Powstrzymanie globalnego ocieplenia przez zmniejszenie emisji CO2 i innych gazów cieplarnianych jest wyzwaniem wyznaczającym kierunek badań i innowacji we wszystkich gałęziach przemysłu, włącznie z transportem kolejowym. Kolej jest wyjątkowo ciekawym przykładem ze względu na złożoność zagadnień związanych z emisją zanieczyszczeń i rozbieżności pomiędzy oczekiwaniami a stanem faktycznym.
Andrzej Domka
Transport kolejowy ma bardzo duży potencjał rozwoju bezemisyjnych środków transportu. Trakcja elektryczna jest znana od dawna, powszechnie stosowana i rzeczywiście bezemisyjna (o ile dostarczana energia elektryczna pochodzi z „zielonych”, odnawialnych źródeł). Przeniesienie środka ciężkości z transportu drogowego na szynowy powinno być celem ze względów ekologicznych.
Jeśli przyjrzymy się bliżej strukturze transportu kolejowego, to zauważymy, że wyłączenie emisji spalin w tej branży nie będzie ani łatwe, ani szybkie, przede wszystkim za sprawą znacznego udziału trakcji spalinowej. W Polsce przyzwyczailiśmy się do względnie wysokiego współczynnika elektryfikacji linii kolejowych (w 2021 roku trakcja elektryczna była dostępna na 62,7% długości linii w Polsce). W wielu krajach współczynnik ten jest wyraźnie niższy niż 50%1:
Irlandia (2,6%),
Estonia (19,3%),
Dania (32,3%),
Grecja (31,3%),
Litwa (8%),
Turcja (37,7%),
Rumunia (37,5%).
Wprowadzenie modelu szwajcarskiego, czyli elektryfikacji ponad 99% linii kolejowych, przekracza możliwości każdego z tych państw. Także dla większości państw bogatych byłby to wysiłek trudny do zaakceptowania. Z tego powodu potrzeba znalezienia rozwiązania niewymagającego rozbudowy infrastruktury i wymiany taboru jest tak pilna.
Eksperci prowadzą poszukiwania skupione na trzech obszarach:
wykorzystanie akumulatorów energii elektrycznej o wielkiej pojemności (łatwiejsze niż w przypadku samochodów osobowych i ciężarowych, ponieważ możliwe jest znaczne obciążenie pojazdów szynowych masą baterii),
zastosowanie ogniw paliwowych zasilanych wodorem (podobnie, jak w przypadku akumulatorów ograniczenia narzucane przez dopuszczalną masę i rozmiary zbiorników wodoru nie są krytyczne),
modernizacja lokomotyw spalinowych przez dostosowanie ich do spalania alternatywnych paliw syntetycznych.
Poszukiwanie paliw alternatywnych ma tę zaletę, że większość zmian dotyczy technologii produkcji paliwa. Istnieje nadzieja, że istniejące silniki wysokoprężne będą pracowały z nowymi paliwami bez gruntownej przebudowy; wystarczą modyfikacje, które można wprowadzić na miejscu, bez odstawiania lokomotyw do producentów.
Podobną motywację mają producenci silników lotniczych, między innymi Boeing, Rolls-Royce oraz linie lotnicze i rządowi użytkownicy samolotów, np. Royal Airforce. Wizja zastąpienia silników odrzutowych i turbośmigłowych elektrycznymi odpowiednikami jest bardzo kusząca, ale odległa. – w odróżnieniu od modyfikacji paliwa.
Podstawowe założenia
W wyścigu o bezemisyjne, syntetyczne paliwo wygra ten, kto opracuje technologię wytwarzania syntetycznego paliwa o odpowiednio dużej kaloryczności, niezawierającego toksycznych związków chemicznych ani substancji, które podczas spalania mogłyby tworzyć takie związki. Pożądane jest czyste, całkowite spalanie bez pozostawiania cząstek stałych, popiołów, dymu itp.
Proces syntezy takiego paliwa powinien być możliwy przy użyciu energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych (elektrownie wiatrowe, wodne, fotowoltaiczne itp.). W idealnym przypadku wykorzystywany do syntezy dwutlenek powinien być pozyskiwany z atmosfery a wodór z wody. Warto zatrzymać się przy definicji „zeroemisyjności” paliwa. Jest ona rozumiana całościowo. Nie chodzi o to, żeby w wyniku spalania do atmosfery nie dostawały się żadne gazy. Nacisk jest położony raczej na uzyskanie równowagi pomiędzy emisją towarzyszącą spalaniu, a absorbcją szkodliwych gazów z atmosfery podczas produkcji paliwa.
Jednocześnie cena pozyskanego w ten sposób paliwa nie powinna być wyższa niż hurtowa cena paliw destylowanych z ropy naftowej.
Propozycje przejściowe
Już dzisiaj w obrocie znajdują się paliwa zaprojektowane z myślą o zmniejszeniu emisji i odchodzeniu od ropy naftowej, choć nie są to paliwa syntetyczne w ścisłym tego słowa znaczeniu. HVO (ang. Hydrotreated Vegetable Oil) to paliwo typu drop-in, tzn. nadające się do wykorzystania w istniejących silnikach wysokoprężnych. Surowcami do produkcji HVO są zużyte oleje roślinne, np. odpady z przemysłu spożywczego, restauracji, smażalni itp.
