Alternatywne napędy autobusów w publicznym transporcie zbiorowym

Transkrypt

1 Krzysztof Krawiec 1 Politechnika Śląska, Wydział Transportu pusta linia, Times New Roman 8 pkt., interlinia 1, odstęp po 10 pkt. Alternatywne napędy autobusów w publicznym transporcie zbiorowym WPROWADZENIE W związku z rosnącymi wymaganiami w zakresie ochrony środowiska logistyka miejska powinna ograniczyć emisję zanieczyszczeń przez nią emitowanych. W sektorze transportu, stanowiącym duże i wciąż rosnące źródło emisji gazów cieplarnianych, niezbędne jest ograniczenie emisji tych gazów do 2050 r. o co najmniej 60 %, w porównaniu z poziomem z roku 1990, czyli nastąpi praktyczne wyeliminowanie tradycyjnego napędu spalinowego. Wcześniej, bo do 2030 r. należy ograniczyć emisje gazów cieplarnianych w tym sektorze o ok. 20 % w porównaniu z poziomem z 2008 r. [2]. Aby sprostać temu zadaniu podejmowane są działania mające na celu zmniejszenie poziomu emisji emitowanych przez pojazdy logistyki miejskiej. Do działań tych zaliczyć można zarówno rozwiązania organizacyjne jak również innowacje techniczne: nowe technologie w zakresie pojazdów i zarządzania ruchem. Dużą barierą utrudniającą wprowadzenie autobusów z innymi niż wysokoprężny silnik Diesla jest wysoki koszt tych pojazdów oraz duży poziom ryzyka związanego z implementowaniem innowacyjnych rozwiązań. Należy oczekiwać, że tempo wymiany autobusów wyposażonych w silnik Diesla zależeć będzie od stopnia wsparcia tego typu inicjatyw przez instytucje państwowe na szczeblu krajowym oraz europejskim. Wprowadzanie ekologicznie czystych technologii do logistyki miejskiej stanowić jednak będzie znaczący czynnik dla wzrostu poziomu życia w dużych miastach i aglomeracjach. Zdecydowaną większość taboru będącego w posiadaniu przedsiębiorstw autobusowych realizujących przewozy na terenie miejskim stanowią aktualnie konwencjonalne autobusy z silnikiem wysokoprężnym Diesla. Jest to spowodowane ich dużą dostępnością na rynku i wynikającą z tego stosunkowo niską ceną. Jednak z roku na rok eksploatacja tego typu pojazdów staje się coraz droższa. Przyczyn takiego stanu rzeczy należy upatrywać w rosnących cenach oleju napędowego, który stanowi znakomitą większość kosztów eksploatacji taboru wyposażonego w silnik Diesla w publicznym transporcie miejskim. Taki stan ekonomiczny pozwala na optymistyczne wnioski dotyczące procesów wprowadzania do logistyki miejskiej takich pojazdów, które w sposób znaczący ograniczą emisję. 1. NAPĘDY ORAZ ROZWIĄZANIA TECHNICZNE WYKORZYSTYWANE W PUBLICZNYM TRANSPORCIE MIEJSKIM Pojazdy komunikacji zbiorowej mogą być zasilane wykorzystując następujące paliwa: ropę naftową (w tym biopaliwa), energia elektryczna, paliwa gazowe gaz ziemny (CNG, LPG), biogaz, wodór. Olej napędowy, wykorzystywany w wysokoprężnych silnikach Diesla jest najmniej ekologicznym z punktu widzenia emisji CO 2 źródłem energii. Od pewnego czasu wprowadzane są limity emisji szkodliwych substancji emitowanych przez silniki wysokoprężne, tzw. normy EURO. Obecnie (od 2014 r.) obowiązuje norma Euro 6. Należy sobie jednak zdawać sprawę, że efektem ubocznym wprowadzania coraz bardziej wyśrubowanych norm emisji spalin w autobusach z silnikiem wysokoprężnym Diesla jest zwiększone spalanie przez autobus ropy naftowej. 1 krawiec.krz@gmail.com 2040

