Duży rozgłos zyskują w tym kontekście inicjatywy podejmowane i realizowane przez polskie firmy. Doskonałym przykładem tego jest lokomotywa wodorowa SM42-6Dn zaprojektowana przez firmę PESA Bydgoszcz. Przyznanie jej homologacji przez Urząd Transportu Kolejowego spotkało się ze sporym zainteresowaniem mediów, nie tylko tych branżowych. Kolej wodorowa rozpala wyobraźnię i daje nadzieję na to, że w ciągu najbliższych dekad znacząco ograniczmy emisyjność transportu kolejowego. Zachęcamy do lektury artykułu, w którym pokrótce opisujemy:

• historię kolei wodorowej
• miejsce, w którym znajdują się polskie przedsiębiorstwa przemysłu kolejnictwa wodorowego – na czele z bydgoską firmą PESA,
• wyzwania i perspektywy związane z rozwojem i upowszechnieniem pociągów na wodór.

Historia
kolei wodorowej – jak rozwijała się ta koncepcja na przestrzeni lat?

Od ponad 20 lat lokomotywy wodorowe oraz inne rozwiązania technologiczne oparte na wykorzystaniu tego paliwa stanowią jedno z kluczowych zagadnień w dyskusji na temat przyszłości transportu kolejowego. Sama koncepcja zastosowania ogniwa wodorowego do napędzania pojazdów jest jednak znacznie starsza. Z jego praktycznym wykorzystaniem w inżynierii mieliśmy do czynienia już w połowie lat 60. XX w., gdy zamontowano je na pokładzie promu kosmicznego, który brał udział w misji Apollo. Poza sektorem kosmicznym rozwiązanie nie okazało się jednak przełomem. Barierą jego rozwoju i upowszechnienia były takie czynniki jak m.in. niski poziom ówczesnej świadomości ekologicznej oraz stosunkowo wysoki koszt technologii.

Jeszcze w latach 90. XX w. zaczęto podejmować próby wdrożenia ogniw wodorowych w autobusach, jednak na początek intensywniejszego rozwoju tej technologii w transporcie publicznym i prywatnym trzeba było poczekać do nowego tysiąclecia. Wystarczy wspomnieć, że za umowną datę pierwszego użycia terminu „kolej wodorowa” przyjmuje się 22 sierpnia 2003 r. Sformułowanie to padło podczas wygłaszania prezentacji „Mooresville Hydrail Initiative” w Centrum Systemów Transportowych Volpe Departamentu Transportu USA w Cambridge. Co ciekawe, pierwsza kopalniana lokomotywa zasilana wodorem została zademonstrowana w Kanadzie w 2002 r. – czyli rok wcześniej. O skali wyzwań związanych z implementacją technologii wodorowej niech świadczy fakt, że na wdrożenie wagonu wodorowego trzeba było poczekać do 2006 roku, a kolejne 12 lat musiało minąć, aby do eksploatacji wszedł model Coradia iLint – pierwszy na świecie komercyjny pasażerski pociąg zasilany wodorem. 17 września 2018 roku dwa pierwsze tego typu pojazdy włączono do użytku w Dolnej Saksonii.

Potencjał kolei wodorowej zauważa wiele krajów dążących do modernizacji swojego transportu szynowego. Inwestycje w pociągi wodorowe lub hybrydowe (wodorowo-elektryczne) są planowane i realizowane m.in. we Francji, we Włoszech czy w Anglii. Dzięki wykorzystaniu tej technologii brytyjskie koleje zamierzają do 2040 roku całkowicie wycofać się z użytkowania pociągów spalinowych. Koncepcją pasażerskiego pociągu wodorowego interesują się również kraje spoza Europy, takie jak np. Kanada, USA czy Korea Południowa. Warto zaznaczyć, że toczą się również prace nad lokomotywami wodorowymi wykorzystywanymi np. do pracy manewrowej na stacjach rozrządowych czy wewnątrz zakładów przemysłowych.

Na jakim etapie są prace nad rozwojem kolei wodorowej w Polsce?

