P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J
z. 118 Transport 2017
Emilia Szumska, Marek Pawełczyk
Politechnika ŚwiętokrzyskaPORÓWNANIE TCO AUTOBUSÓW MIEJSKICH
Z HYBRYDOWYM I KONWENCJONALNYM
UKŁADEM NAPĘDOWYM
Rękopis dostarczono: maj 2017
Streszczenie: W taborze przedsiębiorstw świadczących usługi komunikacji publicznej wzrasta udział autobusów wyposażonych w napędy hybrydowe. Rozwiązania, zastosowane w hybrydowych układach napędowych, wymagają przeznaczenia na ten cel większej ilości miejsca niż w przypadku układów konwencjonalnych. Skutkuje to również wzrostem masy całego układu przeniesienia napędu i zmniejszeniem przestrzeni przeznaczonej dla pasażerów. Poza szeregiem zalet ekologicznych, wynikających z zastosowania tych napędów, można także wskazać na czynniki ekonomiczne. Z jednej strony pojazdy hybrydowe charakteryzują się niższym zużyciem paliwa niż pojazdy konwencjonalne, ale, z drugiej strony, koszt ich zakupu jest wyższy. W artykule przedstawiono analizę porównawczą całkowitych kosztów związanych z użytkowaniem autobusów miejskich wyposażonych w napędy konwencjonalne i hybrydowe.
Słowa kluczowe: napędy hybrydowe, transport publiczny, całkowity koszt posiadania (TCO)
1. WSTĘP
Dzięki programom i dofinansowaniu ze środków krajowych i grantów Unii Europejskiej udział autobusów hybrydowych i elektrycznych w taborze przedsiębiorstw świadczących usługi komunikacji zbiorowej ciągle wzrasta. Pojazdy komunikacji miejskiej, wyposażone w napędy hybrydowe i elektryczne, wykazują niższe zużycie energii oraz zapewniają znaczne ograniczenie emisji substancji szkodliwych zawartych w spalinach w porównaniu z pojazdami konwencjonalnymi. Zastosowanie hybrydowych układów napędowych w jeździe miejskiej pozwala na uzyskanie znacznych oszczędności paliwa. Jazda z niską prędkością i w obszarach objętych kongestią sprawia, że w hybrydowych środkach komunikacji miejskiej pracuje głównie napęd elektryczny. Poza tym wyeliminowana zostaje jazda na biegu jałowym.
Największą barierą technologiczną, utrudniającą rozwój napędów elektrycznych i hybrydowych, jest akumulacja energii. Stosowane obecnie baterie litowo-jonowe zapewniają odpowiednią wydajność pod względem mocy i pojemności energetycznej, jednak ich koszt jest nadal wysoki. Największy udział w koszcie produkcji baterii litowo-jonowej stanowią koszty materiałów katody (32%) oraz separatora (18%) [4]. Przeciętny udział kosztów elementów składowych akumulatora Li-ion w koszcie jego produkcji przedstawiono na rys. 1.
278 Emilia Szumska, Marek Pawełczyk
Rys. 1. Udział komponentów baterii litowo-jonowej w koszcie produkcji [4]
W bateriach Li-ion katoda wykonana jest ze związków litu. Obecnie najczęściej stosowanym materiałem katody jest LiCoO2. Materiał ten ma jednak dwie istotne wady: jest drogi ze względu na wysoką cenę kobaltu i nie jest termicznie stabilny w wysokiej temperaturze. Alternatywą jest ogniwo żelazowo-fosfatowe (LFP) z katodą LiFePO4, tańszą i mniej aktywną chemicznie. Charakteryzuje się jednak gorszymi własnościami (mniejsza pojemność ogniwa i niższe napięcie niż LiCoO2). Coraz popularniejsze są także akumulatory litowo-jonowe, których katody zawierają glin (NCA– LiNiCoAlO2), tytan (LTO – Li4Ti5O12), czy siarkę (LiS – Li2S8) [3][5][7].
