Vozidla pro vysokorychlostní provoz

Transkript

1 Ing. Jiří Pohl / Ostrava / Konference Česká železnice v roce 2030 Vozidla pro vysokorychlostní provoz Siemens, s.r.o., divize Rail Systems & Mobility and Logistics 2013 Všechna práva vyhrazena. siemens.cz/mobility

2 Vývoj osídlení Osídlení krajiny bylo po tisíciletí určeno zemědělstvím lidé žili tam, kde mohli pěstovat rostliny a zvířata. Tedy na vesnicích. Před několika desetiletími nastal zvrat lidé se stěhují z venkova do měst. Celosvětově již více než 50 %, v mnoha evropských zemích již více než 70 % lidí žije ve městech. Opouštění venkova má dvě dimenze: a) kvantitativní technizace a chemizace zemědělství snížila potřebu pracovních sil v tomto oboru (a tedy na venkově) na několik procent původního počtu, b) kvalitativní vysokoškolsky vzdělaní lidé opouštějí venkov, neboť tam pro svojí kvalifikaci nenacházejí uplatnění. Strana 2

3 Polarizace společnosti Migrací obyvatelstva z venkova do měst dochází k polarizaci společnosti: vznikají bohatá, přelidněná, vzdělaná, mladá, zaměstnaná a rozvíjející se města (včetně jim přilehlého venkova), vzniká chudý, vysídlený, méně vzdělaný, stárnoucí, málo zaměstnaný a upadající odlehlý venkov (včetně jemu přilehlých městeček). Tento trend je velmi nezdravý. Nese v sobě potenciál závisti, nenávisti, pohrdání, násilí, nepokojů, socialistických nálad a revolucí. Nemá však smysl přemýšlet o tom, jak zatratit techniku i vzdělání a vrátit se zpět do minulosti. Naopak je potřebné použít techniku i vzdělání k žití v budoucnosti, abychom opět dokázali žít po celé ploše území státu. Strana 3

4 Mobilita Moderní technika vytváří dva velmi účinné nástroje k decentralizaci pracovních příležitostí a na ně navazujícího osídlení: informační technologie mobilita Pozitivní přinos moderního pojetí mobility na decentralizaci života lze doložit na příkladě velkých měst: v dobách, kdy města neměla kvalitní hromadnou dopravu, byly veškeré společenské a obchodní aktivity soustředěny v centru, okrajové čtvrtě byly pusté, nyní, když města mají kvalitní hromadnou dopravu, jsou obchodní a společenské aktivity rozptýleny po celé jejich ploše včetně periférii. Strana 4

5 Energetická náročnost mobility Přenos informací moderními elektronickými technologiemi má velmi vysokou rychlost a nízkou energetickou náročnost. Proto se může rozvíjet velmi intenzivně i na velké vzdálenosti do odlehlých území. Doprava osob a zboží po rozsáhlejším území však naráží na dva limity: časovou náročnost (nepřímo úměrnou rychlosti: T = L / v), energetickou náročnost (úměrnou druhé mocnině rychlosti: A = L. k. v 2 ) Avšak lidská společnost potřebuje takové formy mobility, které jsou: rychlé, energeticky nenáročné. Strana 5

6 Vývoj mobility v EU cíle Programový dokument EU Bílá kniha o dopravě (březen 2011) má tři základní a kvantifikovatelné cíle: a) neomezovat, naopak rozvíjet mobilitu, neboť ta je součástí hospodářského, společenského i rodinného života, a)zbavit mobilitu závislosti na kapalných uhlovodíkových palivech (zejména na ropě), která v současnosti pokrývají 96 % energie pro dopravu v EU, neboť jde o perspektivně nedostatkové, drahé a do EU importované zboží (v roce 2010 dovezla EU ropu za 210 miliard EUR), b)zásadním způsobem snížit produkci CO 2 dopravou, a to ve srovnání s výchozí úrovní roku 2008 o 20 % do roku 2030 a o 70 % do roku 2050 Pokud se nebudeme závislostí na ropě zabývat, mohla by být schopnost občanů cestovat, jakož i naše ekonomická bezpečnost značně ohrožena a to by mohlo mít nedozírné následky na inflaci, obchodní bilanci a celkovou konkurenceschopnost ekonomiky EU. EU KOM (2011) 144 Strana 6

7 Vývoj mobility v EU nástroje Ve snaze neomezovat mobilitu ani po eskalaci cen ropy je preferována doprava v elektrické trakci: z městské dopravy postupně vyloučit automobily se spalovacími motory (prioritní orientace na hromadnou dopravu s elektrickou trakcí) nákladní dopravu nad 300 km převést ze silnic a dálnic na železnici příměstskou dopravu převést ze silnice na železnici meziměstskou silniční dopravu nahradit železnicí (osobním automobilům a autobusům zůstane operativní a venkovská doprava) leteckou dopravu nad pevninou nahradit železnicí (letadla zůstanou lety přes oceán) Strana 7

8 Vývoj dopravy v České republice Za dobu dvaceti let trváníčr (1993 až 2012) došlo k: zvýšení počtu obyvatel na 102 %, zvýšení HDP na 160 %, zvýšení přepravních výkonů nákladní dopravy na 115 %, zvýšení přepravních výkonů osobní dopravy na 150 %, zvýšení spotřeby energie v dopravě na 230 %, zvýšení exhalací produkovaných dopravou na více než 200 %. dopravou se plýtvá, doprava plýtvá energiemi. Projevily se důsledky orientace na energeticky náročnější silniční automobilovou dopravu na úkor úspornější dopravy kolejové: Podíl železnice na přepravních výkonech osobní dopravy klesl z 12 % na 6 %, nákladní dopravy klesl z 50 % na 20 %. dominantním dopravním systémem se stala automobilová doprava Strana 8

