Zjišťování emisí CO2 Metody pro porovnání silniční a kolejové dopravy Carla Eickmann, Ústav pro dopravu, výstavbu a provoz železnic univerzity v Hannoveru Pokud chceme porovnávat emise CO2 v dopravě prováděné různými dopravními prostředky nebo způsoby provozu, používáme vhodných metod. V tomto článku jsou představeny metody, které mohou sloužit ke zjišťování emisí CO2 při přepravě nebo dopravě v silničním nebo kolejovém provozu. V protokolu z Kjóta z roku 1997 se Spolková republika Německo zavázala ke snížení emisí CO2. K tomuto závazku mezitím přistoupily i hlavní průmyslové státy (s výjimkou USA). To by mělo zabránit dalšímu zvyšování skleníkového efektu. Cílem spolkové vlády je do roku 2005 snížit roční emise CO2 v Německu pod 25 % proti roku 1990 na 740 mil. t. Do konce roku 2000 se dosáhlo snížení o 15,8 %. Emise CO2 jsou v Německu způsobovány z 20,3 % silniční a z 2 % veškerou další dopravou. Spolková vláda proto zabezpečuje toto snížení opatřeními v oblasti dopravy, která mají vést k lepšímu využívání železničního dopravce, ke zvýšení nákladů v silniční dopravě, ke zlepšení technologie silničních vozidel a ke změně jízdního chování v silničním provozu. Aby bylo možno hodnotit opatření ke snižování emisí CO2, je třeba mít k dispozici vhodné metody, které předem prokáží svoji účinnost a platnost. Na rozdíl od mnohých škodlivin v ovzduší (oxidy dusíku, oxid uhelnatý a další) jsou emise CO2 odvoditelné ze spotřeby energie, pokud je známo, jakých primárních nositelů energie bylo použito. Jestliže se pro určitou dopravu zjišťují emise CO2, potom je třeba zohlednit tyto mezní podmínky: -
konečná spotřeba energie vozidla pro jednotlivý průběh přepravy a pro přípravu hnacího vozidla,
-
spotřeba energie pro její výrobu a
-
forma energie.
Při využívání obnovitelných zdrojů je kromě toho nutno zohlednit spotřebu CO2 v průběhu růstu a další emise v důsledku zpracování rostlin a výrobu paliva z nich. Metody k výpočtu emisí CO2 Zjišťování spotřeby energie, a tím emisí CO2, lze provést různými metodami. V podstatě se rozlišují: -
makroskopické modely: veškerá množství emisí za časovou jednotku (den, rok) jsou převedena na dopravní výkony v tomto časovém intervalu. Takto zjištěné emise na dopravní výkon se pro hodnocení plánovaných opatření násobí očekávaným dopravním výkonem,
-
mikroskopické modely: na základě vypočítaných odporů na straně tratí (cest) a vozidel je pro určitý průběh jízdy zjištěna potřebná energie,
-
využití naměřených hodnot.
1
Specifické emise CO2 Bilance CO2 jsou často sestavovány na základě specifických hodnot CO2 (emise v kg nebo t na tunokilometr v nákladní dopravě, případně na osobokilometr v osobní dopravě), které byly získány z makroskopických modelů. Jednotné specifické emise CO2 Zjišťování množství emisí je při použití jednotných specifických emisí CO2 relativně jednoduché. Jednou zjištěná specifická hodnota emisí CO2 pro souhrn jízd podle dopravce se znásobí vzdáleností zamýšlené jízdy. Potenciál úspor při přeložení ze silnice na železnici vznikne rozdílem stávajících specifických emisí CO2, znásobených vzdáleností a přepravovaným množstvím, popř. počtem cestujících. Podle prohlášení DB AG činí specifické emise CO2 -
v oblasti osobní dopravy u železniční dopravy 37 g/osobokilometr, u silniční dopravy 141 g/osobokilometr,
-
v oblasti nákladní dopravy u železniční dopravy 41 g/tkm u silniční dopravy 207 g/tkm.