Są one oczyszczane, mieszane z innymi dodatkami i poddawane procesowi hydrorafinacji, w którym usuwa się związki siarki i azotu.
Tak przygotowany olej może być wykorzystany w zwykłych silnikach bez żadnych efektów ubocznych, np. zapachów kojarzących się ze zużytą fryturą. Co ciekawe, niektórzy producenci pojazdów i maszyn (np. Claas2) tankują swoje maszyny olejem HVO w fabryce, jest to więc pierwsze paliwo, na którym są uruchamiane i sprawdzane fabrycznie nowe silniki wysokoprężne, także te o dużej mocy, przystosowane do pracy pod długotrwałym obciążeniem.
Rolls-Royce, producent wysokoprężnych silników do pojazdów szynowych, opracował silniki MTU serii: 1300, 1500 i 1800 zoptymalizowane do zasilania paliwem HVO. W planach są modyfikacje silników typu 1600 i 4000. Testy nowych paliw z użyciem seryjnych silników MTU są prowadzone w Niemczech od 2021 roku. Przewoźnik RDC Autozug Sylt testuje je w swoich lokomotywach Vectron DE napędzanych silnikami 4000 R04 spełniającymi normę emisji EU Stage IIIB. W testach bierze udział także DB Cargo z lokomotywami serii 294 napędzanymi silnikami 8V 4000 R41. Wyniki testów są obiecujące, nie odnotowano żadnych awarii spowodowanych zmianą paliwa, a parametry eksploatacyjne zespołów napędowych utrzymują się w normie3.
Paliwa całkowicie syntetyczne
Następnym krokiem na drodze do bezemisyjnego transportu będą paliwa całkowicie syntetyczne, produkowane w fabrykach pozyskujących surowce bezpośrednio ze środowiska, o starannie dobranej recepturze, pozbawione związków chemicznych, które mogłyby wywoływać choroby ludzi albo wzmacniać efekt cieplarniany. Na ten ideał przyjdzie jednak jeszcze poczekać.
Największym problemem jest relatywnie wysoka cena gotowego paliwa. Nowe technologie są kosztowne, a niewielkie początkowe zapotrzebowanie na paliwa syntetyczne nie ułatwia wykorzystania efektu skali i obniżenia kosztów wytwarzania4. Prace nad przeniesieniem metod laboratoryjnych do dużego przemysłu są kosztowne.
Nieoczywistymi sojusznikami wspierającymi badania nad paliwami syntetycznymi są producenci samochodów osobowych, a zwłaszcza supersamochodów. Ich biznes zależy w dużym stopniu od regulacji prawnych dotyczących emisji gazów cieplarnianych przez samochody. Problem polega na tym, że liczna grupa bardzo zamożnych klientów, gotowych wyłożyć milionowe kwoty na pojazdy najlepszych marek, nie jest przekonana ani do napędu elektrycznego, ani hybrydowego. Ta grupa klientów oczekuje tradycyjnych, potężnych silników zasilanych ciekłym paliwem, głośnych, dysponujących wielką mocą. Mogą być drogie, nawet bardzo. Dla ich producentów paliwa syntetyczne są alternatywą w tym zakresie dla tradycyjnych, nieekologicznych typów paliw.
Jedne z pierwszych firm testujących paliwa syntetyczne na kolei to tandem: brytyjski przewoźnik Freightliner należący do Genesee & Wyoming oraz producent paliwa Zero Petroleum5, testujący swoją technologię DirectFT6. Jest to opatentowana, komercyjna modyfikacja procesu syntezy Fischera-Tropscha polegającej na wykorzystaniu mieszaniny tlenku węgla oraz wodoru do produkcji węglowodorów. Można w ten sposób otrzymywać paliwa będące zamiennikami tradycyjnych benzyn, olejów napędowych oraz paliw lotniczych.
Freightliner posiada około 185 lokomotyw. Operator liczy na to, że w wyniku zastosowania paliw syntetycznych do 2033 roku zredukuje pochodzącą od nich emisję gazów cieplarnianych o 55%. Szacuje się, że zużycie paliwa syntetycznego wyniesie około 26 mln litrów. Perspektywa stałych przychodów ze sprzedaży nowego paliwa sprawiła, że Zero Petroleum planuje uruchomić w 2026 roku kolejny zakład produkcyjny.
Perspektywy
Wiele osób, zwłaszcza aktywistów, lubi radykalne rozwiązania w rodzaju szybkiej wymiany pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi na elektryczne. Taka skokowa zmiana ma szansę dokonać się w sektorze samochodów osobowych. Jest ona widowiskowa, ale także obciążona licznymi ryzykami, np. nadmierną eksploatacją złóż metali rzadkich, emisją zanieczyszczeń w procesie produkcji akumulatorów itp.
Kolej, jak się wydaje, musi pójść inną drogą, nie mniej fascynującą: konsekwentnej ewolucji „napędzanej” badaniami naukowymi z zakresu chemii. Być może gdzieś na tej drodze czeka idealne rozwiązanie dla środowiska naturalnego, czyli dla nas wszystkich: technologia, która umożliwiłaby tanią absorbcję dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych wprost z atmosfery.
