Využití netradičních zdrojů energie na železničních tratích

Současné technologie výroby energie spolu s vývojem nových materiálů a s podporou výpočtových metod umožňují jejich aplikaci i do oborů u nichž se na to ještě před několika lety ani nepomyslelo. Železniční infrastruktura v tomto není výjimkou.

Z hlediska péče o energetickou efektivnost a úsporná opatření lze konstatovat, že jediná čistá energie, je energie nevyrobená, tzn. ušetřená a výroba v místě spotřeby energie s sebou přináší také podstatné snížení ztrát. Cestou komplexního a soustavného studia oborů lidské činnosti, lze v budoucnu dosáhnout nových zdrojů energie či jejich úspor.

Inovační činnost

Pojem inženýrství je odvozen od latinského slova „ingenium“, což v této souvislosti znamená „důvtip“ či „tvůrčí duch“. Opakem inovace je zastarávání a rutina a to bývá také často důvod proč se inovace setkávají s množstvím překážek a někdy také i s velkým odporem. Kreativita pracovníka zabývajícího se inovační činností by měla vyplývat ze schopnosti nacházet vztahy mezi dříve nespojenými zkušenostmi, idejemi či produkty. Vedle obecně známé metody „Brainstormingu“ (systematicky vedená rychlá diskuse mezi experty různého zaměření, s cílem podnítit tvůrčí myšlenky a nová řešení týkající se předem zvoleného problému) existuje také tzv. technika „SCAMPER“, jež může pracovníka inspirovat při tvorbě nového produktu či výrobní technologie. Výsledný stupeň inovační činnosti takového pracovníka, lze definovat od „převzetí poznatku beze změny od jinud“ až ke „zcela novému poznání“.

Ohřev železničních výhybek

V současné době se proti vzniku námrazy a sněhové vrstvě na kluzných plochách pro přestavení jazyků výhybek používá tzv. elektrický a plynový ohřev výměn. Ohřev je v provozu v případě nebezpečí sněžení či námrazy a také když teplota okolí klesne pod 3°C. Z důvodu požadované doby reakce ohřevu na kolejnici, začíná ohřev na 400°C a ustálí se na 40°C. V zimním období lze tato zařízení použít pro ohřívání kluzných stoliček, opornic, závěrů výměn i pohyblivých hrotů srdcovek a přestavníků samovratných výhybek. V evropských zemích bývá elektrický ohřev výhybek (EOV) nasazován v období říjen až březen (celkem 4 368 hod.). Roční provozní doba EOV je proto především závislá na geografickém umístění výhybky a na průběhu teplot v daném zimním období. Cenu roční spotřeby lze vyčíslit v roce 2008 na 19 513Kč a pro cca 4 tisíce koridorových výhybek odhadnout jejich celkovou spotřebu na 35,6GWh/rok. České dráhy jsou největší odběratel elektřiny v ČR a odebrané množství elektřiny je cca 1,4 TWh, tzn. že EOV z ní, dle předchozího výpočtu, spotřebuje přibližně 2,2 – 3,3%. Toto množství odebrané elektrické energie odpovídá finančním nákladům cca 68 až 103 milionům Kč v roce 2008. Pro doplnění přehledu o významu této spotřeby a nákladech je vhodné doplnit, že výroba elektrické energie v ČR byla v roce 2008 cca 83,5TWh a její spotřeba dosahovala přibližně 60,9TWh.

Geotermální ohřev výhybek

V současné době je na území Německa (ŽST Holzminden) a Nizozemí (ŽST Lelystad) v provozu několik zkušebních úseků s netradičním ohřevem výhybek. Tyto systémy geotermálního ohřevu výhybek využívají zemního tepla, jež je získáváno z trubkového systému uloženého v zemi. V případě ohřevu výměn železničních výhybek je požadován malý průřez trubky a to vyžaduje vysokou průtokovou rychlost média. Nejdříve byly využívány systémy s oběhovým čerpadlem, ale lepších výsledků se očekává od novějších systémů bez motoricky pohaněného čerpadla. Toto nové provedení je projektováno z vakuově uzavřené trubky, jež je naplněna plynným médiem (CO₂) pod tlakem 40 barů. Zdrojem tepla je zemní teplo o hodnotě přibližně 10°C, jež se získává z hloubky cca 100m. Průměrně se získává cca 50W na jeden metr vyvrtané hloubky. Aby nedocházelo k tepelným ztrátám v povrchové vrstvě zeminy je horních 10m těchto trubek tepelně izolováno. Systémy jsou projektovány jako jedno či více okruhové a celkově lepších výsledků bývá dosahováno v systému bez výměníku.