Koszty elektrolitu stanowią 16% kosztu produkcji baterii litowo-jonowej [4]. Obecnie stosowane są niewodne roztwory soli litu w rozpuszczalniku organicznym. Konieczność stosowania rozpuszczalników niewodnych wynika głównie z dużej reaktywności litu. Najpowszechniej stosowanymi rozpuszczalnikami są: węglan etylenu, węglan dimetylu i węglan dietylu. Jako soli używa się związków o słabo kompleksujących anionach. Obecnie prowadzone są prace ukierunkowane na zastąpienie elektrolitów ciekłych polimerowymi lub stałymi [3][5].
Udział kosztu materiału anody wynosi 11% kosztu produkcji akumulatora Li-ion [4]. Do wykonania anody wykorzystuje się zwykle grafit. Podstawową wadą zastosowania grafitu jest jego duża objętość molowa, przez co znacznie spada wolumetryczna gęstość energii zgromadzonej w baterii. Obecnie prowadzone są liczne badania w kierunku zastąpienia grafitu przez krzem, co pozwoliłoby na nawet kilkukrotne zwiększenie pojemności akumulatorów [3][7].
Na przestrzeni ostatnich lat ceny akumulatorów litowo-jonowych malały (rys. 2). W 2010 roku cena za 1 kWh wynosiła 1000 $, w 2016 już tylko – 227 $/kWh [4][21][22][25][26].
Artykuł przedstawia metodologię oszacowania całkowitego kosztu posiadania (TCO) pojazdów komunikacji miejskiej. Praca zawiera również analizę oraz porównanie całkowitego kosztu posiadania i użytkowania autobusów z napędami konwencjonalnymi i hybrydowymi.
Porównanie kosztów TCO autobusów miejskich … 279
Rys. 2. Ceny akumulatorów litowo-jonowych w latach 2010-2016 [25]
2. CAŁKOWITY KOSZT POSIADANIA (TCO)
Całkowity koszt posiadania - TCO (ang. Total Cost of Ownership) to suma wszystkich kosztów pojazdu począwszy od jego zakupu, poprzez użytkowanie, aż do likwidacji. Analiza TCO pozwala na ocenę bezpośrednich i pośrednich kosztów związanych z zakupem. Daje możliwość zobrazowania wysokości kosztów związanych z użytkowaniem i posiadaniem zakupionego środka transportu. Do oszacowania całkowitego kosztu utrzymania, oprócz kosztu zakupu, uwzględnia się również koszty utrzymania, w skład których wlicza się koszty paliwa i/lub energii, ubezpieczenia, koszty serwisu i napraw (rys. 3).
Autorzy prac [6][13][16][18] zamieszczają formuły umożliwiające obliczenie TCO opierając się na ekonomicznych aspektach związanych z zakupem i użytkowaniem pojazdów z różnymi typami układów napędowych. W pracy [19] dokonano porównania kosztów zakupu pojazdów elektrycznych. Opracowanie przedstawia również analizę wpływu wysokości podatków i dotacji na poziom TCO dla pojazdów elektrycznych. W publikacjach [10][17][18] wykorzystano metody statystyczne, służące do oszacowania poziomu TCO do 2025 r. Autorzy przyjęli przypuszczalne ceny kosztów paliwa i baterii.
Na poziom całkowitego kosztu posiadania ma również wpływ roczny przebieg pojazdu. Autorzy pracy [12] wprowadzili klasyfikację użytkowników pod kątem rocznego przebiegu: A – 7500 km/r, B-15000 km/r, C- 30000 km/r. Koszt TCO oszacowano dla określonego pojazdu z napędem elektrycznym. W pracy [1] w rocznym przebiegu wydzielono udział jazdy w centrum miasta oraz udział jazdy miejskiej. Analizę całkowitego kosztu posiadania przeprowadzono dla różnych klas pojazdów osobowych wyposażonych w różne typy układów napędowych.
280 Emilia Szumska, Marek Pawełczyk
Rys. 3. Struktura kosztu całkowitego posiadania
W pracach [8][9][20] poziom kosztu TCO rozpatrywano biorąc pod uwagę aspekty techniczne, takie jak pojemność zasobnika oraz dystans, jaki pojazd przebywa przy wykorzystaniu wyłącznie silnika elektrycznego. Analizę porównawczą przeprowadzono dla pojazdów z napędem hybrydowym lub elektrycznym.
