Как «питается» современный автономный электротранспорт?

Дмитрий Янкивский, Антон Лягушкин  |  Среда , 1 мая 2019, 19:10
«Пассажирский Транспорт» анализирует энергетические установки современного автономного электротранспорта - электробусов, троллейбусов с автономным ходом, трамваев, автобусов и поездов на топливных элементах.
Как «питается» современный автономный электротранспорт?

Недавно мы обсуждали внедрение в Украине такого нового для нашей страны вида транспорта, как троллейбусы с автономным ходом и их преимущества перед традиционными дизельными городскими автобусами. Теперь поговорим о том, какие энергетические системы обеспечивают движения современного автономного, т.е. независимого от контактной сети, электротранспорта.

Что интересно, первый электромобиль появился задолго до создания двигателя внутреннего сгорания. Питался он от гальванических элементов, однако на тот момент эти источники питания имели настолько низкую энергетическую эффективности и большую массу, что далее создания прототипов дело не пошло. После создания генераторов постоянного, а потом и переменного тока начал свое активное развитие электротранспорт с питанием от контактной сети (контактного провода или рельсового пути). Два основных вида городского электротранспорта – трамвай и троллейбус появились почти одновременно в начале 1880-х годов – «отцом» трамвая считают украинца Федора Пироцкого, который создал первый трамвайный вагон в Петербурге, а «отцом» троллейбуса – немца Сименса.


Трамвай с рельсовым токосьемом, построенные Федором Пироцким. Рисунок из журнала 1880-х годов.

Появление аккумуляторов снова вернуло интерес к автономному электротранспорту. Однако электротранспорт, который питался от контактной сети оказался менее громоздким (аккумуляторные батареи были весьма объемными и тяжелыми), а кроме того и более дешевым. Однако с середины ХХ века трамвай и троллейбус «потеснили» с городских улиц бензиновые, а потом и дизельные автобусы. Электротранспорт сохранил свои позиции лишь в странах социалистического лагеря и в тех странах, где была дешевая электрическая энергия, например в Швейцарии и Норвегии.

Загрязнение окружающей среды и снижение запасов нефти и газа снова вернули интерес к электрическому транспорту. Сейчас во многих странах снова создаются трамвайные системы. Появление троллейбусов с автономным ходом показало, что на этом виде транспорта также не стоит ставить крест, как казалось несколько лет тому назад.


Первый в мире троллейбус "Электромот" Сименса. Фото 1882 года.

Однако далеко не всегда есть экономический смысл и возможности построить контактные сети для электротранспорта. Именно поэтому с каждым годом возрастает интерес к автономному электротранспорту, то есть к электробусам различных видов. В большинстве случаев электробусы сначала запасают электрическую энергию (во время стоянки в депо или во время движения по контактной сети), а затем расходуют ее на движение.

Одной из первых попыток создать автономный электротранспорт без контактной сети был гиробус. В отличии от современных электробусов, гиробус аккумулировал не электрическую энергию, а механическую. Аккумулятором механической энергии был маховик крупных размеров, размещенный под полом гиробуса. Он «заряжался» раскручиваясь до большой частоты вращения на остановках, где были устроены специальные токосьемные мачты, на которые подавался электрический трехфазный ток промышленной частоты. Гиробус был оборудован токосьемными штангами, которые питали трехфазный электродвигатель, который и раскручивал маховик. Далее, с помощью электрической трансмиссии, похожей на троллейбусную (с генератором на оси маховика, пуско-регулирующими реостатами, тяговым двигателем и т.п.), гиробус приводился в движения. Запаса механической энергии, накопленной маховиком, хватало для того, чтоб проехать расстояние между остановками (до 2 километров).


Гиробус - один из видов автономного электротранспорта с механическим накопителем энергии (маховиком). На фото - момент питания гиробуса трехфазным переменным током для раскрутки маховика.

На практике врагом гиробуса стали дорожные заторы – хотя маховик и вращался в высокоточных подшипниках с малым коэффициентом трения, все равно, из-за сопротивления воздуха в камере маховика и трения в подшипниках, механическая энергия терялась. Именно поэтому гиробус как вид городского транспорта и не получил распространения.

