Autobusy komunikacji miejskiej o napędzie elektrycznym w Polsce

Transkrypt

1 MACIEJCZYK Andrzej 1 Autobusy komunikacji miejskiej o napędzie elektrycznym w Polsce WSTĘP Stopień zanieczyszczenia powietrzaw miastach, którego skutkiem jest pojawianie się smogu urasta do niebagatelnego problemu. Według Le Monde wśród 10 najbardziej zanieczyszczonych w tym zakresie miast Europy znajdują się trzy miasta polskie. W tym niechlubnym rankingu 3 miejsce zajmuje Kraków, 8 Wrocław, 10 Warszawa z liczbą dni w roku,w których utrzymuje się smog wynoszącą odpowiednio 210,166,152. Niewiele lepiej jest w miastach śląska i podkarpacia. Problem dotyczy także popularnych miejscowości o charakterze turystycznym np. Zakopanego. Oprócz akcji wymiany nie ekologicznych domowych instalacji grzewczych coraz częściej mówi się o konieczności wprowadzenia ograniczeń w ruchu drogowym w centrach miast. Jako istotne źródło zanieczyszczeń powietrza wskazuje się także zbiorowy transport miejski. Stąd też rosnące zainteresowanie miejskich przewoźników ekologicznymi środkami transportu. Do tego typu taboru niewątpliwie należą autobusy z ekologicznym napędem elektrycznym. W niniejszej publikacji podjęto próbę omówienia i oceny dostępnych obecnie na rynku polskim tego typu pojazdów. 1. AUTOBUSY SOLARIS 1.1. Solaris Urbino 8,9 LE electric Pierwszy prototyp autobusuo napędzie elektrycznym firma Solaris Bus &Coach zaprezentowała podczas targów Transexpo jesienią w 2011 roku[7]. Był to model o nazwie Solaris Urbino 8,9 LE (LowEntry) electric. Do napędu autobusu zastosowano centralnie usytuowany czteropolowy silnik asynchroniczny (firmy VosslohKiepe) o mocy maksymalnej 120 kw (163 KM) i maksymalnym momencie obrotowym 1400 Nm. Napęd z silnika przekazywany jest na standardową oś napędową typu ZF AV 132 lub niezależnie zawieszoną ZF RL 75 EC. Fot.1. Solaris Urbino 8,9 electric [18] Energia do napędzania silnika trakcyjnego zgromadzona jest w dwóch bateriach o jednostkowej wadze 700 kg. Chłodzone cieczą baterie litowo-jonowe o napięciu znamionowym 600 V i energii o 1 Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzka 2954

2 wartości 120 kwh umożliwiają pokonanie dystansu do 100 km, bez konieczności korzystania z zewnętrznego źródła doładowania. W trakcie eksploatacji pojazdu część energii jest na bieżąco odzyskiwana podczas hamowania. Ładowanie baterii odbywa się za pomocą zewnętrznej ładowarki 3x400V, 63A. Maksymalny czas ładowania wynosi 4h. Maksymalną prędkość autobusu ograniczono do 50 km/h. Prototypowe pojazdy Solarisa były testowane w warunkach ruchu miejskiego przez stołeczne MZA (Miejskie Zakłady Autobusowe), podczas EURO 2012 w Poznaniu. [9]oraz w Krakowie.W dwóch pierwszych przypadkach zwracano uwagę na niedostateczną ilość energii w akumulatorach, a przez to mocno ograniczony zasięg pojazdu bez konieczności ich doładowywania. Zgodnie z oczekiwaniami użytkowników, akumulatory autobusu miejskiego o napędzie elektrycznym powinien zapewnić możliwość całodniowego kursowania, bez potrzeby uzupełniania energii. Zastosowanie niewielkich akumulatorów, producent pojazdu uznaje za jego zaletę. Mniejsze akumulatory oznaczają bowiem, że autobus jest lżejszy, zatem może zabrać większą liczbę pasażerów [4].W konsekwencji zastosowania baterii o niewielkiej pojemności proponowane są rozwiązania umożliwiające doładowywanie akumulatorów w trakcie kursowania pojazdu. Pierwsze z nich obejmuje propozycję zastosowania ładowarek z pętlą indukcyjną montowaną w jezdni w obrębie przystanków. Podczas postoju na przystanku