Az elektromos busz kompromisszumai
Frissítve: 2021. márc. 28.
Európában manapság két-háromezer elektromos busz van forgalomban – az igazán nagy gyártó és felhasználó Kína jelenleg – ez a becsült teljes buszállomány egy-két százaléka. A marketing sokszor túlharsogja a valóságot, hogy egyelőre (pontosabban még mindig) kompromisszumos a felhasználhatósága egy hagyományos dízelbuszhoz viszonyítva. Rengeteg fejlesztés, kísérlet, és technológiai fejlődés következtében gyarapodtak az átlagosan (és valóságosan) egy töltéssel megtehető távolságok, de még mindig nem az igazi. De hol tart most, mik ma (2020/Q1) a számok és a valóság?
Az e-busz gyártók gombamód megszaporodtak, ma már tényleg szinte bárki összeépít egy, az előírásoknak és normáknak megfelelő elektromos buszt. Az aktuális verseny a hatótáv-növelés és energiafelhasználás-csökkentés terén zajlik.
A busz megtervezése, legyártása sem könnyű, azonban az igazi állópróbát és jövőbeli remélt megrendelés a termék utógondozásában rejlik: alkatrész-ellátás, javítás, karbantartás, megbízhatóság.
Deltabus Mark E egy Volgabus CR12E-hez nagyon hasonló karosszériában az új osztrák-orosz e-busz startup 12 méterese.
Az energia tárolása és utántöltése
A szükséges energia raktározása az energiasűrűséget tekintve a legnagyobb gond. A gázolajból egységnyi térfogaton nagyságrendekkel nagyobb energia szabadítható fel, mint amennyit ugyanakkora térfogatban akkumulátorokban el tudnak manapság (sorozatgyártásban) tárolni. Az eltárolható energiasűrűség egységnyi térfogatban ugyan fejlődött, de még mindig messze elmarad a gázolajtól.
Feltöltve - A lítium-ion akkumulátorokról
Részletesen a buszokban (is) használt akkumulátorokról
BYD K9U hátsó akkupakkok.
Városi szóló (12 méteres) elektromos buszokba kínált maximális akkumulátor kapacitások. Leginkább ebben a szegmensben (városi 12 méteres) dübörög az elektromos buszozás [1].
Az állandó kérdésként felmerülő hatótávot ráadásul jóindulattal is csak becsülni lehet, mert nagyban függ a felhasználás helyétől és módjától. Az energia utántöltése is jelentősen hosszabb idő, továbbá már egy busz esetén is szükséges lehet a telephely és a környező villamoshálózat megerősítése (éjszakai töltők áramfelvétele 40..200 A; a gyors töltők 500 A-rel is képesek tölteni). Ami újdonság, hogy a tárolt energiát temperálni szükséges (akkupakk fűtése és hűtése). Utóbbi esete külön kérdést vetett fel a klimatizálás kapcsán: ha azonos hűtőfolyadékkörről üzemel a kettő, jobb lehet a klíma hatásfoka, viszont a meghibásodása esetén a busz mozgásképtelenné válik. [2]
A hatótáv változás a hőmérséklet függvényében, különböző méretű akkupakkoknál a Solaris mérései alapján. Forrás: [3].
A Solaris számításai a töltőhálózat (buszok) energiaigényéről. Forrás: [3]
A gyártók által közölt hatótávok. Ha több érték elérhető, a kisebbet vettem figyelembe. A Volvo nem is hirdeti a hatótávját a 7900 Electric-nek, mert inkább a kis hatótáv + gyors töltés kombinációjában látják a potenciált.
A töltési metódust és a kapacitást ezért már igyekeznek rendszerben szemlélni, és így felhasználási terület figyelembevételével ajánlanak a gyártók megoldásokat. Ezzel mérsékelve az érezhető kényelmetlenséget a dízelbuszhoz képest. Elterelve a figyelmet a hatótávról, amely az akkumulátortechnológiától függetlenül évről-évre csökken kis mértékben (lásd még: State of Health).
Dízelbuszt nem képes 1:1 arányban váltani az utántöltési időszükséglet és a kisebb hatótáv miatt. Az UITP 2019. júniusi kiadványában [4] is felhívja a figyelmet a többletjármű-szükségletre dízelhez képest, továbbá az elektromos buszozás hosszútávú megtérülésére készít fel [5].
Ahogy a személyautók "meghíztak", úgy a buszok is termetesebbek (nehezebbek és nagyobbak) lettek.