2 Rys. 1. Porównanie dopuszczalnych limitów emisji szkodliwych substancji dla poszczególnych norm Źródło: Alternative fuels and propulsion technologies for municipal bus company of San Sebastian (CTSS), Donostia San Sebastian, Sierpień Jak już wspomniano, obecnie dominują autobusy z wysokoprężnym silnikiem Diesla, niemniej jednak pomimo malejących emisji szkodliwych substancji (rys. 1.) w dalszym ciągu taka emisja występuje. Jest to niezgodne z założeniami polityki Unii Europejskiej w zakresie gazów cieplarnianych, w tym polityki transportowej dotyczącej emisji CO 2. W związku z tym w użytkowaniu są coraz częściej pojazdy wykorzystujące inne rodzaje napędów. Porównując różne rodzaje napędów należy brać pod uwagę takie czynniki jak: rodzaj zasilania, efektywność poszczególnych rodzajów energii, zanieczyszczenie powietrza oraz zanieczyszczenie hałasem wynikające z użytkowania poszczególnych typów napędów, relacje przemysłowe z branżą, koszty wprowadzenia i eksploatacji napędów, pojemność pojazdów, właściwości trakcyjne, prędkość pojazdu w odniesieniu do prędkości strumienia ruchu, poziom komfortu (np. klimatyzacja czy ogrzewanie) [3]. Poszczególne rodzaje napędu w różnym stopniu odpowiadają za emisję toksycznych związków do atmosfery. Wykres przedstawiający zestawienie zbiorcze przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Emisja związków toksycznych dla różnych rodzajów napędów Źródło: opracowanie na podstawie Scenariusze rozwoju zero emisyjnej gospodarki energią w Polsce w perspektywie 2050 roku. Praca zbiorowa pod red. Pyki I. oraz Czaplickiej-Kolarz K. GIG, Katowice,

3 Porównanie konwencjonalnych źródeł napędu (benzyna, olej napędowy) z napędami alternatywnymi (napęd elektryczny, napęd hybrydowy) z punktu widzenia ekologii wykazuje, że przyszłością rozwiązań w transporcie publicznym będą napędy oparte na energii elektrycznej. Każde przedsiębiorstwo komunikacji zbiorowej, będzie musiało w przyszłości rozważyć ten problem i w związku z kolejnymi ograniczeniami formalnymi, które nastąpią dokonać wyboru ekonomicznego w którym momencie rozpocząć eksploatację autobusów opartych na innym niż olej napędowy nośniku energii. Do tej pory w każdym systemie organizacyjnym publicznego transportu zbiorowego, rodzaj eksploatowanego taboru autobusowego determinuje rozwiązania w zakresie: organizacji zaplecza technicznego zajezdni autobusowej, którego zadaniem jest zapewnienie sprawnej, niezawodnej i efektywnej bieżącej eksploatacji taboru, układu funkcjonującej sieci linii autobusowych, organizacji pracy autobusów na liniach, a więc realizowanego rozkładu jazdy [6]. Oczekuje się, że w przyszłości udział pojazdów wyposażonych w alternatywne źródła napędu zwiększy się, co przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Rozwój zasilania napędów pojazdów samochodowych Źródło: Markusik S., Krawiec S., Łazarz B., Karoń G., Janecki R., Sierpiński G., Praktyczne aspekty wdrożenia do transportu publicznego autobusów z napędem bateryjnym., Systemy transportowe. Teoria i praktyka. X Konferencja naukowo-techniczna, s , Katowice, 9-10 września 2013 Zgodnie z rys. 3. szacuje się, że udział pojazdów z napędem elektrycznym i pojazdów zasilanych wodorem będzie znacząco rósł i wyprze pojazdy konwencjonalne i pojazdy hybrydowe. Proces ten będzie postępował na przełomie lat Wymaga to badań technicznych, eksploatacyjnych, organizacyjnych i ekonomicznych, które umożliwią płynną wymianę taboru publicznego transportu miejskiego oraz wszystkich innych pojazdów logistyki miejskiej. 2. AUTOBUSY ELEKTRYCZNE Autobusy elektryczne podzielić można na: trolejbusy, autobusy hybrydowe, autobusy bateryjne [4]. 2042

