Już w 1938 r. parowóz Mallard, należący do kolei brytyjskich, osiągnął prędkość 202,86 km/h

Geneza szybkich pociągów

Pojęcie pociągów dużej prędkości jest szerokie. Przedstawiciele kolei francuskich SNCF definiują je jako pojazdy osiągające prędkość 250-300 km/h, a niemieckich DB – 200-300 km/h. Poprawne będzie stwierdzenie, że właściwie wszystkie współczesne pociągi dużych prędkości są pojazdami elektrycznymi (lokomotywa i wagony) lub elektrycznymi zespołami trakcyjnymi (EZT). Kursują po specjalnie zbudowanych trasach, osiągając prędkości powyżej 250 km/h. Natomiast elektryczne zespoły trakcyjne, jeżdżące po liniach konwencjonalnych, wyposażone w mechanizm przechyłu pudła, poruszają się z prędkością powyżej 200 km/h.

 

Wszystko zaczęło się jeszcze w XIX wieku dzięki zastosowaniu przez Ernsta Wernera Siemensa w Niemczech w 1879 roku silnika elektrycznego do napędu pojazdów. Jednak pierwsze elektrowozy były raczej ciekawostkami technicznymi niż realnymi rywalami parowozów i nawet ich twórca nie sądził, że w przyszłości będą one miały zastosowanie na szeroką skalę.

 

Geneza szybkich pociągów

Prowadząca od kilkudziesięciu lat badania nad elektrycznością firma Siemensa po pozytywnych doświadczeniach z pierwszymi elektrycznymi tramwajami i trolejbusami zdecydowała się na przeprowadzenie prób w kolejnictwie. Zbudowano w tym celu dwa eksperymentalne wagony silnikowe, które testowano na odcinku Marienfelde – Zossen (zelektryfikowanym prądem trójfazowym). Dokładnie 3 października 1903 roku po raz pierwszy przekroczono barierę 200 km/h, a 27 października 1903 roku jeden z wagonów osiągnął prędkość 210,2 km/h, na długie lata ustanawiając rekord szybkości pojazdu szynowego.

 

W latach 30. XX wieku pociągi prowadzone przez parowozy mogły osiągać prędkość 120-130 km/h, a w szczególnych przypadkach – 160-200 km/h (Niemcy, Wielka Brytania, USA). Przykładowo: parowóz 05 002 kolei DRG 11 maja 1936 roku rozpędził się do prędkości 200,2 km/h, prowadząc trójwagonowy pociąg o masie 200 ton, a 2 lata później, 3 lipca 1938 roku, parowóz A4 „Mallard” kolei brytyjskich – do prędkości 202,86 km/h. Nie miało to jednak wpływu na prędkości eksploatacyjne, ponieważ wspomniane lokomotywy prowadziły krótkie pociągi (trzy lub cztery wagony) na prostych odcinkach (można je zatem nazwać jazdami eksperymentalnymi).

 

W połowie XX wieku zdano sobie sprawę, że maszyna parowa osiągnęła kres swoich możliwości ze względu na niską sprawność (<10%). Nie przyniosły pozytywnych rezultatów próby z parowozami turbinowymi podejmowane w USA w latach 1935-1949 (Union Pacific, Chesapeake and Ohio, Norfolk & Western) oraz w Szwecji (seria TGOJ MT3, 1953 rok). Nadzieją stał się napęd elektryczny.

 

Włoski elektryczny zespół trakcyjny ETR200 w 1938 r. przekroczył prędkość 200 km/h

Tryumf pojazdów elektrycznych

Elektrowóz okazał się nie tylko bardziej sprawny (70-80%) i szybszy od parowozu, ale także znacznie tańszy w eksploatacji. Problemem okazało się znalezienie optymalnego sposobu zasilania. Idąc tropem firmy Siemens, należałoby wdrożyć prąd trójfazowy. Jednak nie nadawał się on wprost do zasilania pojazdów elektrycznych ze względu na konieczność utrzymywania trzech lub dwóch niezależnych przewodów i w praktyce ograniczał prędkość pojazdów do 100 km/h. Koleje włoskie FS miały w obrębie własnej sieci odcinki zelektryfikowane prądem trójfazowym (3,6 kV, 16,7 Hz), jednak w 1976 roku sieć ta została zunifikowana z pozostałą siecią FS i reelektyfikowana na 3 kV prądu stałego.