Energiafelhasználás
Fűtés és hűtés
A legnagyobb energiaigényű rész az utastér fűtése és hűtése. A hagyományos autóbusz klímaberendezések 30..45 kW maximális teljesítményűek, mely az akkumulátorban tárolható kisebb energiasűrűség miatt egy hatalmas „veszteségként” (nem) jelenik meg a hatótávban. Jellemző átlagos villamosenergia-fogyasztás: 1,0…3,5 kWh/km, ennek hozzávetőlegesen 30%-a hűtés vagy fűtés biztosítására megy el. Így megjelentek és terjednek az e-buszokon a jóval kisebb energiaigényű, és jobb hatásfokkal működő hőszivattyús hűtő-fűtő klímaberendezések.
Ezek a klímarendszerek akár a villanygép hűtőfolyadékával egy körön üzemelve egy jobb hatásfokú (COP = 2…4) és jóval alacsonyabb energiaigényű fűtést és hűtést tesznek lehetővé. Hátrányuk a komplexitásuk és ebből fakadó gyakoribb meghibásodási lehetőség.
Néhány évvel ezelőtt kísérletileg felmerült lehetőség a MagnetoCaloric fűtési megoldás volt, melynek széria érett változatáról nem találtam információt.
Heavac Borealis hőszivattyús hűtő-fűtő klíma tetőegység metszetben. Ábra forrása: [6].
Járműmozgatás
Minden felesleges, lefaragható kilogramm a járműtömegből számít az energiaigényt illetően: amit meg kell mozdítani, az mind-mind energia. Az alumínium keréktárcsáktól elkezdve a karosszéria építésmódjáig (lásd még: alumínium – Volvo 7900; kompozit – NABI, Modulo C, Ebusco 3.0) bezárólag rengeteg aspektusból igyekeznek csökkenteni az elektromos buszok súlyát (is). Utóbbiak azonban rendre így is nehezebbek átlagosan két tonnával, mint egy hagyományos szóló dízelbusz.
Dízel és villanybusz üres, menetkész tömegek. A Volvo 7900-as tömegét nem leltem, így az sajnos hiányzik. A Solaris esetén is csak a 3. generációs tömegét leltem fel, de a sülycsökkentés biztosan szerepet játszott az új generációnál, így mindenképp kisebb a dízeles 4. generációs tömege.
Az átlagosan nagyobb járműtömeg az akkumulátoroknak köszönhető, melynek folyománya (a maximalizált tengelyterhelések következtében) a kisebb befogadóképességben manifesztálódik. (Vagy hidrogénes busznál az akár három tengelyes kivitel egy hagyományos szóló befogadóképességével – 100 fő).
Dízel és elektromos szóló buszok férőhelyei. Sajnos nem reprezentatív, mert egyik számértékhez sem leltem a számítás egységét (x fő/m^2). Továbbá egyes esetekben gyári adatot nem találtam, ott a közlekedő példányok közül a maximális értéket jelenítettem meg (VDL Citea SLF-120E, BYD K9U).
Az általában tetőre vagy a jármű hátsó részébe beépített akkupakkok miatt a járműsúlypont is magasabbra kerül (lásd még a Mercedes által az eCitaróhoz kínált WNR billegés- és bólintáscsillapító rendszert és létrehozásának vélt okát). A padló alá helyezett akkumulátorokkal eddig egy gyártó próbálkozott prototípus szintjén: itt a kompromisszumot az alacsonypadlós kialakítás jelenti.
A legfrissebb kompozit busz az Ebusco 3.0, ahol egy közös pont biztosan van az ars poeticában...
...a Modulo C-khez hasonlóan: drasztikus tömegcsökkentés.
Számít a hajtásmód és annak mérete is, bővebben a villanygépekről az alábbi linkeken kaphat bővebb betekintést:
> > > Szinkron gép < < <
> > > Aszinkron gép < < <
> > > Járműhajtások méretcsökkentése, megoldásai < < <
Segédüzemek
A segédüzemek közül a légsűrítő a legnagyobb energiaigényű: 5..7 kW maximális teljesítményű jellemzően. A szakaszos üzemelése következtében a valós órás fogyasztása kisebb, és függ a sűrítettlevegő-felhasználástól. Emellett a további, 24 V-ról működő alrendszerekként egyként kezelve (rádió, világítás, ajtórendszer, telematika, jegykiadó, jegykezelő, utastájékoztatás, USB-töltők, etc) ezek maximális (összes) energiaigénye jellemzően 5..15 kW.
