Fyzikální a ekonomické limity dopravního provozu na vysokorychlostních tratích

Transkript

1 Fyzikální a ekonomické limity dopravního provozu na vysokorychlostních tratích Jiří Pohl, Siemens, s.r.o. Telč, Siemens, s.r.o Všechna práva vyhrazena. siemens.cz/mobility Strana 1

2 Výchozí stav: polarizace společnosti na bohatá města a chudý venkov Minulost 95 % obyvatelstva pracovalo v zemědělství, docházková vzdálenost na pole určila historickou strukturu osídlení (systém vesnic a malých měst) Současnost 2 % obyvatelstva pracuje v zemědělství Výhoda z rozsahu vede ke koncentraci veškerých aktivit (výroba, služby, vzdělání, zdravotnictví, kultura, sport, ) do velkých měst a jejich okolí Výsledkem je polarizace společnosti: vznikla bohatá, přelidněná, vzdělaná, mladá, zaměstnaná a rozvíjející se města (včetně jim přilehlého venkova), vznikl chudnoucí, postupně vysídlovaný, méně vzdělaný, stárnoucí, málo zaměstnaný a celkově upadající odlehlý venkov (včetně jemu přilehlých městeček). Hranicí mezi blahobytem a chudobou je izochrona denního dojíždění. Strana 2

3 Praha 1974 izochrona dostupnosti centra 3 minut (tramvaj, cestovní rychlost 18 km/h) Hranice souvislého osídlení města jsou určeny konečnými stanicemi linek tramvají 3 a 11 (Kačerov, Kobylisy, Liboc, Strašnice) Strana 3

4 Praha 214 izochrona dostupnosti centra 3 minut (metro, cestovní rychlost 36 km/h) Hranice souvislého osídlení města jsou určeny konečnými stanicemi linek metra A, B, C (Háje, Zličín, Letňany, Černý Most, Hostivař) Strana 4

5 Cíl: využití celé plochy území k hospodářskému, společenskému a rodinnému životu Izochrona denní dojížďky za prací, službami, vzdělání, zdravotnictvím, kulturou, či sportem, se stala hranicí mezi blahobytem a chudobou. 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. => zadání (společenská poptávka): jezdit rychle a přitom energeticky nenáročně Strana 5

6 Cíl: využití celé plochy území státu k hospodářskému, společenskému a rodinnému životu Nástrojem ke zvýšení poloměru izochrony denního dojíždění z místa bydliště do místa společenských aktivit jsou moderní formy mobility. V současnosti je v ČR dominantním druhem dopravy osob individuální automobilizmus (zajišťuje 61 % přepravních výkonů). Individuální automobilizmus je flexibilní a operativní, avšak má i zásadní negativa: - nízká cestovní rychlost, - vysoká energetická náročnost (cca,45 kwh/os km), - vysoká závislost na fosilních palivech (uhlíková stopa cca,12 kg CO 2 /os km) - velká ztráta času (77 % cestujících je zaneprázdněno řízením), - nízká produktivita využití investic do nákupu vozidel (jen 24 minut denně, 2 % času) 91 % energie pro dopravu tvoří v ČR fosilní paliva ropné produkty a zemní plyn (6 % biopaliva, 3 % elektřina) Již ve střednědobém horizontu je nutná změna dopravního chování. Strana 6

7 Energetická náročnost mobility Možnosti volby: I. valivý odpor F v = f v.m. g a) pneumatika/vozovka: f v =,8 (z bezpečnostních důvodů nelze snížit), b) ocelové kolo/ocelová kolejnice: f v =,1 II. aerodynamický odpor F =,5. ρ. C x. S. v 2 a) individuální doprava: za čelní plochou S jsou umístěny 2 řady sedadel, b) hromadná doprava: za čelní plochou S je umístěno 15 řad sedadel (bus), respektive 25 řad sedadel (vlak) III. účinnost motoru a) spalovací motor: cca 36 % (téměř výhradně fosilní paliva ropa a zemní plyn), b) elektrický motor: cca 92 % (elektrická energie vyrobitelná i z obnovitelných zdrojů) Strana 7