9 Silniční doprava zajišťuje v České republice rozhodující podíl nákladní přepravy Strana 9

10 Silniční doprava zajišťuje v České republice rozhodující podíl osobní přepravy Strana 10

11 Aktualizovaná státní energetická koncepce České republiky Energetická koncepce ČR, kterou předložilo vládě MPO v listopadu 2012, řeší energetický mix nejen na straně zdrojů, ale i na straně spotřeby. A to včetně dopravy, která je významným spotřebitelem energie (20 %). Základním principem je odklon energetiky od fosilních uhlovodíkových paliv. V dopravě předpokládá výrazný růst podílu elektrické energie: 2012: GWh (100 %) 2020: GWh (123 %) 2030: GWh (154 %) 2040: GWh (203 %) Strana 11

12 Aktualizovaná státní energetická koncepce ČR Strana 12

13 Aktualizovaná státní energetická koncepce České republiky Na současné spotřebě elektrické energie pro dopravu (2 200 GWh/rok) se podílí: - zhruba z 50 % (1 100 GWh/rok) železnice, - zhruba z 50 % (1 100 GWh/rok) městská hromadná doprava (metro, tramvaje, trolejbusy). Jak a proč zvýšit spotřebu elektrické energie v dopravě o GWh již do roku 2030? Cílem není spotřebovat více energie, ale cílem je dosáhnout celkového snížení spotřeby energie: - zvýšit podíl efektivně využívané elektrické energie, - to umožní snížit podíl kapalných paliv, která jsou využívána méně efektivně. Dvě cesty k vyšší energetické efektivnosti dopravy: - náhrada spalovacího motoru (účinnost 30 až 40 %) elektrickým (účinnost 90 %), - snížení trakčního odporu (kolejová doprava, hromadná doprava dlouhá vozidla /vlak s nízkým aerodynamickým odporem). Strana 13

14 Bilance spotřeby energie osobní dopravy směrné hodnoty pro nižší rychlosti Osobní automobil: 1,5 litru nafty (s tepelným obsahem 10 kwh/dm 3 ) na sedadlo a 100 km, tedy 0,15 kwh/sedadlo/km Elektromobil: 8 kwh elektrické energie na sedadlo a 100 km, tedy 0,08 kwh/sedadlo/km Elektrifikovaná železnice: 2 kwh elektrické energie na sedadlo a 100 km, tedy 0,02 kwh/sedadlo/km Vozit osoby po silnici má smysl jen na krátké vzdálenosti (operativní přepravy), nikoliv na větší vzdálenosti. Na větší vzdálenosti je účelné využívat železnici, zejména elektrifikovanou. Energetický efekt železnice: 1 kwh elektrické energie nahradí 7,5 kwh z nafty / benzínu. Strana 14

15 Bilance spotřeby energie dálkové osobní dopravy směrné hodnoty pro vyšší rychlosti Letadlo: 4 litry kerosinu (s tepelným obsahem 10kWh/dm 3 ) na sedadlo a 100 km, tedy 0,40 kwh/sedadlo/km Vysokorychlostní železnice: 4 kwh elektrické energie na sedadlo a 100 km, tedy 0,04 kwh/sedadlo/km Létat má smysl přes moře, nikoliv nad pevninou. Po zemi je účelné využívat železnici s elektrickou vozbou. Energetický efekt železnice: 1 kwh elektrické energie nahradí 10 kwh z kerosinu Strana 15

16 Aktualizovaná státní energetická koncepce České republiky železnice Současná spotřeba trakční elektrické energie na železnici činí cca GWh/rok. K racionálnímu zvýšení této hodnoty na zhruba dvojnásobek (a to i v souběhu se snižováním měrné spotřeby rekuperační brzdění, aerodynamika, optimalizace řízení ) vedou dva kroky: a) zvýšení podílu elektrické vozby na úkor vozby naftové, tedy dokončením elektrizace dopravn siln zatížených tratí a důsledným používáním elektrické vozby na elektrifikovaných tratích, b) zvýšením objemů přepravních výkonů železnice v osobní i nákladní doprav zhruba na dvojnásobek (na 13 mld. os. km/rok a 28 mld. netto tkm/rok. Toto zdvojnásobení je reálné, znamená nárůst o cca 4 % ročn v rozmezí let 2013 až Strana 16

17 Aktualizovaná státní energetická koncepce České republiky - železnice ad a) Zvýšení podílu elektrické vozby na úkor vozby naftové Tento krok je vcelku snadno dosažitelný. Jde o elektrizaci zhruba 900 km tratí, na kterých panuje čilá (objednávaná) doprava, tedy je předpoklad návratnosti vynaložené investice. Tedy například: Praha / Nymburk Turnov - Liberec, Praha Rakovník, Jaroměř Trutnov, Plzeň Česká Kubice, Klatovy Železná Ruda, Horažďovice Sušice, Planá Tachov, Zdice Písek, Brno Jihlava, Olomouc Uničov, Olomouc Hrubá Voda, Šumperk Jeseník, Opava Krnov, Ostrava Frenštát, Otrokovice Vizovice, Staré Město Luhačovice, Uherské Hradiště - Veselí nad Moravou, Elektrizace trati DC 3 kv. 12 mil. Kč/km Elektrizace trati AC 25 kv. 8 mil. Kč/km Jednostranná protihluková stěna. 20 mil. Kč/km Strana 17