Üzemeltetés
A mindennapokban a dízelmotor fizikai összetettségének hiánya a villanybuszokon az egyes alrendszerek szoftveres összetettségében jelenik meg. Így a „javítás” (diagnosztizálás és hibafeltárás) inkább szoftveres irányba tolódott – persze a már ismert és alapvető hajtáslánc elemeken túl (futómű, kardán, kompresszor és egyéb mozgó-forgó berendezések).
Egy elektromos busz TCO értéke (Total Cost of Ownership, azaz mennyibe kerül a teljes pályafutása alatt a busz: megvásárlás, üzemeltetés, díjak, adók, javítás…minden) kisebb, mint egy dízeles társáé [7] ha a környezeti hatásait (lég- és zajszennyezés, üvegházhatású gázok kibocsátása) is figyelembe vesszük. Tehát élettartamra vetítve jobban lehet járni az elektromos busszal, mint a dízelessel így számolva. (A tanulmány nem fejti ki pontosan, hogy a környezeti hatásokat hogyan és mi alapján árazta be.)
TCO összevetés dízel és elektromos közt. Forrás: [5].
Overnight charging: telephelyi lassú töltés éjszaka; opportunity charging: pantográfos gyors töltés.
8 éves számítás, napi megtett táv 250 km, járművezetői költségek nélkül, 2018-as adatok Európából.
Az akkumulátorok esetén jellemzően tíz év körül mozog az élettartam. Ezt követően cserélni szükséges a jármű további használhatósága végett. A csere menetéről még „nagyüzemi” tapasztalatok nincsenek, ahogy kérdéses a használt akkumulátor újrahasznosíthatósága is. Egy-egy helyi projekt keretében Amszterdamban és Hamburgban tovább használják a korábbi e-jármű akkumulátorokat, ahol a kevésbé kritikus a State of Health. Ez ideiglenesen megoldás, de amikor már erre a célra sem alkalmas, akkor mit lehet kezdeni vele? További nyitott kérdés az elektromos buszok nagybani másodpiaci értékesíthetősége és továbbhasználhatósága (akkumulátor-csereprogram?).
Látens piaci rés betömésének titulálhatók a használt dízelbuszt elektromossá alakító lehetőségek. Bővebben erről itt és itt olvashat.
Váltás elektromosra…?
Egyaránt az elektromos és az Euro VI-os dízel kapcsán is felmerült korábban is a kérdés: környezetkímélő? Attól függ, milyen kontextusban. Ha egy zsúfolt, szűk belvárosban a buszközlekedés okozta környezeti terhelés csökkenthető, akkor igen. Az Euro-normák szigorodásával (több szenzor, több új alrendszer) „lépésről lépésre” összetettebb lett a dízelmotor, úgy az elektromos buszok üzemeltetése és fenntartása egy jóval nagyobb lépés, csak egy teljesen másik irányba.
Megvásárolni drágább (hasonló kaliberű dízelbusznál átlagosan kétszer drágább), fenntartani olcsó (noha új képzéseket, berendezések, és felkészülést igényel a magasfeszültségű rendszerek miatt), és a villamosenergia jelenleg jóval olcsóbb a gázolajnál. Az UITP javaslata szerint az elektromos buszozás nem csupán egy új (típusú) buszt jelent, hanem rendszerszemléletet kíván és a városba történő integrálását (töltőoszlopok, új tárolóhelyek napközbeni töltésre, etc). Ezt kiegészítendő a tendereken is külön súlyozásba érdemes venni a környezetre (lokálisan) tett kímélő hatásait a dízellel szemben.
Fajlagos energiafelhasználás különböző járműhajtások esetén a Solaris belső mérései alapján. Forrás: [8].
A démonizált dízelmotor jelenleg még mindig a gerincét jelenti a kontinens közlekedésének: a távolsági közlekedésben egyértelműen nem versenyképes még az elektromos meghajtás, de a városi közlekedésben is csak felfutóban van Európában. És szinte kivétel nélkül régiós/tartományi/állami/EU-s támogatással (pl. eBussed-projekt) futnak a járművek.
Kapcsolódó:
> > > Elektromos járművek a közutakon < < < Műszakilag és szabályozásilag 2016. február 17.
> > > Alternatívák az alternatív hajtásban - elektromos buszozás < < < PHEV, HEV, FCEV és további alternatívák 2019. január 25.
> > > Kell nekünk ezer elektromos busz? < < < Véleménycikk a hazai Zöld Busz program kezdeti fázisáról 2019. július 17.
> > > Euro VI = környezetkímélő? < < < Az Euro VI-os haszonjármű dízelekről 2019. augusztus 16.
