Jeżeli nie droga wodna E40, to co?

W poprzednim numerze „Ptaków”, w artykule „Inwestycja z katastrofą w tle” pisaliśmy o skutkach planowanej budowy drogi wodnej E40. OTOP, jako organizacja przyrodnicza, zwraca szczególną uwagę na głęboką dewastację środowiska, która będzie jej efektem. Ministerstwo Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej forsuje jednak tezę o ekologiczności transportu śródlądowymi drogami wodnymi. Nie ulega wątpliwości, że wożenie towarów rzekami jest mniej emisyjne niż transport kołowy. Jest jednak znacznie bardziej przyjazna środowisku i o wiele mniej kosztowna alternatywa: kolej.

Rozwój gospodarczy generuje duży przepływ towarów, który w większości odbywa się drogami lądowymi. Nie jest to sytuacja korzystna z kilku powodów. Przede wszystkim transport na pięciu ogumionych osiach po asfalcie jest najbardziej energochłonną jego formą, a energochłonność przekłada się wprost na emisję szkodliwych gazów, zwłaszcza cieplarnianych. Nie można tu również pominąć emisji pyłów i hałasu. Tiry są w stanie bardzo szybko zdegradować infrastrukturę, zwłaszcza tę z bardziej odległych dekad ubiegłego wieku, gdy naciski na oś były zauważalnie mniejsze od dzisiejszych. Instytut Badawczy Dróg i Mostów podaje, że przejazd ciężarówki o nacisku 10 ton na oś degraduje drogę tak, jak przejazd 160 tys. pojazdów o nacisku 0,5 tony na oś. Kolejnym problemem, szczególnie widocznym na drogach ruchu przyspieszonego, jest występowanie znacznej różnicy prędkości pomiędzy pojazdami osobowymi i ciężarowymi co skutkuje zatorami i potencjalnie niebezpiecznymi sytuacjami. Wypadki z ciężarówkami poza obszarem zabudowanym to w większości zdarzenia śmiertelne.

Z drugiej strony mamy na szali ogromną elastyczność transportu kołowego – ciężarówka jest w stanie dowieźć ładunek do najmniejszej miejscowości, byle droga była utwardzona (nie musi być to asfalt), łatwo też ją rozładować w krótkim czasie. Czy istnieje zatem inny rodzaj transportu, który jest w stanie połączyć szybkość i elastyczność przy jednoczesnym umiarkowanym obciążeniu zasobów ekologicznych i infrastruktury? Rozpatrywać możemy transport lotniczy, wodny i kolejowy, zarówno w aspekcie transportu towarów, jak i ludzi.

Samoloty do zadań specjalnych

Klasyczny transport lotniczy w samolotach cargo (towarowy) to – z uwagi na nośność samolotu i jego gigantyczną energochłonność – transport wyłącznie do zadań specjalnych. Nie da się wozić jabłek spod Grójca do Japonii za rozsądne pieniądze – i całe szczęście, bo zniszczylibyśmy naszą planetę w trakcie życia jednego pokolenia. Przewiezienie 100 kg ładunku na ościenny kontynent za średnio 2000 PLN jest akceptowalne jedynie w wojsku i w przypadku towarów specjalnego znaczenia, gdzie koszt transportu stanowi ułamek tej wartości (cargo w Warszawie w 2019 roku obsłużyło 27 200 ton takich ładunków). Nie znaczy to, że nie ma potencjału w tej gałęzi transportu – podejmowano udane eksperymenty ze współczesnymi sterowcami. Na chwilę obecną jednak ruch lotniczy to głównie transport pasażerski dalekiego zasięgu.

Znacznie bardziej proekologiczny w zestawieniu z dwoma poprzednimi jest transport kolejowy i wodny. Porównajmy zatem oba te sposoby przemieszczania i poszukajmy odpowiedzi, co zrobić, by zdjąć towary z dróg.

