Pociągi dwutrakcyjne

Temat pociągów przystosowanych do poruszania się zarówno pod trakcją elektryczną, jak i w wariancie spalinowym jak dotąd nie był zbyt szeroko rozwijany. Dlatego w niniejszym artykule problematykę pojazdów dwutrakcyjnych przedstawiamy szerzej.

Pojazdy szynowe w zależności od trakcji można podzielić na dwie grupy. Pierwszą są pojazdy elektryczne, korzystające z zasilania z sieci napowietrznej, natomiast drugą są pojazdy spalinowe, kursujące na liniach niezelektryfikowanych oraz czasami zelektryfikowanych. W pewnym ograniczonym stopniu możemy również mówić o trakcji parowej, czy akumulatorowej, jednak trakcja parowa jest już jedynie w formie pociągów historycznych, natomiast akumulatory z racji małej pojemności są wykorzystywane jedynie w pojazdach warsztatowych do przetaczania taboru. Pewnym perspektywicznym rozwiązaniem mogą być pociągi zasilane wodorem, wykorzystujące ogniwa paliwowe, jednak jest to zupełnie inny temat. Wobec tego obecnie występują głównie dwie odmiany trakcji –elektryczna i spalinowa. Każda z nich ma swoje wady i zalety, jednak tak naprawdę żadna z nich nie jest w stanie zaspokoić wszystkich potrzeb. Bowiem trakcja elektryczna jest tańsza w eksploatacji, oraz wykazuje się większą sprawnością, jednak elektryfikowanie szlaków jest opłacalne jedynie przy dużym natężeniu ruchu lub dużej masie przewożonych ładunków. Dlatego część szlaków jest nadal niezelektryfikowana, co wymusza zastosowanie pojazdów spalinowych, które zazwyczaj mają gorsze parametry takie jak przyspieszenie, niższa prędkość maksymalna, połączone z większą emisją hałasu oraz miejscowego skażenia powietrza, podczas gdy w przypadku elektrowni zanieczyszczenie występuje w jednym miejscu i jest monitorowane. Wobec tego najczęstszym rozwiązaniem była zmiana lokomotyw na krańcach trakcji, czy też organizowanie systemu przesiadkowego na styku trakcji.

Jednak nie wszędzie zastosowanie takich rozwiązań było możliwe, co prowadzi do przypadków wykorzystywania pojazdów spalinowych na trasach, gdzie część jest zelektryfikowana. Niestety linie budowane lub modernizowane jako elektryczne mają nieco inne wymagania niż linie spalinowe, więc eksploatacja pojazdów spalinowych na liniach zelektryfikowanych może prowadzić do przekraczania dopuszczalnych norm emisji hałasu, jak również do zwiększonego zanieczyszczenia powietrza. Miejscami może nawet istnieć zakaz eksploatacji pojazdów spalinowych. W Polsce aktualnie nikt nie przykłada dużego znaczenia do spraw ekologii, jednak wyczulone na tym punkcie kraje zachodnie zauważają problem i dążą do jego rozwiązania. Jednym z takich przykładów mogą być pojazdy dwutrakcyjne. Czym jest pojazd dwutrakcyjny i dlaczego nie hybrydowy? Otóż pociąg dwutrakcyjny to pojazd zdolny do poruszania się o własnych siłach, zasilany za pomocą sieci napowietrznej lub z wykorzystaniem własnego źródła energii jak przykładowo silnik spalinowy. Przy czym ważne jest aby pojazd miał możliwość niezależnej jazdy na jednym z typów trakcji i umożliwiał dowolne jego przełączanie. Tak więc pojazd dwutrakcyjny to przykładowo lokomotywa elektryczna z zabudowanym dodatkowym silnikiem spalinowym, który umożliwia zarówno jazdę „pod drutem”jak i na bocznej linii z wykorzystaniem silnika spalinowego. Natomiast pojazd hybrydowy to taki, w którym występuje wzajemna współpraca dwóch niezależnych źródeł, czyli wówczas gdy pociąg elektryczny miałby zabudowany silnik spalinowy, który służy do zwiększenia mocy przy przyspieszaniu.