Források és felhasznált irodalom:
[1] Bernd Heid, Matthias Kässer, Thibaut Müller, Simon Pautmeier: Fast transit: Why urban e-buses lead the electric-vehicle growth (McKinsey & Company, közzétéve: 2018. október, hozzáférés: 2020. március 21.) https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/fast-transit-why-urban-e-buses-lead-electric-vehicle-growth
[2] Francesco Impari: Challenges for air conditioning and heating (HVAC) solutions in Electric-Buses (medium.com, közzétéve: 2019. július 2., hozzáférés: 2020. március 21.) https://medium.com/@francesco.impari/challenges-for-air-conditioning-and-heating-hvac-solutions-in-electric-buses-d18fc33a0433
[3] Mateusz Figaszewski: Electric urban transport in sustainable - mobility of tomorrow (Solaris prezentáció, Gdynia, 2016. szeptember 28.) http://civitas.eu/sites/default/files/documents/plenary_-_1._electric_urban_transport_in_sustainable_mobility_of_tomorrow_-_m._figaszewski.pdf
[4] UITP: The impact of electric buses on urban life (UITP kiadvány PDF-formátumban, közzétéve: 2019. június, hozzáférés: 2020. március 21.) https://www.uitp.org/sites/default/files/cck-focus-papers-files/UITP-policybrief-June2019-V6%20WEB%20-%20OK_0.pdf
[5] Transport and environment: Electric buses arrive on time (TE study, közzétéve: 2018. november, hozzáférés: 2020. március 21.)
[6] Dr. Ir. R.J. (Rob) van Benthum: Borealis – Die Innovative E-Bus Klimatisierung (előadásanyag PDF-ben; 2017. december 7.) https://eliptic-project.eu/sites/default/files/06_20171205_ELIPTIC_Bremen_BOREALIS-Aurora-Stefan%20Wetzstein.pdf
[7] Marek Potkány, Martina Hlatká, Marek Debnár, Jiří Hanzl: Comparison of the Lifecycle Cost Structure of Electric and Diesel Buses (Nasemore tanulmány, közzétéve: 2018. augusztus 28., hozzáférés: 2020. március 21.) http://www.nasemore.com/wp-content/uploads/2018/11/20.-Potkany-Hlatka-Debnar-Hanzl.pdf
[8] Stefan Baguette: Solaris Electric & Fuel Cell Buses (HyER Members' Seminar, Brüsszel, 2016. január 26.) http://www.hyer.eu/wp-content/uploads/2016/04/8.-Stefan-Baguette-Solaris.pdf
Lajunen, A., Lipman, T.: Lifecycle cost assessment and carbon dioxide emissions of diesel buses, natural gas, hybrid electric, fuel cell hybrid and electric transit buses. Energy, Vol 106, 2016, pp.329-342. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.03.075
Jimmy O’Dea: Electric vs. Diesel vs. Natural gas: Which Bus is Best for the Climate? (Union of Concerned Scientists tanulmány, publikálva: 2018. július 19., hozzáférés: 2020. március 21.) https://blog.ucsusa.org/jimmy-odea/electric-vs-diesel-vs-natural-gas-which-bus-is-best-for-the-climate
Călin Iclodean, Nicolae Cordoș, Adrian Todoruț: Analysis of the Electric Bus Autonomy Depending on the Atmospheric Conditions (MDPI tanulmány, közzétéve: 2019. november 27., hozzáférés: 2020. március 21.) https://www.mdpi.com/1996-1073/12/23/4535/htm
Inge Jacobs: Zero emissie-busses: de vraag is niet ’of’ maar ’hoe’ (OVPro cikk, közzétéve: 2020. január 8., hozzáférés: 2020. március 21.) https://www.ovpro.nl/bus/2020/01/08/zero-emissie-bussen-de-vraag-is-niet-of-maar-hoe/?gdpr=accept
Guus Puylaert: Ebusco innoveert met warmte-koelsysteem (OV Magazine, közzétéve: 2019. szeptember 13., hozzáférés: 2020. március 23.) https://www.ovmagazine.nl/2019/09/ebusco-innoveert-met-warmte-koelsysteem-1405/
Elzbieta Macioszek, Grzegorz Sierpinski: Modern Traffic Engineering in The System Approach to the Development of Traffic Networks (16th Scientific and Technical Conference "Transport Systems. Theory and Practice 2019", Springer kiadó) https://books.google.nl/books?id=_Ca7DwAAQBAJ
ZeEUS eBus Report #2 (európai átfogó jelentés az elektromos buszokról és üzemeltetőkről, 2017-es kiadás, PDF-formátum) https://zeeus.eu/uploads/publications/documents/zeeus-report2017-2018-final.pdf