18 Aktualizovaná státní energetická koncepce České republiky - železnice ad b) zvýšením objemů přepravních výkonů železnice v osobní i nákladní dopravě Tento krok má dvě základní podmínky: - zvýšení kvality a atraktivity železniční dopravy, - zvýšení kapacity železniční dopravní cesty ve směrech největší přepravní poptávky. Řešením je začleněníčeské republiky do evropského systému vysokorychlostních železnic vybudování systému RS podle návrhu MD ČR. Do roku 2030 je reálné uskutečnit pilotní projekt vysokorychlostní železnice Lovosice Praha Brno Vranovice, jako první část spojení severozápad jihovýchod (Berlín Drážďany Brno Vídeň / Bratislava). Tím zkrátit spojeníčech a Moravy o 1,5 hodiny a zároveň odlehčit konvenční tratě od dálkové osobní dopravy, tak aby mohly sloužit nákladní dopravě a regionální osobní dopravě. Strana 18

19 Vysokorychlostní železniční systém Vysokorychlostní železniční systém je tvořen souladem čtyř strukturálních subsystémů: - trať (INS), - napájení (ENE), - zabezpečení (CCS), - vozidla (RST). Výjimečnost vozidel (RST) spočívá nejen v jejich důležitých rozhraních s ostatními subsystémy (INS, ENE, CCS), ale zejména v přímém kontaktu se zákazníky železnice, tedy především s cestujícími. Strana 19

20 Vozidlo a trať Trať musí vozidlu zajistit: - spolehlivé vedení v koleji, - minimální odchylky geometrické polohy koleje, aby byla jízda co nejklidnější, - potřebnou pružnost a útlum, - minimum výhybek, aby na vozidlo nepůsobily zbytečné rázy, - patřičnou prostorovou průchodnost, - patřičnou únosnost, - náležitě velké poloměry obloků a schopnost snášet příčné síly, aby v obloucích nebylo potřebné rychlost snižovat, - hladký povrch kolejnic, minimalizující hluk valení, - schopnost pohlcovat hluk, - nepoškozovat vozidlo odskakujícím štěrkem. ideálním řešením je betonová pevná jízdní dráha (přesnost a stálost polohy koleje) Vozidlo má být k trati vstřícné: - nízkými statickými a zejména dynamickými silovými účinky, aby nepoškozovalo trať, - schopností zvládnout velké podélné sklony, aby bylo možno minimalizovat délku tunelů, - schopností odolávat tlakovým vlnám, aby bylo možno minimalizovat průřez tunelů. Strana 20

21 Vozidlo a napájení Napájení musí vozidlu zajistit: - spolehlivý kontakt trakčního vedení se sběračem při jeho minimálním opotřebení - napětí v předepsaných tolerancích, - dodání potřebného proudu (výkonu), - odebrání veškerého rekuperovaného proudu (eliminovat brzdový odporník na vozidle), -spojité napájení bez potřeby vypínat proud či stahovat sběrač (jak z pohledu trakce a rekuperačního brzdění, tak z pohledu pomocných zařízení, klimatizace a kuchyní), - dimenzování napájecích stanic a vedení pro potřebný sled vlaků (interval mezi vlaky). Ideálním řešením je systém 25 kv 50 Hz s měničovými napájecími stanicemi (bez střídání fází) a tuhé trakční vedení (s nízkou a stálou pružností konstantní dynamická výška trolejového drátu nad TK) Vozidlo má být k napájení vstřícné: - stálým přítlakem sběrače, jeho minimální hmotností a též nízkým abrazivním účinkem, - absencí odběru jalového výkonu, - absencí odběru deformačního výkonu, -automatickým snížením odběru při poklesu napájecího napětí. - Strana 21

22 Vozidlo a zabezpečení Zabezpečení musí vozidlu zajistit: - bezpečné zajištění volnosti vlakové cesty, - jízdu s bezpečnými odstupy vlaků, - jízdu v hustém sledu vlaků (potřebný interval), - spojitý přenos rychlostního profilu a povolení k jízdě z tratě na vozidlo, - v kontrolních bodech identifikaci polohy vozidla na trati, - přenos údajů o poloze vozila do stacionárního systému, - vysokou odolnost vůči vozidlem generovaným proudům a polím. Ideálním řešením je ETCS level 3 (s podporou GSM R) Vozidlo má být k zabezpečení vstřícné: - přijatelnou úrovní vozidlem generovaných rušivých proudů a polí, - dodržením (co nejkratších) smluvních zábrzdných drah, - schopností nepřekročit zadaný aktuální statický rychlostní profil, - schopností zastavit při odebrání povolení k jízdě, - schopností předávat stacionárnímu systému informaci o aktuální poloze vlaku, - schopností předávat stacionárnímu systému informaci o délce vlaku, - schopností předávat stacionárnímu systému informaci o celistvosti vlaku. Strana 22

23 Vozidlo a cestující Vozidlo musí cestujícímu nabídnout a zajistit: - bezpečnou přepravu, aby při cestování utrpěl žádnou újmu, - spolehlivost a dochvilnost, aby se na vlak mohl spolehnout, - vysokou rychlost, aby cestování bylo co nejkratší, - vysokou četnost spojů, aby nemusel na vlak dlouho čekat, - dostatečnou nabídku míst, aby nebyl odmítnut (i bez předchozí rezervace), - ticho, klidnou jízdu bez rázů a vibrací, - příjemné ovzduší (teplota, vlhkost, tlak, čerstvý vzduch), - přiměřený komfort, aby se mu cestovalo pohodlně, - vysokou úroveň hygieny a čistoty, - přiměřený pocit soukromí, aby mu nevadili ostatní cestující, - možnost aktivně a podle své volby využít dobu strávenou cestováním (230 V, wi-fi), - prostor a osobní dohled nad svými za vazadly, - gastronomii, schopnou zajistit mu běžné stravování, na které je zvyklý, - informace o průběhu cesty a o navazujících přípojích, - vysokou produktivitu svého využití, aby bylo možno cestujícím nabídnout přijatelné jízdné. Strana 23

