Градски електрически транспорт

Електрически и хибридни автобуси

Електрическите автобуси (ЕА) и хибридните автобуси (ХА) са едно от решенията за намаляване на шума, замърсяването и задръстванията в големите градове. Тези превозни средства съществуват отдавна и стават все по-популярни през последните десетина години. Очаква се да навлязат по-масово през следващото десетилетие. Статията разглежда историческите корени на ЕА и ХА, настоящето положение и дава оптимистични прогнози за бъдещето им. Предполага се, че ще се появят и нови модели ЕА и ХА, съчетаващи в себе си характерните черти на няколко вида съвременни превозни средства и множество нови и класически технологии.
След като електрическите и хибридни автомобили са отдавна реалност и малко по-малко завземат все по-голяма част от пазара се предполага, че и електрическите и хибридни автобуси (ЕА и ХА) ще ги последват.

Електрическият автобус е автобус, който получава енергията необходима за движение, осветление, комуникация и всички останали нужди от вградени електрохимични източници на енергия, понякога комбинирани с фотоволтаични батерии. Въпреки големите различия и разнообразието в техническите и технологичните решения се счита, че технологията, макар и бързо развиваща се, е вече стабилна и приложима в масовото производство. Параметрите на електрическия автобус са общо взето известни и употребата им регулярно нараства в градски и крайградски условия. Основните проблеми са удължаване на пробега, с цел да се покрият значителни извънградски разстояния и намаляване на цената на превозното средства като първоначална инвестиция. Последното в момента, често се прави със субсидии под различна форма.

Съществуващите решения за изграждане на електрически автобуси включват както акумулаторни батерии (АКБ) така и интензивно използване на супер или ултракондензатори. АКБ изглежда не са много подходящи за самостоятелно използване в тези приложения, защото имат ограничен брой цикли на заряд и разряд. Този проблем е много по-малък при суперкондензаторите. Градските автобуси имат предсказуем маршрут с известни места на спирките, светофарите и възможните задръстванията и има огромна натрупана статистика по експлоатацията им. Дистанцията между спирките обикновено е по-малка от 5 км. Освен това на част от спирките електрическите автобуси могат да прекарват без проблеми по няколко минути, а това време е достатъчно автобусите със суперкондензатори да възстановят голяма част от заряда си. Зареждането може да става от автоматично съоръжение монтирано над или под спирката или близо до светофарната уредба на подходящи кръстовища.

Цената на електрическите автобус засега е висока, например около два пъти по-висока от цената на нов автобус с дизелов двигател с намалени емисии на вредните газове. Електрическите автобуси все още се произвеждат в малки количества и стойността на използваните устройства за съхранение и отдаване на енергия е висока. Създаването на инфраструктура в градски условия, особено там където има и тролейбусен транспорт, се счита за сравнително малък проблем. Още повече, че тролейбусите, електрическите и хибридни автобуси може да имат по няколко общи спирки, където да става презареждането им от вече готова високоволтова инсталация, снабдена с подходяща зарядна станция.

Засега електрическите автобуси се произвеждат в три основни размера: размер на минибус или микробус (приблизително с размер на маршрутка), автобус с размери между минибус и стандартен единичен автобус и с размери на автобус (без удължение). Електрическите автобуси с удължение (съчленени автобуси) са по-скоро изключение, отколкото масов модел. Съществуват и множество ЕА за около десетина пътници за спортни и туристически развлечения върху ограничени площи.

Разработени са и интересни разновидности на електрическия автобус като градски автобус с ремарке. В ремаркето се намират или само батерии или батерии с ДВГ, който зарежда батериите и може и да произвежда електроенергия за движението на автобуса с по-ниска скорост. Транспортирането на батериите в ремарке дава възможност подмяната им да се извърши бързо и лесно, например на крайните спирки и в депата. При тези електрически автобуси шумът в купето и напрегнатостта на електромагнитното поле са много по-ниски. Вредните газовете, които биха се отделили от батериите не проникват в салона за пътници.