Oprócz czynników ekonomicznych w analizie całkowitego kosztu posiadania autorzy prac [14][20] uwzględnili także ekologiczne aspekty różnych typów układów napędowych w pojazdach. Przy ocenie kosztu TCO uwzględniono także koszt związany z emisją CO2.
Z przeglądu literatury dotyczącej rozpatrywanej tematyki wynika, że przyjęte założenia w dużym stopniu wpływają na wartość całkowitego kosztu posiadania. W związku z tym z części analiz wynika, że pojazdy hybrydowe / elektryczne mogą być tańsze, a z niektórych wynika, że wskaźnik TCO będzie korzystniejszy dla pojazdów z napędem konwencjonalnym [11][15].
W literaturze można znaleźć głównie analizy kosztu TCO sporządzone dla samochodów osobowych. Autorzy skupiają się na porównaniach pojazdów wyposażonych w napędy konwencjonalny, elektryczny oraz hybrydowy typu plug-in. Publikacji zawierających ocenę korzyści ekonomicznych oraz oszacowanie TCO dla autobusów miejskich jest niewiele. W porównaniu z samochodami osobowymi wskaźniki energetyczne charakteryzujące zużycie paliwa przez autobusy miejskie dla okresu ich eksploatacji są znacznie wyższe.
Porównanie kosztów TCO autobusów miejskich … 281
3. ANALIZA TCO AUTOBUSU MIEJSKIEGO
3.1. MODEL TCO
Całkowity koszt posiadania można zapisać w postaci następującej równości:
ܭ்ைൌ ܭ௭ ܰή ሺܭ ܭ௨ሻ ܰ௪ή ܭ (1)
Gdzie KTCO – całkowity koszt pojazdu [zł], KZ – koszt zakupu pojazdu [zł], NP – okres
eksploatacyjny pojazdu, Kf – koszt zużycia paliwa [zł/rok], Ku – koszt utrzymania [zł/rok],
NW – liczba wymiany akumulatora w ciągu okresu eksploatacyjnego pojazdu, KA – koszt
zakupu akumulatora [zł].
Pierwszym ze składników TCO jest koszt zakupu pojazdu (KZ). Przedsiębiorstwa
świadczące usługi komunikacji publicznej decyzję o wyborze dostawcy środków transportu podejmują na podstawie wyników przetargu. W związku z tym producenci autobusów miejskich dostosowują każdorazowo ofertę do indywidualnych oczekiwań nabywcy.
Do kosztu TCO zalicza się koszty paliwa (Kf) autobusu z napędem konwencjonalnym lub
hybrydowym, a w przypadku pojazdu z napędem elektrycznym - koszty energii elektrycznej. Kolejnym składnikiem kosztu całkowitego TCO są koszty utrzymania pojazdów (Ku), które
obejmują koszty napraw, serwisu, ogumienia i ubezpieczenia.
Obliczając koszt TCO dla pojazdu wyposażonego w napęd hybrydowy i elektryczny należy przewidzieć dodatkowe koszty związane z wymianą akumulatora. Okres eksploatacji pojazdu jest zazwyczaj dłuższy niż okres eksploatacji akumulatora, w trakcie użytkowania pojazdu zachodzi, zatem, konieczność kilkukrotnej wymiany zasobnika energii. Pojemność energetyczna akumulatora ma istotny wpływ na całkowitą efektywność energetyczną autobusu miejskiego, a także na koszt jego zakupu.