Inwestycje w rozwój pociągów i lokomotyw wodorowych mają miejsce także w Polsce. Warto zauważyć, że priorytetowo pojazdy kolejowe zasilane wodorem stosuje się w roli alternatywy dla pociągów spalinowych na liniach niezelektryfikowanych. Nasz kraj wypada bardzo dobrze na tle średniej unijnej pod względem wskaźnika elektryfikacji linii, przez co mogłoby się wydawać, że zainteresowanie pociągami i lokomotywami wodorowymi będzie mniejsze. Jest to mylne wrażenie – w Polsce mamy do czynienia z niskim poziomem wykorzystania sieci kolejowej, który jest związany m.in. ze ograniczoną obsługą linii niezelektryfikowanych. Jeśli zostaną podjęte decyzje o zwiększeniu stopnia wykorzystania sieci kolejowej, to pociągi wodorowe mogą okazać się bardzo korzystnym rozwiązaniem umożliwiającym obniżenie emisyjności polskiej kolei.

Pracę nad projektem, jakim jest pierwsza polska lokomotywa wodorowa, rozpoczęło kilka lat temu bydgoskie przedsiębiorstwo kolejowe PESA. Rezultatem tego przedsięwzięcia jest lokomotywa manewrowa SM42-6Dn, którą napędzają dwa ogniwa wodorowe. Wyposażono ją w cztery asynchroniczne silniki trakcyjne o mocy 180 kW każdy oraz dostęp do zbiorników wodoru o pojemności 175 kg. Ogniwa wodorowe wytwarzają energię i poprzez baterię trakcyjną zasilają wszystkie cztery silniki. Umożliwia to lokomotywie osiągnięcie maksymalnej prędkości równej 90 km/h. Co istotne, pojemność zbiorników na wodór jest dostosowana w taki sposób, aby jedno tankowanie pozwalało na całą dobę pracy manewrowej. Warto dodać, że lokomotywa manewrowa SM42-6Dn ma wbudowany system rozpoznawania przeszkód oraz system jazdy autonomicznej. Dzięki temu maszynista może jednoosobowo sterować radiowo pojazdem podczas ustawiania składów.

Premiera bydgoskiej lokomotywy zasilanej wodorem miała miejsce podczas Międzynarodowych Targów Kolejowych TRAKO 2021. W połowie 2023 roku została ona dopuszczona do eksploatacji przez Urząd Transportu Kolejowego. W niedalekiej przyszłości powstanie polski pociąg na wodór. Pierwsze składy pasażerskie wykorzystujące ogniwa wodorowe PESA Bydgoszcz planuje uruchomić do 2026 roku.

Dlaczego pociąg wodorowy może zrewolucjonizować transport kolejowy?

Dążenie do redukcji emisyjności transportu kolejowego sprawia, że coraz więcej krajów przeznacza duże środki finansowe na rozwój pociągów wodorowych. Co sprawia, że w tej technologii pokładane są tak duże nadzieje?

Bezpieczeństwo i wydajność energetyczna

Jednym z głównych powodów, dla których kolej wodorowa cieszy się tak dużym zainteresowaniem, jest potencjał ekologiczny. Spalanie wodoru nie wiąże się z emisją gazów cieplarnianych. Jedynymiproduktami ubocznymi jego wykorzystania jako paliwa są ciepło i woda.

Bezpieczeństwo i wydajność energetyczna

Dużą zaletą ogniw wodorowych jest ich wydajność energetyczna. Wynika to w dużej mierze z charakterystyki wodoru, który w odniesieniu do masy cechuje się największą wśród paliw wartością opałową i ciepłem spalania. Co równie istotne, pociągi wodorowe nie ustępują pod względem bezpieczeństwa konwencjonalnym środkom transportu.

Możliwość zastąpienia pociągów spalinowych

Wdrożenie pociągów wodorowych umożliwia redukcję liczby pociągów spalinowych poruszających się po niezelektryfikowanych liniach. W ogólnym ujęciu kolej wodorowa może przyczynić się również do zwiększenia efektywności energetycznej transportu kolejowego, ponieważ lokomotywy wodorowe charakteryzują się dobrą wydajnością, mogąc przemierzać długie trasy bez częstego tankowania.

Redukcja hałasu

Istotnym atutem pociągów wodorowych jest niski poziom emisji hałasu, co ma szczególne znaczenie w kontekście komfortu osób mieszkających niedaleko torów kolejowych.

