Semestrální práce PZPDK

UNIVERZITA PARDUBICE
DOPRAVNÍ FAKULTA JANA PERNERA
Vývoj podílu elektrické trakce na celkovém výkonu dopravy
SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z PŘEDMĚTU PZPDK – ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ A DOPRAVA
DATUM ODEVZDÁNÍ 1.2.2008
PODZIMNÍ SEMESTR
JIŘÍ KALINA, STUDENT OBORU TŘD
AKADEMICKÝ ROK 2007 / 2008
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
1. OBSAH:
1. Obsah
2
2. Úvod
3
3. Elektrická trakce a železniční doprava
4
3.1. Historie elektrické trakce ve světe
4
3.2. Historie elektrické trakce v českých zemích
7
3.3. Význam elektrizace pro životní prostředí
7
4. Elektrická trakce v MHD
9
4.1. Historie elektrické trakce v MHD
4.2. Podíl elektrické trakce na výkonech MHD v ČR
9
10
5. Elektrická trakce v ostatních druzích dopravy
11
5.1. Elektrická trakce v lodní dopravě
11
5.2. Elektrická trakce v letecké dopravě
11
5.3. Elektrická trakce v automobilové dopravě
12
6. Závěr
14
7. Prameny
15
2
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
2. ÚVOD:
Práce velice stručným způsobem shrnuje historii pronikání elektrické energie na pole
dopravy, kam prorazila v první polovině 19. století a vyvíjela se až do dnešních dnů společně
s ostatními druhy pohonu vozidel, plavidel a letounů. Přesto lze při shrnutí dnešního stavu
konstatovat, že v celosvětovém objemu přepravy hraje elektrická energie téměř zanedbatelnou roli,
zatlačována do pozadí spalovacími motory všech druhů.
Jedinou oblastí, kde se elektřina stala opravdu plnohodnotným soupeřem spalovacích motorů
jsou evropské železnice a městská hromadná doprava, svým objemem nezanedbatelná při srovnání
dopravních výkonů s ostatními druhy veřejné osobní dopravy. Právě tato dvě odvětví dopravy jsou
v práci hlouběji rozvedena a s využitím jednoduchých výpočtů založených na uvedených zdrojích je
demonstrován přínos elektrizace pro snížení emisí, tedy majoritního vlivu na životní prostředí.
Práce zdaleka nevyčerpává tématiku a je pouze slabou ochutnávkou široké palety možností,
které současné technologie nabízí a které snad v budoucnosti naleznou podstatně širší uplatnění.
3
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
3. ELEKTRICKÁ TRAKCE A ŽELEZNIČNÍ DOPRAVA
3.1. HISTORIE ELEKTRICKÉ TRAKCE VE SVĚTĚ
Za první lokomotivu vůbec bývá považován bezejmenný parou poháněný stroj
Angličana Richarda Trevithicka z roku 1804, se kterým dovedl tento muž tahat vlaky složené až
z deseti vozů. Masivní rozvoj parostrojní železniční dopravy však nastává (a to zejména v Británii) až
na přelomu 20. a 30. let devatenáctého století, tedy z dnešního pohledu s poměrně malým náskokem
před svým konkurentem – provozem elektrickým.
Prvním kolejovým vozidlem, které bylo skutečně poháněno elektrickou energií se stala
pokusná lokomotiva skotského konstruktéra Roberta Davidsona, který sestrojil stroj poháněný
pomocí galvanických článků. V roce 1841 předvedl Davidson svůj vynález ve formě vylepšeného
vozidla nazvaného Galvani odborné veřejnosti na výstavě Skotské královské vědecké společnosti.
Pravděpodobně první elektrickou lokomotivou, která nebyla poháněna energií z mobilních
akumulátorů, nýbrž sbírala proud ze statických trakčních zařízení, byl o tři desetiletí později, v roce
1879 stroj Wernera von Siemense, velice úspěšného německého vynálezce a konstruktéra. Na
průmyslové výstavě v Berlíně předvedl Siemens stroj o výkonu 2,2 kW napájený stejnosměrným
napětím o velikosti 150 V. Trakční vedení nepředstavovalo tenkrát dnes obvyklé a samozřejmé
trolejové lanové vedení, ale systém třetí kolejnice, se kterým se lze v současnosti setkat u speciálních
drah, metra apod. Přesto se Siemens stal také duchovním otcem moderních napájecích systémů,
neboť trakční vedení založené na zavěšených lanech použil o 11 let později pro svoji tramvajovou
dráhu v Berlíně, kde vozy tahaly po vedení malý vozík s kladkou, vzdáleně připomínající současný
sběrač.
Třetí napájecí kolejnici využívala také první elektrická lokomotiva standardního rozchodu
nazvaná Ampere a postavená do provozu v roce 1883 ve Spojených státech amerických na Saratoga
and Lake George Railway coby dílo konstruktéra Leo Dafta. Lokomotiva dále disponovala regulací
výkonu a dokonce elektrodynamickou brzdou.
V pravidelném provozu se na klasických železničních tratích (mimo tramvajové tratě,
lanovky a metro) objevily elektrické lokomotivy poprvé v roce 1895 na Baltimore & Ohio Railroad
opět ve Spojených státech amerických. Městské úseky dráhy vedené v úhrnné délce sedmi kilometrů
skrze tunely a pod mosty byly elektrizovány stejnosměrným napětím 675 V a proud byl na
lokomotivy zajišťující již opravdu plnohodnotný provoz poměrně těžkých nákladních vlaků
přenášen třetí kolejnicí tvaru Z umístěnou nad vozidly.
