z. 118 Transport 2017
Rafał Burdzik, Piotr Folęga, Łukasz Konieczny, Robert Jaworski
Politechnika Śląska, Wydział Transportu, Biuro Ekspertyz Motoryzacyjnych
E-MOBILNOŚĆ – WYZWANIE TERAŹNIEJSZOŚCI
Rękopis dostarczono: maj 2017
Streszczenie: Jednym z aktualnych wyzwań w obszarze transportu w skali globalnej jest e-mobilność, rozumiana jako elektromobilność (electro-mobility), ekomobilność (ecology-mobility) i ekonomika mobilności (economy-mobility). W artykule przedstawiono uzasadnienie podejścia 3E do e-mobilności, czyli symultaniczne podejście jako elektromobilność, ekomobilność ale także ekonomika mobilności. Przedstawiono także pojazdy ekologiczne z podziałem na grupy konstrukcyjne. Zaprezentowano także rozwiązania w zakresie e-mobilności w publicznym transporcie zbiorowym z dyskusją barier i potencjalnych rozwiązań.
Słowa kluczowe: e-mobilność, koncepcja 3E, pojazdy ekologiczne, transport publiczny
1. WSTĘP
Mobilność w ujęciu transportowym definiowana jest jako miara określająca możliwości, skłonności oraz gotowość ludzi do przemieszczania się. Zespół czynników determinujących mobilność składa się z motywacji, potrzeb transportowych, potencjału transportowego, dostępności i jakości infrastruktury i suprastruktury transportowej oraz tzw. „kultury mobilności” [16].
E-mobilność jest pojęciem, które ostatnimi czasy stało się bardzo popularne i często wymieniane w różnych mediach. Na wstępnie należy zdefiniować to pojęcie, ponieważ liczne próby określania czym jest e-mobilność, szczególnie w powszechnych i ogólnie dostępnych mediach (telewizji, prasie, Intrenecie itp.) bardzo często są niezasadnie zawężane lub wręcz błędnie określane. Należy jednak nadmienić, że w literaturze anglojęzycznej bardzo często pojęcie e-mobility jest definiowane jako electrical mobility, jednak dogłębna analiza definicji określa e-mobilność, jako ogólny termin rozwoju elektrycznych, hybrydowych i zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi układów napędowych w kontrze do napędów całkowicie zasilanych paliwami kopalnymi. Artykuł ma charakter przeglądowy, którego celami są próba szerokiego zdefiniowania e-mobilności, analiza rozwiązań konstrukcyjnych i charakterystyki rodzajowej pojazdów ekologicznych oraz przedstawienie stosowanych rozwiązań w transporcie publicznym.
Z uwagi na zasięg oddziaływania e-mobilności autorzy proponują poszerzyć zakres definiowania na 3E (3xE). W tym ujęciu e-mobilność to zarówno elektromobilność (electro-mobility) jak i ekomobilność (ecology-(electro-mobility), ale także ekonomika mobilności (economy-mobility). Pozwoli to stosować podejście kompleksowe w projektowaniu
systemów i technologii transportowych oraz analizy wielokryterialne w ujęciu ekonomii i ekologii oraz elektryfikacji transportu (rys. 1).
Rys. 1. Koncepcja E-mobilności 3E (3xE)
E-mobilność to nie tylko transport przyjazny otoczeniu i środowisku naturalnemu ale także potencjalne źródło przewagi konkurencyjnej gospodarki państwowej jako transport tani i relatywnie szybki oraz bardziej niezawodny. Szacuje się [1,2,12], że koszty środowiskowe stanowią około 28% kosztów zewnętrznych transportu co stanowi równowartość 6% PKB. Biorąc pod uwagę rosnący udział transportu samochodowego (w ładunkowym transporcie lądowym ponad 80%) oraz prognozowaną liczbę zarejestrowanych samochodów osobowych w Polsce w 2030 roku na poziomie 20-22 mln, wszystko to wskazuje na rosnącą energochłonność procesów transportowych i znaczące zapotrzebowanie na paliwa silnikowe [11]. Biała Księga Transportu, czyli plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu – dążenie do osiągnięcia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu, określiła działania strategiczne jako 60% redukcji emisji dwutlenku węgla i porównywalnego zmniejszenia zależności od ropy naftowej. W tym zakresie określono dziesięć celów na rzecz utworzenia konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportu, z których na pierwszym miejscu wskazano „zmniejszenie o połowę liczby samochodów o napędzie konwencjonalnym w transporcie miejskim do 2030 r. oraz całkowita eliminacja ich z miast do 2050 r.”.