24 Vozidlo a provoz Vozidlo musí provozovateli zajistit: - splnění požadovaného jízdního řádu, - maximální využití parametrů trati (rychlostního profilu), - vysokou propustnost trati (rovnoběžný grafikon, jízda v těsném sledu), - minimální potřebu předjíždění (minimum stanic a výhybek), - vysokou bezporuchovost (minimum výhybek a kolejí k odstavení porouchaných vozidel) - nízkou spotřebu energie. - Strana 24

25 Vysokorychlostní železniční vozidla již existují 110 let Marienfelde 1903: rychlost 210 km/h (třífázové asynchronní trakční motory) Strana 25

26 V posledních padesáti létech prošla vysokorychlostní železniční vozidla intenzivním vývojem - Trakční podvozek - Netrakční podvozek - Transformátor - Kontejner pohonu Shinkansen - 0 Japonsko 1961 TGV - PSE Francie 1978 TGV - A Francie 1988 ICE Německo 1989 ICE Německo 1999 Strana 26

27 Interoperabilní železniční vozidla Vysokorychlostní železní vozidla prošla v Evropě třemi vývojovými fázemi: - do roku cca 2000: individuální (nekoordinovaný) národní vývoj, - kolem roku cca 2000: idea jednotného celoevropského vysokorychlostního vozidla (HTE) nenaplněno, - po roce cca 2000: interoperabilní vozidla. volnost technického řešení (inovativnost, konkurence), ale závaznost dodržování zásad mezinárodní evropské propojitelnosti: - bezpečnost, - spolehlivost, - ochrana zdraví, - ochrana životního prostředí, - technická kompatibilita. (analogie k ETCS: jednotné zásady a rozhranní, rozličnost provedení) Strana 27

28 Principy jednotnosti a odlišnosti evropských konvenčních a vysokorychlostních železnic Evropský železniční systém je tvořen: - systémem tradičních evropských konvenčních železnic (CR), - systémem nově budovaných evropských vysokorychlostních železnic (HS). Zásada přechodnosti vozidel je podobná jako v silniční dopravě: - vysokorychlostní železniční vozidla (konformní s TSI HS RST) mohou využívat jak síť tratí vysokorychlostních železnic podle TSI HS INS, tak síť tratí konvenčních železnic podle TSI CR INS, - konvenční železniční vozidla (konformní s TSI CR PAS & LOC, respektive s TSI CR WAG) mohou využívat síť tratí konvenčních železnic podle TSI CR INS, avšak nemohou využívat síť tratí vysokorychlostních železnic podle TSI HS INS. Vysokorychlostní tratě podle TSI HS INS jsou určeny výhradně jen pro provoz vysokorychlostních vozidel podle TSI HS CR. Provoz konvenčních vozidel nepřipouštějí a neřeší. (podmínky provozu CR vozidel na HS tratí jsou v TSI HS INS otevřeným bodem) Strana 28

29 Ohrožení konvenčních vozidel tlakovými vlnami Rychle jedoucí vozidla vyvolávají vznik tlakových vln, jejichž amplituda je podle Bernulliho rovnice úměrná součinu měrné hmotnosti vzduchu a druhé mocniny rychlosti: p = k. 0,5. ρ. v 2 Ve srovnání s letadly, která se pohybují v letových hladinách kolem m s měrnou hmotností vzduchu 0,3 kg/m 3, se železniční vozidla pohybují v prostředí čtyřikrát hustším (1,2 kg/m 3 ), a proto produkují velmi silné tlakové vlny. Kritické je působení tlakových vln na protijedoucí vlaky, zejména v tunelech. Amplitudy mohou dosahovat až +/- 7 kpa, což reprezentuje na bočnici vozu o ploše 70 m 2 sílu +/- 490 kn, odpovídající tíze tělesa o hmotnosti 50 t. Vysokorychlostní vozidla jsou řešena jako tlakopevná (aby těmto silám odolávala) a tlakotěsná (aby před účinky tlakových vln chránila cestující). Konvenční vozidla tyto požadavky nesplňují a proto nesmí být vystavena tlakovým účinkům produkovaných protijedoucími vysokorychlostními vlaky. Strana 29

30 Ldélka tunelu Tlakové rázy Grafikon průjezdu vlaku a tlakových vln tunelem konec tunelu přetlaková vlna podtlaková vlna čelo vlaku konec vlaku začátek tunelu v v = 0,2 v zv 0 čas T v zv Strana 30

31 Vlivy tlakových vln Člověk dokáže žít ve velkém rozmezí tlaku vzduchu (p), avšak lidské ucho je velmi citlivé na náhlé změny tlaku vzduchu (dp/dt). Na tenkou kůžičku bubínku působí síla úměrná rozdílu tlaku okolního vzduchu a (předchozího) tlaku vzduchu uloženého v prostoru vnitřního ucha. Pouze při polykání se na okamžik otevírá Eustachova trubice a umožňuje vyrovnání tlaku v prostoru vnitřního ucha. Tlakové rázy při míjení vlakůči při průjezdu tunelem překračují hodnotu nepříjemného pocitu již při rychlostech kolem 160 km/h. Cestujícím zaléhá v uších a musejí polykat. řešením jsou tlakotěsné vozy (s pasivní či aktivní tlakovou ochranou ventilačního systému) Strana 31

32 Tlakové rázy Tlakové vlny namáhají jak vůz (zejména okna a dveře), tak i ušní bubínky cestujících. bubínek ušní kůstky hlemýžď boltec zvukovod Eustachova trubice vnější ucho střední ucho vnitřní ucho Strana 32

