Skrót referatu przygotowanego na 50-lecie elektryfikacji kolei w Polsce
Racjonalny zakres elektryfikacji linii kolejowych
Artykuł dyskusyjny
Czynniki decydujące o elektryfikacji linii kolejowej
O potrzebie i celowości elektryfikacji linii kolejowej decydują czynniki: ekonomiczne, techniczno-eksploatacyjne i inne.
Przed podjęciem decyzji o elektryfikacji linii bada się jej ekonomiczną zasadność. Temat ekonomicznego uzasadnienia inwestycji jest zbyt ogólny i skomplikowany, aby można było go tu omówić w całości. Z tego powodu zastaną jedynie wskazane możliwe (i często stosowane) sposoby podejścia do tego zagadnienia i najważniejsze czynniki, które mają wyraźny wpływ na wynik analizy.
Metodyka wykonywania obliczeń ekonomicznych, uzasadniających elektryfikację danej linii, jest w przedsiębiorstwie PKP formalnie ustalona [15, 16]. Przyjęto tzw. "rachunek względny", tzn. wybór korzystniejszego z dwóch wariantów realizacji zamierzania rozwojowego w zakresie modernizacji trakcji oraz "formułę uproszczoną" czyli nie uwzględnia się czynnika czasu w postaci dyskonta. Ponadto stosuje się "różnicową formułę rachunku", w której porównuje się nakłady sprowadzone do wymiaru rocznego i roczne koszty eksploatacji dla rozpatrywanych rodzajów trakcji oraz oblicza się okres zwrotu poniesionych nakładów z amortyzacji i zysku. Postanowienia te wymagają pewnego komentarza.
Celem modernizacji transportu kolejowego jest przede wszystkim modernizacja trakcji, która ma zasadnicze znaczenie dla pracy kolei. Z uwagi na przestarzałość trakcji parowej porównuje się jedynie ze sobą trakcję spalinową S i elektryczną E.
Ze względu na specyfikę obu wymienionych rodzajów trakcji - S - mniejsze nakłady inwestycyjne, większe koszty eksploatacyjne, E - duże nakłady inwestycyjne, małe koszty eksploatacyjne - konieczne było opracowanie metod rachunku ekonomicznego, który umożliwiałby bezpośrednie porównanie ze sobą cech obu rodzajów trakcji.
Z punktu widzenia celu rozróżnia się 3 rodzaje rachunku ekonomicznego:
- rachunek, którego celem jest określenie kryterium ekonomicznego, umożliwiającego w sposób wystarczająco dokładny wyznaczenie zakresu (zespołu) linii kolejowych, na których najbardziej efektywna jest trakcja elektryczna. Aby ten cel osiągnąć określa się tzw. "próg opłacalności elektryfikacji", tj. natężenie ruchu w mln ton/rok lub wielkość rocznego zużycia energii w MWh/km X rok, powyżej którego trakcja elektryczna jest na pewno opłacalna;
- rachunek, którego celem jest określenie kryterium stanowiącego miernik przy wyznaczaniu kolejności elektryfikacji linii. Miernikiem takim może być okres zwrotu nakładów inwestycyjnych, tzn. linia kolejowa, której okres zwrotu nakładu jest najkrótszy, powinna być zelektryfikowana w pierwszej kolejności;
- rachunek, którego celem jest uzasadnienie zaprojektowanego rozwiązania elektryfikacji linii w stosunku do innych wariantów modernizacji trakcji.
Na wynik rachunku ekonomicznego mają również wpływ liczne dane wyjściowe. Chociaż przyjęta metodyka określa, jakie dane wyjściowe (również ich wartości) należy przyjmować do obliczeń, nie zmienia to faktu, że zmiana tych danych ma wyraźny wpływ na wynik. Można tu wymienić: - ceny paliw (ropy i energii elektrycznej),
- stopę procentową od nakładów inwestycyjnych,
- obliczeniową stopę amortyzacji od nakładów inwestycyjnych.
Jako podstawowy wskaźnik, umożliwiający wstępną orientację, opracowano tzw. "próg opłacalności elektryfikacji". Metody tego rachunku (pierwsze opracowanie w 1964 r.) były przez szereg lat doskonalone, uściślane oraz rozciągane na różne warunki eksploatacyjne (dla linii 2- i 1-torowych, dla różnych udziałów przewozów pasażerskich w całości przewozów itp.). W wykonanych analizach uwzględniono również dotychczasowe zmiany cen paliw i ich wzajemne relacje oraz opracowano prognozę długoterminową spodziewanych trendów zmian relacji cen. Wyniki obszernych analiz wykonanych przez COBiRTK w latach 1972-84 wykazują, że w miarę natężenia wzrostu ruchu kolejowego, zmian cen (wzrost ceny paliw płynnych) i wzrostu zużycia energii na linii (spowodowanego m.in. wzrostem prędkości) zakres linii, które opłaca się elektryfikować, stale się zwiększa.