Технологията на ЕА се комбинира и със слънчеви батерии за дозареждане на основните батерии и за захранване на по-малки консуматори ако основните батерии откажат. Предполага се, че фотоволтаици ще се монтират и на станциите за зареждане и за дозареждане на батерии. Освен това те биха могли да зареждат батерии, вградени в тези станции, които ще се използват при бързото зареждане на батериите в електрическите превозни средства. Това става все по-актуално тъй като бързото зареждане може да изисква стотици или дори хиляди ампери в рамките на няколко минути.

Част от електрическите автобуси имат само суперкондензатори и нямат акумулаторни батерии, участващи в задвижването им. Това се налага поради факта, че в градски условия те трябва да тръгват и спират, да се ускоряват и забавят стотици пъти на ден. А това означава стотици цикли на зареждане и разреждане на АКБ, което скъсява живота им. От друга страна градските автобуси прекарват значително време на спирките и на светофарите и в тези точки може да се изградят станции за дозареждането на суперкондензаторите им в рамките на няколко минути. Първите електрически автобуси само на суперкондензатори изминаваха по няколко километра без дозареждане, но и това беше добър параметър за градски условия. Понастоящем плановете са за по 20-30км пробег само на суперкондензатори, което е приблизително равно на дължината на един градски маршрут от край до край на автобус в голям град. Засега суперкондензаторите са скъп и много ограничен източник на енергия. Те имат около 10W/h на килограм тегло, а при най-добрите масово използвани батерии този параметър е 10-20 пъти по-голям.

Понастоящем електрическите автобуси използват по-малко количество електричество от тролейбусите, защото имат вградени системи за акумулиране на енергията при забавяне и при спиране и за отдаването на съхранената енергия при потегляне и ускорение на превозното средство. Освен това те са независими от жичното електрозахранване, докато батериите им са заредени. Но електрическият автобус е значително по-скъп и по-сложен от тролейбусите и се намира още в началния етап на масовото разпространение, което изглежда със сигурност ще се състои.

Съществуват и практически изпълнения на високоскоростни автобуси за извънградски пътувания с пробег над 300км и със скорости над 100km/h, с едно зареждане на батериите, но това са по-скоро върхови постижения с висока цена, която се очаква да се понижи значително в следващото десетилетие. Електрическите автобуси стават все по-мощни и по-бързи. Мощността на електрическите ми двигатели може да е стотици киловати. Управлението обикновено е цифрово и индивидуално и двигателите най-често са трифазни. Използването на ниско разположени електродвигатели и батерии поставя центъра на тежестта на електрическия автобус ниско и ги прави много устойчиви.

Пълната безпомощност на електрическите автобуси след изтощаването на батериите и при липса на възможност за зареждането им води до известно предпочитане на хибридните автобуси, описани накратко малко по-долу. Наличието на ДВГ макар и с ограничена мощност и с малък обхват на действие може да се окаже важно при природни бедствия, катастрофи от всякакъв вид, аварии и други и за извеждане на превозното средство със собствени сили от опасно положение при изтощени или отказали батерии.

Тролейбуси
Тролейбусите са неавтономни електрически автобуси и не се разглеждат подробно в тази статия. Но те се споменават защото в тях намират приложение и част от нововъведенията за електрическите автобуси и освен това са удобен еталон за сравнение при определяне на ефективността на последните. Тролейбусите се използват масово вече около един век и има натрупани надеждни статистически данни за положителните и отрицателните им страни. Технологията при тях е добре развита и отработена и продължава да се подобрява. От една страна тролейбусите са база за развитие на електрическите автобуси, а от друга те заимстват много от тях. Бъдещето за тролейбусите е сигурно и те ще се използват широко както в големи и в средни градове, така и в близките им квартали. Тролейбусът е много по-евтин от електрическия автобус, но е ограничен в движението си от захранващата мрежа, която от своя страна е както значителна инвестиция, така и има загуби на преноса на енергията (Тази загуба изглежда по-малка от загубите в акумулаторите на електрическите автобуси и свързаната с тях електроника).

Съществуват съвременни тролейбуси, които могат да изминат известно разстояние без да получават енергия отвън. Това им дава възможност да заобикалят препятствия по пътя си без да имат връзка с мрежата. Тези модели могат да се използват като прототипи за разновидност на електрическия автобус, които се движат между някои спирки, свързани към мрежата за да заредят батериите си, а между други спирки да се движат извън мрежата. Това може да поевтини инфраструктурата и да се избегне построяването на скъпи станции за бързо зареждане и използването на по-скъпи батерии понасящи многократни цикли на бързо зареждане.