Komisja Europejska wskazała dwa sposoby w zakresie suprastruktury do ograniczenia emisji zanieczyszczeń w transporcie. Pierwszy to doskonalenie samochodów z silnikami spalinowymi, poprzez wzrost ich sprawności i ograniczenie emisji spalin, w tym przez stosowanie paliw alternatywnych (LNG, CNG i biopaliw II generacji). Drugi to zwiększenie udziału samochodów z napędem alternatywnym, np. elektrycznym, hybrydowym lub wykorzystującym wodorowe ogniwa paliwowe.
Zgodnie z polityką transportową Unii Europejskiej w zakresie minimalizacji emisji szkodliwych substancji przez transport, pojazdy o napędzie elektrycznym będą jednym z najważniejszych środków transportu publicznego i indywidualnego w aglomeracjach miejskich.
2. POJAZDY EKOLOGICZNE
Pojazdy ekologiczne charakteryzują się małą emisją (zerową) substancji szkodliwych do otoczenia. Największą szkodliwość przypisuje się emisji CO2, której wartość w silnikach tłokowych o spalaniu wewnętrznym w znaczącej mierze zależy od efektywności cieplnej i sprawności silnika [25-27]. W celu poprawy efektywności silnika spalinowego powszechnie stosuje się paliwa o niskiej zawartości węgla. Inne podejście polega na zastąpieniu (całkowitym lub częściowym) silnika spalinowego silnikiem elektrycznym. Można zatem stwierdzić, że poziom emisji spalin pojazdu w głównej mierze uzależnione jest to od rodzaju jednostki napędowej oraz postaci energii zasilającej. Pojazdy ekologiczne to pojazdy „czyste i energooszczędne” o małym zużyciu paliwa lub wykorzystujące paliwa alternatywne, w tym biopaliwa, gaz ziemny, wodór oraz różne technologie m.in. systemy napędu elektrycznego lub hybrydowego spalinowo-elektrycznego.
W pracy [20] opisano wskaźnik CWEG jako miarę sumarycznego wpływu pojazdów na środowisko naturalne. Wskaźnik CWEG (Cost, Water, Energy, GHG) wyznaczany jest na podstawie analizy kosztów wody, energii i emisja gazów cieplarnianych, jako czynników wpływających bezpośrednio na środowisko naturalne. W analizie uwzględnia się także źródła energii pierwotnej, typu nośnika energii napędzającej pojazd oraz rodzaju zastosowanego napędu. Autor [20] przedstawił ranking, zgodnie z którym największa liczba punktów odpowiadała najbardziej ekologicznym napędom (rys. 2).
Rys. 2. Wartości indeksu CWEG dla pojazdów o różnych rodzajach napędu: a) konwencjonalnych, b) o napędzie hybrydowym [19]
W zakresie pojazdów wykorzystujących paliwa alternatywne należy w szczególności wymienić:
- pojazdy zasilane sprężonym gazem ziemnym (CNG - Compressed Natural Gas), - pojazdy zasilane skroplonym gazem ziemnym (LNG - Liquefied Natural Gas),
- pojazdy zasilane biopaliwami.
Pojazdy zasilane gazem ziemnym są na całym świecie określane terminem NGV (Natural Gas Vehicles). W pracy [19] zaproponowano ilościowy wskaźniki emisji zanieczyszczeń, jako krotność zwiększenia lub zmniejszenia emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu w stosunku do wartości uzyskiwanych w teście homologacyjnym. W wyniku badań stwierdzono, że emisja zanieczyszczeń z pojazdu zasilanego gazem ziemnym (CNG) eksploatowanego w warunkach ruchu miejskiego nie przekracza dopuszczalnych norm toksyczności spalin, jednakże eksploatacja pojazdu dwupaliwowego zasilanego benzyną (w którym paliwo to jest paliwem drugorzędnym) powoduje znaczne przekroczenie emisji drogowej tlenku węgla (ponad 2,5-krotnie, rys. 3).
Rys. 3. Wartości wskaźnika emisji zanieczyszczeń dla pojazdu dwupaliwowego (CNG + benzyna) w badaniach w warunkach miejskich zasilanych różnymi paliwami [19]
Zastosowanie skroplonego gazu ziemnego, który obok wodoru wymieniany jest jako przyszłościowe paliwo alternatywne, pozwala na wyeliminowanie wad związanych z gęstością magazynowanej energii, masą zbiorników oraz problemami związanymi z wysokim ciśnieniem występującymi w systemach CNG [8]. Podczas skraplania gaz ziemny zostaje oziębiony do temp. – 161,15°C. Objętość redukuje się przy tym 630 razy. Dzięki temu “gęstość energii” skroplonego gazu ziemnego jest bardzo wysoka.
