I. PROBLEMY OGÓLNORESORTOWE
117. Perspektywy elektromobilności.
Müller-Hellmann A.: Perspektiven der Elektromobilität. Der Nahverkehr. – 2009, nr 7- 8, s.12-16.
Słowa kluczowe: świat, transport autobusowy, napęd alternatywny, napęd elektryczny, motoryzacja, dst, zużycie energii, energia odnawialna, polityka ekologiczna, ogniwo paliwowe, postęp technologiczny.
Rozwój alternatywnych napędów autobusów, na które przypada prawie połowa rocznych przewozów pasażerskich, cechuje obecnie niespotykana dotąd dynamika. Wynika to nie tylko z technologicznego rozwoju metod magazynowania energii elektrycznej, ale przede wszystkim ze światowych strategii w zakresie energetyki oraz ochrony środowiska i klimatu, a także aspektów demograficznych. Liczba mieszkańców Ziemi - wynosząca obecnie ok. 6,6 mld - wzrośnie do 2050 r. do 9-9,5 mld (co sekundę zwiększa się o 2 osoby). Przyrost zaludnienia ma miejsce przede wszystkim w Azji, Ameryce Południowej i Środkowej.
Na całym świecie rośnie też mobilność. Jednak poziom motoryzacji jest bardzo zróżnicowany: w końcu 2008 r. na 1000 mieszkańców w USA przypadało 740 samochodów osobowych, w Niemczech 570, a w Chinach - tylko 31, ale z tendencją silnego wzrostu (w pierwszej połowie 2009 r. wyniósł 4,65 %).
Nic wic dziwnego, że na całym świecie stale rośnie zapotrzebowanie na energię pierwotną, szczególnie w krajach szybko rozwijających się. Jej zużycie w latach 1983-2008 wzrosło z blisko 800 do ponad 1100 mln t równoważnika ropy naftowej. Udział samej ropy naftowej zwiększył się z 300 do 400 mln t, gazu ziemnego z 200 do 250 mln t, energii jądrowej z 20 do 25 mln t, energii wodnej wzrósł nieznacznie - do ok. 50 mln, a węgla z ponad 200 do ponad 350 mln t. Udział ropy naftowej i gazu ziemnego w łącznym zużyciu energii wynosi obecnie Ameryce Północnej 65 %, Ameryce Południowej i Środkowej - 70 %, Europie i Eurazji - 75 %, w Afryce - ponad 60 % i w Azji - ponad 40 %. Natomiast udział poszczególnych regionów świata w łącznym zużyciu energii w 2008 r. był następujący: Azja i Pacyfik - 35,3 % (w stosunku do 2007 r. wzrost o 4 %), Europa i Eurazja - 26,2 % (bez zmian), Ameryka Północna - 24,8 % (spadek o 2 %), Ameryka Południowa i Środkowa - 5,1% (wzrost o 2,6 %) oraz Afryka - 3,2 % (wzrost o 4,1 %).
Szczególne problemy sprawiają Chiny i Indie, które cechuje duży wzrost zapotrzebowania na energię pierwotną, znacznie większy niż resztę świata; wykorzystują głównie węgiel jako źródło energii. W skali globalnej w latach 2003-2008 wzrost zużycia energii pierwotnej wynosił 15,1 %, tj. 3,03 % rocznie, tymczasem w Chinach wyniósł 62,9%, tj.12,6 % rocznie. W 2008 r. w stosunku do roku poprzedniego globalny wzrost zużycia energii pierwotnej wyniósł 1,4 % (w tym węgla 3,41 %), natomiast w Chinach był na poziomie 7,2 % (w tym węgiel 7,06 %).
W ostatnich latach odnotowywano ciągły wzrost udziału węgla w zaspokajaniu zapotrzebowania na energię pierwotną i związany z tym wzrost negatywnego oddziaływania na środowisko i klimat. Przy spalaniu węgla brunatnego lub kamiennego dla uzyskania 1 kWh energii powstaje 2-3 razy więcej CO2 niż przy spalaniu gazu ziemnego. Jest to przyczyna gwałtownego wzrostu emisji dwutlenku węgla w skali globalnej przy wytwarzaniu energii.