w celu wymiany pasażerów, nawet krótki czas doładowania akumulatorów będzie wystarczający, aby autobus pokonał kolejny odcinek, do następnej stacji ładowania. Niestety to rozwiązanie należy uznać za kosztowne, zwłaszcza że sam zakup autobusu o napędzie elektrycznym jest wysoki. Drugie, zdecydowanie tańsze rozwiązanie, to ładowarki montowane na słupach lub wiatach przystanków. W chwili dojazdu pojazdu do przystanku wysuwany jest swego rodzaju pantograf w celu połączenia z ładowarką. Drugi z trzech, zbudowany w 2012 roku prototyp wyposażono w system szybkiego ładowania [7]. System o mocy 100 kw zapewnia naładowanie całkowicie wyczerpanych baterii w 1,5 godziny. Trzeci prototyp wyposażono w system klimatyzacji integrujący układy chłodzenia i ogrzewania z możliwością wykorzystania energii cieplnej wytwarzanej przez część agregatów napędu elektrycznego Solaris Urbino 12 electric Kolejny z autobusów Solaris powstał na bazie swego spalinowego poprzednika. Prototyp tego 12 metrowego pojazdu pokazano po raz pierwszy na targach IAA Nutzfahrzeuge w Hanowerze w 2012 roku. Podczas budowy prototypu wykorzystano doświadczenia jak i podzespoły napędu z Solarisa Urbino 8,9 LE electric. Do napędu pojazdu posłużył ten sam silnik asynchroniczny o mocy maksymalnej 120 kw (163 KM) i maksymalnym momencie obrotowym 1400 Nm, usytułowany centralnie. Fot. 2. Solaris Urbino 12 electric [6] 2955

3 W autobusie zamontowano większe akumulatory. Energia w nich zgromadzona wynosi obecnie 230 kwh. Deklarowany zasięg to 150 km. Nowość stanowi wyposażenie autobusu w bezprzewodowy, indukcyjny system ładowania. Ładowanie akumulatorów możliwe jest również w systemie plug-in z zastosowaniem szybkiej ładowarki o mocy 100 kw. Czas ładowania akumulatorów wyniesie wówczas ok. 2h [6] Solaris Urbino 18electric Solaris Urbino 18 electric to autobus przegubowy. W grupie elektrycznych przegubowców firma Solaris Bus &Coachoferuje dwa rozwiązania konstrukcyjne [22]. W pierwszym z nich postawiono na indukcyjny, bezstykowy system ładowania. Stąd zastosowanie tylko niewielkiego akumulatora (90kWh). Bateria umieszczona została na dachu pojazdu, nad tylną osią. W tym autobusie, tak samo jak w poprzednio opisywanych, zrezygnowano z typowej wieży silnika. Napęd pojazdu stanowi silnik trakcyjny o mocy 240 kw. W drugim niewielka bateria (120 kwh) jest wspomagana wodorowym ogniwem paliwowym o mocy 101 kw. Doładowywanie baterii odbywa się podczas jazdy, jednakże przy założeniu, że ogniwo wodorowe zostaje załączone tylko w przypadku kiedy potrzebne jest wykorzystanie 100% jego mocy Podsumowanie Firma Solaris Bus &Coach wyprodukowała pierwszy w Polsce autobus z napędem elektrycznym. Do napędu zastosowano sprawdzony silnik trakcyjny, jakkolwiek zapewne trudno by było nazwać to rozwiązanie nowoczesnym. Producent postawił na częste korzystanie z ładowarek zewnętrznych poprzez pantografy (rozwiązanie tańsze) lub bezprzewodowe indukcyjne (rozwiązanie droższe), co znacząco podwyższa koszty inwestycji. Jednocześnie wyposażył pojazd w niewielkie pakiety akumulatorów. Akumulatory są zdecydowanie drogie, a ich cena jest wprost proporcjonalny do ilości energii w nich zmagazynowanej. Ponieważ koszt baterii stanowi istotną część kosztu autobusu, zamontowanie akumulatorów o małej pojemności powinno wpłynąć znacząco na cenę pojazdu. Równocześnie mogłoby stanowić rekompensatęniezbędnych dodatkowych kosztów poniesionych na infrastrukturę w postaci ładowarek na przystankach. Jednocześnie małe baterie z uwagi na swoje gabaryty i ciężar wpływają na ilość miejsca wewnątrz, jak i ciężar autobusu. 2. AUTOBUSY AMZ KUTNO 2.1. AMZ City Smile 10 E Pierwszy z niskopodłogowych autobusów miejskich firmy AMZ z napędem elektrycznym [12]. Napęd stanowi chłodzony cieczą, asynchroniczny silnik elektryczny TAM 1052C6B czeskiej firmy PRAGOIMEX A.S o mocy 120 kw, który napędza portalową oś ZF AV132. Silnik umiejscowiono wzdłuż osi pojazdu za tylną osią napędową. Źródło energii stanowią pakiety baterii umieszczone w zabudowie wieżowej z tyłu pojazdu (po lewej stronie) oraz pośrodku autobusu, w pobliżu środkowych drzwi. W celu równomiernego rozkładu obciążenia pakiety baterii nie są identyczne. Napięcie nominalne akumulatorów to 600V, a zgromadzona energia 230 kwh, przy wadze ok kg. W pełni naładowany zespół akumulatorów umożliwia przejechanie do 240 kilometrów. Ładowanie odbywa się metodą plug-in za pomocą ładowarki przenośnej. Całkowite ładowanie akumulatorów przebiega w ciągu 8h, przy prądzie ładowania 36A. Zastosowanie szybkiej ładowarkio natężeniu prądu rzędu 250 A skraca cały proces do około 2,5 h. Na uwagę zasługuje system kontroli zawieszenia ECAS II z funkcją tzw. przyklęku (ok. 80 mm), co zdecydowanie ułatwia wsiadanie pasażerom, nie tylko tym niepełnosprawnym. 2956

4 Fot. 3. Autobus o napędzie elektrycznym AMZ City Smile 10 E [12] Testy autobusu przeprowadzano w Krakowie na trasie, którą wcześniej jeździł Solaris [2].Podczas testów autobus obsługiwał trasę o długości 11 km przez cały dzień (dwie zmiany), bez konieczności doładowywania baterii. Dodatkowo wykonano przejazd z w pełni naładowanymi akumulatorami na trasie 190 km. Pojazd dojechał nie rozładowując akumulatorów do końca. Krytykę wywołał nieekologiczny system ogrzewania wodnego przy pomocy urządzenia Webasto i brak klimatyzacji w testowanym prototypie Prototyp nowego autobusu o napędzie elektrycznym AMZ Kutno Kolejnym autobusem miejskim o napędzie elektrycznym firmy AMZ jest pojazd 9-cio metrowy (docelowo planowana jest także produkcja autobusów o długości 12 metrów). Prototyp układu napędowego, począwszy od doboru i zestawienia elementów, poprzez system sterowania oraz sam prototyp autobusu stanowi całkowicie polską konstrukcję i jest wynikiem realizacji projektu opracowanego z udziałem Katedry Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn Politechniki Łódzkiej [20]. Do napędu użyty został znacznie nowocześniejszy w stosunku do typowych maszyn trakcyjnych oraz znacznie lżejszy silnik typy PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) o mocy 155 kw, napięciu 600V i masie 350 kg. Zastosowany chłodzony cieczą, kanadyjski silnik LSM280 charakteryzuje się zakresem regulacji prędkości obrotowej od 0 do 1200 obr./min. przy stałym momencie 1400 Nm oraz od 1200 do 3250 obr./min. przy stałej mocy. Silnik umieszczony w osi pojazdu napędza poprzez przekładnię planetarną i główną koła tylne. Z uwagi na umiejscowienie silnika autobus nie posiada tzw. wieży silnika. Silnik zasilany jest z dwóch źródeł energii. Pierwszy stanowi pakiet baterii litowo-jonowych o pojemności 400 Ah i napięciu 576 V. Ilość energii zgromadzonej w akumulatorach wynosi 230 kwh, co pozwala na przebiegi rzędu 250 km, bez konieczności doładowywania. Drugi bateria superkondensatorów. Koncepcja takiego układu została opisana w [21].W prototypowym autobusie pakiet baterii zamontowany został na dachu. Ładowanie baterii za pomocą plug-in w czasie ok. 8 h. Przewidywana jest możliwość zastosowania szybkiej ładowarki. Podczas hamowania lub zjazdu ze wzniesienia następuje rekuperacja (odzysk) energii. Ten typ autobusu wyposażono także w funkcję przyklęku. Testy pojazdu przeprowadzano w MZK Kutno notując przebiegi powyżej 200 km, bez całkowitego rozładowania akumulatorów. W listopadzie 2014 roku autobus uzyskał homologację. W 2014 roku był prezentowany na Łódzkich Targach Energetycznych, VII Europejskim Forum Gospodarczym - Łódzkie 2014 oraz podczas konferencji - Ekologiczny transport wyzwaniem przyszłości w Bełchatowie. 2957

