Почему Украине нужны троллейбусы с автономным ходом
Общественный транспорт Европы сейчас активно переходит на электрическую тягу. Такой процесс происходит уже не впервые – в 1920-40-е годы в Европе также был значительный интерес к электротранспорту, и в первую очередь – к троллейбусному транспорту. Однако пережив значительный подъем, троллейбусный транспорт начиная с 1950-х годов начал переживать резкий спад. Троллейбусное сообщение продолжало развиваться только в СССР и еще нескольких странах социалистического лагеря, например в Чехословакии, Румынии, Болгарии. Даже часть стран социалистического лагеря считала троллейбус неактуальным видом транспорта и закрывало уже построенные системы, как например Польша и Восточная Германия.
Что до стран «Старой Европы», то тут троллейбус сохранил свои позиции только в некоторых странах, например в Швейцарии. Что до этой страны, то «ларчик открывается просто»: в этой стране были значительные энергоресурсы за счет ГЭС – в эпоху Второй Мировой тут переоборудовали с установкой электронагревателей паровозы в своеобразные «электропаровозы».
Итак, начиная с 1950-х годов одним из основных видов городского транспорта в Европе стали автобусы. Они были дешевле троллейбусов, да и бензин и дизельное топливо сначала было не очень уж и дорогим. На вредные выбросы долгое время не обращали внимание.
В прошлом году украинские города активно покупали новые дизельные автобусы, в частности Львов купил 150 автобусов МАЗ и "Электрон". Фото Александра Вельможко.
Интерес к электрическому транспорту снова возник в связи как с повышением цены бензина и дизельного топлива, так и в связи с экологическими проблемами, особенно в больших городах. В «Старой Европе» в основном говорят о переходе к «классическим электробусам», т.е. транспорту, который питается исключительно от заряда аккумуляторов. В других же странах, где сохранились линии классического троллейбуса, как вариант рассматривают «частичные» троллейбусы, т.е. троллейбусы с автономным ходом от аккумуляторов. Частичными их называют потому, что они только на части трассы питаются от троллеи – т.е. контактной сети.
Что до нашей страны, то как говорят данные Министерства инфраструктуры Украины, количество троллейбусов в нашей стране по сравнению с 1991 годом уменьшилось более чем вдвое. Пример таких городов как Винница или Житомир, где сохранилось большое количество «рогатых» единичный. Для примера, во Львове количество троллейбусов с 1991 по 2019 годы сократилось в четыре раза.
Итак, какие преимущества имеет «классический» троллейбус перед автобусом? В первую очередь, это нулевые вредные выбросы в атмосферу. Во вторых – значительно большая надежность привода транспортного средства, а также более высокая ремонтопригодность. Есть и экономический фактор – при торможении автобус теряет накопленную кинетическую энергию впустую – она тратится на нагрев тормозных колодок. Троллейбус же может при торможении возвращать электрическую энергию в сеть за счет рекуперации, когда его двигатель переходит в генераторный режим и превращает накопленную кинетическую энергию в электрическую.
Проигрывает троллейбус автобусу по той причине, что он «привязан» к контактной сети. Эта самая контактная сеть вместе с кабельными линиями и тяговыми подстанциями требует весьма значительных инвестиций как в строительство так и обслуживание. Именно поэтому строительство троллейбусной инфраструктуры при низком пассажиропотоке и малом количестве рейсов экономически невыгодно. Именно поэтому советские экономисты причисляли троллейбус к массовым видам транспорта, который создается при наличии крупных пассажиропотоков.
Троллейбус с автономным ходом на пригородной линии в городе Гдыня (Польша).
Итак, фактически единственным преимуществом автобуса перед троллейбусом является его мобильность – кроме самой дороги ему и не нужно практически никакой другой инфраструктуры.
Разберем детальнее преимущества троллейбуса перед автобусом по надежности и ремонтопригодности. Вспомним что двигатель внутреннего сгорания, как дизельный, так и бензиновый это весьма сложная механическая система с поршневой группой, шатунами, коленчастым валом и т.д. В регулировании скорости движения автобуса принимает участие также механическая система – коробка передач. Все эти механизмы со временем изнашиваются. В частности, износ цилиндров и поршней и появление значительных зазоров ведет к падению тяги и увеличению потребления топлива.
Что до троллейбуса, то электродвигатель в смысле механики относительно прост, особенно современный асинхронный двигатель. Фактически, с точки зрения механики, изнашиваются только подшипники качения. Скорость движения троллейбуса регулируется только за счет электрической системы управления тяговым электродвигателем. Трансмиссия также очень проста – карданный вал, основной и колесные редукторы. Вот, фактически и вся механика привода.
Двигатель внутренного сгорания, а также современная автоматическая коробка передач требует для своего ремонта специализированного высокоточного оборудования. Установка такого оборудования в условиях эксплуатирующего предприятия экономически невыгодна.