 

Rewolucją było wdrożenie prostowników czy falowników krzemowych, umożliwiających swobodne przetwarzanie prądu. Wcześniej używane prostowniki rtęciowe (ignitronowe), poza mniejszym zakresem stosowania, były także niebezpieczne ze względu na toksyczność par rtęci. Atutem aparatury elektronicznej opartej na półprzewodnikach krzemowych była szeroka dostępność krzemu, który jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych w przyrodzie pierwiastków. Obecnie, poza sytuacjami wyjątkowymi, prąd trójfazowy nie jest stosowany do zasilania pojazdów szynowych wprost z sieci trakcyjnej. Zmiana obrotów silnika trójfazowego asynchronicznego lub synchronicznego, czyli jego sterowanie, odbywa się przez regulację częstotliwości, a silnika prądu stałego – w uproszczeniu – przez zmianę napięcia zasilania. W porównaniu z silnikiem komutatorowym (prądu stałego, przemiennego) silnik trójfazowy ma mniejszą masę (1,5-2,0 razy), zatem jego stosowanie do napędu pojazdów jest korzystniejsze. Niższe są także koszty utrzymania silnika trójfazowego dzięki wyeliminowaniu komutatorów (jest to silnik bezobsługowy).

 

Korzystne parametry trakcji elektrycznej spowodowały, że większość kolejowych zarządów w Europie zdecydowała się na elektryfikację. Jako pierwsze, jeszcze przed 1939 rokiem, elektryfikowały swe szlaki koleje w Niemczech, Austrii i Szwajcarii, w mniejszym stopniu we Francji czy Włoszech. Począwszy od lat 50. XX wieku, proces ten wyraźnie przyspieszył. Trakcja elektryczna udowodniła swą przewagę nad parową, systematycznie i mocno ograniczając jej znaczenie. Ważne były względy ekonomiczne. Wysokie koszty elektryfikacji szybko ulegały amortyzacji ze względu na dużo tańszą, w porównaniu z parowozami, eksploatację pojazdów elektrycznych. Już w latach 50. XX wieku we Francji, a później także w Niemczech i we Włoszech, rozpoczęto próby z szybkimi pociągami elektrycznymi.

 

W Japonii, która zdecydowała się uruchomić szybkie połączenia pasażerskie między Tokio a większymi ośrodkami miejskimi (Osaką, Jokohamą, Nagoją), pierwsze plany pojawiły się jeszcze w latach 30. XX wieku. Jednak projektowanie linii zostało przerwane na początku lat 40. XX wieku ze względu na działania wojenne. Do projektu budowy linii Tokaido (Tokio-Osaka, 515 kilometrów) powrócono w latach 50. XX wieku. Plonem tych prac była pierwsza na świecie linia dużych prędkości ukończona w 1964 roku, na której pociągi pędziły z prędkością 210 km/h.

 

Dlaczego nie trakcja spalinowa?

Epizodem w dziejach szybkich pociągów były pojazdy napędzane silnikami spalinowymi. Na próby z podobnymi pojazdami zdecydowano się m.in. w Niemczech, a owocem tych prac był pociąg nazwany „Latającym Hamburczykiem” (niem. „Fliegender Hamburger”), kursujący od maja 1933 roku między Berlinem i Hamburgiem z prędkością maksymalną 160 km/h (średnią 125 km/h). Pociąg miał trzy wagony, był wyposażony w dwa silniki o mocy po 301 kW i przekładnię elektryczną. Zachęcone sukcesem koleje niemieckie DRG wkrótce uruchomiły identyczne połączenia między Berlinem i większymi miastami w Niemczech. Dla zapewnienia bezpieczeństwa podróżnych, pociąg wyposażono w hamulce magnetyczne szynowe oraz przebudowano sygnalizację i wprowadzono system kontroli prędkości.

 

Minusem trakcji spalinowej w porównaniu z elektryczną jest to, że pojazd spalinowy musi zabierać ze sobą zapas paliwa, przy czym jego zużycie jest tym większe im większa jest prędkość, a do osiągania szybkości powyżej 200 km/h musi mieć odpowiednio małą masę. Trudność dopasowania dużej mocy lokomotywy do jej małej masy (silnik spalinowy dużej mocy ma również dużą wagę) próbowano pogodzić poprzez zamontowanie turbiny gazowej. Próby te, podejmowane we Francji, Wielkiej Brytanii i USA, zakończyły się niepowodzeniem.