Tory vs woda: przekształcenie terenu

Najpierw trzeba odpowiedzieć na pytanie: koleje czy drogi wodne? Rozważanie zaczniemy od szerokości „pasa drogowego”. W przypadku drogi wodnej, w skrajnie niekorzystnym przypadku, może to być ingerencja w obszar całej zlewni rzeki, z której czerpie wodę. Za przykład niech posłuży kanał Wieprz-Krzna – jego powstanie przekształciło stosunki wodne na obszarze 40 tys. ha gruntów ornych i 80 tys. ha użytków zielonych w całym basenie Tyśmienicy, a nie jest to kanał żeglowny – jest wąski i nie ma tam rozbioru wody na potrzeby śluzowania. Porównajmy jednak szerokości „netto” obu rodzajów dróg jako przeszkód terenowych.

Bezpośrednie przekształcenie terenu pod kanał szacować należy na 80 m, z czego 74,5 m to woda od brzegu do brzegu. W przypadku magistralnej linii dwutorowej będzie to w koronie toru 11,5 m (korona to w przybliżeniu tłuczeń i to, co na nim). Pytanie, czy linia kolejowa ingeruje w stosunki wodne, jest pytaniem tak szczegółowym, że wykracza poza obszar tego artykułu. Z niewielkim błędem można powiedzieć, że nie. Ile miejsca potrzebuje zatem całościowo w terenie? Szerokość wraz z całą infrastrukturą nasypu bądź wykopu rzadko przekracza 20 m (rys. 1).

Parametry taborów

Następnym bardzo istotnym kryterium jest energochłonność obu rodzajów transportu. Tu zatrzymamy się nieco dłużej. W rządowym dokumencie „Założenia do planów rozwoju śródlądowych dróg wodnych w Polsce na lata 2016–2020 z perspektywą do roku 2030” znajdujemy porównanie, z którego wynika, że przy jednakowym wydatku energetycznym transport wodny przewiezie ten sam ładunek na odległość 370 km, a w przypadku kolei będzie to tylko 300 km. Aby zweryfikować to twierdzenie, w uproszczony sposób porównajmy tabor.

Standardem na rzece jest zestaw pchany. W warunkach polskich były to dwie barki i pchacz (rys.3), ale oczywiście zestawić można ich więcej, ograniczeniem są parametry żeglowne szlaku – taki zestaw jest odpowiednio większy, więc musi się zmieścić na śluzach i łukach, bądź konieczne będzie jego rozprzęganie, tak by przeszkody nawigacyjne przechodzić w takich fragmentach, w jakich dopuszczają to lokalne ograniczenia. Parametry takiego zestawu podają tabele 1 i 2. Składają się na niego dwie barki BPP-500, typowe dla transportu węgla na Odrze, oraz pchacz Bizon[2].

 

Typ barki pchanej	Wymiary [m]			Ładowność [t]
	Długość	Szerokość	Wysokość	Zanurzenie 1,2 m
BP 500	45,0	9,0	1,7	336
BPC 500	45,2	9,0	1,8	332
BPP 500	47,0	8,7	1,7	367

Tabela 1: Podstawowe parametry odrzańskich barek pchanych (bez napędu)

 

Typ pchacza	Wymiary [m]			Napęd
	Długość	Szerokość	Wysokość	Moc silnika [kW]
Bizon III	20,9	8,3	2,7	155
Bizon zmod.	20,9	8,3	2,7	221

Tabela 2: Podstawowe parametry pchacza

W tabeli 2 zawarto parametry istniejącego pchacza Bizon III oraz propozycji jego modernizacji, która nigdy nie została zrealizowana. Porównujemy nieistniejącą jednostkę z dwóch powodów. Po pierwsze, porównywanie maszynowni zaprojektowanej 50 lat temu z lokomotywą współcześnie zmodernizowaną poprzez wymianę wszystkiego poza ostoją (ramą) i wózkami byłoby manipulacją, po drugie, nie istnieją dobre opracowania matematyczne dla jednostek, które wyszły już z eksploatacji bądź są u kresu swego technicznego żywota.