Efektywna praca w niskich temperaturach

Ogniwa wodorowe, które są podstawą kolejowej technologii wodorowej, charakteryzują się sprawną pracą w niskich temperaturach.

Korzystna alternatywa dla elektryfikacji linii kolejowych

Kolej wodorowa stanowi wartą rozważenia alternatywę dla inwestycji związanych z elektryfikacją linii kolejowych. Ten aspekt ma szczególne znaczenie w przypadku rynków takich jak np. Ameryka Północna, gdzie zelektryfikowane linie występują bardzo rzadko.

Uniwersalność

Kwestią, na którą warto zwrócić uwagę w kontekście wykorzystania wodoru w obszarze kolejnictwa, jest także szeroka gama jego zastosowań. W oparciu o tę technologię możliwa jest modernizacja wielu różnych rodzajów transportu szynowego, w tym m.in. kolei pasażerskiej, towarowej czy przemysłowej.

Jakie wyzwania wiążą się z koleją wodorową?

Droga do osiągnięcia celu w postaci opłacalnego i efektywnego wdrożenia pociągów wodorowych nie jest prosta. Jednym z podstawowych problemów, z jakimi należy sobie poradzić, jest konieczność inwestycji w odpowiednią infrastrukturę. Niezbędna jest m.in. rozbudowana sieć stacji tankowania wodoru oraz wyszkolenie odpowiedniej liczby pracowników, którzy będą posiadali wiedzę potrzebną do prawidłowej eksploatacji oraz konserwacji całego systemu.

Kolejnym wyzwaniem związanym z wodorową rewolucją transportu kolejowego jest sposób pozyskiwania samego wodoru. W przypadku części z testowanych do tej pory pociągów zasilanych ogniwami paliwowymi wykorzystywano tzw. wodór szary, mogący być produktem reformingu metanu, zgazowania węgla czy rozbicia wody na poszczególne pierwiastki. Wykorzystanie w tym kontekście energochłonnych i emisyjnych procesów stoi w sprzeczności z ekologicznym zamysłem wodorowej technologii kolejowej. Długofalowym celem jest korzystanie z tzw. zielonego wodoru, który uzyskuje się w procesie elektrolizy z wykorzystaniem energii z odnawialnych źródeł, np. farm wiatrowych czy paneli fotowoltaicznych.

Podsumowanie

Potencjał tkwiący w pociągach wodorowych sprawia, że na inwestycję w tę technologię decyduje się wiele krajów na całym świecie. Bezemisyjność, jaką będą w stanie zapewnić nowoczesne pojazdy szynowe zasilane wodorem, może sprawić, że staną się one w przyszłości fundamentem ekologicznej rewolucji w transporcie kolejowym. Za finansowaniem rozwoju kolei wodorowej przemawiają jednak nie tylko argumenty dotyczące ochrony środowiska. Wśród istotnych atutów pociągów wodorowych można wymienić także m.in. ich wydajność, niski poziom generowanego hałasu, bezpieczeństwo czy efektywną pracę w niskich temperaturach. Opłacalne wdrożenie pojazdów kolejowych wiąże się jednak z pewnymi wyzwaniami, takimi jak np. konieczność stworzenia odpowiedniej infrastruktury, wykształcenie pracowników, a także efektywne pozyskiwanie wodoru zielonego.

Projektowanie pojazdów szynowych zasilanych wodorem jest przedsięwzięciem wymagającym od zajmujących się nim specjalistów odpowiedniego know-how oraz wieloletniego doświadczenia w realizacji zaawansowanych projektów technologicznych z obszaru transportu kolejowego. Znajomość specyfiki tego sektora jest kluczowa, ponieważ charakter produkcji pojazdów szynowych znacząco różni się od standardów, zgodnie z którymi realizowane jest np. projektowanie przemysłowe w branży automotive. W Endego od lat specjalizujemy się w prowadzeniu projektów technologicznych dla firm z branży kolejowej. Z sukcesami współpracowaliśmy z wiodącymi krajowymi przedsiębiorstwami kolejowymi, takimi jak m.in. PESA, czyli twórca pierwszej polskiej lokomotywy wodorowej, czy Polski Tabor Szynowy – Wagon.

