Baterky na kolejích

7.5.2016 8:00 Luděk Šimek

Baterky na kolejích

Akumulátory se značně zvolna, avšak vytrvale prosazují na silnicích, elektromobily nižší, a už i střední třídy již nejsou jen pohádkou v knížkách a časopisech pro zvídavé děti, ale stávají se realitou. Individuální silniční dopravě jsem nikdy příliš pozornosti nevěnoval. Zato mě však už před pár lety zaujaly elektrobusy.

Jednoduchá logika mě vede k přesvědčení, že mohou-li baterky pohánět autobus o výkonu 120 kW a hmotnosti 10,5 t v náročném městském provozu, dokáží právě tak pohánět srovnatelné vozidlo, jakým je dvounápravový motoráček s motorem od autobusu v mnohem méně náročném provozu na lokálce.



Vynásobíme-li takový kolejový autobus dvěma, dostaneme čtyřnápravový vůz 842 – i on má dva autobusové motory a jeho elektrický ekvivalent by si místo 1 tuny baterek jich vezl 2 t. Tak můžeme násobit dál a dostaneme se k lokomotivě pětadvacetkrát výkonnější, která si těch 25 t baterií nemusí vézt v sobě, ale na zvláštním voze, jako si parní mašiny vozily uhlí a vodu v tendru.

Představme si tu parádu – tratě nezadrátované tisíci kilometrů drahé mědi a tunami ocelových lan i stožárů, které vyžadují pravidelnou údržbu spojenou s výlukami, kde stačí, aby silnější vítr shodil strom a půl dne se nejezdí, zažili jsme i kalamitu, při které námraza vyřadila z provozu trolej v polovině Česka... Toho všeho by nás baterie ušetřily.

 

Trocha historie

Ta představa – jezdit na elektřinu nezávisle na troleji - už provokuje konstruktéry snad stejně dlouho jako první pokusy s napájením vozidel trolejí. Průkopníkem všeho, co jezdí na elektřinu, byl v Rakousko-Uhersku – kdo jiný než František Křižík. Ten zkoušel jezdit po železniční trati na akumulátory už v dubnu roku 1899. Použil k tomu běžnou tramvaj s dvěma motory 37 kW, upravenou pro jízdu po železnici, do které uložil pod lavice olověné akumulátory. Celkem to bylo 280 článků, dávajících celkové napětí 550 V s kapacitou pouhých 20 Ah. Jezdil s nimi z Prahy-Nuslí na Zbraslav a Dobříš. Dobový protokol uvádí, že měrná spotřeba činila 34 Wh/tkm při průměrné rychlosti 30 km/h. Jedno nabití stačilo právě na tu trasu Nusle – Zbraslav, kde bylo nabíjecí dynamo, poháněné lokomobilou, nabíjení trvalo 20 minut. Zkoušky tedy dopadly úspěšně, přesto asi Křižík ani dráhy nebyli spokojeni s nízkým poměrem kapacity ku hmotnosti olověných akumulátorů, asi vadila i nutnost náročné a pravidelné údržby, výměny elektrolytu... Vývoj se dál ubíral cestou závislé trakce.

Přesto se akumulátorový pohon začal používat. Jedna maličká lokomotiva se dochovala v Železničním muzeu v Jaroměři. Vyrobila ji firma Ringhoffer v r. 1916 o výkonu 40 kW a váze 16 t pro posun ve svém závodě, původní olověné akumulátory jsou dnes nahrazeny nikl-kadmiovými s kapacitou 250 Ah o napětí 180 V. Na jedno nabití je schopna posunovat přibližně 8 hodin. Lokomotiva sloužila až do roku 1991 na vlečce cihelny v Pulicích u Dobrušky.


E 407.0 posunovala v Praze na Wilsonově nádraží.


