Проект организации серийного производства троллейбусов с большим автономным ходом на литий-ионных аккумуляторных батареях

Материалы к статье:


1. Краткое обоснование необходимости развития электротранспорта

Частые энергетические кризисы, постоянный, опережающий другие источники энергии, рост цен на углеводородные источники энергии, сбои в их поставках, более низкий коэффициент полезного действия, бурно нарастающее снижение показателей потребности углеводородного топлива к их запасам являются главными причинами ведения ведущими мировыми флагманами автомобилестроения США, Японии, Германии, Франции, Китая и Кореи интенсивных разработок по созданию транспортных средств массового спроса, работающих на электрической тяге.

Накапливается опыт развития гибридных видов транспортных средств и в РФ. Компании «Русэлпром», «АвтоВАЗ», группа «Онэксим» с гибридом на базе «Е-центра» и др. не только участвуют в проектировании и разработке таких транспортных средств, но и создают опытные образцы. Исследованиями режимов работы гибридных транспортных средств занимаются более десяти лет в Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ). По мнению специалистов этого университета, уже в ближайшие 10-20 лет электромобили и электробусы найдут самое широкое практическое применение в мире.

Основной задачей при создании электромобилей и электробусов является изготовление мощных и ёмких накопителей энергии и зарядных электростанций. Промежуточным транспортным средством между автобусом и электробусом должен стать троллейбус с большим автономным ходом, который и при массовом использовании электробусов будет применяться по причине экономической целесообразности, так как всегда будет дешевле электробусов. На первом этапе появления электробусов функции зарядных станций могут выполнять существующие контактно-кабельные линии городского электрического транспорта.

В связи с этим уже сейчас необходимо начать работу по подготовке энергосистем ГЭТ и страны в целом, а также сервисных центров, специалистов, всей инфраструктуры, связанной с городским электрическим транспортом.


2. Существующие источники энергетических установок электромобилей и электробусов

В мире распространены три вида возможных источников автономного энергопитания электромобилей: супераккумуляторы, суперконденсаторы и дизельэлектростанции. Однако все эти источники не нашли широкого применения:

  1. Электробусы на суперконденсаторах быстро заряжаются и быстро разряжаются, удаление от зарядной станции возможно в пределах 2-3 км.
  2. Электробусы на литий-ионных аккумуляторах имеют высокую стоимость (500-700 тыс долларов). Вес батареи составляет 3,5 т, дальность поездки без подзарядки примерно 150-180 км. Время зарядки большими токами — 1,5-2 часа, что требует развитых мощных электрокабельных линий.
  3. Электробусы с дизельэлектростанцией не решают проблему экологии и малоэффективны с энергетической точки зрения, так как повышение КПД сжигания дизельного топлива уничтожается потерями за счёт КПД электростанции.

Тем не менее, по мнению большинства экспертов, будущее автомобилестроения — за электрическими видами транспорта. С открытием в начале этого века высоких показателей проводимости у железофасфата лития в совокупности с нанотехнологиями нанесения на катод углерода открылись новые перспективы в развитии электромобилестроения.


3. Описание предлагаемого проекта

На данном этапе научно-технического развития основные вопросы применения накопителей энергии (НЭ) на транспорте связаны с обоснованием и выбором источника энергии, а также режимами его функционирования.

В Новосибирской области в этом году заканчивается строительство крупного завода по производству силовых литий-ионных аккумуляторов, изготовление которых основано на нанотехнологиях нанесения углерода на катод. В городе создана научно-промышленная группа под руководством первого заместителя мэра Новосибирска А.Е. Ксензова. В эту группу входят специалисты и научные кадры Новосибирского завода химических концентратов, Научно-исследовательского института химии твёрдого тела Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного технического университета, Управления пассажирских перевозок мэрии, ООО НПФ «АРС-ТЕРМ», ООО НПФ «Ирбис», ОАО «Сибэлтранссервис», ООО «Сибирский троллейбус» и другие организации. В рамках работы этой группы на производственной базе ОАО «Сибэлтранссервис» создан опытный образец транспортного средства, способного передвигаться в режимах троллейбуса и электробуса с питанием от батареи литий-ионных аккумуляторов.


Троллейбус СТ-6217 с повышенным ресурсом автономного хода
Рис. 1. Троллейбус СТ-6217 с повышенным ресурсом автономного хода

Внешний вид троллейбуса СТ-6217
Рис. 2. Внешний вид троллейбуса

Вид троллейбуса спереди
Рис. 3. Вид троллейбуса спереди

Штангоуловители
Рис. 4. Штангоуловители троллейбуса СТ-6217

Размещение электрооборудования на крыше троллейбуса
Рис. 5. Размещение электрооборудования на крыше троллейбуса

Пробег опытного образца в режиме электробуса составил 39 км при снаряжённой массе и 28 км при полной массе троллейбуса. После пробега в режиме электробуса троллейбус, двигаясь под контактной сетью, производит подзаряд аккумуляторов. При торможении в режиме троллейбуса и электробуса кинетическая энергия превращается в электрическую и идёт на подзаряд аккумуляторов.