Z toho se vyvozuje, že „s každou osobou, která přesedne z automobilu na železnici, se zatížení životního prostředí sníží o 104 kg CO2 na každých 100 km vzdálenosti jízdy“. Protože jmenované hodnoty emisí u silniční dopravy, a to jak v oblasti nákladní dopravy, tak i v oblasti osobní dopravy, odpovídají přibližně pětinásobku hodnot v železniční dopravě, mohl by se touto metodou, bez zohlednění dalších mezních podmínek, paušálně zdůvodnit požadavek přeložení ze silnice na koleje pro každou dopravu. Diferencované specifické emise CO2 Aby bylo možno zohlednit cestovní vzdálenosti, výskyt přepravy, volbu vozidla a další parametry, existuje možnost použití diferencovaných specifických hodnot emisí CO2. Je možné srovnávací hodnocení doprav za použití ekologických základních dat. Nákladní doprava Specifické emise CO2 byly u železniční dopravy odvozeny porovnáním celkové energetické spotřeby za jeden den k uskutečněným jízdám vlaků. Tento soubor dat rozděluje železniční dopravu na vlaky s jednotlivými vozy, vlaky kombinované dopravy a ucelené vlaky a dále na elektrickou a dieselovou trakci. Ve výsledné specifické sestavě konečné energie (Německo v roce 1996) u nákladních vlaků jsou vedle provozu na hlavních tratích zohledněny rovněž i seřaďovací procesy, předávací jízdy a jízdy bez nákladu. Pro silniční dopravu byl z pověření spolkového úřadu pro životní prostředí vyvinut program k výpočtu energetické spotřeby a emisí motorizované dopravy v Německu. Přitom se neusuzovalo pouze z celkové spotřeby na jednu kategorizovanou přepravu, nýbrž na základě měření, jízdních vzorů a rozdělení jízdních výkonů vznikl velmi diferencovaný datový soubor. Pro silniční nákladní
2
dopravu byly zjištěny specifické hodnoty pro CO2 a další emise, které se rovněž používají jako ekologická základní data. Přitom se rozlišují: -
přípustná celková hmotnost vozidla,
-
kategorie silnice a
-
stupeň využití vozidla.
Osobní doprava DB AG nabízí rovněž pro osobní dopravu srovnávací propočty na bázi diferencovaných specifických emisí CO2 (viz www.bahn.de/pv/fahrplan/umchk/die_bahn_umweltmobilcheck.shtml). Podle zvolené relace a zvoleného dopravního prostředku lze mobilním ekologickým kontrolním zařízením (Mobilchec) porovnat podíl zatížení životního prostředí způsobeného jízdou jedním osobním automobilem s jízdou vlaku (nebo s letadlem). I pro to byly stanoveny jako za základ specifické emise CO2 pro jeden vlakokilometr, případně jeden kilometr osobního automobilu. Vedle přímého porovnání nádraží – nádraží lze zohlednit též prostředky svozné dopravy. Hodnocení podle plánu Spolkových dopravních cest (BVWP) Pro standardní zhodnocení dopravních investic a veřejné osobní místní dopravy byly rovněž použity specifické hodnoty emisí, tzv. emisní ukazatele. Údaje tohoto podkladu pro hodnocení neslouží k porovnání jednotlivých doprav, nýbrž mají přispět ke zjištění celoekonomických předností investičních záměrů a tím i upozornit na následné náklady. Propočet emisí CO2, vztažený na vozidlokilometr pro jedno vozidlo relevantní linie veřejné osobní místní dopravy, se provádí na podkladě specifických hodnot podle druhu vozidla (viz tab. 1) znásobením celkovou hmotností jednoho vozidla (hmotnost prázdného vozidla + hmotnost cestujících při 20 procentním obsazení vozidla a 0,075 t na cestujícího). Spotřeba primární energie (MJ/tkm)
Emise CO2 (g/tkm)
Motorový vůz místní dopravy s dieselovou trakcí
0,78
59,6
S-Bahn a obdobná místní kolejová doprava s elektrickou trakcí
0,85
47,7
Podzemní dráha
1,10
61,6
Tramvaj a městská dráha/dvousystémové vozidlo
1,00
56,2
Kloubový autobus
1,17
89,4
Velkoprostorový autobus
1,06
80,4
Městský autobus
1,37
104,3
Autobus pro meziměstský provoz
0,98
74,5
Midibus
1,37
104,3
Tab. 1: Specifické emise CO2 ze „Standardního hodnocení dopravních investic veřejné osobní místní dopravy“
3
Pro motorizovanou individuální dopravu se pro osobní automobil počítá s hodnotou 278 g/km uvnitř osady a 210 g/km mimo uzavřenou osadu. Z toho se podle plánované investice zjišťují celková množství emisí CO2 a navzájem se porovnají. Pro monetární hodnocení se emise jedné tuny CO2 stanovila na 231 euro. Jízdně-dynamické propočty Používání specifických hodnot CO2 může být problematické, jestliže se mají vypracovávat nové koncepce s novými způsoby dopravy a zhodnotit je z hlediska jejich emisí CO2. Neboť: -
u železniční dopravy klesá specifická spotřeba energie s narůstajícím přepravovaným množstvím. Měrné hodnoty se tedy vztahují na definované délky a hmotnosti vlaku. Nelze proto v žádném případě určit, od jakého množství způsobuje železnice méně emisí CO2 než přeprava nákladním automobilem,
-
jestliže jsou jízdy bez nákladu již zahrnuty do specifických hodnot, nemohou být koncepce, které obsahují změnu plánování oběhu vozidel, správně hodnoceny bez opravených specifických hodnot emisí,
-
změny v průběhu rozjezdu a brzdění (výběr zastávek, nejvyšší rychlost...) se rovněž nemohou reprodukovat pomocí stávajících specifických hodnot.