Что до тяговых электродвигателей троллейбусов, то фактически все троллейбусные депо Украины освоили их капитальный ремонт собственными силами. Также не составляет больших трудностей и ремонт троллейбусных редукторов. Хотя современные системы управления тяговым электроприводом довольно сложны, однако они имеют высокий уровень надежности и, как правило, имеют систему внутренней самодиагностики. Более того, большинство неисправностей выявляется с помощью универсального оборудования – «тестеров» и осциллографов. Как правило, нескольких квалифицированных электроников достаточно для того, чтоб обслуживать десятки троллейбусов.
Подведя итоги можем сказать следующее – жизнь автобуса, фактически, определяется сроком жизни его двигателя внутреннего сгорания и автоматической коробки передач – это весьма дорогие компоненты автобуса, окончательный выход из строя которых делают восстановление автобуса нерентабельным. Срок жизни троллейбуса, определяется скорее сроком жизни кузова – все элементы электропривода, как правило, не так проблематично заменить, а их одновременный выход из строя маловероятен. Именно поэтому срок жизни троллейбусов и в Украине, и за границей значительно выше, чем у автобусов.
Существующий в единственном экземпляре украинский электробус со статической зарядкой "Электрон" Е191.
Если говорить о «классическом» электробусе с статической зарядкой ночью в депо, то он одновременно сочетает в себе все преимущества автобуса и троллейбуса. Он, как и троллейбус, может за счет рекуперации использовать накопленную кинетическую энергию – в данном случае она пойдет на заряд аккумуляторов.
Учтем еще тот факт, что электричество в ночное время дешевле, чем днем, и увидим, что несмотря на цену, значительно более высокую, чем у автобуса, электробус со статической зарядкой может быть рентабельным.
Однако, распространение такого вида транспорта сдерживает один фактор – это сочетание массы и заряда аккумуляторов. Величина заряда на единицу массы аккумуляторов является физической константой, которая зависит от материалов аккумуляторной батареи. Выходит, чем больший заряд, тем большая и масса аккумуляторов. Увеличение массы подвижного состава нежелательно, поэтому пробег классических электробусов ограничен – у большинства современных моделей он не превышает 200 километров. А такой величины, как правило, недостаточно для работы на маршрутах на протяжении дня.
Решить эту проблему позволяют электробусы с динамической подзарядкой аккумуляторов. Динамическая зарядка занимает значительно меньше времени, хотя требует значительно более высоких токов зарядки и специальной зарядной инфраструктуры. В качестве такой инфраструктуры в городах, где уже работает классический троллейбус, может служить его контактная сеть.
Итак, при высокой мобильности электробус с динамической подзарядкой или же троллейбус с значительным автономным ходом стает весьма экономически и экологически выигрышным вариантом для городов с существующей троллейбусной инфраструктурой. Такой вид транспорта эффективен и в городах, где уже есть другая инфраструктура электротранспорта, например трамвайная, с тяговыми электроподстанциями. Таким образом, например, организовали экспериментальную троллейбусную линию в Праге – на части маршрута устроили контактную сеть для зарядки аккумуляторов троллейбуса, на остальной части маршрута троллейбус способен ехать от заряда этих аккумуляторов. Саму контактную сеть троллейбуса запитали от тяговой электроподстанции трамвая.
Теперь немного о стоимости самой техники и расходах на ее владение. Как правило, обычный троллейбус примерно в полтора раза дороже автобуса. Этот фактор связан скорее не с их конструктивной сложностью, а с тем, что производство автобусов является более крупносерийным, чем троллейбусов. Тут накладывается тот фактор, что разработка надежной системы управления тяговым электроприводом – довольно затратный процесс. И дело тут скорее не в силовой схемотехнике и стоимости мощных транзисторов, а в разработке специального программного обеспечения для микроконтроллеров, которые и управляют работой системы. Разработка «софта» для таких систем требует как знаний электрических процессов в системе привода, так и глубоких специфических знаний в программировании. Поскольку есть значительная конкуренция на рынке производства систем управления тяговым электроприводом, то именно интеллектуальная составляющая значительно повышает стоимость таких систем. Если же производство троллейбусов и электробусов станет более массовым, то снизится и себестоимость системы управления.
Если говорить про троллейбусы с аккумуляторами, то анализируя цены на отечественные и зарубежные модели, они примерно в полтора раза дороже обычных, т.е. примерно два раза дороже обычных дизельных автобусов – их стоимость увеличивается пропорционально величине автономного хода.
Если говорить о «классических» электробусах со статической зарядкой, то в Украине пока что изготовлен единственный экземпляр такой техники – это львовский электробус «Электрон» Е191, который город купил почти за 10 млн. гривен, то есть он более чем в два с половиной раза дороже обычного дизельного автобуса.
Электробусы "БКМ E433 Vitovt Max Electro" в Минске.