Lokomotywa, z którą zostanie zestawiony pchacz, to seria SM42 przed i po modernizacji (tab. 3). Jest to seria zaprojektowana do prac manewrowych (S – spalinowa, M – manewrowa), ale z uwagi na jej parametry ma możliwość jazdy pociągowej i nierzadko jest tak używana. Moglibyśmy porównywać serię SM30, która miała ten sam silnik WOLA (w wersji kolejowej) co barka BM 500, ale również byłaby to manipulacja i równie trudno tu o dobre źródła. Dla ułatwienia wszystkie rozważania paliwowe przeliczone zostaną na jednostkę objętości, tak by łatwiej odnieść to do spalania samochodu osobowego, z którym każdy miał styczność.

Dane techniczne	Po modernizacji	Przed modernizacją
Typ lokomotywy	6Dg	SM42
Układ osi / typ wózka	Bo’Bo’/1LNa	Bo’Bo’/1LNa, 6D
Masa służbowa (z pełnymi zapasami)	70 ± 3% t	74 t
Największy nacisk zestawu na tor	17,5 t	18,5 t
Prędkość maks. / prędkość ciągła	90 km/h / 13,5 km/h	90 km/h / 12,5km/h
Siła pociągowa rozruchu teoretyczna	219 kN	219 kN
Silnika / liczba i układ cylindrów	Caterpillar C27 / 12V (60°)	a8C22/8V (50°)
Moc znamionowa silnika spalinowego	708 kW (do 2010 652 kW)	590 kW (800 KM)
Obr. znamionowe silnika spalinowego	1 800 obr/min	1 000 obr/min
Jednostkowe zużycie paliwa	198 g/kWh	225 g/kWh
Zużycie paliwa na biegu jałowym	4,5 l/h	10,2 l/h
Zapas paliwa (oleju napędowego)	2 350 litrów	2 840 litrów

Tabela 3: Podstawowe lokomotywy SM42 przed i po (6Dg) modernizacji

Ile paliwa?

Zużycie paliwa przez zestaw pchany przy prędkości maksymalnej nie przekracza 11 litrów oleju napędowego na jeden kilometr żeglugi.

Na wykresie 1 (rys. 4) widać wyraźnie, że żegluga z prędkością maksymalną nie jest uzasadniona ekonomicznie, gdyż przy 10 km/h zestaw zużyje około 7 litrów paliwa na kilometr żeglugi. Pokrywa się to mniej więcej ze zużyciem rzeczywistej jednostki ze starymi silnikami, której tygodniowy zapas 16 000 tys. litrów paliwa zapewniał autonomiczność żeglugi na 155 godzin. Mniejsze zużycia modelowe wynikają z zastosowania współczesnych silników i optymalizacji napędu. Specyfika napędu wynikająca z jednostajnych oporów w wodzie wymaga, by silnik stale oddawał moc na pędniki.

 

Lokomotywa z kolei zużywa od 4,5 l paliwa na godzinę na biegu jałowym – gdy stoi bądź toczy się, nie napędzając pociągu (tzw. jazda z wybiegu), do 165 l/h, gdy silnik generuje pełne 700 kW mocy. Specyfika pracy na torach jest jednak taka, że pełna moc jest potrzebna do rozruchu i do jazdy z maksymalną prędkością. W praktyce nastawnik jazdy w położeniu pełnej mocy znajduje się krócej niż w położeniu biegu jałowego. Lokomotywa rozpędza skład w relatywnie krótkim czasie, potem jedzie z prędkością szlakową na mocach częściowych (jak bardzo częściowych, zależy od profilu trasy i prędkości rozkładowej), po czym hamuje i stoi z nastawnikiem w pozycji biegu jałowego, gdzie, jak wiemy, spala 4,5 l/h. Przebiegowe zużycie paliwa zależy od ilości rozruchów, a te zależą od charakteru pociągu i ilości zwolnień na szlaku, zależnych od stanu jego utrzymania. Przegląd wiedzy dostępnej na forach maszynistów mówi, że SM42 sprzed modernizacji, prowadząc relatywnie lekki pociąg osobowy, mający postoje co 5 min, potrafiła spalić nawet 200 l/100 km (nie jest dziwne zatem, że szynobus w takiej eksploatacji jest bezkonkurencyjny – w najgorszym razie spali połowę tej wartości). Sumując powyższe rozważania, można z niejakim błędem założyć, że nasz pociąg towarowy z minimalną ilością rozruchów zużyje około 100 l/h. Pozostaje pytanie, ile może przewieźć i z jaką prędkością?