W zakresie pojazdów dwutrakcyjnych najbardziej zaawansowane są obecnie koleje francuskie SNCF, które już obecnie eksploatują flotę pociągów AGC produkcji Bombardiera. Część z zamówionych składów została wyposażona zarówno w elektryczne wyposażenie trakcyjne, jak również w dodatkowe silniki spalinowe. Założeniem tego projektu było maksymalne wykorzystanie zalet trakcji elektrycznej przy jednoczesnym umożliwieniu bezpośrednich relacji do ośrodków położonych na liniach niezelektryfikowanych. W związku z tym pociąg wykazuje pełne możliwości trakcyjne na głównych liniach, oraz znacznie ograniczone zdolności na liniach bocznych. Przykładowo gdy pod siecią trakcyjną osiągane jest 2 MW mocy i prędkość maksymalna 160 km/h, to w przypadku obsługi silnikiem spalinowym mamy jedynie 1 MW mocy i prędkość maksymalną 120 km/h. Jednak mimo tego rozwiązanie zastosowane we Francji jest jednym z najbardziej dopracowanych. Generalnie pomysły tworzenia pociągów dwutrakcyjnych są przyjmowane sceptycznie, ponieważ każda z trakcji ma swoje zgoła odmienne charakterystyki. Pociągi elektryczne z racji dużej rozwijanej mocy oraz wagi wyposażenia trakcyjnego są zazwyczaj cięższe i temu też odpowiada konstrukcja linii. Z drugiej strony pojazdy spalinowe mają znacznie mniejszą moc, dodatkowo moc silnika spalinowego nie przełoży się całkowicie na moc silnika trakcyjnego, ponieważ około 30 % energii zostanie pochłonięte na cele funkcjonowania innych urządzeń pokładowych. W efekcie pojazdy spalinowe buduje się jako lżejsze aby znacznie poprawić stosunek mocy do masy. Dodatkowo pojazdy spalinowe kursują zazwyczaj po liniach bocznych, z których nie wszystkie przeszły modernizacje, więc spotykane są naciski na oś rzędu 16 t. Wobec tego skonstruowanie pociągu dwutrakcyjnego jest nie lada wyzwaniem, ponieważ pociąg elektryczny musi zostać „odchudzony”by zmniejszyć naciski na oś z 20 do 16 t, przy jednoczesnym uwzględnieniu dodatkowej masy silników spalinowych, generatorów energii oraz masy dodatkowego paliwa. Jak więc widać jest to bardzo skomplikowane zadanie, które w praktyce (w Europie) zostało wprowadzone jedynie we Francji. Choć warto tutaj podkreślić, iż zarząd infrastruktury francuskiej RFF planuje wprowadzić zakaz eksploatacji lokomotyw spalinowych na trasach zelektryfikowanych, co może przyczynić się do dalszego rozwoju pojazdów dwutrakcyjnych w tym kraju.

