Możliwości zastosowania autobusów z napędem bateryjnym w publicznym transporcie zbiorowym

Transkrypt

1 Sylwester Markusik 1, Stanisław Krawiec 2, Bogusław Łazarz 3, Grzegorz Karoń 4, Ryszard Janecki 5, Grzegorz Sierpiński 6 Wydział Transportu, Politechnika Śląska Możliwości zastosowania autobusów z napędem bateryjnym w publicznym transporcie zbiorowym 1. WPROWADZENIE Wiele aglomeracji miejskich w Unii Europejskiej stanęło w obliczu problemów związanych z mobilnością zgodną z zasadami zrównoważonego rozwoju, takimi jak: wysokie natężenie ruchu drogowego i zatory komunikacyjne, szkodliwe emisje i brak równowagi rozwojowej prowadzący do wykluczenia społecznego, wpływające na wzrost gospodarczy. Transport miejski jest słabym ogniwem całego systemu przewozu osób i towarów (problem last mile czyli transportu na jego ostatnim odcinku oraz konieczność dysponowania wydajnymi węzłami intermodalnymi, które często znajdują się na obszarach miejskich lub ich obrzeżach), ze względu na małą skuteczność działań związanych z mobilnością w miastach podejmowanych na szczeblu lokalnym lub regionalnym [14]. Mobilność jest niezwykle ważna dla rynku wewnętrznego oraz dla jakości życia obywateli, którzy mogą swobodnie podróżować. Związane to jest w szczególności ze zwiększającymi się wymaganiami w zakresie ochrony środowiska, które generują nowe technologie, zmniejszające szkodliwe emisje. Od kilku lat czynione są próby wprowadzenia do systemu transportu publicznego autobusów z napędem elektrycznym, które w zależności od lokalnych warunków pozwalają wyeliminować wysokoemisyjne autobusy z napędem spalinowym. Jednak aby racjonalnie rozwiązać ten problem, w zależności od lokalnych warunków systemu transportu publicznego, należy opracować modele zależności powiązań technicznych, organizacyjnych, ekonomicznych i ekologicznych, które umożliwią właściwy wybór rodzaju napędu, dla danej linii autobusowej. 2. TECHNICZNE ASPEKTY WPROWADZENIA NAPĘDU ELEKTRYCZNEGO 2.1. Pojazdy z napędem elektrycznym a polityka i strategia Unii Europejskiej W pracach badawczych nad rozwojem systemów transportowych powstają strategie, stanowiące zapis świadomych wyborów komunikacyjnych społeczności regionu, zorientowanych na rozwiązanie głównych problemów transportowych i utrzymanie danego obszaru na ścieżce trwałego i zrównoważonego rozwoju oraz podnoszenie jego konkurencyjności. Należy jednak przeanalizować następującą kwestię: w jaki sposób można pogodzić życzenie podróżowania obywateli i potrzeby gospodarki związane z transportem towarów z przewidywaną malejącą dostępnością zasobów i ograniczeniami w zakresie środowiska? 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. Natomiast, do 2030 r. należy ograniczyć emisje gazów cieplarnianych w tym sektorze o ok. 20 % w porównaniu z poziomem z 2008 r [2]. Często problem ten przedstawia się jako: 3 x 20%: 20% - obniżenia emisji CO 2, 1 sylwester.markusik@polsl.pl 2 stanislaw.krawiec@polsl.pll 3 boguslaw.lazarz@polsl.pl 4 grzegorz.karon@polsl.pl 5 ryszard.janecki@polsl.pl 6 grzegorz.sierpinski@polsl.pl Logistyka 4/

2 20% - obniżenia zużycia energii, 20% - wykorzystania energii odnawialnych. W jaki sposób przygotować się na spełnienie tak radykalnych wymogów środowiskowych postawionych przez UE? Niewątpliwie jednym z elementów tej strategii będzie poszukiwanie nowych technologii w zakresie pojazdów i zarządzania ruchem, które będą kluczem do obniżenia emisji pochodzących z transportu, ponieważ trans-port miejski odpowiada za ok. jedną czwartą emisji CO 2 pochodzących z transportu ogółem. Opóźnienie działań i powolne wprowadzanie nowych technologii mogłyby skazać przemysł transportowy UE na nieodwracalny