8 Energetická náročnost mobility Měrná spotřeba energie je dána podílem fyzikální a dopravní práce: e = A / D = F. L / (m. L) = F / m (kwh/tkm, respektive kwh/os. km) Měrná spotřeba energie závisí na valivém tření (F v = f v.m. g), aerodynamickém odporu (F a =,5. ρ. C x. S. v 2 ) a účinnosti pohonů (ƞ): e = F / ƞ = (F v + F a ) / ƞ = (f v.m. g +,5. ρ. C x. S. v 2 ) / ƞ Ideální vozidlo: - nízký součinitel valivého odporu f v (tvrdá kola, tvrdá jízdní dráha), - štíhlý aerodynamický tvar C x. S, - vysoká účinnost pohonu ƞ M Strana 8

9 Energetická náročnost mobility 1% poměrná energetická náročnost dopravy 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % automobil nafta automobil elekřina železnice nafta železnice elektřina Strana 9

10 Dekarbonizace mobility Podle zákona zachování hmoty se při spalovaná uhlí, nafty i zemního plynu přesouvá uhlík v podobě CO 2 z podzemí na oblohu, do zemského obalu. Oproti době předindustriální jsme již v zemském obalu zvýšili množství oxidu uhličitého z cca 3 5 miliard tun (28 ppm) na současných cca 5 miliard tun (4 ppm) a střední roční teplotu země jsem zvedli o cca 1 C. V prosinci 215 se 147 státníků a reprezentantů ze 196 zemí na konferenci v Paříži dohodlo, že by oteplení nemělo přesáhnout 1,5 až 2 stupně. K naplnění tohoto cíle můžeme do zemského obalu poslat již jen: a)75 miliard tun CO 2 (pro oteplení o 1,5 C), b)1 5 miliard tun CO 2 (pro oteplení o 2 C). Přitom roční produkce CO 2 činila v roce miliard tun CO 2 Velká část geologických zásob uhlí, ropy a plynu nebude vytěžena, stane se bezcennou. Strana 1

11 Plynulý scénář ukončení spotřeby fosilních paliv řízení oteplení Země (plynulý scénář) 35 produkce CO2 pro 1,5 C produkce CO2 pro 2 C oteplení pro 1,5 C oteplení pro 2 C 3,5 produkce CO2 (mld. t/rok) , 2,5 2, 1,5 1,,5 oteplení Země ( C), letopočet (rok) K omezení vlivu klimatických změn je nutno přestat používat fosilní paliva.. Strana 11

12 Doprava 4. Cíl: využití celé plochy území ČR k plnohodnotnému profesnímu, společenskému i rodinnému životu (dekoncentrace koncentrovaného osídlení) Podmínka: - nízká energetická náročnost, - trvalá udržitelnost (nezávislost na fosilních palivech), - vlídnost k lidem (bezpečnost, pohodlí, úspora a využití času, ). Hierarchická struktura dopravních systémů (logika efektivnosti investic): - nejsilnější přepravní proudy: elektrická železnice s liniovým napájením, - silné přepravní proudy: akumulátorová železnice, - slabší přepravní proudy: elektrobusy, - slabé přepravní proudy: elektromobily, - nejslabší přepravní proudy: pěší chůze, jízdní kolo. Strana 12

13 Struktura nákladů dopravního systému struktura nákladů dopravních systémů investiční náklady měrné provozní náklady 1,,8,6,4,2, silnice železnice vysokorychlostní železnice Strana 13

14 Volba dopravního systému volba optimálního dopravního systému vysokorychlostní železnice železnice autobus automobil kolo přepravní proud (osob/h) Strana 14

15 Změna dopravního chování je možná. Železnice v ČR: meziroční nárůst o 6,4 %, celkem o 26 % za 5 let Tahounem tohoto trendu je dálková doprava osobní železniční přeprava v ČR (21: 1 %) přepravené osoby (mil. osob/čtvrt roku) přepravní vzdálenost (km) přepravní výkon (mil. oskm/čtvrt roku) poměr letopočet (rok) V odezvě na modernizaci koridorů a příchod nových vozidel roste přepravní poptávka. Strana 15

16 ČR: počet automobilů roste rychleji, než jejich přepravní výkony => produktivita osobních automobilů klesá osobní automobily v ČR počet automobilů produktivita automobilu 6 6 počet automobilů (vůz) letopočet (rok) produktivita automobilu (oskm/den) Strana 16

17 Střední přepravní vzdálenost vlaky roste, IAD stagnuje => cestující se naučili jezdit autem na vlak 5 střední přepravní vzdálenost automobilové a osobní železniční dopravy v ČR železnice automobil 45 střední přepravní vzdálenost (km) letopočet (rok) Strana 17

18 Příklad flexibility cestujících Pokles vnitrostátních letů po zavedení SC linky Praha - Ostrava 35 vnitrostátní osobní letecká doprava v ČR (jen čeští dopravci) 3 přeprava (osob/den) Strana letopočet (rok) V odezvě na zkrácení doby cesty a zaručenou úroveň cestovního pohodlí přešli cestující z letecké dopravy na železnici.