Современные ученые, которые занимаются вопросами гибридного и электрического транспорта, подсчитали, что маховик в качестве накопителя энергии весьма эффективен, поскольку он может накопить 15 – 50 Вт-часов на один килограмм своей массы. В плане удельной мощности он даже намного эффективнее современных аккумуляторных батарей – его показатель удельной мощности составляет 5 – 10 кВт на килограмм. Наиболее перспективными материалами для создания маховиков ученые считают современные композиты. Однако производители транспорта на данный момент не рассматривают серьезно маховики в качестве аккумуляторов энергии для транспорта.


Маховик гиробуса с электроприводом. Фотография 1960-х годов.

Большинство спроектированных и построенных на данный момент электробусов используют в качестве источника питания тяговые аккумуляторные батареи различных типов. Прогресс в отрасли производства аккумуляторных батарей позволил создать электробусы с запасом автономного хода в 200 и более километров.

На данный момент наиболее распространенным типами аккумуляторов являются традиционные свинцово-кислотные, никель-метало-гидридные (NiMH), литий-ионные и литий-полимерные.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи используются уже очень давно. Благодаря постоянным исследованиям и повышению эффективности, а также отлаженной технологии, на данный момент достигнута возможность накапливать в таких аккумуляторах 30…40 Вт-часов на килограмм массы и обеспечивать мощность 150…400 Вт на килограмм массы. Срок службы такого вида аккумуляторов достигает 500…800 зарядов. Созданы варианты свинцово-кислотных аккумуляторов с возможностью быстрой зарядки, а также необслуживаемые гелевые аккумуляторы. Аккумуляторные батареи именно такого типа используются в качестве источника низкого бортового напряжения в большинстве трамваев, троллейбусов и автобусов. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи могут быть использованы в качестве источника энергии для аварийного автономного хода для троллейбусов и трамваев на небольшое расстояние. Главная проблема таких аккумуляторов – небольшое количество циклов заряда-разряда.


Легковые электромобили такси во время зарядки аккумуляторов в парке Сан-Франциско (США) в начале ХХ века.

Никель-металл-гидридные аккумуляторные батареи широко начали использоваться в различных устройствах (цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах, ноутбуках и др.) в 1990-2000-е годы. Аккумуляторы такого типа используются в автомобильной промышленности при создании гибридных автомобилей, в том числе «Prius», которые известны в Украине. Интерес к таким источникам питания проявляют такие автопроизводители, как «Toyota», «Honda», «Ford» и другие. При 90% глубине разряда акумуляторы такого типа могут накапливать от 40 до 70 Вт-часов электроэнергии на один килограмм массы. При 100% заряженности энергетическая эффективность составляет 300…500 Вт/кг. Однако, эти аккумуляторы выдерживают порядка 500 циклов заряда-разряда.

Наиболее современными тяговыми аккумуляторам являются аккумуляторы с литиевыми анодами – литий-ионные и литий-полимерные. Первые из них способны аккумулировать 140…150 Вт-часов электрической энергии на 1 килограмм и имеют удельную мощность в 600…700 Вт на килограмм. Выдерживают такие аккумуляторы около 1000 циклов полного заряда-разряда. Однако в связи с высокими температурами нагрева во время работы они требуют эффективной системы охлаждения и вентиляции, кроме того, они остаются весьма дорогими.


Украинский электробус "Электрон" Е191 со статической зарядкой (ночью в депо) на маршруте во Львове. 2018 г.

Созданные литий-полимерные аккумуляторные батареи имеют рабочую температуру 60 – 120 градусов Цельсия, имеют возможности быстрой зарядки, их энергоемкость даже выше литий-ионных – 150 – 160 Вт-часов на килограмм, однако удельная мощность несколько ниже – 300 – 400 Вт/кг. Усовершенствование технологии производства аккумуляторов такого типа обеспечивает возможность снижения стоимости их производства – в обозримом будущем их цена будет лишь на 20% выше, чем у традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов.


Схема свинцово-кислотного аккумулятора. Именно такие аккумуляторы использовались в первых электромобилях, а сейчас используются в роли источника питания бортовой низковольтной системы трамваев, троллейбусов и автобусов.

