Co jest nie tak z Pendolino, czyli kolejna zmarnowana szansa na modernizację Polski

Pendolino — piękna wizytówka obecnego rządu, czy już poprzedniego, jako przykład modernizacji kolei i polskiej podróży w przyszłość. Nooo, prawie się zgadza. Tylko że w rzeczywistości jest to importowane i zapewne przepłacone konserwowanie polskiej infrastruktury w przestarzałej technologii.

Tym razem nie będzie zbyt wiele obliczeń, ale trochę fizyki

Pojazdy elektryczne używają elektryczności do przemieszczania się. Zazwyczaj z sieci zasilającej, rzadziej z baterii. Baterie dziś pomińmy, znaczenie ma zasilanie z sieci. Pociąg, jako całkiem duży pojazd potrzebuje dla swojego ruchu całkiem dużo tego prądu. Zwłaszcza do przyspieszania (to osobowe) oraz jazdy pod górę (towarowe) oraz pokonywania oporu powietrza, który rośnie z kwadratem prędkości, więc najbardziej dotyczy szybkich pociągów.

Uwaga wzór: P=U*I. To znaczy, że moc (P) jest równa iloczynowi (tak się nazywa wynik mnożenia — to dla absolwentów gimnazjów) napięcia i natężenia.  Dla odmiany straty  mocy są zależne od oporu i kwadratu natężenia. Opór zależny jest od przewodności ośrodka i jego powierzchni przekroju. Jak widać straty są zależne od wszystkiego, ale nie od napięcia. Czyli podwyższając napięcie zmniejszamy straty. Prawo Ohma, z którego to wynika,  dotyczy zasadniczo tylko prądu stałego, ale przy prądzie przemiennym, choć zmienia się sposób obliczania, zależność jest ta sama.

Z tych zależności wynika w wielkim uproszczeniu: dla przesłania tej samej mocy prądu z tym samym poziomem strat potrzebujemy albo większego napięcia albo większej średnicy przewodów (zakładając, że materiał na przewody jest ten sam). Dostosowując to do pociągów — jeśli chcemy podwyższać wagę pociągów towarowych na górskich liniach, lub prędkość osobowych, to mamy następujące możliwości: zwiększyć średnicę przewodów, zwiększyć natężenie prądu i zaakceptować wyższe straty albo zwiększyć napięcie.

Pierwsza i trzecia możliwość łączy się z poprawianiem infrastruktury, jedynie akceptacja zwiększonych strat to jest po prostu olanie sprawy. Działać to będzie, ale nic więcej.

A tymczasem WSZYSTKIE na świecie systemy szybkiej kolei korzystają z napięcia 25000 V (prądu przemiennego 50 Hz). Tak samo linie towarowe o dużym obciążeniu. Tam samo nowoczesne systemy kolei podmiejskiej. Odizolowane linie przewozu rud i węgla potrafią być zelektryfikowane w napięciu 50 kV.

Dzisiejszym światowym standardem jest elektryfikacja 25 kV, 50 Hz

Odrobina historii. Od wymyślenia praktycznego silnika elektrycznego elektryfikacja kolei była bardzo pociągającym pomysłem. Techniczne możliwości początków elektryfikacji pozwalały tylko na zastosowanie prądu stałego i napięć rzędu 400-600 V. Stopniowym postępem technicznym udawało się stosować coraz wyższe napięcia zasilające, co pozwalało na mocniejsze lokomotywy, czyli szybsze i cięższe pociągi. Czyli efektywnie tańszy i lepszy transport. Również w owych dawnych czasach prąd przemienny był zdecydowanie lepszym sposobom zasilania silników niż prąd stały, ale na początku XX w. technologia nie pozwalała na zastosowanie silników prądu przemiennego częstotliwości 50 Hz (takiej jak w sieci).

Rozwiązania były dwa. Albo zastosować prąd stały, którego maksymalne praktyczne napięcie wynosi 3000 V (to akurat nie wiem dlaczego, w praktyce nie stosuje się więcej, więc pewnie jest ważny powód — stąd moje domniemanie). Albo obniżyć częstotliwość. To drugie rozwiązanie w teorii nie, ale w praktyce wymaga odrębnej sieci energetycznej i systemu elektrowni. Zastosowano je najpierw w Szwajcarii, potem się rozeszło na Niemcy i Austrię. I tam mają ten dość dziwny  system 16 kV i 16,6 Hz, który do niczego innego nie pasuje.

Ale taka była cena za wczesną wydajność szwajcarskiej kolei. Przełom nastąpił wkrótce po II w.ś., kiedy został udoskonalony węgierski system zasilania prądem 50 Hz. Pozwolił on na stosowanie napięcia 25 kV oraz, co ważniejsze, stosowanie prądu z sieci energetycznej. Stąd, jak łatwo się domyślić stał się światową normą, bo po prostu jest najlepszy i biorąc pod uwagę wszystkie koszty, także najtańszy. Problem powstał w tych miejscach, gdzie już elektryfikacja się posunęła do przodu i był inny standard. W krajach niemieckich nic z tym nie zrobiono, bo dotychczasowa sieć nie jest wiele gorsza. Ale w reszcie świata, tam gdzie elektryfikowano w oparciu o prąd stały — to inna sprawa. Problem był, zdecydowanie warty rozwiązania. Lepsze przyspieszenia, większe prędkości, większa ładowność piechotą nie chodzi. Jak to często w standardach przemysłowych bywa, Angole się zakopali w jeszcze gorszych rozwiązaniach, z którymi nic już się  nie da zrobić. Mianowicie elektryfikacja z tzw. trzeciej szyny praktycznie ogranicza napięcie do 1500 V i pozostaje prąd stały. Wobec czego pociągi w ten sposób elektryfikowane są mniejsze i mają gorsze przyspieszenia.