19 Vysokorychlostní vlaky Pěšky chůze rychlostí 5 km/h: spotřeba 8 kwh/1 km Automobil jízda rychlostí 13 km/h: spotřeba 12,5 kwh/sedadlo/1 km Železnice jízda rychlostí 3 km/h: spotřeba 4 kwh/sedadlo/1 km Letadlo let rychlostí 9/3 km/h: spotřeba 4 kwh/sedadlo/1 km Strana 19

20 Praha Brno: přepravní průzkum KORDIS JMK struktura přepravy Praha - Brno Průzkum Kordis 213 Denně v součtu obou směrů hh:mm min IAD 91% ,2% 2: 12 BUS 6% 69% ,% 2:3 15 VLAK 3% 31% ,8% 2: hromadná 9% 1% ,8% celkem 1% ,% osobní přeprava mezi Prahou a Brnem 6% 3% IAD BUS VLAK Strana 2 91%

21 Ekonomická analýza nákladů a výnosů Ekonomická analýza dopravních projektů je podle Věstníku Ministerstva dopravy ČR č. 11/213 založena na celospolečenských výnosech daných: - úsporou vnitřních nákladů, - úsporou vnějších nákladů, - úsporou času. Všechny tyto položky závisí na počtu cestujících, využívajících příslušnou investici. a) Konverze Přechod cestujících ze silniční dopravy (individuální automobilismus, autobus) na vysokorychlostní železnici generuje úsporu ve všech výše uvedených položkách. Počet osob je podmíněn časovou a cenovou atraktivitou vysokorychlostní železnice. b) Indukce Vznik nových cest vysokorychlostní železnici generuje další hodnoty, též je podmíněn časovou a cenovou atraktivitou vysokorychlostní železnice. Rychlost působí dvojím účinkem zvyšuje počet cestujících (atraktivita) a zvětšuje výnos z úspory času. Strana 21

22 Výnosy podle Věstníku Ministerstva dopravy ČR č. 11/213 hodnota času stráveného cestováním dopravní prostředek čas hodnota času Kč/os.h auto pracovní 653 autobus pracovní 524 vlak pracovní 653 auto nepracovní 276 autobus nepracovní 199 vlak nepracovní 276 vnější náklady osobní dopravy dopravní systém automoblil autobus železnice Kč/1 os.km Kč/1 os.km Kč/1 os.km nehody hluk znečistění ovzduší změny klimatu celkem Strana 22

23 Konverze Z průzkumu Kordis vyplývá, že jak doba cesty, tak cena jízdenky jsou rozhodujícími faktory konverze. Jak při jednodimenzonálním hodnocení rozhodování osob (zvlášť čas, zvlášť cena), tak při dvoudimenzionálním hodnocení rozhodování osob (společně čas a cena) statistických dat lze dospět k velmi dobré shodě s Gaussovým rozdělením. Kritérium času a) střední hodnota potřebné doby jízdy vysokorychlostní železnice není totožná se střední hodnotou doby jízdy automobilem (12 minut), ale musí kratší (1 minut) vliv horší dostupnosti nádraží a intervalu mezi vlaky, b) směrodatná odchylka činí 3 min (variační koeficient 25 %), c) posun maxima o 25 % (nikdy nepojedou vlakem), d) posun minima o 3 % (již jsou ve vlaku) Strana 23

24 Praha Brno: přepravní průzkum KORDIS JMK konverze cestujících z IAD na železnici cesta Praha - Brno (validace modelu) model průzkum konverze (%) doba jízdy (min) Magický bod: 55 minut Strana 24

25 Konverze Kritérium ceny Distribuční funkce je také velmi blízká Gaussovu rozdělení, ale má vyšší rozptyl (variační koeficient 4 %) Rozhodování lidí je ovlivněno Baťovým syndromem (efekt X99 ): - za 1 Kč skoro nikdo, - za 5 Kč jen část, - za 199 Kč skoro všichni. U celkového výnosu se uplatňuje Lafaierovo pravidlo výběru daní: - optimum výnosu z jízdného je při ceně jízdenky kolem 4 Kč, - optimum celkového výnosu je při ceně jízdenky kolem 2 Kč (při době cesty 55 minut je společenský výnos na jednoho cestujícího Kč). Strana 25