upadek, ponieważ unijny sektor transportu zmaga się z rosnącą konkurencją ze strony szybko rozwijających się światowych rynków transportowych [12]. Przejście na bardziej ekologiczny transport w miastach mogą ułatwić obniżone wymagania w odniesieniu do zasięgu pojazdów i wyższa gęstość zaludnienia. Stopniowa eliminacja pojazdów o napędzie konwencjonalnym z miast, w znacznym stopniu przyczyni się do ograniczenia zależności systemów transportowych od ropy i emisji gazów cieplarnianych. Rys. 1. Rozwój zasilania napędów pojazdów samochodowych. Źródło: opracowanie własne na podstawie [15]. Towarzyszyć temu procesowi musi rozwój stosownej infrastruktury zasilania w paliwo/lub ładowanie pojazdów. Duże floty autobusów miejskich, taksówek i samochodów dostawczych szczególnie nadają się do wprowadzenia alternatywnych napędów i paliw, takich jak: napęd elektryczny z baterii akumulatorowych lub przyszłościowy napęd z silników wodorowych (rys. 1). Stanowisko Komisji Europejskiej w sprawie pojazdów elektrycznych zostało przedstawione w roku 2010 w dokumencie [5]. Przedstawiono w nim strategię na rzecz promowania zastosowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów (samochodów osobowych i autobusów). Dotyczy to zarówno pojazdów wyposażonych w konwencjonalne silniki spalinowe oraz ułatwiania wdrożenia nowych technologii napędu (napęd hybrydowy, elektryczny, wodorowy) (rys. 1). Ponadto w szczególności dla pojazdów z napędem elektrycznym będą wprowadzone zasady homologacji i normy, takie aby ładowanie tych pojazdów i podłączenie do sieci elektrycznej w całej UE dokonywane było przy wykorzystaniu typowych ładowarek Logistyka 4/2014

3 2.2. Problemy napędu elektrycznego w autobusach miejskich Możliwe są następujące rodzaje ekologicznych pojazdów komunikacji publicznej: tramwaje, trolejbusy oraz autobusy z napędem elektrycznym (bateryjne). Jako możliwe paliwa do zasilania pojazdów komunikacji publicznej można wymienić: ropę naftową (oraz różnego rodzaju biopaliwa) - do silników wysokoprężnych Diesel, paliwa gazowe - gaz ziemny (CNG/LNG), biogaz, energia elektryczna. Aktualnie dominuje klasyczny silnik wysokoprężny diesla, przy czym należy zdać sobie sprawę z coraz ostrzejszych wymogów UE, co do emisji spalin (od roku 2014 obowiązywać będzie norma EEV- Euro 6). Jeżeli chodzi o zasilanie paliwami gazowymi to wymagania, co do emisji substancji szkodliwych są identyczne jak w napędach wysokoprężnych (ale są już silniki spełniające wymogi normy EEV zbliżone do Euro 6). Natomiast problemem jest tu wyższa cena zakupu tych pojazdów (w stosunku do zasilanych ropą) o ok.15-20%, jak i ograniczona dostępność stacji do uzupełniania tym paliwem. Gaz ziemny (CNG) często mieszany jest z wodorem, co pozwala na znaczne obniżenie poziomu emisji CO 2 silników spalinowych, w porównaniu z paliwami konwencjonalnymi [18]. Jednak prawdziwa przyszłość, to rozwój pojazdów komunikacji miejskiej opartych na napędach elektrycznych, zasilanych z baterii akumulatorowych. Będą to pojazdy napędzane silnikiem elektrycznym prądu stałego, zasilane z baterii litowo-jonowej o dużej mocy [13]. Decydującą rolę odegra tu postęp w dziedzinie rozwoju technologii litowo-jonowych. Jednak nawet, jeśli za kilka lat na rynku pojawią się pojazdy wyposażone w napęd elektryczny, które nie emitują CO 2, to będą one w stanie pokonać jedynie krótkie odcinki tras. Przed rokiem 2020 nie ma co liczyć na pojawienie się na rynku pojazdów tego typu, pokonujących dłuższe dystanse. Zalety napędu elektrycznego są następujące: brak emisji czynników szkodliwych, cicha i spokojna jazda. Natomiast, jako wady takiego napędu można wymienić: wysokie koszty taboru (2-3 razy droższe od autobusów z