komunikacja publiczna nr 2/2018
56
analizy i opinie
wo niską ceną energii elektrycznej w porównaniu do cen ropy naftowej,
• niewielką emisję hałasu,
• brak emisji szkodliwych substancji w miejscu użyt-kowania pojazdu,
• lepsze parametry trakcyjne silnika elektrycznego, z punktu widzenia specyfiki ruchu miejskiego, cha-rakteryzującego się dużą liczbą powtarzających się cyklów ruszania, rozpędzania się i hamowania.
Należy jednak zauważyć, że pomimo tego, iż auto-busy elektryczne określa się jako „bezemisyjne”, ich wpływ na środowisko naturalne nie jest zerowy. Wy-nika to z tego, że ogromna większość energii trycznej produkowanej w Polsce pochodzi z elek-trowni opalanych węglem.
Autobusy elektryczne nie są również pozbawione wad, wśród których wymienia się:
• niewystarczający zasięg do wykonania wszystkich całodniowych zadań przewozowych w każdych wa-runkach atmosferycznych,
• konieczność zakupu oraz eksploatacji dodatkowej infrastruktury doładowującej akumulatory trakcyj-ne (zarówno w zajezdniach, jak i na sieci komuni-kacyjnej),
• znacznie wyższe koszty nabycia autobusów elek-trycznych,
• większą niż w przypadku konwencjonalnych auto-busów podatność na niekorzystne warunki atmos-feryczne oraz eksploatacyjne (zwiększone zużycie energii w wyniku działania klimatyzacji czy ogrze-wania pojazdu negatywnie wpływają na zasięg au-tobusów).
Kluczowym ograniczeniem dla szerokiego zasto-sowania autobusów elektrycznych w publicznym transporcie zbiorowym jest ich niewystarczający za-sięg do wykonania niektórych zadań przewozowych.
Z organizacyjnego punktu widzenia znacznie utrud-nia to zarządzanie flotą pojazdów, ze względu na to, że część floty (autobusy elektryczne) nie jest w peł-ni operacyjna (kow peł-nieczne jest zaplanowaw peł-nie przerw w celu uzupełnienia energii). Na rys.
2 zaprezento-wano stosowane sposoby uzupełniania energii w au-tobusach elektrycznych. Ze względu na duży koszt ładowania indukcyjnego oraz technologii wymiany akumulatorów trakcyjnych najczęściej stosuje się ła-dowanie „plug-in” oraz łała-dowanie z wykorzystaniem pantografu.
Warto zwrócić uwagę na fakt, że teoretycznie by-łoby możliwe stworzenie akumulatorów trakcyj-nych, które umożliwiałyby realizację wszystkich zadań przewozowych w każdych warunkach eksplo-atacyjnych, niemniej ich znaczny rozmiar powodo-wałby zmniejszenie przestrzeni dostępnej dla pasaże-rów oraz znacząco zwiększałby masę autobusu. Aby temu zapobiec, powiększa się operacyjność autobu-sów elektrycznych poprzez częste, lecz krótkotrwałe ładowanie akumulatorów trakcyjnych z wykorzysta-niem pantografu.
Biorąc pod uwagę niewystarczający zasięg auto-busów elektrycznych do wykonania wszystkich za-dań przewozowych, należy – przed wdrożeniem na większą skalę autobusów elektrycznych – prze-analizować wiele czynników związanych z proce-sem ładowania. W pierwszej kolejności należy wy-brać linie komunikacyjne, które z uwagi na swoje parametry (między innymi: długość trasy linii, typ obszaru, wielkość potoków pasażerskich czy roz-miar pojazdów obsługujących linię) są najbardziej odpowiednie do obsługi przez autobusy elektrycz-ne. Częściowym rozwiązaniem problemu niewystar-czającego zasięgu autobusów elektrycznych do reali-zacji całodniowych zadań przewozowych może być na przykład taka korekta rozkładu jazdy, aby umoż-liwić ładowanie akumulatorów trakcyjnych w miej-scach lokalizacji ładowarek.
