Британская ассоциация железнодорожной промышленности (RIA) опубликовала предложения по стратегии декарбонизации железных дорог Великобритании к 2050 г. Стратегия направлена на максимальное использование возможностей от реализации намеченных на текущее десятилетие планов по электрификации, не требует дополнительных инвестиций, допускает гибкую адаптацию к изменениям спроса на перевозки и способна обеспечить более равномерную загрузку предприятий железнодорожной промышленности за счет устранения пиков и спадов в заказах на поставку нового и модернизацию эксплуатируемого подвижного состава.
Содержание
В настоящее время в Великобритании электрифицировано 38 % протяженности железных дорог — немногим более одной трети. По предложению RIA вторую треть линий сети (34 %) можно не электрифицировать, а использовать там в пассажирских перевозках контактно-аккумуляторные поезда с менее высокими затратами жизненного цикла вместо дизель-поездов. Чтобы отрасль вышла на уровень углеродной нейтральности, оставшаяся треть (28 %) должна быть электрифицирована до 2050 г. Однако фактически это относится только к 15 % сети, поскольку остальные 13 % уже включены в реализуемые и намеченные планы правительства страны.
Предложенная RIA стратегия подтверждает реальность задачи по декарбонизации в полном объеме пассажирских перевозок и 95 % грузовых при электрификации 66 % сети, что возможно при уже запланированных темпах перехода на электрическую тягу, причем без дополнительных бюджетных вложений в следующем десятилетии. Необходимо отметить, что на железных дорогах Великобритании доминируют пассажирские перевозки, которые почти полностью выполняются моторвагонными поездами.
Компоненты стратегии
Предлагаемая RIA стратегия декарбонизации охватывает три основных компонента:
- эксплуатация на неэлектрифицированных линиях контактно-аккумуляторных поездов позволит в кратчайшие сроки обеспечить предложение услуг высокого уровня пассажирам и при этом сократить загрязнение воздуха выбросами углекислого газа;
- электрификация линий с интенсивным пассажирским и грузовым движением обеспечит сокращение эксплуатационных расходов и декарбонизацию перевозок в ключевых коридорах;
- для направлений с небольшими размерами движения рассмотрен алгоритм обоснования и выбора решений, подходящих для конкретных условий эксплуатации.
В рамках первого компонента стратегии определяется, какие пассажирские сообщения можно декарбонизировать путем замены дизель-поездов контактно-аккумуляторными с учетом того, что такое решение позволит отказаться от перевода на электрическую тягу 34 % протяженности сети.
Реализуемые в настоящее время и предложенные правительством проекты в ближайшее десятилетие увеличат долю электрифицированных линий с 38 до 51 %. Второй компонент стратегии рассматривает увеличение доли электрифицированных линий до 59 % с завершением декарбонизации интенсивно используемых для пассажирских перевозок коридоров и переводом на электрическую тягу 95 % грузовых перевозок.
В рамках третьего компонента стратегии рассматриваются варианты размещения пунктов быстрой зарядки контактно-аккумуляторных поездов и островной электрификации. Это позволит продлить маршруты контактно-аккумуляторных поездов и отказаться от дизельной тяги в пассажирских сообщениях.
В целом три компонента стратегии декарбонизации охватывают электрификацию (включая островную) 66 % протяженности сети, что по сравнению со сплошной электрификацией означает значительную экономию средств (рис. 1). Для той части железнодорожной сети (34 %), которая не будет переведена на электрическую тягу, предложено в пассажирских перевозках использовать контактно-аккумуляторные поезда, уже появившиеся в Великобритании, и локомотивы на альтернативном топливе — в грузовых.
В итоге стратегия позволит декарбонизировать 100 % пассажирских перевозок и 95 % грузовых к 2050 г. Оставшиеся 5 % грузовых перевозок, выполняемых на неэлектрифицированных участках, будут ответственны за 2 % выбросов углекислого газа. Устранить эти выбросы можно за счет перевода тепловозов на альтернативное топливо вместо дизельного или использования контактно-аккумуляторных локомотивов. Альтернативные виды топлива рассматриваются как временное решение, поскольку остаются источником других загрязняющих воздух и вредных для здоровья человека веществ.