Кроме указанных выше трех типов аккумуляторов, используется еще несколько других. В частности, тяговые высокотемпературные аккумуляторные батареи «Zebra» построены на основе хлорида натрия и никеля (NaNiCl2) они могут накапливать 90…100 Вт-часов на 1 килограмм и имеют удельную мощность в 150…160 Вт/кг. Разработаны также цинк-воздушные и алюминий-воздушые тяговые аккумуляторные батареи.

Главные проблемы, с которыми сталкиваются производители электробусов – это ограниченное количество циклов заряда-разряда и высокая стоимость современных типов аккумуляторных батарей. Кроме того, чем большая величина автономного хода транспортного средства – тем большей является масса тяговых аккумуляторов.


Электрохимическая схема работы литий-ионного аккумулятора.

Сделаем небольшую оценку массы тяговых аккумуляторов для привода троллейбуса с автономным ходом, используя два критерия – пробег от аккумуляторных батарей и мощность тягового двигателя.

Примем величину автономного хода троллейбуса в 40 километров. В среднем, при работе в городах с равнинным рельефом, 12-метровые троллейбусы потребляют около 1,0 – 1,2 киловатт-часов на один километр пробега. Простые расчеты показывают, что для такого троллейбуса свинцово-кислотные АКБ будут весить около 1250 кг. (около 10% массы пустого троллейбуса). Никель-металло-гидридные (в среднем) – около 900 килограмм, а литий-полимерные – около 320 килограмм. Заметим, что для того, чтобы избегать полного разряда тяговых АКБ реальный автономный ход троллейбуса будет несколько ниже, особенно в городах со сложным рельефом - или же батареи устанавливаются с определенным резервом емкости и программным ограничением разряда.

Если же учитывать, что минимальную мощность тягового двигателя у 12-метрового троллейбуса составляет около 120 кВт, то исходя из удельной мощности разных типов аккумуляторных батарей получим такие результаты:  (без учета пробега от АКБ) – для свинцово-кислотных батарей минимально необходимая масса для развития такой мощности будет составлять около 400 килограмм, для никель-металло-гидридных 300 килограмм, а для литий-полимерных – 342 килограмма.


Польский сочлененный троллейбус с автономным ходом "Solaris Trollino" с автономным ходом от литий-полимерных тяговых аккумуляторов.

Выводы здесь очень простые – чем выше мощность двигателя и чем больше размер автономного хода, тем тяжелее будут аккумуляторные батареи. Поэтому для электробусов с большим пробегом необходимо выбирать тяговые аккумуляторы, которые имеют одновременно высокую энергоемкость и удельную мощность.

Экономить энергию, накопленную в аккумуляторных батареях, помогает рекуперационное торможение – при торможении двигатель электротранспорта начинает работу в генераторном режиме и заряжает аккумуляторы. Автобусы же при торможении (за исключением гибридных) непродуктивно теряют всю накопленную при разгоне кинетическую энергию.

«Ахиллесовой пятой» всех видов аккумуляторных батарей является относительно небольшое количество циклов заряда и разряда. Именно поэтому сейчас разработчики электрического транспорта обратили свое внимание на электростатические накопители энергии – так называемые «суперконденсаторы» или ионисторы. Хотя эти устройства имеют гораздо более низкие показатели массовой энергоемкости, чем аккумуляторы (около 10 Вт-часов на килограмм массы), благодаря большому сроку службы, отсутствию необходимости технического обслуживания, быстрому заряду и большой удельной мощности они уже начали использоваться в конструкции электрического общественного транспорта.


Схема, которая показывает отличие "суперконденсатора" (ионистора) от других типов конденсаторов.

Первый «суперконденсатор» или ионистор (конденсатор с двойным слоем на угольных электродах) появился в конце 1950-х годов. В 1957 году он был запатентован компанией «General Electric». Далее ионисторы исследовали в компании «Standard Oil of Ohio, Cleveland» (SOHIO), а также корпорациях «NEC» и «Panasonic». Такие конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, и применялись в цепях питания энергозависимой памяти (SRAM). В конце 1970-х ионисторы типа КИП-1 появились в СССР.