I ji postavil pan Ing. Křižík

Mladší čtenáři třeba neuvěří, ale představte si, že se akumulátorové lokomotivy dobře uplatnily v Praze na Wilsonově, pozdějším Hlavním nádraží. Jeho kolejiště a spojky s ostatními pražskými nádražími byly elektrizovány soustavou 1500V už v r. 1927 mimo jiné taky proto, aby pod klenbou Wilsonova nádraží neobtěžoval cestující kouř. Jenže nebyly zatrolejovány všechny koleje. Proto byly pro posun postaveny – opět panem Křižíkem - lokomotivy E 407.0, vybavené olověnými akumulátory 392 Ah.


E 416.0 – další z lokomotiv posunujících na pražských spojkách


Stavěla je plzeňská Škoda

Další dvě vyrobila Škoda v r. 1931 a nesly označení E 417.0. V provozu se prý nejvíce osvědčily E 416.0, postavené Škodovkou v letech 1943 až 1949. Jezdily až do roku 1966. Mladší čtenáři třeba neuvěří, já však ano. Coby robě jsem jednou jednu viděl posunovat u 1. nástupiště.


Jezdily na Hlavním nádraží až do r. 1966.


Akumulátorů plná strojovna

Trocha současnosti

Pak se dlouhá léta na baterie na kolejích zapomnělo. Svět prahnul po naftě, vývoj článků lehkých a účinných nepostupoval a my musíme skočit až do roku 1993. Přeskočíme tak i hybridní lokomotivy, včetně té největší 718 o výkonu 360 kW, protože koneckonců hybridní pohon je primárně spalovací. Ale v tom roce 1993 ČKD ve spolupráci s ÖBB postavila jednu lokomotivu A 219.0. Výkon 115 kW, maximální rychlost 40 km/h. Zdrojem energie je trakční akumulátorová baterie VARTA 8x80 V - 3PzS 300 v osmičlánkovém provedení, o kapacitě 300 Ah a napětí 640 V. Energie trakčního akumulátoru odpovídá přibližně 100 kg nafty. Dojezd na rovině činí 200 km. Po dokončení byla lokomotiva zkušebně provozována na staniční záloze v Táboře, aby byla zanedlouho převezena do Vídně, kde byla s velmi dobrými výsledky zkoušena, přesto ji ÖBB nekoupily. Sloužila pak na vlečce v ČKD Praha, po jeho likvidaci u několika firem na Slovensku, dnes je u opravárenského podniku Lokomont Brno.


A 219

V Lokomotivním depu ČSD České Budějovice zase zkoušeli pohánět z akumulátorů již stávající vozidlo. V roce 1991 byla upravena jedna elektrická posunovací lokomotiva řady 210 na dvouzdrojové provedení s alternativním napájením z náhradního bateriového zdroje. Ten byl zastavěn do nákladního prostoru služebního vozu. Právě tam byl instalován pomocný energetický zdroj tvořený sestavou akumulátorových baterií o výkonu zhruba 100 kW


„Žehlička“ s bateriovým vozem

Totéž zkusili ve Zvoleně v r. 1993. Jako bateriový vůz využili původní nákladní vůz Zt 23.sk, přestavěný v r. 1991 na Daa-k. Dnes nese označení 010 005-7 a po jeho vzoru byly přestavěny i další „hytláky“, aby napájely žehličky 210. Nepodařilo se mi bohužel zjistit, jakými články jsou osazeny, ale jisté je, že fungují a že prokázaly svoji provozuschopnost. (Máte-li někdo z okolí Zvolena jiné zkušenosti z praxe a víte o tom víc – pojďte s tím do diskuse!)


