Alternatywne układy napędowe w autobusach NEOMAN: napęd hybrydowy i wodorowy

Jako duży koncern zajmujący się produkcją samochodów użytkowych, MAN Nutzfahrzeuge nie może zapominać o jednej z ważniejszych ról, jaką ma do wykonania –poszukiwania i testowania napędów alternatywnych. Oprócz autobusów zasilanych gazem ziemnym, o których pisaliśmy już dotąd sporo, MAN pracuje także nad innymi alternatywnymi źródłami napędu. Podczas zbliżających się targów IAA w Hanowerze, firma zaprezentuje efekty swoich działań w postaci ciężarówki z napędem hybrydowym oraz autobusu zasilanego wodorem.

 

Wprowadzając do autobusów miejskich i ciężarówek dystrybucyjnych napęd hybrydowy, konstruktorzy MAN bazują na dotychczasowych doświadczeniach, stosując różne rozwiązania do obu zastosowań. Pod uwagę brane są wymogi eksploatacyjne obu typów pojazdów. Napęd hybrydowy już od kilku lat jest testowany w autobusach miejskich, natomiast w ciężarówkach dystrybucyjnych –dopiero od tego roku. Podczas targów IAA 2006 w Hanowerze, MAN zaprezentuje testową ciężarówkę dystrybucyjną z napędem hybrydowym, bazującym na systemie EDA. Układ ten na bieżąco monitoruje system automatycznego uruchamiania i wyłączania silnika, specyficzny dla danego zastosowania napęd elektryczny, zastosowanie funkcji sprzęgła, wspomaganą elektrodynamicznie synchronizację zmian biegów oraz dodatkowy generator zapewniający dodatkową moc. Pierwsze wyniki wskazują, że w zależności od rodzaju eksploatacji, oszczędności w zużyciu paliwa wynoszą do 10%. Dwie ciężarówki dystrybucyjne z równoległym hybrydowym układem napędowym: jedna z nich wyposażona w alternator rozruchowy (MAN TGL OPTISTRANG), zintegrowany w obudowę sprzęgła, a druga w ruchomy element elektrodynamiczny (EDA), opracowany wspólnie z ZF Friedrichshafen, zostaną zademonstrowane zwiedzającym podczas wrześniowych targów IAA w Hanowerze.

 

 

W ramach projektu badawczego, MAN Nutzfahrzeuge unowocześniło swój autobus hybrydowy „ultracap”, testowany już w systemie komunikacyjnym Norymbergi od 2001 r. poprzez optymalizację pracy różnych elementów. Zastosowano w nim. m.in. nowo opracowany system magazynowania energii ultracap, zoptymalizowano układ napędowy pod kątem poszczególnych dodatkowych urządzeń do niego podłączonych, ulepszono układ zarządzania energią, dodając do niego funkcję automatycznego załączania i wyłączania silnika.

Ten ulepszony prototyp był testowany przez kilka miesięcy w ruchu liniowym przez VAG Norymberga w 2005 r. Umożliwiło to bezpośrednie porównanie efektów wprowadzonych ulepszeń w zakresie optymalizacji układu napędowego. Podczas, gdy w klasycznych autobusach z mechanicznymi hamulcami, powstająca przy hamowaniu energia kinetyczna nie zostaje zużyta, autobus „ultracap”, opracowany przez MAN, posiada hamulce elektryczne. Odzyskana w wyniku hamowania energia jest przechowywana w wysokiej pojemności kondensatorach i jest wykorzystywana np. przy ruszaniu. Umożliwia to znaczne obniżenie poziomu zużycia paliwa oraz zmniejsza hałas i liczbę spalin, powstających podczas ruszania.

 

Napęd hybrydowy oparty jest o zasadę współpracy silnika Diesla i elektrycznego. Seryjnie produkowana jednostka typu Diesel zasila wysokowydajny generator prądu, dostarczając energię do dwóch silników elektrycznych. Generator i silniki elektryczne, które napędzają tylną oś poprzez sumującą skrzynię biegów, są połączone ze sobą za pomocą przetwornicy. Dodatkowo, cały system jest połączony za pośrednictwem specjalnego układu elektronicznego z akumulatorami umieszczonymi na dachu. Energię napędzającą pojazd dostarcza albo silnik spalinowy poprzez generator prądu albo jest ona pobierana bezpośrednio z akumulatorów. Szczególnie przy ruszaniu, energia do napędzania jest pobierana z akumulatorów. Tym samym, podczas ruszania autobus zasilany jest wyłącznie energią elektryczną, a silnik Diesla włącza się dopiero po rozpędzeniu. Dzięki temu, hałas i spaliny wytwarzane podczas ruszania są znacznie niższe.

Podczas jazdy, silnik Diesla może dostarczać mniej lub więcej energii, niż jest to potrzebne do napędzania pojazdu. Jest to możliwe dzięki użyciu akumulatorów jako bufora, który umożliwia korzystanie z optymalnego zakresu obrotów silnika Diesla w każdym momencie. Przyczynia się to znacząco do obniżenia poziomu zużycia paliwa oraz emisji spalin. Przy hamowaniu, początkowo uruchamiany jest hamulec elektryczny, którego maksymalna moc wynosi 150 kW, co jest wartością wystarczającą przy standardowym transporcie pasażerskim. Tylko w sytuacjach krytycznych, kiedy pedał hamulca jest wciskany mocniej przez kierowcę, uruchamiane są dodatkowo hamulce mechaniczne. Podczas hamowania, silniki elektryczne pracują jak generatory, dzięki czemu powstała przy hamowaniu energia jest odzyskiwana i przechowywana w akumulatorach do momentu następnego ruszenia autobusu.

 

Zoptymalizowany system przechowywania energii „ultracap”, opracowany przez MAN, jest wykorzystywany jako akumulator przechowujący energię hamowania. W tym celu zastosowano kondensatory o dużej pojemności, tzw. ultracaps, wykorzystujące najnowsze zdobycze techniki. Podobny układ odzyskiwania i przechowywania energii jest wykorzystywany także w najnowszej wersji autobusu MAN zasilanego ogniwami paliwowymi, prezentowanej w 2004 r. W ramach projektu współfinansowanego przez Bawarskie Ministerstwo Transportu, autobus ten jest obecnie testowany w regularnej eksploatacji na linii łączącej centrum Monachium z portem lotniczym. Testy zakończą się pod koniec 2006 r.

Kondensatory „utracaps”różnią się zasadniczo od innych metod przechowywania energii, jak akumulatory, czy systemy korzystające z energii koła zamachowego. Potrzebują zdecydowanie mniej miejsca na przechowanie tej samej ilości energii, są bardziej wydajne i niezawodne, mogą przechować więcej energii. Poza tym, dzięki eliminacji wszelkich ruchomych części, ich obsługa jest znacznie łatwiejsza. System magazynowania energii jest tak skonstruowany, aby energia z jednego hamowania z prędkości 60 km/h mogła być przechowana w całości. Nowy system, oparty na kondensatorach „ultracaps”wyróżnia się m.in. drastycznym ograniczeniem strat przechowywanej energii, a dzięki ulepszonemu systemowi chłodzenia, także znacznym wydłużeniem żywotności, równym nawet żywotności eksploatacyjnej całego autobusu.

 

Całość energii potrzebną do napędu autobusu dostarczają współpracujące ze sobą silnik Diesla i generator prądu. Jeśli pojazd zatrzymuje się i nie ma zapotrzebowania na energię lub jest ono minimalne, silnik Diesla może zostać automatycznie wyłączony. Wówczas, cała potrzebna energia dostarczana jest z akumulatorów. Pozwala to na dalsze oszczędności paliwa, bowiem na wolnych obrotach oraz przy częściowym obciążeniu silnika Diesla, działanie całego systemu jest relatywnie mało wydajne. Jeśli podczas jazdy zapotrzebowanie na moc zwiększy się, silnik Diesla zostanie uruchomiony automatycznie za pośrednictwem generatora. Załączaniem i wyłączaniem silnika Diesla steruje system „stop-and-start”, zintegrowany z układem zarządzania energią.

 

Duży wpływ na wzrost wydajności hybrydowego układu napędowego ma korzystanie z systemu umożliwiającego przechowywanie energii powstającej podczas hamowania. W połączeniu z wymienionym wzrostem pojemności akumulatorów magazynujących energię elektryczną, oznacza to znacznie większe możliwości rekuperacji energii hamowania. Dalsze udoskonalanie całego układu, np. poprzez zastosowanie opisanego powyżej systemu „stop-and-start”czy optymalizację pracy urządzeń dodatkowych (takich, jak klimatyzacja, układy otwierania drzwi, oświetlenie, itp.) pod kątem wymagań tego typu układu napędowego pozwala oczekiwać dalszego spadku poziomu zużycia paliwa. Prowadzone badania wykazały, że w zależności od charakterystyki linii, na której eksploatowany jest pojazd z takim napędem, oszczędności na paliwie wynoszą od 20 do 25% w porównaniu z autobusem wyposażonym w konwencjonalny układ napędowy.

 

Z dzisiejszego punktu widzenia wydaje się, że w perspektywie średniookresowej, silnik Diesla pozostanie podstawowym źródłem napędu samochodów użytkowych. Jednak rosnące wymagania dotyczące środowiska oraz ceny paliw będą wymuszały poszukiwanie rozwiązań, które zwiększą wydajność układu napędowego opartego o silnik Diesla. Dlatego, firma MAN postanowiła wziąć udział w projekcie IDEAS („Innovative Diesel-Electric hybrid drive for city buses”–„Innowacyjny, Elektryczno-Dieslowski napęd hybrydowy dla autobusów miejskich”). W ramach tego projektu, MAN buduje obecnie we współpracy z Siemensem prototypy dwóch autobusów z tego typu napędem, bazujących na standardowym modelu Lion’s City. Łączny koszt projektu IDEAS wyniesie ok. 4 miliony euro, z czego 1,4 miliona pochodzi z dotacji Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF). Projekt jest częścią programu Ministerstwa, dotyczącego rozwoju transportu i mobilności w latach 2000-2005.

 

Dotychczasowe badania dały obiecujące rezultaty w zakresie ograniczania poziomu zużycia paliwa. Opracowane zostały dwie wersje pojazdów: pierwszy z nich ma układ napędowy, w którym priorytetem jest oszczędność paliwa, wyposażony w kondensatory typu „ultracap”. System ten umożliwia ruszanie z przystanku przy korzystaniu wyłącznie z energii elektrycznej, co praktycznie eliminuje powstający w takich sytuacjach hałas oraz emisję spalin. Oznacza to także wyższy komfort dla pasażerów stojących na przystanku oraz osób mieszkających w pobliżu dużych węzłów komunikacji zbiorowej.

Drugi prototyp wyposażono w układ napędowy zaprojektowany przede wszystkim z myślą o ograniczeniu emisji spalin. Wykorzystano w nim wysoko wydajne akumulatory, które w porównaniu z kondensatorami „ultracap”dają znacznie większą pojemność. Jednocześnie umożliwia to całkowicie wolną od spalin eksploatację z wykorzystaniem wyłącznie energii elektrycznej w miejscach szczególnie narażonych na zanieczyszczenie powietrza (np. w zabytkowych centrach miast).

Oba prototypy będą testowane w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych w sieci komunikacyjnej VAG Norymberga, po roku każdy. Dzięki współpracy z dużym przewoźnikiem, można będzie sprawdzić nie tylko jak spisuje się sam pojazd i zastosowane w nim rozwiązania, ale także jak wypadają koszty jego eksploatacji i jakie zmiany trzeba wprowadzić w infrastrukturze przewoźnika.

MAN Nutzfahrzegue pracuje obecnie nad możliwościami zastosowania napędu hybrydowego w autobusach miejskich i lekkich ciężarówkach dystrybucyjnych. Celem jest osiągnięcie znacznych oszczędności w zużyciu paliwa oraz emisji spalin. Wyniki pierwszych testów są bardzo obiecujące. Jednak wprowadzenie tego typu rozwiązań na rynek wymaga jeszcze czasu i będzie możliwe w perspektywie średnioterminowej.

