Zemný plyn ako palivo v železničnej doprave

V inštitúcii kde pracujem, sa alternatívnym palivám venuje podstatná časť pracovného času asi tretiny ľudí; moje zameranie je trošku iné, ale sem-tam sa čo-to ujde aj mne. Väčšina prác je spojených práve so stlačeným zemným plynom (CNG), v aplikácii na motory pre osobné autá, autobusy, príp. kogeneračné jednotky. Toto sa mi spojilo so záujmom o všetko, čo sa vďaka motorom hýbe a... tak teraz píšem tento článok. Alternatívnych palív (AP) je dosť veľa, alternatívnych zdrojov energie tiež a nebudem ich tu teraz vymenovávať a opisovať. Len podotknem, že príčinou ich používania sú najčastejšie peniaze (nižšie náklady na palivo) alebo ekológia (splnenie limitov emisií škodlivín), že najsľubnejšími AP sú zemný plyn (nízke emisie), biopalivá (nízke produkcia CO2) a palivové články (kľúč k využívaniu obnoviteľných zdrojov energie), a že najväčšími problémami rozšírenia AP sú vyššie investičné náklady a nedostatočná infraštruktúra (chýbajúce čerpacie stanice).

Zemný plyn (NG) je bezfarebný plyn, bez zápachu, podľa miesta ťažby obsahuje 90 a viac % metánu, zbytok sú vyššie uhľovodíky, inertné plyny, sírovodík, vodná para. Jeho spálením vzniká iba mizivé množstvo oxidov síry (SOx), sadzí a prachu, emisie oxidu uhoľnatého (CO) a nespálených uhľovodíkov (HC) sú výrazne nižšie. Zo všetkých fosílnych palív produkuje najmenej CO2, o 25-30% menej ako kvapalné palivá. Problémom sú emisie oxidov dusíka (NOx), pretože zmes NG+vzduch horí vyššou teplotou, pri ktorej sa vzdušný dusík zlučuje s kyslíkom – to sa ale dá riešiť. (Tiež sa dá dosiahnuť, že emisie NOx sú nízke, ale za cenu vysokých hodnôt CO a HC. Ako vždy, aj tu sa hľadá kompromis). Zo všetkých palív má NG najnižšie náklady na kilometer jazdy (nemusí platiť pre všetky krajiny sveta a dokonca ani pre rôzne končiny jednej krajiny). Použitie NG ako paliva prináša o 15-25%  vyššiu investíciu do technického zariadenia, ale (až o 60%) nižšie náklady na palivo a výrazne nižšie emisie škodlivín.

 V súvislosti s NG sa spomínajú najmä dve skratky: CNG a LNG. CNG = stlačený zemný plyn, LNG = skvapalnený zemný plyn. (Občas sa skratka LNG pletie s LPG = liquified petroleum gas, zmes propánu a butánu, pôvodom z ropy). LNG, pochopiteľne, zaberá menší objem v porovnaní s CNG; vyžaduje teda menšiu a ľahšiu nádrž. Pohon LNG znamená, že v palivovej nádrži je LNG, ten sa vo výparníku mení na plyn a motor spaľuje plynný NG. Vozidlá na LNG, s približne rovnako veľkou nádržou ako majú vozidlá na naftu, majú aj približne rovnaký jazdný dosah. Dopĺňanie CNG či LNG trvá približne rovnako ako dopĺňanie nafty.