Z ależność ta jest przedstawiona w formę wykresu na Rysunku 1 [5] (poniżej); podano na nim również procentowy udział linii PKP nadających się do elektryfikacji.
Należy przy tym zauważyć, że podano jedynie zakres linii, których elektryfikacja jest ekonomicznie uzasadniona. Natomiast z innych względów wskazana będzie elektryfikacja dalszych 1000-1500 km linii, co zostanie szczegółowo uzasadnione niżej.
Mimo stosowania jako miernika natężenia przewozów na linii kolejowej należy zauważyć, że właściwym miernikiem jest jednostkowe obciążenie energetyczne linii wyrażone w MWh/km-rok, względnie w średniej mocy pobieranej na linii w MW/km. W tak ustalonym mierniku uwzględnia się m.in. profil linii, rodzaje pociągów i udział pociągów pasażerskich w całości przewozów. Jako ilustrację wyników tak wykonanych obliczeń pokazano na rysunku 2a i b wykresy "progów opłacalności elektryfikacji" linii z uwzględnieniem udziału przewozów pasażerskich oraz z wyodrębnieniem linii 2- i 1-torowych. Są to dane uzyskane w opracowaniu COBiRTK z 1979 r. (nr 3490/17 etap 2). Wykazują one wyraźnie, jaki wpływ na wyniki ma poziom cen i ich wzajemne relacje. Wynika z nich również, jaki wpływ ma udział ruchu pasażerskiego w całości przewozów.
Należy ogólnie zauważyć, że:
- w miarę wzrostu przewozów na linii kolejowej wzrasta również jej obciążenie energetyczne i przy jego odpowiednim natężeniu osiąga się "próg opłacalności elektryfikacji" linii,
- przewozy pasażerskie cechują się znacznie większym jednostkowym zużyciem energii za przewóz 1 tkm, zatem jeśli przy danych przewozach globalnych wzrasta udział przewozów pasażerskich, to "próg opłacalności" osiąga się przy mniejszych przewozach globalnych, liczonych w w mln ton/rok,
- jeśli te same przewozy są wykonywane na linii równinnej i podgórskiej, to próg opłacalności będzie niższy na linii podgórskiej, gdyż jednostkowe zużycie energii będzie wyższe. Obrazują to wykresy przedstawione na rys. 3a i b, pochodzące z opracowania COBiRTK z 1984 r. (nr 3654/17,). Również na tych rysunkach uwzględniono dane dla linii 2- i 1-torowych oraz wpływ udziału ruchu pasażerskiego.
Wszystkie przytoczone wyżej wyniki obliczeń umożliwiły prognozowanie zakresu i warunków elektryfikacji PKP w okresie docelowym (rys. 1). Na zakończenie tych rozważań należy zauważyć, że opóźnienie elektryfikacji linii, która jest "dojrzała" do elektryfikacji, jest ewidentną stratą gospodarczą, gdyż nie uzyskujemy korzyści, jakie mogłaby przynieść elektryfikacja. Wchodzimy tu jednak w zagadnienia tempa i możliwości realizacji elektryfikacji, które wymagają osobnego omówienia.
Graniczny zakres elektryfikacji linii kolejowych
Zanim przejdziemy do analizy warunków techniczno-ekonomicznych, miarodajnych dla PKP, celowe będzie przeanalizowanie przebiegu elektryfikacji linii 3 zarządów kolejowych: Włoch, Francji i RFN. Jakkolwiek, ściśle biorąc, układy stosunków techniczno-ekonomicznych są w różnych krajach różne, to jednak ograniczymy się do omówienia relacji podstawowych i uwzględnienia tych zależności, które są ważne również dla PKP.
Analiza danych statystycznych
Dla kolei Włoch i Francji charakterystyczne jest to, że kończyły one elektryfikację dwa razy. Na przykład koleje włoskie osiągnęły w okresie 1971-1975 przyrost długości linii zelektryfikowanych tylko 13 km , tzn. osiągnęły kres docelowej elektryfikacji. Natomiast w okresie 1975-1980 przyrost długości linii zelektryfikowanych wyniósł aż 802 km, tj. 160 km/rok , osiągając ogólną długość 8743 km. Podobna sytuacja wystąpiła na kolejach francuskich, gdzie w okresie 1970-1975 średni przyrost roczny wynosił 16 km , a w okresie 1976-1980 aż 164 km/rok , osiągając ogólną długość linii zelektryfikowanych 10100 km.