Napęd hybrydowy występuje jako mechaniczny układ współdziałający, czyli napęd mieszany, wieloźródłowy. W pojazdach samochodowych najbardziej popularny napęd hybrydowy jest to połączenie silnika spalinowego z elektrycznym. Istotą napędu hybrydowego samochodów jest wysoko sprawny system sumowania (różnicowania) z wielu źródeł [17]. Rozróżnia się następujące rodzaje samochodów z napędem hybrydowym: - niedoładowywany ze źródeł zewnętrznych (NOVC – Not Off Vehicle Charging, HEV – Hybrid Electric Vehicle),
- doładowywany ze źródeł zewnętrznych (OVC – Off Vehicle Charging, PHEV – Plug–In Hybrid Electric Vehicle).
Rozróżnia się trzy rodzaje układów hybrydowych [6]: szeregowy, równoległy oraz tzw. szeregowo-równoległy. W układzie szeregowym (S-HEV, Serial Hybrid Electric Vehicle) generator prądu, napędzany silnikiem spalinowym zasilanym paliwem wytwarza energię elektryczną. W szeregowym układzie hybrydowym silnik spalinowy nie jest połączony z osiami napędowymi pojazdu, napęd na koła przenoszony jest wyłącznie za pośrednictwem silnika elektrycznego. W układzie szeregowo-równoległym (SP-HEV, Serial-Parallel Hybrid Electriv Vehicle) stosuje się sprzęgło, które łączy ze sobą silnik elektryczny z generatorem prądu. W tym układzie napęd na koła może być realizowany zarówno przez silnik elektryczny (sprzęgło rozłączone), jak i spalinowy (sprzęgło załączone). Równoległy układ hybrydowy (P-HEV, Parallel Hybrid Electriv Vehicle) składa się z jednej maszyny elektrycznej, mechanicznie połączonej z wałem korbowym silnika, może więc pełnić jednocześnie funkcję generatora i silnika elektrycznego. Rozwiązanie to umożliwia swobodne dodawanie momentu obrotowego od silnika spalinowego lub elektrycznego, przy zachowaniu stałego stosunku prędkość obrotowej obu silników [5].
Jako docelowy pojazd ekologiczny wskazuje się pojazd elektryczny (BEV – Battery Electric Vehicle), w którym napęd elektryczny stanowi jedyne źródło zasilania. Rozwiązanie to redukuje emisję spalin do zera. Należy jednak wyraźnie podkreślić, że zerowa emisja dotyczy miejsca użytkowania pojazdu, ponieważ w analizie „rachunku ciągnionego” należy uwzględnić emisję generowaną w procesie produkcji prądu. W warunkach polskiej gospodarki energetycznej, która bazuje na węglu, wpływa to znacznie na całościową ocenę emisyjną samochodów elektrycznych eksploatowanych w Polsce. W przypadku większego udziału źródeł odnawialnych na rynku energetycznym, bilans emisji wyraźnie się poprawia. Istnieje wiele dodatkowych korzyści wynikających z eksploatacji pojazdów elektrycznych: brak skrzyni biegów, układu rozprowadzanie oleju w silniku, minimalizacja hałasu i drgań generowanych przez silnik, wydłużenie resursów obsługowych w układzie hamulcowym oraz większa sprawność silnika. Popularność samochodów elektrycznych na drogach ograniczona jest jednak kilkoma niedogodnościami, z których najważniejsze to dostępność cenowa i ograniczony zasięg. Cena samochodu elektrycznego jest o około 30-40% większa niż odpowiednika spalinowego [30]. Całkowity zasięg przy naładowanych akumulatorach wynosi około 300 kilometrów, w cyklu NEDC (New European Driving Cycle - składa się z części miejskiej UDC i pozamiejskiej EUDC). W warunkach rzeczywistej eksploatacji, z uwzględnieniem energochłonności urządzeń dodatkowych dystans skraca się do 200 km. Uwzględniając eksploatację w niskich temperaturach otoczenia zasięg całkowity pojazdu zmniejsza się o kolejne 10-15% (w temperaturze -20◦C pojemność akumulatorów spada nawet o 50%). Przy uwzględnieniu tych wszystkich czynników można przyjąć, że realny zasięg samochodu elektrycznego może wynosić około 100-150 km.