Совокупное сокращение выбросов углекислого газа является решающим фактором. В 2022/2023 финансовом году пассажирские перевозки стали источником выбросов углекислого газа в объеме 1061 тыс. т, а грузовые — 423 тыс. т. Расчеты показывают, что предлагаемая стратегия обеспечит сокращение выбросов в размере до 70 % в 2035 г. и суммарно на величину около 15 млн т к 2050 г. (рис. 2).
Оценка влияния спроса на перевозки
Прогнозирование темпов роста спроса на пассажирские и грузовые перевозки имело важное значение в разработке стратегии декарбонизации с точки зрения выбора инвестиционных приоритетов. По заказу RIA консалтинговая компания Steer провела соответствующее исследование, результаты которого свидетельствуют, что даже по самому пессимистичному сценарию спрос на пассажирские перевозки превысит объем предлагаемых услуг. По оценке Steer, спрос может вырасти на величину от 37 до 97 % к 2050 г. относительно допандемийного (2019 г.) объема перевозок. Драйверами роста с темпом от 1,6 – 1,7 до 3 % будут не только увеличение численности населения и развитие экономики, но и возможные решения в области транспортной политики (рис. 3).
По базовому сценарию перевозки могут восстановиться до предпандемийного уровня к 2030/2031 финансовому году. Однако в случае реализации амбициозной стратегии, направленной на изменение транспортных предпочтений населения и улучшение предлагаемых транспортных услуг, восстановление объема перевозок до уровня 2019 г. произойдет намного быстрее — в 2027/2028 году. Представляется реальным и рост грузовых перевозок в рамках поставленной государством задачи — 75 % в следующие 25 лет.
Выводы экспертов Steer подтверждают наличие предпосылок для наращивания объемов железнодорожных перевозок в интересах развития экономики и транспортной связности городов и регионов страны наряду с социальными выгодами и решением задач по декарбонизации. Реализовать эти предпосылки реально в условиях реформирования отрасли при наличии долгосрочной стратегии.
Обоснованность и реализуемость стратегии декарбонизации
В предыдущем отчете RIA, опубликованном в июле 2023 г., были сформулированы рекомендации в отношении выбора решений по модернизации эксплуатируемых в пассажирских перевозках поездов или замене их новыми, чтобы исключить пики и спады спроса, влияющие на формирование портфелей заказов и загрузку производственных мощностей предприятий железнодорожной промышленности. По оценке RIA, минимальный годовой объем заказов, включающий около 600 новых вагонов поездов (для магистральных железных дорог и метрополитенов) и аналогичный размер программ модернизации, может обеспечить загрузку имеющихся производственных мощностей, поддержать необходимый уровень конкуренции и способствовать (благодаря инвестициям в инновации) повышению производительности и в конечном итоге — снижению затрат.
В стратегии RIA подтверждается эта оценка годового объема заказов на новые поезда и модернизацию как отвечающая прогнозам роста спроса на перевозки. К тому же железнодорожная промышленность в свою очередь получает гарантии стабильности рыночного спроса и оправданности инвестиций. По оценке RIA, затраты на новый и модернизированный подвижной состав для замены эксплуатируемого будут покрываться в рамках существующих инвестиционных планов, тогда как источником средств на новые поезда, необходимые для освоения растущего спроса, должны быть дополнительные доходы, генерируемые благодаря этому росту.
С точки зрения стратегии обновления подвижного состава вариант замены исчерпавших срок службы дизель-поездов контактно-аккумуляторными или электропоездами, безусловно, оправдан. По данным моделирования, проведенного участниками RIA, расходы жизненного цикла ныне используемых дизель-поездов в 2 – 3 раза выше, чем аналогичные затраты на контактно-аккумуляторные или электропоезда.
