|
Elektromobilność
Ciężarówki 3/2019
Autobusy (niedalekiej) przyszłości
Zdaniem federacji Clean Air, zrzeszającej dziesięć
europejskich organizacji ekologicznych, autobusy miejskie wytwarzają nawet 30
procent szkodliwych substancji zanieczyszczających powietrze w miastach. Dlatego
ich włodarze są zdeterminowani, by pojazdy te miały bardziej ekologiczny napęd,
najchętniej elektryczny.
Napęd elektryczny w autobusach miejskich ma niemal same zalety, jednak w XXI
wieku ludzkość nadal nie umie efektywnie magazynować energii elektrycznej.
Akumulatory, nawet te najnowocześniejsze, litowo-jonowe, są zbyt ciężkie i w
dodatku nieodporne na niskie temperatury. Etapem przejściowym jest więc, niejako
z konieczności, napęd hybrydowy. Epoka napędów hybrydowych w autobusach
rozpoczęta się w 2006 r., gdy polski Solaris, jako pierwszy europejski producent
autobusów pokazał takie rozwiązanie. Założyciel firmy, Krzysztof Olszewski,
wypowiedział wówczas prorocze słowa: „Diesel umarł, niech żyje elektryczność" i
miał rację.
HYBRYDOWE UKŁADANKI
Teoretycznie w napędach hybrydowych są możliwe dwa rozwiązania - hybryda
szeregowa lub równoległa. W pierwszym wypadku silnik spalinowy pracujący ze
stałymi obrotami napędza alternator, z którego prąd kierowany jest do
akumulatorów o małej pojemności, a stąd pobierany jest do zasilania silnika
elektrycznego napędzającego pojazd. Takie rozwiązanie stosowane od dawna w
lokomotywach rzadko jest wykorzystywane w autobusach miejskich. Producenci
wybierają hybrydę równoległą. W rozwiązaniu tym między silnikiem spalinowym a
skrzynią biegów umieszczony jest silnik elektryczny, który może samodzielnie
napędzać pojazd lub wspomagać silnik spalinowy podczas ruszania autobusu z
przystanku. Podczas hamowania pojazdu silnik elektryczny pełni rolę alternatora
ładującego akumulatory litowo-jonowe lub superkondensatory, dzięki czemu mogą
mieć one mniejszą pojemność elektryczną, a więc i masę.
Nowym rozwiązaniem w autobusach, oferowanym m.in. przez Valeo, jest hybryda na
48V,
jak w samochodach osobowych, stosowana np. w obsypanym nagrodami
Mercedesie-Benz Citaro Hybrid.
Maszyna elektryczna Valeo, która pełni funkcję silnika lub alternatora.
Podczas
ruszania autobusu wspomaga silnik spalinowy, a w czasie hamowania pracuje jako
alternator,
zamieniając energię kinetyczną na prąd.
Elektryczny silnik ZF ma zwartą budowę.
Obecnie baterie instaluje się na dachu autobusu. Takie rozwiązanie stosuje MAN w
swoich autobusach Lions City Hybrid. Pojemność elektryczną baterii dobiera się w
taki sposób, by umożliwić ruszenie z przystanku na silniku elektrycznym, po czym
samoczynnie uruchamia się silnik spalinowy. Jeśli stopień naładowania baterii
jest zbyt mały, autobus rusza z wykorzystaniem obu silników. Takie rozwiązanie
stosuje się np. w Volvo 7900 Electric Hybrid, w którym moc silnika spalinowego
wynosi 240 KM, a elektrycznego 150 kW. Natomiast w Scanii Citywide LE silnik
spalinowy może być zasilany również bio-dieslem (moc 250 KM).
Nowym rozwiązaniem w autobusach, oferowanym m.in. przez Va-leo, jest hybryda na
48V, jak w samochodach osobowych, stosowana np. w obsypanym nagrodami
Mer-cedesie-Benz Citaro Hybrid. Zastosowano tu maszynę elektryczną, która pełni
funkcję silnika lub alternatora. W funkcji silnika, o mocy zaledwie 14 kW (220
Nm), pracuje podczas ruszania autobusu wspomagając silnik spalinowy. Podczas
hamowania pojazdu pracuje jako alternator, zamieniając energię kinetyczną na
prąd gromadzony w podwójnych kondensatorach, tzw. su-perkondensatorach. Mercedes
podkreśla, że zaletami tego rozwiązania są niska masa własna (tylko 156 kg) i
uproszczenie obsługi serwisowej z powodu braku instalacji wysokiego napięcia.
Zespoły pomocnicze pozostają niezmienione i są napędzane konwencjonalnie.