Na kolejach RFN zjawisko takie nie wystąpiło, bowiem tempo elektryfikacji było ustabilizowane, tzn. w latach 1970-1975 elektryfikowano średnio 283 km/rok , a w 1975- 1980 - 230 km/rok. W okresie, 1980-1984 średnie tempo spadło do 23 km/rok lecz było to wywołane faktem, że osiągnięto docelowy zakres elektryfikacji (11 425 km).
Powyższe stwierdzenia wymagają wyjaśnień. Wspomniany wyżej spadek tempa elektryfikacji kolei Włoch i Francji był wywołany tym, że dla warunków techniczno-ekonomicznych, jakie istniały przed 1973 r., tj. przed tzw. "kryzysem energetycznym", koleje te osiągnęły kres elektryfikacji ekonomicznie uzasadnionej. Gwałtowne zmiany cen paliw płynnych i zmian dotychczasowej relacji cen ropy i energii elektrycznej uzasadniły dalszy rozwój elektryfikacji, tzn. obniżyły wyraźnie próg opłacalności elektryfikacji na linie o znacznie mniejszych przewozach. Ten fakt spowodował ponowny wzrost tempa oraz uzasadnił elektryfikacje tych linii, których elektryfikacja była dotychczas nieopłacalna.
Należy również zwrócić uwagę na dalsze czynniki, związane z docelowym zakresem elektryfikacji linii. Odpowiednie dane zebrano w tabeli, w której dla umożliwienia porównania podano również dane dla Polski, choć należy zauważyć, że PKP są jeszcze dalekie od osiągnięcia docelowego zakresu elektryfikacji.
Analiza danych zawartych w tabeli umożliwia wyciągnięcie wniosków:
- największy udział w całości linii osiągnęła (wśród ww. państw) elektryfikacja na kolejach włoskich (54,5%), na których wykonuje się trakcją elektryczną aż 90% przewozów. Z tego wynika, że na 45,5% sieci kolejowej Włoch wykonuje się tylko 10% całości przewozów, są to wiec linie bardzo mało obciążone. Potwierdza to uwagę, podaną przez prof. Cz. Jaworskiego jeszcze w 1974 r., że średnie obciążenie linii zelektryfikowanej we Włoszech było już wówczas mniejsze od średniego obciążenia nie-zelektryfikowanej linii PKP,
- koleje francuskie mają zelektryfikowane "zaledwie" 32,6%, lecz na tych liniach wykonują aż 81,0% przewozów. Świadczy to o tym, że na liniach zelektryfikowanych skoncentrowano dużą część przewozów, prawdopodobnie kosztem wydłużenia pewnych relacji, lecz okazało się to opłacalne,
- koleje RFN na, 39,8% linii zelektryfikowanych wykonują 86,4% całości przewozów, zatem stosują również koncentrację przewozów na liniach zelektryfikowanych choć nie w takim zakresie, jak koleje francuskie,
- przez analogię można stwierdzić, że koncentracja przewozów na liniach PKP jest jeszcze mniejsza niż na kolejach RFN.
Na podstawie danych statystycznych odnoszących się do przebiegu elektryfikacji linii kolejowych w różnych państwach i udziału trakcji elektrycznej w przewozach, wykonano wykres przedstawiony na rysunku 4. Linię ciągłą oznaczono zakres największego skupienia punktów pomiarowych, zaś liniami przerywanymi obwiednie punktów uzyskanych z danych statystycznych. Wykresy te są bardzo charakterystyczne i umożliwiają wyciągnięcie następujących wniosków:
- w każdym przypadku elektryfikacja kolei przebiega tak, że procentowy udział przewozów jest znacznie wyższy niż procentowy udział linii zelektryfikowanych,
- nawet w najniekorzystniejszych warunkach procentowy udział przewozów jest większy od procentowego zakresu elektryfikacji linii, - największą przewagę udziału przewozów nad udziałem linii zelektryfikowanych uzyskuje się na początku, ewentualnie w "środku" elektryfikacji,
- najmniejsze przyrosty zysku z elektryfikacji osiąga się pod koniec (docelowy zakres) elektryfikacji,
- zakres elektryfikacji kolei nie przekracza 65% długości linii. Przy tym zakresie elektryfikacji przewozy wykonane trakcją elektryczną stanowią średnio licząc 85% całości (zakres wahań od 75% do 95%). Wpływ czynników technicznych i innych
Drugą grupą czynników mających wyraźny wpływ na zakres elektryfikacji linii są czynniki techniczne. W początkowej i zaawansowanej fazie elektryfikacji o jej celowości decydują z reguły warunki ekonomiczne, natomiast w fazie końcowej o konieczności elektryfikacji pewnych odcinków linii mogą zadecydować potrzeby techniczno-eksploatacyjne. Można tu wymienić linie w długich tunelach, w których groziłoby zatrucie pasażerów spalinami, linie o bardzo dużych wzniesieniach, prowadzenie ruchu w skrajnych warunkach klimatycznych (mrozy, upały lub linia kolejowa biegnąca na dużych wysokościach). Poza tym elektryfikacja odcinków linii między istniejącymi ciągami zelektryfikowanych linii głównych, elektryfikacja odcinków zamykających zelektryfikowane ciągi komunikacyjne lub odcinków ułatwiających dojazd lokomotyw do elektrowozowni itp.