Kolejny przykład pojazdu ekologicznego to pojazd z ogniwem paliwowym (FCV – Fuel Cell Vehicle). Wodór może być wykorzystany do napędzania pojazdów samochodowych jako paliwo do zasilania tradycyjnego silnika (np. BMW Hydrogen 7) lub jako ogniwo paliwowe do wytworzenia energii napędzającej silnik elektryczny (np. Honda FCX Concept). Ogniwo paliwowe jest przetwornikiem elektrochemicznym bezpośrednio zamieniającym energię chemiczną zawartą w wodorze na energię elektryczną. Charakteryzuje się największą sprawnością w porównaniu do pozostałych procesów wytwarzania prądu elektrycznego. Dodatkową zaletą jest mechanizm działania ogniwa paliwowego, które działa bez części ruchomych, więc bez tarcia mechanicznego, drgań i hałasu mechanicznego. Ogniwa wodorowe nie emitują substancji toksycznych, w tym CO2,
podczas pracy. Do magazynowania wodoru można stosować zbiornik na gazowy wodór pod ciśnieniem lub zbiornik na płynny wodór o temperaturze -253◦C. W całościowym bilansie energetycznym pojazdów FCV należy uwzględnić energię potrzebną do magazynowania paliwa, czyli do kompresji lub oziębiania oraz dodatkowe obciążenie pojazdu wynikające z zabudowania dodatkowych zbiorników.
Na podstawie analizy rozwiązań pojazdów ekologicznych oraz planów i strategii UE i Polski należy stwierdzić, że pojazdy typu PHEV (w opcji Plug-In Hybrid Electric Vehicle) oraz EV (Electric Vehicle) stanowią docelowe rozwiązanie w zakresie ograniczenia emisji spalin z transportu. Tempo rozwoju tych pojazdów uzależnione jest jednak od: systemu przechowywania energii, technologii napędów, bezpieczeństwa oraz przystosowania pojazdów, dróg oraz sieci. Wymaga więc globalnego podejścia systemowego.
Zgodnie z informacjami aktualizowanymi na bieżąco i podawanymi w serwisie ecomoto [30] aktualnie w Polsce znajduje się 167 punktów ładowania (rys. 4), zarówno 230 V (1 faza) i 400 V (3 fazy), z czego aż 76 znajduje się na posesjach prywatnych, 13 przy budynkach mieszkalnych i 20 przy budynkach firmowych, do których dostęp może być ograniczony. Serwis ten ma charakter lokalnej społecznościowej wyszukiwarki miejsc ładowania, w których właściciele posesji przy których znajdują się punkty ładowania deklarują, że nie pobierają żadnych z tytułu ładowania.
3. E-MOBILNOŚĆ W TRANSPORCIE PUBLICZNYM
Transport miejski emituje około 25% CO2 z transportu ogółem. Po drogach polskich miast porusza się ponad 11 tys. autobusów. Obecnie nadal głównym źródłem napędu pojazdów komunikacji zbiorowej są silniki o zapłonie samoczynnym zasilane olejem napędowym pochodzącym z przeróbki ropy naftowej. Projekt eBus jest ważnym obszarem działań w zakresie rozwoju elektromobilności w Polsce. Jednym z założeń projektu jest stworzenie rynku autobusów elektrycznych o wartości 2,5 mld zł rocznie. Ważnym kierunkiem rozwoju rynku autobusów elektrycznych jest stworzenie jednolitych interfejsów dostępnych dla wszystkich producentów. Porozumienie w tej sprawie podpisali europejscy producenci autobusów elektrycznych – Irizar, Solaris, VDL i Volvo wraz z dostawcami systemów ładowania ABB, Heliox i Siemens [14].
Jednym z istotnych rozwiązań, ograniczającym emisję CO2 do atmosfery, jest wdrożenie jako paliwa alternatywnego sprężonego gazu ziemnego (CNG). Paliwo to jest lżejsze od powietrza w związku z czym w przypadku rozszczelnienia zbiornika unosi się do góry tym samym nie stwarzając zagrożenia wybuchowego [3,4], co jest bardzo istotne w transporcie zbiorowym. Pojazdy transportu zbiorowego coraz częściej napędzane są silnikami zasilanymi CNG sprężonym do 20 MPa magazynowanych w pojeździe w specjalnie zaprojektowanych butlach stalowych lub lżejszych kompozytowych. W pracach [21,22] przedstawiono wyniki badań emisji spalin dla autobusu MAN E 2866 DUH 03 zasilanego CNG. Wyniki porównawcze emisji spalin w teście ETC dla badań rzeczywistych silnika CNG MAN E 2866 DUH 03 do wymagań norm europejskich EURO V i EURO VI przedstawiono na rys. 5. Zasilanie autobusu paliwem CNG umożliwia spełnienie (z bardzo dużą nadwyżką) wszystkich ograniczeń emisyjnych.
Rys. 5. Porównanie emisji spalin dla badań rzeczywistych autobusu MAN E 2866 DUH03 zasilanego CNG do norm europejskich EURO V i EURO VI [g/kWh]
Zwiększa się także udział autobusów zasilanych gazem w postaci ciekłej (LNG). Gaz ziemny skroplony do temperatury -160ιܥ przechowywany jest w specjalnych zbiornikach
kriogenicznych o podwójnych ścianach z termoizolacyjnymi komorami próżniowymi. W tych rozwiązaniach stosuje się napęd hybrydowy o przeciwnej strategii dywersyfikacji wykorzystania źródeł energii. Napęd elektryczny wykorzystuje się podczas ruszania, natomiast dalszą część drogi pokonuje za pomocą silnika spalinowego.
Najbardziej ekologicznym (zero emisyjnym) pojazdem stosowanym w transporcie publicznym jest autobus elektryczny zasilany akumulatorami litowo-jonowymi o dużej mocy. Rozróżnia się trzy zasadnicze metody ładowania akumulatorów w autobusach elektrycznych: poprzez pantograf, pętlę indukcyjną oraz plug-in czyli ładowarkę baterii. Z uwagi na specyficzne warunki eksploatacji pojazdów komunikacji miejskiej, które charakteryzują się dużą częstotliwością zatrzymań i ruszań oraz jazdą na krótkich odcinkach, często w warunkach kongestii ruchu, zasada działania napędów hybrydowych umożliwia znaczące zmniejszenie zużycie paliwa i energii [24]. W autobusach z silnikiem spalinowym zużycie paliwa może wynosić ok. 50 - 60 dm3/100 km przy przyspieszonym zużyciu materiałów eksploatacyjnych (elementy układu hamulcowego, oleje i płyny eksploatacyjne). W autobusie hybrydowym silnik spalinowy pracuje pod mniejszym obciążeniem i wspomagany jest silnikiem elektrycznym, co wpływa na mniejsze zużycie paliwa oraz intensywność zużycia silnika i mniejsze koszty eksploatacyjne. Jednym z pierwszych autobusów hybrydowych eksploatowanych w Europie był Solaris Urbino 18 Hybrid (Allison) polskiej produkcji. Wyposażony w baterie NiMH 11 kWh, silniki elektryczne 150 kW oraz silnik ZS o mocy 181 kW. Masa własna autobusu, jego ładowność i dopuszczalne obciążenie poszczególnych osi oraz liczba przewożonych pasażerów i wymiary pojazdu, determinują zupełnie odmienne rozwiązania techniczne autobusu hybrydowego niż odpowiednika z napędem klasycznym. Przykładowo model Urbino 12 Hybrid bazuje na równoległym układzie hybrydowym amerykańskiej firmy Eaton. System wykorzystuje zjawisko rekuperacji energii i odzyskuje część energii podczas hamowania. Jako system magazynowania odzyskanej energii zastosowano baterie litowo-jonowych o następujących parametrach prądowych 3,6 kWh i 340 V. W celu obniżenia środka ciężkości baterie umieszczono pod siedzeniami w przedniej części pojazdu. Podczas ruszania autobusu energia elektryczna napędza silnik elektryczny o mocy 44 kW i maksymalnym momencie obrotowym 420 Nm. Schemat układu hybrydowego autobusu Solarisa Urbino 12 Hybrid przedstawiono na rys. 6.
Aktualnie można znaleźć na rynku wiele innowacyjnych rozwiązań w zakresie pojazdów multinapędowych hybrydowych. Przykładem może być multinapędowy hybrydowy autobus miejski, który ma 3 źródła zasilania: silnik ZS, instalację CNG i silnik elektryczny. Konstrukcja opiera się na koncepcji hybrydy szeregowej zasilanej paliwem CNG. Silnik spalinowy nie ma połączenia z wałem napędowym, odpowiada jedynie za napęd generatora elektrycznego. Dodatkowo zainstalowane superkondensatory gromadzą nadwyżki energii z rekuperacji. Zasada działania jest następująca. Podczas normalnej jazdy silnik spalinowy działa jako generator prądotwórczy, który zasila silnik elektryczny. Dzięki czemu silnik spalinowy zdecydowaną większość czasu pracuje przy obrotach ok. 1550 obr/min, co zapewnia optymalne zużycie CNG. Dodatkowo zastosowano mechanizm rekuperacji jako odzysk energii podczas procesu hamowania. Silnik elektryczny działa jak generator i wytwarza energię elektryczną, która jest gromadzona w superkondensatorach. Podczas jazdy z wykorzystaniem energii zgromadzonej w superkondensatorach silnik elektryczny wykorzystuje energię zgromadzona w kondensatorach. Dodatkowo podczas postoju na przystankach, kiedy silnik spalinowy pracuje przy prędkości obrotowej 550 obr/min wytwarzana jest dodatkowa energia elektryczna i gromadzona w kondensatorach (supercapsach). Podstawowe elementy układu napędowego i zasilającego przedstawiono na rys. 7.
Cały czas największym wyzwaniem a zarazem barierą rozwoju autobusów elektrycznych jest proces ładowania. Czas poświęcony na powtórne naładowanie baterii pojazdu znacząco wpływa na dostępność i efektywność transportową autobusów elektrycznych. Dlatego prowadzone są intensywne prace w tym zakresie. Jedną z ciekawszych propozycji jest proces bezprzewodowego ładowania, który polega na przesyłaniu prądu przez cewkę znajdująca się w ładowarce, która powoduje wytworzenie pola elektromagnetycznego. Dzięki niemu indukowane jest napięcie w drugiej cewce, znajdującej się w ładowanym urządzeniu, które powoduje ładowanie akumulatora. Indukcja elektromagnetyczna jest obecnie podstawowa metoda wytwarzania prądu elektrycznego.
Przykładem zastosowania tego zjawiska jest technologia Primove (Bombardier), która bazuje na pętla indukcyjnej transmisji energii. Ogromne urządzenia (11 m długości, 4t masy) pełniące rolę cewki, której moc maksymalna ładowania wynosi 200 kW. Pierwszy autobusem o tego typu napędzie we flocie Braunschweiger Verkehrs-GmbH był polski Solaris Urbino 12 Electric (E12). Jednostkę napędową stanowi w nim silnik elektryczny Vossloh-Kiepe o mocy 160 kW, współpracujący z zestawem dwóch akumulatorów litowo-jonowych o pojemności 60 kWh. Łączna masa własna pojazdu to około 19 t, z czego 0,7t stanowi masa akumulatorów [9]. Konstrukcja padu ładującego (Pickup, rys. 8) zapewnia niezauważalne, bezstykowe zasilanie akumulatorów w energie elektryczna prosto z płyty ładującej zamontowanej pod powierzchnia przystanku autobusowego w ciągu zaledwie kilku do kilkunastu sekund.
Rys. 8. Zasada działania bezprzewodowego ładowania indukcyjnego (po lewej) oraz pad ładujący (po prawej) [9]
4. PODSUMOWANIE
Z uwagi na cele strategiczne Komisji Europejskiej oraz plany rządowe pojazdy o napędzie elektrycznym oraz hybrydowym będą w niedalekiej przyszłości odgrywały najbardziej istotną rolę. W kontekście założeń zerowej emisji (CO2) pojazdy elektryczne o wyłącznym i jedynym napędzie z akumulatora wydają się być właściwym rozwiązaniem. W celu zwiększenia zasięgu pojazdów EV na rynku można zaobserwować pojazdy
hybrydowe, w których głównym źródłem napędu jest silnik elektryczny napędzany energią z generatora energii elektrycznej na pokładzie, którym jest konwencjonalny silnik spalinowy.
Z uwagi na koszty nowych technologii aktualnie ceny pojazdów elektrycznych są mało konkurencyjne, jednak działania priorytetowe w zakresie ograniczenia emisyjności transportu spowodowały, że liczne państwa UE oferują programy wsparcia dla klientów kupujących oraz użytkowników EV. Dodatkowo na podstawie badań TNS Polska z 2012 roku stwierdzono, że 72% dziennego przebiegu samochodu nie przekracza 60 km, co jest dobrą przesłanką w zakresie najczęściej wymienianej wady EV, czyli ograniczonego zasięgu na jednym ładowaniu. Poza tym należy zwrócić uwagę na nieporównywalną różnicę w zakresie generowanych drgań i hałasu przez pojazdy EV, w których zjawiska wibroakustyczne są efektem poruszania się pojazdu z niemal całkowitą eliminacją drgań i hałasu, co sprawia że doskonale wpisują się z strategie ograniczenia negatywnego wpływu na środowisko w gęsto zaludnionych obszarach miejskich [28]. Przykładowe dane wskazują także na potencjał dywersyfikacji źródeł energii oraz ograniczenia emisji transportu (w miejscu użytkowania), np. 2013 roku Europejczycy doładowali samochody na stacjach ładowania RWE (aktualnie innogy) energią równą 8 mln bezemisyjnych kilometrów – co stanowi dwa razy większą liczbę niż w 2012 r. W artykule [18] zaproponowano procedurę badań zużycia energii przez samochody elektryczne na hamowni podwoziowej. Badania homologacyjne uzupełniono warunkami testu specjalnego Stop and Go, symulującego jazdę w zatorach ulicznych, w celu analizy drogowego zużycia energii przy występowaniu stanów dynamicznych.