Nie można spodziewać się zmiany tego trendu, ponieważ Chiny planują zwiększenie wydobycia węgla do 3,3 mld t (2,54 mld t w 2007 r.). Związany z tym wzrost emisji CO2 jest sprzeczny ze strategią klimatologów redukcji emisji dwutlenku węgla do 2050 r. o 50 % w stosunku do 1990 r. Wówczas globalna emisja była na poziomie 20 mld t, a na świecie żyło 5 mld ludzi. W przeliczeniu na 1 mieszkańca emisja CO2 wynosiła: w Afryce - 1 t, w Chinach - 2 t, w Niemczech - 13 t, a w USA - ponad 20 t. Dla uniknięcia znacznych zmian klimatu globalna emisja w 2050 r. powinna wynosić 10 mld t. Ale wówczas będzie na Ziemi żyło ok. 10 mld ludzi, co oznacza jednostkową emisję, odpowiadającą poziomowi z 1990 r. (4 t). Jednak w rzeczywistości emisja CO2 w przeliczeniu na 1 mieszkańca Ziemi wzrośnie do 4,8t.
Po ratyfikacji przez Rosję protokołu z Kioto z 1997 r. (luty 2005 r.) można oczekiwać redukcji gazów cieplarnianych w krajach uprzemysłowionych w latach 2008-2012 średnio o 5,2 % w stosunku do emisji z 1990 r. Europa zobowiązała się do redukcji o 8 %. W związku z wysokim udziałem węgla brunatnego w produkcji energii elektrycznej w Niemczech emisja gazów cieplarnianych zwiększy się o 21 %.
USA - największy kraj uprzemysłowiony świata - dotychczas nie ratyfikował protokołu z Kioto, wskutek czego zakładany minimalny cel zmniejszenia emisji o 5,2 % nie będzie uzyskany. Niedawno przyjęta niewielką większością głosów American Clean Energy and Security Act przewiduje redukcję emisji CO2 do 2020 r. o 17 % w stosunku do emisji z 2005r. Oznacza to jednak, że w 2012 r. emisja dwutlenku węgla w USA będzie o 14 % większa niż w 1990 r.
W 2007 r. na Konferencji Klimatycznej ONZ na Bali uzgodniono, że najpóźniej do następnej konferencji (Kopenhaga, grudzień 2009 r.) zostaną wprowadzone korekty do protokołu z Kioto. Prognozowany wzrost efektu cieplarnianego dotyczy już wszystkich kontynentów. Dlatego też tylko konsekwentna globalna polityka trwałego rozwoju gospodarczego daje szanse ograniczenia wzrostu temperatury o 2° C.
Ważnym instrumentem protokołu z Kioto jest handel certyfikatami emisji. UE w ramach tego handlu przewiduje dla Niemiec w latach 2008-2012 ponad 451 mln uprawnień na emisję, w tym 428 mln dotyczy urządzeń istniejących, a ok. 23 mln - nowych zakładów. Ok. 40 mln certyfikatów emisji w latach 2010-2012 nie będzie rozdzielane bezpłatnie; muszą być zakupione. Od 2013 r. zakłady zaopatrzenia w energię będą musiały kupować wszystkie certyfikaty.
Wysokie koszty emisji CO2 przy spalaniu węgla brunatnego są rekompensowane mniejszymi kosztami tego surowca, a od 2013 r. koszty emisji będą uwzględniane w kalkulacjach cen energii. W przyszłości sprzedaż energii produkowanej w elektrowni korzystającej z paliwa emitującego mniej CO2 będzie uprzywilejowana. Biorąc pod uwagę duże, przestarzałe i mające mały współczynnik sprawności elektrownie na węgiel brunatny, można zrozumieć strategię przedsiębiorstwa RWE: budowa dużych elektrowni wiatrowych, uczestnictwo w budowie gazociągu Nabuco itp. Wynika stąd:
Teza 1: Producenci energii elektrycznej dla utrzymania w przyszłości swej konkurencyjności są zmuszeni (m.in. dzięki systemowi handlu emisjami UE) do wytwarzania energii elektrycznej z nośników o mniejszej emisji CO2 lub wprowadzenia systemu bezemisyjnego.
W 2007 r. przyjęto w Niemczech bardzo ambitny program ochrony klimatu: do 2020 r. dzięki zastosowaniu odpowiednich środków emisja gazów cieplarnianych ma być zmniejszona o 34-40 % w stosunku do 1990 r. To oznacza, że w ciągu najbliższych 11 lat emisja musi być corocznie ograniczana o 1,2–1,7 %.
Znowelizowana ustawa o energii odnawialnej przewiduje, że jej udział w produkcji energii elektrycznej wzrośnie do 2020 r. o co najmniej 30 % i w następnych latach będzie nadal zwiększać się. Ma to być osiągane m.in. poprzez odpowiednie bonifikaty dla energii wytwarzanej na Morzu Północnym i Bałtyckim przez instalacje wiatrowe (tzw. Windpark).