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». Они выдерживали без падения емкости около 100 тысяч циклов заряда и разряда.

С 2000-х годов суперконденсаторы начали использовать в транспортном машиностроении. Впервые они были использованы в качестве буферного источника энергии в автомобиле «Honda FCX-V3», который был представлен в 2001 году. В этом автомобиле электропривод от батареи ионисторов обеспечивал высокую динамику автомобиля, который разгонялся до скорости 60 километров в час за 10 секунд. Исследования по использованию ионисторов проводила также немецкая компания «Volksvagen».


Белорусские электробусы Е433 «Vitovt Max Electro», который использует в качестве источника питания батарею "суперконденсаторов".

В начале 2010-х годов електробус с питанием от ионисторов испытывался в Болгарии, а 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 производят в Китае.

Нужно, к сожалению, констатировать, что на данный момент тяговые аккумуляторы и «суперконденсаторы», к сожалению, не могут конкурировать с двигателями внутреннего сгорания по энергоемкости. В основном такой электротранспорт может использоваться в качестве городского, максимум пригородного. Например, в столице Молдовы Кишиневе запущена целая сеть из семи таких пригородных троллейбусных маршрутов - в аэропорт и в шесть окрестных населенных пунктов. 

Существует три основных технологии производства электробусов. 

Классические электробусы с зарядкой от стационарных зарядных станций в депо или ключевых точках маршрутов - обладают дальностью хода на одном заряде от 200 км и более. Большое количество таких электробусов помогает также решить проблему малой загрузки электросетей в ночное время. Их массовое использование создает проблему одновременной зарядки нескольких десятков или сотен машин с большой силой тока. По такой технологии работают электробусы в крупных городах Китая, где их количество в целом оценивается в несколько сотен  тысяч. В Украине такой электробус на данный момент всего один - во Львове. Есть у таких электробусов один большой экономический "плюс" - во многих странах, в том числе и в Украине, существует т.н. "ночной тариф" на электрическую энергию, который ниже дневного.

Электробусы с динамической подзарядкой, они же троллейбусы с автономных ходом. Технически - это те же троллейбусы, но с аккумуляторами для автономного хода на расстояние от 20 до 50 километров. Они могут подзаряжаться от контактной сети во время движения, для них не нужны отдельные зарядные станции. Они также могут часть маршрута проходить под контактной сетью и часть - в автономном режиме. Кроме того, такой транспорт в случае деградации или выхода из строя аккумуляторной батареи может работать как обычный троллейбус. Такие троллейбусы в Украине в ограниченном количестве используются в Днепре, Ровно и Черновцах, эксперименты по их самостоятельной сборке проходят в Одессе.


Троллейбус с автономным ходом в Одессе, переоборудованный из обычного троллейбуса марки "Шкода-21ТР"

Электробусы на суперконденсаторах работают в Минске и Москве. Для маршрутов таких электробусов со сравнительно небольшим автономным ходом необходимы мощные зарядные станции на конечных остановках.

Альтернативой двигателям внутреннего сгорания для транспорта с большим автономным пробегом могут стать энергетические установки с электрохимическим генератором на основе т.н. «топливных элементов».

Топливные элементы чем-то напоминают гальванические элементы или в просторечии «батарейки». Разница в том, что вещества для электрохимической реакции попадают в топливный элемент извне, а в «батарейке» используются те вещества, которые находятся в ее закрытом объеме. Главное преимущество топливных элементов в том, что в них энергия химического взаимодействия сразу превращается в электрическую энергию (постоянный ток). минуя превращения в тепловую и механическую, традиционные для современной энергетики. В качестве «горючего» для топливных элементов используется водород и метанол.

Первый шаг к созданию топливных элементов сделал еще в 1839 году английский ученый У. Гроув, который установил, что атомы водорода и кислорода могут объединяться в молекулы воды без горения, но с выделением тепла и электричества. Практическую реализацию топливного элемента в 1937 году начал профессор Ф. Бэкон. Уже в конце 1950-х годов он построил батарею из 40 топливных элементов мощностью в 5 кВт. Она имела большую массу, работала при высоком давлении и температуре около 200 градусов Цельсия. В дальнейшем топливные элементы использовались для космической промышленности.