Palivový systém NG motora sa pre jednopalivovú a dvojpalivovú prevádzku líši. Mono-fuel, jednopalivové usporiadanie, môže byť s vonkajšou alebo vnútornou prípravou zmesi. To s vonkajšou prípravou tvorí buď zmiešavač v sacom potrubí (v ktorom sa NG mieša so vzduchom) alebo vstrekovacie zariadenie (ktoré vstrekuje (vofukuje?) NG pred sacie ventily). Do valcov motora sa teda dostáva zmes vzduch+NG a tá sa zapaľuje sviečkou. Vznetový motor sa tak vlastne zmení na zážihový. Takáto prestavba je najjednoduchšia: pôvodný palivový systém sa vyhodí, do dier po vstrekovačoch prídu sviečky a do sacieho potrubia pribudne zmiešavač alebo vstrekovacie trysky. Vnútorná príprava zmesi sa deje vstrekovaním (vofukovaním?) NG do predkomôrky alebo priamo do valca; na zapálenie zmesi je potrebná sviečka. Prestavba je už zložitejšia: do hlavy valca sa namiesto vstrekovača nafty namontuje vstrekovač plynu a sviečka.

Dual-fuel, dvojpalivové usporiadanie, je kombináciou pôvodného palivového systému a nového plynového. NG sa môže zmiešavať so vzduchom v zmiešavači, alebo vstrekovať pred ventily, alebo priamo do valca pred dolnou, alebo pred hornou úvraťou. Do zmesi vzduch+NG sa vstrekne malá dávka nafty, ktorá sa vznieti a zapáli aj ostatnú zmes. Takýto motor môže pracovať v dvoch režimoch: dual-fuel (nafta+NG) alebo mono-fuel (nafta). Tomu musí byť prispôsobený aj riadiaci systém, aby obe prevádzky boli ekonomicky aj ekologicky optimálne. Technicky je toto usporiadanie najzložitejšie, ale ukazuje sa ako najlepšie.

Motory na NG samozrejme netreba vždy prestavovať z naftových, ponuka priamo od výrobcov je slušná.

Prvého použitia ako paliva na železnici, ktorého som sa dopátral, sa NG dočkal v r. 1910 na 115km trati Bloomberg – Atlanta prevádzkovanej spoločnosťou Kansas City Southern Railroad. Plynom sa kúrilo pod kotlom parnej lokomotívy. Tank s NG bol uložený na plošinovom vozni hneď za lokomotívou a dopĺňal sa v cieľových staniciach; NG z neho prúdil hadicou do horeniska kotla, kde bola na rošte umiestnená sústava horákov. Prevádzka tejto zvláštnej mašinky bola úspešná: plyn zohrial vodu rýchlejšie ako uhlie a bol lacnejší. Skončila sa však už po 5 mesiacoch, keď neskúsený kurič pri zastavení v stanici otočil kohútikom prívody plynu do kotla naopak – namiesto ubratia plynu ho pustil naplno. Cez (zväčšený) priezor pecných dvierok vyleteli plamene, posádka vyskočila bez zranenia a zastavila prívod plynu na nádrži; nikomu sa nič nestalo, ale spoločnosť sa rozhodla neriskovať životy zamestnancov a prestala NG používať (ako palivo pod kotlami rušňov).

Potom nastalo dlhé obdobie ticha. Uhlia a dreva bol dostatok, po pare prišli na rad motory na benzín a naftu, elektrina, ropy bol tiež dostatok a o životné prostredie sa málokto staral – skúšať nové palivá sotva niekoho napadlo. Pohony budúcnosti sa predpokladali všelijaké, podľa toho čo bolo v móde: prúdové motory, jadrový reaktor... Ale všetky nápady akosi predbehli dobu; svet potrebuje nápady, ktorých realizácia vyžaduje minimum námahy (a peňazí) a nejaký dôvod. Tým dôvodom začali byť obavy o zásoby ropy a situácia v životnom prostredí a peniaze sa nájsť museli. Ťažko povedať/zistiť, kto prvý zostrojil lokomotívu na zemný plyn, alebo nebodaj koho to prvého napadlo. (Ešte donedávna som si myslel, že som to ja :-)) Aby som teda nikoho neurazil, pospomínam projekty podľa krajín, v ktorých sa zrodili a podľa toho, koľko som o nich zohnal info. Najviac sa v tejto oblasti udialo v USA.