33 Tlakotěsnost a tlakopevnost vozidel Trend zpočátku: jednotlivé tlakot sné vozy Ampz, Bmz, avšak navzájem spojené net snými mezivozovýmí přechody se sklopnými můstky a s pryžovými návalky. nyní: tlakot sné ucelené jednotky (trakčním i netrakční) s ut sn nými mezivozovými přechody. Primární přínos tlakotěsnosti: odstran ní tlakových rázů uvnitř vozu Sekundární přínosy tlakotěsnosti: vysoká čistota uvnitř vozu, ticho uvnitř vozu, tepelná pohoda uvnitř vozu, volná průchodnost (vnitřní bezbariérovost). Strana 33

34 Tlakotěsný vůz: Průběh vnějšího a vnitřního tlaku + p vnější tlak 0 vnitřní tlak t - p Strana 34

35 Tlakotěsné vozy Ampz, Bmz pro ČD (200 km/h) Strana 35

36 Další vývojový krok: Ucelená tlakotěsná netrakční jednotka Lokomotiva plus ucelená souprava vozů zakončená řídícím vozem Cíl: Využít předností ucelených jednotek i předností vlaků s lokomotivami Výhody: jednoduchá konstrukce (zvlášť lokomotiva, zvlášť vozy), jednoduchá údržba (zvlášť lokomotiva, zvlášť vozy), variabilnost (počtu a typu vozů, typu lokomotivy), komfort ve vozech tichý a klidný vnitřní prostor, nízká spotřeba energie dokonalá aerodynamika. Oblast použití: EC/IC vlaky na dopravn siln ji zatížených modernizovaných tratích Strana 36

37 Mezivozové rozhranní dvě formy Vně jednotky (krajní vozy) standardní rozhranní UIC: nárazníky a tažný hák se šroubovkou, hlavní potrubí samočinné brzdy a napájecí potrubí, průb žné vedení elektrického topeni (1 kv / 1,5 kv / 3 kv), ovládací vedení UIC (datová sb rnice WTB). jednotku lze spojit s jakýmkoliv vozidlem podle standardů UIC Uvnitř jednotky (mezi vozy) specifické rozhranní: krátká semipermanentní spřáhla, dokonale tlakot sné a odhlučn né mezivozové přechody (interiér tvoří voln průchodný celek), propojení elektrických AC i DC vozidlových sítí s redundancí, propojení ovládacích vodičů a datových sb rnic. využití všech technických a ekonomických výhod ucelených jednotek Strana 37

38 Volně průchozí vlak Dokonale ut sn ný a odhlučn ný mezivozový přechod Strana 38

39 Vnitřní bezbariérovost Strana 39

40 Logika exkluzivity HS tratí jen pro HS vozidla Zásada TSI o výhradním určení vysokorychlostních (HS) tratí jen pro vysokorychlostní (HS) vozidla byla přijata na základě negativních zkušeností s pokusy se smíšeným provozem HS i CR vozidel na HS tratích: -tratě se smíšeným provozem jsou stavebně velmi drahé (nízký podélný sklon vede k dlouhým tunelům a mostům, nerovnoběžný grafikon vede k potřebě budování stanic s předjízdnými kolejemi, výhybkami a zabezpečovacím zařízením, nižší stavební převýšení vede k vyšším poloměrům oblouků, ), - tratě se smíšeným provozem jsou provozně velmi drahé (vysoká spotřeba energie vlivem vysokého aerodynamického odporu v dlouhých tunelech, vysoké náklady na údržbu tratě projížděné pomalými vlaky s přebytkem převýšení, vysoké náklady na provoz a údržbu stanic, zejména výhybek, - vysokorychlostní tratě nejsou pro konvenční vozidla vhodná (nízký normativ zátěže vlivem vyšších podélných sklonů, vyšší spotřeba energie, nízká cestovní rychlost a nízká produktivita vozidel vlivem častého zastavování z důvodu předjíždění rychlejšími vlaky, - podmínkou vysoké dopravní výkonnosti (propustnosti) je rovnoběžný grafikon. Strana 40

41 Kinetická energie rychle jedoucích vlaků vlak jedoucí rychlostí 300 km/h má energii odpovídající virtuální výšce: 2 2 0,5 ξ v 0,5 1,1 300 h = = = 389m 2 g 3,6 9, výška (m) rychlost (km/h) Strana 41

42 Úspora nákladů při stavbě trati univerzální trať (s max 12,5 ) trať pro vysokorychlostní vozidla (s max 35 ) Strana 42

43 Periodické změny kinetické a potenciální energie Ek = ξ. m. v1 Ek = ξ. m. v Ek = Ek Ek = ξ. m.( v1 v2 ) E = m. g. h = m. g. s. L v 1 h L = p = 300km / h 2 ξ ( v1 v = 2g h s = ,04 ) v = 1850m 2 2 1,1.( = 2 3,6.2.9,81 2 ) 2 2 = 270km / h = s = 40 s = km/h v 270 km/h t 74m m + m ξ = r = 1, 1 m => kinetická energie umožňuje vlaku překonat terénní vlny Strana 43

44 ICE 3 na vysokorychlostní trati Köln - Frankfurt Strana 44

45 Rychlostní profil trati Köln - Frankfurt Strana 45

46 Úspora náročnosti staveb použitím velkého sklonu Trať s maximálním sklonem 12,5 => převládají mosty a tunely Trať s maximálním sklonem 40 => méně mostů a tunelů Strana 46

47 Parametry vysokorychlostních tratí Parametry tratí podle TSI HS INS (kategorie I. - novostavby) kategorie trati I. I. traťová rychlost km/h jízdní dráha pevná štěrkové lože vzdálenost os kolejí podle TSI HS INS mm stavební převýšení mm nedostatek převýšení mm min. poloměr oblouku m nejvyšší trvalý sklon (delší než 6 km) maximální sklon (kratší než 6 km) napájecí napětí kv maximální přípustná délka tunelu pro vozidla kategorie A podle TSI SRT km 5 5 maximální přípustná délka tunelu pro vozidla kategorie B podle TSI SRT km radiová síť GSM-R GSM-R vlakový zabezpečovač ETCS level 2 ETCS level 2 Strana 47