С точки зрения владения и эксплуатации отметить и еще один немаловажный фактор – тяговые аккумуляторы способны выдержать только определенное количество циклов заряда и разряда. Это весьма значительно повышает стоимость владения такой техникой по сравнению с обычными троллейбусами, так как современные аккумуляторы большой емкости по прежнему весьма дорогие. С увеличением числа электротранспорта, оборудованного такими аккумуляторными батареями, возникнет проблема с их утилизацией. Троллейбусы с автономным ходом появились относительно недавно, поэтому еще нет возможности точно оценить экономические факторы, связанные с износом аккумуляторов и их утилизацией. Однако, не будем забывать, что у автобусов с двигателями внутреннего сгорания расход топлива растет с износом поршневой группы и цилиндров. Ремонт ДВЗ с расточкой цилиндров – это тоже весьма недешевый процесс.
Технологии идут вперед, поэтому сейчас разрабатываются транспортные средства, где энергия накапливается не аккумуляторных батареях, а в т.н. «супеорконденсаторах» или ионисторах. Кратко расскажу, что это такое.
Первый ионистор, т.е. конденсатор с двойным слоем на угольных электродах был разработан и запатентован в 1957 году в США компанией «General Electric». На тот момент еще не была до конца ясна физическая суть процесса накопления значительной энергии в ионисторах, было сделано предположение, что энергия накапливается за счет пор на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда».
Исследования ионисторов продолжили компании «Standard Oil of Ohio, Cleveland» (SOHIO), а также корпорации «NEC» и «Panasonic». Последняя назвала свой продукт «Золотой конденсатор». Такие конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, и применялись в цепях питания энергозависимой памяти (SRAM).
В СССР были разработаны ионисторы КИ1-1 и они имели ёмкость от 0,1 до 50 Ф в зависимости от типоразмера.
Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под названием «PRI Ultracapacitor».
Несмотря на высокую цену, суперконденсаторы в отличии от аккумуляторов, даже самых современных, не ухудшают своих электрических свойств даже после огромного количества циклов зарядки и разрядки (эксперименты проводились с 100 тысячами циклов зарядки и разрядки, которые не приводили к ухудшениям электрических свойств по накоплению энергии).
Ионисторы или суперконденсаторы всерьез рассматриваются в качестве источника энергии для питания троллейбусов с автономным ходом с конца 1990-х годов. Ряд компаний проводили исследования и построили транспортные средства-прототипы, которые запасают электрическую энергию в ионисторах. В Украине исследованиями этого вопроса (к сожалению, теоретическими) занимаются в Харьковском национальном автомобиледорожном университете.
Электробус с питанием от ионисторов в начале 2010-х годов проходил испытания в Болгарии. Совместно с китайцами над созданием и запуском в серийное производство электробуса на ионисторах занимаются в Беларуси. С мая 2017 в Минске работают первые белорусские электробусы «Белкоммунмаш» Е433 «Vitovt Max Electro» на ионисторах. Электробусы заряжаются на трёх зарядных станциях, расположенных в конечных точках маршрутов. Зарядка током 500 ампер длится 5 – 8 минут. Пустой электробус на одном заряде проезжает 20 км. Ионисторы производит ООО «Чэнду Синьджу Шелковый Путь Развитие» в китайско-белорусском промышленном парке «Великий камень». Этот опыт подсказывает, что накопление энергии в ионисторах вместо аккумуляторов возможно и для троллейбусов с автономным ходом.
Троллейбусы с автономным ходом в столице Молдовы Кишиневе. Автор фото - Мирослав Ротари, сайт "Спутник".
Итак, сделаем небольшие выводы. Использование троллейбусов с автономным ходом в городах, уже имеющих троллейбусные системы с контактными сетями дает возможность значительно расширить сеть маршрутов, так как курсирование троллейбусов с автономным ходом будет экономически выгодным там, где строить контактную сеть с тяговыми подстанциями будет нецелесообразно. Троллейбусы со значительным автономным ходом (более 20 километров), смогут охватить электротранспортом пригородные поселки и села: такой транспорт уже внедряется в околицах столицы Молдовы Кишинева и это при том, что Молдова даже беднее Украины.
В пользу троллейбусов с автономным ходом играет их высокая экономичность, высокая надежность и ремонтопригодность, по сравнению с традиционными автобусами с двигателями внутренного сгорания. Новые технологии, например внедрения ионисторов вместо аккумуляторов может значительно повысить срок службы источника питания для автономного хода.
Однако, к сожалению, власти городов Украины все еще отдают преимущество закупке городских дизельных автобусов. Так поступили, к примеру, Львов и Ивано-Франковск, обладающие весьма развитыми троллейбусными системами, которые могли бы сделать ставку на троллейбусы с автономным ходом. Будем надеяться, что отношение к электрическому транспорту в городах Украины таки изменится и мы в ближайшее время увидим значительное увеличение производства троллейбусов с автономным ходом в Украине. Производство такого транспорта, кстати, уже освоено всеми украинскими производителями троллейбусов.
Перевод с украинского Антона Лягушкина.