3.2. ZAŁOŻENIA
Do analizy przyjęto trzy autobusy miejskie o długości 12 metrów (tab. 1). Pierwszy z nich posiada napęd konwencjonalny z silnikiem spalinowym, spełniającym europejską normę emisji spalin Euro 6. Przyjęto, że średnie zużycie paliwa tego pojazdu wynosi 43,3 dm3/100 km. Drugi pojazd - to Solaris Urbino 12, wyposażony w równoległy napęd hybrydowy firmy Eaton. Autobus posiada akumulator litowo-jonowy o pojemności energetycznej 3,6 kWh. Średnie zużycie paliwa wynosi w tym przypadku 33,7 dm3/100 km [27]. Trzecim pojazdem jest nowej generacji Solaris Urbino 12 Hybrid (premiera w 2016 r.), wyposażony w szeregowy napęd hybrydowy typu BAE HybriDrive. Według danych producenta autobusu średnie zużycie paliwa kształtuje się na poziomie 27 dm3/100 km. Autobus posiada baterię akumulatorów typu LFP o pojemności 11,6 kWh [28]. Do celów analizy przyjęto następujące ceny zakupu: pojazd z napędem konwencjonalnym – 950 tys. zł, hybrydowy równoległy – 1,2 mln zł, hybrydowy szeregowy – 1,3 mln zł.
282 Emilia Szumska, Marek Pawełczyk
Ze względu na trudności z uzyskaniem informacji o kosztach napraw i serwisu autobusów hybrydowych, zgodnie z raportem [23] przyjęto, że roczny koszt utrzymania autobusów hybrydowych wynosi 48 tys. zł, natomiast autobusu z napędem konwencjonalnym - 35 tys. zł.
Tablica 1
Parametry pojazdów
Napęd Konwencjonalny Hybrydowy równoległy
Hybrydowy szeregowy
Moc silnika spalinowego [kW] 205 165 155
Moc silnika elektrycznego [kW] Moc generatora [kW]
44 -
200 205 Pojemność energetyczna zasobnika energii
[kWh]
3,6 11,6
Średnie zużycie paliw [dm3/100 km] 43,3 33,7 27
Koszt zakupu [mln. zł] 0,95 1,2 1,3
Według danych Zarządu Transportu Drogowego w Kielcach średni roczny przebieg autobusu miejskiego wynosi 70 270 km [24]. W analizie założono, że okres eksploatacji autobusów miejskich wynosi 18 lat. Dokładny cykl życia baterii jest trudny do oszacowania z tego względu przyjęto, że okres eksploatacji zasobnika wynosi 6 lat. Cenę akumulatora oszacowano na poziomie 227 $/kWh [25]. Do obliczeń przyjęto cenę oleju napędowego równą 4,4 zł/dm3. Należy zaznaczyć, że analizę przeprowadzono dla aktualnych cen paliwa i zasobnika energii. Koszty te podlegają ciągłym zmianom i trudno przewidzieć ich wysokość w przyszłości.
3.3. WYNIKI ANALIZY
Z przeprowadzonych analiz wynika, że całkowity koszt posiadania autobusu konwencjonalnego, odniesiony do 1 km przebiegu, wynosi 3,12 zł (rys. 4). Koszt TCO autobusu hybrydowego równoległego - to 3,09 zł/km, zaś koszt TCO dla autobusu z hybrydowym szeregowym układem napędowym jest niższy o 7% od kosztu pojazdu konwencjonalnego i wynosi 2,89 zł/km. W obliczeniach koszty użytkowania stanowią sumę kosztów paliwa, kosztów utrzymania oraz kosztów wymiany akumulatora. Autobusy hybrydowe charakteryzują się niższymi kosztami użytkowania (TCO) niż w przypadku pojazdu z napędem konwencjonalnym. Różnice te wynoszą odpowiednio dla hybrydy równoległej 10%, a dla hybrydy szeregowej – 22%.
Porównanie kosztów TCO autobusów miejskich … 283
Rys. 4. Całkowity koszt posiadania TCO w zł/km
Największy udział w całkowitym koszcie posiadania analizowanych pojazdów mają koszty paliwa. W przypadku TCO pojazdu z napędem konwencjonalnym ich udział wynosi 61%. Dla pojazdów hybrydowych udział kosztów paliwa jest niższy i w przypadku hybrydy równoległej wynosi 48%, a szeregowej – 41%. Na rys. 5 przedstawiono udział poszczególnych kosztów w TCO.