Zohlednění tohoto stavu věci je možné pomocí jízdně dynamických propočtů. Tato metoda je zvlášť vhodná pro železniční dopravu, protože plánovaný provoz je předvídatelný (např. s ohledem na výběr tratí nebo průběh jízdy). Proto se zde představuje zjišťování emisí CO2 na mikroskopické bázi jen pro železniční dopravu. Při jízdně dynamickém zjišťování emisí CO2 se potřebná energie pro provedení stanovených jízd (trať, rychlost, celková hmotnost) zjišťuje na základě odporů trati a vozidla, které je třeba překonat (obr. 1). Pro konečnou spotřebu energie jízdy vlaku je dále třeba zohlednit stupeň účinnosti motoru. Vhodným nástrojem pro jízdně dynamická šetření je programový systém DYNAMIS, jehož on-line verze je k dispozici na internetu (www.dynamisOnline.de). Tento program při zohlednění odporů na straně vozidla a tratě zjišťuje doby jízdy a příslušnou spotřebu energie. Interaktivní programový systém DYNAMIS byl vyvinut jako nástroj ke zkoumání jízdně dynamických otázek v Ústavu pro dopravu, výstavbu a provoz železnic (IVE) univerzity v Hannoveru a je již ve větší míře používán při provozních průzkumech. DYNAMIS je uplatňován dopravními podniky jak pro dálkovou dopravu, tak v oblasti městských drah. Charakteristiky hnacích vozidel, jako např. diagramy tažná síla/brzdná síla – rychlost, se převádějí do vizuální podoby. Tím je zaprvé umožněno hodnocení ještě neexistujících forem provozu s ohledem na spotřebu energie a tím emise CO2 a zadruhé je možno hodnotit nové koncepce i při zahrnutí nestálých hodnot, jako je poptávka nebo hustota zastávek. Náklady na získání dat jsou ovšem u jízdně dynamického zkoumání relativně vysoké. Zvláště u rozsáhlých tratí jsou vstupní data (a jejich zjišťování) o obloucích a stoupáních velmi nákladná, pokud nejsou k dispozici traťové databanky.