Zagadnienie to bardzo się komplikuje, jeżeli li-nie komunikacyjne w jednej aglomeracji miejskiej obsługiwane są przez wielu operatorów publiczne-go transportu zbiorowepubliczne-go. W takim przypadku ko-nieczna może się okazać się unifikacja stosowanych przez poszczególnych operatorów sposobów ładowa-nia, w celu umożliwienia wzajemnego korzystania
Rys 1. Autobus elektryczny w trakcie ładowania z wykorzystaniem pantografu (źródło: zbiory własne autora)
komunikacja publiczna nr 2/2018
57
analizy i opinie
z urządzeń doładowujących przez różnych przewoź-ników. Zadanie to jest niezmiernie trudne do wy-konania, ze względu na różnorodność dostępnych na rynku technologii oraz dużą dynamikę zmian w tym zakresie. Osobnym problemem jest sama ko-nieczność wyboru miejsc, w których zlokalizowane będą ładowarki. Powinny to być lokalizacje charak-teryzujące się dużym poziomem bezpieczeństwa pu-blicznego, w których istnieje możliwość podłączenia ładowarek do sieci elektroenergetycznej o dużej mocy oraz nie ma przeszkód natury prawnej (własność te-renu) do lokalizacji ładowarek akumulatorów auto-busów elektrycznych. Kluczową kwestią jest też licz-ba kursów linii komunikacyjnych, które obsługiwane są z danej lokalizacji – inwestycja w stację ładowa-nia akumulatorów trakcyjnych autobusów elektrycz-nych na przystankach o niewielkiej liczbie kursów nie ma uzasadnienia ekonomicznego [7, 8, 9].
Eksploatacja autobusów elektrycznych w Polsce
W Polsce pierwsze testy autobusów elektrycznych odbyły się w 2012 roku. Aktualnie pojazdy te obsłu-gują linie komunikacyjne między innymi w Warsza-wie (30 sztuk), Krakow Warsza-wie (25 sztuk) czy Jaworznie (23 sztuki). Z kolei w Zielonej Górze rozstrzygnię-to przetarg na zakup 47 aurozstrzygnię-tobusów elektrycznych.
Co ciekawe, w autobusy elektryczne inwestują rów-nież mniejsze miasta, na przykład Stalowa Wola i Ostrów Wielkopolski (po 10 sztuk), Ostrołęka (7 sztuk) czy Środa Śląska (3 sztuki). Interesującym przypadkiem jest sieć trolejbusowa w Trójmieście, gdzie kursujące trolejbusy wyposażane są w akumula-tory trakcyjne o niewielkiej pojemności, które umoż-liwiają obsługę komunikacyjną obszarów, w których nie jest zamontowana sieć trakcyjna.
Także w Górnośląsko-Zagłębiowskiej Metropolii planuje się wprowadzenie do eksploatacji autobusów elektrycznych. Przedsiębiorstwo Komunikacji Miej-skiej w Katowicach rozstrzygnęło już przetarg na za-kup 10 autobusów wyposażonych w napęd elektrycz-ny (w tym pięć autobusów przegubowych), a kolejne trzy autobusy elektryczne zakupiło Przedsiębiorstwo Komunikacji Miejskiej w Sosnowcu. Planowane są także zakupy na dużo większą skalę. W ramach programu Bezemisyjny Transport Publiczny do pol-skich miast może trafić 1000 innowacyjnych pojaz-dów, z czego 300 do Górnośląsko-Zagłębiowskiej Metropolii [10, 11, 12].
Przytoczone powyżej liczby nie są imponujące, w porównaniu do ogółu użytkowanych pojazdów w publicznym transporcie zbiorowym. Aby możli-we stało się wprowadzenie autobusów elektrycznych na większą skalę, należy pokonać bariery o charak-terze technologicznym i ekonomicznym [13,14].
Bariery technologiczne:
– Niedoskonała technologia wykonania akumula-torów trakcyjnych, których zbyt niska pojemność wymusza ich doładowywanie w trakcie wykony-wania niektórych zadań przewozowych. Z punktu widzenia użytkowników autobusów elektrycznych
oznacza to z jednej strony zwiększone koszty ich eksploatacji (zakup i montaż punktów ładowania baterii akumulatorowych), z drugiej zaś wydłuża i komplikuje proces wykonywania zadań przewo-zowych przez autobusy elektryczne. Dodatkowym problemem, który wiąże się z eksploatacją baterii, jest konieczność ponownego zakupu baterii, zwią-zana ze spadkiem ich wydajności, wynikającym ze zużycia akumulatorów.
