Analiza porównawcza zużycia alternatywnych nośników energetycznych w procesie eksploatacji autobusów komunikacji miejskiej 4

Transkrypt

1 LANGER Agnieszka 1 NAPIÓRKOWSKI Jerzy 2 SZCZYGLAK Piotr 3 Analiza porównawcza zużycia alternatywnych nośników energetycznych w procesie eksploatacji autobusów komunikacji miejskiej 4 WSTĘP Komunikacja autobusowa od zawsze była i pozostaje najważniejszym elementem systemu transportu publicznego, który obsługuje potrzeby przewozowe w miastach. Rocznie średnio mieszkaniec Polski korzysta z tego typu transportu na dystansie około 8,8 tyś. km, zaś średnia europejska wynosi około 12 tys. km [6,14]. Pomimo znacznego postępu w zakresie rozwiązań funkcjonalnych komunikacji zbiorowej nadal w większości miast Polski dominuje transport indywidualny. Zmiany tego stanu będą możliwe w wyniku przedsięwzięć z zakresu organizacji przestrzeni komunikacyjnej w miastach (wyznaczenie stref tylko dla komunikacji zbiorowej, wprowadzenie płatnych stref parkingowych, itp.), obniżenia kosztów i podwyższenie jakości usług transportowych (punktualność, komfort, itp.) oraz kształtowanie świadomości komunikacyjnej mieszkańców poprzez edukację. Świadoma zamiana środka lokomocji będzie skutkowała zmniejszeniem natężenia ruchu i zanieczyszczenia środowiska, zwiększeniem trwałość dróg oraz ograniczeniem ryzyka wystąpienia wypadku [18]. Środki transportowe stosowane do przewozu pasażerów na obszarach miejskich są coraz częściej oceniane pod względem negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne. Do głównych problemów eksploatacyjnych związanych z realizacją zadań transportowych zaliczyć można emisję: tlenków azotu, cząstek stałych, dwutlenku węgla i hałasu oraz stosowanie nieefektywnych systemów zarządzania komunikacją zbiorową, na terenach miejskich [4, 16]. Minimalizacja negatywnych skutków eksploatacji autobusów miejskich może zostać zrealizowana poprzez [14, 15, 16, 18]: ograniczenie zużycia nośników energetycznych wykorzystywanych do napędu autobusów komunikacji miejskiej poprzez stosowanie konwencjonalnych układów napędowych o wyższej sprawności (silniki generujące mniejsze zużycie paliwa; przekładnie o większej sprawności; systemy sterowania układami napędowymi o zoptymalizowanych algorytmach zorientowanych na zmniejszenie zużycia paliwa; opony o niskim współczynniku oporów toczenia, itp.), stosowanie zmian konstrukcyjnych w układach napędowych mających na celu ograniczenie emisji tlenków azotu i cząstek stałych (EGR - Exhaust Gas Recirculation, SCR - Selectic Catalytic Reduction, DPF - Diesel Particulate Filter, itp.) optymalizację pod względem wydajności systemów zarządzania komunikacją miejską (ograniczenie przejazdów jałowych; dopasowanie możliwości środka transportowego do rzeczywistych warunków środowiskowych; zagregowanie systemu miejskiej sygnalizacji świetlnej i systemu zarządzania komunikacją miejską; optymalizacja systemu zarządzania komunikacją z wykorzystaniem telemetrycznej kontroli środków transportowych; itp.); stosowanie paliw kopalnych o zmniejszonej zawartości węgla (np.: CNG, LNG, LPG, itp.) [1, 4, 5, 6, 13, 19], stosowanie paliw odnawialnych i ich mieszanek (np. etanol, estry etylowe oleju rzepakowego, estry metylowe oleju napędowego, itp.) [12, 17], 1 Mgr inż. Agnieszka Langer, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Budowy Eksploatacji Pojazdów i Maszyn 2 Dr hab. inż. J. Napiórkowski, prof.nadzw., Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Budowy Eksploatacji Pojazdów i Maszyn 3 Dr inż., P. Szczyglak, adiunkt, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Budowy Eksploatacji Pojazdów i Maszyn 4 Artykuł recenzowany 14411