Zvolenská 2 - 010 005-7 + 210 006-3

A co dál

Jestli vás ten ojedinělý pokus s A 219.001 ani několik starých hytláků v závěsu za žehličkami nepřesvědčilo, že baterie mají na kolejích budoucnost, tak vám prozradím i parametry dnešních lithium-iontových článků: Pojmou energii 200 Wh v každém svém kg (každý ten kg zabere objem 0,38 litrů) životnost mají 500–1200 nabíjecích cyklů. Tak zkuste se mnou počítat, jestli by byly využitelné:


Polský elektrobus City Smile CS10E se představil na Czech Raildays Ostrava v r. 2013.
© PhDr. Zbyněk Zlinský

Vyjdeme z jednoho hrubého a značně zaokrouhleného statistického čísla, že průměrná měrná spotřeba v elektrické trakci je 20 Wh na hrubý tunokilometr [Wh/hrtkm]. Tou jednotkou se rozumí, kolik energie spotřebujeme při ujetí 1 km na každou tunu vlaku, do kteréžto váhy se počítá váha vozidel i nákladu neb cestujících. Ano, ta hodnota 20 Wh/hrtkm je velmi hrubý a zaokrouhlený údaj, neberoucí v úvahu, že ve skutečnosti je spotřeba dost závislá na výškovém profilu trati, na druhu vlaku – jestli jede celou trasu v kuse nebo brzdí a rozjíždí se u každé vsi, a také je jistě dost rozdíl ve spotřebě na tunokilometr expresu, rozjetého na 200 km/h nebo lokálky. Ale s těmito nuancemi tu nemáme prostor se zabývat (ani potřebnou statistiku k tomu nemáme) tak prostě vezmeme za hotovou tu hezkou kulatou hodnotu.

Řekl jsem na začátku, že to je měrná spotřeba elektrické trakce, rozumí se závislé. Proti ní mají ale akumulátory jednu obrovskou výhodu: Mohou plně využít rekuperaci, brát zpátky energii při brzdění. Ale buďme na sebe přísní – počítejme, že rekuperací získáme zpět jen 30% energie, že tedy měrná spotřeba bude jen 14 Wh/hrtkm .

Má-li takový rychlík 10 vozů, váha plně obsazeného vozu se počítá 46 t, lokomotiva 87 t, celkem tedy 547 t. Z Prahy do Košic to máme 703 km, tedy 384 541 tkm. Když to vynásobíme x 14 a vydělíme tisícem, abychom rovnou dostali kilowatthodiny, tak nám vyjde, že za tu jízdu lokomotiva spotřebuje 5384 kWh.

 

Jak velkou baterii bychom potřebovali, abychom ji celou cestu nemuseli měnit?

Vyjděme z hodnoty měrné kapacity Li-Ion nikoliv 200, ale jen 140 Wh/kg. To proto, že my ji nesmíme vybít úplně „do dna“, tím se Li-Ion baterie ničí. Tedy – aby byly stejné jednotky - 0,140 kWh/kg. Stačí teď už jen, když 5384 vydělíme 0,140 a dostáváme  38 400 kg baterií.

Pouhých 40 t baterií na cestu z Prahy do Košic. Je to možné? Asi jsme přeci jen vyšli z příliš průměrné hodnoty měrné spotřeby, asi rychlík zobe víc. Ale řádový obrázek nám to dává – i když bude spotřeba dvojnásobná, rychlík si klidně těch 80 t baterek uveze, aby nemusel cestou v Ostravě přepřahat.

 

Jak by to bylo u jiných typů vlaku? Náklaďák bude mít řekněme 2500 t (kde že jsou ty časy, což?) a pojede z Ostravy do Prahy – 356 km, to máme 890 000 tkm. Na to potřebujeme 12460 kWh. A ty se nám vejdou do 89 t baterií. Čili jeden pořádný nákladní vůz navíc a nemusíme cestou měnit baterky