W artykule [10] przedstawiono wyniki analiz ekonomicznych i ekologicznych w zakresie długoterminowego użytkowania samochodów elektrycznych. Okres badań obejmował 6 lat, samochody objęte kontrolowaną eksploatacją przejechały ponad 200 000 km. We wszystkich pojazdach zastosowano układ napędowy z silnikami z magnesami trwałymi, który został zaprojektowany i wykonany w Instytucie KOMEL. Koszt całkowitej zużytej energii elektrycznej oszacowano na 13 370 zł, zakładając, że 1 kWh energii elektrycznej, razem z przesyłem wynosi 50 gr. Dla porównania koszty paliwa płynnego do przejechania tego samego dystansu, przy jeździe samochodami z silnikami spalinowymi, wyniosłyby ok. 75 420 zł, przy założeniu średniej ceny paliwa na poziomie 5 zł/dm3 (cena paliwa uśredniona, gdyż eksploatacja odbywa się już kilka lat). Dodatkowo do kosztów eksploatacji samochodów z napędem spalinowym należy doliczyć koszty obsługowe (oleje, filtry, klocki hamulcowe), dla badanej grupy pojazdów oszacowane je na kwotę 5200 zł. W przeliczeniu kosztów eksploatacyjnych na 1 km porównanie samochodów z napędem elektrycznym do napędzanych silnikiem spalinowym wynosi odpowiednio 0,066 gr/km (elektryczny) do 40 gr/km (spalinowy). Dodatkowo w artykule [10] oszacowano wartość emisji dwutlenku węgla dla badanych samochodów, przy założeniu napędu silnikiem spalinowym, na poziomie ok. 9,5 tony CO2 oraz szereg szkodliwych związków, m.in. aldehydy, tlenek węgla, tlenki azotu itd.
W zakresie stosowania autobusów elektrycznych główne problemy to nadal relatywnie wysokie koszty, niska gęstość energetyczna i duża masa akumulatorów. Powodują one znaczne ograniczenie zasięgu pojazdów. Szybkie ładowanie lub wymiana akumulatorów mogą złagodzić ten problem [14]. Zasobniki w postaci superkondensatorów oraz akumulatorów o relatywnie dużej pojemności (w odniesieniu do ich masy oraz gabarytów) pozwoliły na powstawanie kolejnych konstrukcji autobusów elektrycznych [15]. W tym
zakresie określono wiele działań strategicznych, takich jak programy wspierające rozwój elektromobilności w miastach, opracowanie nowych modeli biznesowych związanych z infrastrukturą ładowania optymalizujących koszty dla operatorów zbiorowego transportu miejskiego oraz określenie wspólnych dla samorządów problemów związanych z infrastrukturą ładowania autobusów i samochodów elektrycznych. W artykule [7] przedstawiono warianty i scenariusze wdrażania autobusów elektrycznych w publicznym transporcie zbiorowym oraz zaprezentowano algorytm wsparcia decyzji na podstawie zmiennych technicznych, organizacyjnych, ekonomicznych i ekologicznych.
Bibliografia
1. Uwarunkowania wdrożenia zintegrowanego systemu e-mobilności w Polsce. Ministerstwo Gospodarki, Departament Innowacji i Przemysłu, 2012.
2. Strategia Rozwoju Transportu do 2020 roku (z perspektywą do 2030 roku). Projekt Ministerstwo Infrastruktury, wrzesień 2011.
3. Wołoszyn R.: „Spalanie CNG w silnikach wysokoprężnych”, Konferencja EcoFuel, Międzyzdroje, 25-27.01.2012.
4. Walczak B.: Źródła napędu w miejskiej komunikacji autobusowej –kierunki innowacyjności, Konferencja Miasto i Transport 2012 – Innowacyjność transportu – oszczędzanie energii, Politechnika Warszawska 2012.