Na początku 2009 r. udzielono zezwoleń na realizację 21 projektów Windpark (łącznie 197 generatorów), kolejne 81 projektów jest w fazie postępowań administracyjnych. Z zatwierdzonych inwestycji dwie są już realizowane na Morzu Północnym. W lipcu 2009 r. rozpoczęto prace przy budowie Windpark Baltic 1.
Teza 2: Dzięki poprawie warunków finansowania (dotacje) w najbliższych latach znacząco wzrośnie liczba elektrowni wiatrowych instalowanych na morzu.
Wzrost produkcji energii elektrycznych zmusza do poszukiwania możliwości wykorzystywania jej przez całą dobę. Konieczna będzie budowa wysokonapięciowych linii przesyłowych w głąb lądu. W tym celu parlament niemiecki przedstawił w maju 2009 r. projekt ustawy przewidującej skrócenie drogi prawnej przy budowie instalacji wiatrowych i linii przesyłowych. Przetestowane też będą w ramach 4 projektów podziemne kable wysokiego napięcia.
Konieczne będzie sprawne zarządzanie wykorzystaniem produkowanej energii wiatrowej: jest ona wytwarzana, gdy wieje wiatr, niezależnie od aktualnego zapotrzebowania. Muszą więc być zbudowane odpowiednie dodatkowe urządzenia do magazynowania energii elektrycznej. Dotyczy to zwłaszcza okresów nocnych, kiedy wieją silniejsze wiatry, a zapotrzebowanie na energię wyraźnie spada.
Teza 3: Producenci energii elektrycznej będą zainteresowani szybkim wprowadzeniem elektrycznego napędu samochodów, których baterie będą ładowane w nocy, z wykorzystaniem wirtualnego zasobnika energii o dużej mocy.
Świat znajduje się teraz na początku ery samochodów elektrycznych. Ich rozwojowi sprzyja znaczny postęp w technologii baterii litowo-jonowych o długotrwałej żywotności i wysokiej wydajności; możliwe jest zmniejszanie ich ciężaru i kosztów. „Elektroauto” będzie, zwłaszcza na początku, stosowane przede wszystkim w transporcie miejskim, umożliwiając mobilność osób i towarów przy małej emisji CO2 lub nawet bez tej emisji.
Coraz ostrzejsze wymogi w zakresie emisji szkodliwych składników spalin zaowocowały w ostatnich latach coraz wzmożeniem wysiłków na rzecz zmniejszenia szkodliwości spalin. Jednak bardzo duże i ciężkie pojazdy stwarzają jeszcze wiele problemów w spełnieniu ostrych ograniczeń emisyjnych. Duże nadzieje wiąże się ze stosowaniem - niestety drogiej - techniki hybrydowej z częściową rekuperacją energii hamowania.
Na przeszkodzie szerszemu upowszechnieniu samochodów elektrycznych stoi problem ich ograniczonego zasięgu i konieczność częstego ładowania baterii. Jedno z opracowanych rozwiązań zakłada organizację sieci specjalnych stacji wymiany baterii akumulatorowych. Na takich stacjach (zarządzanych przez przedsiębiorstwa zaopatrzenia w energię elektryczną) baterie byłyby ładowane (głównie w nocy). Wymiana baterii nie byłyby potrzebna w przypadku, gdyby postęp techniczny pozwalał na ich ładowanie w ciągu niewielu minut, bez negatywnego oddziaływania na żywotność baterii. Nad takimi bateriami pracuje teraz wiele znanych firm.
Teza 4: Potencjał elektrycznego napędu samochodów otwiera duże rynki dla przemysłu motoryzacyjnego i elektrycznego. Pytanie, czy nadejdzie czas samochodów elektrycznych, jest już dawno rozstrzygnięte. Różnice prognoz dotyczą tylko szybkości wejścia ich na rynek.
W Niemczech udział poszczególnych nośników energii pierwotnej w 2007 i 2008 r. był następujący: ropy naftowa 33,7 i 34,6 %, gaz ziemny 22,7 i 22,8 %, węgiel kamienny 14,3 i 13,2 %, węgiel brunatny 11,7 i 11,1 %, energia jądrowa 11,1 i 11,5 %, energia wodna 0,6 i 0,5 %, inne (łącznie z importem energii elektrycznej) 4,9 i 5,2 %.