Большой автономный ход троллейбуса обеспечивается установкой под полом батареи литий-ионных аккумуляторов (ЛИА), состоящей из 168 аккумуляторов. Ёмкость аккумуляторов 90 А*час. Вес батареи — 480 кг. Цена комплекта аккумуляторов — 870 000 рублей. Ориентировочная цена троллейбуса СТ-6217 с такой энергетической установкой производства ОАО «Сибэлтранссервис» составляет 7,5 млн. руб. Срок службы аккумуляторов зависит от условий эксплуатации. Рекомендации по эксплуатации даёт завод-изготовитель троллейбуса после ознакомления с маршрутом и условиями работы. Срок службы аккумуляторов зависит от количества циклов, а количество циклов — от степени разрядов во время циклов. При условиях эксплуатации, когда разряд аккумуляторов достигает до 60% (отклонение от контактной сети на 15 км), срок службы будет составлять 8000-10000 циклов или 7 лет из расчёта протяженности оборотного рейса 37 км (в том числе 15 км без контактной сети) при средней работе 12 часов и эксплуатационной скорости 16 км/час — 12 / (37:16) = 5 циклов в день. Чем меньше дальность автономного хода, тем больше срок службы аккумуляторов. Так, если путь без контактной сети будет равен 10 км в течении одного оборотного рейса, то срок службы аккумулятора будет составлять 10,5 лет. Указанные расчёты произведены для полной массы троллейбуса в период срока службы аккумуляторов, то есть реальные условия эксплуатации значительно легче. Все эксплуатационные показатели могут быть увеличены за счёт выбора более ёмких аккумуляторов, но это приведёт к удорожанию транспортного средства.

Важно отметить и то, что изготовленный опытный образец троллейбуса СТ-6217 имеет наиболее оптимальные показатели веса и стоимости аккумуляторов на 1 т*км пробега транспортного средства.

Важным экономическим показателем является долговечность работы ЛИА.


Задняя часть салона троллейбуса
Рис. 6. Задняя часть салона троллейбуса

Задняя часть салона троллейбуса
Рис. 7. Задняя часть салона троллейбуса

Задняя дверь
Рис. 8. Задняя дверь

Система учёта количества пассажиров на задней двери
Рис. 9. Система учёта количества пассажиров на задней двери

Индикатор количества вошедших и вышедших пассажиров
Рис. 10. Индикатор количества вошедших и вышедших пассажиров

Система информирования пассажиров
Рис. 11. Система информирования пассажиров

Приборная панель
Рис. 12. Приборная панель

Приборная панель
Рис. 13. Приборная панель

Электронный спидометр
Рис. 14. Электронный спидометр

Оборудование наблюдения за салоном троллейбуса
Рис. 15. Оборудование наблюдения за салоном троллейбуса

4. Достоинства предлагаемого проекта

4.1. Электроподвижной состав приобретает свойство автономного хода и повышенную маневренность, что позволит:

  • проезжать спецчасти контактной сети (стрелки, пересечения) на большой скорости с опущенными токоприёмниками, убрать контактную сеть и её спецчасти с отдельных улиц и площадей;
  • продлить существующие троллейбусные маршруты на 10-15 км;
  • расширить троллейбусную маршрутную сеть за счёт возможности передвижения от одной троллейбусной линии к другой.

4.2. Автобусы на маршрутах, имеющих частично общую трассу с троллейбусами, можно заменить на троллейбусы.

4.3. Во время движения под контактной сетью троллейбус с ЛИА является постоянно действующим потребителем энергии, рекуперируемой в сеть самим троллейбусом и другими троллейбусами при торможении. Это позволит экономить до 20% тяговой электроэнергии. Общая экономия электроэнергии с учётом экономии на ликвидации балластных пуско-тормозных сопротивлений, по самым скромным подсчётам, составит около 50%.

4.4. Развитие маршрутной сети экологически чистого вида транспорта не потребует никаких финансовых затрат (не нужны контактно-кабельные линии и тяговые подстанции). Предоставляется возможность повысить энерго- и экономическую эффективность использования существующих контактно-кабельных линий и сооружений ГЭТ.