Do pozostałych czynników (3. grupa), które mogą zadecydować o elektryfikacji, można zaliczyć: konieczność zapewnienia ochrony przed pożarami stepów i lasów, zapewnienia ochrony terenów rekreacyjnych i turystycznych lub konieczność dowozu okresowego dużej liczby pasażerów, w możliwie dogodnych warunkach (np. okresowe targi, pielgrzymki itp.). Należy przy tym stwierdzić, że nawet przy zdecydowaniu się na elektryfikację danej linii "ze względów technicznych" można przy pomocy rachunku ekonomicznego wykonanego w skali makro (tzw. rachunek "ciągniony") wykazać opłacalność takiej elektryfikacji przez uwzględnienie wszystkich korzyści (również pośrednich) dla gospodarki krajowej i korzyści społecznych (zysk na czasie, podniesienie zdrowotności, lepsza jakość przewozów pasażerów itp.).
Kolejność i tempo realizacji elektryfikacji kolei
Na zakończenie rozważań o maksymalnym zakresie elektryfikacji linii PKP należałoby omówić dwa zagadnienia: kolejność elektryfikacji linii i jej racjonalne tempo. Oba są skomplikowane, gdyż mają na nie wpływ różnorodne (czasami przeciwstawne) czynniki i dlatego będą omówione jedynie szkicowo, zaś zainteresowanych należy odesłać do literatury [7, 5].
Kolejność elektryfikacji linii kolejowych Na kolejność elektryfikacji linii wpływają różne czynniki. Z punktu widzenia "czystej" ekonomii należałoby elektryfikować najpierw te linie, które dałyby największe korzyści. Nie jest jednak uzasadnione elektryfikowanie linii położonych w różnych częściach sieci PKP tylko dlatego, że dadzą one w danej chwili największe wpływy. Kolejność elektryfikacji linii musi uwzględniać ich ciągłość. Tworzenie "wysp" jest szkodliwe zarówno ze względów eksploatacyjnych, jak również z powodu konieczności organizowania baz dla realizacji tylko jednej wydzielonej linii, co jest związane z dużymi nakładami kosztów. Należy się też liczyć z koniecznymi nakładami inwestycyjnymi. Może okazać się celowe zelektryfikowanie najpierw linii dającej mniejsze korzyści lecz "za to" wymagających mniejszych nakładów na realizację. Celowe jest również grupowanie prac elektryfikacyjnych na pewnych obszarach, gdzie jest już zorganizowane zaplecze wykonawcze, przygotowane pro-projekty i służba inwestycyjna. Kolejność różną od wynikającej z rachunku ekonomicznego mogą też wymusić doraźne potrzeby przemysłu lub konieczność usprawnienia masowych przewozów pasażerskich w pewnych aglomeracjach. Podawanie dalszych argumentów wydaje się zbędne. Tempo elektryfikacji linii kolejowych Podobnie na tempo elektryfikacji linii mają wpływ najróżniejsze czynniki, a tematowi temu poświęcono szereg analiz, prac badawczych i artykułów technicznych. Z punktu widzenia techniczno-ekonomicznego racjonalne byłoby takie tempo, które umożliwiłoby przejęcie pracy przewozowej wykonywanej przez zanikającą trakcję parową i wzrost pracy przewozowej, której nie może przejąć istniejąca trakcja spalinowa. Na kolejach, gdzie trakcja parowa została już zlikwidowana całkowicie, stosuje się inne kryteria. Czynnikami, które wyraźnie mogą ograniczyć to tempo, są:
- możliwości wytwórcze przemysłu (niezbędny tabor oraz podstawowa aparatura układu zasilania i materiały montażowe),
- możliwość dokonywania zamknięć torowych dla montażu sieci trakcyjnej i niezbędnej modernizacji linii kolejowej,
- dostępne środki finansowe na inwestycje i kapitalne remonty urządzeń na elektryfikowanej linii,
- możliwości przerobowe przedsiębiorstw montażowych,
- pewien wpływ (zwłaszcza przy dużym tempie) mają również ograniczone możliwości biur projektujących elektryfikację.