W promowaniu elektromobilności dużą aktywność wykazuje rząd niemiecki. Ponieważ większość importowanej ropy naftowej jest zużywana do przewozu osób i towarów, władze promują strategię przestawiania się z tego nośnika energii na preferowaną subwencjami energię wiatrową z morza (Windpark). Redukuje się w ten sposób zależność od importu (spodziewany jest duży wzrost cen ropy naftowej). Jednocześnie rząd realizuje politykę ochrony klimatu: napęd elektryczny zasilany energią odnawialną nie będzie emitować CO2 do atmosfery.
Teza 5: Politycy, przemysł samochodowy i energetyczny stawiają na rozwój elektromobilności w Niemczech, która jest jednym z instrumentów dla ochrony klimatu, rozwoju gospodarki i konkurencyjności międzynarodowej Niemiec.
Elektromobilność dotyczy także transportu publicznego. Konieczne jest szybkie zbadanie, która z nowych technologii i w jakiej postaci może być zastosowana w transporcie zbiorowym. Chodzi tu np. o technikę wymiany baterii, system leasingu baterii, ich ładowanie wysokim napięciem na krańcach linii oraz indukcyjne przesyłanie energii elektrycznej podczas jazdy.
Oprac. J. Ostaszewicz
118. Rola komunikacji zbiorowej w planie rozwojowym „Elektromobilność”.
Haase R.: Die Einordnung des ÖPNV in den Entwicklungsplan Elektromobilität. Der Nahverkehr. – 2009, nr 7- 8, s. 17- 22.
Słowa kluczowe: Niemcy, polityka ekologiczna, oszczędność energii, technologia, napęd alternatywny, napęd elektryczny, strategia, rozwój, transport samochodowy, transport miejski, autobus, trolejbus, napęd hybrydowy, ogniwo paliwowe.
Publikowane w ostatnich latach raporty ONZ na temat sytuacji klimatycznej świata mają uświadomić społeczeństwom, że działania na rzecz ochrony środowiska i zasobów naturalnych muszą ulec radykalnej zmianie. Reakcje rządów poszczególnych państw nie były jednoznaczne, uzasadnione są więc wątpliwości, czy wszystkie kraje poczuwają się do globalnej odpowiedzialności za przyszłe losy Ziemi. Nadal nie widać zasadniczej zmiany, pomimo wielu pozytywnych sygnałów płynących z ostatniego szczytu G-8 we Włoszech.
Niemcy określili cele polityki ochrony klimatu Ziemi; jednym z głównych jest rozwój elektromobilności, tj. mobilności opartej na elektrycznym napędzie środków transportu. W tej dziedzinie Niemcy chcą stać się światowym liderem. Obecny kryzys gospodarczy i finansowy stwarza szanse dla innowacji w zakresie trwałego rozwoju.
W ostatnich latach wzrosło radykalnie obciążenie środowiska (emisja CO2, tlenków azotu, hałasu), nastąpiło znaczne pogorszenie jakości życia, zwłaszcza w dużych aglomeracjach. W Niemczech transport jest odpowiedzialny za ok. 20 % łącznej emisji CO2.
Hasło „Precz z ropą naftową” („Weg von Öl”) nie jest pustym frazesem, ale trzeźwą kalkulacją odpowiedzialnej polityki gospodarczej. Niemcy zużywają w transporcie ok. 30 % energii pierwotnej; w UE ok. 70 % całego transportu jest uzależnione od ropy naftowej, a w transporcie drogowym nawet ponad 90 %. Wykorzystywanie ropy naftowej w celach energetycznych dla zaspokojenia potrzeb życiowych i mobilności od dawna nie ma właściwie alternatywy.
Konieczne staje się przejście na nową energię. Problem ten nabiera znaczenia ogólnoświatowego. Mieszkańcy biednych krajów także chcą żyć w lepszych warunkach, a w krajach rozwijających się mocno rozbudowująca się ekonomika opiera się głównie na kopalnych nośnikach energii i rabunkowej gospodarce ekologicznej.
Wyznacznikiem polityki transportowej w Niemczech jest dostosowanie procesu urbanizacji do nowych koncepcji mobilności. Dalszy rozwój motoryzacji indywidualnej musi być zahamowany, a istniejący system transportowy musi przystosować się rosnących potrzeb przewozów pasażerskich. Kluczem do rozwiązania problemów transportowych, zwłaszcza w miastach, staje się napęd elektryczny.
Zadaniem strategicznym staje się więc połączenie polityki ekologicznej, energetycznej i transportowej. Długofalowe zapewnienie energii dla mobilności mieszkańców i produkcji oraz akceptacja uwarunkowań ekologicznych transportu należy do podstawowych celów nowej strategii społecznej.