Как известно, капитальные затраты на проекты электрификации высоки, но в предлагаемой RIA стратегии декарбонизации такие проекты охватывают только интенсивно используемые коридоры, что гарантирует положительный экономический эффект в долгосрочной перспективе. Этот вывод подкрепляется тем, что экономически обоснованной уже признана предполагающая полномасштабные размеры электрификации стратегия 2020 Traction Decarbonisation Network Strategy (2020 TDNS), опубликованная оператором инфраструктуры железных дорог Великобритании Network Rail. По оценке RIA, с учетом уже реализуемых проектов и предложенных, которые увеличат долю электрифицированных линий с 38 до 51 %, в 2030‑х годах потребуется ежегодно электрифицировать в среднем 345 км в однопутном исчислении, затрачивая от 345 до 865 млн ф. ст. ежегодно (оценка получена по данным, принятым в стратегии 2020 TDNS). Этот объем работ уже согласован правительством.
В стратегии RIA предложено продолжить поддержание такого темпа и в 2040‑х годах, что позволит ускорить декарбонизацию грузовых перевозок, полностью завершить декарбонизацию пассажирских перевозок и увеличить долю электрифицированных линий с 51 до 66 %. Подобные темпы электрификации железных дорог Великобритании уже имели место в прошлом (рис. 4).
По сравнению со стратегией 2020 TDNS, содержащей предложения по электрификации порядка 13 тыс. км (что обеспечит увеличение доли электрифицированных линий до 90 %), стратегия RIA, предполагающая эксплуатацию контактно-аккумуляторных поездов на 34 % линий, задействованных в пассажирских перевозках, обеспечит экономию совокупных затрат в размере от 4,3 млрд до 11 млрд ф. ст.
Необходимо отметить важность обеспечения на ранних этапах взаимодействия с предприятиями электроэнергетики. Вместе с тем доступность новых технологий, в частности статических преобразователей частоты, снизит зависимость от ограниченного числа соединений с магистральными электрическими сетями и в некоторой степени может даже содействовать ускорению выполнения программы. Более того, целесообразно увязывать вопросы электроснабжения и создания инфраструктуры подзарядки аккумуляторных батарей с поставками подвижного состава и привлекать финансирование из частных источников.
Модель стратегии
По сравнению со многими странами в Великобритании доля электрифицированных железных дорог не так велика. Вместе с тем сейчас для линий с невысокой интенсивностью движения есть альтернативы сплошной электрификации. Для выбора приемлемых вариантов была создана географическая модель, в которой все направления (маршруты пассажирских поездов) идентифицировались по показателям протяженности и размерам движения.
В рамках первого компонента стратегии декарбонизации были определены 216 маршрутов на неэлектрифицированных линиях, обслуживаемых в настоящее время дизель-поездами. Исходя из условия, что контактно-аккумуляторные поезда могут работать на неэлектрифицированных участках протяженностью 60 – 80 км до подзарядки тяговых аккумуляторов в движении под контактной сетью или в пунктах быстрой зарядки, идентифицированы 133 маршрута из 216, перспективные для использования таких поездов без дополнительной электрификации (рис. 5). В это число входят 28 маршрутов протяженностью от 60 до 80 км, для которых необходим дополнительный анализ с учетом условий эксплуатации.
В настоящее время на железных дорогах Великобритании эксплуатируются 1087 дизель-поездов для движения со скоростью до 160 км/ч, возраст которых к 2030 г. достигнет 35 лет. RIA считает приемлемым вариант их замены контактно-аккумуляторными поездами, что решает задачи по повышению комфорта для пассажиров, снижению выбросов углекислого газа и уменьшению загрязнения воздуха. Принцип модульности этих поездов и возможность адаптации к конкретным условиям позволят учитывать специфику маршрутов и характер обслуживания. Эксплуатация менее старых дизель-поездов может продолжиться в 2040‑х годах после модернизации, в том числе для работы на альтернативном топливе.
Такой подход, включая маршруты с пунктами подзарядки аккумуляторных батарей, позволит сократить связанные с дизельной тягой выбросы на 20 % к 2030 г. и на 45 % к 2035 г.
Наибольшую эффективность обеспечит электрификация линий с интенсивным пассажирским и грузовым движением (второй компонент стратегии). Ежесуточно дизель-поезда выполняют пробег в размере 400 тыс. км на рассматриваемых в стратегии 216 пассажирских маршрутах. Пятая часть этого пробега приходится на электрифицированные участки.