Принцип действия топливного водородного топливного элемента.

Современные низкотемпературные топливные элементы используют водород или метанол, который подается со стороны катода и кислород (воздух) на стороне анода. В топливном элементе реагенты втекают, а продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента (в первую очередь - катализатора), чаще всего определяемая их «отравлением» побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

Из множества разработанных типов топливных элементов на транспорте может использоваться четыре типа: со щелочным электролитом, с протонно-обменными мембранами, с твердооксидными электролитами и прямые метанольные топливные элементы. Применять на транспорте другие типы топливных элементов невозможно из-за работы при высоких температурах.


Метанольный топливный элемент легкового автомобиля "Mercedes Benz Necar 2"

Топливный элемент с щелочным электролитом (КОН) был использован в 1982 году в конструкции опытного электромобиля на основе шасси и кузова микроавтобуса РАФ-2203 "Латвия". Этот микроавтобус имел газобаллонную установку для хранения водорода, а также буферную серебряно-цинковую аккумуляторную батарею. На катоде топливного элемента молекулы водорода входили в электрохимическую реакцию с молекулами кислорода, в результате чего образовывались ионы ОН. На аноде эти ионы соединялись с молекулами водорода в результате получали обычную воду. Топливный элемент работал при температуре около 200 градусов Цельсия.

Прямой метанольный топливный элемент использует в качестве электролита протоннообменную мембрану. В результате электрохимической реакции на аноде метанол и вода превращаются в молекулы углекислого газа и позитивно заряженные ионы водорода. На катоде ионы водорода взаимодействуют с молекулами кислорода. Такой топливный элемент работает при температуре 60 градусов Цельсия. Он был использован в электрическом автомобиле «Mercedes Benz Necar 2».

Городской электрический автобус "Mercedes-Benz Citaro" с питанием от водородных топливных элементов на выставке в Брно. 

Топливные элементы с протоннообменными мембранами уже используются на транспорте, в частности уже построены локомотивы и электропоезда мотор-вагонной тяги с питанием от топливных элементов. В качестве «горючего» здесь используется водород, а в качестве окислителя – кислород воздуха. Температурный режим – около 80 градусов Цельсия.

На данный момент все типы топливных элементов имеют коэффициент полезного действия в 30 – 50%, удельная мощность на 1 кв. метр поверхности, на которой проходит реакция – 2 – 6 кВт. Стоимость в расчете на 1 кВт составляет 200 – 1500 долларов США. Срок службы превышает 10 – 40 тыс. часов. Высокая стоимость топливных элементов связана с тем, что анод и катод в них – это проводящие катализаторы – платина, нанесенная на высокоразвитую углеродную поверхность.


Региональный электропоезд с питанием от водородных топливных элементов в Германии.

Исследования показали, что топливные элементы, в силу низкой скорости химических реакций, обладают значительной инертностью и для работы в условиях пиковых или импульсных нагрузок (что характерно для транспорта) требуют определённого запаса мощности или применения суперконденсаторов или аккумуляторных батарей.

Использование топливных элементов для транспорта в первую очередь сдерживается отсутствием инфраструктуры для заправки водородом. Сами запасы водорода фактически неиссякаемы (вода морей и океанов), которая в результате работы топливного элемента снова возвращается в окружающею среду. Водород можно получать способом электролиза воды, однако при использовании традиционной тепловой генерации (с сжиганием угля, мазута и пр.) это не эффективно. Поэтому переход транспорта на использование топливных элементов возможен при переходе на атомную генерацию, а также на использование альтернативных источников энергии.

Подводя итоги, скажем, что на данный момент источники энергии для транспорта, альтернативные двигателям внутреннего сгорания, имеют пока очень высокую цену. Однако, из-за борьбы за чистоту окружающей среды и возможности быстрого исчерпания запасов углеводородов, в развитых странах мира ведется работа по усовершенствованию автономного электротранспорта. Однако, чтоб такой транспорт был эффективным нужны изменения в энергетике – развитие атомной и альтернативной генерации.

comments powered by HyperComments