Rząd federalny Niemiec jesienią 2008 r. podjął decyzję o zintensyfikowaniu prac badawczo-rozwojowych w zakresie innowacyjnych napędów, jako wstępny etap procesu przechodzenia do mobilności opartej na postkopalnych nośnikach energii, w ramach Narodowego Program Rozwoju Elektromobilności. Obejmuje on cztery sektory: gospodarkę, transport, środowisko i naukę. Głównym celem jest dalsza rozbudowa gospodarki Niemiec za pomocą innowacyjnych, przyszłościowych technologii.
W listopadzie 2008 r. rząd federalny zorganizował ogólnokrajową konferencję na temat strategii mobilności. Dotyczyła ona przede wszystkim miejskiego transportu drogowego, ponieważ transport szynowy jest od dawna w pełni zelektryfikowany.
Podczas konferencji prezentowano prototypowe koncepcje pojazdów miejskich z napędem elektrycznym, na sesjach tematycznych omawiano szczegółowe rozwiązania alternatywne: zasobniki energii elektrycznej, tabor, systemy zintegrowanej miejskiej sieci transportowej i ramowe warunki elektromobilności. Przyjęto założenie, że Narodowy Program Rozwoju Elektromobilności będzie obejmował cały miejski transport drogowy, łącznie z komunikacją autobusową i transportem gospodarczym.
Elektromobilność jako strategiczny kierunek badań i rozwoju ma umożliwić przełom w transporcie miejskim poprzez szerokie zastosowania silników elektrycznych. Taka technologia przez całe dziesięciolecia nie była w Niemczech traktowana poważnie przez przemysł samochodowy. Nawet po pierwszym kryzysie naftowym w latach 70. ubiegłego wieku nadal wierzono w możliwość dysponowania prawie nieograniczonymi zasobami energii. Stały rozwój techniczny silników spalinowych doprowadził do bardziej ekonomicznej eksploatacji i większego bezpieczeństwa technicznego. Wkrótce jednak okazało się, że osiągnięto już granice możliwości, co doprowadziło do rozwoju i wprowadzenia na rynek nowych koncepcji napędu - napędu hybrydowego. Trzeba jednak stwierdzić, że ten rodzaj napędu jest tylko jednym z rozwiązań pośrednich na drodze prowadzącej do koncepcji „czysto elektrycznej”.
Prace nad nowymi koncepcjami napędu koncentrują się na technologii wodorowej i ogniw paliwowych. Rozpoczęto je już dość dawno temu w ramach programu innowacyjnego NIP, ale na ostateczne wyniki trzeba jeszcze poczekać. Dobrym przykładem jest zaprezentowany w czerwcu 2009 r. autobus z napędem hybrydowym - Citybus systemu Proton-Motor-Triple-Hybrid – będący efektem współpracy firm Proton Motor Fuel C11 (BRD) i Skoda z Pilzna. We wrześniu 2009 r. rozpoczynają się próby eksploatacyjne tego autobusu w Neratovicach k. Pragi. Nowa koncepcja napędu stanowi połączenie wodorowych ogniw paliwowych, surperkondensatorów i baterii elektrycznych.
W marcu 2009 r. wszedł w życie Koniunkturpaket II – (Pakiet dla Rozwoju i Stabilizacji). Ważną jego częścią jest określenie środków dla rynkowego wprowadzenia elektromobilności. Jest to pierwszy etap realizacji programu inwestycyjnego, którego dalekosiężnym celem (2050 r.) jest miejski transport bez paliw kopalnych, co oznaczałoby koniec silników benzynowych i dieslowskich. W ramach tego pakietu ministerstwa federalne miały za zadanie rozplanować wydatkowanie 500 mln € przeznaczonych na innowacyjne rozwiązania. Zatwierdzono już 15 projektów z zakresu technologii napędu hybrydowego, ogniw paliwowych i zasobników energii elektrycznej.
Celem programu jest rozwój i upowszechnienie alternatywnych technologii napędu, zintegrowanych z lokalnymi koncepcjami mobilności. Tworzone mają być konsorcja, składające się z przedsiębiorstw przemysłowych, energetycznych i komunikacyjnych oraz komunalnych. Spośród ponad 130 zgłoszeń wybrano 8 rejonów modelowych: Berlin, Poczdam, Brema/Lenburg, Hamburg, Monachium, Ren-Men, Ren-Ruhra, Saksonia (zwłaszcza Lipsk i Drezno) oraz Stuttgart. Chodzi o rozpowszechnienie w ramach best practice najlepszych wzorców dla zastosowania w innych miastach i regionach.
Wysoki poziom mobilności mieszkańców aglomeracji nie jest możliwy bez wydajnego systemu transportu zbiorowego. Wymogi ekologiczne i zmiany w mobilności określają jakość życia w miastach. Jej poprawa będzie w rosnącym stopniu zależna od ograniczania zmotoryzowanego transportu indywidualnego i wzmacniania komunikacji zbiorowej. Musi być ona atrakcyjna, dostępna finansowo i bezpieczna. Transport miejski przyszłości będzie bardziej niż obecnie wspólnym zadaniem społecznym.
Obecnie w Niemczech z transportu zbiorowego korzysta codziennie ok. 28,5 mln pasażerów, co odpowiada ok. 18,5 mln podróży samochodem osobowym. Według danych Ministerstwa Transportu w latach 2002-2008 mobilność mieszkańców Niemiec zwiększyła się o 14 %.
Panuje powszechna opinia, że transport miejski przyszłości będzie oparty na napędzie elektrycznym, zarówno w transporcie indywidualnym, jak i zbiorowym. Autobus elektryczny nie jest nowością. Pierwszy taki autobus został pojawił się w Berlinie w 1882 r.; w połowie XX wieku w ponad 70 miastach niemieckich eksploatowano trolejbusy. Jednak począwszy od lat 60. w RFN rozpoczęła się likwidacja trakcji trolejbusowej, zastępowano ją nowoczesnymi autobusami z silnikami diesla. W b. NRD trolejbusy utrzymały się nieco dłużej, do połowy lat 80. Obecnie w Niemczech trolejbusy są tylko w 3 miastach (Solingen, Esslingen i Eberswald).
Na świecie trakcja trolejbusowa istnieje w 47 krajach (w ponad 300 miastach); tabor liczy ponad 40 tys. pojazdów. W ostatnich latach notowany jest znaczny postęp techniczny w tym segmencie transportu, głównie dotyczy to wyposażenia elektrycznego, karoserii i gabarytów pojazdów.
Stosowane obecnie trolejbusy są oparte na tradycyjnej technologii - zasilane są z sieci jezdnej za pomocą odbieraków prądu. Mogą jednak swobodnie omijać przeszkody na trasie, a dzięki dodatkowemu wyposażeniu w konwencjonalne baterie akumulatorowe i innowacyjne kondensatory supercaps mogą przejeżdżać odcinki bez sieci jezdnej. Nowoczesny trolejbus jest bardzo wydajnym, cichym i elastycznym systemem transportu miejskiego o wysokim współczynniku sprawności energetycznej i przyjaznym dla środowiska. Wyższe koszty ekonomiczne w stosunku do autobusów zostały w dużym stopniu obniżone. W warunkach niemieckich transport trolejbusowy nie wymaga dalszych badań i prac rozwojowych, potrzebna jest tylko wola polityczna dla renesansu trolejbusu.
Strategia rządu niemieckiego w zakresie paliw samochodowych, wyrażająca się hasłem „Weg von Öl” („Precz z ropą”), polega na oddzieleniu wzrostu ruchu od zużycia energii i dążeniu do zwiększenia wydajności energetycznej: początkowo za pomocą biopaliw w silnikach spalinowych, w średniej perspektywie poprzez zastosowanie biopaliw syntetycznych i wprowadzanie technologii hybrydowej, a później - baterii i ogniw paliwowych.
Towarzyszyć temu muszą środki prawno-polityczne: określenie wysokości podatku od samochodów w zależności od emisji CO2, wprowadzenie stref chroniących środowisko, promocja paliw alternatywnych. Ponadto kluczową sprawą jest poprawa organizacji transportu zbiorowego w ramach związków przewozowych, lepsze zaspokajanie potrzeb klientów, czyli pasażerów. Zwiększenie liczby pasażerów korzystających z transportu publicznego oznacza odciążenie miast od samochodów osobowych.
Wprowadzenie w autobusach napędów kombinowanych, tj. technologii hybrydowej, na dużą skalę będzie ważnym ekonomicznie krokiem w kierunku odchodzenia od silników spalinowych na rzecz elektrycznych. Technologia hybrydowa jest jednak tylko środkiem przejściowym na drodze do czystego napędu elektrycznego, który zyska na znaczeniu dopiero po 2015 r., tj. po opracowaniu wydajnych technologii magazynowania energii elektrycznej i ogniw paliwowych.