silnikami Diesla), konieczność budowy dodatkowej infrastruktury w postaci punktów ładowania na trasie kursowania autobusu. O wadach lub zaletach napędu elektrycznego pojazdów miejskich decyduje jakość baterii akumulatorowych. Użytkowników zniechęca do napędu bateryjnego nie tylko wysoka cena, ale także duża utrata wartości akumulatorów, wynikająca z obaw o ich trwałość. W przypadku samochodów osobowych, utrata wartości auta elektrycznego, po przebiegu 30 tys. km jest wyraźnie większa niż z napędem spalinowym [19]. Po siedmiu latach akumulator na wtórnym rynku jest bezwartościowy. Problemem jest również wysoka cena całego pojazdu. Rozwój rynku pojazdów z napędem elektrycznym jest uzależniony od dopłat rządowych. a) b) Rys. 2. Ładowanie pantografowe autobusów na trasie, a-pantograf na autobusie, b- szyna zasilająca na stacji (przystanku) Źródło: [20]. Logistyka 4/

4 Warunki eksploatacyjne autobusów z napędem elektrycznym wymagają zapewnienia im możliwości doładowania baterii na trasie ich przejazdu. Istnieją dwa możliwe warianty doładowywania baterii akumulatorowej na trasie przejazdu autobusu: ładowanie pantografem na wybranym przystanku (rys. 2), ładowanie z gniazdka (plug-in) (rys. 3), ładowanie indukcyjne (rys. 4). Rys. 3. Przykład terminala ładowania typu plug- in Rys. 4. Ładowanie indukcyjne Źródło: [21]. Źródło: [21]. System pantografowy składa się ze stacji wyposażonej w ruchome szyny zasilające, które wysuwają się nad pojazd tylko na czas ładowania (o mocy ok. 250 kw), oraz autobusu z dwoma pantografami. Z założenia stacje ładowania mają być rozmieszczane na końcach linii autobusowych, gdzie pojazdy będą mogły uzupełnić energię na kolejny kurs (15-25 km) w ciągu 5-6 minut. Tak szybkie ładowanie wymusza stosowanie w pojazdach akumulatorów litowo - jonowych, z anodą z tytanianu litu [20]. W chwili obecnej, brak dodatkowej infrastruktury technicznej umożliwiającej doładowanie baterii akumulatorów autobusu na trasie, co eliminuje tego typu pojazdy z użycia. Infrastruktura techniczna pociąga za sobą duże na-kłady inwestycyjne, jednakże efekty dalszej eksploatacji zarówno ekonomiczne, transportowe, jak i ekologiczne mogą przemawiać za wprowadzeniem tego rodzaju rozwiązań [10]. Pewnych analogii można poszukiwać w analizach wprowadzenia specjalnej infrastruktury technicznej dla autobusów z napędem wodorowym. Obecnie w wielu miastach świata wprowadzany jest eksperymentalnie elektryczny miejski samochód osobowy. System ten także wymaga budowy specjalnej infrastruktury technicznej stacji dokowania/ładowania pojazdów [1]. W ogólnych założeniach zapewnienie wymiany energii następuje najczęściej poprzez doładowanie (ładowanie pantografem na przystankach rys. 2 lub ładowanie z gniazdka rys. 3), a także, przy odpowiedniej konstrukcji, po-przez sprawną wymianę całej baterii w punktach wymiany na trasie przejazdu autobusu. W każdym przypadku należy pamiętać, że priorytetem powinna być efektywna obsługa podróżnych przy zachowaniu optymalnego wykorzystania taboru przez przedsiębiorstwo. Wymaga to określenia na obszarze obsługiwanym przez przedsiębiorstwo przewozowe warunków rozmieszczenia punktów ładowania akumulatorów autobusów (dla konkretnych sieci komunikacyjnych). Właściwy dobór infrastruktury powinien być rozpatrywany także w ujęciu organizacyjnym. Napęd elektryczny i ograniczenia dotyczące dystansu możliwego do przejechania bez ładowania wymagają istotnych zmian w dotychczas stosowanych modelach planowania ruchu autobusowego (rozkładów jazdy) Logistyka 4/2014

