Autobusy przyszłości

Zdaniem federacji Clean Air, zrzeszającej dziesięć europejskich organizacji ekologicznych, autobusy miejskie wytwarzają nawet 30% szkodliwych substancji. Włodarze miast są zdeterminowani, by pojazdy te miały napęd elektryczny.

Napęd elektryczny w autobusach miejskich ma niemal same zalety, jednak w XXI wieku ludzkość nadal nie umie zmagazynować prądu. Akumulatory, nawet te najnowocześniejsze litowo-jonowe, są zbyt ciężkie i w dodatku nieodporne na niskie temperatury. Etapem przejściowym jest napęd hybrydowy. Epoka napędów hybrydowych w autobusach rozpoczęła się w 2006 r., gdy 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.

Hybrydy

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 masę. Obecnie baterie instaluje się na dachu autobusu. Takie rozwiązanie stosuje MAN w swoich autobusach Lions City Hybrid. Pojemność elektryczną baterii dobiera się w ten 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 biodieslem (moc 250 KM).

Nowym rozwiązaniem w autobusach, oferowanym m.in. przez Valeo, jest hybryda na 48V, jak w samochodach osobowych, stosowana np. w obsypanym nagrodami Mercedesie- Benzu 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 na prąd gromadzony w podwójnych kondensatorach, tzw. superkondensatorach. 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.

Napęd wyłącznie elektryczny

Poza brakiem spalin, zalety napędu elektrycznego w porównaniu z napędem spalinowym to: mniejsza o 76% redukcja drgań na siedzisku kierowcy, o 28% niższy poziom hałasu w tylnej części autobusu i o 16% niższy poziom hałasu zewnętrznego podczas ruszania z przystanku. Solaris wprowadził swój pierwszy elektryczny autobus w 2011 r. 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 tegorocznych 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. MAN twierdzi, że silnik umieszczony centralnie jest łatwiej dostępny i konstrukcyjnie prostszy niż silnik w osi kół.

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 premierowy 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. W autobusach elektrycznych problemem jest rozmieszczenie akumulatorów, obecnie litowo-jonowych, i ich znaczna masa własna. W eCitaro część z nich znajduje się na dachu oraz z tyłu pojazdu. ECitaro w lecie osiąga zasięg 150 km, ale przy temperaturze otoczenia minus 10 stopni C zużycie energii wzrasta o połowę.

Zakup autobusów elektrycznych często wiąże się z wysokimi kosztami zakupu i długim oczekiwaniem, nawet do 18 miesięcy. Koncern ZF opracował technologię zamiany napędu 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

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 gniazdka elektrycznego, a dodatkowe na przystankach końcowych podczas przerwy za pomocą pantografu. W związku z tym wiele autobusów elektrycznych, ale także hybrydowych ma dodatkowy pantograf. 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. Jak na razie, tak elegancki sposób ładowania w zasadzie nie jest realizowany na szerszą skalą.

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 pomy ciepła z energii uzyskiwanej ze schłodzenia akumulatorów lub silników napędowych i, w zależności od potrzeby, grzałką zasilaną paliwem. W rozwiązaniach Solarisa dodatkowe ogrzewanie jest realizowane za pomocą gazu LPG lub ziemnego. Klimatyzacja pracuje na czynniku CO2 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 przypadku napędu autobusów panuje pełna zgoda – miejskie muszą być elektryczne, a dalekobieżne – mogą być napędzane silnikiem Diesla lub na gaz. Ten, kto wymyśli sposób na efektywne magazynowanie energii elektrycznej, zyska dozgonną wdzięczność ludzkości wyrażoną w dowolnej walucie świata.