Sustainable and green rail systems

Rail4EARTH

Zrównoważony i ekologiczny system kolejowy

Projekt FP4 – Rail4Earth stanowi połączenie kilku działań planowanych wcześniej w procesie budowy założeń do uczestnictwa w partnerstwie Europe’s Rail JU, które obejmują większość działań w ramach projektu „Neutralny dworzec z elementami węzła przesiadkowego” oraz „Rozbudowy standardu BIM o komponenty kolejowe i budowa cyfrowego bliźniaka dworca”. Obejmuje również działania planowane jako osobne prace dotyczące „Stacji tankowania wodoru dla kolei” oraz „Holistycznego zarządzanie energią trakcyjną”. Działania te zostały skonsolidowane ze względu na to, że odpowiadają one głównym założeniom projektu FP4 – Rail4Earth i stanowią realizacje kilku enabler-ów przypisanych do tego Projektu Flagowego.

Rozwijane będą elementy w odniesieniu do wyzwań związanych z poprawą atrakcyjności i innowacyjności dworców kolejowych, z uwzględnieniem rozwiązań wspierających ochronę środowiska. Poszukiwanie ulepszeń i innowacji w zakresie poprawy atrakcyjności dworców, wynika zarówno ze względów wizerunkowych, potrzeby zwiększenia użyteczności dworca z punktu widzenia użytkownika końcowego tj. podróżnego i klienta dworca, jaki i z potrzeb wewnętrznych zarządcy dworców jakim jest PKP S.A. Projekt ma na celu wypracowanie standardów rozwiązań pozwalających zachować akceptowalny balans nakładów i korzyści w pełnym cyklu życia dworca oraz zwiększyć jego atrakcyjność pod względem usług dostępnych na jego terenie.

W odniesieniu do wyzwań związanych z redukcją śladu węglowego i wpływu rozwiązań w sektorze budownictwa i transportu na środowisko naturalne, zakłada się podjęcie działań zgodnych z wytycznymi Unii Europejskiej dotyczących dążenia do zerowej emisyjności netto w horyzoncie 2050/2060 przy zachowaniu szansy na znaczącą redukcję śladu węglowego do roku 2030 (55% redukcja zgodnie z pakietem „Fit for 55”). Zakres ten powinien być osiągnięty również w odniesieniu do usługowego budownictwa komunikacyjnego, w tym dworców kolejowych.

W ramach działań związanych z obszarem BIM i cyfrowego bliźniaka dworca, nastąpił podział tego zagadnienia na dwie części. Wynika to ze struktury przyjętej na poziomie obszarów flagowych przygotowywanych w ramach „Wieloletniego planu działania”, gdzie przyjęto, że standardy i wymogi w zakresie platformy systemowej cyfrowych bliźniaków infrastruktury kolejowej będą opracowywane w ramach Projektu Flagowego FP1 - MOTIONAL, natomiast pilotaże związane z konkretnym przygotowaniem cyfrowych bliźniaków dla poszczególnych elementów infrastruktury znajdą się w ramach niniejszego Projektu Flagowego FP4.

W ramach niniejszych działań badawczo-rozwojowych przewiduje się rozbudowę obecnie funkcjonującego w budownictwie standardu otwartych danych BIM o komponenty charakterystyczne dla sektora kolejowego, a następnie ich wykorzystanie do opisu budynków i infrastruktury dworcowej oraz otaczającego terenu. Standaryzacja sposobów opisu wykorzystywanych materiałów, systemów i rozwiązań umożliwi łatwiejsze i bardziej elastyczne planowanie inwestycji w ich wstępnej fazie oraz lepszą współpracę pomiędzy architektem, inżynierem budowy i inwestorem. Standard opisu technologii budowlanej umożliwia stworzenie jednolitego sposobu budowania zapytań ofertowych i zmniejsza ryzyko posądzenia o promowanie rozwiązań jednego producenta.