 

Elektrowóz serii CC 7001 z 1952 roku należący do francuskiego państwowego przedsiębiorstwa kolejowego SNCF

Narodziny superszybkich pociągów

Wprowadzenie na szerszą skalę komunikacji lotniczej w drugiej połowie XX wieku spowodowało początkowo odwrót pasażerów od kolei, przy czym tendencja ta utrzymała się w Ameryce Północnej, a w Europie została zahamowana przez wprowadzenie szybkich pociągów, tzn. przekraczających prędkość 200 km/h. Różnica między oboma kontynentami wynikała z gęstości zaludnienia, ponieważ szybkie pociągi prowadzone były przez lokomotywy elektryczne (lokomotyw spalinowych nie stosowano), a elektryfikacja miała sens przy odpowiednim natężeniu ruchu.

 

Pierwsze udane próby z szybkimi pociągami miały miejsce we Francji już w latach 50. ubiegłego wieku. W 1954 roku lokomotywa elektryczna serii CC 7121 osiągnęła na 37-kilometrowym odcinku linii Dijon – Beaune prędkość 243 km/h, ustanawiając światowy rekord szybkości pojazdu szynowego. Do przeprowadzenia kolejnych prób wybrano lokomotywy BB 9004 i CC 7107. W następnym roku, 15 marca, czteroosiowa lokomotywa osiągnęła prędkość 276 km/h. Rekord ten nie utrzymał się długo, bowiem 29 marca elektrowóz SNCF serii BB 9004 ustanowił nowy rekord – 331 km/h. Po tej próbie lokomotywa nadawała się do remontu, podobnie jak sieć trakcyjna i torowisko.

 

Pewien wpływ na rozwój pociągów dużych prędkości miało odkrycie zalet zasilania sieci trakcyjnej (i pojazdów) prądem przemiennym (15 kV, 16,7 Hz), o dużo wyższym napięciu niż dotychczas stosowane prądu stałego (1,5 kV; 3 kV). W 1951 roku przedstawiciele SNCF przebywali w Niemczech, gdzie zapoznali się z funkcjonowaniem kolei Höllentalbahn w Schwarzwaldzie, zelektryfikowanej napięciem jednofazowym 20 kV – 50 Hz. Wyniki eksploatacyjne okazały się bardzo obiecujące: sieć trakcyjna była dużo lżejsza, a napięcie nie wymagało przetwarzania w stacjach transformatorowych. Później napięcie zwiększono do 25 kV i zelektryfikowano kilka linii na sieci SNCF, np. Aix-le-Bains – La Roche – sur-Foron czy Thionville – Valenciennes i Paryż – Lille.

 

Prowadzone we Francji intensywne prace nad szybkimi pociągami zaowocowały uruchomieniem w 1981 roku połączeń obsługiwanych przez TGV (Train a Grande Vitesse – Pociąg Wysokich Prędkości). Dnia 26 lutego jeden z pociągów TGV PSE ustanowił rekord prędkości – 380 km/h, a w maju 1990 roku kolejny – 515,3 km/h (TGV A), ostatni zaś 3 kwietnia 2007 roku – 574,8 km/h (TGV POS V150). Były to pociągi specjalnie przebudowane do jazdy rekordowej (skrócony skład, zwiększenie napięcia w sieci trakcyjnej), ponieważ w regularnej eksploatacji osiągają one prędkość 300-320 km/h.

 

Podobne próby prowadzono w Niemczech, gdzie lokomotywa serii E03 (103) zapoczątkowała erę szybkich pociągów, kursujących po sieci DB. Opracowanie projektu kolejnych lokomotyw – spalinowej DE 2500 (seria DB 202) i elektrycznej (seria 120), które wyposażono w asynchroniczne silniki trakcyjne, dało początek pociągom ICE (InterCityExpress).