PIERWSZY BYŁ SOLARIS
Poza brakiem spalin, zalety napędu elektrycznego w porównaniu z napędem
spalinowym to: redukcja o 76% drgań na siedzisku kierowcy, o 28% niższy poziom
hałasu w tylnej części autobusu i o 16% niższy poziom hałasu zewnętrznego
podczas ruszania z przystanku. I tu znowu pierwszy był Solaris, który wprowadził
swój pierwszy całkowicie elektryczny autobus w 2011 roku. Wielkie koncerny
dopiero od niedawna pokazują swoje propozycje.
W zależności od wielkości autobusu możliwy jest napęd pojedynczym,
asynchronicznym silnikiem elektrycznym (120-240 kW) lub dwoma silnikami (2x60 kW)
zainstalowanymi w osi portalowej. Podczas ubiegłorocznych targów IAA w Hanowerze
zadebiutował miejski MAN Lion's City E napędzany pojedynczym silnikiem
elektrycznym o mocy od 160 do 270 kW (w zależności od wielkości pojazdu) i
akumulatorami umieszczonymi na dachu. Zasięg tego autobusu wynosi 200-270 km. W
przypadku wersji przegubowej stosuje się dodatkowe silniki elektryczne przy
drugiej i trzeciej osi. Firma twierdzi, że silnik umieszczony centralnie jest
łatwiej dostępny i konstrukcyjnie prostszy niż silnik w osi kół.
Koncern ZF oferuje oś portalową ZF AVE, w której każde koło napędza kompaktowy,
szybkoobrotowy, chłodzony cieczą, elektryczny silnik asynchroniczny.
ZF podaje,
że zastosowanie osi portalowej nie wymaga stosowania specjalnych komponentów do
kół,
co pozwala na zastosowanie tradycyjnego połączenia opon i felg oraz
standardowych hamulców tarczowych.
Zasadnicze ładowanie baterii autobusu elektrycznego odbywa się w zajezdni z
podłączeniem do wydajnej ładowarki o dużej mocy
(na zdjęciu zajezdnia MPK Kraków
wyposażona w ładowarki przez kooperantów Solarisa).
ZF: MOŻNA PRZEROBIĆ...
Innego zdania jest koncern ZF, który oferuje oś portalową ZF AVE, w której każde
koło napędza kompaktowy, szybkoobrotowy, chłodzony cieczą, elektryczny silnik
asynchroniczny. Maksymalna moc silnika wynosi 250 kW. ZF podaje, że zastosowanie
osi portalowej nie wymaga specjalnych komponentów do kół, co pozwala na
zastosowanie tradycyjnego połączenia opon i felg oraz standardowych hamulców
tarczowych. Taką oś napędową ma najnowszy Mercedes-Benz eCitaro, w którym
wykorzystano oś portalową ZF AVE 130. Pojazd jest napędzany dwoma silnikami
(750 V) umieszczonymi w piastach kół o sumarycznej mocy 250 kW z możliwością
odzyskiwania energii hamowania. Jak wspomnieliśmy w autobusach elektrycznych
problemem jest rozmieszczenie akumulatorów, obecnie litowo-jonowych, i ich
znaczna masa własna. W eCitaro część z nich znajduje się na dachu, a część z
tyłu pojazdu. eCitaro w lecie osiąga zasięg 150 km, ale przy temperaturze
otoczenia minus 10 st. C zużycie energii wzrasta o połowę.
Zakup autobusów elektrycznych często wiąże się z wysokimi kosztami zakupu i
długim oczekiwaniem na dostawę, nawet do 18 miesięcy. Koncern ZF opracował
technologię zamiany napędu z silnikiem Diesla na elektryczny, czego można
dokonać w 4 tygodnie. ZF proponuje elektryczny napęd z jednym, centralnym
silnikiem CeTrax, który można zainstalować w autobusie zamiast silnika Diesla
bez dużych modyfikacji podwozia czy mechanizmu różnicowego. CeTrax można łączyć
z osiami napędu bezpośredniego oraz konwencjonalnymi osiami niskopodłogowymi.
Dzięki temu nadaje się zarówno do autobusów niskowejściowych, jak i autobusów
niskopodłogowych we wszystkich rozmiarach.
ŁADOWANIE - PROBLEM LOGISTYCZNY
Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że na liniach o dobowym przebiegu 300 km
sprawdzają się autobusy z napędem wyłącznie elektrycznym i ładowaniem typu
plug-in (podłączenie do gniazdka elektrycznego). Zasadnicze ładowanie odbywa się
nocą w zajezdni z podłączeniem do wydajnej ładowarki o dużej mocy, a dodatkowe
na przystankach końcowych podczas przerwy w jeździe za pomocą pantografu. W
związku z tym wiele autobusów elektrycznych, ale także hybrydowych ma takie
urządzenie na dachu. MAN podaje, że akumulatory w modelu Lion's City E można
całkowicie naładować w ciągu trzech godzin ze średnią mocą ładowania 100 kW.