Standaryzacja i bieżący dostęp do wiedzy o użytych materiałach i urządzeniach, ułatwi służbom serwisowych realizację interwencji i skróci czas przywrócenia stanu pierwotnego. Dzięki zastosowaniu rozwiązań opartych o BIM poprzez wykorzystanie danych z cyfrowego bliźniaka dworca istnieje realna szansa obniżenia kosztów bieżących związanych z utrzymaniem budynków oraz udostępnienie administratorom i służbom zarządzającym efektywnego narzędzia do bieżącej pracy, co będzie wykorzystywane w ramach Projektu Flagowego FP3 – IAM4RAIL.

Przeprowadzenie pilotażu cyfrowego bliźniaka pozwoli na ocenę potencjalnych i korzyści wynikających ze standaryzacji materiałów, instalacji i urządzeń na etapie planowania inwestycji oraz oszczędności związanych z bieżącym utrzymaniem dworca. Przy rozszerzeniu wytworzonych w projekcie narzędzi BIM i cyfrowego bliźniaka na większą liczbę dworców, ułatwiona zostanie standaryzacja zarzadzania dworcami, automatyzacja procesu zakupowego materiałów eksploatacyjnych i prognozowanie ich zużycia, porównywanie parametrów dworców o zbliżonych gabarytach i przepływie pasażerów w celu wypracowania modelowego sposobu zarządzania oraz wiele innych elementów, które mogą pojawić się w toku realizacji projektu badawczo-rozwojowego.

Jednym z punktów wyjściowych w ramach działań dotyczących holistycznego zarządzania energią trakcyjną jest budowa narzędzi służących do odpowiedniego planowania lokalizacji i przyłączania źródeł wytwórczych OZE, a także umożliwienie zarządzania przepływem zielonej energii i współpracy źródeł z odbiorami trakcyjnymi. Działania te wytwarzane będą w ramach tzw. lokalnego obszaru bilansowania, gdzie przewiduje się wykorzystanie idei tzw. Smart Grid. Zakłada się również pracę nad szerszym wykorzystaniem magazynów energii do celów kolejowych, w tym wspierających rekuperację oraz nad energoelektronicznymi przekształtnikami przetwarzającymi energię elektryczną bezpośrednio z paneli fotowoltaicznych na sieć trakcyjną i adekwatnym olicznikowaniem elementów systemu. Jednym ze stawianych zadań jest opracowanie wspólnego sposobu zarządzania dla urządzeń trakcyjnych i nietrakcyjnych oraz magazynów i źródeł energii, a także sieci elektroenergetycznych w celu dynamicznej optymalizacji pracy urządzeń elektroenergetycznych.

W części dotyczącej stacji tankowania wodoru zakłada się przeprowadzenie prac zmierzających do ustalenia mechanizmów właściwego doboru lokalizacji, z uwzględnieniem parametrów w zakresie oczekiwanego maksymalnego czasu tankowanie wodoru, ponieważ z jednej strony szybkie interfejsy do tankowania wodoru zapewniają krótsze przestoje taboru, ale wymagają znacznie większych inwestycji w związku z przeciwdziałaniem nadmiernemu nagrzewaniu się wodoru, co może rodzić ryzyko jego zapłonu.

Istotnym obszarem prac badawczo-rozwojowych będzie również wypracowanie i standaryzacja interfejsu do tankowania taboru kolejowego w sposób, który umożliwi realizację tego procesu możliwie w jak najkrótszym czasie, przy zachowaniu odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Standardy te muszą uwzględniać rodzaje wlewów paliwa wodorowego użyte w już produkowanych pojazdach kolejowych i stanowić wytyczne dla producentów planujących budowę tego typu taboru w przyszłości. Będzie to element zapewniający interoperacyjność podjętych działań i nie dyskryminowanie żadnego z producentów.

Bardzo istotnym elementem związanym z opracowaniem standardu interfejsu tankowania wodoru są wymogi bezpieczeństwa. Zgodnie z przekazaną wcześniej informacją, nadmierna prędkość tankowania grozi zapłonem i wybuchem paliwa wodorowego. Zapewnienie bezpieczeństwa wymaga zatem przeprowadzenia precyzyjnych badań związanych z tym procesem, określenie ram dla bezpieczeństwa tankowania, a od strony technologicznej przygotowanie odpowiednich algorytmów nadzorujących proces tankowania i zapewniających automatyczną reakcję w przypadku niebezpieczeństwa przekroczenia nałożonych ograniczeń. Zapewnienie właściwego poziomu bezpieczeństwa stacji tankowania wymagać będzie zatem wielu testów i badań. Docelowo wynikiem podejmowanych obecnie działań będzie ujęcie wypracowanych standardów w regulacjach, które określą wymagane standardy na poziomie europejskim lub światowym.