A teraz wracamy do Polski

W początkach dyskusji nad powszechną elektryfikacją PKP, a były to późne lata 50-te, trzeba było podjąć decyzję o standardzie. Najwyższe napięcie prądu stałego dostępne to było 3 kV, a alternatywa 25 kV 50Hz już istniała, była dostępna, ale technicznie budowa podzespołów dla sieci leżała poza możliwościami polskiego przemysłu. Lokomotyw prądu przemiennego prawdopodobnie także.

Decyzja zapadła, zastosowano już wówczas przestarzałą technologię i tak właśnie zelektryfikowano całkiem sporą część sieci kolejowej w Polsce. Jest, działała i działa. Ale do ciężkich składów i dużych prędkości po prostu się nadaje słabo.

A teraz spojrzmy, dla odmiany, na kraj kradzionej technologii i inżynierskich idiotyzmów, czyli Związek Radziecki. Raz zrobili coś w taki sposób, że miało to ręce i nogi. Najpierw elektryfikowali sieć prądem stałym 3 kV (dokładnie jak w PL, ale oni wcześniej zaczęli). Potem, kiedy technologia 50 Hz była dojrzała i tania, rozpoczęto zmianę zasilania na głównych liniach, zaczynając od tych najbardziej obciążonych. Rozpoczęli taką przebudowę z poczatkiem lat 60-tych (czyli praktycznie wtedy, kiedy się w ogóle rozpoczęła elektryfikacja kolei w Polsce!!) i w sumie jeszcze trwa.

BTW- w tym samym początki lat 60-tych rozpoczęłą się budowa sieci Shikansen, która po prostu narzuciła światowy standard dla kolei dużych prędkości. 1476 mm rozstawu szyn i 25 kV 50 Hz elektryfikacja. Podobno w Uzbekistanie jest jedna linia szybkiej kolei na wschodnim rozstawie torów. Oprócz tego wszystkie linie na całym świecie dokładnie są w tym standardzie- normalne tory, normalna częstotliwość i napięcie 25 kV.

Teraz, przy programie modernizacji polskiej infrastruktury była idealna okazja, aby na najbardziej obciążonych lub wymagających największych prędkości liniach zmienić zasilanie do światowej normy. W polskich warunkach i pierwszej kolejności ten postulat by dotyczył Centralnej Magistrali Kolejowej oraz, zapewne także linii Warszawa-Gdynia. Zmiana zasilania na normalne, takie jak na całym świecie na szybkich liniach by pozwoliło kupić pociągi od któregokolwiek z kilkunastu producentów oferujących szybkie składy. Cóż, uparli się aby mieć 19-wieczne zasilanie, to i pociąg mógł być tylko jednego producenta. Podejrzewam, że różnica w cenie zakupu składu o tych samych parametrach na 25 kV by wystarczyła aby taką przebudowę sfinansować. A CMK miałaby szanse stać się linią prawie szybkiej kolei, a nie jeżdżącym skansenem

Ale wybitni decydenci kupili Pendolino, czym udowodnili, że są głupsi niż władze Związku Radzieckiego (i to w późnosklertotycznej fazie!), a to całkiem dobry wyczyn. I to jest właśnie sens tej powiastki. Teraz może rozpoczną w końcu elektryfikację tak jak wszyscy. A nawet jest stosowna europejska norma narzucająca 25 kV 50 Hz jako standard elektryfikacji dla kolei dużych prędkości…

Jak rozpoczną, to okaże się, że miejsce Pendolino jest na trasie Elbląg- Olsztyn, bo z Gdyni do Katowic będą jeździć szybkie pociągi takie same jak na całym świecie. Tak dla drobnego porównania co te różnice napięcia oznaczają w praktyce. Pendolino kupowane przez PKP, czyli najbardziej zaawansowany na świecie elektryczny zespół trakcyjny pod zasilanie 3 kV (tak, to prawda) osiąga przyspieszenia 0,49 m/s2. To nie jest dużo. Tak porównywalne do starego, przeładowanego tramwaju. Nowe tramwaje mają przyspieszenia większe niż 1 m/s2. a to jeen z najnowszych modeli elektrycznych zespołów trakcyjnych pod zasilanie 25 kV, japoński N700 Series Shikansen osiąga przyspieszenie 2,6 m/s2. To już trochę wgniata w fotel. Kwestia ile prądu są w stanie pobrać z sieci…. Tak przy okazji ten japoński ma wychylne pudło, którego w polskim Pendolino nie ma. Pudło się wychyla na zakrętach jak wahadełko, po włosku „pendolino”.