Využití střídavého proudu přichází poměrně záhy. Po pokusech s třífázovými tramvajemi ve
Švýcarském Luganu se poprvé objevuje také třífázová lokomotiva – a to opět ve Švýcarsku na
Burgdorf – Thun Bahn (BTB) v roce 1899. Stroje pracovaly za napětí 750 V a proud byl k motorům
dopravován komplikovaně konstruovanými sběrači.
Dalším významným krokem ve vývoji elektrických železničních vozidel byly experimenty
firem Siemens a AEG opět poblíž Berlína. Obě firmy zde zkonstruovaly sedmikilometrovou
zkušební trať napájenou třífázovým proudem o napětí 10 kV, které bylo na vhodnou úroveň
převedeno snižovacími transformátory přímo na vozidlech. Pokusné jízdy dokázaly, že elektřina je
vhodným prostředkem pro dosažení vysokých rychlostí na železnici, když vozidla při standardní
frekvenci střídavého proudu 50 Hz dosáhla rychlosti převyšující 210 kmh-1.
Cestu elektrické trakci na hlavní dráhy prorazily v následujících letech firmy Ganz & Co. a
Brown, Boveri při elektrizaci Simplonké a dalších alpských horských tratí, často vedených v tunelech
a se značným sklonem. Stále bylo užíváno trojfázové napájení, tentokrát dokonce s kmitočtem
15 Hz.
Zřejmé nevýhody trojfázového napájení se pokusily (po počátečních návrzích na
usměrňování jednofázového proudu přímo na vozidle) odstranit švýcarské státní dráhy společně
s firmou Oerlikon na trati Seebach – Wettingen, kde rok a půl provozovaly úspěšně trojici
4
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
jednofázových lokomotiv. Trakční vedení bylo sice po ukončení zkoušek zrušeno, cenné zkušenosti
však přetrvaly pro další vývoj.
První hlavní tratí elektrizovanou střídavým jednofázovým proudem se stala Lötschbergská
dráha mezi Francií a Itálií v roce 1913, na které byly zpočátku v provozu lokomotivy se dvěma
motory o výkonu 750 kW, každý s vlastním transformátorem.
Další osudy elektrizace světových tratí se rychle diferencovaly v závislosti na »oblibě«
jednotlivých napájecích soustav v různých zemích nejen ve světě, ale i v Evropě a nezřídka i
v různých částech nebo časových obdobích v rámci jednoho státu. Zejména na starém kontinentě
pak docházelo v průběhu desetiletí k mnoha změnám v závislosti na příslušnosti daných území
k různým státním celkům, technickém vývoji i politických a finančních vlivech. Celkově se světové
systémy elektrického napájení železničních vozidel ustálily na sedmi hlavních systémech buď
stejnosměrného nebo jednofázového střídavého proudu. Jde o nejobvyklejší systém střídavého
napájení 25 kV, 50 Hz, »japonský« 20 kV, 50 Hz, »americký« 11 kV, 25 Hz a »německý« starší systém
15 kV, 16,67 Hz a dále stejnosměrné systémy o napětí 3 kV, 1,5 kV a »britský« 750 V. Přehled
rozšíření napájecích soustav dle [4] shrnuje tabulka 1:
5
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
Tabulka 1: Trakční proudové soustavy – délka v km
~25 kV ~15 kV ~11 kV, ~20 kV, =3 kV
=1,5 kV =750 V
Země
50 Hz
16,7 Hz 25 Hz
50 Hz
Alžír
300
Arménie
845
Ázerbájdžán
1280
Belgie
351
2576
Bělorusko
874
25
Bosna a Hercegovina
259
Bulharsko
2800
Černá Hora
169
Česko
1314
1733
Dánsko
446
170
Estonsko
132
Finsko
2674
Francie
8396
5859
Gruzie
1575
37
Chorvatsko
984
138
Írán
146
Irsko
38
Itálie
10688
Japonsko
3204
640
19752
Kazachstán
3700
Litva
122
Lotyšsko
257
Lucembursko
201
19
Maďarsko
2628
Makedonie
233
Maroko
1022
Německo
19355
Nizozemí
2028
Norsko
2680
Polsko
11953
Portugalsko
1180
25
Rakousko
3460
Rumunsko
3971
Rusko
22000
18800
Řecko
76
Slovensko
737
701
Slovinsko
3
7
494
Spojené státy americké
176*
Srbsko
1196
Španělsko
481
6942
Švédsko
7190
Švýcarsko
2706
202
Tunisko
65
Turecko
1920
Ukrajina
9500
201
Velká Británie
3136
1393
* Spolehlivý údaj se nepodařilo získat, délka elektrizovaných železnic v USA je však zanedbatelná.
6
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
3.2. HISTORIE ELEKTRICKÉ TRAKCE V ČESKÝCH ZEMÍCH
Prvním elektřinou poháněným hnacím vozidlem na železnici se nejen v Českých zemích, ale
v celém Rakousku-Uhersku stal v roce 1899 upravený vůz pražské tramvaje, odebírající energii
z vlastních akumulátorů, který zkoušel na trase Nusle – Modřany pražský vynálezce František Křižík.
Přestože se firma Fr. Křižík Praha Karlín pokoušela přesvědčit majitele některé z tehdejších
železničních tratí o výhodnosti elektrizace, snažení se jevilo jako neúspěšné. První elektrizovanou
dráhou se tak nakonec stala nově zbudovaná trať z Tábora do Bechyně, jejíž napájení spočívalo ve
velice netradičním dvoudrátovém přívodu stejnosměrného proudu k vozidlu, přičemž napětí
v jednom vodiči bylo vůči kolejím +700 V a ve druhém –700 V. Elektrický vůz po trati projel s
cestujícími poprvé v roce 1903.