4.5. Предоставляется возможность создания и развития инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию будущих электромобилей и электробусов.

4.6. Энергосистемы регионов и страны подвергнутся оценке, будут выработаны организационно-технические мероприятия к их наиболее эффективной эксплуатации и подготовки для массовой эксплуатации электрического транспорта.


5. Возможности экономии энергоресурсов, повышения энергоэффективности энергосистем

Внедрение троллейбусов с ЛИА и энергосберегающими электронными приводами позволит в значительной степени экономить вырабатываемую электроэнергию, а также повысит энергоэффективность существующих контактно-кабельных линий ГЭТ, энергосистем, электростанций, всей энергосистемы страны, послужит толчком к её развитию, а вместе с тем развитию экономики страны.

5.1. Экономия электроэнергии за счёт рекуперации

В настоящий момент троллейбусы с электронным приводом могут рекуперировать энергию в сеть, превращая кинетическую энергию движения в электрическую. Однако потребление этой энергии возможно только при временном совпадении процесса потребления энергии другим троллейбусом, находящимся на данном участке контактной сети (фидере). Практическая экономия в расчётах с применением вероятностных методик оценивается в 15-20% от всей рекуперированной энергии. В троллейбусах с реостатно-контакторными системами управления рекуперирование энергии в сеть вообще невозможно и при гашении кинетической энергии троллейбуса, приобретённой им при разгоне, генерируемые двигателем токи гасятся на тормозных сопротивлениях и превращаются в тепло. Тормозные токи в существующих моделях троллейбусов составляют от 0 до 200 А. Учитывая, что троллейбус с ЛИА потребляет ток заряда 45А, можно сказать, что находящийся в единственном числе на фидере троллейбус с ЛИА сэкономит 5-6% собственной потреблённой на разгон электроэнергии. В случае отсутствия негативного воздействия на катоды пиковых зарядных токов или нахождения на фидере 5-6 троллейбусов эта экономия может быть доведена до 25-30%.

По данным МКП «Горэлектротранспорт» г. Новосибирска, потребление на 1 км пробега у троллейбуса составляет 3,2 кВт*час при наличии всего лишь 20% подвижного состава с энергоэффективными электронными приводами. Учитывая, что троллейбус с энергоэффективным приводом потребляет на 30% электроэнергии меньше, чем троллейбусы с реостатно-контакторной системой управления, можно сказать, что троллейбус с электронной системой управления потребляет с учётом потерь в линиях 2,4 кВт*час на 1 км пробега. Следовательно, при максимально благоприятном стечении обстоятельств троллейбус с ЛИА может экономить дополнительно 0,6 кВт*час на 1 км пробега. То есть, затраты у троллейбуса с ЛИА с учётом потерь в линиях на 1 км 1,8 кВт*час, без учёта потерь — 1,2 кВт*час.

Учитывая, что троллейбус в год проходит 50-60 тыс. км, дополнительная экономия составит 50 000 * 0,6 * 2руб. 50 коп. = 75 000 руб.

5.2. Экономия за счёт повышения эффективности энергосистем, контактно-кабельных линий подлежит более глубокому анализу существующих показателей их эксплуатации и должна осуществляться после проведения специальных расчётов энергосистем.

5.3. Экономия энергоресурсов за счёт замены части автобусов на троллейбусы с большим автономным ходом. Замена автобуса, имеющего на 50-60% общую трассу с троллейбусной маршрутной сетью, экономична по следующим факторам:

  • позволяет экономить на энергетической составляющей себестоимости перевозки пассажиров;
  • позволяет увеличить плотность подвижного состава на фидере и за счёт этого увеличивает экономию электроэнергии путём увеличения потребления рекуперированной электроэнергии при торможении;
  • повышает энергоэффективность в целом существующих энергосистем;
  • снижает эксплуатационные затраты за счёт большей надежности и долговечности троллейбуса.

Согласно норм расхода бензина и дизельного топлива, установленных распоряжениями Минтранса России №АМ-23-Р от 14 марта 2008 г., расход топлива у автобусов марки ЛиАЗ-5256 равен в среднем 45 литров на 100 км. Расход электроэнергии у троллейбуса с учётом расхода энергии на заряд ЛИА составляет 1,8 кВт*час на 1 км пробега.

Энергетическая составляющая на 1 км пробега у автобуса составляет 45 л * 25 руб. / 100 км = 11 руб. 25 коп.

Энергетическая составляющая у троллейбуса на 1 км пробега составит 1,8 кВт*час * 2,5 руб. = 4 руб. 50 коп.

Экономия в год на одном транспортном средстве составит: (11,25 – 4,5) * 50 000 км = 337 500 руб.