Podľa California Environmental Protection Agency (CEPA), emisie motorových lokomotív sa na celkovom znečistení podieľajú mizivým percentom, ale v lokálnych podmienkach (stanice, okolie trate) je ich vplyv výrazný. A keďže v boji proti znečisteniu treba zasiahnuť na všetkých frontoch, CEPA odporúča prestavbu kalifornských lokomotív na dual-fuel NG+nafta systém: aby sa emisie znížili a zároveň, aby sa kalifornská flotila nestala v celom USA jedinou používajúcou iné palivo, na zvyšku územia bez potrebnej infraštruktúry a teda nekonkurencieschopnou.

Motorových lokomotív je v USA asi 20 000ks; často sú v prevádzke aj viac ako 40 rokov, aj 10-krát generálkované, modernizované a prestavané. Federálny úrad pre životné prostredie (EPA) stanovil emisné limity zvlášť pre posunovacie a zvlášť pre traťové lokomotívy a rozdelil ich do 3 skupín podľa roku výroby (1973-2001, 2004-2004, 2005 a neskôr). Zvláštne predpisy platia pre lokomotívy, ktoré boli prestavané alebo modernizované, t.j. takmer všetky. Jednotlivé štáty môžu stanoviť vlastné hodnoty, ale nie voľnejšie ako sú federálne. Limity sú také prísne, že je výhodnejšie kúpiť novú mašinu ako starú modernizovať. Prestavba lokomotívy na AP sa tak stáva alternatívou ku kúpe novej.

 Pomerne veľa projektov ohľadne „NG loko“ sa v USA objavilo v polovici 80.rokov. Asi najvýznamnejším bola skúšobná prevádzka CNG lokomotív (typu GP-91 s V16 1300kW motorom) v r. 1983 u Burlington Northern Railroad (BN). CNG bol v skladovaný v cestnom návese uloženom na plošinovom vozni. V prevádzke sa lokomotíva skúšala na trati Minneapolis (Minnesota) – Superior (Winsconsin) v r. 1985 - 1987. Ukázalo sa, že prevádzka je bezpečná a ekonomicky výhodná, ale pre traťovú službu je použitie CNG nevhodné, lebo vyžaduje veľmi veľkú nádrž. Preto boli obe loko prerobené na LNG. V r. 1987 sa BN dohodla s Air Produtcs and Chemicals Co. na vývoji RML tendra (RML=refrigerated liquid methane, čistejšia forma NG) a s Energy Conversions na úprave lokomotívy SD40-2 na dual-fuel LNG+nafta. SD40-2 majú motory GM EMD 645, V16, preplňované turbodúchadlom, 2237kW. Po úprave poskytovali rovnaký výkon (podľa iných zdrojov nižší, 2100kW (to je tak keď sa neuvádza pri akých otáčkach)) pri emisiách NOx a SOx nižších o 65% a emisiách CO a HC vyšších ako pôvodne (ale pod limitom) - motory boli optimalizované len na dosiahnutie nízkych NOx. Boli upravené dva stroje, BN7149 a BN7890, a premávali od r.1991 do prelomu 95/96 medzi uhoľnými baňami v Powder River Basin (Montana) a elektrárňou v Superior (Winsconsin). Na 2700km trati bola jediná čerpacia stanica, v Staples (Minnesota). V r. 1994 úspora výdavkov na palivo tejto dvojice predstavovala 31% oproti pôvodnej prevádzke na naftu. A to istá správa z r. 1992 tvrdí, že „v súčasných podmienkach je prevádzka CNG/LNG/dual-fuel loko ekonomicky neúnosná“. (Technika sa vyvinula, zlacnela, nakoniec je to aj ekonomicky únosné). V r. 1995 sa BN zlúčili s Atchinson, Topeka and Santa Fe Railway Co. (ATSF) do spoločnosti BNSF a nové vedenie rozhodlo o skončení LNG prevádzky. (Administratíva istého US prezidenta a jeho viceprezidenta upravila spotrebnú daň z uhľovodíkových palív tak, že rozdiel cien nafty a NG je príliš malý na to, aby sa investícia v rozumnom čase vrátila).