– Wzrost znaczenia innych niż elektryczne alterna-tywnych źródeł napędu. W perspektywie najbliż-szych kilkunastu lat głównym zagrożeniem dla rozwoju technologii w pełni elektrycznych będą au-tobusy hybrydowe. Oczekuje się, że w dłuższym ho-ryzoncie czasowym głównym konkurentem napędu elektrycznego będzie napęd wodorowy. Istnieje ry-zyko, że technologie te będą rozwijane w szybszym tempie niż napęd elektryczny, co może w efekcie sprawić, że zainteresowanie zakupem i wprowadze-niem do eksploatacji autobusów z napędem bate-ryjnych będzie mniejsze od oczekiwań.
– Niższy stopień niezawodności autobusów elek-trycznych. Autobusy z napędem elektrycznym cechują się wyższą awaryjnością niż autobusy z napędem spalinowym. Oczekuje się, że wraz ze wzrostem liczby zastosowanych w praktyce au-tobusów elektrycznych ich stopień niezawodności będzie rósł.
Bariery ekonomiczne:
– Niechęć do inwestycji w niesprawdzone techno-logie. Operatorzy publicznego transportu zbioro-wego od lat użytkują pojazdy z napędem spalino-wym i mają duże doświadczenie w ich eksploatacji oraz w pełni wyposażone zaplecze techniczne do ich obsługi. Zaplecze to, w przypadku inwe-stycji w autobusy z napędem elektrycznym, będzie musiało ulec przebudowie w celu przystosowania go do obsługi nowego typu autobusów, z czym wiąże się znaczny koszt. Istnieje również ryzy-ko, że wysoka awaryjność autobusów z napędem
Rys 2. Sposoby uzupełniania energii stosowane w autobusach elektrycznych (źródło: opracowanie własne na podstawie [5])
komunikacja publiczna nr 2/2018
58
analizy i opinie
elektrycznym sprawi, że oczekiwany poziom zy-sków operacyjnych i ekonomicznych wynikający z eksploatacji autobusów elektrycznych nie zosta-nie osiągnięty. Ryzyko to przedsiębiorstwo może w pewnym zakresie zminimalizować, testując pa-rametry eksploatacyjne autobusu na własnym te-renie, przed podjęciem decyzji o zakupie nowego typu pojazdu.
– Wysoki koszt zakupu autobusów z napędem elek-trycznym. Autobusy te są ponaddwukrotnie droż-sze niż ich odpowiedniki wyposażone w konwen-cjonalny napęd z silnikiem Diesla. Oczekuje się, że ceny autobusów elektrycznych wraz z rozwojem ich technologii oraz wzrostem ich produkcji ule-gną zmniejszeniu. Dodatkową zachętą do inwesty-cji w bezemisyjne pojazdy elektryczne mogą być specjalne programy dotacji i/lub subwencji, które mogą być finansowane ze środków Unii Europej-skiej lub ze środków rządowych.
Z drugiej strony, istnieje również szereg argumen-tów przemawiających za wprowadzeniem auto-busów elektrycznych do publicznego transportu zbiorowego. Wśród nich wymienić należy:
– Wzrost wymagań w zakresie ochrony środowi-ska naturalnego. Główne cele w zakresie ograni-czania emisji gazów cieplarnianych opublikowane są przez Unię Europejską w Białej Księdze Trans-portu z 2011 roku i innych dokumentach strate-gicznych, które dotyczą horyzontów czasowych wycofywania tradycyjnego napędu spalinowego z miast i zastępowania go napędem elektrycznym.
Dodatkowym bodźcem, który może przyspieszyć wprowadzenie autobusów elektrycznych, może być wprowadzenie handlu emisją dwutlenkiem węgla dla przedsiębiorstw komunikacji miejskiej. Zakup tego typu autobusów pozwoli zmniejszyć koszty emisji CO2 i w efekcie zwiększyć efektywność eko-nomiczną przedsiębiorstwa.
– Brak emisji szkodliwych substancji w miejscu eks-ploatacji pojazdu. Mimo faktu, że dwutlenek wę-gla i inne szkodliwe substancje będą zwykle emito-wane w miejscu wytwarzania energii elektrycznej (w przypadku konwencjonalnych źródeł energii), w miejscu użytkowania pojazdu elektrycznego po-jazd jest całkowicie bezemisyjny. Efektem imple-mentacji autobusów elektrycznych do publicznego transportu miejskiego może być poprawa jakości powietrza w terenie zurbanizowanym obsługiwa-nym przez te autobusy.