Współczesne Koleje Dużych Prędkości

Pociąg dużych prędkości TGV należący do francuskich kolei SNCF

Liderami na świecie w produkcji i eksploatacji pociągów dużych prędkości są Francja i Japonia, mniejsze osiągnięcia w tym zakresie mają Niemcy i Włochy. Inne kraje nie rozwijały od podstaw własnych technologii budowy linii i pociągów tego typu, lecz przeważnie adaptowały rozwiązania opracowane przez wymienione państwa. Tabor do obsługi linii tworzą właściwie cztery rodzaje pociągów (TGV, Pendolino, Shinkansen i ICE) i niewielka liczba pojazdów będących ich pochodnymi. Wykorzystuje się je w Portugalii, krajach Beneluxu, Czechach, Finlandii, Korei Południowej, Słowenii, Szwajcarii, USA, na Tajwanie, w Wielkiej Brytanii i Rosji. Po okresie importu szybkich pociągów, Hiszpania rozpoczęła budowę tego typu taboru u siebie, z coraz śmielszymi próbami eksportowania.

 

Bardzo ambitny program rozwoju linii dużych prędkości zamierzają wdrożyć Chiny. Obecnie w Państwie Środka funkcjonuje linia Pekin – Szanghaj o długości 1318 kilometrów i inne linie, o długości sumarycznej ponad 8 tys. km. Do ich obsługi zakupiono tabor u czołowych producentów w Japonii, Niemczech i we Francji, z planami wytwarzania go na podstawie licencji we własnych fabrykach. W Chinach funkcjonuje także odcinek kolei na poduszce magnetycznej, zbudowany na podstawie niemieckiej technologii, jednak plany rozbudowy tego typu trakcji są dość mgliste ze względów finansowych.

 

We wdrażaniu szybkich pociągów zauważalne są pewne tendencje, a mianowicie swoisty sojusz między pociągami dużych prędkości a tymi wyposażonymi w mechanizm przechyłu pudła. Polega on na tym, że albo dany zarząd kolejowy decyduje się na budowę nowej linii dużych prędkości wzdłuż najbardziej uczęszczanych szlaków, albo, ze względu na wysokie koszty takiego przedsięwzięcia, uruchamia przewozy z użyciem pociągów z przechylnym nadwoziem (Niemcy i Korea Południowa). Obserwuje się także inne sytuacje: najpierw uruchamiane są połączenia obsługiwane taborem z przechylnym nadwoziem, a następnie – w ślad za zwiększeniem zainteresowania podróżnych – powstają nowe linie dużych prędkości (Włochy i Hiszpania).

Pociąg „Shinkansen” serii 500 o aerodynamicznych kształtach

Wydaje się, że podobną drogą będą zmierzać zarządy kolejowe w Wielkiej Brytanii, Czechach, Szwajcarii i Portugalii, bowiem najbardziej uczęszczane trasy są tam obecnie obsługiwane przez pociągi Pendolino, a linie dużych prędkości znajdują się w fazie projektów.

 

Kolejną grupę stanowią kraje Beneluxu oraz Tajwan, które zdecydowały się na budowę linii dużych prędkości i ze względu na całkowite wypełnienie postawionego zadania nie planują w najbliższej przyszłości wprowadzenia pociągów z przechylnym nadwoziem. Odwrotna sytuacja jest w Finlandii, USA i Słowenii, gdzie pociągi z przechylnym nadwoziem uważane są za całkowicie wystarczające i w związku z tym nie jest planowana budowa kolei dużych prędkości.

 

Odmienny jest przykład Francji czy Japonii. Ze względu na fakt, że oba kraje rozpoczęły eksploatację pociągów dużych prędkości jako pierwsze, stosują one wyłącznie własne rozwiązania. Koleje francuskie SNCF mają na tyle rozbudowaną sieć takich linii oraz równie imponujący tabor do ich obsługi (TGV), że nie zdecydowały się na eksploatację pociągów z przechylnym nadwoziem mimo opracowania przez krajowy koncern Alstom odmiany TGV, wyposażonej w mechanizm przechyłu nadwozia. Początkowo planowano eksploatację pociągów tego typu do połączeń Paryża z Bretanią lub na linii Paryż – Lyon – Valence – wybrzeże Morza Śródziemnego, w obu przypadkach częściowo po linii dużych prędkości, a częściowo po linii konwencjonalnej. Żaden z tych pomysłów nie został zrealizowany i SNCF nie przewidują zakupu pociągów z przechylnym nadwoziem. Francuska sieć linii dużych prędkości podlega ciągłej rozbudowie, podobnie jak tabor – sukcesywnie wprowadzane są nowości techniczne, których przykładem jest AGV (Automotrice a Grande Vitesse – Zespół Trakcyjny Wysokiej Prędkości).