 

  

Drugim kierunkiem rozwoju napędów alternatywnych, któremu firma MAN postanowiła poświęcić swoją uwagę, jest napęd wodorowy. Nie chodzi tu jednak o zasilanie wodorem ogniw paliwowych, z którymi firma także ma już pewne doświadczenie, ale o przystosowanie do pracy na wodorze standardowych jednostek tłokowych. Prototyp takiego pojazdu był eksploatowany od 1999 r. na lotnisku w Monachium, a kilka lat temu można go było zobaczyć i odbyć przejażdżkę podczas Targów Komunikacji Miejskiej w Łodzi. Na początku czerwca 2006 r., o czym już informowaliśmy w Infobusie, dwa kolejne prototypy trafiły na ulice Berlina. Docelowo, w ramach realizowanego projektu „HyFLEET:CUTE”, w stolicy Niemiec ma być eksploatowanych 14 tego typu autobusów. Dzięki temu projektowi, współfinansowanemu przez Komisję Europejską, autobusy MAN z silnikami spalinowymi zasilanymi wodorem będą regularnie eksploatowane na liniach miejskich w Berlinie do 2009 r. Tym samym, BVG stanie się największym na świecie użytkownikiem tego typu pojazdów.

 

  

 

Wodór, jako paliwo nie zawierające węgla, jest uważany za jedno z bardziej przyszłościowych źródeł energii. Oznacza to, że autobus zasilany wodorem praktycznie nie wytwarza gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla. Jeżeli uda się ograniczyć lub całkowicie wyeliminować tworzenie się tego typu substancji przy produkcji wodoru, może to oznaczać drastyczny spadek produkcji gazów cieplarnianych. Już dziś, silniki wodorowe MAN H2866 UH i jego rozwinięcie –MAN H 2876 UH 01, osiągają poziomy emisji znacznie poniżej wszelkich znanych, przyszłościowych norm emisji spalin. Emisja tlenków azotu wynosi 0,2 g/kWh (limit Euro 5: 2,00 g/kWh), węglowodorów –0,04 g/kWh (Euro 5: 0,46), a cząstek stałych zaledwie oraz 0,005 g/kWh (Euro 5: 0,02 g/kWh). Emisja tlenku węgla jest poniżej poziomu wykrywalnego przez aparaturę.

 

  

 

Obecnie prace nad jednostką wodorową koncentrują się na możliwościach zwiększenia mocy. Bliskie końca są prace nad wersją wyposażoną w turbodoładowanie, a w planach jest wprowadzenie systemu turbodoładowania zasilanego gazami spalinowymi. Silniki dla pojazdów budowanych w ramach programu „HyFLEET:CUTE”, bazują na obecnej generacji silników Diesla typu D 2876.

Główną zmianą –oczywiście oprócz zastosowania zapłonu iskrowego –jest zastosowanie specjalnych zaworów, dzięki którym wodór jest wprowadzany bezpośrednio do komory spalani przy niskim ciśnieniu ok. 10 bar, co zapobiega spalaniu stukowemu i przedwczesnemu zapłonowi. Turbodoładowanie napędzane gazami spalinowymi zwiększa ilość powietrza w mieszance, dzięki czemu silnik może pracować w trybie lean-mix (na mieszance ubogiej lub bogatej, w zależności od warunków pracy). To z kolei przyczynia się do znacznego ograniczenia produkcji tlenków azotu przez silnik.

Prace nad silnikami spalinowymi zasilanymi wodorem są wynikiem obserwacji inżynierów MAN, których zdaniem technologia ogniw paliwowych rozwija się bardzo powoli. MAN postanowił więc promować jednostki wewnętrznego spalania przystosowane do pracy na wodorze i przygotowuje się do uruchomienia ich seryjnej produkcji. Zdaniem inżynierów MAN, do głównych zalet tego typu napędu należą:

 

Jak widać, inżynierzy MAN nie próżnują, starając się wybiec nieco w przyszłość. Wobec rosnących cen paliw i wymagań ekologicznych, główna ich uwaga w pracach nad alternatywnymi układami napędowymi skupia się na możliwościach ograniczenia zużycia paliwa i emisji spalin. Po wstępnych badaniach oceniono, że oprócz paliw gazowych, największe szanse na realizację mają napęd hybrydowy i silniki spalinowe zasilane wodorem. Tym samym, w ciągu kilku lat powinniśmy zobaczyć pierwsze seryjne autobusy wyposażone w tego typu napędy.