Комбинирането на тролейбус с електрически или хибриден автобус е може би една от насоките за развитие на този транспорт. Това изглежда полезно, тъй като превозното средство може да използва електроенергията от мрежата на местата, където я има и собствени енергийни ресурси, където няма мрежа. Опитът натрупан с тролейбусите се използва при развитието на електрическия и хибридния автобус.

Хибридни автобуси
Хибридните автобуси са много по-разпространени от електрическите автобуси и изглежда се приемат много добре от пазара. Хибридните автобуси конкурират успешно както тролейбусите, така и съвременните дизелови автобуси, но все още са значително по-скъпи от тях. Технологията се счита за стабилна в голяма степен и има натрупан опит. Разбира се и тук има постоянни технологични нововъведения и все по-нови постижения.

Хибридните автобуси комбинират предимствата на ДВГ с АКБ и с електрическо задвижване на колелата. Повечето модели на хибридните автобуси са от дизел-електрически тип, но има и много други конфигурации. Страните, в които понастоящем има най-масово използване на хибридните автобуси, са Испания, Канада, Китай, Обединеното Кралство, Сингапур, Тайван, САЩ, Япония. Хибридни автобуси има и в още няколко страни на Западна Европа.

Съществуват многобройни проекти за разработка и използване на хибридни автобуси. Например в САЩ има проект за разработка, произвеждане и използване на шестдесет хибридни автобуси като училищни автобуси. Едно от изискванията ще бъде да могат да се зареждат или дозареждат от стандартната електрическа мрежа. Тези автобуси ще могат да работят или като електрически автобуси (само на батерии) или като хибридни автобуси. Предполагаемият обхват ще бъде 60-70km, което обикновено е достатъчно за училищен автобус, които закарва децата на училище и ги връща у дома.

Предполага се, че ДВГ на хибридните автобуси ще имат всички технологични нововъведения за намаляване на вредните емисии. Проблемите с емисиите са на ниво разработка на норми, сертифициране, определяне на размера на субсидията и начина на субсидирането от държавата и т.н. По принцип поради постоянният оптимизиран режим на работа на ДВГ в хибридните автобуси ще се реализират и икономии на гориво в сравнение на разхода на автобус само с ДВГ. За размера на тази икономии се дават различни цифри, от около 10% до 50% като начинът на получаване на резултатите не е много ясен. Предполага се, че след масовото навлизане на тези превозни средства ще се уточнят и методиките за измерване и сравнение на параметрите им.

Една нова и важна тенденция при хибридните автобуси е използването на бензинови двигатели вместо двигатели с дизелово гориво или природен газ. Оказва се, че комбинацията между бензинов двигател и електрически двигатели дава икономии на гориво, малко замърсяване на околната среда и значителна тяга при потегляне. Тъй като има вече изградена инфраструктура за зареждане с бензин, то хибридните автобуси, използващи това гориво може да се окажат по-интересни от автобусите на природен газ. Зареждането с природен газ изисква нова инфраструктура, обучение на водачи и сервизен персонал и т.н. А това означава и повече инвестиции, които не се знае дали и кога ще се възвърнат при бързо развиващите се нови технологии.

Обемът на инсталираните ДВГ в хибридните автобуси е значително по-малък от обема на ДВГ на конвенционалните автобуси като разликата може да е няколко пъти. Например ДВГ на дизелов автобус може да бъде седем литра, а обемът на ДВГ на хибридните автобуси с близки размери, може да е приблизително два литра. Това е огромно предимство и позволява икономия на гориво, намаляване на теглото, намаляване на шума и вибрациите, по-голям пробег с едно зареждане, облекчена поддръжка и т.н. Работният обем на ДВГ на хибридните автобуси зависи силно от модела, от размера на носените батерии и от предвидената инфраструктура и е от около два до девет литра.

