Autobusy bateryjne są najlepsze?
1. Współczesne możliwości napędu autobusów
Autobus można dziś napędzać dzięki następującym źródłom energii: olej napędowy, CNG - gaz ziemny sprężony, LPG - gaz w stanie płynnym, FCV - elektryczność „wodorowa” (ogniwa paliwowe), BEV - elektryczność bateryjna. Jednoznaczna ocena, który napęd jest najlepszy, wydaje się dość trudna. Dylemat w tej sprawie można próbować rozstrzygnąć na podstawie różnych kryteriów, dochodząc przy tym do różnych wniosków.
Spośród całego wachlarza kryteriów możliwych do zastosowania przy porównywaniu pojazdów z różnymi napędami, najłatwiej dość obiektywnej ocenie poddają się kryteria techniczne, związane z technologią zastosowanego napędu.
W poszukiwaniu optymalnego napędu, obecnie szczególnie ważne wydają się parametry ekologiczne zastosowanej technologii. Nawet powierzchowna analiza w tym zakresie, każe wykluczyć pojazdy spalinowe (olej napędowy, LNG, CNG), zaś jako czyste ekologicznie (lokalnie bezemisyjne), każe uznać napęd wodorowy i bateryjny.
Tak więc, w trosce o zachowanie możliwie niskiego poziomu wpływu na środowisko, możemy zająć się jedynie porównaniem dwóch napędów: bateryjnego z wodorowym. Oba te napędy są zresztą elektryczne. W pierwszym przypadku dla zmagazynowania energii zastosowane są ogniwa galwaniczne, a w drugim - wodór oraz dodatkowo także ogniwa galwaniczne.
Jeśli chodzi o kryterium ekonomiczne, składa się nań między innymi: koszt zakupu taboru, uwzględniający okres amortyzacji (żywotność), wydatek na stworzenie infrastruktury związanej z bieżącą obsługą taboru, pracochłonność bieżącej obsługi taboru, koszty napraw pogwarancyjnych, wartość zakupu energii na przejechanie 100 km, przy czym jako energię, rozumiemy prąd elektryczny, ale także dowolne paliwo. W związku z tym, trudno mówić o ekonomicznym porównaniu całościowym (uwzględniającym wszystkie czynniki). Można jednak porównać istotny czynnik mający wpływ na ekonomikę, czyli paliwo/energię.
Spośród obecnie stosowanych, bateryjny napęd, jest najbardziej wydajny, czyli wykazuje największą sprawność w sensie fizycznym. Inaczej mówiąc, stosując go, marnujemy najmniej energii w całym procesie jej pozyskania i wydatkowania. Pokazuje to schemat porównujący wydajność dla trzech różnych napędów.
Rys.1. Sprawność (wydajność) dla trzech różnych napędów.
2. Źródła wodoru
Wodór jako pierwiastek (gaz) w przyrodzie na Ziemi nie występuje. Polska jest jednak producentem dużej ilości wodoru, który pojawia się głównie jako składnik gazu koksowniczego będącego „odpadem” powstałym przy produkcji koksu z węgla kamiennego, a także w procesie reformingu parowego, tj. zachodzącej w temperaturze około 800 stopni Celsjusza katalitycznej reakcji gazu ziemnego/biogazu z parą wodną, w wyniku czego otrzymujemy wodór i tlenek węgla, który możemy także wykorzystać jako surowiec chemiczny i/lub surowiec/paliwo przemysłowe, ostatecznie jednak utleniając go do CO₂.
Niestety obie te metody pozyskania wodoru, łączą się z uboczną emisją niechcianego dwutlenku węgla. Poza tym, ten wodór jest zanieczyszczony, zaś do ogniw paliwowych pojazdu wymagana jest czystość wodoru, co najmniej „pięciu dziewiątek”, czyli 99,999%, a nawet jeszcze większa. Oczyszczenie wodoru do takiego poziomu - jest kosztowne.
Wodór o dużej czystości, najtaniej można uzyskać w procesie elektrolizy, a więc z użyciem energii elektrycznej. Tej samej energii, którą, wszakże bez pośrednictwa wodoru, można spożytkować do naładowania pojazdu czysto elektrycznego - bateryjnego.
3. Porównanie elektromobilności „bateryjnej” z elektromobilnością „wodorową”
Porównajmy więc dwa źródła napędu autobusu:
1. Ładującą bezpośrednio baterie samochodu energię elektryczną, która bez większych nakładów jest powszechnie dostępna, w tym może być dostępna w garażu, w publicznej stacji ładowania, w zajezdni, czy na pętlach autobusów.
2. Wodór pochodzący z prądu elektrycznego; a więc bardzo czysty chemicznie i ekologiczny, pozyskany bez udziału węglowodorów i bez niechcianej emisji CO₂.