Moje představa bateriové lokomotivy

Mám to samozřejmě spočítané i pro ty lehčí typy vlaků – kolikrát se na jedno nabití obrátí elektrická jednotka (už jsem chtěl napsat „panťák“, ale to by byl nesmysl, když je na baterky, že) mezi Prahou a Pardubicemi, jak velkou má mít baterii motoráček na lokálce... Ale nebudu už čtenáře unavovat dalšími výpočty, může si to případně zkusit za domácí úkol. Zbývá ještě vyřešit technicko-organizační otázky, jak a kdy nabíjet, kde zřídit nabíjecí stanice atd. Musíme přece počítat s tím, že do těch nabíjecích stanic máme přivést stejný výkon z elektráren jako dnes do měníren a napáječek, jenže budou muset být umístěny jinde. Ještě jsme ale nevyřešili, jak a kam ve vlaku baterii umístit. U těch malých „šlukafonů“ problém není – jednotunový akumulátor o objemu 0,38 m3 se vejde stejně jako u elektrobusu do podlahy a jezdí na jedno nabití jednu směnu. Podobně u elektrické jednotky lze rozložit baterie pod jednotlivé vozy. Ale co velké, několikamegawattové lokomotivy? Můžeme u stávajících obouproudých strojů nahradit transformátor baterií. Ten má ale pro 3 MW asi jen 8,5 t. Na to by nám rychlík dojel z Prahy tak nejdál do Chocně. Výše zmíněné žehličky si baterky vozí ve zvláštním voze. Já jsem ale vymyslel zlepšovák – už jsem se o něm zmiňoval před časem v článku Jak jsem si vymýšlel: Bateriový předvůz.

Lokomotiva by si vůz s akumulátory tlačila před sebou. Měl by výšku jen do úrovně spodního okraje čelního okna, aby přes něj strojvedoucí viděl asi jako přes kapotu té žehličky. Vůz by měl na čelech nafukovací „airbagové“ návalky, kterými by se přitiskl k přídi lokomotivy, vrchní kryt by byl překlopný – sklopil by se šikmo dopředu, aby tvořil s hnacím vozidlem aerodynamický celek, a především – měl by vlastní pomocný motor, takže by si sám vybitý vůz v nabíjecí stanici od soupravy odstoupil a na jeho místo by přijel čerstvě nabitý. Ještě pořád se vám to nelíbí?


Bateriový předvůz

Proč má můj bateriový vůz číslo začínající 5, a lokomotiva 2, když nejsou napájena střídavým proudem? Proto, že tyto série 2xx a 5xx jsou téměř prázdné a nová jednosystémová střídavá vozidla se nejspíš vyrábět už nebudou, tak jsem si ty řady obsadil pro tuto bateriovou trakci. V sériích 7xx a 8xx už moc místa není.

Já vím, lithium má i své nevýhody. Je tu nebezpečí výbuchu či požáru při nesprávném zacházení – a u kterého paliva toto nebezpečí není? Další nevýhodou je, že články mají jen určitou životnost, musíme je udržovat stále v provozu nebo aspoň v částečně nabitém stavu, jinak „lehnou“, a když jednou „lehnou“, tak je problém s ekologickou likvidací... Ale nemusím všechno vymýšlet já laik, od toho jsou celé týmy výzkumníků a konstruktérů, věřím, že i tyto nedostatky se podaří odstranit, a koneckonců – já netrvám na tom, že lithium je tím nejlepším a konečným řešením, pracuje se i na jiných materiálech.

Jak by se vám líbil třeba tekutý akumulátor? V nabíjecí stanici by se nabíjely akumulátory s elektrolytem. Ten elektrolyt by měl ale tu vlastnost, že by si uchoval svůj náboj i po přečerpání do jiné nádoby. Namísto dlouhých hodin stání u nabíjecího stojanu nebo výměny vybitých baterií za nabité by mašinka jednoduše natankovala nabitý elektrolyt, jako když dýzlák tankuje naftu. Ne, to není sci-fi, na tom už laboratoře také pracují. Uvidíme tedy, jaký převrat v trakci přinesou.

Úvodní foto: lokomotiva Ringhoffer z r. 1916

Zdroje: