Autobus elektryczny bez kabla i pantografu. Winduction opracował ładowanie przez koła

Rozwiązanie wykorzystuje cewki indukcyjne umieszczone w nawierzchni drogi i oponach autobusu, osiągając według producenta sprawność transferu energii przekraczającą 90%. Technologia ma pozwolić na zmniejszenie pojemności baterii trakcyjnych, ograniczenie masy pojazdów i kosztów eksploatacji, a pierwszy pilotaż z pasażerami zaplanowano na 2028 rok w rejonie lotniska w Zurychu. O wcześniejszych rozwiązaniach umożliwiających indukcyjne zasilanie autobusów elektrycznych podczas postojów na przystankach i pętlach pisaliśmy już wcześniej w TransInfo.pl.

Rozkład jazdy: ładowanie elektrobusów przez opony

1. Jak działa technologia Winduction i dlaczego energia jest przekazywana przez koła autobusu?
2. Jakie oszczędności może zapewnić ładowanie indukcyjne na przystankach w porównaniu z ładowaniem nocnym w zajezdni?
3. Kiedy Winduction rozpocznie testy z pasażerami i jakie znaczenie ma planowany pilotaż w Zurychu?

Autobus ładuje baterie bez kabla i pantografu

Szwajcarski startup Winduction, wywodzący się z ETH Zurich, opracował system ładowania autobusów elektrycznych, w którym energia jest przekazywana z nawierzchni drogi bezpośrednio przez koła pojazdu. Technologia eliminuje potrzebę podłączania kabla lub korzystania z pantografu podczas postoju na przystanku. Podstawą rozwiązania jest indukcyjny transfer energii pomiędzy elementami infrastruktury drogowej i specjalnie przygotowanymi oponami.

Pierwszy prototyp systemu został zainstalowany w starszym autobusie pocztowym, wykorzystywanym jako pojazd testowy. Pod tylnym kołem autobusu znajduje się płyta indukcyjna o powierzchni zbliżonej do podstawy wózka sklepowego. Po zatrzymaniu pojazdu na odpowiednio przygotowanym stanowisku rozpoczyna się przekazywanie energii do baterii trakcyjnej.

Podczas demonstracji technologia umożliwiała ładowanie akumulatora bez jakiegokolwiek fizycznego połączenia elektrycznego pomiędzy autobusem i stacją. Energia przepływała przez układ indukcyjny, a poziom naładowania baterii systematycznie wzrastał. To obecnie rozwiązanie prototypowe, które ma zostać rozwinięte do standardu umożliwiającego eksploatację w regularnej komunikacji autobusowej.

Za projektem stoją Sonam Bhuka, Sylvain Fricker i Laurin Schwitter, trzej założyciele Winduction. Firma powstała jako spin-off ETH Zurich i koncentruje się na opracowaniu technologii ładowania dostosowanej do specyfiki transportu publicznego. Jej celem jest przede wszystkim ograniczenie kosztów całego systemu autobusowego, a nie tylko skrócenie czasu ładowania pojedynczego pojazdu.

Cewki indukcyjne w oponach zamiast w podwoziu

Klasyczne systemy indukcyjnego ładowania pojazdów elektrycznych wykorzystują dwie cewki, pomiędzy którymi energia przekazywana jest za pomocą pola magnetycznego. Pierwsza znajduje się w podłożu, a druga jest montowana w podwoziu pojazdu. Rozwiązanie pozwala na ładowanie bezprzewodowe, ale jego efektywność zależy między innymi od odległości pomiędzy cewkami.

W przypadku autobusów odległość pomiędzy nawierzchnią a podwoziem jest stosunkowo duża i może różnić się w zależności od konstrukcji pojazdu. Wpływa to na sprawność przekazywania energii oraz wymagania dotyczące układu ładowania. Winduction postanowił ograniczyć tę odległość, przenosząc element odbiorczy bezpośrednio do koła autobusu.

„Jedynym elementem każdego pojazdu, który zawsze ma kontakt z podłożem, są koła” – wyjaśnia Sylvain Fricker, współzałożyciel Winduction odpowiedzialny za rozwój technologii.

System wykorzystuje cewki indukcyjne zamontowane w płycie umieszczonej w nawierzchni drogi. Są one zasilane z sieci elektroenergetycznej i wytwarzają pole magnetyczne, które jest odbierane przez drugi zestaw cewek zintegrowanych ze specjalnie opracowaną oponą. Następnie energia trafia do pokładowego układu elektrycznego i baterii trakcyjnej.