5. Gis M.: Elektryfikacja transportu samochodowego. Transport Samochodowy 2-2016.
6. Bosch R.: Napędy hybrydowe, ogniwa paliwowe i paliwa alternatywne. WKiŁ, Warszawa, 2010. 7. Krawiec S., Łazar B., Markusik S., Karoń G., Sierpiński G., Krawiec K., Janecki R.: Urban public
transport with the use of electric buses–development tendencies. Transport Problems 2016 Volume 11 Issue 4, p. 127-137.
8. https://cng.auto.pl/ekologia-cng/
9. http://www.verkehr-bs.de/unternehmen/forschungsprojekt-emil/termine/21012014.html
10. Gawron S., Bernatt, J.: Doświadczenia z eksploatacji samochodów elektrycznych w działalności gospodarczej, Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2017 (114), p. 231-238.
11. Wydział ds. Ludności ONZ: Pespektywy demograficzne na świecie: The 2008 Revision Population Database.
12. „Plan rozwoju elektromobilności w Polsce – Energia dla przyszłości”; Ministerstwo Energii; Warszawa 2016.
13. Gis W., Menes M., Waśkiewicz J.: Przyszłość indywidualnej elektromobilności w Polsce w świetle badań użytkowników samochodów osobowych. Transport Samochodowy, vol. 4, 2016, p. 25-34.
14. Dyr T.: Europejska strategia w zakresie paliw alternatywnych, Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2013, nr 11.
15. Molecki A., Elektryczne środki komunikacji miejskiej, „Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe” 2015, nr 9.
16. Krawiec S.: Wyzwania dotyczące kształtowania zrównoważonej mobilności w miastach i aglomeracjach. Barometr Regionalny 14.4 (2016): 129-138.
17. Szumanowski A.: Pojazdy ekologiczne - przyszłość samochodów hybrydowych, Przegląd Mechaniczny (2010): 39-43.
18. Chłopek Z.: Badanie zużycia energii przez samochód elektryczny, Wydawnictwo Naukowe PIMOT, 2012, p. 105-117.
19. Łabędź K.: Analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG) w rzeczywistych warunkach eksploatacji, rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, 2014.
20. Gifford J.D.: Survey and sustainability of energy technologies. Graduate Theses and Dissertations, Iowa State University, 2011.
21. Gis W., Menes E., Waśkiewicz J.: Paliwa gazowe w miejskiej komunikacji autobusowej w Polsce, Transport Samochodowy 2 (2011), p. 71-95.
22. Michałowski R.: Zasilanie CNG alternatywą dywersyfikacji paliw silnikowych, V Seminarium Sieci Naukowo-Gospodarczej „Energia”; Wrocław, 2007.
23. Mackiewicz W.: Hybryda "made in Poland", http://gazeo.pl/samochody-hybrydowe-elektryczne/samochody-hybrydowe/Hybryda-made-in-Poland
24. Sojka K., Burdzik R., Łazarz B., Domin J.: Research on economy of transport using fleet management systems, Pr. Nauk. PWarsz., Transp., 2016, vol. 111, pp. 511-519.
25. Merkisz J., Jacyna M., Merkisz-Guranowska A., Pielecha J.: The parameters of passenger cars engine in terms of real drive emission test. Archives of Transport, 32, 2014.
26. Pielecha J., Merkisz-Guranowska A., Jacyna-Gołda I.: A new ecological research: real driving emissions. Journal of KONES, 21, 2014.
27. Jacyna M., Merkisz, J. Proecological approach to modelling traffic organization in national transport system. Archives of Transport, 30, 2014.
28. Burdzik R., Śmigalski G.: Analiza porównawcza hałasu komunikacyjnego dla różnych parametrów potoków ruchu. Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport. 2013, 78, 31-38.
29. Łebkowski A.: Light electric vehicle powertrain analysis. Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport. 2017, 94, 123-137.
30. http://www.ecomoto.info/punkty/nowe.html
E-MOBILITY - CHALLENGE OF PRESENCE
Summary: One of the current challenges in global transport is e-mobility, understood as electromobility, ecomobility and mobility economics. The paper presents grounds for the 3E approach to e-mobility, which means a simultaneous approach as electromobility, ecomobility but also mobility economics. It is also presented ecological vehicles divided into groups of construction. Also presented are e-mobility solutions in public transport with discussion of barriers and potential solutions.