В стране продолжаются работы по ряду проектов сплошной и частичной электрификации и планируется реализация еще нескольких. Кроме того, представляющая транспортную и логистическую отрасли организация Chartered Institute of Logistics and Transport (CILT) обосновала рекомендации по электрификации дополнительно участков и линий суммарной длиной 1260 км, что позволит увеличить до 95 % долю выполняемых электрической тягой грузовых перевозок. RIA поддерживает рекомендации CILT, поскольку электрификация, например, только участков суммарной длиной 100 км позволит выполнять 3 млн поездо-км на электрической тяге, что эквивалентно устранению пробега грузовых автомобилей в размере более 200 млн км в год.
Кумулятивный эффект от реализуемых и предложенных проектов электрификации, включая рекомендации CILT по грузовым линиям, выразится в увеличении протяженности электрифицированных линий до 59 % (рис. 6) и изменении доступных вариантов тяги пассажирских поездов (рис. 7).
Решения для малозагруженных направлений — оставшихся 46 из 216 маршрутов — рассматривали в рамках третьего компонента стратегии. Как правило, это протяженные маршруты с малым объемом пассажирских перевозок, на которых представляет интерес использование поездов с питанием от водородных топливных элементов, способных обеспечить суточный пробег 800 – 1000 км без дозаправки. Ни один такой поезд в Великобритании пока не сертифицирован для выполнения пассажирских перевозок в отличие от контактно-аккумуляторных. Кроме того, нет уверенности в наличии условий для масштабного развертывания водородной экономики в стране.
Учитывая это положение, RIA исходит из использования контактно-аккумуляторных поездов по мере островной электрификации или создания пунктов быстрой зарядки тяговых аккумуляторов. В стратегию декарбонизации включены:
- электрификация 30-километровых участков, примыкающих к крупным станциям;
- электрификация всех участков маршрутов, по которым поезда курсируют со скоростью 130 – 160 км/ч;
- пункты быстрой зарядки на малодеятельных линиях в сельской местности;
- островная электрификация коротких участков на маршрутах с более высокой интенсивностью движения поездов.
Эти мероприятия позволят добиться в основном декарбонизации железных дорог при увеличении доли электрифицированных линий до 66 %.
На рис. 8 показан кумулятивный эффект от предложенной RIA стратегии декарбонизации применительно к рассматриваемым 216 маршрутам, ныне обслуживаемым дизель-поездами.
Очевидно, что с начала и до конца реализации стратегии контактно-аккумуляторные поезда будут использоваться на 133 – 135 маршрутах. Эти маршруты имеют разные программы эксплуатации, что, по оценке RIA, является индикатором долгосрочного спроса на такие поезда. Это значит, что, с одной стороны, начальные заказы потребуется выполнять в критически сжатые сроки, но, с другой стороны, контактно-аккумуляторные поезда всегда найдут применение, в том числе за счет каскадной передачи на другие маршруты.
Эффект декарбонизации
Исходя из размеров потребления дизельного топлива операторами грузовых и пассажирских перевозок, можно оценить сокращение его потребления операторами перевозок в масштабах выполнения мероприятий каждого компонента стратегии. Так, на рис. 9 представлен прогноз результата развертывания контактно-аккумуляторных поездов на маршрутах протяженностью менее 80 км.
Сокращение выбросов рассчитывали исходя из уменьшения доли пробега, выполняемого дизель-поездами ежесуточно, в рамках каждого компонента стратегии по 5‑летним периодам. Возможность декарбонизации пассажирских перевозок в полном объеме и грузовых на уровне 95 % проиллюстрирована ранее на рис. 2. Оставшиеся 5 % грузовых перевозок будут ответственны за 2 % выбросов углекислого газа поездами тепловозной тяги, эксплуатируемыми на неэлектрифицированных участках сети. Добиться устранения этих выбросов можно за счет перехода на альтернативное топливо и контактно-аккумуляторные локомотивы.