Rys. 5. Udział poszczególnych kosztów w TCO pojazdu z napędem a) konwencjonalnym, b) hybrydowym równoległym, c) hybrydowym szeregowym.
a)
c)
284 Emilia Szumska, Marek Pawełczyk
Udział kosztów zakupu w TCO autobusów hybrydowych stanowi ponad 30%. Pojazdy z napędem alternatywnym charakteryzują się znacznie wyższym kosztem produkcji niż pojazdy konwencjonalne. Dodatkowe koszty wynikają, przede wszystkim, z zastosowania komponentów napędu elektrycznego takich, jak akumulator, silnik elektryczny oraz elementów elektronicznego systemu zarządzania energią i zachowania równowagi termicznej. Elektryczne urządzenia pomocnicze poprawiają efektywność energetyczną, ale, ponieważ rynek tych elementów jest wciąż niewielki, ich koszty są dość wysokie [2]. W związku z tym cena zakupu autobusów z alternatywnymi układami napędowymi jest znacznie wyższa niż wyposażonych w napęd konwencjonalny.
Do obliczeń założono, że w trakcie eksploatacji autobusów hybrydowych konieczna będzie dwukrotna wymiana akumulatora. Udział kosztu akumulatora w całkowitym koszcie TCO jest niewielki i wynosi poniżej 1%. Przy szybko spadających cenach baterii litowo-jonowych koszty wymiany zasobnika energii w przyszłości mogą być znacznie niższe.
4. WNIOSKI
Autobusy hybrydowe od niedawna poruszają się po ulicach polskich miast i poniekąd są ciągle w fazie testów. Rozwiązania technologiczne, zastosowane napędach hybrydowych, podlegają ciągłemu rozwojowi i udoskonaleniom. Z przeprowadzonych analiz wynika, że całkowity koszt posiadania (TCO) autobusu hybrydowego nowej generacji może być niższy o 7% od kosztu TCO autobusu konwencjonalnego. Oszacowane koszty użytkowania pojazdu z napędem hybrydowym są niższe o 22% od kosztów pojazdu z napędem konwencjonalnym.
Cena zakupu autobusów z napędem hybrydowym jest nadal znacznie wyższa niż w przypadku autobusu konwencjonalnego. W przyszłości różnica ceny zakupu może się zmniejszyć i hybrydy mogą stać bardziej konkurencyjne a przy tym przynosić dodatkowe korzyści środowiskowe i społeczne. Jedną z tych zalet jest to, że nie wymagają dodatkowej i kosztownej infrastruktury, niezbędnej w przypadku trolejbusów lub tramwajów.
Bibliografia
1. Bubeck S., Tomaschek J., Fahl U., Perspectives of electric mobility: Total cost of ownership of electric vehicles in Germany, Transport Policy 50, 2016, s. 63–77.
2. Campbell, J., Watts, W., Kittelson, D., 2012. Reduction of Accessory Overdrive and Parasitic Loading on a Parallel Electric Hybrid City Bus, SAE World Congress, 2012, s. 1–7.
3. Chen A., Sen P.K., Advancement in battery technology: A state-of-the-art review, Industry Applications Society Annual Meeting, 2016 IEEE, s. 1-10.
4. Chung D., Elgqvist E., Santhanagopala S., Automotive Lithium-ion Cell Manufacturing: Regional Cost Structures and Supply Chain Considerations, Raport Clean Energy Manufacturing Analysis Center (CEMAC), 2016.
5. Dinger A., Martin R., Mosquet X., Rabi M., Rizoulis D., Russo M., Sticher G., Batteries for Electric Cars Challenges, Opportunities, and the Outlook to 2020, The Boston Consulting Group, Inc. 2010. 6. Hou C., Wang H., Ouyang M., Battery Sizing for Plug-in Hybrid Electric Vehicles in Beijing: A TCO
Porównanie kosztów TCO autobusów miejskich … 285
7. Mekonnen Y., Sundararajan A., Sarwat A.I., A review of cathode and anode materials for lithium-ion batteries, Southeast Conference 2016, s. 1-6.
8. Nurhadi L., Boren S., Ny H., A sensitivity of total ownership for electric public bus transport systems in Swedish medium sized cities, Transportation Research Procedia 2, 2014, s. 818-827.