Przy napędzie czysto bateryjnym, w odróżnieniu od napędu wodorowego, potrzebujemy wszechobecnego już dziś prądu elektrycznego. Praktycznie wszędzie możemy zlokalizować stację ładowania, szczególnie małej lub średniej mocy, gdy nie ma presji czasowej na naładowanie pojazdu, a pod pewnymi warunkami - nawet stację dużej mocy i/lub wielostanowiskową. Te warunki, to dostępność odpowiedniego mocowo przyłącza elektrycznego, niekiedy średniego napięcia, powiązanego z lokalną trafostację SN/nN.
W odróżnieniu od napędu bateryjnego, napęd wodorowy wymaga stworzenia na nowo całej infrastruktury produkcji/oczyszczania wodoru, jego transportu, tankowania itd. i to niezależnie od tego, czy na zatankowanie mamy mało czasu (odpowiednik stacji szybkiego ładowania DC), czy też np. całą noc (odpowiednik stacji ładowania AC). Wodór wymaga też kilku skomplikowanych instalacji w samym pojeździe.
4. Czas ładowania baterii
Tu wyjaśnienie na temat rzekomo długiego czasu ładowania akumulatora (baterii) pojazdu. Otóż każdą, najczęściej używaną w takim zastosowaniu, baterię litowo-jonową, począwszy od baterii naręcznego zegarka, poprzez smartfon, laptop, aż po największy nawet autobus, można naładować od zera do 100% w ok. 20 minut. Nie ma tu znaczenia liczba ogniw w baterii, a jedynie konstrukcyjne wymuszenie przez producenta pojazdu kilku warunków, między innymi komfortu cieplnego ogniw baterii podczas ładowania, i oczywiście dostosowanej do danej sytuacji mocy samej ładowarki. Ze względu na wielkość akumulatora autobusu, jest to nieporównanie większa moc, niż w przypadku samochodu osobowego, nie mówiąc np. o smartfonie. Stąd w przypadku autobusu, szybkie ładowanie, to ładowanie pantografowe, a nie poprzez gniazdo elektryczne. Niemniej, gdy dysponujemy dłuższym czasem, gdy pojazd nie jest w ruchu (np. w nocy), z różnych względów zaleca się możliwie powolne ładowanie, np. ładowarką AC z umiarkowaną mocą 22 kW.
Tu pojawia się możliwość racjonelnego zarządzania dostępną mocą, którą na potrzeby ładowania pojazdów pożytkujemy głównie nocą, gdy niemal jedynymi odbiornikami w przedsiębiorstwie, są stacje ładowania AC z podłączonymi do nich pojazdami.
5. Zasięg pojazdu
Powiązanym z powyższym problemem jest zasięg autobusu, a więc upraszczając - wielkość jego baterii. Im lepsza infrastruktura ładowania, np. dostępność stacji ładowania nie tylko w zajezdni, ale także na pętlach autobusowych, tym wymagany mniejszy zasięg autobusu, czyli mniejsza jego bateria. Dysponując autobusem o odpowiednich parametrach ładowania i stacją ładowania o odpowiedniej mocy, nawet 10 minutową przerwę na odpoczynek kierowcy, można wykorzystać na istotne podładowanie autobusu.
Tu dygresja: Stacje ładowania dużej mocy bardziej potrzebne są na pętlach, gdzie pojazd przebywa dość krótko, niż w zajezdniach, gdzie bardziej długotrwałe ładowanie mniejszą mocą bywa akceptowalne, a przy okazji racjonalnie uzasadnione, choćby ze względu na oszczędzanie baterii, która przy wonym ładowaniu mniej się degraduje.
6. Żywotność baterii
Nowe, wchodzące na rynek generacje baterii wykazują ogromną żywotność, nawet na przejechanie pojazdem miliona mil (1,6 mln km). Tak więc w niedalekiej przyszłości, bateria nie powinna już być elementem podlegającym wymianie.
7. A jak to jest przy wodorze?
Przy napędzie wodorowym, ekonomika całego procesu jest zupełnie inna. Tu, tenże prąd elektryczny, który jest właściwie wszędzie dostępny i można go od razu użyć do ładowania pojazdu elektrycznego, trzeba w elektrolizerze zamienić na wodór (tylko przy tej czynności - straty na ciepło wynoszą około 30 procent). Potem ten wodór trzeba sprężyć (ponowne duże straty na ciepło), w tej formie go przechować/przetransportować w wysokociśnieniowej cysternie kompozytowej (drogi zbiornik) lub przetransportować rurociągiem (straty związane z łatwym przenikaniem wodoru przez ścianki rur). Przy tym wszystkim trzeba używać specjalnych urządzeń (a choćby pomp narażonych na tzw. korozję wodorową). Na miejscu odbioru gazu - stacji tankowania, muszą się pojawić relatywnie skomplikowane urządzenia z wieloma poziomami zabezpieczeń, jako że wodór jest wyjątkowo niebezpiecznym gazem.