4
Celkový odpor vlaku na trati
Odpor vozidla
Odpor lokomotivy
Interní odpory vozidel
Odpor v hnacím ústrojí
Odpor tření v ložiskách
Odpor vlaku s vagony
Odpory zrychlení
Faktor hmotnosti p
Odpory ze vzájemného působení vozidlo – dopravní cesta (ZFF)
Odpor valivého tření
Odpory tratí
Odpor setrvačnosti
Odpor vzduchu WL
Rázový odpor
Odpor vzduchu ve volném prostoru – hodnoty cw
Základní odpor
Odpor vzduchu v tunelu (W/Lt/W)
Odpory částečně závislé na povětrnosti
Odpor ve stoupání s (‰)
Boční odpor
Odpor výhybek
Určující stoupání trati sma
Obr. 1: Vztahy mezi jednotlivými odpory při jízdě vlaku
Příklad: Hodnocení koncepce regionální nákladní dopravy V rámci programu EU „Life“ byl zpracován projekt „Koncepce pro ekologicky únosnou regionální nákladní dopravu v regionu EXPO Hannover“. Cílem projektu bylo vypracování koncepcí, v nichž by bylo dosaženo minimalizace emisí hluku a škodlivých látek při nákladní dopravě v městské síti regionu EXPO. Městská síť regionu EXPO je svazek většího počtu měst v prostoru Hannoveru s cílem zvládnutí společných problémů týkajících se těchto měst. Přitom ústřední roli zde hrají ochrana životního prostředí a trvalý rozvoj. Regionu EXPO se dotýká více evropských dopravních tras. Z toho vyplývají silné tranzitní, zdrojové a cílové dopravy s narůstající tendencí. Hodnota dopravních výkonů je do roku 2010 očekávána o 60 % nad dnešní stav, čímž se dále vyostří problémy dodavatelské dopravy ve vnitřních městech. Emise hluku a škodlivých látek nákladní dopravy mají negativní důsledky na životní prostředí a kvalitu života v regionu. Protože nákladní doprava překračuje velmi často komunální hranice, jsou pro její ekologicky únosné zvládnutí nezbytné integrované regionální koncepce. Dosud prováděné lokální přístupy nebyly příliš úspěšné. Inovativní charakter koncepce nákladní dopravy městské sítě regionu EXPO spočívá v tom, že pro zmírnění hluku a emisí ve vzájemně propojeném hospodářském prostoru byla poprvé vyvinuta společná strategie měst pro nákladní dopravu. Tato strategie sahá od regionálního střediska nákladní dopravy až po koordinované zásobování vnitřních měst a zahrnuje i odsouhlasená doporučení k další činnosti.
5
Součástí této strategie je vypracování koncepce pro regionální železniční nákladní dopravu. V souvislosti s plánem na vybudování střediska nákladní dopravy s překladištním terminálem pro kombinovanou dopravu v Lehrte u Hannoveru (obr. 2) byly analyzovány dopravní řetězce od dálkové dopravy až po konečného zákazníka v zúčastněných městech, a to s ohledem na koordinaci, optimalizaci a možnosti překládky na koleje. Kromě toho bylo zkoumáno, zda propojení sítí proudů zboží mezi městy prostřednictvím železnice by mohlo zvýšit výkonnost záměru.
tratě DB tratě středisko nákladní dopravy Lehrte
Obr. 2: Železniční síť městské sítě regionu EXPO
V železniční nákladní dopravě byla po zhodnocení možností překládky ze silnice na železnici nebo na vnitrozemskou lodní dopravu v místní a dálkové dopravě v regionu (vnitrozemská doprava a zdrojová/cílová doprava) zpracována koncepce překládky. Tato koncepce směřuje na jedné straně k přímému propojení měst a na druhé straně ke spojení těžišť výskytu nákladů s ústřednou nákladní dopravy v Lehrte. Možnosti nasazení nové přepravní techniky a její technicko-organizační mezní podmínky byly v této koncepci zohledněny. Pro spojení měst železniční nákladní dopravou se ekonomické vazby měst ukázaly jako příliš malé. metod:
Pokud se týká emisí CO2, proběhlo hodnocení koncepce včetně jejích variant podle těchto -
emise CO2 u silniční nákladní dopravy: použití ekologických základních dat jak pro místní (regionální) dopravu, tak pro dálkovou dopravu,
-
emise CO2 u železniční nákladní dopravy: jízdně dynamické zobrazení každé jízdy vlaku (vlastní přeprava a jízda bez nákladu) prostřednictvím programu DYNAMIS, použití základních dat pro železniční nákladní dopravu,
-
proces překládky: zohlednění procesů překládky prostřednictvím zjišťování spotřeby pohonných hmot u současných zařízení. 6
Jelikož všechny předem stanovené varianty koncepce počítají pro železniční místní (regionální) nákladní dopravu s dieselovou trakcí, není nutné dodatečně hodnotit elektrickou energii. Pro místní (regionální) oblast se pro železničního dopravce zjišťovala energetická spotřeba pro každou jízdu jízdně dynamickými propočty. Pro tyto účely byly zohledněny jízdní odpory jak ze strany vozidla, tak ze strany tratě v závislosti na rychlosti a celkové hmotnosti. Pro výpočty byl využit programový systém DYNAMIS. Výsledkem je potřebná energie v kWh vztažená na potřebnou tažnou sílu na tažném háku. Pro výpočet konečné spotřeby energie včetně hnacího vozidla se dále musel zohlednit stupeň účinnosti hnacího vozidla. Stupeň účinnosti dieselové lokomotivy byl stanoven na 24 %. Odděleným posouzením přepravních procesů, jízd bez nákladů a procesů překládky se touto metodou mohou zjistit různá množství emisí CO2 ve variantách koncepcí železniční nákladní dopravy. Právě tak lze dobře hodnotit přepravu uvažovaného zboží po silnici na základě diferencovaných základních dat, která jsou k dispozici (stupeň vytížení, typ silnice, velikost vozidla). Porovnání takto zjištěných emisí CO2 umožňuje např. zodpovědět tyto otázky: -
množství výskytu: při jakém výskytu je přeprava na železnici s ohledem CO2 příznivější než po silnici?