Szukasz sprawdzonego zespołu inżynierów, który ma doświadczenie w projektowaniu kluczowych elementów mających wpływ na funkcjonalność, efektywność i estetykę pojazdów szynowych? Skontaktuj się z nami i wspólnie kreujmy przyszłość transportu kolejowego!

Hydrogen-powered vehicles are one of the fastest growing areas in the public transport sector. This is influenced, among other things, by various subsidy programmes to support the implementation of clean public transport. In the remainder of this article, we will analyse, among other things, why there is so much interest in hydrogen buses, what their main advantages are, what their general principle of operation is, and what the current situation is regarding the use of this type of low-emission vehicles in Poland and around the world.

Hydrogen bus – one of the cornerstones of public transport of the future

Increasing the energy efficiency of vehicles and the use of renewable energy are currently among the strategic objectives of European transport and energy policy. The motivation for taking action in this direction is primarily the desire to prevent progressive climate change and an increase in air pollution. As road transport is a significant factor negatively affecting urban air quality, public transport has become one of the areas of particular focus in the development of new, greener technologies.

The process of modernising public transport and transforming it towards low-carbon modes of transport has become multifaceted over the years. An important part of the focus in recent decades has been on electromobility, understood mainly as BEVs (Battery Electric Vehicles), i.e. vehicles powered by electricity stored in rechargeable batteries. During this time – somewhat in the shadows, one might say – there has also been systematic progress in the use of hydrogen technology for propulsion in buses and trams. This has been fostered by various initiatives such as, among others, the international CHIC project, which aimed to support the market introduction of hydrogen fuel cell buses.

For some time now, we have also been able to observe the rise of public transport based on fuel cells in Poland. On the streets of larger and smaller cities in our country, it is increasingly common to see hydrogen buses running on a regular basis, attracting passengers with modern, ergonomic equipment and practical amenities such as free Wi-Fi or USB sockets for charging phones. The development of the situation in this area is evidenced by one of the indicators for achieving the goals set out in the Polish Hydrogen Strategy until 2030 with an outlook until 2040:

• 100 to 250 buses by 2025,
• 800 to 100 buses by 2030.

It is worth asking at this point why such high hopes are being pinned on hydrogen buses. The most important factor that determines the belief in the breakthrough nature of this type of vehicle is the many advantages of hydrogen as a fuel. What are the most important advantages of using hydrogen fuel cells to power city buses?

• Short full refuelling times – this is one of the key strengths of hydrogen buses and a very big advantage over strictly electric-based vehicles. A hydrogen bus (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) takes on average around 15 minutes to refuel, while a battery bus (BEV) can require up to several hours to recharge (with plug-in chargers).
• Good range – advocates of hydrogen buses point to their high efficiency. Using hydrogen fuel cells, the bus may be able to cover up to 400 kilometres on a single fill-up.
• Low-emission – a very important issue in the context of the continuing interest in modern hydrogen-powered city buses is their environmental credentials. Assuming they use so-called green hydrogen (hydrogen produced by electrolysis of water using renewable energy), their operation does not involve CO2 emissions, making them zero-emission vehicles. However, even in the case of the use of so-called grey hydrogen (hydrogen produced by reforming natural gas or other hydrocarbons derived from oil refining), we can talk about the low-emission performance of the buses using it. In the course of the operation of hydrogen cells, besides electricity, only heat energy and water are produced.
• Safety – a properly designed hydrogen bus is a vehicle that is not only environmentally friendly and economical but also safe. This is due, among other things, to the properties of hydrogen itself, which is much lighter than air and has a high auto-ignition temperature in air of 585°C. This is significantly higher than, for example, petrol, which has an auto-ignition temperature of around 215°C. The lightness of hydrogen means that, in the event of a leak, it instantly becomes airborne, thus reducing the risk of ignition. The high auto-ignition temperature in the air, on the other hand, makes it difficult to initiate the combustion process of hydrogen with air without additional agents, which is important in terms of safety in the event of a collision.
• Low-temperature efficiency – hydrogen buses do not experience a drastic reduction in driving performance at lower temperatures.