5 Fot. 4. Prototyp nowego autobusu o napędzie elektrycznym AMZ Kutno Opcjonalnie przewidywano zainstalowanie na dachu pojazdu paneli fotowoltaicznych, z których energia wykorzystywana byłaby do zasilania klimatyzacji. Przeprowadzone badania stanowiskowe dostępnych paneli wykazały niską sprawność układu [19]. Powyższe oraz wysoki koszt instalacji solarnej spowodowały rezygnację z tego rozwiązania Podsumowanie W rozdziale 2 przedstawiono mając na uwadze chronologię pierwszy i trzeci autobus o napędzie elektrycznym firmy AMZ. W autobusie drugim zastosowano napęd silnikami umiejscowionymi w piastach kół. Prace nad tym modelem trwają nadal. Na uwagę zasługuje trzeci autobus. Zastosowano tu nowoczesny silnik z magnesami trwałymi, znacznie lżejszy w stosunku do klasycznych silników asynchronicznych. Nowością jest tu układ zasilania z dwóch źródeł energii. Koncepcja, dobór i zestawienie układu napędowego oraz system sterowania stanowi polską konstrukcję. Autobus charakteryzuje się dużym zasięgiem bez konieczności ładowania akumulatorów. Uzyskał homologację więc możliwe jest wdrażanie jego produkcji seryjnej. 3. CHIŃSKI AUTOBUSO NAPĘDZIE ELEKTRYCZNYM 3.1. Model BYD ebus (K9) Niestety informacji dotyczących tego pojazdu nie można uznać za obszerne. Wiadomo, że do napędu wykorzystano dwa silniki elektryczne o mocy 90 kw i monecie obrotowym 350 Nm każdy umieszczone wraz z reduktorem w piatach kół [15]. Według tego samego źródła, jak i według [8] moment obrotowy każdego z silników wynosi 550 Nm (???). Energii w ilości ok. 324 kwh [14] dostarczają akumulatory nowej generacji żelazowolitowo-fosforanowe o napięciu 540V [17]. Ładowanie akumulatorów możliwe jest zarówno z pomocą ładowarki (4,5-5 h) pantografu lub indukcyjnie. W pełni naładowane akumulatory pozwalają na przejechanie dystansu do 300km. Za wady autobusu uznano podczas testów [3] brak zamkniętej przestrzeni dla kierowcy oraz część baterii umieszczone nad przednim kołem po stronie drzwi. Jako zalety wskazano relatywnie szybkie ładowanie akumulatorów oraz duży zasięg bez konieczności uzupełniania energii. Maksymalna prędkość autobusu wynosi 70 km/h. Pojazd wyposażono w klimatyzację, system rekuperacji energii oraz opcjonalnie możliwość instalacji na dachu paneli fotowoltaicznych. 2958

6 Fot. 5. Chiński autobus elektryczny BYD ebus [16] 3.2. Podsumowanie Autobus o dobrych parametrach jezdnych i dużym zasięgu. Ciekawym rozwiązaniem technicznym, innym niż w poprzednio opisanych autobusach, jest zastosowanie do napędu dwóch niewielkich gabarytowo silników zamontowanych w piastach kół. Zaletą takiej konstrukcji napędu jest niewątpliwie oszczędność miejsca w nadwoziu. W przypadku klasycznego napędu, silnik napędza koła poprzez mechanizm różnicowy, który w sposób płynny i bezstopniowy, niezauważalny dla użytkownika, koryguje różnice prędkości kół podczas pokonywania zakrętów. Jego obecność jest dostrzegana kiedy pojawiają się różnice przyczepności kół napędowych. Autobus BYD ebus posiada dwa niezależnie działające silniki, zatem rolę mechanizmu różnicowego musi przejąć równie płynnie działający, skomplikowany układ elektroniczny. Naturalnym w tym miejscu byłoby zapewne pytanie, które musi pozostać na razie bez odpowiedzi, odnośnie trwałości i niezawodności tego układu. 