Železnice predstavujú jeden z najefektívnejších spôsobov dopravy s najnižšími emisiami. Podľa Medzinárodnej energetickej agentúry by mestské a vysokorýchlostné železnice mohli priniesť značné výhody pri znižovaní emisií skleníkových plynov a riešení dopravných kolapsov, ako aj pri zlepšovaní kvality ovzdušia. Téme sa venovala aj Stredoeurópska energetická konferencia  CEEC, ktorú finančne podporila aj Nadácia MH SR.

Analýzu modernej železničnej dopravy s využitím fotovoltaických panelov predniesol počas konferencie analytik českého Výskumného centra AMO Oldřich Sklenář. Jeho príspevok zverejňujeme v pôvodnom jazyku.

Využitie fotovoltaiky na železnici

Železniční doprava patří obecně mezi jeden z energeticky nejefektivnějších a současně nejekologičtějších způsobů přepravy osob i nákladu. Dle letošního reportu Mezinárodní energetické agentury zajišťuje globálně přibližně 8 % přepravního výkonu v osobní a 9 % v nákladní dopravě. Spotřebuje přitom pouhá 3 % energie v sektoru dopravy. 

Přesto se i zde nabízí možnost zvýšení efektivity ve smyslu snížení produkovaných emisí a zejména snížení nákladů na nákup fosilních paliv či síťové elektřiny. Cestou k tomuto zefektivnění je zapojení obnovitelných zdrojů energie, zejména fotovoltaiky. Ta zaznamenala v posledních letech pokles sdružených nákladů na výrobu elektřiny o přibližně 90 %. Současně je velmi flexibilní co se možných způsobů využití týče. V případě železniční dopravy lze konkrétně mluvit o těchto oblastech:

• Napájení bezdrátových senzorů napojených na železniční infrastrukturu.
• Krytí spotřeby prvků zabezpečovacího zařízení.
• Krytí vlastní spotřeby v drážních budovách.
• Napájení pomocných systémů kolejových vozidel (osvětlení, ventilace, klimatizace apod.).
• Pohon samotných vozidel.

^{Srovnání vývoje sdružených nákladů na výrobu elektřiny. Zdroj: Fakta o klimatu}

Bezdrátové senzory, napájené pomocí fotovoltaiky v ostrovním režimu, mohou tvořit prvky tzv. smart železnice. Vzhledem k jejich případné vzdálenosti od dostupných napájecích uzlů, vychází tento způsob instalace v mnohých případech výhodněji už jen z toho důvodu, že odpadá nutnost budování samostatného napájecího vedení.

Krytí spotřeby prvků zabezpečovacího zařízení, případně provozu drážních budov (ať už se jedná o výpravní budovy, dopravní kanceláře, železniční dílny či jiné drážní objekty) zase umožňuje zmíněné snížení provozních nákladů na nákup elektřiny ze sítě. 

Příkladem může být pilotní instalace z Wessexu v jižní Anglii. Solární elektrárna o výkonu 30 kWp je stvořena stovkou panelů, umístěných na pozemku v blízkosti trati. Vyrobená elektřina slouží k napájení světelné signalizace.

Fotovoltaické panely mohou být ovšem umístěny i přímo na střechách střechách drážních budov nebo zastřešení vlakových nástupišť. Jejich výroba poté může sloužit ke krytí provozu klimatizačních jednotek, vzduchotechniky, osvětlení či jiných elektrických spotřebičů. 

Například stanice Horrem v Severním Porýní-Vestfálsku je kompletně napájená pomocí obnovitelných zdrojů energie. Dodávku elektřiny zajišťuje střešní elektrárna s roční výrobou 31 MWh. Vytápění a ohřev teplé vody je zase řešen s využitím fototermických kolektorů a tepelného čerpadla. 

První projekt střešní fotovoltaické elektrárny se nyní chystá i v České republice, konkrétně ve stanici Děčín východ, kde by měla na střeše výpravní budovy vzniknout instalace s výkonem 24 kWp.

Podobné projekty se ovšem neomezují pouze na oblast Evropy. Příkladem mohou být stanice v indickém Guwahati, Vijayawadě nebo Chennai. Poslední z nich dosahuje instalovaného výkonu 1,5 MWp. Dle dostupných údajů hodlá státní společnost Indian Railways do roku 2022 realizovat střešní instalace o celkovém výkonu 500 MW ve stovkách železničních stanic.

Indie je současně také jedním z průkopníků využití fotovoltaiky instalované na samotných železničních vagonech. V současné době provozují desítky vagonů se střešními panely, které slouží k napájení interiérového osvětlení, ventilace a v některých případech i klimatizačních jednotek, jsou-li jimi vozy vybaveny. 

Podobným směrem se ubíral starší projekt německé společnosti oSol:e, který počítal s integrací organických fotovoltaických článků na povrch vysokorychlostních souprav ICE. Mobilní aplikace tištěných organických článků nyní řeší mj. polská firma Saule Technologies, která se v létě tohoto roku stala prvním výrobcem této technologie na světě.

Až doposud byla řeč o pouze napájení pomocných palubních systémů. S využitím fotovoltaiky však lze řešit i pohon samotných kolejových vozidel. Výhodou jsou v tomto případě následující skutečnosti:

• Existující hardware. Velká část kolejových vozidel jsou z principu „elektromobily“, případně „hybridy“ (dieselelektrické vozy a lokomotivy).
• Zmíněná vysoká energetická efektivita, umožňující účinné využití takto vyrobené energie. Tento parametr vyniká především ve srovnání s jinými druhy dopravy, u nichž je možnost využití fotovoltaiky k přímému pohonu relativně omezená (silniční doprava), případně prakticky nemožná (letecká doprava).
• Kolejová vozidla operují v definovaných trasách, kde lze velmi dobře predikovat energetické toky a úměrně tomu dimenzovat použitou energetickou technologii.