There are also other reasons why more and more urban centres are choosing to invest in hydrogen buses. Worth mentioning in this context are:

• the low noise and vibration levels generated by this type of public transport,
• no load on the local power grid,
• various subsidy programmes to support the hydrogen transition of public transport in the area.

How does a modern hydrogen bus work?

Many people do not realise that hydrogen buses are essentially electric vehicles. They use hydrogen fuel cell kits to produce electricity. The by-products of this process are only heat energy and water. The electricity generated is channelled into the bus’s propulsion system and, in the case of many models of these vehicles, into a battery. The purpose of such a battery is to provide support to the hydrogen fuel cells when there is an increased energy requirement of the electric vehicle. Figuratively speaking, then, modern hydrogen buses are in fact electric vehicles with their own 'mini-electric power plants’ on the roofs.

What is the principle behind the hydrogen cells used in buses?

To better understand how a hydrogen bus works, it is worth discussing the operation of the hydrogen fuel cell, which is used to produce the electricity that powers the propulsion system of this modern vehicle. The hydrogen fuel cell consists of three basic components, which include:

• anode, or negative electrode,
• cathode, or positive electrode,
• proton exchange membrane separating the cathode and anode – often in the form of a polymer electrolyte.

The hydrogen fuel cell uses a reverse electrolysis reaction involving oxygen from the air and hydrogen supplied from tanks mounted on the bus. It allows electricity to be generated while the vehicle is in use, producing only heat and water vapour, which is removed to the outside. As a result, no harmful substances are produced. This allows the hydrogen bus to be called emission-free. The electricity produced goes to the vehicle’s propulsion system and to the battery that supports the cells in the event of higher energy demand.

What is the mechanism of the hydrogen bus?

How is a set of hydrogen cells able to power a modern bus? It is a multi-stage process that is worth analysing in detail.

1. The stage that initiates the whole process of energy flow in the vehicle is the supply of oxygen to the hydrogen cell in the form of air purified by special filters and hydrogen from tanks usually located on the roof of the vehicle. The hydrogen is transported to the anode, while the oxygen is transported to the cathode. Importantly, the surfaces of both electrodes are coated with a catalyst.
2. Hydrogen fed to the anode initiates a reaction with the catalyst. Its oxidation occurs, causing it to decay into electrons and protons in the form of hydrogen cations.
3. The proton exchange membrane only allows protons to pass through it, which pass to the cathode side, while it blocks the flow of electrons resulting from the decomposition of hydrogen.
4. Electrons from the oxidation of hydrogen are directed to the cathode by an external electrical circuit, creating a current that is used to drive the bus’ electric motor.
5. When the electrons are transported to the cathode, they bind to the oxygen there and are reduced to oxide anions.
6. Protons resulting from the oxidation of hydrogen pass to the cathode through the membrane, where they react with oxide anions to produce water and heat energy.

The electricity generated by the hydrogen fuel cell kit is supplied to the bus’s electric motor, as well as to the traction battery that acts as a booster. With the electricity produced, the vehicle can move. As a by-product of the cells’ operation, water and heat are removed to the outside.

Hydrogen buses in Poland – what is the current situation?

As a result of investments made in recent years, Poland is slowly becoming an increasingly important player in the European hydrogen bus market. The number of Polish cities served by carriers adding more hydrogen fuel cell buses to their fleets is increasing. Among the vehicles being tested and implemented in our country are hydrogen buses from foreign concerns such as Mercedes, for example, as well as from Polish companies. Crown examples of domestic hydrogen bus models include the NesoBus, produced at the newly established Świdnik plant, as well as the Solaris Urbino 12 Hydrogen.