Druhou elektrizovanou tratí na našem území se stala opět jihočeská dráha Rybník – Lipno,
jejíž elektrická zařízení zbudovala firma Österreichische Siemens-Schuckert-Werke. Dráha napájená
stejnosměrným proudem při napětí 1200 V se zpětným vedením kolejnicemi je v současném
kontextu přístupu k životnímu prostředí zajímavá zdrojem elektrické energie, kterým se stala vodní
elektrárna u kláštera ve Vyšším Brodě.
Dalšími dvěma elektrizovanými drahami v českých zemích se staly přeshraniční úseky
z Nieder Salzbrunnu (dnes část Wałbrzychu) do Meziměstí a z Hirschbergu (dnes Jelenia Góra) do
Kořenova. Oba krátké úseky elektrizovaly německé dráhy, které zařizovaly na těchto železničních
tratích mezistátní provoz. Od roku 1946 byly obě trasy v provozu pouze v nezávislé trakci, posléze
vůbec.
V roce 1924 se tehdejší Československé dráhy rozhodly k systematičtějšímu přístupu
k elektrizaci našich železnic. Jako první byl elektrizován stejnosměrnou soustavou 1500 V pražský
železniční uzel a od roku 1928 započal pravidelný elektrický provoz po městě. Na výstavbě trakčních
zařízení a výrobě hnacích vozidel se podílela řada firem, není bez zajímavosti, že jednou z nich byla
také Továrna na stavbu strojů a mostů v Adamově, předchůdce Adamovských strojíren. Přínos pro
rychlost přepravy či finanční výsledky byl velice nízký, citelné však bylo zlepšení životního prostředí
v Praze, především významné snížení emisí z topenišť parních lokomotiv. Přes počáteční plány se
však následkem hospodářské krize elektrizace českých železnic na dlouhou dobu v podstatě zastavila.
Směle nastupují bezprostředně po válce plány na elektrizaci hlavního tahu Československých
státních drah v trase Praha – Česká Třebová – Olomouc – Bohumín – Žilina – Košice – Čierná nad
Tisou – Чоп. Pro současnost i budoucnost elektrické trakce v Česku padlo tehdy zásadní rozhodnutí
– byla vybrána proudová soustava odpovídající sovětskému systému, se kterým se o několik let
později československý spojil – tedy stejnosměrný systém o napětí 3000 V.
První elektrický vlak z Prahy do České Třebové vyjel v roce 1957, následně probíhalo
dobudování dalších úseků a přepojení pražského uzlu. Značně diskutabilním se jeví rozhodnutí
pokračovat v elektrizaci sítě ČSD novějším, tehdy »oblíbenějším« systémem jednofázového
střídavého proudu 25 kV, ke kterému došlo počátkem 60. let 20. století. K tehdy zamýšlenému
přepojení původních stejnosměrných úseků na střídavý proud nikdy nedošlo a tak se dostala
elektrizace českých tratí do dnešního nedokonalého stavu.
Dalším významným faktem by se mohlo stát v nejbližších letech zavedení třetí fázové
soustavy napětí 15 kV o kmitočtu 16,67 Hz na přeshraničním úseku Retz – Znojmo.
3.3. VÝZNAM ELEKTRIZACE PRO ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
Pro posouzení významu zavádění elektrizace v železniční dopravě vzhledem k životnímu
prostředí je klíčovým parametrem množství emisí vyprodukované dopravou vedenou v nezávislé
trakci a dopravou elektrickou. Elektrizace přináší kromě zřejmého lokálního zlepšení emisních
podmínek na dopravní cestě také lokální zvýšení množství emisí v místě výroby elektřiny v tepelné
elektrárně, kterému lze naproti tomu účinněji čelit (odlučovače popílku, odsiřovací a další filtrovací
zařízení v tepelných elektrárnách), možnost využití ekologicky příznivých zdrojů – zejména jaderné a
7
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
vodní energetiky, současně ale také ztráty způsobené přenosem a úpravou elektrického proudu
(ztráty ve vedení a při transformaci).
Z vypočtených údajů podle [5] (do výpočtu bylo zahrnuto celkové množství emisí
vyprodukovaných českými elektrárnami při výrobě jednotkového množství elektrické energie, tedy
vč. jaderných a vodních elektráren) vyplývají následující množství emisí pro železniční dopravu
vedenou motorovými a elektrickými hnacími vozidly v podmínkách Česka (nejaktuálnější data jsou
z roku 2005, ročenka z roku 2007 nebyla v době tvorby práce dosud vydána, ročenka z roku 2006
nebyla uspokojivě zpracována):
Tabulka 2: Měrné množství emisí v železniční nákladní dopravě v Česku v roce 2005
CO2
CO
NOx
VOC
SO2
PAH
prach
Emitent
g
/ mg
/ g
/ mg
/ mg
/ µg
/ mg
/
čtkm
čtkm
čtkm
čtkm
čtkm
čtkm
čtkm
Elektrická trakce
27
3,0
0,049
3,3
47
0,19
3,7
Motorová trakce
76
480
14
110
2,7
52
63
Tabulka 3: Měrné množství emisí v železniční osobní dopravě v Česku v roce 2005
CO2
CO
NOx
VOC
SO2
PAH
prach
Emitent
kg
/ g
/ g
/ mg
/ mg
/ mg
/ mg
/
oskm
oskm
oskm
oskm
oskm
oskm
oskm
Elektrická trakce
0,13
0,015
0,24
16
230 0,00091
12
Motorová trakce
0,078
0,28
8,3
65
1,5
72
37
Údaje v tabulce 2 jsou ovlivněny neopodstatněným předpokladem, že v roce 2005 byl
přepraven stejný počet cestujících v motorové i elektrické trakci. Podle [6] v roce 2006 vlaky osobní
dopravy odvedly dopravní výkon 54,406 Ttkm v elektrické a 61,302 Ttkm v motorové trakci, což
samo o sobě zřetelně hovoří o velké hrubosti přiblížení; údaj je však dále zkreslen velmi
nehomogenní vytížeností jednotlivých spojů – počet cestujících na tkm je podstatně vyšší v oblasti
městských aglomerací a hustě obydlených oblastech, které jsou obvykle obsluhovány elektrickými
vlaky. Proto lze tabulku 3 považovat pouze za velmi orientační. Přesné údaje o počtu oskm
v elektrické a motorové trakci pravděpodobně nejsou vůbec k dispozici.