2 stosowanie w układach napędowych ogniw wodorowych, stosowanie układów napędowych zasilanych bateryjnie [2, 7, 8]. Działania mające na celu ograniczenie całkowitego zużycia paliwa w sektorze transportowym, a także zwiększenie udziału paliw odnawialnych, są zbieżne z polityką energetyczną Polski. Zgodnie z dyrektywy 2003/30/WE z dnia 8 maja 2003 r. w sprawie stosowania w transporcie paliw odnawialnych przewiduje się, że do 2020 roku udział tego typu paliw wyniesie co najmniej 10%. Zadanie to realizowane jest głównie poprzez stosowanie do napędu silników spalinowych paliw z dodatkiem biokomponentów w ilości do 7% (etanol, estry oleju rzepakowego). Znacznie rzadziej stosuje się paliwa o większej zawartości biokomponentów (np. E85, E95) lub będące całkowicie odnawialne (np. B100) [4, 12]. Rozwiązania tego typu wykorzystuje się głównie w transporcie zbiorowym o zasięgu miejskim (np. MZK Słupsk) [3]. Do grupy paliw stosowanych w miejskim transporcie autobusowym stosuje się najczęściej olej napędowy. Jako paliwa alternatywne zastosowanie głównie mają: E95, CNG, LNG. Dodatkowo układy napędowe mogą być wspomagane momentem obrotowym generowanym przez silniki elektryczne zasilane bateryjnie. W wielu ośrodkach badawczych w Polsce i na świecie prowadzone są intensywne prace nad oszczędnym wykorzystaniem paliw. Przyjmuje się, że nasza cywilizacja zużyła 500 mld ton paliwa umownego, z tego aż 2/3 energii w przeciągu ostatnich 100 lat. Z przeprowadzanych badań wynika, że zasoby gazu i ropy naftowej wyczerpią się za około 50 lat. W świetle powyższego priorytetowe jest zagadnienie doboru układu napędowego w aspekcie efektywności jego funkcjonowania [14, 17]. 1 CHARAKTERYSTYKA TECHNICZNA I ŚRODOWISKO EKSPLOATACJI AUTOBUSÓW Analizie poddano średnie zużycie nośników energetycznych na 100 km, jakie odnotowano w czasie eksploatacji 5 autobusów komunikacji miejskiej kategorii MAXI. Pomiaru zużycia paliwa dokonano w sezonie letnim 2013 roku (maj-wrzesień), w czasie eksploatacji autobusów w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Pomiary wykonywano w: Konsorcjum KDD świadczącym usługi przewozowe dla Zarządu Dróg, Zieleni i Transportu w Olsztynie (na liniach: 1, 9, 20 i 27) autobus z układem napędowym zasilanym LNG, Miejskim Zakładzie Komunikacji w Słupsku (na wszystkich liniach) autobusy z układem napędowym zasilanym: E95, ON i CNG, Miejskim Przedsiębiorstwie Komunikacyjnym w Wrocławiu (na liniach: 316 i 116) - autobus z hybrydowym układem napędowym. Stwierdzone wartości zużycia paliwa były rejestrowane przez pracowników wyżej wymienionych przedsiębiorstw i przekazane do analiz w Katedrze Budowy Eksploatacji Pojazdów i Maszyn UWM w Olsztynie. Zużycie E95 badano w Miejskim Zakładzie Komunikacji w Słupsku w ramach projektu badawczego realizowanego przez Politechnikę Gdańską [11]. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem następujących autobusów (rys. 1): Scania OmniLink (12m) układ napędowy wyposażony w zmodyfikowany silnik diesla o pojemności 9 dm 3 i mocy 165 kw, przystosowany do spalania etanolu, spełnia wymogi normy emisji spalin EEV (Enhanced Environmentally friendly Vehicle) oraz EURO5 [10, 11]. Scania OmniCity (12m) układ napędowy wyposażony w zmodyfikowany silnik diesla o pojemności 8,91 dm 3 i mocy 217 kw, przystosowany do spalania CNG, spełnia wymogi normy emisji spalin EURO5 [11]. MAN NL 202 (12m) układ napędowy wyposażony w silnik diesla o pojemności 6,87 dm 3 i mocy 152 kw, przystosowany do spalania ON, spełnia wymogi normy emisji spalin EURO2 [14]. Solbus Solcity (12m) układ napędowy wyposażony w silnik o pojemności 6,7 dm 3 i mocy 236 kw, przystosowany do spalania LNG, spełnia wymogi normy emisji spalin EEV (Enhanced Environmentally friendly Vehicle) [14]. Autobus zasilano z mobilnej cysterny