4 Rys. 4. Podział autobusów elektrycznych Źródło: SOLARIS Bus & Coach S.A. (materiały firmowe) Trolejbusy Systemy trolejbusowe są już od dość dawna obecne w miastach na całym świecie. Po latach procesu likwidacji trakcji elektrycznej obecnie następuje jej renesans. Do zalet trolejbusów zaliczyć można: brak emisji zanieczyszczeń w miejscu użytkowania pojazdu, większe przyspieszenie oraz mniejsze zużycie energii podczas ruszania w porównaniu z konwencjonalnym napędem Diesla, duża zdolność pokonywania wzniesień, niższą cenę wprowadzenia i użytkowania trolejbusów niż tramwajów. Trolejbusy są jednak charakteryzują się jednak poważnymi wadami, do których zaliczyć można: ograniczona mobilność wynikająca z obecności napowietrznej sieci trakcyjnej, brak uprzywilejowana wobec innych uczestników ruchu (takie same prawa jak autobus), skomplikowany układ napowietrznej sieci trakcyjnej (w porównaniu z trakcją tramwajową) i wynikająca z tego konieczność wprowadzenia zwrotnic. W Polsce trolejbusy występują w trzech miastach: w Gdyni, Lublinie i Tychach Autobusy hybrydowe W autobusach o napędzie hybrydowym występuje współdziałanie dwóch rodzajów silnika: elektrycznego i spalinowego. Podczas ruszania autobus zasilany jest wyłącznie energią elektryczną, a silnik Diesla włącza się dopiero po rozpędzeniu. Dużą zaletą tych pojazdów jest fakt, że oba te silniki mogą pracować jednocześnie, ale również osobno. Zasadę działania napędu hybrydowego przedstawiono na rys

5 Rys. 5. Zasada działania napędu hybrydowego Źródło: Scenariusze rozwoju zero emisyjnej gospodarki energią w Polsce w perspektywie 2050 roku. Praca zbiorowa pod red. Pyki I. oraz Czaplickiej-Kolarz K. GIG, Katowice, Z uwagi na fakt, że silnik wysokoprężny Diesla ma lepsze parametry od silnika elektrycznego na terenach pozamiejskich, może być wykorzystywany na trasach charakteryzujących się długimi odcinkami na których podróż odbywa się z dużą prędkością oraz niewielkim natężeniu ruchu. Na śródmiejskich odcinkach tras, gdzie pożądana jest możliwie najmniejsza emisja spalin możliwe jest wykorzystywanie silnika elektrycznego. Dużą zaletą tego typu pojazdów jest brak budowy dodatkowej infrastruktury liniowej oraz korzystne parametry. Zgodnie z wynikami badań przeprowadzonych w USA badań polegających na porównywaniu parametrów osiąganych przez takie same autobusy z napędem hybrydowym oraz konwencjonalnym (silnik wysokoprężny Diesla) autobusy wyposażone w napęd hybrydowy zapewniały w porównaniu z napędem konwencjonalnym: zmniejszenie zużycia paliwa o 20-43%, zmniejszenie zawartości NOx w spalinach o 10-39%, zmniejszenie ilości cząstek stałych PM w spalinach o 51-97% [9]. Niewątpliwą wadą tego typu rozwiązań jest ich wysoki koszt wynikający z eksploatacji dwóch typów silników Autobusy bateryjne Autobusy elektryczne (zwane również elektrobusami) uznawane są za przyszłość w publicznym transporcie miejskim. Autobusy te wyposażone są w baterie litowo-jonowe o dużej mocy. Zalety autobusów elektrycznych są następujące: wysoka sprawność napędu elektrycznego, brak emisji w miejscu użytkowania pojazdu, cicha jazda (brak emisji hałasu) niższe koszty operacyjne (energia elektryczna jest tańsza od oleje napędowego. Można również wskazać bariery rozwoju autobusów elektrycznych: wyższa cena zakupu, konieczność montażu dodatkowej infrastruktury (np. punkty ładowania lub wymiany baterii) [4]. 2044