Z tabulky 2 a 3 lze přesto jasně vyčíst u většiny polutantů řádový rozdíl mezi úhrnem emisí
motorové a elektrické trakce, což je způsobeno především rozdílnými vlastnostmi motorové nafty a
elektrárenských paliv, poměrně vysokým podílem elektrické energie vyrobené v Česku v jaderných
elektrárnách (podle [7] byl v roce 2006 podíl elektřiny z jaderných elektráren v Česku přibližně 32 %,
z vodních zdrojů pak 4 %) a vyšší účinností ekologických zařízení v tepelných elektrárnách (odsíření,
odlučování pevných částic apod.) ve srovnání se spalovacími motory používanými na železnici. U
jediného parametru (množství emitovaného SO2) je z hlediska čistoty ovzduší přínosnější použití
spalovacích motorů, lze však očekávat jisté zlepšení u elektráren i v této oblasti.
Majoritní rozdíl však spočívá v nahrazování elektráren spalujících fosilní materiály a případně
biomasu elektrárnami jadernými, které do budoucna umožňují snížení plynných a prachových emisí
na infinitezimálně malá množství a tedy minimální zátěž pro životní prostředí.
Další problematika elektrizace z hlediska životního prostředí v Česku spočívá především v
únicích ropných látek do okolí, nižší hlučnosti elektrických vozidel a využití polychlorovaných
bifenylů (PCB) v transformátorových náplňových olejích. Ve srovnání s výše diskutovanými
otázkami se však jeví tyto oblasti spíše podružnými.
8
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
4. ELEKTRICKÁ TRAKCE V MHD
4.1. HISTORIE
Za prvopočátky městské dopravy bývá obvykle považována doprava omnibusová, kterou
však nelze v pravém smyslu slova považovat za dopravu hromadnou. Prvním vozidlem skutečné
městské hromadné dopravy se v roce 1832 stala newyorkská tramvaj jezdící po kolejích a tažená
koňmi. Animální tramvajová oprava se rychle rozšířila po USA i po Evropě, aby vzápětí počala být
nahrazována tramvají parní. Její nedostatky (zejména zhoršení životního prostředí obrovským
množstvím kouřových emisí) však obvykle vedly ke krátkému trvání období parní tramvajové
dopravy.
První elektrickou tramvají se stala v roce 1880 přestavěná petrohradská koňská tramvaj,
kterou testoval v ulicích města inženýr Фёдор Аполлонович Пироцкий. Jeho pokusy však
nepřinesly očekávaný úspěch. První klasická elektrická tramvajová linka spatřila světlo světa také
v Evropě, roku 1887 v Budapešti. Motorové tramvaje a autobusová doprava tehdy na své vynalezení
teprve čekaly a elektřina se tak na dlouhá léta stala nejdůležitější silou užívanou pro provoz
městských linek, podstatně dříve než tomu bylo na železnici.
V českých zemích počala svůj provoz jako první tramvajová linka v Brně, koňské tramvaje
vyjely do ulic města v roce 1869. Linky vedly mimo centrum města ([9])a možná i to bylo důvodem
ukončení provozu v roce 1875. V roce 1884 tu byla uvedena do provozu tramvaj parní. První
elektrickou městskou dráhu na našem území bylo lze najít v Praze od roku 1896. V současnosti jezdí
u nás pouze elektrické tramvaje na území měst Brno, Jablonec nad Nisou, Liberec, Litvínov,
Modřice, Most, Olomouc, Ostrava, Plzeň a Praha, celkem v 7 disjunktních provozech.
Oproti tramvajím a železničním vozidlům byla pro trolejbusy elektřina první a jedinou energií
využívanou k pohybu po jízdní dráze. Vývoj trolejbusů probíhal ve dvou poněkud oddělených
fázích, jež téměř nelze považovat za tentýž dopravní prostředek. Trolejbusy první generace mají svůj
původ ve vozidlu již dříve zmiňovaného Wernera von Siemense, který sestrojil v roce 1882 kočár, jež
táhl na laně za sebou po nadzemním vedení sběrací vozík. V následujících letech se trolejbusová
doprava v této podobě rozšířila do několika evropských měst. Na dnešním území Česka bylo prvním
z nich město České Velenice, dnes bez trolejbusové dopravy, ve kterém elektrická vozidla městské
dopravy fungovala v letech 1907 – 1916, následované nedalekými Českými Budějovicemi v roce
1909, kde byly trolejbusy dodnes dvakrát zrušeny a třikrát opět obnoveny.
Zásadním zlomem ve vývoji trolejbusové dopravy byla záměna sběracího vozíku taženého na
laně, který byl poruchový a omezoval rychlost a možnosti pohybu vozidla, za pevné sběrače v dnešní
podobě. Trolejbusová doprava druhé generace se ve světě rozšířila ve 20. letech 20. století, u nás byla
jako první zprovozněna trať v Praze (město dnes bez trolejbusové dopravy) v roce 1936, za 2.
světové války pak ve Zlíně a v Plzni. Další rozvoj nastal v 50. letech 20. století, kdy byly trolejbusy
obnoveny v Českých Budějovicích, Brně, Hradci Králové, Pardubicích, Opavě, Ostravě a Teplicích.