3 Volvo 7700 Hybrid (12m) układ napędowy wyposażony w silnik diesla o pojemności 4,76 dm 3 i mocy 158 kw, wspomagany silnikiem elektrycznym o mocy 118 kw, spełnia wymogi normy emisji spalin EURO6 [14]. Rys. 1. Autobusy komunikacji miejskiej poddane badaniom. Źródło: opracowanie własne. 2 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Na podstawie wyników przedstawionych w tabeli 1 stwierdzono, że najniższe średnie zużycie paliwa odnotowano w przypadku autobusu wyposażonego w napęd hybrydowy

4 Tab. 1. Średnie zużycie paliwa wygenerowane przez autobusy komunikacji miejskiej. Źródło: opracowanie własne na podstawie wyników otrzymanych z KDD w Olsztynie, MPK w Wrocławiu i MZK w Słupsku. Scania Scania Solbus Volvo 7700 Autobus MAN NL 202 OmniLink OmniCity Solcity Hybrid Rodzaj paliwa E95 CNG ON LNG ON Jednostka miary Maj dm 3 /100km m 3 /100km dm 3 /100km m 3 /100km dm 3 /100km 72,53 57,17 39,13 50,23 26,57 Zużycie paliwa Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień 73,32 59,92 39,58 50,78 27,54 73,8 59,02 38,81 51,11 27,98 74,72 59,32 39,04 52,00 28,35 75,06 57,55 39,65 54,2 30,21 Średnia 73,89 58,6 39,24 51,66 28,13 Jednostkowy koszt zakupu paliwa [PLN] 4,96 3,32 5,32 3,28 5, Koszt paliwa dla drogi 100 km [PLN] 366,49 194,55 208,75 169,44 149,65 Na podstawie wyników przedstawionych w tabeli 1 stwierdzono, że najniższe średnie zużycie paliwa odnotowano w przypadku autobusu wyposażonego w napęd hybrydowy. Średnia wartość zużycia ON wyniosła w tym przypadku 28,13 dm 3 /100km i jest ono wynikiem zastosowania zaawansowanego systemu sterowania układem napędowym autobusu, który do prędkości 20 km/h rozpędzany jest tylko przy pomocy silnika elektrycznego. W porównaniu do konwencjonalnego napędu wyposażonego w silnik diesla uzyskano średnie oszczędności w zużyciu paliwa na poziomie 11,11 dm 3 /100km. Jest to spadek zużycia paliwa o 28,31%, który w odniesieniu do cen jego zakupu umożliwia obniżenie kosztów eksploatacji na dystansie km związanych z zakupem nośnika energetycznego o 59115,84 PLN. Najwyższe zużycie paliwa odnotowano w przypadku autobusu zasilanego E95 i wyniosło ono średnio 73,89 dm 3 /100km (koszta zakupu paliwa wyższe o 144,9%, niż w przypadku hybrydowego układu napędowego). Tak wysokie zapotrzebowanie na paliwo spowodowane jest jego niską wartością opałową. Niskie koszta zakupu nośnika energetycznego stwierdzono także w przypadku układu napędowego zasilanego LNG, wzrost kosztów w stosunku do układu hybrydowego wyniósł w tym przypadku 13,22%. WNIOSKI Dobór odpowiedniego układu napędowego w aspekcie efektywności jego funkcjonowania umożliwia obniżenie kosztów eksploatacji autobusów komunikacji miejskiej. Dodatkowo przyczynia się do obniżenia emisji tlenków azotu, cząstek stałych, dwutlenku węgla i hałasu. Najbardziej efektywnym układem napędowym jaki zastosowano w monitorowanych autobusach komunikacji miejskiej jest napęd hybrydowy. Jego eksploatację charakteryzuje niska emisja zanieczyszczeń generowanych do atmosfery w odniesieniu do klasycznych układów napędowych, a także jako jedyny z analizowanych napędów generuje on minimalny poziom hałasu przy prędkościach do 20 km/h. Nieco wyższe koszta związane z zakupem nośnika energetycznego w porównaniu do hybrydowego 14414

5 układu napędowego odnotowano, w przypadku układu napędowego zasilanego LNG. Jego zaletą jest też niska emisja CO 2, w stosunku do układów napędowych zasilanych olejem napędowym. Jest to skutek obniżonej zawartości węgla jaki znajduje się w LNG, w stosunku do ON. Najmniej ekonomicznym rozwiązaniem okazał się układ napędowy autobusu zasilanego E95. Ocena efektywności opłacalności wykorzystania poszczególnych nośników energii powinna uwzględniać koszty zakupu autobusu z poszczególnymi rozwiązaniami funkcjonalnymi. Ponadto przeprowadzony eksperyment bierny obarczony jest pewnymi błędami związanymi z wykorzystaniem do badań pojazdów o zróżnicowanym przebiegu oraz użytkowanych w innej infrastrukturze. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki pomiarów zużycia nośników energetycznych w procesie eksploatacji autobusów komunikacji miejskiej. Analizy przeprowadzono dla autobusów wyposażonych w konwencjonalne i hybrydowe układy napędowe. Zamontowane w autobusach silniki umożliwiały spalanie: ON, E95, CNG, LNG, a w przypadku napędu hybrydowego dodatkowo silnik spalinowy wspomagany był momentem obrotowym generowanym przez silnik elektryczny. Przeprowadzono także analizę kosztów związanych z zakupem nośników energetycznych dla potrzeb procesu przewozu pasażerów w warunkach miejskich. Comparative analysis of the consumption of alternative energy systems in urban transport buses Abstract This paper analyses the consumption of energy in urban transport buses. The analysis was performed for buses equipped with conventional and hybrid drive systems. The engines mounted in the buses allowed the combustion of: DF, E95, CNG, LNG and for hybrid drive the combustion engine was additionally supported with the torque generated by the electric engine. The tests were complemented by an analysis of the costs of energy inputs for passenger transport under urban conditions. BIBLIOGRAFIA 1. Budzik G.: Zasilanie silników autobusów komunikacji miejskiej sprężonym gazem ziemnym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Rzeszów Chłopek Z.: Napędy hybrydowe do autobusów miejskich jako rozwiązanie proekologiczne, Transport Samochodowy 3/ Chłopek Z.: Bilansowanie emisji zanieczyszczeń z silników autobusów miejskich, Transport Samochodowy 3/ Chłopek Z., Gis W., Menes E., Merkisz J., Waśkiewicz J.: Zasilanie silników biometanem jako przykład napędów gazowych, Transport Samochodowy 2/ Cygnar M., Jakubiec J., Budzik G.: Analise of selected systems CNG supply of city buses engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, 2006, Vol. 13, No.3: Gis W., Menes E., Waśkiewicz J.: Paliwa gazowe w miejskiej komunikacji autobusowej w Polsce, Transport Samochodowy 2/ Glinka T., Fręchowicz A.: Brushless DC Motor Operating in Constant Power Range, ICEM th International Conference on Electrical Machines Brugge, Belgium Hofman T.: Framework for Combined Control and Design Optimization of Hybrid Vechicle Propulsion System, Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven Krzemieniewski M., Zieliński M., Dębowski M., Markowski M., Białobrzewski I., Michalski R., Szczyglak P., Janulin M., Gonera J.: Prosumenckie instalacje biogazowni i estryfikatorni. Modelowe kompleksy agroenergetyczne jako przykład kogeneracji rozproszonej opartej na lokalnych i odnawialnych źródłach energii. Wydawnictwo UWM. Olsztyn

6 13. Jakubiec J., Janik R., Gardyński L.: Wpływ pakietu dodatku uszlachetniającego na właściwości fizykochemiczne i użytkowe auto-gazu, Materiały VI Międzynarodowej Konferencji Naukowej Silniki gazowe 2003, Częstochowa Szczyrk. 14. Langer A.: Analiza możliwości wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii do napędów pojazdów samochodowych, Praca magisterska, Olsztyn Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Tom 1 i 2, Poznań Merkisz J., Pielecha J., Radzimiński St.: Pragmatyczne podstawy ochrony powietrza atmosferycznego w transporcie drogowym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Rok T.: Niewykorzystany potencjał odnawialnych źródeł energii, Problemy Ekologii, Vol. 12, nr 6, listopad-grudzień Rudnicki A. i inni: Kryteria i mierniki oceny miejskiej komunikacji zbiorowej - opracowanie wykonane na zlecenie Izby Gospodarczej Komunikacji Miejskiej, Kraków Siripornakarachai S., Sucharitakul T.: Adapting gasoline engine to biogas engine for electrical power generation, J. Energy Word,