W programie Ministerstwa Transportu dotyczącym elektromobilności główny nacisk położono na hybrydowe autobusy miejskie. Nie jest przewidziana pomoc państwa dla prac badawczo-rozwojowych w dziedzinie autobusów elektrycznych. Jest to fałszywe założenie strategiczne, ponieważ autobusy hybrydowe są już obecnie systemem w pełni dojrzałym technologicznie i nie potrzebują pomocy finansowej. Planowane w najbliższych dwóch latach próby eksploatacyjne nie przyniosą nowych doświadczeń. Te środki finansowe powinny być przeznaczane rozwój autobusów elektrycznych z napędem bateryjnym.
Prowadzone przez firmę Trolleymotion Deutschland rozmowy z wiodącymi partnerami przemysłowymi i przewoźnikami wykazały potrzebę politycznego wsparcia prac badawczo-rozwojowych nad elektrobusem z bateriami litowo-jonowymi i indukcyjnym przekazywaniem energii elektrycznej z nawierzchni ulicznej lub specjalnych podstacji trakcyjnych. Umożliwiłoby to w średniej perspektywie zastąpienie nimi autobusów dieslowskich.
Baterie litowo-jonowe mają dużą gęstość mocy i energii, pozwalającą na wysokie obciążenie prądowe, co ma dla elektrycznych autobusów decydujące znaczenie. Baterie te charakteryzują się dużą odpornością na cykle ładowania, są bezpieczne w użyciu i mają dużą trwałość, mogą więc być zastosowane do napędu autobusów elektrycznych.
Równie obiecująco przedstawia się możliwość ładowania elektrobusów. Jest wiele rozwiązań w zakresie dostarczania energii elektrycznej z zewnątrz. Przeprowadzono już na przykład próby indukcyjnego przesyłania energii za pomocą ciągłego lub punktowego pola indukcyjnego między jezdnią a pojazdem. Ta forma przesyłania energii elektrycznej może być również wykorzystana do ładowania baterii podczas jazdy. Istnieje też możliwość ładowania baterii do pełnej mocy przez stacjonarne podstacje, instalowane na linii, nie mówiąc już o możliwościach ładowania baterii w zajezdni.
Przemysł niemiecki może - w oparciu o istniejący know-how - wprowadzić w ciągu kilku lat innowacyjne elektrobusy, które znajdą akceptację przewoźników i pasażerów. Pozwoli to na szybkie osiągnięcie zakładanych celów polityki transportowej, ochrony środowiska i energetyki dla stabilnego i trwałego rozwoju transportu zbiorowego w miastach.
Oprac. J. Ostaszewicz
119. Zasobnik energii: kluczowa technika dla elektromobilności.
Riegel B.: Energiespeicher: Schlüsstechnik für die Elektromobilität. Der Nahverkehr. – 2009, nr 7- 8, s. 28-30.
Słowa kluczowe: polityka ekologiczna, napęd elektryczny, napęd hybrydowy, zużycie energii, ogniowo paliwowe, bateria akumulatorowa.
Elektryczne napędy mają duży potencjał dla zmniejszenia uzależnienia od importu ropy naftowej, a także dla redukcji emisji CO2 i lokalnej emisji szkodliwych składników spalin. Najprostszym rozwiązaniem z punktu widzenia wydajności energetycznej są pojazdy z napędem bateryjnym. W przeszłości na przeszkodzie wprowadzania ich na rynek stała mała gęstość energii i mocy baterii. Teraz technika litowo-jonowa może skompensować te wady. W ostatnich latach szczególnego znaczenia nabrały prace badawczo-rozwojowe w zakresie ochrony środowiska oraz redukcji szkodliwych składników spalin - zwłaszcza w ruchu pasażerskim i w przewozach towarowych, przede wszystkim w miastach.
Technika hybrydowa jest dobrą opcją dla zminimalizowania zużycia paliwa i zmniejszenia emisji. Dalszy rozwój polega na zwiększaniu zasięgu, wprowadzaniu samochodów czysto elektrycznych i napędu za pomocą ogniw paliwowych. Rozwój elektryfikacji będzie zależał w dużym stopniu od rozwoju technologii baterii, głównie chodzi o zwiększenie gęstości energii, trwałości i obniżkę kosztów.
Duży potencjał rynkowy ma technologia baterii litowych, stosowanych obecnie np. w telefonach komórkowych i laptopach. Jednostkowa gęstość mocy tych baterii to 300-2000 Wh/kg, gęstość energii jest ok. 2-krotnie większa niż w akumulatorach niklowo-kadmowych i 4-krotnie większa niż w akumulatorach ołowiowych i wynosi 100-120 Wh/kg.