Po vlně útlumu v 70. letech 20. století a opětovném rozkvětu v 80. a 90. letech téhož století se u nás
dnes můžeme s trolejbusovou dopravou setkat v Brně, Českých Budějovicích, Hradci Králové,
Chomutově, Jihlavě, Jirkově, Lázních Bohdanči, Mariánských Lázních, Opavě, Ostravě,
Otrokovicích, Pardubicích, Plzni, Teplicích, Šlapanicích a Zlíně ve 14 navzájem disjunktních
provozech.
Za první podzemní dráhu odpovídající současnému významu slova metro lze označit parní
podzemní dráhu mezi nádražími Paddington a Farringdon. Druhým nejstarším metrem bylo metro
v Budapešti z roku 1896, často také bývá zmiňováno o rok starší podzemní železniční spojení
v Aténách. Mimo prvotní parní provozy a netradiční způsoby pohonu (lana, vzduch, animální
pohony), se kterými se lze výjimečně setkat, lze i o metru hovořit jako o systému, kde jsou vozidla
poháněna výhradně elektrickou energií. V českých městech se lze setkat s metrem pouze v Praze,
v celosvětovém měřítku jde o desítky měst na všech světadílech mimo Antarktidu.
9
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
4.2. PODÍL ELEKTRICKÉ TRAKCE NA VÝKONECH V MHD V ČR
Vyjdeme-li z údajů uvedených v [8], odpovídají výkonu MHD v českých městech v roce 2006
hodnoty uvedené v tabulce 4:
Tabulka 4: Výkony jednotlivých druhů MHD v Česku v roce 2006
Autobusy
Tramvaje
Metro
Moskm
Moskm
Moskm
Výkon
5502,3
4534,4
Trolejbusy
Moskm
3264,4
1011,6
Celkem jde o 14312,7 Moskm, pro srovnání lze uvést, že letecká doprava dosáhla ve stejném
období výkonu 10233,1 Moskm, autobusová doprava 9501,1 Moskm, železniční doprava
6921,9 Moskm a automobilová doprava 69630,0 Moskm.
Z uvedené tabulky je tedy patrné, že městská hromadná doprava zaujímá v pořadí podle
výkonu v Česku první místo mezi všemi druhy dopravy a podílí se na celkovém objemu hromadné
přepravy osob 33,6 %. Vzhledem k tomu, že rozsah sítě městské dopravy je díky své lokalizaci
obvykle podstatně menší než je tomu u opravy meziměstské, je zřejmé, že elektrizace, jejíž
podstatnou částí nákladů je infrastrukturní složka, bude ekonomicky nejvýhodnější právě u MHD.
Stejně tak lze hovořit o nejcitelnějším efektu při zlepšení životního prostředí, neboť ve městech je
veřejná doprava zhuštěná a dochází tak ke koncentraci případných neblahých vlivů na malé ploše a
ovlivnění velkého počtu lidí.
Budeme-li uvažovat pro potřeby této práce dva limitní případy elektrizace MHD v českých
městech (případ I, kdy je veškerá městská doprava zajišťována pouze autobusy a případ III., kdy by
došlo k zastoupení autobusové dopravy systémy trolejbusů, metra a tramvají ve stejném poměru,
v jakém jsou zastoupeny elektrické složky MHD nyní) a srovnám je se současným stavem
(označeným II) při využití údajů z [5], obdržíme hodnoty emisí z tabulky 6:
Tabulka 6: Srovnání limitních případů elektrizace MHD v Česku z pohledu emisí
CO2
CO
NOx
VOC
SO2
PAH
prach
Emitent
Mt
kt
kt
kt
t
t
kt
Případ I – jen autobusy
1,86
15,7
18,6
4,86
48,7
716
1,20
Případ II – současnost
1,04
6,08
7,75
1,91
589
275
0,493
Případ III – bez autobusů
0,530
0,0435
0,963
0,0625
926 0,00368
0,0304
V souladu se zkušeností získanou při vyhodnocení tabulek z předchozího textu jasně vyplývá,
že při úplné elektrizaci městské hromadné dopravy by vzrostly emise oxidu siřičitého oproti
současnému stavu o 337 tun ročně, čemuž odpovídá zhruba 168 tun síry v ovzduší za rok navíc.
Naproti tomu emise polyaromatických uhlovodíků by klesly o 99,999 %, ročně by ubylo 463 tun
prachu v atmosféře a mise skleníkového oxidu uhličitého by byla přibližně poloviční.
Veškeré závěry však vychází z předpokladu zachování současného poměru množství
elektrické energie vyrobené v tepelných, jaderných a vodních elektrárnách v Česku.
10
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
5. ELEKTRICKÁ TRAKCE V OSTATNÍCH DRUZÍCH DOPRAVY
5.1. ELEKTRICKÁ TRAKCE V LODNÍ DOPRAVĚ
Vzhledem ke skutečnosti, že lodní doprava v Česku pokrývá pouze 0,032 % objemu veřejné
osobní a 1,1 % objemu celkové nákladní dopravy, lze hovořit v rámci republiky o zanedbatelném
vlivu případné elektrizace lodní dopravy na životní prostředí. Lodě pro hromadnou opravu osob
s akumulátorovým elektrickým pohonem jsou využívány u nás pouze na Brněnské přehradě, jejich
využití se zvažovalo i na Vranovské přehradě, nakonec ale byly zvoleny lodě motorové.
V celosvětovém měřítku je využíváno elektrických lodí především pro rekreační účely
v hromadné i individuální dopravě osob, zejména na místech, kdy by mohlo dojít k významnému
ohrožení kvality vody únikem ropných produktů používaných coby pohonné hmoty.