48 Logika přechodnosti HS vozidel i na CR síť Evropská zásada přechodnosti HS vozidel nejen na HS, ale i na CR tratě, je zásadní výhodou železničního systému, která rozhodla o budování vysokorychlostních železnic na místo původně uvažovaných monorailů (Aerotrain, Transrapid, ): Prodloužením vozebních ramen za koncové body vysokorychlostních tratí umožňuje bezpřestupové cestování mezi více různými cíli cest. Příklad: HS trať Praha Brno zkrátí o 1,5 hodiny dobu cestování nejen mezi Prahou a Brnem, ale též mezi Plzní a Zlínem => Vysokorychlostní železnice časově přibližují nejen koncová města, ale celá rozsáhlá území, která leží za nimi Strana 48

49 Logika aerodynamických tvarů Aerodynamický odpor (a tedy i spotřeba energie) rostou se druhou mocninou rychlosti: F = C x. 0,5. ρ. v 2 Bez změny tvaru vozidel by při zdvojnásobení rychlosti (ze 160 km/h na 320 km/h) stoupla spotřeba energie na čtyřnásobek. Ve snaze tomu předejít byl u vysokorychlostních vozidel (ve srovnání s tradičními konvenčními vozidly: hranatá lokomotiva a jednotlivé vozy s nezakrytým spodkem) radikálně snížen součinitel tvaru C x a to téměř až na čtvrtinu (vlak délky 400 m: 1 versus 4) Strana 49

50 Aerodynamika má rozhodující vliv na spotřebu energie nutnost pečlivého řešení vnějších tvarů Strana 50

51 Vliv hmotnosti na spotřebu energie není u rychlých vlaků podstatný cestujícím lze dopřát pohodlí Strana 51

52 Logika osobní a nákladní přepravy na HS tratích Po vysokorychlostních tratích lze přepravovat jak osoby, tak i zboží. Oboji ovšem nikoliv v konvenčních vozidlech, ale ve vysokorychlostních vozidlech podle TSI HS RST Strana 52

53 Rychlost nákladní železniční dopravy Tradiční konvenční nákladní vlaky (vozy podle TSI CR WAG) Rychlost cca 100 km/h je rozumnou ověřenou hodnotou, která je dána dosažením únosných limitů: akceptovatelná hodnota spotřeby energie (kvadratická závislost aerodynamické složky jízdního odporu snížení aerodynamického odporu konvenčních nákladních vozů je obtížně uskutečnitelné), akceptovatelná úroveň hluku (kubická závislost valivé složky okamžitého akustického výkonu, kvadratická závislost valivé složky efektivního akustického výkonu), akceptovatelná úroveň zábrzdných drah (kvadratická závislost brzdné složky), akceptovatelná úroveň tepelného zatížení brzděných kol (lineární závislost brzdného výkonu, kvadratická závislost brzdné energie, akceptovatelné chodové vlastnosti (tuhost vypružení je limitována rozdílem hmotnosti naloženého a prázdného vozu a tolerancí výšky nárazníků). Strana 53

54 Rychlost nákladní železniční dopravy Strana 54

55 Rychlost nákladní železniční dopravy Pro tradiční nákladní vlaky je rychlost jízdy 100 km/h, resp.120 km/h, racionálním limitem. Nemá logiku ji zvyšovat, ale je potřeba ji využívat (náležitě výkonné lokomotivy k docílení potřebných hodnot měrného výkonu cca 3 kw/t, plynulá jízda) Pro expresní nákladní dopravu (přeprava kusového zboží na paletách) je vhodné uskutečňovat vozidly odvozenými od vozidel pro přepravu osob (CR na CR tratích, HS na HS tratích). Strana 55

56 Rychlá meziměstská doprava osob a expresního zboží Kratší vzdálenosti: vlaky na železnici musí jezdit rychleji, než automobily na dálnicích - to aby kompenzovaly horší dostupnost nádraží, než parkoviště. A také proto, aby nabídly cestujícím něco navíc cestující musí mít motiv, proč nepoužít automobil. Delší vzdálenosti: vlaky na železnici musí jezdit co nejrychleji, aby nepromarnily své objektivní výhody ve srovnání s letectvím těmi jsou snazší dostupnost nádraží ve srovnání s letištěm a jednodušší procedury před odletem. Strana 56

57 Dvě fáze zvyšování rychlosti železniční dopravy 1 modernizované tratě 2 nové tratě 5 Celková doba přepravy letadlo (2,5 h, 800 km/h) tradiční železnice (0,5 h, 80 km/h) moderní železnice (0,5 h, 130 km/h) vysokorychlostní železnice (0,5 h, 260 km/h) 4 čas (h) vzdálenost (km) Strana 57

58 Vysokorychlostní jednotka Velaro E - Španělsko Strana 58

59 Vliv rychlosti na vozidla Rychlost jízdy má zásadní vliv na kolejové vozidlo: a) s prvou mocninou rychlosti rostou: rozjezdový výkon, brzdný výkon, součinitel přestupu tepla vnějších povrchů. b) s druhou mocninou rychlosti rostou: kinetická energie, zábrzdná dráha, aerodynamický odpor, tlakové rázy, odstředivé zrychlení. c) se třetí mocninou rychlosti rostou: výkon k překonání aerodynamického odporu, výkon hluku valení. Strana 59

60 Požadavky na vozidla Jízda vyššími rychlostmi vnější požadavky na vozidla: stabilita chodu, aerodynamika, výkonnost brzd, vnější hlučnost, tlaková odolnost Jízda vyššími rychlostmi vnitřní požadavky na vozidla: kvalita chodu, vnitřní hlučnost, tepelná pohoda, tlakotěsnost Strana 60