9. Offer G.J., Contestabile M., Howey D.A., Clague R., Brandon N.P., Techno-economic and behavioural analysis of battery electric, hydrogen fuel cell and hybrid vehicles in a future sustainable road transport system in the UK, Energy Policy 39, 2011, s. 1939–1950.
10. Propfe, B., Redelbach, M., Cost analysis of plug-in hybrid electric vehicles including maintenance & repair costs and resale values. EVS26 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium 2012, s. 1-10.
11. Prud’homme R., Koning M., Electric vehicles: A tentative economic and environmental evaluation, Transport Policy 23, 2012, s. 60–69.
12. Redelbach M., Doruk Özdemir E., Friedrich H.E., Optimizing battery sizes of plug-in hybrid and extended range electric vehicles for different user type, Energy Policy 73, 2014, s. 158–168.
13. Sharma R., Manzie C., Bessede M., Brear M.J., Crawford R.H., Conventional, hybrid and electric vehicles for Australian driving conditions – Part 1: Technical and financial analysis, Transportation Research Part C 25, 2012, s. 238–249.
14. Thiel C., Perujo A., Mercier A., Cost and CO2 aspects of future vehicle options in Europe under new Energy policy scenarios, Energy Policy 38, 2010, s. 7142–7151.
15. Tseng H.-K., Wub J. S., , Liub X., Affordability of electric vehicles for a sustainable transport system: An economic and environmental analysis, Energy Policy 61, 2013, s. 441–447.
16. Wang J., Barriers of scaling-up fuel cells: Cost, durability and reliability, Energy 80, 2015, s. 509-521. 17. Weiss M., Patel M.K., Junginger M., Perujo A., Bonnel P., van Grootveld G., On the electrification
of road transport - Learning rates and price forecasts for hybrid-electric and battery-electric vehicles, Energy Policy 48, 2012, s. 374–393.
18. Wu G., Inderbitzin A., Bening C., Total cost of ownership of electric vehicles compared to conventional vehicles: A probabilistic analysis and projection across market segments, Energy Policy 80, 2015, s. 196–214.
19. Zsuzsa Lévay P., Drossinos Y., Thiel C., The effect official incentives on market penetration of electric vehicles: A pairwise comparison of total cost of ownership, Energy Policy 105, 2017, s. 524–533. 20. van Vliet O. P.R., Kruithof T., Turkenburg W.C., Faaij A.P.C., Techno-economic comparison of series
hybrid, plug-in hybrid, fuel cell and regular cars, Journal of Power Sources 195, 2010, s. 6570–6585. 21. Global EV Outlook 2016, International Energy Agency, https://www.iea.org
22. Global trends in renewable energy investment 2016, UNEP, http://fs-unep-centre.org
23. Panorama et évaluation des différentes filières d’autobus urbains 2015, ADEME, http://www.ademe.fr 24. Plan mobilności dla miasta Kielce i kieleckiego obszaru funkcjonalnego, 2016 r.
25. https://electrek.co/2017/01/30/electric-vehicle-battery-cost-dropped-80-6-years-227kwh-tesla-190kwh 26.
https://www.bloomberg.com/news/articles/2016-10-11/battery-cost-plunge-seen-changing-automakers-most-in-100-years
27. http://infobus.pl/miedzynarodowy-test-urbino-12-hybrid_more_59271.html 28. http://infobus.pl/transexpo-2016-nowy-urbino-12-hybrid_more_88512.html
TCO COMPARISON FOR CITY BUSES EQUIPPED WITH HYBRID AND CONVENTIONAL PROPULSION DRIVE
Summary: The number of city buses equipped with hybrid electric propulsion is increasing in public transport
companies. The technology of hybrid electric propulsion is more complicated and the drive system components need more space, but provide higher fuel efficiency compared with conventional vehicles. The main disadvantage of hybrid electric buses is higher purchase price. The purpose of the presented study is to examine and compare the total capital costs of the hybrid electric and conventional city buses including operation costs and the costs of the battery exchange costs for hybrid and electric buses.