6 Rys. 6. Rozmieszczenie elementów w autobusie elektrycznym Źródło: SOLARIS Bus & Coach S.A. (materiały firmowe) Na rys. 6. przedstawiono konfigurację urządzeń umożliwiających funkcjonowanie elektrycznego w autobusie Solaris Urbino Electric 8.9. Kluczową z punktu widzenia możliwości eksploatacji autobusów elektrycznych w publicznym transporcie miejskim jest kwestia ich operatywności, czyli zdolności do jazdy bez przestojów. Przeciętnie pojazd komunikacji miejskiej pokonuje każdego dnia dystans od 250 do 350 kilometrów, jednak obecnie produkowane pojazdy mają w praktyce zdecydowanie mniejszy zasięg ( km), pomimo nominalnych (katalogowych) zasięgów, które szacowane są na ok. 300 km. Zasięg autobusów elektrycznych (bateryjnych) zależy od m. in. od ukształtowania terenu, warunków atmosferycznych, obciążenia pojazdu pasażerami, zapewnienia komfortu pasażerom w zimie i w lecie (ogrzewanie i klimatyzacja). Warto zwrócić uwagę na fakt, że teoretycznie byłoby możliwe stworzenie baterii, która umożliwiałaby przejechanie 300 km, niemniej jej znaczny rozmiar powodowałby zmniejszenie przestrzeni dostępnej dla pasażerów oraz znacząco zwiększałby wagę autobusu. Aby temu zapobiec zwiększa się operacyjność autobusów elektrycznych poprzez częste, lecz krótkotrwałe ładowanie baterii. Obecnie istnieją trzy sposoby ładowania baterii: ładowanie plug-in (z gniazdka), ładowanie pantografem na wybranym przystanku, ładowanie indukcyjne [4]. Napęd elektryczny w przyszłości prawdopodobnie będzie podstawową formą napędu nie tylko w publicznym transporcie zbiorowym w miastach i aglomeracjach, ale funkcjonować będzie we wszystkich pojazdach, których używa się w logistyce miejskiej. Sposób ładowania baterii może być wspólny dla wszystkich tych rodzajów pojazdów, co może ograniczyć niewątpliwie wysokie koszty wprowadzania nowych rozwiązań. 3. AUTOBUSY Z NAPĘDAMI GAZOWYMI 3.1. Autobusy z napędem CNG CNG (Compressed Natural Gas) jest paliwem, z którym wiąże się duże nadzieje na obniżenie emisji toksycznych substancji w publicznym transporcie miejskim. Jako paliwo występuje w postaci sprężonej do atmosfer. Wynika to z korzystnych parametrów metanu metanu, który jest składnikiem CNG w 83-99%, z olejem napędowym, co przedstawiono w tabeli 1. Dodatkowo CNG jest lżejszy od powietrza, bezwonny, nietoksyczny. 2045

7 Tabela. 1. Zestawienie parametrów metanu z olejem napędowym L.p. Parametr Metan Olej napędowy Jednostka 1. Wartość opałowa MJ/kg 2. Wartość opałowa mieszanki stechiometrycznej 3,37 3,745-3,792 MJ/Nm 3 3. Zapotrzebowanie powietrza na kilogram paliwa 17,2 14,5 kg/kg 4. Temperatura samozapłonu K Źródło: własne na podstawie [10]. Dużą zaletą autobusów zasilanych CNG jest fakt, że parametry trakcyjne nie zostają zmienione przy korzystnych cechach z punktu widzenia ekologicznych aspektów eksploatacji. Należy tu wymienić niską emisję toksycznych składników spalin CO, HC, NOx, PM, CO 2.. Dodatkowo zaletą tych autobusów jest niższy w porównaniu z autobusami z silnikiem Diesla poziom głośności (od 3 do 5 db). Autobusy zasilane CNG charakteryzują się następującymi cechami technicznymi: wyższy stopień sprężania i wprowadzenia aparatury zapłonowej w silniku w zestawieniu z silnikami wysokoprężnymi, zbiornik paliwa tworzą wysokociśnieniowe butle stalowe, aluminiowe lub kompozytowe, niezbędny jest reduktor pomiędzy butlami a aparaturą wtryskową, większa w porównaniu z silnikiem Diesla wartość mocy i momentu od 8 do 15 % (w zależności od regulacji), zwiększenie trwałości układu tłokowo-korbowego silnika prawie dwukrotnie, zwiększenie przebiegu pomiędzy kolejnymi wymianami oleju silnikowego o ok. 70%, zwiększenie elastyczności silnika. [10] Nie bez znaczenia przy podejmowaniu decyzji o wprowadzeniu do eksploatacji autobusów z napędem CNG jest ekonomika eksploatacji. Generalnie koszty eksploatacji są niższe w porównaniu z napędem konwencjonalnym dzięki korzystnym relacjom CNG do paliw płynnych (rys. 7.). Rys. 7. Porównanie kosztów dla autobusów zasilanych CNG oraz ON Źródło: Urząd Miasta Rzeszowa. Do wad autobusów wyposażonych w napęd CNG należy konieczność budowy dodatkowej infrastruktury stacji tankowania (koszt w zależności od technologii od 1,5 mln do 2 mln zł) oraz dostosowanie warsztatu do potrzeb tego rodzaju napędu (odpowiednia wentylacja, czujniki gazów, odpowiednia wysokość hal oraz wjazdów do nich wynikająca z umieszczenia butli na dachu autobusów). Wadą samego CNG jest natomiast wysokie ciśnienie gazu przy jego małej gęstości oraz długi czas tankowania. 2046