 

Krajem, który zbudował w 1964 roku pierwszą na świecie linię dużej prędkości, Tokaido Shinkansen, i wyprodukował odpowiedni tabor, jest Japonia. Z uwagi na to, że ówczesna technika pozwalała na zaprojektowanie i zbudowanie pociągu o prędkości maksymalnej 210 km/h, łuki na linii Tokaido dostosowano do prędkości maksymalnej 240-250 km/h. Wraz z rozwojem technologii i rosnącą liczbą przewożonych pasażerów pojawiła się potrzeba zwiększenia przepustowości linii, a tym samym prędkości maksymalnej pociągów. Zaprojektowano zatem nowe składy zdolne rozwijać prędkość 300 km/h, jednak osiąganie jej uniemożliwiały parametry linii (obecnie nie przekracza się 250 km/h). Wybrano zatem rozwiązanie kompromisowe. Opracowano pierwszy na świecie pociąg zdolny rozwijać prędkość 275 km/h, wyposażony w mechanizm przechyłu pudła.

Pociąg ICE wyprodukowany przez Siemens Mobility
Po linii Tokaido przewozi się w ciągu roku 80 milionów ludzi – najwięcej na świecie. Dla porównania: na trasie Paryż – Lyon wskaźnik ten wynosi niecałe 20 milionów. Dla zwiększenia przepustowości planowane jest wybudowanie między Tokio i Osaką kolei na poduszce magnetycznej, jednak koszty takiej inwestycji są ogromne i trudne do udźwignięcia nawet dla zamożnej Japonii.

 

Minimalny koszt budowy 1 kilometra wynosi 10 milionów euro, a przy warunkach niesprzyjających (konieczność drążenia tuneli, teren aktywny sejsmicznie itp.) zwiększa się do 40-50 milionów euro. Bardzo duże koszty budowy brytyjskiej CTRL (Channel Tunnel Rail Link) spowodowane są wysokimi cenami gruntu na Wyspach oraz koniecznością drążenia 19-kilometrowego tunelu pod Londynem.

 

Plany budowy linii dużych prędkości, często bardzo ambitne, ma wiele państw na całym świecie, lecz dopiero przyszłość pokaże, którym uda się te zamiary zrealizować i w jakim czasie to nastąpi.

 

Konkurencja dla samolotów

Wprowadzenie pociągów dużych prędkości, zwłaszcza francuskich TGV czy japońskich Shinkansen, spowodowało nie tylko zahamowanie zmniejszenia liczby podróżnych korzystających z usług kolei, ale wręcz likwidację połączeń lotniczych lub bardzo znaczne ich ograniczenie. Pociągi TGV właściwie całkowicie odebrały liniom lotniczym pasażerów podróżujących w relacji Paryż – Lyon, a w połączeniach Londyn – Paryż/Bruksela udział kolei w przewozach pasażerskich wynosi około 65-70%. Podobne zjawisko obserwuje się w Japonii, gdzie z usług kolei na trasie Tokio – Osaka korzysta zdecydowana większość podróżnych (ok. 70%). Z badań wynika, że ludzie chętniej wybierają przejazd koleją zamiast lotu samolotem w podróżach trwających do 2-3 godzin, nie muszą bowiem tracić czasu na dojazd na lotnisko oraz na uciążliwą odprawę pasażerów.

 

Najważniejszym atutem superszybkiej kolei jest podróżowanie ze średnią prędkością powyżej 200 km/h, co staje się niemożliwe podczas jazdy samochodem. Skrócenie czasu przejazdu powoduje zwiększenie przepustowości linii kolejowych, a w konsekwencji zwiększenie liczby podróżnych. Jest jeszcze jedna ważna zaleta pociągów dużych prędkości: zasilanie energią elektryczną uzyskiwaną np. w elektrowniach wodnych czy atomowych (tj. nieemitujących CO2 do atmosfery). Transport lotniczy i samochodowy nie posiadają tych atutów.

 
Pociąg TGV „DUPLEX” na wiadukcie Cize-Bolozon we Francji
Wersja do druku Wersja do druku | Mapa witryny
© 2016 Całość praw autorskich - Antoni Bochen