Роль альтернативного топлива
В проведенном Университетом Ноттингема исследовании отмечается, что в ближайшее время и в долгосрочной перспективе возможны приемлемые варианты замены дизельного топлива альтернативным (например, биотопливом или синтетическим). Объем углеродного топлива, используемого на железных дорогах, составляет менее 2 % потребляемого в авиации и менее 1 % — другими видами транспорта. Политические решения по замене дизельного топлива альтернативным на железных дорогах не окажут заметного влияния на потребление другими видами транспорта, но станут радикальными с точки зрения декарбонизаци железнодорожных перевозок. Пока же более высокий приоритет в этом отношении имеет воздушный транспорт.
Как уже отмечалось, альтернативные виды топлива представляют возможное решение для устранения 2 % выбросов к 2050 г., однако этот вариант имеет более высокий потенциал в краткосрочной и среднесрочной перспективе в качестве промежуточного решения для пассажирских маршрутов, декарбонизация которых рассмотрена в рамках второго и третьего компонетов стратегии, и особенно — для грузовых перевозок.
Еще одним фактором является оценка расходов. Пока альтернативное топливо даже при наличии достаточного количества сырья для него остается более дорогим вариантом, чем дизельное. Операторы перевозок, особенно грузовых, ориентированы на получение прибыли и вряд ли готовы идти на дополнительный рост расходов. В такой ситуации RIA видит выход в субсидировании перевозок с использованием недизельного топлива.
Важно учитывать, что альтернативное топливо устраняет выбросы углекислого газа, но не других вредных веществ, таких как оксиды азота. Поэтому его применение стоит рассматривать только как промежуточное, но не долгосрочное решение.
Еще один вариант связан с эксплуатацией двухтопливных тепловозов. Его тоже можно рассматривать как промежуточный, правда расходы на модификацию локомотивов могут оказаться более высокими, чем переход только на альтернативное топливо.
Оптимизация расходов жизненного цикла
RIA обосновывает выбор оптимального варианта декарбонизации конкретного маршрута путем сравнения расходов жизненного цикла. Примером может служить расчет, выполненный компанией AD Little для маршрута Бристоль-Паркуэй — Пензанс на юго-западе Англии. Вариант электрификации этого малозагруженного маршрута не представляется однозначным в силу преобладания поездов, курсирующих с часовым или двухчасовым интервалом.
Рассматривались три сценария:
- первый сценарий — сохранение дизель-поездов с заменой исчерпавшего срок службы подвижного состава поездами с гибридным приводом;
- второй сценарий — сплошная электрификация двухпутной линии Бристоль-Паркуэй — Пензанс длиной около 330 км и замена дизель-поездов электропоездами;
- третий сценарий — электрификация участка длиной примерно 140 км от Бристоля до Эксетера плюс эксплуатация контактно-аккумуляторных поездов на участке от Эксетера до Пензанса с созданием там пунктов подзарядки тяговых аккумуляторов.
Расчет выполняли для существующих и прогнозируемых размеров движения с учетом капитальных и эксплуатационных затрат в течение 30 лет. Рассматривали две модели финансирования инфраструктурных проектов: из государственных источников и с привлечением частного капитала. Результат, полученный для существующей модели государственного финансирования, показан на рис. 10. В краткосрочной перспективе расходы меньше по первому сценарию. Однако с 12‑го по 25‑й год после принятия решения третий сценарий — с частичной электрификацией и контактно-аккумуляторными поездами — оказывается самым экономически выгодным. В течение 30 лет этот сценарий обеспечит экономию в размере 857 млн ф. ст. и позволит сократить выбросы углекислого газа на 779 тыс. т.
Вместе с тем вариант полной электрификации и эксплуатации электропоездов по истечении 25 лет и окупаемости начальных капиталовложений за этот период может стать наиболее приемлемым при условии применения модели финансирования с привлечением средств из частных источников.
Стратегия в области подвижного состава
В настоящее время парк пассажирского подвижного состава, используемого операторами перевозок на магистральных линиях и находящегося в ведении столичной транспортной администрации Transport for London (TfL), насчитывает 15 тыс. ед., что при сроке полезного использования 35 лет требует обновления в размере 430 вагонов моторвагонных поездов в год (рис. 11) или 500 – 600 ед., включая вагоны метропоездов и вагоны поездов локомотивной тяги. Условие, что большинство единиц проходит через капитальный ремонт или модернизацию в течение этих 35 лет, определяет потребность в соответствующем объеме производственных мощностей.