Takie rozwiązanie pozwala znacząco zmniejszyć odległość pomiędzy elementami układu indukcyjnego. Według Winduction sprawność przekazywania energii od płyty w nawierzchni do pojazdu przekracza 90%, co oznacza straty poniżej 10% energii doprowadzonej do płyty. Jest to parametr przedstawiony przez twórców technologii, a nie wynik niezależnych długoterminowych testów w regularnym ruchu pasażerskim.

Nowe opony bez stalowego opasania

Największym wyzwaniem technicznym okazało się umieszczenie elementów indukcyjnych w oponie autobusu. Standardowe opony pojazdów ciężkich zawierają stalowe elementy wzmacniające, zapewniające odpowiednią stabilność i wytrzymałość konstrukcji. W obecności zmiennego pola magnetycznego stal może jednak powodować straty energii związane z nagrzewaniem się materiału.

Aby ograniczyć ten problem, Winduction wspólnie z partnerami przemysłowymi rozwija specjalną oponę pozbawioną stalowego opasania. Jej konstrukcja ma umożliwiać efektywne przekazywanie energii przez pole magnetyczne, bez strat charakterystycznych dla tradycyjnych rozwiązań. Jest to jeden z najważniejszych elementów odróżniających technologię od klasycznego ładowania indukcyjnego.

Nowa konstrukcja opony będzie droższa od standardowego ogumienia autobusowego. Według Laurina Schwittera, dyrektora generalnego Winduction, wzrost kosztu pojedynczej opony ma jednak niewielkie znaczenie w całkowitym bilansie zakupu i eksploatacji autobusu. Firma zakłada, że dodatkowy koszt zostanie zrekompensowany oszczędnościami wynikającymi z zastosowania mniejszych baterii oraz uproszczenia infrastruktury ładowania.

Opracowanie ogumienia jest jednak tylko jednym z etapów niezbędnych do wdrożenia technologii. Konieczne będzie także potwierdzenie trwałości układu podczas wieloletniej eksploatacji, odporności na obciążenia mechaniczne i wpływu warunków drogowych na sprawność ładowania. Parametry takie jak przebieg opony, koszt jej wymiany i zachowanie układu indukcyjnego w różnych warunkach pozostają istotne dla przyszłych przewoźników.

Mniejsze baterie mogą obniżyć koszt elektrobusu

Podstawowym założeniem Winduction jest zmiana sposobu projektowania całego systemu autobusowego. Obecnie wielu operatorów wykorzystuje autobusy wyposażone w duże magazyny energii, które są ładowane nocą w zajezdniach. Taki model wymaga stosowania pojemnych baterii, umożliwiających realizowanie całodniowych zadań przewozowych bez konieczności częstego uzupełniania energii.

Duże baterie zwiększają masę własną pojazdu, wpływają na jego cenę zakupu oraz obciążenie poszczególnych podzespołów. Mogą również ograniczać przestrzeń dostępną dla pasażerów lub wpływać na dopuszczalną ładowność autobusu. Winduction proponuje zastąpienie części pojemności baterii regularnym uzupełnianiem energii podczas codziennych postojów.

„Uważamy, że autobusy elektryczne można eksploatować znacznie taniej, jeśli będą regularnie ładowane bezprzewodowo podczas pracy” – powiedział Laurin Schwitter, dyrektor generalny Winduction.

Zaletą rozwiązania ma być możliwość korzystania z krótkich postojów, które już występują w rozkładzie jazdy. Autobus nie musi opuszczać linii, aby podłączyć się do ładowarki, a proces przekazywania energii rozpoczyna się po ustawieniu koła na odpowiedniej płycie. Dzięki temu możliwe byłoby zmniejszenie pojemności baterii przy zachowaniu wymaganej dostępności pojazdu.

Producent nie podał jeszcze docelowej pojemności baterii dla autobusów wykorzystujących ten system ani szczegółowych parametrów mocy ładowania. Nie przedstawiono również potwierdzonej ceny zestawu indukcyjnego w wersji seryjnej. Na obecnym etapie korzyści ekonomiczne wynikają z analiz i założeń technicznych, które mają zostać zweryfikowane podczas kolejnych testów.

Zurych: ładowanie na dwóch z 24 przystanków

Winduction przeanalizował możliwość wykorzystania technologii na linii autobusowej łączącej lotnisko w Zurychu z dzielnicą Oerlikon. To przykład trasy, na której autobusy elektryczne mogłyby korzystać z ładowania podczas codziennej obsługi pasażerów. Analiza zakłada ograniczenie liczby punktów ładowania do wybranych przystanków.

Według obliczeń firmy na trasie obejmującej 24 przystanki wystarczyłyby dwa stanowiska wyposażone w płyty indukcyjne. Autobusy miałyby uzupełniać energię przez łącznie około trzy godziny podczas 16-godzinnego okresu pracy. Nie oznacza to jednego trzygodzinnego postoju, lecz sumę krótszych okresów ładowania rozłożonych w ciągu dnia.

Dla porównania, autobusy elektryczne obecnie wykorzystywane na tej trasie są ładowane jednocześnie przez około pięć godzin nocą w zajezdni. Wymaga to odpowiednio dużej mocy infrastruktury oraz baterii umożliwiających pokrycie dziennego zapotrzebowania na energię. Winduction zakłada, że rozłożenie ładowania na cały dzień pozwoli zmniejszyć wymagania dotyczące mocy przyłączeniowej i magazynów energii.

W modelu przedstawionym przez startup krótsze postoje na przystankach mają także ograniczyć zapotrzebowanie na autobusy rezerwowe. Pojazdy nie musiałyby być wyłączane z ruchu na dłuższy czas wyłącznie w celu uzupełnienia energii. Ostateczna skala tych korzyści będzie jednak zależała od przebiegu trasy, częstotliwości kursów i rzeczywistego zapotrzebowania energetycznego autobusów.

Winduction nie podał jeszcze procentowej wartości oszczędności możliwych do uzyskania w całym okresie eksploatacji linii. Trwające studium wykonalności, prowadzone we współpracy z operatorami transportowymi, ma określić ich rzeczywistą skalę. Wyniki będą miały znaczenie przy podejmowaniu decyzji o ewentualnym komercyjnym wdrożeniu systemu.

Ładowanie w dzień zamiast nocnego szczytu energetycznego

Jedną z potencjalnych korzyści technologii jest zmiana profilu poboru energii przez flotę autobusową. W tradycyjnym modelu zajezdniowym duża liczba autobusów rozpoczyna ładowanie po zakończeniu pracy liniowej. Powoduje to koncentrację zapotrzebowania na energię w określonych godzinach i może wymagać rozbudowy infrastruktury elektroenergetycznej.

W systemie Winduction pobór energii byłby rozłożony na kilkanaście godzin pracy autobusów. Ładowanie odbywałoby się w różnych momentach dnia, podczas postojów na wybranych przystankach. Firma zakłada, że takie rozwiązanie pozwoli ograniczyć szczytowe obciążenia sieci w porównaniu z jednoczesnym nocnym ładowaniem wielu pojazdów.

Znaczenie ma również rosnąca produkcja energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznych. W okresach dużego nasłonecznienia energia może być tańsza w ciągu dnia, co stwarza możliwość wykorzystania korzystniejszych warunków cenowych. Nie jest to jednak zależność stała, ponieważ ceny energii i dostępność produkcji odnawialnej zmieniają się w zależności od lokalnego rynku i warunków pogodowych.

Dla przewoźników najważniejszy pozostaje całkowity koszt obsługi linii, obejmujący zakup autobusów, zużycie energii, infrastrukturę, serwis, personel i finansowanie. Winduction zakłada, że ograniczenie pojemności baterii oraz wykorzystanie stosunkowo prostych punktów ładowania w nawierzchni pozwoli zmniejszyć te koszty. Potwierdzenie tej tezy będzie wymagało jednak przeprowadzenia testów obejmujących pełny cykl pracy autobusów.

Winterthur: laboratorium i własny przystanek testowy

Kolejnym etapem rozwoju technologii jest budowa infrastruktury badawczej w Winterthur. Winduction przygotowuje tam laboratorium oraz własny przystanek testowy, które pozwolą prowadzić próby w warunkach zbliżonych do rzeczywistej eksploatacji. Projekt otrzymał wsparcie szwajcarskiego Federalnego Urzędu Transportu oraz Swiss Climate Foundation.

Celem badań będzie zintegrowanie wszystkich elementów systemu: płyty indukcyjnej, specjalnej opony, układu przekazywania energii i baterii trakcyjnej. Startup zamierza również opracować rozwiązanie dostosowane do wymagań przemysłowych, a nie wyłącznie demonstracji laboratoryjnych. Będzie to kolejny krok od działającego prototypu do pojazdu przystosowanego do regularnej eksploatacji.