Koszty przewozu 1000 ton węgla

Zostańmy przy wspomnianym wcześniej węglu i zestawmy skład z najbardziej rozpowszechnionego typu wagonu – węglarki Eaos[3] o masie własnej około 20 ton. Przyjmiemy, że nie porusza się on po bardzo zdegradowanych torach, czyli można weń nasypać 60 ton towaru. Aby załadować 1000 ton, potrzebujemy 17 węglarek. Masa brutto takiego zestawu wyniesie 1360 ton, a razem z lokomotywą – 1430 ton. By dowiedzieć się, co ten zestaw potrafi, musimy zestawić opory ruchu takiego zestawu z siłą pociągową, jaką jest w stanie wygenerować lokomotywa. Wykres, który grupuje te dane, to charakterystyka trakcyjna (rys. 5)[4]. Opory ruchu obrazują płaskie krzywe u dołu wykresu, natomiast krzywe paraboliczne to zdolności napędowe lokomotywy. Dla 1430 ton nie ma poprowadzonej krzywej, więc trzeba ją aproksymować. Prędkość maksymalną wyznaczy punkt przecięcia krzywej oporów z krzywą siły napędowej. W naszym przypadku lokomotywa ta jest w stanie po równym torze pociągnąć 17 węglarek z prędkością maksymalną około 72 km/h. Będzie to wymagało jazdy z mocą maksymalną, gdzie lokomotywa zużywa 165 l/h. Przejechanie 100 km nastąpi po czasie 1 h 23 min, czyli przebiegowe zużycie paliwa w takich warunkach wyniesie 230 litrów. Oczywiście w warunkach rzeczywistych nikt nie będzie eksploatował składu w skrajnym punkcie pracy lokomotywy, tak samo jak niespecjalnie jest rozsądne ciągłe używanie samochodu osobowego z pedałem gazu w skrajnym jego położeniu. Optymalna prędkość z powyższego wykresu to około 60 km/h, co przekłada się na mniej więcej 50-proc. obciążenie lokomotywy, skutkujące odpowiednio niższym zużyciem paliwa i tak w praktyce te lokomotywy są używane. Rozważania te prowadzą również do wniosku, że nie jest to optymalny zestaw do liniowego prowadzenia składów. Zasadne jest użycie lokomotywy, która pociągnie brutto nie 1000, ale 3000 ton, z prędkością nie 60, ale 100 km/h, która co prawda zużyje 360 litrów oleju napędowego na godzinę, ale da to i tak mniejsze zużycie jednostkowe. A już najsensowniej użyć do tego ciężkiego elektrowozu, który wcale nie musi zużywać do tej pracy paliw kopalnych (z czego uzyskać czysty prąd, doczytają Państwo w ramach studiów własnych).

Wracając jednak do rozważań, zostańmy przy tych 230 litrach, uznawszy, że w wariancie tym mieści się kilka rozruchów spowodowanych rzeczywistymi warunkami na linii, że jest tam 5 proc. konieczne na rozrządzenie składu (wypięcie wagonów z innego pociągu, manewry na bocznicach ładunkowych itp.). Do tego należałoby dodać energochłonność związaną z prowadzeniem ruchu, wszak zwrotnice nie przestawiają się już ręcznie, a w semaforach nie palą się lampy naftowe. Zróbmy więc z tego sporo zawyżone, okrągłe 300 l/100 km. Mamy zatem 1000 ton węgla przetransportowane na odległość 100 km:

• drogą wodną w ciągu 10 godzin, przy założeniu, że po drodze nie ma żadnych śluzowań (co najmniej 20 minut jedno), kosztem 700 litrów paliwa,
• drogą kolejową w ciągu 1 h 23 min, przy założeniu braku zatrzymań, kosztem 300 litrów paliwa.