Z drugiej strony zbyt małe tempo powoduje, że nie uzyskuje się potencjalnych korzyści ekonomicznych i eksploatacyjnych. Małe tempo odsuwa zakończenie elektryfikacji PKP do bardzo odległych terminów, co jest wyraźnie szkodliwe gospodarczo. Nie są wskazane również nagłe zmiany tempa, gdyż dezorganizuje to zarówno proces inwestycyjny, jak i eksploatację kolei. Oczywiście przy organizacji całego procesu elektryfikacji kolei w jakimś kraju od początku najlepsze byłoby (jak to wykazano wyżej) rozpoczęcie elektryfikacji w szybkim tempie i stopniowe jego zwalnianie aż do osiągnięcia racjonalnego jej zakresu. Jest to jednak stwierdzenie teoretyczne, które w warunkach realnych podlega różnym korektom. Według opracowań wykonanych przez różne instytucje (COBiRTK, politechniki, biura projektów) obliczono w różnych okresach jako racjonalne różne tempo, np. 400, 500 i 600 km/rok. W praktyce osiągano max. tempo 400-450 km/rok, a w rekordowym roku 1985 - 595 km.
Zakończenie elektryfikacji linii PKP zaplanowane na 2000 r. będzie trudno zrealizować, gdyż uzyskanie tego terminu byłoby możliwe tylko pod warunkiem, że średnie tempo roczne będzie wynosiło co najmniej 600 km/rok. Zatem elektryfikacja PKP będzie trwała jeszcze na początku XXI wieku. Przedstawione rozważania i przytoczone argumenty umożliwiają wyrobienie sobie poglądu na występujące potrzeby, uzasadniony zasięg i tempo elektryfikacji kolei oraz na występujące w tym zakresie ograniczenia i możliwości.
Bibliografia
[1] Chambadal M.: - La traction electrique a la SNCF en 1982, Elektrische Bahnen 1983, 10
[2] Coumet J.: - Der elektrische Zugbetrieb der SNCF im Jahre 1983, Elektrische Bahnen 1984, 12
[3] Frontczek F.: Prespektywlczne problemy zasilania trakcji elektrycznej na
PKP. Referat na Sympozjum COBIRTK - IV.1974 [4] Frontczak F.: - 50-lecie elektryfikacji PKP (w druku)
[5] Frontczak F., Wasilewicz W.: - Zakres stosowania trakcji elektrycznej na PKP. Wiadomości Elektrotechniczne 1982, 3
[6] Kożuchowski K., Polak Z., Wasilewicz W.: - Niezbędny zakres elektryfikacji kolei w aktualnej sytuacji paliwowo-energetycznej. "Przegląd Komunikacyjny" 1980, 1
[7] Kuczborski S., Polak Z., Wasilewicz W.: - Kryteria kolejności elektryfikowania linii kolejowych. "Przegląd Komunikacyjny" 1974, 5
[8] La traction electrique dans le monde. Revue General des Chemins de Fer 1984, 10
[9] Mayer L.: - Diffusione nel mondo dei divessi sistemi di elettrifizione ferroviaria. Ingegneria Ferroviaria 1983, 12
[10] Mayer L.: - La scelta del sistema di trazione elettrica al lume die recenti soluzioni. Ingegneria Ferroviaria 1978, 3
[11] Mayer L.: - Sensibilita al diversi fattori tecnici ed economici della convarienza della elettrificazione di una linea ferroviaria. Ingegneria Ferroviaria, 1984, 6
[12] Mayer L.: - Sviluppo, nel mondo, delia elettrificazione ferroviaria. Ingegneria Ferroviaria 1982, 8
[13] Mayer L.: Sviluppo, nel mondo, delie elettificazione ferroviaria. Ingegneria Ferroviaria 1984, 5
[14] Satiłova L. N.: - Elektrifikacija żeleznych dorog mira. Żeleznodorożnyjj Transport 1983, 7
[15] Uchwala RM nr 173 z dn. 1974-07-12 w sprawie oceny ekonomicznej efektywności inwestycji i innych zamierzeń rozwojowych
[16] Wytyczne metodologiczne COBIRTK z 1975 r. w sprawie wykonywania rachunku ekonomicznego opłacalności inwestycji