4. AUTOBUS ELEKTRYCZNY Z WYMIENNYMI BATERIAMI FIRMY URSUS 4.1. Autobus firmy Ursus Stawkę dostępnych obecnie na rynku krajowym autobusów o napędzie elektrycznym zamyka prototyp pojazdu wyprodukowany przez producenta legendarnych już ciągników rolniczych, firmę Ursus. Na stronie internetowej producenta brak jakichkolwiek danych dotyczących pojazdu, poza informacją, że w maju 2014 roku powołane zostałodo przygotowania i wdrożenia do produkcji autobusu elektrycznego konsorcjum, w którego skład wchodzą: Ursus, Miejskie Przedsiębiorstwo Komunikacyjne oraz Politechnika Lubelska, przy wsparciu Urzędu Miasta Lublin. [10] Przyjęte założenia konstrukcyjne zostały rozpowszechnione dzięki doniesieniom mediów. Dwunastometrowy autobus mają napędzać dwa silniki o mocy 150 kw umieszczone w piastach kół osi tylnych i zasilane przez baterie litowo-jonowe o pojemności energetycznej minimum 200 kwh. Jedno pełne naładowanie baterii ma pozwolić na przejechanie 200 km. Czas eksploatacji baterii ma wynosić minimum 6 lat [13].Przewidziano zabudowę baterii po bokach pojazdu, na wysokości podłogi tak. Taki sposób umiejscowienia ma zapewnić do nich łatwy dostęp i umożliwiać szybką wymianę rozładowanych akumulatorów na naładowane.[11]. Przewiduje się także możliwość szybkiego ładowania baterii na przystankach krańcowych [1]. 2959

7 Fot. 6. Autobus elektryczny Ursusa Ostatecznie w styczniu 2015 roku pojawiło się doniesienie o pojawieniu się prototypu (patrz fotografia powyżej), przewidywanych testach autobusu i przygotowaniach do homologacji [5]. W porównaniu z danymi uprzednio przedstawionej specyfikacji, pojawiła się informacja o mniejszej ilości energii gromadzonej w akumulatorach, która wynosi 120 kwh, co zmniejsza zasięg autobusu do ok. 110 km. Na przystankach końcowych mają być montowane szybkie ładowarki, dzięki którympo ok. 15 minut ładowania baterie osiągną 80 % naładowania, dzięki czemu możliwy będzie przejazd na dystansie kolejnych ok. 100 km Podsumowanie Na uwagę zasługuje tempo prowadzenia prac. W pół roku od podpisania umowy konsorcyjnej pojawiła się informacja o wykonaniu prototypu. Możliwe, że pewnym ułatwieniem dla Ursusa jest współpraca z firmą Bogdan Motors z Łucka na Ukrainie w zakresie produkcji trolejbusów dla komunikacji miejskiej w Lublinie. Sposób umiejscowienia baterii w pojeździe pozwalający na szybką wymianę rozładowanych na naładowane, wydaje się chwytem reklamowym. Znaczący koszt akumulatorów w stosunku do ceny autobusu, o czym już wspomniano, pozwala na przypuszczenie, że użytkownik nie zdecyduje się na zakup baterii na zapas, zwłaszcza mając do dyspozycji np. szybką ładowarkę. WNIOSKI Coraz większy nacisk na ekologię w transporcie, wymuszany także normą Euro 6 w konwencjonalnych konstrukcjach pojazdów spalinowych, pozwala na przypuszczenie, że w niedługim czasie bez emisyjne systemy napędowe autobusów zdominują rynek komunikacji zbiorowej. Stale rośnie zainteresowanie przedsiębiorstw i zakładów komunikacji miejskiej stanowiącymi ewidentną nowość, pojazdami z napędem elektrycznym. Trudne do akceptacji okazują się relatywnie wysokie ceny. Koszt zakupu autobusu miejskiego o napędzie elektrycznym kształtuje się na poziomie podwojonej wartości pojazdu z klasycznym napędem spalinowym. Rosnący popyt powinien znacząco wpływać na sukcesywne obniżanie ceny. Całkowicie uzasadniony niepokój budzi