Только за счёт сэкономленной электроэнергии аккумуляторы окупятся за 2,6 года, а общие затраты на удорожание троллейбуса за счёт установки ЛИА в размере 1,6 млн. руб. окупятся за 4,75 года.

Приведённые расчётные величины не учитывают экономии, достигаемой за счёт повышения эффективности использования энергосистем и основных производственных фондов. По мере прироста электроподвижного состава себестоимость перевозок будет падать за счёт повышения эффективности использования основных производственных фондов ГЭТ.


6. Цель проекта

Проект имеет многоцелевое значение. Цели подразделяются на общегосударственные и местного значения.

Общегосударственными целями являются:

  • подготовка различных энергосистем к массовой эксплуатации электрического транспорта;
  • разработка эффективного, экономичного, надёжного, конкурентноспособного на мировых рынках транспортного средства, являющегося переходящей моделью между троллейбусом и электробусом;
  • сдерживание роста себестоимости перевозки пассажиров на городских маршрутах и, как следствие, сдерживание тарифов на транспортные услуги, и вместе с этим — сдерживание социальной напряжённости в городах страны.

Целями местного значения являются:

  • возможность продления существующих троллейбусных маршрутов без строительства контактно-кабельных линий и тяговых подстанций на 10-15 км, увеличение доли экологически чистого, экономически эффективного транспорта;
  • возможность замены части автобусов на городских маршрутах троллейбусами;
  • возможность постройки эффективных структурных вылетных троллейбусных линий в средних городах;
  • возможность повышения энергоэффективности существующих систем энергоснабжения и экономической эффективности основных фондов ГЭТ;
  • развитие сети зарядных станций для будущих электробусов и электромобилей на базе существующих энергосистем ГЭТ.

7. Потребители и характеристики сбытовой политики

Потребителями троллейбусов с большим автономным ходом могут быть администрации городов, в которых уже сейчас имеются троллейбусные сети. Предполагается производить замену морально и физически устаревшего подвижного состава с учётом потребности в использовании троллейбусов в режимах электробуса (автономного хода). В России 10 тыс. троллейбусов эксплуатируется в 87 городах, 5,5 тыс. из них требуют замены в порядке естественного воспроизводства.

Предполагается двойной прирост инвентарного парка троллейбусов за счёт увеличения протяжённости маршрутов без строительства контактной сети и замены части автобусов на троллейбусы.

Достаточно объёмной представляется возможность экспорта троллейбусов в страны, где уже имеются троллейбусы. Считаем возможным экспортировать троллейбусные комплекты в страны, где наша страна производит строительство атомных электростанций.

Предполагаемый объём ежегодных продаж троллейбусов с большим автономным ходом — 1000-1500 единиц на сумму 7,5-11,5 млрд. руб.

Однако следует отметить, что приобретение подвижного состава без государственной поддержки в значительной степени ограничено и может привести к полной остановке заводов отечественного автопрома.


8. План продвижения проекта

Достигнутые показатели опытного образца троллейбуса СТ-6217 позволяют утверждать о возможности его широкого применения на городских маршрутах.

Учитывая масштабность новизны, оригинальности созданного транспортного средства и практической сложности замены существующего парка троллейбусов на троллейбусы с большим автономным ходом, дальнейшее продвижение проекта требует на первом этапе принятия принципиальных решений и должно осуществляться по двум направлениям:

  • создание новых муниципальных троллейбусных маршрутов, имеющих участки без контактной сети;
  • создание частных троллейбусных маршрутов, либо маршрутов со смешанными формами собственности.

Прирост электротранспортных средств за счёт применения троллейбусов с большим автономным ходом должен иметь программный подход и должен включать в себя нижеследующие основные разделы.

  • расчёт пропускных возможностей существующих контактно-кабельных линий, определение технических мероприятий, увеличивающих их пропускную способность;
  • создание комплексных маршрутных схем в крупных городах и их агломерациях;
  • создание реальных маршрутов с использованием троллейбусов с большим автономных ходом;
  • опытная эксплуатация троллейбусов с большим автономным ходом, создание более совершенного транспортного средства на электрической тяге.
  • Осуществление всех этих этапов может происходить последовательно. Сначала в одном городе, затем в рамках Сибирского и Дальневосточных Федеральных округов и в масштабе всей страны.

    Для достижения реальных практических результатов необходима Федеральная программа по развитию городского электрического транспорта как основного вида транспорта в городских пассажирских перевозках. Программа должна предусматривать мероприятия, значительно повышающие эксплуатационную скорость трамвая и троллейбуса, основным из которых должно быть строительство транспортных развязок в крупных промышленных центрах страны.