Velice obvyklým, ale z hlediska elektrizace a jejího vlivu na životní prostředí nepodstatným
jevem je využití elektrického pohonu v kombinovaných zdrojích (dieselelektrické lodi, lodi a ponorky
s jaderným pohonem), kde je elektřin vyráběna za využití jiného zdroje přímo na lodi. Setkat se lze
také s pokusnými a poměrně funkčními čluny, které elektřinu získávají z fotovoltaických článků
umístěných na palubě.
Pokud je primární zdroj elektrické energie umístěn mimo loď samotnou, jedná se vždy o lodi
akumulátorové, autoru nebyl v době vzniku práce znám žádný případ dopravy uskutečňované lodí
napájenou z trakčního vedení vedeného vzduchem, případně kabelem na vodě či pod vodou,
teoretická možnost takové přepravy však jistě existuje.
5.2. ELEKTRICKÁ TRAKCE V LETECKÉ DOPRAVĚ
Zdánlivě neslučitelné tendence – obvyklá vysoká hmotnost elektrických akumulátorů
(zejména klasických kapacitních olověných akumulátorů) a snaha o maximální odlehčení materiálů
pro konstrukci letounů vyvolávají dojem, že spojení elektrické energie a letecké dopravy je nemístné.
Přestože se elektrická energie v letectví prosazuj velice pomalu a její větší míra uplatnění je vysoce
závislá na potenciálním snižování hmotnosti elektrických akumulátorů, vzlétlo již několik letadel
poháněných solární energií, slibnými projekty by mohly být také stroje lehčí než vzduch využívající
solární energii nebo elektřinu z baterií.
Alespoň drobný vhled do aktuálního vývoje lze získat z citovaného úryvku z [13]:
Pětičlennému týmu francouzských inženýrů se podařilo sestrojit letadlo, které je poháněné
elektromotorem z baterií a ve vzduchu se udrželo přes tři čtvrtě hodiny. Motor měl výkon 25
koňských sil a napájely jej lithium-polymerové baterie, informovala v neděli agentura AFP.
Letoun nazvaný Electra F-WMDJ startoval z letiště v d'Aspres-sur-Buëch v departamentu
Hautes-Alpes. Jde o jednomístný ultralehký stroj ze dřeva a plátna o váze 155 kilogramů bez
pilota a rozpětí devíti metrů. Jeho vývoj a výstavbu financovalo sdružení Apame, zaměřené na
podporu létacích strojů poháněných elektřinou.
Electra F-WMDJ se ve vzduchu udržela 48 minut. Není sice zdaleka prvním letadlem na
elektrický pohon, uskutečnila však "skutečný let" i s pilotem, nikoli jen "skok ve vzduchu",
zdůrazňují její tvůrci.
Reagovali tak na loňský pokus speciálního letounu, který se vznesl poháněn energií ze 100
běžných tužkových baterií typu AA. Pokus platila firma Panasonic, která tak vyzkoušela své
baterie typu Oxyride. Letadlo se ale udrželo ve vzduchu pouze krátce; čas nebyl upřesněn.
Protože elektrizace letecké dopravy ještě není ve stavu, kdy by bylo možno ji globálně
pojmout a zhodnotit alespoň částečně ustálený stav, lze na závěr konstatovat toliko fakt, že v letecké
dopravě nepřipadá v úvahu napájení letounu trakčním vedením a tedy bude vždy nutnost
přepravovat akumulátor nebo primární zdroj energie na palubě.
11
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
5.3. ELEKTRICKÁ TRAKCE V AUTOMOBILOVÉ DOPRAVĚ
Posledním druhem dopravy, ve kterém nachází, byť zatím v poměrně omezeném rozsahu,
uplatnění elektrická energie, je doprava silniční. Na tomto místě je však nutno předznamenat, že
nejde o dopravu silniční a současně drážní (tedy dopravu s trakčním vedením), označovanou jako
doprava trolejbusová – ta již byla zahrnuta v kapitole 4. Trolejbusová doprava je mimo jedinou
významnější výjimku (trať Сімферополь – Ялта na Ukrajině) využívána pouze pro přepravu osob
v rámci MHD, výjimečně pro přepravu nákladní, pro veškeré ostatní druhy silniční dopravy připadají
v úvahu hybridní vozidla nebo vozidla akumulátorová či na palivové články (souhrnně
elektromobily).
Historie elektromobilů sahá přinejmenším stejně hluboko jako historie automobilů se
spalovacím motorem. Již v roce 1835 představili v Nizozemsku Christopher Becker a Sibrandus
Stratingh první elektrický vůz, již dříve však pracoval na svém obdobném vynálezu skotský
konstruktér Robert Anderson (přesné datum dokončení není známo). V následujících desetiletích (a
de facto stoletích) bylo představeno množství stále dokonalejších elektromobilů a vystřídaly se řady
koncepcí.
Přibližně do roku 1900 dosahovaly elektromobily obvykle uspokojivějších výsledků
(spolehlivost, výkon, rychlost) než automobily, počátkem 20. století ale nastal rozvoj spalovacích
motorů a paradoxně po vynalezení elektrického startéru, který odboural nutnost nepříjemného a
nebezpečného startování klikou, byly elektromobily na dlouhou dobu odsunuty do pozadí mezi
kuriozity. Další ranou bylo vítězství střídavého proudu v rozvodné síti, které znamenalo před
objevem polovodičů nutnost usměrňovat proud pro nabíjení mechanickými usměrňovači
s komutátory.