26 Praha Brno: přepravní průzkum KORDIS JMK konverze cestujících z IAD na železnici: výnos z jízdného cesta Praha - Brno (kritérium: cena) konverze model konverze průzkum výnos model výnos průzkum konverze (%) cena jízdenky (Kč) výnos (Kč) Strana 26

27 Praha Brno: přepravní průzkum KORDIS JMK konverze cestujících z IAD na železnici: celkový výnos cesta Praha - Brno (validace modelu) celkový výnos konverze model konverze průzkum výnos model výnos průzkum konverze (%) výnos (Kč) Magický bod: 2 Kč cena jízdenky (Kč) Strana 27

28 Struktura provozních nákladů (ceny jízdenky) cena jízdenky vysokorychlostní železnice Praha - Brno (3 km/h, 54 min) cena (Kč) odpis vozidel energie dopravní cesta režie mzdy údržba úklid služby zisk DPH celkem Strana 28

29 Rychlost snižuje dráhový gradient nákladů úměrných času (odpisy a mzdy) Ekonomika provozu kolejového vozidla tramvaj metro motorový vůz příměstská jednotka HS třída 2 HS třída 1 měrné pořizovací náklady (Kč/sedadlo/km),7,6,5,4,3,2,1, denní běh (km/den) Strana 29

30 Praha Brno: vliv doby cesty na efekty konverze z IAD na železnici hodnocení podle Věstníku dopravy 11/213: vnější náklady, vnitřní náklady a čas konverze cestujících mezi Prahou a Brnem z IAD na železnici denní počet cestujících roční efekt 4 počet cestujících (osob/den) roční efekt (mli.kč/rok) doba cesty (min) Strana 3

31 Indukce cestujících HS železnicí Po odečtení doby spánku, práce, rodinného života, volnočasových aktivit a servisních činností zbude člověku každý den určitý čas na dopravu. Za tento čas T se při rychlosti v dopraví na vzdálenost L: L = T. v Pokud dojde ke zvýšení rychlosti na hodnotu v mají lidé dvě možnosti: a) cestovat na větší vzdálenost (zvětšení počtu cestujících N): L = T. v => N = (v / v). N b) cestovat kratší dobu a zbylý čas využít k jiným aktivitám (zachování počtu cestujících): T = L / v => N = N Při stejném vnímání obou hodnot (mobilita, úspora času) lidé rozdělí efekt na oba činitele. Výsledkem je odmocninová funkční závislost růstu počtu cestujících: N = (v / v),5. N Strana 31

32 Praha Brno: indukovaná přepravní poptávka (exponent,5) 35 indukce (noví cestující) noví cestující (osob/den) doba cesty (min) Strana 32

33 HS Praha Brno: struktura ekonomických přínosů (cestující: konverze i indukce) 35 HS trať Praha - Brno: vliv traťové rychlosti na ekonomický přínos 3 ekonomický výnos (mil. Kč/rok) vnitřní efekt vnější efekt efekt času celkový efekt traťová rychlost (km/h) Strana 33

34 Optimalizace investičních a provozních nákladů vysokorychlostního železničního systému moderními technologiemi subsystém trať (INS) - minimalizace délky mostů a tunelů využitím velkých podélných sklonů (35 ), - minimalizace poloměrů oblouků použitím vysokých hodnot převýšení, - naprosté minimum stanic a výhybek, - vysoká stabilita geometrické polohy koleje docílená pevnou jízdní dráhou subsystém energie (ENE) - minimalizace počtu trakčních napájecích stanic použitím systému 2 x 25 kv, - minimalizace požadavků na distribuční síť 3 x 11 kv použitím aktivních balancérů, subsystém řízení a zabezpečení (CCS) - jednotný evropský vlakový zabezpečovač ETCS level 3, - žádné kabely a žádné aktivní prvky v kolejišti, jen pevné balízy a rádiový přenos, - bez návěstidel, bez železničních přejezdů, minimum výhybek subsystém vozidla (RST) - ve srovnání s konvenčními vozidly sice dvojnásobná cena (1,6 mil. Kč/sedadlo versus,8 mil. Kč/sedadlo) ale trojnásobný denní proběh (2 1 km/den versus 7 km/den), tedy nižší měrné náklady než u konvenčních kolejových vozidel. Strana 34