8 3.2. Autobusy z napędem LNG LNG (Liqufied Natural Gas) jest kolejnym paliwem używanym w miejskim transporcie publicznym. Jest to dokładnie ta sama substancja co CNG, inna jest technologia magazynowania paliwa w pojeździe. 600-krotne zmniejszenie objętości LNG powoduje 3-krotne zmniejszenie wielkości butli dzięki czemu nie ma konieczności montowania butli na dachu pojazdu jak ma to miejsce w przypadku autobusów zasilanych CNG. Butle wkomponowane w strukturę autobusów wpływają na zmianę środka ciężkości pojazdu, co wpływa pozytywnie na właściwości trakcyjne autobusu oraz lepsze właściwości operacyjne (możliwość obsługi tras, w ciągu których znajdują się obiekty o wysokości poniżej 3,2 metra (np. niskie wiadukty). Tabela. 2. Zestawienie parametrów oleju napędowego z LNG i CNG L.p. Parametr Olej napędowy LNG CNG 1. Zawartość energii 38,10 [MJ/l] 55,00 [MJ/kg] 55,00 [MJ/kg] 2. Cena netto 1,0-1,2 /l 0,7-1,0 /kg 0,7-1,0 /kg 3. Warunki przechowywania Temperatura otoczenia Temperatura: -128 C Temperatura otoczenia Ciśnienie atmosferyczne Ciśnienie: 8 bar Ciśnienie: bar 4. Właściwości paliw możliwość zamarzania zimą Brak wilgotności możliwa wilgotność Źródło: własne na podstawie [5]. W porównaniu z CNG, LNG ma zdecydowanie krótszy czas tankowania, porównywalny z autobusami z wysokoprężnym silnikiem Diesla - tankowianie pełnego zbiornika (300 litrów) trwa ok. 3 minut. Wśród innych zalet tego typu pojazdów wymienić należy dużą dynamikę silnika Autobusy z napędem wodorowym Pierwsze autobusy z napędem wodorowym zostały po raz pierwszy zaprezentowane w roku Wodór nie jest paliwem, można go raczej opisać jako nośnik energii. Ogniwo paliwowe generuje energię elektryczną z reakcji utlenianie stale do niego z zewnątrz paliwa. Efektywność energetyczna przypadająca na jednostkę produkwaną liczona jest jako pochodna zużycia energii do dolnej wartości opałowej wodoru produkowanego w przedziale od 50 do 60%. [11]. Rys. 8. Układ przeniesienia napędu autobusu napędzanego wodorem Źródło: P. Sinhuber, D.U. Sauer, A. Lohner, Design of Energy Storage System for a Hybrid Electric Fuel Cell Bus, 18th World Hydrogen Energy Conference WHEC

