam się z bezawaryjnością, a tak naprawdę dotyczy wykorzystania energii. Parowóz jest w stanie wykorzystać około 8% energii, jaka drzemie w węglu. Pozostałe 92% parowóz po prostu przepala, nagrzewając swoje metaliczne wnętrzności. Lokomotywy spalinowe lepiej wykorzystują energię, którą otrzymują w postaci oleju napędowego, bowiem około 32% energii ze spalania paliwa faktycznie napędza spalinowóz. Oczywiście, w przypadku tych lokomotyw również istnieje możliwość oszczędzania paliwa. Przede wszystkim nie należy „przekręcać” lokomotywy. Polega to na dobieraniu siły trakcyjnej w zależności od potrzeb, bez nadmiernego męczenia silnika wysokimi obrotami. Z czasem same silniki stawały się bardziej oszczędne, a dziś dzięki normom EURO oraz STAGE VI można mówić o minimalnej emisji szkodliwych substancji. Również sposób przeniesienia napędu ma znaczenie.
ajbardziej powszechna okazała się przekładnia elektryczna, która szybko stała się dominującym sposobem budowy lokomotyw spalinowych, choć wcale nie była najbardziej sprawna. Przypomina swoim działaniem współczesne samochody “hybrydowe”. Otóż silnik spalinowy napędza jedynie prądnicę, a sama siła trakcyjna pochodzi z silników elektrycznych. Najpopularniejsze lokomotywy spalinowe w Polsce, SM42, miały taki układ napędowy już w 1963 roku. Obecnie w lokomotywach spalinowych często stosuje się sprawniejszą przekładnię hydrauliczną.
Obecnie większość taboru polskiej kolei to tabor elektryczny. Kluczowym parametrem w oszczędności energii jest, jak już ustaliliśmy, sprawność. W przypadku starych silników szeregowych prądu stałego sprawność wynosi około 85%. W porównaniu z silnikiem parowym proporcja jest wręcz odwrotna. Ale współczesna technika nie zwalnia. Silniki asynchroniczne prądu przemiennego potrafią osiągnąć sprawność na poziomie 94%. W przyszłości silniki wykorzystujące zjawisko nadprzewodnictwa mają szansę osiągnąć 98-99% sprawności. Współczesny maszynista dysponuję więc ogromną mocą, aby sprawnie dowieźć pasażerów lub towary do miejsca przeznaczenia. Naturalnym stało się więc pytanie – jak tą mocą sprawnie sterować, aby wykorzystać jak najmniej energii?
Paliwa alternatywne
Kolejnym sposobem na oszczędność energii jest wykorzystanie paliw alternatywnych. PESA Bydgoszcz jako pierwszy producent taboru kolejowego w Polsce wprowadza do swojej oferty lokomotywę napędzaną wodorem. Choć wodór wykorzystywany był w przemyśle już od dawna, prawdziwą szansę dla środowiska dały ogniwa paliwowe. Nie jest to zwykły silnik. Nie dochodzi bowiem w nim do typowego spalania, lecz wykorzystują one reakcję utleniania wodoru w wyniku wymiany przez specjalną polimerową membranę. W ten sposób elektrony „zabrane” z paliwa przepływają od razu od anody do katody, zasilając obwód elektryczny. W większości ogniw jedynym produktem takiej reakcji jest para wodna, neutralna dla środowiska. Niektóre z ogniw produkują co prawda dwutlenek węgla, jednak w ilościach nieporównywalnie mniejszych od tradycyjnych silników spalinowych. Również sprawność takich ogniw jest nieporównywalnie większa niż w tradycyjnych silnikach. W teorii mogą istnieć reakcje chemiczne, w wyniku których ogniwo osiąga sprawność powyżej 100%, a więc wytwarza więcej energii, niż potencjalnie zawiera paliwo. Pobiera bowiem energię cieplną z otoczenia.
Jednak o ile ogniwa paliwowe to przyszłość, najpierw należy zmierzyć się z teraźniejszością. Dziś dysponujemy siecią dystrybucji energii elektrycznej, nowoczesnymi silnikami spalinowymi, ogniwami wodoro-tlenowymi, fotowoltaiką lub magazynami energii elektrycznej. Dlaczego więc nie połączyć kilku źródeł? Każdy silnik elektryczny jest jednocześnie prądnicą. Oznacza to, że oprócz zamiany energii elektrycznej na mechaniczną potrafi także dokonać przemiany w odwrotną stronę. Podczas hamowania energia mechaniczna może być zamieniona „z powrotem” na elektryczną. Ale co z nią zrobić? Przecież można ją zmagazynować. Obecnie rozwijana technologia superkondensatorów umożliwia elastyczne wykorzystanie zmagazynowanej w ten sposób energii. Dotyczy to nawet pojazdów starszej generacji, których w Polsce wciąż nie brakuje. Dlaczego? Energię można magazynować bowiem na podstacji zasilającej, a ruszający pociąg starszej generacji może z niej skorzystać. W ten sam sposób można wykorzystać energię hamowania w pojazdach… Spalinowych. Jak wcześniej wspomniałem, w większości przypadków są to pojazdy, które silnika spalinowego używają jako mobilny agregat prądotwórczy. Dlaczego więc nie zmagazynować energii hamowania, by wykorzystać ją podczas ruszania? Współczesne pojazdy spalinowe oferują takie układy. To wszystko sprawia, że energia wykorzystywana jest coraz efektywniej. Do rozpędzenia pociągu potrzeba jej coraz mniej.
Michał Fiszer