35 Struktura nákladů vysokorychlostního železničního systému 1% 9% měrné investiční náklady HS železničního systému 1% 8% 76% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 6% 8% 1% % INS CCS ENE RST celkem Strana 35

36 Spotřeba energie pro rovnoměrnou jízdu na rovné otevřené trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) Gradient spotřeby energie na rovné otevřené trati vedlejší spotřeba trakční spotřeba celková spotřeba 2 gradient spotřeby energie (kwh/km) rychlost (km/h) Strana 36

37 Spotřeba energie pro překonání výšky (osmivozová HS jednotka délky 2 m) potenciální energie odebraná elektrická energie rozdíl odebrané a rekuperované energie rekuperovaná elektrická energie potenciání energie 6 5 energie (kwh) výška (m) Strana 37

38 Spotřeba energie pro získání rychlosti (osmivozová HS jednotka délky 2 m) kinetická energie odebraná elektrická energie rozdíl odebrané a rekuperované energie rekuperovaná elektrická energie kinetická energie energie (kwh) rychlost (km/h) Strana 38

39 Vzájemná relace kinetické a potenciální energie ekvivalentní výška ekvivalentní výška (m) rychlost (km/h) Strana 39

40 HS trať Praha Brno rychlostní a podélný profil výška rychlost sklon tunely 7 35 nadm. výška (m n.m.); rychlost (km/h) vzdálenost (km) sklon ( ); tunely (%) Strana 4

41 HS trať Praha Brno 29 km, 53 min (osmivozová HS jednotka délky 2 m) dráhový tachogram tažná síla rychlost rychlost (km/h); tažná síla (kn) čas (s) Strana 41 vzdálenost (km)

42 HS trať Praha Brno 29 km, 3 98 kwh (osmivozová HS jednotka délky 2 m) 5 spotřeba energie spotřeba (kwh) vzdálenost (km) Strana 42

43 Rozjezd na rovné otevřené trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) Tachogram rozjezdu na rovině na otevřené trati 35 3 rychlost (km/h) ujetá dráha (km) Strana 43

44 Rozjezd na rovné otevřené trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) rozjezd na rovině 2 dráha čas dráha (m) čas (s) rychlost (km/h) Strana 44

45 Ztráta času rozjezdem na rovné trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) Přirážka na rozjezd čas (s) rychlost (km/h) Strana 45

46 Zabrzdění EDB na rovné otevřené trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) Tachogram brzdění na rovině na otevřené trati 35 3 rychlost (km/h) ujetá dráha (km) Strana 46

47 Zabrzdění EDB na rovné otevřené trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) brzdění (EDB) na rovině 2 dráha čas dráha (m) čas (s) rychlost (km/h) Strana 47

48 Ztráta času zabrzděním EDB na rovné trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) 1 Přirážka na brzdění 8 6 čas (s) rychlost (km/h) Strana 48

49 Ztráta času zastávkou na rovné trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) ztráta času jedním zastavením (EDB) a rozjezdem na rovině 36 rozjezd brzdění pobyt celkem čas (s) rychlost (km/h) Strana 49

50 Ztráta dráhy zastávkou na rovné trati (osmivozová HS jednotka délky 2 m) dráha (m) ztráta dráhy jedním zastavením (EDB) a rozjezdem na rovině rozjezd brzdění pobyt celkem rychlost (km/h) Strana 5

51 Řízení sledu jízdy vlaků (EDB/EDB, hmotné body nulové délky, bez prodlev) vzdálenost (km) průběh jízdy vlaků první vlak druhý vlak druhý vlak plus zábrzdná vzdálenost pokračování prvního :: :2: :4: :6: :8: :1: :12: :14: :16: :18: :2: čas (hh:mm:ss) Strana 51

52 Řízení sledu jízdy vlaků (EDB/prov, hmotné body nulové délky, bez prodlev) vzdálenost (km) průběh jízdy vlaků první vlak druhý vlak druhý vlak plus zábrzdná vzdálenost pokračování prvního :: :2: :4: :6: :8: :1: :12: :14: :16: :18: :2: čas (hh:mm:ss) Strana 52

53 Děkuji Vám za Vaši pozornost! In. Jiří Pohl Senior Engineer Siemens, s.r.o. / Divize MO/ Oddělení EN Siemensova 1 Praha - Stodůlky jiri.pohl@siemens.com siemens.cz Strana 53