– Efekt synergii związany z elektryfikacją całej logi-styki miejskiej. W przypadku gdy podjęta będzie decyzja o zamianie napędu innych gałęzi logistyki miejskiej ze spalinowego na elektryczny, osiągnię-ty zostanie efekt synergii, polegający na obniże-niu kosztów ekonomicznych i operacyjnych zwią-zanych z tą operacją. Przy odpowiednim stopniu zaawansowania technologii możliwe będzie zasto-sowanie na przykład tych samych punktów doła-dowywania baterii wszystkich pojazdów logistyki miejskiej oraz zaplecza technicznego do ich serwi-sowania i ładowania.
– Mniejsza emisja hałasu. W odróżnieniu od auto-busów wyposażonych w konwencjonalne silniki spalinowe, pojazdy elektryczne emitują znacznie mniejszy hałas komunikacyjny napędu spalinowe-go, napęd elektryczny w zasadzie nie emituje hała-su. Redukcja hałasu emitowanego przez autobusy elektryczne może być też jednak pewnym zagroże-niem bezpieczeństwa dla pieszych;
– Lepsze parametry silnika elektrycznego. Silnik elektryczny cechuje się znacznie wyższą sprawno-ścią niż silnik spalinowy, co czyni go atrakcyjnym z technicznego punktu widzenia. Aby możliwe było wykorzystanie w pełni parametrów silnika elek-trycznego, konieczny jest rozwój technologii aku-mulatorów trakcyjnych.
– Niższe koszty operacyjne. Energia elektryczna jest znacznie tańsza niż zakup paliw konwencjonalnych (olej napędowy), koniecznych do napędzania auto-busów z silnikiem Diesla. W przypadku większego zapotrzebowania na energię elektryczną w przed-siębiorstwie, które będzie miało miejsce, gdy za-kupione zostaną autobusy z napędem bateryjnym, koszt 1 kWh prawdopodobnie ulegnie zmniejsze-niu, dzięki wynegocjowaniu przez władze przed-siębiorstwa komunikacji miejskiej korzystniejszych warunków dostawy energii elektrycznej, co przeło-ży się na niższe koszty przedsiębiorstwa.
Podsumowanie
W zdecydowanej większości autobusów obsługują-cych publiczny transport miejski – zarówno now-szych, jak i starnow-szych, zainstalowane są silniki Diesla, spełniające coraz to wyższe normy emisji spalin (obec-nie obowiązuje norma EURO 6). Zda(obec-niem autora, autobusy elektryczne będą przyszłością w publicznym transporcie zbiorowym, ze względu na dominujący w tym zakresie aspekt ekologiczny. Ich wprowadze-nie wymaga dużych nakładów inwestycyjnych, stąd tempo ich wprowadzenia zależeć będzie od poziomu wsparcia ich zakupu ze środków publicznych w po-staci subwencji lub/i dotacji. Należy się w związku z tym spodziewać, że liczba eksploatowanych auto-busów elektrycznych będzie wzrastać.
Technologie bateryjne stosowane w autobusach z napędem elektrycznym są w dalszym ciągu niedo-skonałe z operacyjnego punktu widzenia. Główne wady autobusów elektrycznych, tj. niewystarczający ich zasięg do wykonania całodniowego zadania prze-wozowego oraz wynikająca z tego konieczność in-stalacji dodatkowej infrastruktury (stacji ładowania akumulatorów trakcyjnych autobusów), są głównymi barierami dla szerokiego wprowadzenia tej techno-logii. Warto wspomnieć, że wyżej wymienione ogra-niczenia nie występują w przypadku innych techno-logii niskoemisyjnych, takich jak napęd hybrydowy, wodorowy czy gazowy.
Z pewnością jednak zdecydowana większość linii komunikacyjnych w dalszym ciągu będzie obsługi-wana autobusami konwencjonalnymi jeszcze przez dłuższy okres, z uwagi na niedawno dokonane zaku-py nowych autobusów w tej technologii. Autobusy elektryczne mogą stać się codziennością na drogach
komunikacja publiczna nr 2/2018
59
analizy i opinie
Górnośląsko-Zagłębiowskiej Metropolii w dość nie-dalekiej przyszłości. Zanim to nastąpi, czeka nas etap pośredni – równoczesna obsługa linii komunikacyj-nych przez autobusy wyposażone w „konkurencyjne”
rodzaje napędu, w tym przez autobusy elektryczne.