Inne tego typu rozwiązania mają raczej charakter eksperymentalnych, jak przykładowo lokomotywa dwutrakcyjna ČD Cargo serii 218.026 zaprezentowana podczas CzechRaildays 2008. Jednak największym rynkiem zbytu dla tego typu pojazdów jest obecnie USA i Kanada, gdzie dynamiczny rozwój pociągów podmiejskich doprowadził do konieczności zamówienia takich pojazdów lub też elektryfikacji linii wybiegających. Główne tego typu rozwiązania obejmują okolice Nowego Jorku oraz Montrealu. Już obecnie LIRR eksploatuje 23 lokomotywy tego typu produkcji EMD, natomiast NJ Transit oraz AMT zamówiły łącznie 56 maszyn, z czego 36 dla NJ Transit, natomiast pozostałe dla AMT. Do podobnego zakupu przymierza się również MBTA. W każdym z wymienionych przypadków chodzi o lokomotywy spalinowe z dodatkowym „pakietem”zasilania elektrycznego. Wobec tego maszyny są projektowane jako szlakowe spalinowe, gdzie silnik spalinowy będzie odgrywał główną rolę, natomiast w momencie korzystania z linii zelektryfikowanej, czyli głównie w tunelach, będą korzystały z energii elektrycznej. W tym przypadku maszyny mają porównywalne parametry niezależnie od zasilania, choć maksymalna prędkość eksploatacyjna nie przekracza 128 km/h. Dodatkowo „pod drutem”parametry lokomotyw dwutrakcyjnych będą nadal gorsze od maszyn typowo elektrycznych, co nie pozwoli na pełne wykorzystanie możliwości, które daje elektryfikacja szlaku. Dodatkowo należy nadmienić, iż w USA większość linii to szlaki towarowe, gdzie jest prowadzony pewien zakres obsługi pasażerskiej. W związku z tym nie występuje znany z Europy problem z maksymalnym dopuszczalnym naciskiem na oś.

Temat pociągów dwutrakcyjnych wiąże się również z brytyjskim programem IEP, nieco szerzej opisywanym w ramach przedstawiania pociągów InterCity 125. W skrócie warto zaznaczyć, iż IEP przewidywało wykorzystanie na dużą skalę pociągów dwutrakcyjnych, jednak niedawno pojawił się krytyczny raport, który w dużej mierze skupia się na irracjonalności tego rozwiązania. Bowiem taki pociąg o prędkości maksymalnej 225 km/h miałby się składać z jednej głowicy napędowej oraz 5, 7, 9 lub 10 wagonów, z których ostatni miał być wyposażonym w pantograf i transformator. W raporcie słusznie zaznaczono, iż w przypadku dłuższych składów konieczne byłoby zastosowanie dwóch wagonów z transformatorami, ponieważ jeden byłby niewystarczający. Jednak najbardziej problematycznym byłoby zaprojektowanie odpowiedniej głowicy napędowej. Bowiem pociąg o takiej długości, masie i prędkości maksymalnej wymagałby zastosowania 4-6 MW mocy, którą da się bez problemu uzyskać z elektrycznej sieci trakcyjnej, jednak osiągnięcie tego samego wyniku z silnika spalinowego byłoby nie lada wyzwaniem. Należy zacząć od faktu, iż obecnie nie ma kolejowych silników spalinowych o takiej mocy, podobnie jak generatorów mogących współpracować z takim silnikiem. Dodatkowo występowałyby niesamowite problemy jak przeprowadzić taką energię do wagonów silnikowych. Obawy można by mieć także odnośnie masy takiej głowicy napędowej, której utrzymanie w dopuszczalnych normach byłoby nie lada wyzwaniem. Dużym problemem dla takich pociągów byłaby także masa, która sprawiałaby, iż eksploatacja składów w trybie spalinowym na bardziej wymagających liniach byłaby uciążliwa oraz bardzo kosztowna zarówno dla bezpośredniej eksploatacji, jak również w sposób pośredni poprzez przyspieszone zużycie niedostosowanych do dużych nacisków linii bocznych. W ostatecznej konkluzji raport sugeruje elektryfikację i przyjęcie systemu przesiadkowego z linii niezelektryfikowanych, zamiast inwestycji w niepewne pojazdy dwutrakcyjne.

Pociągi dwutrakcyjne mogą się jawić jako recepta na wszelkie zło, pozwalają pogodzić zalety trakcji elektrycznej z dostępnością trakcji spalinowej, jednak w rzeczywistości takie połączenie okazuje się bardzo skomplikowane i nie wszędzie zasadne do stosowania. Dlatego jeszcze przez wiele lat nic nie zastąpi sprawdzonej trakcji elektrycznej, za wyjątkiem trakcji wodorowej, jednak ta jest dalej od komercyjnych zastosowań, niż wiele osób by oczekiwało.