aspekt trwałości i niezawodności, zwłaszcza że do produkcji seryjnej wdrażane są pojazdy, które kilka miesięcy temu były prototypami. Wielką niewiadomą stanowi rzeczywista trwałość akumulatorów. Zapewnienia i gwarancje producentów przyjmowane są z niedowierzaniem. Domniemana perspektywa ich wymiany po niedługim czasie eksploatacji pojazdu, z uwagi na wysoki koszt, nie może nastrajać optymistycznie. Stale prowadzone przez producentów akumulatorów badania niewątpliwie będą mieć wpływ na ich trwałość. Oczekiwane jest także sukcesywne zmniejszanie ich masy. W zakresie układów napędowych oczekuje się dalszego rozwoju rozwiązań z niewielkimi silnikami w piastach kół oraz zastępowania silników 2960

8 asynchronicznych, niedostępnymi jeszcze na rynku silnikami tak dużej mocy, jakkolwiek trudno sterowalnymi, nowoczesnymi i lekkimi jednostkami typu BLDC. Streszczenie W artykule omówione zostały dostępne na rynku polskim modele autobusów wyposażonych w ekologiczne napędy elektryczne. Przedstawiono rodzaje zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych w zakresie układów napędowych oraz ich rozmieszczenia w pojeździe. Wskazano typy oraz parametry techniczne wykorzystanych silników elektrycznych. Omówiono układy zasilania energią z uwzględnieniem ilości zmagazynowanej energii. Wskazano sposoby rozmieszczenia baterii akumulatorów. Opisano dostępne dla poszczególnych pojazdów systemy ładowania akumulatorów. Podano podstawowe parametry jezdne wraz z dystansem, który każdy z prezentowanych autobusów może przejechać, bez konieczności doładowywania akumulatorów. W oparciu o doniesienia mediów przedstawiono opinie z przeprowadzanych jazd testowych. Dokonano podsumowania oraz wstępnej oceny każdego z przedstawianych rozwiązań. Opisy poszczególnych autobusów uzupełniono ich zdjęciami. Słowa kluczowe:komunikacja miejska, autobus miejski, miejski autobus z napędem elektrycznym, ekologiczny napęd Public transport buses with electric drive in Poland Abstract The article discusses the available on the Polish market models ecological buses equipped with electric drives. Shows the types of structural solutions applied in the field of drive systems and their deployment in the vehicle. Indicated types and technical parameters used in electric motors. Power supply systems are discussed, taking into account the amount of stored energy. Identified ways of placing the battery. Described available for each vehicle battery charging systems. Provides basic driving parameters together with the distance that each of the presented buses can drive without having to recharge the batteries. Based on media reports presents the opinions of the performed test run. Summarized and preliminary assessment of each of the presented solutions.descriptions of the various buses supplemented their photos. Keywords: public transport, city bus, city bus with electric drive, eco drive BIBLIOGRAFIA datnosci.htm Results-Anniversary-Green-Taxi#.VMDZohs5A_w

9 urbino1_scene3 19. Maciejczyk A., Panel fotowoltaiczny jako źródło energii przeznaczone do zasilania klimatyzacji kabiny kierowcy miejskiego autobusu o napędzie elektrycznym.logistyka 2014, nr Pawelski Z., Maciejczyk A., Projekt prototypowego układu napędowego do autobusu elektrycznego AMZ Kutno.Logistyka 2014, nr Pawelski Z., Maciejczyk A., Symulacja pracy układu napędowego autobusu miejskiego o napędzie elektrycznym w oparciu o model numeryczny. Koncepcja zarządzania energią pobieraną z dwóch źródeł. Logistyka 2014, nr PL_Solaris_Urbino_electric_2014.pdf 2962