-
sled obsluhy: kolik vagonů může být dopravováno v jednom vlaku, jestliže se zohlední dané časové mezní podmínky (připravenost ve firmách, doby odjezdu dálkových vlaků kombinované dopravy)? Nebo: jaké časy k přistavení/odtažení by musely být předem dány, aby bylo možno sestavit dostatečně dlouhé vlaky?
-
jaký podíl na emisích CO2 mají procesy překládky?
-
jaký užitek přinášejí vozidla s nižší spotřebou?
Obr. 3 ukazuje, jako příklad, emise CO2 na tkm při dopravě po železnici a alternativně nákladním automobilem mezi stanicemi Lehrte a Hameln. Pokud by výskyt přepravy, kterou by mohlo provézt jedno nákladní auto, realizoval nákladní vlak o jednom vagonu, potom by emise CO2 byly znatelně vyšší než při silniční přepravě. Pokud ovšem zdroj potřebuje na odvoz 20 vagonů, jsou specifické emise CO2 menší než při silniční dopravě.
CO2 (g/tkm)
300 250 200 150
Změna
100 50 0 Nákladní automobily
Vlak s 1 vagonem
Vlak s 20 vagony
Obr. 3: Emise CO2 na 1 tkm na trati Hameln - Lehrte
Výsledek a průzkum Na základě dnešní nabídky kombinované přepravy v prostoru Hannoveru nestačí potenciál překládky k tomu, aby bylo možno smysluplně zorganizovat železniční svozovou dopravu z partnerských měst regionu EXPO k dnešnímu terminálu kombinované přepravy v Hannoveru nebo 7
k plánovanému terminálu v Lehrte. Rozšířená nabídka, kterou umožní až plánovaný terminál v Lehrte, by zaktivovala další objemy z měst městské sítě, které by bylo možno potom rozumně přepravit železnicí k terminálu kombinované dopravy. Ovšem dvě města by mohla být z úvah vyčleněna, u nichž by i při větším výskytu nakládky nebylo možno železniční dopravu k terminálu v Lehrte z hlediska CO2 zdůvodnit. Pokud vypustíme obě tato města z úvah, vznikne pro jejich okolí potřeba uspořit nejméně 500 t CO2 za rok. Jestliže budeme rozšířenou nabídku železnice posuzovat jako pobídku k tomu, aby se obecně vzato přeložila doprava ze silnice na koleje, potom lze počítat s další, podstatně vyšší aktivací potenciálu snižování CO2 na dálkové trati. Tento průzkum se vztahuje výlučně na partnerská města regionu EXPO. Není zde zohledněn další výskyt nakládky, který je k dispozici mimo tato města a mohl by být zakomponován do koncepce. Souhrn Datová základna silniční dopravy je velmi diferencovaná a nabízí proto možnost provést hodnocení CO2 u silniční dopravy na základě získaných základních dat. Pro železniční dopravu nejsou tak obsáhlé datové soubory k dispozici. Kromě toho se u nových koncepcí doprav hodnotí situace, u nichž nejsou vzhledem k novosti základní údaje ještě stanoveny. Na druhé straně železniční doprava díky svému plánovitému provozu nabízí dobré modelové možnosti pro zjištění energetické spotřeby pomocí jízdně dynamických propočtů. Uvedený příklad dokládá, že mohou být úspěšně použity obě metody k provádění průzkumu, především použití základních dat v silniční dopravě a eventuálně v železniční dálkové dopravě a použití jízdně dynamických výpočtů v železniční místní (regionální) a eventuálně i železniční dálkové dopravě. Kromě toho lze u realizovaných koncepcí provést doplňující měření.
Zdroj: EI – Eisenbahningenieur (53) 9/2002, s. 116 – 122 Překlad: Jiří Mencl Korektura: ODIS
8