Volvo twierdzi, że dodatkowe ładowanie na przystanku końcowym trwa zaledwie 6
minut. Jednak rzeczywisty czas ładowania baterii zależy od mocy ładowania
złącza, które zapewnia miasto, a nie producent autobusów. Być może dlatego
bezprzewodowe ładowanie indukcyjne okazało się nie tylko kosztowne, lecz także
mało wydajne. W zamyśle futurologów, akumulatory autobusu zatrzymującego się na
przystankach mogą być doładowywane indukcyjnie z ładowarki umieszczonej pod
nawierzchnią przystanku. Jak na razie, tak elegancki sposób ładowania w zasadzie
nie jest realizowany na szerszą skalę.
ZARZĄDZANIE ENERGIĄ
W pojazdach elektrycznych, nie tylko w autobusach, zarządzanie energią
elektryczną i cieplną odgrywa kluczową rolę. Energia elektryczna potrzebna do
zasilania silników napędowych, oświetlenia, zasilania układu
klimatyzacji/wentylacji przedziału pasażerskiego czy napędu drzwi autobusu
czerpana jest z akumulatorów. By zmniejszyć ich masę firma Solaris oferuje, jako
napęd pomocniczy, wodorowe ogniwa paliwowe w swoim trolejbusie Trollino. Przy
okazji warto zauważyć, że Solaris jest jedynym europejskim producentem, który
seryjnie oferuje pojazd z ogniwami paliwowymi. W strefach bez możliwości
korzystania z trakcji elektrycznej, Trollino zachowuje się jak autobus
elektryczny, a prąd wytwarzany przez ogniwa paliwowe jest kierowany do
akumulatorów (o mniejszej pojemności) lub bezpośrednio do napędu silników
trakcyjnych. Trolejbus z ogniwami paliwowymi może przejechać 100 km.
Do chłodzenia silników trakcyjnych stosuje się ogrzewanie cieczą, której energię
cieplną można wykorzystać np. do ogrzewania przedziału pasażerskiego. W
przypadku akumulatorów stosuje się cieczowy system termiczny, którego zadaniem
jest utrzymywanie określonego zakresu temperatur roboczych baterii. Są też
bardziej wyrafinowane rozwiązania. W eCitaro przedział pasażerski jest ogrzewany
za pomocą pompy ciepła z energii uzyskiwanej ze schłodzenia akumulatorów lub
silników napędowych i, w zależności od potrzeby, grzałką zasilaną paliwem. W
rozwiązaniach Sola-risa dodatkowe ogrzewanie jest realizowane za pomocą gazu LPG
lub ziemnego. Klimatyzacja pracuje na czynniku C02 i w chłodnych miesiącach
służy jako dodatkowa pompa ciepła. Thermo King proponuje elektryczną pompę
ciepła, która może przekazywać ciepło z powietrza zewnętrznego do przedziału
pasażerskiego ze skutecznością odpowiadającą współczynnikowi poziomu wydajności
(COP) do 4. Oznacza to, że z każdego 1 kW energii elektrycznej pobranej z
akumulatora pompa ciepła wytwarza do 4 kW energii cieplnej. System może być
także wyposażony w układ chłodzenia akumulatorów, który może odzyskiwać energię
emitowaną przez akumulatory i wykorzystywać ją do ogrzewania przedziału
pasażerskiego.
W OCZEKIWANIU NA PRZEŁOM
W przypadku napędu autobusów panuje pełna zgoda- miejskie muszą być elektryczne,
a dalekobieżne mogą być napędzane silnikiem Diesla lub na gaz. Kto wymyśli
sposób na efektywne magazynowanie energii elektrycznej, zyska dozgonną
wdzięczność ludzkości wyrażoną w dowolnej walucie świata... Co jakiś czas mówi
się o rewolucyjnych wynalazkach w sferze nadprzewodnictwa, o tym, że już
jesteśmy blisko. Na razie jednak przełomu nie ma. Czekamy.
Doładowania w ciągu dnia pracy odbywają się na przystankach podczas przerwy w
jeździe za pomocą pantografu.
W związku z tym wiele autobusów elektrycznych, ale
także hybrydowych ma takie urządzenie na dachu.
Solaris jest jedynym europejskim producentem, który seryjnie oferuje pojazd z
ogniwami paliwowymi.
W strefach bez możliwości korzystania z trakcji
elektrycznej, Trollino zachowuje się jak autobus elektryczny,
a prąd wytwarzany
przez ogniwa paliwowe jest kierowany do akumulatorów lub bezpośrednio do napędu
silników trakcyjnych.
Foto: InterCars, Solaris
Sławomir Rummel
|