Dużą rolę w tym zakresie będzie odgrywać polityka poszczególnych operatorów publicznego transpor-tu zbiorowego w zakresie preferowanych źródeł na-pędu oraz wymagania stawiane przez organizatorów publicznego transportu zbiorowego.
W Unii Europejskiej prowadzone są liczne prace naukowo-badawcze, związane z wdrażaniem autobu-sów elektrycznych do eksploatacji. Prace w tym zakre-sie już od 2012 roku realizowane są także na Wydziale Transportu Politechniki Śląskiej, w ramach między-narodowego programu ERANET Electromobility + oraz ERANET Electric Mobility Europe [15]. Celem badań jest określenie modeli i metod oceny i optyma-lizacji ładowania autobusów elektrycznych oraz ich optymalnego wdrożenia do eksploatacji w przedsię-biorstwach komunikacji miejskiej.
Dr inż. Krzysztof Krawiec | Wydział Transportu, Politechnika Śląska w Katowicach
e-mail: Krzysztof.Krawiec@polsl.pl
Literatura
1. Badyna A.J., Zagrożenia środowiskowe ze strony transpor-tu. „Nauka” 4/2010, s. 115-125.
2. Biała Księga. Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu – dążenie do osiągnięcia konkurencyj-nego i zasobooszczędkonkurencyj-nego systemu transportu (KOM(2011) 144 wersja ostateczna).
3. Markusik S., Krawiec S., Łazarz B., Janecki R., Sier-piński G., Krawiec K., The technical and operational
aspects of the introduction of electric-powered buses to the public transportation system. „Logistics and Transport”
vol. 3, 2015, s. 41-50.
4. Varga B.O., Iclodean C., Mariasiu F., Electric and Hy-brid Buses for Urban Transport, Springer International Publishing, Bazylea 2016.
5. Krawiec K., Metoda wyboru linii publicznego transportu zbiorowego do obsługi przez autobusy elektryczne, praca doktorska, Katowice 2017.
6. Rogge M., van der Hurk E., Larsen A., Sauer D.U., Electric bus fleet size and mix problem with optimization of charging infrastructure. „Applied Energy” vol. 211, 2018, s. 282-295.
7. Lajunen A., Lifecycle costs and charging requirements of electric buses with different charging methods. „Jour-nal of Celaner Production”, vol. 172, 2018, s. 56-67.
8. Krawiec K. Location of Electric Buses Recharging Stations Using Point Method Procedure, Intelligent Transport Sys-tems and Travel Behaviour, 3th Scientific and Technical Conference „Transport Systems. Theory and Practice 2016”, selected papers, Katowice 2016, s. 187-194.
9. Xylia M., Leduc S., Patrizio P., Silveira S., Kraxner F., Developing a dynamic optimization model for electric bus charging infrastructure, „Transportation Research Pro-cedia”, vol. 27, 2017, s. 776-783.
10. Grzelec K., Okrój D., Perspektywy obsługi miast autobu-sami elektrycznymi na przykładzie Sopotu. „Autobusy”, vol. 11, 2016, s. 26-32.
11. Materiały dostępne na stronach operatorów publiczne-go transportu zbiorowepubliczne-go.
12. www.ncbr.gov.pl/aktualnosci/art,5821,2-2-mld-zl-na-nowoczesne-bezemisyjne-autobusy-dla-polskich-miast.
html (dostęp: 8.02.2018 r.).
13. Krawiec S., Łazarz B., Markusik S., Karoń G., Sierpiński G., Krawiec K. Urban public transport with the use of electric bu-ses – development tendencies, 2016, vol. 11, iss. 4, s. 127-137.
14. Cholewa Ł., Śladami… autobusów elektrycznych. „Prze-gląd Komunalny” 2015.
15. www.cactus-emobility.eu/ (dostęp: 8.02.2018 r.).
Autobus elektryczny prezentowany podczas targów InnoTrans w 2016 roku
Streszczenie Summary 25 maja 2018 roku weszło w życie Rozporządzenie Parlamentu
Europejskiego i Rady (UE) 2016/679 z dnia 27 kwietnia 2016 roku w sprawie ochrony osób fizycznych w związku z przetwarzaniem