61 Vliv rychlosti na rozhranní subsystémů Rychlost jízdy má zásadní vliv na rozhraní subsystémů: a) INS/RST poloměr směrových oblouků, stavební převýšení, nedostatek převýšení, geometrická poloha koleje, vzdálenost os kolejí, spolupráce kolo - kolejnice. b) ENE/RST dodávaný výkon, odebíraný výkon, spolupráce trolej sběrač. c) CCS/RST vlakový zabezpečovač, spolupráce vozidla se stacionárními zabezpečovacími systémy Strana 61

62 Železniční doprava dopravní cesta Konkurenční silniční a letecká doprava: soudobá infrastruktura Železnice: tratě postavené v letech Trasování železnic bylo v 19. století určeno vlastnostmi tehdejších vozidel velmi malé podélné sklony (slabé lokomotivy) oblouky o malém poloměru (dříve to nevadilo jezdilo se pomalu) Dnešní situace: z hlediska nákladní dopravy jsou sklonově ideální, z hlediska osobní dopravy mají zbytečně malé sklony, malé poloměry oblouků nepříjemně limitují rychlost jízdy. Strana 62

63 Vlaky EC/IC v Evropě situace začátkem 21. století Na nově budovaných HS tratích jezdí vysokorychlostní vlaky s vysokým stupněm cestovního komfortu Nově postavené vysokorychlostní tratě (v > 250km/h) však zatím tvoří jen menší část evropské železniční sítě Zaostávání komfortu vlaků kategorie Intercity za vysokorychlostními vlaky se v posledních 10 letech vlivem stárnutí vozidel zvětšilo není důvod k tomu, aby vlaky jezdící rychlostmi kolem 160 až 200 km/h na konvenčních tratích nabízely cestujícím méně pohodlí, než vlaky jezdící rychlostí kolem 300 km/h na vysokorychlostních tratích Strana 63

64 Vlaky EC/IC v Evropě přístup k řešení Mezistupeň mezi vysokorychlostní a regionální dopravou je potřebné vytvořit komfortními a vysoce hospodárnými vlaky Komfort a zážitek z cesty minimálně na úrovni vysokorychlostního vlaku: moderní vybavení podmínky k práci, odpočinku nebo zábavě během cesty Jednotlivé vozy vytvářející ucelený vnitřní prostor: možnost změny přepravní kapacity podle trasy nebo roční doby, jednoduchá údržba, vysoká pohotovost Soustředění trakčních zařízení v oddělitelné lokomotivě: snadná údržba (agregáty ve strojovně), klid ve vozech (jsou vzdáleny od zdrojů hluku a vibrací), nízké náklady životního cyklu (LCC) Strana 64

65 Cestující potřebují rychlost Strana 65

66 a pohodlí. Strana 66

67 Nejen vyšší výkon, ale především nižší jízdní odpor (hladká kola, aerodynamika) 250 Tažná síla, jízdní odpor (kn) rychlost (km/h) Snížení C x na polovinu: spotřeba energie aerodynamického vlaku při rychlosti 230 km/h je zhruba stejná, jako spotřeba energie tradičního (hranatého) vlaku jedoucího rychlostí 160 km/h. Strana 67 tažná síla - konvenční lokomotiva 4 MW tažná síla - lokomotiva 6,4 MW jízdní odpor - konvenční vozy s lokomotivou jízdní odpor - netrakční jednotka s lokomotivou

68 Parametry tranzitních koridorů v ČR Současnost: a) Nejvyšší traťová rychlost: 160 km/h Limitující faktory (kromě oblouků): vlakový zabezpečovač typu LS, úrovňové přejezdy, nechráněná nástupiště. b) Stanovená rychlost vlaků 140 km/h až 160 km/h Limitující faktor: malý počet trakčních vozidel vhodných pro provoz rychlostí 160 km/h a více (trakční výkon, aerodynamika, jízdní vlastnosti, brzdy, ), malý počet netrakčních vozidel vhodných pro provoz rychlostí 160 km/h a více (aerodynamika, tlakotěsnost, jízdní vlastnosti, brzdy, ). Strana 68

69 Parametry tranzitních koridorů Velmi blízká budoucnost: Traťová rychlost 200 km/h (na přímých úsecích) Základní podmínka: Evropské radiové spojení na bázi GSM-R Evropský vlakový zabezpečovač ETCS Level 2 Strana 69

70 Tempo 200 Přínosy rychlosti 200 km/h: získání chybějících minut pro zkrácení systémových jízdních dob mezi uzly, zvýšení bezpečnosti a plynulosti silniční i železniční dopravy důsledným odstraněním úrovňových železničních přejezdů, zlepšení pozice železnice v extramodální konkurenci vůči silniční dopravě, zvýšení image železnice, růst kvalifikace pracovníků železnice příprava personálu na rychlost 300 km/h (HS tratě), přechod vozidel z HS tratí (Benešov České Budějovice). Strana 70

71 Kategorizace vozidel Konvenční vozidla (podle TSI CR PAS & LOC) do rychlosti 189 km/h Vysokorychlostní vozidla (podle TSI HS RST) pro rychlosti 190 až 350 km/h vozidla třídy 1 (250 až 350 km/h), vozidla třídy 2 (190 až 249 km/h). mez rychlosti aplikace požadavků na HS vozidla byla záměrně posunuta na hodnotu 190 km/h, aby vozidla typu tradičních RIC vozů pro 200 km/h byla technicky řešena a posuzována podle zásad vysokorychlostní dopravy, možnost používat v dálkové dopravě vozidla typovaná pro 189 km/h není příliš reálná, neboť by šlo o vozidla odvozená od výchozího typu koncepčně pojatého pro zcela jiný účel (kategorie do 160 km/h příměstská doprava) s nižší úrovní kultury cestování, odpovídající kratší době cesty a jízdě nižší střední rychlostí - účelověřešené spíš na úrovni vozidel MHD. Strana 71