Gdyby jednak przyjąć, że transport po torach ma się odbywać z taką samą prędkością jak na wodzie, co jest oczywistym absurdem – tj. 10 km/h, to czytając wykres z rys. 5, dojdziemy do wniosku, że 25,5 kN siły pociągowej, dającej spory zapas w stosunku do niezbędnego 15 kN, by ruszyć z miejsca, zapewnia kultowy ciągnik rolniczy Ursus C360. Apetyt takiego stwora to maks. 5 l/motogodzinę, czyli przesunięcie naszych modelowych 1000 ton na odległość 100 km pochłonie 50 l paliwa. Aby nie być gołosłownym: istnieją takie konstrukcje do oporządzania bocznic zakładów przemysłowych, gdzie utrzymywanie nawet małej lokomotywy manewrowej jest ekonomicznie nieuzasadnione (rys. 6).

Powyższe rozważania prowadzą do wniosku, że grafika z rządowego dokumentu „Założenia do planów rozwoju śródlądowych dróg wodnych…” jest zrobiona pod tezę, że na wodzie najekonomiczniej. Najprawdopodobniej wzięto najcięższy zestaw klasy VIc, który może się zmieścić wyłącznie na Jangcy, o ładowności małego statku pełnomorskiego, na który składa się 6 wielkich barek pchanych o ładowności łącznej 18 000 t, gdzie parametry w przeliczeniu na tonę transportu wyglądają kilkukrotnie lepiej niż dla pchacza Bizon, i zestawiono to z najbardziej energochłonnym pasażerskim pociągiem dużych prędkości.

Najlepsze rozwiązanie

Podsumowując – w polskich warunkach wydatkowanie, według najbardziej ostrożnych szacunków, minimum 70 mld złotych na dostosowanie międzynarodowych dróg wodnych do pełnej IV klasy żeglowności po to, by uzyskać korytarze transportowe, gdzie maksymalny tonaż jednostki pływającej to 1450 ton, wydaje się całkowitą ekstrawagancją. Za tę kwotę jesteśmy w stanie przebudować do prędkości 160 km/h wszystkie kolejowe korytarze TEN-T, z wprowadzeniem na nich nowoczesnego sterowania ruchem ECTS i ERTMS i zakupem nowych lokomotyw.

Na drogach wodnych, z racji ekstremalnie niskich prędkości handlowych, nie da się prowadzić ruchu pasażerskiego, poza ruchem turystycznym. Tonaże w wodnym transporcie masowym, w wydaniu możliwym w polskich warunkach, nie stanowią żadnej konkurencji dla kolei, a terminali kontenerowych nad rzekami nie ma. Wątpliwe są również wyliczenia dla konkurencyjności pod względem energetycznym, a koszty środowiskowe regulacji rzek i budowy kanałów ogromne. Jedyne zalety, jakie rysują się dla dróg wodnych, to łatwość transportu nadgabarytów i niska emisja hałasu (jednak pociągu jadącego 10 km/h też nie słychać).

Istotne jest jednak, aby nie ulegać złudnemu wrażeniu, że kolej w obecnym kształcie jest rozwiązaniem wszystkich problemów transportowych. Nie jest, kolej należy radykalnie uwspółcześnić. Poważnym ograniczeniem elastyczności jest uciążliwość ręcznego rozrządzania wagonów na stacjach pośrednich, gdy nie mamy ładunku całopociągowego i z poszczególnych wagonów trzeba formować nowe składy. Takie grupy wagonów potrafią utknąć na górce rozrządowej dużej stacji na dziesiątki godzin. Tutaj panaceum może być wprowadzenie sprzęgu automatycznego, jak to ma miejsce na elektrycznych jednostkach trakcyjnych czy szynobusach. Istotne jest, by sprzęg taki łączył również układ hamulca pneumatycznego czy ewentualną instalację elektryczną (której obecnie wagony towarowe nie posiadają), by całkowicie wyeliminować konieczność wchodzenia między wagony i radykalnie przyspieszyć prace rozrządowe.