Výhoda tohoto systému spočívá v tom, že teplota kolejnic je bez řízení trvale udržována nad bodem mrazu. Součásti vyžadují pro ohřev nízkou teplotu při malých tepelných ztrátách.  Jako další výhoda je udávána celková bezpečnost takto neřízeného provozu a snížené náklady na údržbu. Tento systém lze použití i tam, kde není dostatečná infrastruktura.

Tento způsob ohřevu lze také aplikovat pro železniční nástupiště, přejezdy a přechody a z toho důvodu také nahradit současné používání písku, drobného štěrku či soli.

Diagnostika pomocí využití Piezoelektrického jevu

Piezoelektrické (podle řeckého slova „piedzó“ - tlačit) snímače tlaku, síly nebo zrychlení jsou založeny na tzv. Piezoelektrickém jevu. Při působení mechanických deformací dochází u některých druhů krystalů (např. SiO₂ či BaTiO₃) ke vzniku elektrického náboje. V oblasti železničního svršku a spodku lze tyto piezoelektrické snímače použít např. ke zjištění průjezdu vlaku.

Energetické využití Piezoelektrického jevu

Bývá nazýváno jako „Piezoelectric energy harvesting“, „Vibration Harvesting“ či „Movement Harvesting“. Jde o získávání elektrické energie z energie kinetické. Pro využití v oblasti železniční infrastruktury lze navázat na zkušební projekty, jež byly použity pro transformaci energie z lidského pohybu umístěním piezoelektrických generátorů v podlaze či z automobilové dopravy umístěním piezoelektrických generátorů v asfaltové vrstvě silnice.

Využití lidského pohybu

V současné době probíhá zkušební provoz zařízení postavené společností East Japan Railway Company (JR East) v japonském metru. Jde o část podlahy, jež generuje elektřinu pomocí kinetické energie z lidského pohybu a získaná energie je využívána pro vstupní lístkový turniket do podzemní části metra a informační display. Po provedení ročního vyhodnocení systému bylo zjištěno, že při zahájení systém generoval, pro průchod jedné osoby turniketem, cca 1W/s a po sedmi týdnech se ustálil na 0,66W/s. Předpokládá se rozšíření tohoto systému na plochu 25m² generujícím 1 400kW/den (tzn. 16W/s) zásobujícím energií všechna potřebná zařízení pro obsluhu cestujících.

Využití automobilového provozu

V únoru 2009 proběhl na izraelské Technion, I.I.T. (Israel Institut of Technology) v Haifě experiment, kdy byla elektrická energie vyráběna na zřízeném zkušebním úseku, jež se skládal ze dvou speciálních, rovnoběžných, 10-ti metrových, asfaltových pásů, v nichž byly umístěny každých 300mm piezoelektrické generátory IPEG (Innowatech Piezoelectric Electric Generators), v hloubce 60mm pod povrchem vozovky. Tento zkušební úsek byl pojížděn 17ti tunovým, čtyř nápravovým  vozidlem. Po vyhodnocení výsledků bylo definováno, že k výrobě 1 kWh by bylo třeba, aby projelo 1000 vozidel za hodinu, průměrnou rychlostí 72km/h.

Využití železničního provozu

Ze zkušeností ze získávání elektrické energie využitím automobilového provozu je odhadovaný výkon z železniční trati za hodinu, po níž průměrně projede 15 vlaků a každý o 15ti vagónech (900 náprav za hodinu, tzn. zátěž cca 178 mil. t. za rok), cca 150kW. Provozní zatížení na železniční trati v ČR se rozděluje do 6-ti řádů. Nejvíce zatížená, tzn. prvního řádu, je kolej se zatížením nad 47,5 mil. hrt. (tzv. hrubá tuna vzniká přepočtem od osobní a nákladní dopravy a se zahrnutím vlivu rychlosti) a druhého řádu, kde provozní zatížení  dosahuje 29,2 – 47,5 mil. hrt. Nejvhodnější umístění zkušebního či provozního zařízení s piezoelektrickými generátory na železniční trati v ČR je na přibližně 20km úseku mezi Prosenicemi a Hranicemi, kde je dle přepočtu předchozích kalkulací možné získat cca 40kWh.

Závěr

Z hlediska snižování závislosti na fosilních palivech bude budoucnost v energetice spočívat ve stále se zvyšující výrobě energie z různých netradičních zdrojů energie. Těchto netradičních či úplně nových zdrojů, popř. úspor energie, může být efektivně dosaženo cestou komplexního a soustavného studia oborů lidské činnosti a podporou inovační činnosti pracovníků nejen v energetickém průmyslu, přičemž tento článek nastínil možnosti aplikace netradičních zdrojů energie do oblasti železniční infrastruktury, kterými se v současné době různá pracoviště po celém světě zabýbají.

Prezentace v *.pdf (konference Promatten, 26.11.2009, Vidly)