5 Wydaje się, że właściwym pomysłem jest poszukiwanie kompromisu pomiędzy próbą utrzymania istniejących rozkładów jazdy lub tras przejazdu na wybranym obszarze obsługi przewozowej, a ograniczeniami inwestycyjnymi w nową infrastrukturę techniczną umożliwiającą doładowanie baterii autobusów. 3. MODELOWANIE RUCHU SIECI TRANSPORTU PUBLICZNEGO Z AUTOBUSAMI ELEKTRYCZNYMI Infrastrukturę techniczną autobusowego transportu zbiorowego, ściśle związaną z planowaniem i organizacją przewozów, są: trasy, przystanki, węzły przesiadkowe (integracyjne) i zajezdnie, stacje końcowe (pętle). Z punktu widzenia autobusów elektrycznych, szczególne znaczenie mają stacje końcowe (pętle), zlokalizowane na krańcach trasy, w miejscach zmiany środka transportu i w miejscach, których następuje zmiana częstotliwości kursowania spowodowana istotną zmianą wielkości potoku pasażerów (np. dworce i węzły zintegrowane). W tych właśnie punktach, oprócz oczywiście zajezdni, istnieją potencjalne możliwości instalowania stacji ładowania napędu autobusu elektrycznego (akumulatorów). Wymienione elementy infrastruktury technicznej są składnikami sieci publicznego transportu zbiorowego, których parametry determinują w znacznym stopniu cechy techniczno-eksploatacyjne taboru, tj.: prędkość komunikacyjną, zdolność przewozową, racjonalną odległość międzyprzystankową, stopień kolizyjności z innymi środkami transportu, wpływ na środowisko. Aby poprawnie zaplanować wykorzystanie taboru transportowego, przy jednoczesnym zapewnieniu właściwego stopnia obsługi dla pasażerów budowane są modele ruchu, które pozwalają na tworzenie rozkładów jazdy w sieci na drodze symulacji komputerowej. Modele ruchu nie reprezentują rzeczywistego stanu sytuacji na danej sieci transportowej, jednak umożliwiają analizę sytuacji: co będzie-jak?. Budowa modelu ruchu jest zadaniem trudnym i złożonym, ze względu na mnogość potrzebnych danych, które ten model mogą uwiarygodnić. Im więcej i lepiej opisanych (sformalizowanych) danych wejściowych i wyjściowych zawiera model, tym dokładniej oddaje rzeczywiste warunki ruchu. Aby model ruchu był wiarygodny należy, po jego zbudowaniu, zweryfikować go na podstawie rzeczywistych pomiarów ruchu na wybranych trasach sieci [11]. Dzięki zebranym danym z pomiarów oraz wynikom modelowania prognozowania ruchu w sieci, możliwe jest skoordynowania rozkładu przestrzennego potrzeb przewozowych, układu tras linii autobusowych, z uwzględnieniem ich przebiegu i skomunikowania z innymi systemami transportowymi (np. węzły przesiadkowe zintegrowane oraz pętle końcowe linii), z wariantami lokalizacji stacji ładowania autobusów elektrycznych, oraz wariantami obsługi określonych linii (tylko taborem elektrycznym, tylko taborem spalinowym oraz z obsługą mieszaną część linii, np. do węzła zintegrowanego, taborem elektrycznym a pozostała część linii taborem spalinowym). Modele ruchu w sieci powinny się składać z submodeli, które uwzględniać będą problemy (wejścia, wyjścia) dla nich istotne. Taka struktura modelu powinna posiadać: 1. model ogólnotransportowy, zawierający: submodel sieci drogowej (plan i profil odcinków, prędkość w ruchu swobodnym, prędkość w ruchu wymuszonym), submodel sieci linii autobusowych (lokalizacja przystanków, przebieg trasy między przystankami, rozkłady jazdy na przystankach, plan operacyjny), submodel profilu prędkości na odcinkach (ruch swobodny, zatrzymania i ruszania z przystanków, zatrzymania i ruszania na światłach, spowolnienia ruchu), submodel obciążenia linii przewozowych oraz submodel czasu jazdy (w zależności od planu i profilu trasy, w zależności od warunków ruchu w potoku) (rys. 5). Logistyka 4/