Projekt jest realizowany przez konsorcjum, składające się z lidera – PKP S.A. i podmiotów stowarzyszonych (affiliated entities):

• Polskie Koleje Państwowe S.A.,

• Akademia Górniczo-Hutnicza

• Centralny Port Komunikacyjny sp. z o.o.

• Infrabyte sp. z o.o.

• Instytut Elektrotechniki (Sieć Badawcza Łukasiewicz)

• Instytut Kolejnictwa (sieć POLTRIN)

• Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego (Sieć Badawcza Łukasiewicz)

• Instytut Technik Innowacyjnych EMAG (Sieć Badawcza Łukasiewicz)

• PKP Energetyka S.A.

• PKP Informatyka sp. z o.o.

• Politechnika Poznańska

• International Union of Railways (UIC)

• Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie

Zaangażowane Wydziały Akademii Górniczo-Hutniczej:

• Wydział Elektroniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej (Jednostka Koordynująca) – Koordynator Projektu: prof. dr hab. inż. Jerzy Baranowski

• Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska – wydziałowy koordynator Projektu: dr hab. inż. Tomasz Owerko, prof. uczelni

• Wydział Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami – wydziałowy koordynator Projektu: dr hab. inż. Barbara Kowal, prof. uczelni

CELE DZIAŁAŃ:

W części dotyczącej neutralnego dworca i cyfrowego bliźniaka:

• zmiana podejścia z klasycznego projektowania na eko-projektowanie, poprzez opracowanie modeli i metodologii przejścia z gospodarki linearnej (nabyć – użytkować - wyrzucić) na gospodarkę cyrkularną (ponowne użycie),

• wytworzenie katalogu i specyfikacji odpowiednich materiałów i technologii służących ograniczeniu śladu węglowego i innych szkodliwych emisji oraz specyfikacja rozwiązań efektywnych i przyjaznych dla środowiska, opartych na modułowych rozwiązaniach systemowych,

• wytworzenie narzędzi do optymalizacji rozwiązań dla różnych potrzeb i przepływów pasażerskich i ustalenie najważniejszych czynników decydujących o sposobie zachowania podróżnych na stacji i w węzłach przesiadkowych,

• wykorzystanie otwartych standardów projektowania umożliwiających modelowanie informacji
  o budynku (tzw. BIM) w całym cyklu życia jego komponentów,

• zamodelowanie i utrzymanie cyfrowego bliźniaka (ang. Digital Twin) dla dworca kolejowego w oparciu m.in. o dane z BIM,

• udoskonalenie metody projektowania systemów chłodzenia, oświetlenia, gospodarki wodnej
  i wykorzystania bioróżnorodności do osiągnięcia zaplanowanych efektów środowiskowych,

W części dotyczącej holistycznego zarządzania energią:

• poprawę lokalnego wykorzystania energii pochodzącej z OZE na potrzeby odbiorów trakcyjnych, poprzez zmniejszenie mocy i ilości energii pobieranej z sieci dystrybucyjnej dzięki wykorzystaniu energii zielonej produkowanej na miejscu,

• budowa narzędzi służących do odpowiedniego planowania lokalizacji i przyłączania źródeł wytwórczych OZE oraz zapewnienia ich współpracy z odbiorami trakcyjnymi,

• zaprojektowanie systemu sterowania i integracji źródeł wytwórczych, odbiorników i magazynów energii, w tym przygotowanie algorytmów służących doborowi źródeł OZE i magazynów pod kątem ich cech technologicznych,

• szersze wykorzystanie magazynów energii do celów kolejowych, w tym wspierających rekuperację,