Práve v čase skončenia dual-fuel prevádzky BN7149 a BN7890 (ďalej premávali iba na naftu), GM ElectroMotiveDivision (EMD) a General Electric predstavili novú LNG loko ako výsledok spoločného vývoja.

V r. 1992 Boise Locomotive Co. (predtým Morrison-Knudsen) začala vývoj LNG lokomotívy, do ktorého sa v r. 1993 zapojili Union Pacific Railroad Co. (UP) a ATSF. Výsledkom bola posunovacia lokomotíva MK1200G uvedená do prevádzky v r. 1994. Má motor Caterpillar, turbodúchadlom preplňovaný V16, s výkonom 1350hp@1500rpm, prevádzka jednopalivová na LNG so vstrekovaním NG do valca, prenos výkonu elektrický, 3 nádrže celkového objemu 5300dm3 sú umiestnené pod rámom. UP prevádzkujú dva kusy (UP1298 a UP1299) na UP Commerce Yard v Los Angeles. Priemerne sú v prevádzke 8,5hod denne. BNSF majú takisto dva kusy, BN1200 a BN1201, tie sú v službe striedavo v stanici Hobart a v L.A. Railway Junction vo Vernone. Ich priemerná denná šichta trvá 10-15hod, počas nej spotrebujú asi 815dm3 LNG. Vo Vernone je aj plnička, ktorú využívajú lokomotívy BNSF; v priemere sa palivo dopĺňa raz za týždeň, plnenie trvá 15-40min (podľa stavu nádrže a podľa toho, či sa plnia obe mašiny naraz alebo iba jedna).

V r. 1993 sa v USA rozbehol asi najväčší NG loko projekt, GasRailUSA, v ktorom okrem ministerstva energetiky, výskumných ústavov a výrobcov lokomotív a motorov a príslušenstva, figurujú aj železničné spoločnosti. V rámci tohto programu sa na LNG upraví/-uje (aj) osobná lokomotíva F59PHI (motor EMD, 2250kW) spoločnosti Metrolink.

Za zmienku ešte stoja info, že UP a EMD v r. 1995 pracovali na ťažkej traťovej dual-fuel LNG+nafta lokomotíve. Boli to vlastne dve spriahnuté mašiny a medzi nimi 113m3 tender.

Rovnako veľkú lokomotívu ako MK1200G, označenú MP1200G, ponúka aj konzorcium  MotivePower/Wabtec, dokonca s rovnakým motorom; ak to náhodou nie je tá istá, prepojenia spoločností sú divoké (zvlášť keď ide o balík štátnych peňazí).

Energy Conversions upravila aj lokomotívu Alco MLW FPA-4 spoločnosti Napa Valley Wine Train, č. 73, na mono-fuel CNG prevádzku. Lokomotíva mala pôvodne motor Cummins, ten sa vymenil za Caterpillar, nádrže CNG sa umiestnili pod rám. Vďaka tejto lokomotíve NVWT produkuje o 34t menej NOx ročne a za to získala ocenenie „Clean Air Award“ od American Lung Association (Združenie amerických pľúc). (Prečo ho nedostali iné spol., mi je záhadou).

V Kanade sa niekoľko NG loko projektov realizovalo od r. 1988, ale skončili keď ich opustil Bombardier. Kanada však ratifikovala Kjótsky protokol a s USA podpísala dohodu o emisiách lokomotív (kanadské loko premávajúce za hranice musia spĺňať americké normy). Preto bol spustený nový, vládou podporovaný, projekt; najväčším problémom je chýbajúca legislatíva – okrem dohody medzi Railway Association of Canada a ministerstvom životného prostredia, neexistuje nič čoho by sa technici mali držať: emisné limity, bezpečnostné predpisy...