При повечето хибридни автобуси няма механична връзка между ДВГ и колелата. Такива хибридни автобуси се наричат серийни хибриди (series hybrid busses). При тях ДВГ задвижва електрически генератор, които произвежда електроенергия за задвижване на колелата, за зареждане на акумулаторите и за всички останали функции, т.е. имаме електрически генератор серийно във веригата ДВГ – колела. Има и друга разновидност - паралелни хибриди (parallel hybrids), които могат да използват едновременно както ДВГ така и електродвигатели за придвижване. Те се считат за по-добри, но са и значително по-скъпи.

Макар че хибридните автобуси се използват вече масово и се планира до 2020г. да се използват все повече, те се разглеждат от някои фирми като преходна технология. Предполага се, че ще бъдат изместени от електрическите автобуси и от автобусите с горивни клетки. Засега обаче се счита, че хибридните автобуси са изгодни за запознаване на персонала и на широката публика с новите технологии, а също и за натрупване на опит с тях. Надеждността на хибридните автобуси е висока, а ДВГ монтирани върху тях ще работя по-дълго време поради оптимизирането на режима на работа. Спирачните параметри на хибридните автобуси са общо взето по-добри от подобните параметри на автобусите само с ДВГ. Вътрешното пространство на хибридните автобуси обикновено е по-просторно, по-тихо и по-комфортно от вътрешността на обикновен автобус само с ДВГ.

Хибридните автобуси обикновено имат поне два електрическите двигателя, като мощността може да достига 100kW и дори повече. Напреженията може да са по-високи от 600V, което по принцип създава опасност от токови удари при извънредни ситуации. В световен мащаб вече има хиляди хибридните автобуси от различен тип в редовна или експериментална експлоатация. Това е малка част от общото количество автобуси, но се предполага значително увеличаване, особено в по-развитите държави. Шумът, произвеждан от хибридните автобуси е малък и съизмерим с шума, произвеждан от лек автомобил, което е важно за гъсто населените места с оживен трафик. При някои от хибридните автобуси ДВГ може автоматично да се спират при спрял автобус и потеглянето да е само с електрически двигател, след което се включва и ДВГ. Предполага се, че това намалява замърсяването по спирките.

Хибридните автобуси са изключително разнородни по своите основни концепции и реализации. Към тях се отнасят и така наречените доминирани от батерии автобуси (battery dominant hybrid) при които ДВГ има само спомагателна роля. Техническите постижения при разработка на хибридни автобуси ще се използват и при други превозни средства, работещи в старт-стоп режим като коли за снабдяване (delivery vans) в градски условия, туристически автомобили за разглеждане на забележителности, открити електрически или хибридни автобуси за спортни терени и други.

Автобуси с горивни клетки
Превозни средства, ползващи технология с горивните клетки (fuel cells) са известни отдавна. Например първото превозно средство с тази технология е създадено през 1959г. След това технологията е използвана главно в космически апарати. После започва да се експериментира с почти всички превозни средства от велосипеди до самолети. През последните десетина година се произведоха няколкостотин автобуса с тази технология, които се използват в големи градове като Сан Франциско, Хамбург, Шанхай, Лондон, Сао Паоло и други.

Едно от предимствата на технологията, е че не си влошава параметрите при много ниски температури и затова е подходяща за страни с по-студен климат. Ето защо най-голям брой автобуси с тази технология се използват в Канада. Други две предимства на технологията са значителната икономия при експлоатация в сравнение с дизеловите автобуси и по-големия пробег от повечето електрически автобуси. По-бързо презареждане (за около пет минути), може да се направи в почти всякакви размери за почти всички видове превозни средства.

По-съществените недостатъци на технологията са: производството на гориво за тези превозни средства поражда все още проблеми, изисква се специфична инфраструктура за презареждане, сравнително бавно развитие и усъвършенстване на технологията на горивните клетки и други. Счита се, че ще трябват още много години, за да се стигне до такава степен, че да стане равноправен конкурент без субсидии срещу останалите технологии, използващи електрическа енергия за задвижване на превозни средства. Освен това, поне засега производството на горивото за клетките е скъп, рискован и замърсяващ процес. За безопасността на технологията няма натрупани достатъчно статистически данни. Тъй като в момента недостатъците изглежда са много повече от предимствата, технологията е изместена на по-заден план при автобусите за сметка на останалите технологии в електрическите и хибридните автобуси.