Jistá renesance ve vývoji a výrobě elektromobilů nastává v 50. letech 20. století po objevení
tranzistorů a posléze tyristorů, které umožňují zvýšit efektivitu elektrického pohonu účinnější
regulací. Přesto se elektromobily až o konce 20. století prosazovaly pouze ve speciálních aplikacích a
k jejich širokému rozšíření nedošlo. Zjevný boj mezi společnostmi produkujícími ropné pohonné
hmoty a podniky, které se snaží prosadit zrychlení vývoje a výroby elektromobilů, prozatím
významně vedou zastánci spalovacích motorů, nicméně řada indicií naznačuje, že poměr obou trakcí
se do budoucna bude vyvíjet ve prospěch elektrické energie.
Nevelká kapacita a dlouhý nabíjecí čas akumulátorů, které byly hlavními nedostatky
elektromobilů se daří uspokojivě odstraňovat se zvyšující se technickou úrovní, což vede k prvním
větším sériím elektromobilů pro široké užití namísto osobních a případně lehčích užitkových
automobilů. Jejich přehled obsahuje tabulka 7 na následující straně.
Hodnotit podíl elektromobilů na celkovém počtu automobilů v současné době nemá smysl
(např. v Česku jezdí k dnešnímu dni pravidelně asi 20 elektromobilů, což činí 4,74 ppm z celkového
počtu 4,217 milionu vozů, v USA by v roce 2008 mělo na základě výpočtů z [14] jezdit přibližně
114229 elektromobilů, což činí 559 ppm z počtu automobilů v roce 2003), přesto některé státy
chystají masivní kampaň pro podporu elektromobilů a celosvětový meziroční růst počtu
elektromobilů je odhadován až na 30 %.
Poslední velice zajímavé prohlášení vydal Izrael, který se z politických důvodů snaží
všemožně omezit mezinárodní vliv zejména arabských států vyvážejících ropu a neváhá tak
investovat značné částky peněz do konkurence spalovacích motorů.
Během několika následujících let má podle [15] ve státě, kde jezdí zhruba 2 miliony aut (tedy
zhruba polovina počtu aut v Česku) vzniknout 500000 dobíjecích stanic a 200 míst pro výměnu
baterií. Cena elektromobilů vyráběných automobilkou Renault-Nissan bude odpovídat cenám
současných automobilů, dojezdová vzdálenost má být přes 150 km, nejvyšší rychlost pak 110 kmh-1.
V plánu je do 10 let se zcela zbavit závislosti na ropě a převést 100 % automobilů v zemi na
elektrický pohon. Krátkou citací z [15] lze nastínit předpokládaný následující vývoj:
12
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
"Staneme se laboratoří pro jiné, větší průmyslově vyspělé země," věří izraelský prezident
Šimon Peres, jehož zaujala původní Agassiho studie.
V rozhovoru pro včerejší britský list Financial Times upozornil, že projekt má jak
ekonomický, tak politický smysl.
Už během několika let podle něj sníží dovoz ropy do Izraele o polovinu a její spotřebu dál
omezí stavba slunečních elektráren
"Uplyne jedna dekáda a nebudeme ropu potřebovat," tvrdí Peres.
V Izraeli jezdí dva miliony aut a firma Better Place vypočítala, že kdyby všechny vozy
poháněla elektřina, spotřebovaly by ročně 2000 MW. To by pokryla jednorázová investice 5
miliard dolarů do slunečních elektráren.
Celkové náklady "elektrizace" izraelských silnic, financované ze soukromých zdrojů, se
zatím odhadují na jednu miliardu dolarů.
Projekt by se časem měl rozšířit i do dalších měst a států, jejichž rozloha i jiné podmínky
odpovídají izraelským poměrům.
Nejbližší příští etapa experimentu by se prý mohla odehrát v Dánsku. Zájem projevily i
Londýn, Paříž nebo Singapur. Agassi je v kontaktu s patnácti zeměmi, které se snaží snížit
závislost na ropě, a nevylučuje, že by mohl získat i nejzajímavějšího klienta, Čínu.
Pro další hodnocení elektrizace v silniční, světově zdaleka nejvytíženější dopravě, bude tedy
nutno počkat několik let. Poté bude jistě velice užitečné sepsat pokračování této práce.
Tabulka 7 obsahuje seznam sériově vyráběných elektromobilů včetně několika stěžejních parametrů
podle [14]:
Tabulka 7: Sériově vyráběné elektromobily
Období
Baker electric
Detroit Electric
Henney Kilowatt
Škoda Favorit Eltra
General Motors EV1
Honda EV Plus
Toyota RAV4 EV
Ford Ranger EV
Nissan Altra EV
TH!NK City
Citroën Berlingo Electrique/Peugeot Partner Electric
REVA
ZAP Xebra
13
rok
1899–1915
1907–1939
1958–1960
1992–1994
1996–2003
1997–1999
1997–2002
1998–2002
1998–2002
1999–2002
1996–2004
2001–dosud
2006–dosud
Počet kusů
1
?
přes 5000
přes 100
přes 1100
přes 1000
přibližně 300
1249
1500
přibližně 133
1005
přibližně 5000
přes 1800
přes 500
Dojezd
km
80
130
?
80
257
?
140
119
193
85
97
80
65
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
6. ZÁVĚR
Práce se zabývala dvěma stoletími pronikání elektřiny coby hnací síly do dopravy ve všech
jejích podobách. Bezesporu jediným oborem, kde je elektrická energie plnohodnotným soupeřem
nezávislým trakcím – tedy zejména spalovacím motorům – je železnice, kde jsou výkony elektrické
trakce řádově stejné jako výkony ostatních vozidel, byť jde v podstatě pouze o Evropu, která
dokazuje, že elektřina zdaleka není mrtvá.