Wyposażenie samego pojazdu wodorowego, w związku z obecnością i wymaganiami obsługi umieszczonych w nim zbiorników wodoru, ogniw paliwowych i urządzeń towarzyszących, jest skomplikowane i wymagające zabiegów konserwacyjnych na etapie eksploatacji. Przy tym wszystkim w pojeździe wodorowym, dokładnie tak samo jak w czysto elektrycznym, nieodzowna jest obecność układu zarządzania mocą, silnika/silników elektrycznych i akumulatora trakcyjnego - wprawdzie mniejszego niż w autobusie bateryjnym, ale jednak. Ta duża komplikacja autobusu wodorowego jest niezbędna choćby dlatego, że już w samym pojeździe, ten pozyskany z prądu elektrycznego wodór, ponownie musi być zamieniony w prąd elektryczny. W tym procesie ponownie generujemy straty na ciepło. A co do baterii trakcyjnej w autobusie wodorowym, jest ona niezbędna jako bufor, gdyż ogniwa paliwowe mogą oddawć tyle energii, na ile pozwala ilość wodoru, jednak dzieje się to w zbyt długim czasie, a więc jedynie z mocą niewiele większą od wymaganej mocy średniej, czyli na potrzeby nagłych przyspieszeń autobusu - bateria trakcyjna bieży z pomocą. Poza tym, jak w pojeździe bateryjnym, przejmuje ona energię hamowania. Reasumując: W przypadku pierwszego pojazdu: czysto elektrycznego (akumulatorowego) - zamiast stacji ładowania i dużego akumulatora, w drugim pojeździe: wodorowym, mamy do czynienia z całym łańcuchem skomplikowanej technologii, zarówno poza pojazdem, jak i wewnątrz niego, nie unikając przy tym baterii trakcyjnej. Stąd z punktu widzenie poziomu skomplikowania technicznego, są to systemy nieporównywalne na korzyść pojazdów czysto elektrycznych, mało skomplikowanych. Pozostałe, poza wymienionymi wyżej elementy pojazdu, w obu przypadkach są identyczne.8. Ekonomia
Najważniejsza okoliczność: Miejskie autobusy wodorowe są, i prawdopodobnie zawsze będą droższe niż czysto elektryczne, zarówno przy kupnie, jak i w eksploatacji. Poza ekonomią, wodór jako napęd autobusów miejskich, oprócz nielicznych zalet, dodatkowo wykazuje wiele wad. Oczywiście, na razie, po części, te oceny wynikają głównie z teorii, wymagającej przetestowania w praktyce, do czego obecnie w Polsce chętnie się zmierza, wykorzystując kilka miast na realizację wodorowych programów pilotażowych.
Efektywność czysto elektrycznego auta wynosi 70-80%, zależnie od modelu. Efektywność układu napędowego w pojeździe zasilanym wodorem wynosi, w zależności od modelu, 20-25%. Efektywność paliw tradycyjnych jest jeszcze niższa i wynosi tylko 10-20%.9. Wnioski dotyczące napędu autobusów miejskich
Z roku na rok pojawiają się na rynku coraz lepsze akumulatory trakcyjne. Wszystkie ich parametry, już dziś są bardzo dobre, a mimo to obserwujemy stały postęp w bateriach.
Dzięki osiągnięciom przy produkcji ogniw i elektronicznemu ich indywidualnemu nadzorowaniu wewnątrz baterii, w coraz bardziej zaawansowanych pojazdach - radykalnie rośnie żywotność, dochodząc już dziś do poziomu miliona mil (1,6 mln kilometrów). Jak wykazują warszawskie doświadczenia, w ogólnym rozrachunku, autobusy elektryczne są wprawdzie nieco droższe w eksploatacji niż spalinowe, mają jednak wiele oczywistych zalet, będąc równocześnie pozbawionymi wielu wad autobusów spalinowych, na czele z emisyjnością, króra staje się coraz ważniejszym parametrem. Autobusy wodorowe są wprwdzie niskoemisyjne, podobnie jak bateryjne, ale są w swej budowie, znacznie bardziej skomplikowane (a więc wyraźnie droższe) od bateryjnych, a także infrastruktura niezbędna do ich eksploatacji jest skomplikowana, a sprawność czyli wydajność energetyczna, jest wyraźnie mniejsza wobec bateryjnych.Przypisy:
1. Autobus elektryczny Solaris, 2. Autobus wodorowy ze Świdnika, 3. Porównanie napędu elektrycznego z wodorowym 3.1. 3.2. 4. Autobusy elektryczne droższe w eksploatacji niż spalinowe,