The NesoBus brand was established as an initiative belonging to the Polsat Plus Group of companies and ZE PAK. The signature bus was designed from the ground up as a hydrogen construction powered by green hydrogen, which makes it an emission-free solution. It is characterised by, among other things:

• impressive range – up to 450 km,
• short refuelling time – up to 15 minutes,
• high efficiency – it can run without refuelling for up to 2 days; it consumes on average about 8 kg of hydrogen per 100 km and its tanks hold 37.5 kg of hydrogen,
• satisfactory capacity – accommodates up to 93 passengers, including up to 37 seated,
• the high quality of the hydrogen fuel cells used, sourced from the leading supplier of this type of solution, Ballard,
• the robustness of the hydrogen tanks – particularly important in terms of vehicle safety – supplied by the specialists in this field, Hexagon,
• an ergonomic, modular design, which allows components of the entire hydrogen system to be replaced in the future with other, better-performing components,
• construction based on the use of modern, lightweight materials and efficient air-conditioning and heating systems – contribute to a reduction in the need for electricity as well as fuel consumption in the form of hydrogen,
• modern design, which was the responsibility of Torino Design, a company with extensive experience of working with the automotive sector.

Also worth noting is the evocative name of the NesoBus, the first four letters of which are derived from the phrase: „No Exhaust Emissions, Cleanses (the air)”. It derives from the fact that this Polish hydrogen bus contributes to the elimination of emissions of harmful substances, including carbon dioxide, nitrogen oxides and particulates, in particular fine PM 2.5. Rybnik, for example, has already decided to implement NesoBuses in its public transport fleet, and in time it will also be possible to see them in Gdańsk or Chełm, for example.

In the field of industrial hydrogen bus design and production, Solaris Bus & Coach is also highly successful. This is borne out by data which shows that this manufacturer’s share of the European hydrogen bus market was as high as 44.5 % in 2023. Polish hydrogen buses Solaris Urbino 12 Hydrogen are an important element of public transport in more than 20 towns and cities located in various countries of the Old Continent, including, among others, the Netherlands, Italy, Germany, Austria or Sweden. In Poland, this model can be found, for example, on the streets of Konin or Poznań. On board the Solaris Urbino 12 Hydrogen, 85 passengers can travel in comfort and safety, including 37 in seating positions. 

It can be said with full conviction that the Polish hydrogen bus 'has more than one name’. Polish companies such as Autosan, Arthur Bus and Pilea, among others, are also involved in the production of this type of modern means of public transport. Local authorities are encouraged to invest in hydrogen-powered buses through various subsidy programmes, including, among others, Green Public Transport, operated by the National Fund for Environmental Protection and Water Management (NFOŚiGW). Other initiatives are also worth mentioning, such as the subsidies offered by the Centre for EU Transport Projects.

In doing so, it should be noted that for the development of public transport based on hydrogen cells, it is not only necessary to invest in the fleet but also in the appropriate infrastructure. This includes, among others:

• hydrogen filling stations – such places already exist, e.g. in Poznań, where near the Miłostowo tram terminus there is a publicly accessible 24/7 hydrogen filling station with three dispensers, set up by Orlen,
• plants for the production of green hydrogen, which would be able to meet the market demand for this element,
• transport infrastructure to ensure the efficient movement of hydrogen from the production site to the individual filling stations.

Harnessing the potential inherent in hydrogen buses requires systemic action and large financial outlays, but the benefits – both in the short and long term – make this the right direction for Poland to take.

Hydrogen buses – an important part of the modern urban fabric

Modern city buses using hydrogen fuel cells combine three aspects that can be summarised as '3 x E’:

• ecology,
• economics,
• ergonomics.

On the one hand, they are low- or – in the case of using green hydrogen – zero-emission electric vehicles whose only by-products are water and heat. On the other hand, they are characterised by good range, high efficiency and short charging times, making them financially viable in the long term. A third, and equally important, is the high level of comfort they provide for the passengers who move with them, including those with disabilities. It is therefore no surprise that an increasing number of Polish cities aspiring to be modern, climate-neutral and friendly to their inhabitants have innovative hydrogen buses on their streets.

Designing vehicles based on hydrogen technology, such as modern city buses equipped with hydrogen cell kits, for example, requires a very high level of interdisciplinary competence from the specialists involved. At Endego, we have many years of experience in leading and implementing technology projects in cooperation with bus manufacturing companies. As part of our comprehensive services, we provide active support at every stage of the respective project: from the development of the initial concept to the start of series production.

Are you planning the design of a modern green energy city bus and need the support of qualified engineers and designers to realise this ambitious project? Get in touch with us!

If you would like to learn more about the technology projects we have completed for bus manufacturers, we encourage you to read another article on our blog: Endego: A revolutionary approach in bus design.