Právě v železniční dopravě a v dopravě městské, z majoritní části opět tvořené drážními
vozidly, lze efektivně stanovit výhodnost elektrizace vzhledem k životnímu prostředí. Výhody
ekonomické lze sice také s nevelkými obtížemi určit, jsou ale velmi silně závislé na místních
podmínkách (ceny energií, daňové zatížení jednotlivých druhů dopravy, technologické možnosti),
proto se jimi práce nezabývá.
Přesto je nutno dodat, že leitmotivem celého procesu elektrizace (nejen) dopravy je čistota a
cena výroby elektrické energie. Dílo tedy z pohledu snížení vlivů na životní prostředí nekončí
zavedením elektrických provozů, ale pokračuje a své těžiště nalézá v ekologické výrobě energie
zejména v jaderných elektrárnách.
Ostatní druhy dopravy používají elektrické pohony pouze v rovině kuriozit a turistických
atrakcí nebo vývojových experimentů, jak ale ukazuje podkapitola 5.3, bude pravděpodobně v blízké
budoucnosti možno radikálně změnit pohled na silniční elektrickou dopravu.
Z matematického hlediska je nutno konstatovat, že uvedené zdroje měly sníženou relevanci,
co se týče přesnosti uváděných hodnot, vzhledem k velkému množství pouze částečně
kvalifikovaných odhadů, zanedbání některých vlivů, zaokrouhlení a dalším znepřesněním by při
korektním dodržení zákona o šíření chyb měly hodnoty relativní chybu často přes 100 %. Autoři
však často uvádějí hodnoty s přesností na 7 platných cifer a dopouští se dalších závažných chyb. Pro
účely práce jsem zpracoval orientační hodnoty s přesností na 2 platná místa, vzhledem k vysoké
pravděpodobnosti velkých chyb z výše uvedených důvodů ale upozorňuji, že jde vždy o hodnoty
spíše orientační, které mají demonstrovat tendence a přibližný stav. Jde-li o rozdíly ve velikosti 5
řádů (emise PAHů), jsou konkrétní číselné hodnoty stejně zanedbatelné.
14
JIŘÍ KALINA
VÝVOJ PODÍLU ELEKTRICKÉ TRAKCE NA CELKOVÉM VÝKONU DOPRAVY
7. PRAMENY
[1] Electric locomotive, [online]. [cit.2008-1-29]. Dostupný na WWW: ‹ http://www.spiritustemporis.com/electric-locomotive/›.
[2] RANSOME-WALLIS, Patrick. Illustrated Encyclopedia of World Railway Locomotives. New
York : Courier Dover publications, 2001. 512 s. ISBN 0-486-41247-4.
[3] SCHREIER, Pavel, ROUBAL, Martin. Od Křižíkovy Elinky ke škodováckému ESU : (a ještě
kousek dál...). 1. vyd. Praha : Redakce Železničáře, generální ředitelství ČD, a. s.,
Praha, 2007. 32 s.
[4] Trakční soustavy a rozchod kolejí. Železničář : Týdeník Českých drah, a. s.. 15.11.2007, roč.
XIV, č. 45, s. 4.
[5] ZEMAN, Jan. Emisní náročnost v české dopravě [online]. 2007 , 5.1.2007 [cit. 2008-02-04].
Dostupný z WWW:
<http://srkd.eu/dokument/070323/Merne_emise_doprava_2005.htm>.
[6] POSPÍŠILOVÁ, Irena, et al. Ročenka Českých drah, a. s., 2006/2007. 1. vyd. Praha : České
dráhy, a. s., 2007. 144 s. ISBN 80-85104-84-9.
[7] Podíl jaderné energie celosvětově klesá, v ČR naopak [online]. 2007 , 21.11.2007 [cit. 2008-02-04].
Dostupný z WWW: <http://www.ekolist.cz/zprava.shtml?x=2058635>.
[8] Ročenka dopravy České republiky 2006 [online]. 2007 [cit. 2008-02-04]. Dostupný z WWW:
<http://www.sydos.cz/cs/rocenka-2006/index.html>.
[9] HUDEC, Zdeněk, et al. Atlas drah České republiky 2006-2007. 2. vyd. Praha : Pavel Malkus,
dopravní vydavatelství, 2006. 194 s. ISBN 80-87047-00-1.
[10] Seznam sítí trolejbusové dopravy v Evropě [online]. 2007 , 31.1.2008 [cit. 2008-02-05].
Dostupný z WWW:
<http://cs.wikipedia.org/wiki/Seznam_s%C3%ADt%C3%AD_trolejbusov%C3%A
9_dopravy_v_Evrop%C4%9B#.C4.8Cesko>.
[11] Historie trolejbusů [online]. 2000 [cit. 2008-02-05]. Dostupný z WWW:
<http://trolejbusy.xf.cz/historie.htm>.
[12] Metro [online]. 2006 , 9.1.2008 [cit. 2008-02-05]. Dostupný z WWW:
<http://cs.wikipedia.org/wiki/Metro>.
[13] Letadlo na baterky letělo i s pilotem téměř hodinu [online]. 2007 , 26.12.2007 [cit. 2008-02-05].
Dostupný z WWW: <http://technet.idnes.cz/letadlo-na-baterky-letelo-i-s-pilotemtemer-hodinu-fvb-/tec_technika.asp?c=A071226_103400_tec_technika_kuz>.
[14] Battery electric vehicle [online]. 2008 , 31.1.2008 [cit. 2008-02-05]. Dostupný z WWW:
<http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_car>.
[15] BERÁNEK, Jaroslav. Izrael sází na elektromobily. Aby ušetřil ropu. Hospodářské noviny
[online]. 2008, č. 2008 [cit. 2008-02-05]. Dostupný z WWW: <http://hn.ihned.cz/c122807500-izrael-sazi-na-elektromobily-aby-usetril-ropu. ISSN 1213-7693.
15