„Naszym celem jest jak najszybsze zbudowanie w pełni przebudowanego autobusu elektrycznego, który będzie mógł być użytkowany również poza naszym prywatnym terenem testowym” – wyjaśnił Laurin Schwitter.

Firma prowadzi rozmowy z kilkoma szwajcarskimi operatorami transportu publicznego. Jednym z rozważanych miejsc pilotażu jest okolica lotniska w Zurychu, gdzie można byłoby sprawdzić technologię na rzeczywistej trasie autobusowej. Nie ogłoszono jeszcze zawarcia ostatecznej umowy na regularne wdrożenie systemu.

Pierwszy pilotaż z pasażerami w 2028 roku

Winduction planuje rozpoczęcie pierwszego pilotażu w 2028 roku. Testy mają odbywać się w rzeczywistych warunkach drogowych, z wykorzystaniem autobusu przystosowanego do ładowania przez koła. Po raz pierwszy planowany jest również przewóz pasażerów pojazdem wyposażonym w nową technologię.

W czasie prób oceniana będzie współpraca infrastruktury drogowej z autobusem oraz możliwość uzupełniania energii podczas standardowych postojów. Istotne będzie również sprawdzenie wpływu rozwiązania na organizację rozkładów jazdy i codzienną obsługę techniczną. Dopiero po takim etapie będzie można ocenić gotowość technologii do szerszego zastosowania.

Nie podano jeszcze producenta docelowego autobusu, który ma zostać wykorzystany podczas pilotażu. Nie przedstawiono również harmonogramu ewentualnego uruchomienia produkcji seryjnej ani liczby pojazdów, które mogłyby zostać objęte pierwszym wdrożeniem. Rok 2028 pozostaje więc terminem planowanego testu operacyjnego, a nie rozpoczęcia komercyjnej sprzedaży systemu.

Transportowe tło

Ładowanie elektrobusów podczas postojów nie jest nową koncepcją w europejskim transporcie publicznym. Od lat wykorzystywane są rozwiązania oparte na pantografach, które umożliwiają szybkie uzupełnianie energii na pętlach i wybranych przystankach. Takie systemy rozwijają między innymi Ekoenergetyka, ABB E-mobility, Siemens oraz Heliox, oferując infrastrukturę przeznaczoną dla autobusów różnych producentów.

Również bezprzewodowe ładowanie indukcyjne było wcześniej przedmiotem projektów badawczych i wdrożeniowych. Klasyczne rozwiązania wykorzystywały jednak cewki zamontowane pod podwoziem autobusu, co wymagało zachowania odpowiedniej odległości i ustawienia pojazdu względem elementów infrastruktury. Winduction wyróżnia się przeniesieniem części układu indukcyjnego do opony, co ma zmniejszyć straty energii.

Największą potencjalną korzyścią nowej technologii jest możliwość ograniczenia wielkości magazynu energii bez zmniejszania dziennej pracy przewozowej autobusu. Dla producentów pojazdów mogłoby to oznaczać redukcję masy własnej i kosztu baterii, natomiast dla operatorów mniejsze nakłady na infrastrukturę ładowania zajezdniowego. Są to jednak na razie korzyści przewidywane, które wymagają potwierdzenia w eksploatacji.

Wprowadzenie specjalnego ogumienia będzie jednocześnie oznaczało nowe wymagania dotyczące utrzymania technicznego. Przewoźnicy musieliby uwzględnić dostępność opon kompatybilnych z systemem, ich trwałość oraz koszty wymiany. Ważne będzie także potwierdzenie niezawodności ładowania w różnych warunkach atmosferycznych i drogowych.

Z punktu widzenia rynku technologia Winduction może stanowić alternatywę dla części systemów ładowania pantografowego i nocnego ładowania zajezdniowego. Nie oznacza to jednak automatycznego zastąpienia istniejącej infrastruktury, ponieważ opłacalność będzie zależała od długości tras, częstotliwości kursowania, liczby autobusów i możliwości przebudowy przystanków.

Pierwszy istotny sprawdzian rozwiązania zaplanowano na 2028 rok w rejonie Zurychu. To właśnie pilotaż z pasażerami ma pokazać, czy deklarowana sprawność przekraczająca 90%, możliwość ładowania na zaledwie dwóch z 24 przystanków oraz ograniczenie wielkości baterii mogą przełożyć się na rzeczywiste oszczędności. Dla operatorów transportu publicznego najważniejszy będzie nie sam sposób przekazywania energii przez opony, ale jego wpływ na koszt zakupu i wieloletniej eksploatacji całej floty.