6 Rys. 5. Elementy submodelu ogólnotransportowego. Źródło: opracowanie własne. 2. model techniczny, opisujący parametry uzyskane z submodelu ogólnotransportowego (sieć, profile prędkości i drogi, czas jazdy), charakterystyka mechaniczna autobusu i elektryczna akumulatorów, jako dane wejściowe, natomiast parametry wyjściowe to: optymalizacja wyboru rodzaju pojazdu dla danej trasy i przy zachowaniu założonego rozkładu jazdy oraz możliwość symulacji: pracy baterii (czas jazdy, zmiany prędkości), rozmieszczenia stacji ładowania, strategię ładowania baterii (rys. 6) Logistyka 4/2014

7 Rys. 6. Elementy modelu technicznego, opartego na bazie autobusu Solaris Urbino 8,9 Electric. Źródło: opracowanie własne. 3. model ekonomiczny, przedstawiający zależności pomiędzy czynnikami finansowymi (kredyty, leasing, gotówka), kosztów zakupu taboru i infrastruktury, kosztów utrzymania i eksploatacji a strukturą floty autobusowej (elektryczne lub mieszane), strategii uzupełniania energii (ładowanie, ładowanie + doładowanie, wymiana baterii). 4. model ekologiczny, zawierający na wejściu wymogi Dyrektywy dotyczącej czystości powietrza: natomiast wynikiem są efekty oddziaływania na środowisko w postaci wielkości emisji dla różnego rodzaju napędu autobusu (Diesel, CNG, hybrydowy, bateryjny) [4]. Efekty współdziałania poszczególnych modeli składowych można analizować na modelu strukturalnym sieci transportowej, dla wybranego obszaru obsługi (rys. 7). 4. PODSUMOWANIE Przedstawiona w artykule propozycja struktury modelu ruchu w transporcie publicznym z wykorzystaniem autobusów z napędem elektrycznym umożliwi analizę i prognozowanie ruchu, zapewni skoordynowanie rozkładu przestrzennego potrzeb przewozowych, układu tras linii autobusowych, z uwzględnieniem ich przebiegu i skomunikowania z innymi systemami transportowymi (np. węzły przesiadkowe zintegrowane oraz pętle końcowe linii), z wariantami lokalizacji stacji ładowania autobusów elektrycznych, oraz wariantami obsługi dla określonych linii (tylko taborem elektrycznym, tylko taborem spalinowym oraz z obsługą mieszaną część linii, np. do węzła zintegrowanego, taborem elektrycznym a pozostała część linii taborem spalinowym). Da również odpowiedź na pytania związane z opłacalnością stosowania taboru z napędem elektrycznym oraz oddziaływania na środowisko autobusów z różnymi rodzajami napędu. Logistyka 4/

8 Rys. 7. Model strukturalny sieci transportowej Źródło: opracowanie własne. Streszczenie W związku z potrzebą wprowadzania ekologicznie czystych technologii transportowych podejmowane są działania związane z wykorzystaniem napędu elektrycznego w pojazdach samochodowych obsługujących publiczny transport zbiorowy. W artykule przedstawiono techniczne i eksploatacyjne możliwości wprowadzenia autobusów elektrycznych do transportu publicznego. Eksploatacja tego rodzaju taboru wymaga odpowiedniej infrastruktury technicznej związanej z zasilaniem transportu miejskiego korzystającego z energii elektrycznej. Jednocześnie dotychczasowe doświadczenia wskazują na silne wzajemne powiązania sfery technicznej z systemem organizacyjnym publicznego transportu zbiorowego w aglomeracjach. Istotne znaczenie posiada więc m. in. układ funkcjonującej sieci linii autobusowych oraz organizacja pracy autobusów na liniach (rozkład jazdy). Aby racjonalnie rozwiązać ten problem opracowano modele zależności powiązań technicznych, organizacyjnych, ekonomicznych i ekologicznych, umożliwiających optymalny wybór rodzaju napędu autobusowego. Słowa kluczowe: transport publiczny, baterie akumulatorowe, modele ruchu, infrastruktura techniczna. Application possibilities for busses with battery drive to the public transportation system Abstract Because of the need of introducing ecologically clean transport technologies, activities bound up with using electric propulsion in motor vehicles operating in public transport