V Sovietskom zväze a v Rusku sa NG lokomotívami zaoberajú od r. 1984. V r. 1989 SŽD skúšali CNG pohon na trojnápravovej posunovacej lokomotíve TGM23V48-1835 (lokomotívka Murom) a magistrálnej šesťnásťnápravovej (Co´Co´+2´2´+Co´Co´) trojdielnej lokomotíve 3TE116G-0001 (lokomotívka Lugansk). V r. 1997 v BMZ Brjansk upravili na LNG pre RŽD lokomotívu TEM18G-001 a dva roky neskôr aj TEM18G-002. Lokomotívy majú dva motory, jeden na naftu druhý na NG; pri malých zaťaženiach beží iba naftový, pri vyšších iba silnejší na NG. Za rok jedna takáto lokomotíva ušetrí asi 70t nafty; ešte k tomu je plyn v Rusku lacnejší ako nafta. V r. 2001 skúšali RŽD v Ščerbinke aj TEM2U-8496 na mono-fuel NG.

DB sa obávajú o osud svojich naftových lokomotív po roku 2006, keď aj v EU začnú platiť emisné predpisy (aj) pre železničné HKV. NG je možným riešením ich problémov a tak v r. 1997, prostredníctvom dcérskej spoločnosti UBB, sprevádzkovali na ostrove Usedom motorovú jednotku 772.2+972.2 so 170kW motorom MAN na CNG. Nádrže sú umiestnené pod podlahou riadiaceho vozňa, celkom ich je 12 objemu 1280dm3 a vystačia na asi 750km jazdy. Plniaca stanica je v Seebad Heringsdorf, slúži aj vlakom aj autám; plnenie motoráčika trvá asi 10min. Neskôr sa do prevádzky dostala ďalšia (dve?) súprava.

Potom v r.2001 upravili DB v spolupráci s Linde na LNG pohon posunovaciu lokomotívu 760.877 (Köf360); slúži v Mníchove. Poháňa ju 8valec Caterpillar, 472kW; 770dm3 nádrž (zodpovedá 400dm3 nafty) je v zadnej časti mašinky. V roku 2002 boli takto upravené ďalšie stroje rovnakého typu.

Lokomotív na NG nie je vo svete veľa, informácii o nich ešte menej; niektoré sú celkom slušné, ale niektoré sú iba stručnými zmienkami. (Najhoršie je, že o projekte sa informuje iba na začiatku, počas neho vôbec, aby sme náhodou neprezradili niečo, z čoho by mohla vyťažiť konkurencia a na záver iba ak bol projekt úspešný). Z takých útržkovitých informácii možno usudzovať, že s NG lokomotívami experimentujú aj v Austrálii a na Novom Zélande, v Číne vraj nie sú ničím výnimočným: do miest kam nevedú plynovody na plyn dováža vlakmi, tak sa skrátka z jedného vagóna natiahne hadica na lokomotívu a je to. Čosi sa deje aj v Iráne, ale to som vzhľadom na svoje (ne-)znalosti arabčiny a perzštiny nerozlúštil. Podľa Nemecko-arabskej priemyselnej a obchodnej komory podpísali egyptská firma  AFG a americká IMPCO Technologies dohodu o rozšírení používania CNG ako paliva z osobných áut aj na autobusy, kamióny, stacionárne motory, lodnú a železničnú dopravu. V r. 1998 sa v Holandsku uvažovalo o 10 posunovacích lokomotívach na LNG a o vlaku Rotterdam – nemecké Porúrie ťahanom LNG lokomotívou. Ako to dopadlo, som (zatiaľ) nezistil.

Takže, musím si sám odpovedať na otázku, ktorú som kedysi položil na fóre: „dá sa to?“ „Áno, dá, a celkom úspešne“. Ako väčšina vecí v technike, možné je všetko, pokiaľ to neodporuje fyzikálnym zákonom, otázka je, koľko sme za to ochotný zaplatiť. A to je dôvod, prečo v technike nikdy nie je nič 100%, všetko je len akýmsi kompromisom. 100% riešenie by stálo príliš veľa (nielen peňazí).