Konwencjonalny akumulator litowo-jonowy daje napięcie 3,6 V, tj. 3-krotnie więcej niż akumulator Nikel-Metal-Hybrid (NiMH), napięcie ładowania wynosi 4,2 V, napięcie końcowe ładowania 2,5 V.
Wprowadzanie pojazdów z napędem elektrycznym jest uwarunkowane ochroną klimatu oraz zbliżającym się niedostatkiem paliw kopalnych, mają więc być zasilane prądem elektrycznym pochodzącym z odnawialnych źródeł energii pierwotnej. Komisja Europejska przedstawiła strategię wspierania energii odnawialnej: jej zużycie ma się zwiększyć do 2020r. z obecnych 8,5 % do 20 %, przy jednoczesnym zmniejszeniu emisji CO2 o 20 %.
Dla mobilności znaczenie mają pojazdy elektryczne (EV - Electrical Vehicle) oraz PHEV (Plug Hybrid Electrical Vehicle), ładowane za pomocą wtyczki elektrycznej. Te bateryjne systemy są bezpośrednio połączone z siecią elektryczną i mogą być w przyszłości używane jako wirtualne elektrownie. Mają one duży potencjał integracji z siecią innych źródeł energii (wiatrową, fotowoltaiczną). Niezbędne dla tych koncepcji napędu zasobniki energii muszą się charakteryzować wysoką jej gęstością (HE – High Energy).
Natomiast systemy bateryjne dla pojazdów Full Hybrid, potrzebne do przyspieszania oraz rekuperacji energii, muszą mieć wysoką moc (HP - High Power).
Obecny rozwój baterii koncentruje się na bateriach litowych o małej gęstości energii i wysokiej gęstości mocy z przeznaczeniem dla HEV (Hybrid Electric Vehicle). Jednak dla rynku przemysłowego i napędu czysto elektrycznego potrzebne są zasobniki z dużą gęstością energii.
Ogniwo litowe składa się z węglowej elektrody ujemnej oraz elektrody dodatniej z tlenku litu. Przy ładowaniu jony litu opuszczają materiał elektrody dodatniej i wiążą się z węglem. Przy wyładowaniu następuje proces odwrotny.
Baterie litowe odznaczają się już dzisiaj wysoką gęstością energii i mocy, a przez dodanie różnego rodzaju materiałów czynnych może się ona jeszcze zwiększyć. Prace badawcze idą w kierunku poprawy bezpieczeństwa i kosztów (Life Cycle). Nowe materiały nanokompozytowe i nowe koncepcje ogniw stanowią potencjał dalszego usprawniania i nowych zastosowań.
Obecnie litowo-jonowe zasobniki energii składają się z kombinacji różnych materiałów: w przypadku elektrody ujemnej jest to grafit nanokrystaliczny bezpostaciowy oraz litotytanat, a dodatniej - 7 różnych związków litu z kobaltem, jako elektrolit stosowany są sole litu w bezwodnym roztworze oraz polimery.
Na wydajność baterii zasadniczy wpływ ma materiał katody; ostatnio najlepsze wyniki dają fosfaty litowo-żelazowe (LiFePO4) odkryte w 1996 r. na uniwersytecie w Teksasie. Ze względu na niższe koszty, nietoksyczność, dostępność żelaza, jego stabilność termiczną, wytrzymałość elektrochemiczną i wysoką pojemność jednostkową (162 mAh/g) LiFePO4 uzyskał ostatnio akceptację rynkową. Zaletą stosowania LiCoO2 jest wysoka odporność na temperaturę i długi cykl życia. Żelazo i fosfat też w mniejszym stopniu oddziaływują na środowisko niż kobalt. Brak kobaltu będzie miał także wpływ na cenę baterii.
Ogniwo elektryczne to tylko jeden z elementów zasobnika energii. Jest to kompleksowy system, na który składa się: zarządzanie baterią i jej monitorowanie, chłodzenie, technologia połączeń oraz obudowy. Cykl życia zasobnika będzie zależeć od optymalizacji układu poszczególnych elementów.
Oprac. J. Ostaszewicz
Data utworzenia: 16/11/2009 @ 18:11
Ostatnie zmiany: 16/11/2009 @ 18:15
Kategoria: BI Numer 2009/10
Strona czytana 1407 razy
 Podgląd wydruku
 Wersja do druku
|
Katalogi on-line
Katalogi on-line
1. Problemy ogólnoresortowe
Góra