V praxi poté rozlišujeme aplikace pro neelektrifikované železniční tratě, kde jsou provozovány motorové jednotky a tratě elektrifikované, po kterých se pohybují vozy napájené z trakčního vedení.

Pro neelektrifikované tratě lze uvažovat vícero možných způsobů řešení. Prvním z nich je nepřímé stacionární napájení. V této koncepci se předpokládá statické umístění fotovoltaických panelů, přednostně v koncových stanicích dráhy. Energie z těchto panelů je uchovávána ve staničních akumulátorech. Akumulátory je vybaveno i samotné kolejové vozidlo. Tyto palubní akumulátory jsou poté dobíjeny při pobytu vozidla ve stanici z akumulátorů staničních, případně v kombinaci s dobíjením ze sítě.

Alternativou je přímé napájení palubního akumulátoru, realizované pomocí vlastních fotovoltaických panelů, umístěných na povrchu vozidla. Tato možnost však v našich zeměpisných šířkách naráží na omezení, dané množství energie, které lze tímto způsobem získat. 

Samozřejmě je možná i kombinace obou výše zmíněných způsobů. V této konfiguraci je provozována např. souprava operující na tříkilometrovém úseku v okolí jihoaustralského města Byron Bay.

Při standardním provozu je vlak napájen z palubní baterie o kapacitě 77 kWh, nabíjené z panelů o výkonu 6,5 kWp, umístěných na střeše soupravy. Při pobytu ve výchozí stanici se palubní akumulátory připojují na zdejší fotovoltaickou elektrárnu o výkonu 30 kWp. Pro vlastní pohon vlaku je přitom spotřebovávána necelá 1/4 takto vyrobené energie. Zbytek je prodáván do rozvodné sítě. Zajímavostí je, že tento vlak vznikl přestavbou téměř 70 let staré vlakové soupravy.

Jak by mohlo vypadat nepřímé staniční napájení v podmínkách České republiky řeší starší případová studie, zpracovaná pro regionální trať Šumperk – Kouty nad Desnou.

V případě elektrifikovaných tratí se nabízí možnost přímého napájení trakční soustavy. Tuto variantu ve svých studiích řeší např. britská nezisková organizace 10:10. Původní motivací přitom bylo využití výroby z fotovoltaických elektráren, které nebylo možné připojit k síti, z důvodů její nedostatečné kapacity v dané oblasti (což je shodou okolností stejný problém, se kterým se setkávají i investoři na Slovensku).

Výhodou tohoto modelu je, že špička výkonu solárních parků je v čase víceméně shodná se špičkou poptávky po elektřině pro vlakovou dopravu. Odpadá tedy nutnost skladování takto vyrobené elektřiny a s tím i související náklady na akumulaci nebo vzniklé ztráty v účinnosti.

Dle reportu Riding Sunbeams od zmíněné organizace je možné s využitím dedikovaných solárních parků pokrýt cca 15-20 % spotřeby trakční napájecí soustavy ve vybraných oblastech Velké Británie.

Obdobným způsobem uvažuje i německý dopravce Deutsche Bahn, který ohlásil přechod na čistě obnovitelné zdroje do roku 2038. Pilotním projektem má být 42 MWp solární park v oblasti Šlesvicka-Holštýnska v bývalém Východním Německu, napojený přímo na zdejší 16,7 Hz trakční soustavu.

Stejně tak indická Indian Railway si nechala vypracovat analýzu, podle které mohou solární parky, připojené přímo na trakční vedení, pokrýt přibližně 1/4 jeho spotřeby. Jejich celkový instalovaný výkon by v tomto případě přesáhl 5 Gwp.

Fotovoltaické panely ale nemusejí být umístěny pouze v solárních parcích v blízkosti trati. Často je lze zakomponovat přímo do prvků stávající železniční infrastruktury. Příkladem může být tunelová konstrukce na trati Antverpy – Amsterodam. Tato 3,3 km dlouhá stavba, nacházející se na území Belgie, původně vznikla jako ochrana před padajícími stromy. V roce 2011 byla osázena 16 tisíci panely s roční výrobou 3,3 GWh. 

Některé společnosti se k instalaci fotovoltaických panelů snaží využít i samotné železniční pražce. Jednou z nich je např. italská firma Greenrail, vyvíjející pražce, osazené buď maloformátovými fotovoltaickými panely, případně piezoelektrickými generátory.

Využití fotovoltaiky v kolejové dopravě má kromě svých pozitiv také své stinné stránky. Patří mezi ně např. tyto:

• Zavádění nových technologií do relativně konzervativního prostředí, které se současně vyznačuje vysokými nároky na bezpečnost. S tím také souvisí množství specifických předpisů, kterými je nutné se řídit.
• Nestálost výroby v čase a s tím spojená nutnost použít ve většině případů vhodně dimenzovaný systém pro ukládání energie, což zvyšuje investiční a provozní náklady.
• Zvýšené znečištění fotovoltaických panelů, nacházeních se v bezprostřední blízkosti železnice, polétavou rzí (anglicky industrial fallout). Zdrojem polétavé rzi je obrušování kolejí, případně trolejového vedení.  

I přes tato existující omezení může fotovoltaika významně přispět ke zvýšení udržitelnosti a konkurenceschopnosti tohoto způsobu dopravy.