С учетом подвижного состава, процесс закупки которого находится на этапе запросов, потенциальный суммарный объем выпуска новых единиц вплоть до 2030 г. приближается к величине 500 – 600 ед. Однако даже в случае превращения этих планируемых заказов в твердые контракты уйти от циклов подъема и спада в производстве подвижного состава не удастся без регулятивных мер, т. е. политического вмешательства в части стимулирования спроса на перевозки и мер по его удовлетворению (рис. 12). Кроме того, даже если эти планируемые заказы будут оформлены достаточно быстро (что на момент публикации отчета представлялось маловероятным), остается риск временнóго зазора продолжительностью до 24 мес, когда отсутствие достаточной загрузки производственных предприятий может привести к их закрытию.
На планируемые заказы приходится около 75 % из 2600 ед., возраст которых к 2040 г. составит 35 лет и больше. Важно отметить, что в это число (2600 ед.) входят 1100 вагонов дизель-поездов, которые можно заменить вагонами контактно-аккумуляторных поездов.
Как было отмечено, к 2050 г. спрос на пассажирские перевозки может вырасти на величину от 37 до 97 %, что потребует адекватных инвестиций в увеличение парка подвижного состава, развитие систем сигнализации и совершенствование инфраструктуры. По оценке RIA, для освоения такого прироста спроса на перевозки потребуется увеличить численность парка минимум на 30 %. В таком случае сохраняется существенный разброс в потребном подвижном составе — от менее чем 1000 до 5500 ед. в отдельные 5‑летние периоды, что не дает возможности уйти от циклов подъемов и спадов (рис. 13).
Отреагировать на рост спроса и ускорить декарбонизацию можно более ранней заменой дизель-поездов, которые достигают 35‑летнего срока службы после 2045 г. Предлагаемая стратегия декарбонизации дает такую возможность — на большинстве маршрутов к тому времени будет доступен переход на контактно-аккумуляторные поезда или в отдельных случаях — на электропоезда.
Масштабная замена подвижного состава в ближайшие годы приведет к тому, что через 35 лет вновь возникнет потребность в массовом обновлении парков поездов. Сгладить ситуацию можно будет продлением срока службы до 40 лет подвижного состава с кузовами из алюминиевых сплавов с разработкой соответствующей стратегии их технического обслуживания и ремонта. Реализация такого подхода позволит за счет продления срока службы электропоездов раньше вывести из эксплуатации дизель-поезда и сгладить пиковые величины потребности в новом подвижном составе (рис. 14).
График обновления подвижного состава на рис. 14 отличается меньшими величинами пикового спроса до 2050 г., но не устраняет их. В периоды после 2050 г. спрос на новый подвижной состав принят на том же уровне, поскольку для более поздней перспективы нет прогноза по ожидаемому объему перевозок.
Между тем возможности по приведению потребности в подвижном составе в соответствие со спросом на перевозки все же существуют. Созданный в рамках проводимой в последние годы реформы железнодорожного сектора Великобритании централизованный орган Great British Railways (GBR) будет наделен полномочиями по стимулированию спроса на перевозки и его удовлетворению, включая применение моделей управления доходами, рамочных контрактов, гарантирующих гибкость поставок, и других инструментов. По оценке RIA, эта новая организация может проявлять большую гибкость в управлении спросом и сглаживании пиков и спадов потребности в новом подвижном составе (рис. 15). Если потребность в увеличении парка сбалансирована в соответствии со спросом, то результатом будет устойчивый темп обновления. В данном примере темп обновления увеличится примерно с 430 ед. до почти 600 ед. в год.
Такой подход позволит избегать циклов подъемов и спадов. Стабильность спроса на новый подвижной состав и услуги по модернизации эксплуатируемых поездов гарантирует усиление конкуренции на рынке и стимулирование инвестиций в подготовку персонала и инновационные технологии, направленные на повышение производительности и сокращение затрат.