are undertaken. Technical and operational possibilities of introducing electric powered buses to the communal public transport are shown in the article. The operation of that kind of fleet requires appropriate technical infrastructure involving charging electric-powered urban transport. Simultaneously former experiences show strong mutual connection between technical sphere and organizational system of communal public transport in agglomerations. Hence essential significance among other things have the layout of functioning bus lines network and organisation of bus operations on the lines (timetable). The models of the technical, organizational, economic and ecological links enabling optimal choice of type of bus propulsion were worked out with the aim of rational solving this problem. Keywords: public transport, traction batteries, traffic models, technical infrastructure Logistyka 4/2014

9 Niniejszy artykuł powstał w ramach finansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu międzynarodowego w programie ERA-NET Electromobility + (EN+) pt.: Modele i metody oceny i optymalizacji ładowania baterii autobusów elektrycznych. LITERATURA [1] Benysek G., Jarnut M.: Electric vehicle charging infrastructure in Poland. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) pp [2] BIAŁA KSIĘGA. Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu dążenie do osiągnięcia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu. KOM (2011) 144 wersja ostateczna. Bruksela, [3] Bubna P., Advani S. G., Prasad A. K.: Integration of batteries with ultracapacitors for a fuel cell hybrid transit bus. Journal of Power Sources 199 (2012) pp [4] Dyrektywa nr 2008/50/EC z 21 Maja 2008 [5] Europejska strategia na rzecz ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów. KOM (2010) 186. Bruksela, [6] Feng X., Li J., Lu L., Hua J., Xu L., Ouyang M.: Research on a battery test profile based on road test data from hybrid fuel cell buses. Journal of Power Sources 209 (2012) pp [7] Folkesson A., Andersson C, Alvfors P., Alaküla M., Overgaard L.: Real life testing of a Hybrid PEM Fuel Cell Bus. Journal of Power Sources 118 (2003) pp [8] Green emotion programme ( ) [9] Ibarra-Rojas O. J., Rios-Solis Y. A.: Synchronization of bus timetabling. Transportation Research Part B 46 (2012) pp [10] Karoń G., Janecki R., Sobota A.: Modelowanie ruchu w konurbacji górnośląskiej sieć publicznego transportu zbiorowego. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria TRANSPORT z. 66. Nr kol. 1825; s.35-42, Gliwice [11] Kühne R.: Electric buses e An energy efficient urban transportation means. Energy 35 (2010) pp [12] Markusik S,. Łazarz B.: Zarządzanie projektami badawczymi systemów logistycznych w transporcie miejskim. VI Konferencja Naukowo-Techniczna Systemy logistyczne-teoria i praktyka, Politechnika Warszawska, Szydłów, [13] Merz K.-D., Stevenson J. M.: Progress in the design and development of improved lead/acid batteries for electric Buses and vans. Journal of Power Sources 53 (1995) pp [14] Plan działania na rzecz mobilności w miastach. Komisja Wspólnot Europejskich. SEK (2009) 1212 wersja ostateczna. Bruksela, [15] Praca zbiorowa pod red. Pyki I. oraz Czaplickiej-Kolarz K. Scenariusze rozwoju zero emisyjnej gospodarki energią w Polsce w perspektywie 2050 roku. GIG, Katowice, [16] Raport Światowej Komisji Środowiska i Rozwoju: Nasza wspólna przyszłość. ONZ [17] Sasaki M., Araki S., Miyata T., Kawaji T.: Development of capacitor hybrid system for urban buses. JSAE Review 23 (2002) pp [18] przyszłości dla silnikow spalinowych.html ( ). [19] ( ). [20] ( ). [21] ladowania firmy rwe/terminale ladowania firmy rwe 6.htm ( ). Logistyka 4/