 Na Slovensku by, vzhľadom na to, že NG je lacnejší ako nafta, a že máme skúsenosti s CNG busmi, nebolo veľkým (technickým) problémom upraviť na CNG  dáky 81X: nádrže by mohli byť pod podlahou prípojného/riadiaceho vozňa alebo na streche a ich kapacita by na bežnú služba hravo vystačila. Keby sa našiel niekto ochotný a schopný investovať do LNG technológie, mohli by sme mať aj posunovacie aj traťové NG loko a aj náskok pre inými krajinami a aj šancu naše skúsenosti predať. Keby...

Záverom snáď pár slov o využití iných palív na pohon lokomotív. Tak napríklad, na bionaftu jazdili HKV aj v ČR, motorové vozne 810 a lokomotívy 771, 749 a 751 u ČD; u JMHD lokomotíva 705.9 a snehová fréza; u Jizerskej dráhy 810 najaté od ČD; tiež v Nemecku. Svietiplyn síce nemožno považovať za alternatívne, alebo nebodaj ekologické palivo, ale keďže je už reč o „iných“ palivách a ešte k tomu plynných, je dobré vedieť, že kedysi naň jazdili motorové vozne na trati Jelenia Góra – Sobieszów. Medzi vojnami a krátko po nej, v časoch nedostatku benzínu a nafty, sa jazdilo aj na drevoplyn, najviac asi v Nemecku, ale aj v ČSR. Na LPG sa jazdilo/-í v Austrálii; v Brazílii jazdia na rôzne alkoholy (metanol, etanol) okrem veľkého množstva osobných aj nákladných áut a autobusov aj lokomotívy (za prvej republiky aj u ČSD jazdili motorové vozne na dynalkol (etanol+benzén)). V r. 1983 EMD vyrobila sériu lokomotív pre Južnú Afriku poháňaných zmesou nafty a metanolu.

Pracuje sa aj na hybridnej lokomotíve, najmä pre posun, kde sa výkon motora využíva iba mizerne. Hybridná loko má asi o 30% nižšiu spotrebu a až o 80% nižšie emisie. Napr. kanadská RailPower Technologies spolu s UP vyvíjajú lokomotívu, ktorej malý (100kW) naftový motor dobíja olovené akumulátory a tie zásobujú prúdom trakčné motory. Aj v ČSSR jeden čas behala hybridná loko, TA436.05 vychádzajúca z T457.0.

V labákoch všelijakých výskumákov bežia motory (niekde už aj autobusy s takými motormi) na „hythane“ (zmes vodíka a NG), aj čistý vodík; ak sa zopakuje situácia s NG, keď železnice odkukali technológiu od autobusov, možno očakávať, že aj loko budú jazdiť na hythane alebo/a vodík. Tým skôr, že spaľovanie vodíka sa pokladá za akúsi dočasnú technológiu pri prechode ľudstva na vodíkovú energiu. Mimochodom, lokomotívy na palivové články sa už tiež rysujú, napr. jedna v rámci výskumu a vývoja pre americkú armádu u firmy Fuelcell Propulsion. Máme sa teda na čo tešiť.

Poznámka: ak by niekto vedel niečo v tomto článku upresniť, nech sa ozve; každé upresnenie vítam. O niektorých projektoch mám pomerne podrobné info, kto by mal hlbší záujem sa môže tiež kľudne ozvať; odpoviem, odporučím, pošlem.

Poďakovanie: iskrička, Scott Jensen, autori fotografií

Ospravedlnenie: autorom fotografií; stiahol som ich z webu a žiadneho autora som sa nepýtal, či môžem jeho fotky uverejniť. Sorry :-)

Marek Gono