9 Wodór, jako paliwo nie zawierające węgla, jest uważany za jedno z bardziej przyszłościowych źródeł energii. Oznacza to, że autobus zasilany wodorem praktycznie nie wytwarza gazów cieplarnianych (takich jak np. CO 2 ). Poniżej przedstawiono zalety tego typu pojazdów: cicha, spokojna i bezwibracyjna jazda, uniezależnienie od ropy naftowej, lepsze właściwości operacyjne i trakcyjne, pojazd jest całkowicie zero-emisyjny. Autobusy z napędem wodorowym występują w codziennej eksploatacji w wielu miastach europejskich, np. w Hamburgu. Zaletą tego typu autobusów jest niewątpliwie brak emisji hałasu komunikacyjnego, co może być jednak także zagrożeniem dla bezpieczeństwa ruchu na etapie przejściowym. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono właściwości techniczne i operacyjne wybranych napędów używanych w komunikacji miejskiej. Mimo faktu, że obecnie dominuje konwencjonalny napęd z silnikiem Diesla, technologie związane z alternatywnymi rodzajami napędów są rozwijane, często dzięki wsparciu programów badawczych współfinansowanych ze środków krajowych i europejskich. Należy oczekiwać, że procentowy udział pojazdów wyposażonych w napędy alternatywne z roku na rok będzie się powiększał. Taka tendencja byłaby zgodna z polityką Unii Europejskiej zapisaną w Białej Księdze Transportu z 2011 r. Streszczenie W związku z wyczerpującymi się zasobami naturalnymi oraz zwiększającymi się restrykcjami w zakresie ochrony środowiska pojawiła się potrzeba opracowania technologii stanowiących alternatywę dla silnika Diesla. Utworzenie konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu jest jednym z celów Unii Europejskiej, zapisanym m. in. w Białej Księdze Transportu W artykule przedstawiono charakterystyki autobusów z napędem hybrydowym, elektrycznym i wodorowym oraz możliwości ich zastosowania w publicznym transporcie miejskim, jak również przykłady implementacji autobusów korzystających z alternatywnych źródeł napędu. Słowa kluczowe: alternatywne źródła napędu, napęd hybrydowy, napęd elektryczny, autobusy bateryjne, publiczny transport miejski. Alternative power sources in urban public transport Abstract As a result of an exhaustible natural resources and the increasing restrictions for environmental protection there is a need to develop the technology as an alternative to the diesel engine. The creation of a competitive and resource efficient transport system is one of the objectives of the European Union, recorded among others in the 2011 European Transport White Paper. The article presents the characteristics of hybrid, electric and hydrogen buses and the possibility of their use in public urban transport, as well as implementation examples of buses using alternative power sources. Key words: alternative power sources, hybrid propulsion, electric propulsion, battery buses, urban public transport. LITERATURA [1] Alternative fuels and propulsion technologies for municipal bus company of San Sebastian (CTSS), Donostia San Sebastian, Sierpień 2009 [2] BIAŁA KSIĘGA, Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu dążenie do osiągnięcie konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu. KOM (2011) 144, marzec 2011 [3] Tzeng G., Lin C., Opricovic S., Multi-cirteria analysis of alternative-fuel buses for public transportation, Energy Policy 33 (2005), str [4] Materiały firmowe SOLARIS Bus & Coach z 2013 r. [5] Materiały firmowe firmy SOLBUS z 2012 r. 2048

10 [6] Markusik S., Krawiec S., Łazarz B., Karoń G., Janecki R., Sierpiński G., Praktyczne aspekty wdrożenia do transportu publicznego autobusów z napędem bateryjnym., Systemy transportowe. Teoria i praktyka. X Konferencja naukowo-techniczna, s , Katowice, 9-10 września 2013 [7] P. Sinhuber, D.U. Sauer, A. Lohner, Design of Energy Storage System for a Hybrid Electric Fuel Cell Bus, 18th World Hydrogen Energy Conference WHEC 2010 [8] Scenariusze rozwoju zero emisyjnej gospodarki energią w Polsce w perspektywie 2050 roku. Praca zbiorowa pod red. Pyki I. oraz Czaplickiej-Kolarz K. GIG, Katowice, 2011 [9] (8 marca 2014 r.) [10] (12 marca 2014 r.) [11] (19 marca 2014 r.) 2049