Być może najlepszym pomysłem jest kolejowy transport całych zestawów drogowych wraz z kierowcą. To, że możliwe jest bardzo szybkie załadowanie, transport i rozładowanie, udowadnia Eurotunnel pod kanałem La Manche. Z rampy w Calais do terminalu w Folkestone oddalonego o 50 km koleją transport trwa 35 min (pociąg w tunelu jedzie 160 km/h), załadowanie sprowadza się do zaparkowania na platformie wagonu, nie są wymagane żadne urządzenia do przemieszczania ciągnika i naczepy, poszczególnych wagonów nie trzeba ze sobą sprzęgać, rozrządzać czy specjalnie przygotowywać. Pociąg wahadłowo jeździ po jednej trasie w dwóch wariantach zestawienia: platformy dla tirów + zwykły wagon osobowy dla kierowców lub kryty, całkowicie odizolowany od warunków zewnętrzny wagon dla pojazdów osobowych i dostawczych, gdzie podróż odbywa się w swoim samochodzie bądź jego pobliżu – nie ma wagonu osobowego. Kolej taką można już dzisiaj wytrasować w pasie drogowym autostrady, jest to technicznie wykonalne i w większości przypadków nie wymaga wykupów gruntów. Większość obiektów inżynierskich jest wybudowana z rezerwą pod trzeci pas ruchu, a skrajnia kolejowa jest mniejsza niż drogowa. Kolizje występują wyłącznie na zjazdach z autostrady. Co więcej, kolej taka nie musi, a wręcz nie powinna, łączyć się z klasyczną siecią. Można tu wprowadzić zupełnie oddzielne standardy, łącznie z szerszym rozstawem szyn, jeżeli według obliczeń spokojności biegu zajdzie taka potrzeba. W takim rozwiązaniu nie ma potrzeby rozwijania terminali intermodalnych na styku kolei i dróg – coś, co raz zostało załadowane na naczepę, pozostaje na niej aż do osiągnięcia miejsca przeznaczenia. Pozwoli to radykalnie ograniczyć ruch ciężkiego transportu na drogach, szybko spełnić założenia białej księgi transportowej UE, mówiącej o transporcie 30 proc. towarów w sposób zrównoważony (inny niż drogowy) oraz zwiększyć konkurencyjność firm transportowych – w tej chwili rzeczywisty dobowy zasięg zestawu drogowego ze względu na ograniczenia czasu pracy kierowcy to, w obsadzie jednoosobowej, do 700 km. Przetransportowanie tego zestawu koleją wzdłuż autostrady powoduje zwiększenie tego odcinka o liczbę kilometrów na torach – w świetle przepisów pracy kierowcy jest to tzw. pauza, a nic nie stoi na przeszkodzie, by w wagonie sypialnym był to odpoczynek. 70 mld PLN z zapasem wystarczy na dwa korytarze wschód–zachód wzdłuż autostrad A2 i A4 oraz północ–południe wzdłuż A1. Koncepcji jest wiele, ale ponad wszystko trzeba wreszcie zmusić rządzących do racjonalnych działań.

 

[1]„Odbudowa drogi wodnej E40 na odcinku Dniepr–Wisła: od strategii do planów” Instytut Morski w Gdyni, 2015r.

[2]„Flota nowej generacji na odrzańskiej drodze wodnej”, Kulczyk, Lisiewicz, Nowakowski 2012, Wyd. Politechniki Warszawskiej z.82, str. 56.

[3]https://kolej.mkm.szczecin.pl/encyklopedia/danewagtow

[4] dr inż.Zygmunt Marciniak, prof.nadzw.,prof. dr hab. inż.Janusz Mielniczuk, mgr inż. Wojciech Jakuszko, mgr inż. Piotr Michalak,

Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Konstrukcja układów napędu hybrydowego dla wybranych zmodernizowanych lokomotyw spalinowych do ruchu manewrowego i przetokowego w: Pojazdy szynowe 2/2014

 

Autorzy:

Marek Kominowski, wolontariusz kampanii „Stop dla drogi wodnej E40”

Monika Klimowicz-Kominowska, rzeczniczka prasowa OTOP