• zbudowanie narzędzi do zintegrowanego zarządzania odbiorami i źródłami energii w otoczeniu kolejowym służące zmniejszeniu ilości energii z podstacji przepływającej w górę sieci,

• zapewnienie mechanizmów służących zmniejszeniu zużycia energii trakcyjnej, w tym
  z wykorzystaniem komunikacji z systemami sterowania ruchem kolejowym,

W części dotyczącej stacji tankowania wodoru:

• opracowanie modelu doboru lokalizacji do posadowienia stacji tankowania wodoru w zależności
  od zapotrzebowania taboru w danej lokalizacji,

• opracowanie i przetestowanie interfejsu tankowania wodoru między stacją tankowania a pojazdem kolejowym, z założeniem wypracowania jednolitego standardu dla taboru wodorowego różnych producentów

• opracowanie parametrów bezpieczeństwa stacji i samego procesu tankowania wodoru.

OCZEKIWANE EFEKTY WDROŻENIA:

W części dotyczącej neutralnego dworca i cyfrowego bliźniaka zakłada się:

• opracowanie rozwiązań gospodarki obiegu zamkniętego, co ma szanse przełożenia się na koszty modernizacji lub utrzymania dworca,

• rozwój metod budowy dworców modułowych,

• możliwość symulacji i predykcji planowanych zmian z uwzględnieniem ich wpływu na koszty, środowisko naturalne lub inne oceniane aspekty oceniane w pełnym cyklu życia,

• wpływ na zgodność z regulacjami wymagającymi redukcji śladu węglowego o co najmniej 55% netto
  do 2030 r. z założeniem docelowej neutralności netto (zerowy ślad węglowy generowany w cyklu życia dworca w roku 2050/2060 r.),

• usprawnienie i wypracowanie narzędzi i metod do prowadzenia ustandaryzowanego procesu przetargowego w zakresie modernizacji dworca,

• powtarzalność procesu oceny inwestycji dworcowych dzięki ustandaryzowaniu zapytań ofertowych i wykorzystujących danych cyfrowych,

• sukcesywna aktualizacja standardów budowlanych po zakończeniu kolejnych etapów prac badawczo-rozwojowych, co umożliwi wcześniejsze wdrażanie rozwiązań, które pozytywnie przeszły testy i wykazały korzyści dla PKP S.A.

• możliwość symulacji zagospodarowania przestrzennego różnych wariantów modeli dworca i węzła przesiadkowego w zależności od rodzaju dworca, dzięki zastosowaniu cyfrowego bliźniaka,

• usprawnienie obsługi serwisowej i poprawa parametrów eksploatacji, dzięki standardom BIM
  i wykorzystaniu danych z cyfrowego bliźniaka o użytych materiałach, komponentach, systemach dworcowych.

W części dotyczącej holistycznego zarządzania energią na kolei zakłada się:

• wypracowanie rozwiązań zwiększających wykorzystanie OZE oraz energii powstałej w ramach rekuperacji w sieci kolejowej,

• utworzenie modelu skalowalnego lokalnego obszaru bilansowania energii zapewniającego minimalizację odpływu energii do sieci,

• opracowanie systemu i wypracowanie algorytmów sterowania i integracji w ramach lokalnych obszarów bilansowania.

W części dotyczącej stacji tankowania wodoru zakłada się:

• udział podmiotów z Polski w opracowaniu standardowego interfejsu tankowania pojazdów kolejowych z napędem wodorowym,

• budowa modelu wyboru lokalizacji terenów PKP S.A. przeznaczonych do budowy stacji tankowania, co może stanowić dodatkowe źródło przychody z dzierżawy tych nieruchomości

• wsparcie zwiększenia wykorzystania pojazdów kolejowych z napędem wodorowym, co będzie naturalnym procesem wymiany taboru spalinowego na pojazdy napędzane paliwem ekologicznym o minimalnej emisji,

• wsparcie procesu realizacji celów ograniczenia emisji zanieczyszczeń w ramach realizacji pakietu „Fit for 55” do 2030 r. oraz dalszego ograniczania emisji w kolejnych latach,

• udział w ustalaniu parametrów bezpieczeństwa stacji oraz procesu tankowania wodoru.