72 Parametry vysokorychlostních vozidel Vozidla třídy 1 podle TSI HS RST: Kolejová vozidla jezdící rychlostí 250 až 350 km/h: ucelené jednotky s distribuovaným pohonem, limit hmotnosti na dvojkolí 17 t Vozidla třídy 2 podle TSI HS RST: Kolejová vozidla jezdící rychlostí 190 až 249 km/h: samostatné vozy a ucelené netrakční jednotky s lokomotivou, limit hmotnosti na dvojkolí 22,5 t do 230 km/h, ucelené trakční jednotky, limit hmotnosti na dvojkolí 18 t do 249 km/h Oblast použití vozidel třídy 1: dálkové spoje na HS tratích Oblast použití vozidel třídy 2: částečná jízda po HS tratích, místní vlaky na HS tratích Strana 72

73 Požadavky TSI HS RST na vozidla v km/h m 1 t 22, měrný výkon kw/t pohon lokomotiva distribuovaný distribuovaný délka vozu m 26, materiál skříně ocel ocel/hliník hliník Strana 73

74 Ekonomika provozu vozidel -vozidla třídy 1 jsou dražší, proto vyžadují k docílení rentability delší denní proběhy, jsou určena pro převládající jízdu po HS tratích, -vozidla třídy 2 jsou levnější, proto jim k docílení rentability stačí menší denní proběhy, mohou být delší část dne provozována na CR tratích. Strana 74

75 HS vozidlo třídy 1 distribuovaný trakční pohon Čelní vůz s pohonem Vůz s transformátorem Vložený vůz s pohonem Střední vůz Trakční dvojkolí Transformátor Baterie a nabíječ Nepoháněná dvojkolí Měniče Sběrač proudu 50 % poháněných dvojkolí Trakční výzbroj umístěna výhradně v prostoru pod podlahou Strana 75

76 Vysokorychlostní jednotka Sapsan (Velaro RUS) Strana 76

77 Elektrická vysokorychlostní jednotka RENFE S 103 Velaro E Strana 77

78 Trakční charakteristika, jízdní odpory a spotřeba energie Tažná síla, jízdní odpor (kn) rychlost (km/h) tažná síla - konvenční lokomotiva 4 MW jízdní odpor - konvenční vlak tažná síla - vysokorychlostní jednotka 8,8 MW jízdní odpor - vysokorychlostní jednotka Spotřeba energie je úměrná tažné síle, tedy jízdnímu odporu. Jízdní odpor nestoupá vlivem lepší aerodynamiky u vysokorychlostních vozidel s rostoucí rychlostí tak strmě, jako u vozidel konvenčních. Pro rychlost 350 km/h postačuje měrný výkon 20 kw/t. Důsledek: aerodynamicky řešená vysokorychlostní jednotka jedoucí rychlostí 270 km/h má zhruba stejnou spotřebu energie, jako tradiční vlak jedoucí rychlostí 160 km/h. Strana 78

79 Další vývoj v oblasti vozidel třídy 2 Elektrická jednotka DB ICx Řešení pro kombinovaný provoz na nových a modernizovaných tratích Strana 79

80 Základní principy vozidel ICx Oblast nasazení vozidel ICx: nejde o nejvyšší rychlostní kategorii (300 km/h) tou zůstává ICE 3 (Velaro D), ICx není konkurentem ICE 3, ale jeho doplňkem pro kratší jízdy po HS tratích a pro provoz v CR síti, vozidlo musí být schopné provozu na HS tratích, ale ne nejvyšší rychlostí, snaha dosáhnout vysoký cestovní komfort, ale přitom i nízkou cenu na sedadlo. Strana 80

81 Porovnání ICE 3 a ICx - Trakční podvozek - Netrakční podvozek - Transformátor - Kontejner pohonu Strana 81

82 Technika vozidel ICx Snížení rychlosti ze 300 až 350 km/h na 230 až 249 km/h umožňuje snížit náklady: nižší měrný výkon (cca 13 kw/t versus cca 20 kw/t), vyšší hmotnost na dvojkolí (18 t versus 17 t), prodloužení vozu na 28 m proti 25 m, zvýšení počtu sedadel ve vozech, snížení počtu vozů v jednotce délky 200 m na 7 proti 8, (úspora 2 podvozků, 4 dveří, 1 klimatizace, 1 mezivozového přechodu) umístění pohonu o výkonu kw v jednom voze ve srovnání s výkonem kw distribuovaně ve třech vozech (odpadají kabelová vedení mezi vozy), variabilita měrného výkonu kombinací trakčních a netrakčních vozů Strana 82

83 Závěr Technický pokrok lze zdržet, ale ne zastavit. Otázka proto nezní, zda bude v České republice vybudován vysokorychlostní železniční systém, ale kdy bude v České republice vybudován vysokorychlostní železniční systém. Tedy jak bude mít Česká republika velké zpoždění v integraci do evropské sítě HS železnic. Faktor času působí negativně: - HS železnice je potřebné budovat v období, ve kterém je EU potřebuje a proto jejich výstavbu velkoryse podporuje, - HS železnice je potřeba budovat v období, dokud je ještě dostatek levné nafty pro stavební stroje, - HS železnice je potřebné vybudovat dříve, než dojde k pustnutí odlehlých území. Strana 83

84 Děkuji Vám za Vaši pozornost. Ing. Jiří Pohl Engineer Senior Siemens, s.r.o. / IC RL EN Siemensova Praha 13 Česká republika siemens.cz/mobility Strana 84