Alternativní energie a pohony: kam směřuje trend? Erich-Karl Freudling – Friedbert Schwarm Téměř dvě desítky let zkouší dopravní akciová společnost VAG v Norimberku alternativní systémy pohonů pro linkové autobusy. Činí tak, ačkoliv se ukazuje, že zhoršující se hospodářské rámcové podmínky v minulých letech zatlačily veřejný zájem o ochranu životního prostředí do pozadí. Ani plánovaná deregulace ve veřejné místní osobní dopravě nezlepšuje předpoklady pro dobrovolné nasazení alternativních systémů pohonů šetřících životní prostředí ze strany dopravních podniků. Zákonné požadavky na národní úrovni i úrovni EU se v minulých desetiletích postaraly o to, aby ve veřejné osobní místní dopravě byly, kromě jiného, podstatně sníženy emise škodlivých látek způsobené dopravou. Tento vývoj pokračuje po zavedení stupňů EURO 4 a EURO 5. Provozovatel veřejné místní dopravy musí kromě toho dbát na plnění nařízení spolkové ochrany proti emisím a spolkového zákona na ochranu proti emisím a současně i směrnic EU ke kvalitě ovzduší na místní úrovni. Při nedodržení mezních hodnot lze pro dopravu uzavřít celé ulice a tím je přestat obsluhovat. Všestranná angažovanost je proto vysloveně žádoucí. Kruh se uzavírá Společnost VAG se podle mota „Zastavit se znamená krok zpět“ zavázala již na počátku 90. let ve svém podnikovém hesle snížit ve veřejné místní dopravě všeobecně spotřebu energie a minimalizovat emise škodlivých látek a hluku. Při vysoké hospodárnosti lze cestujícímu nabídnout atraktivní autobusy při vhodné ceně. Nepřímo z toho budou mít prospěch všichni občané v oblasti služeb, především v oblasti vnitřního města, nižším zatížením emisemi. Zde se uzavírá kruh cestující – provozovatel veřejné místní dopravy – výrobce autobusů. Angažovanost při zkouškách alternativních pohonů, jakož i optimalizace stávajícího dieselového pohonu v rámci zákonných omezení umožnily dnes společnosti VAG nasadit kvalitativně vysoce hodnotné autobusy, příjemné pro cestující. To je také v souladu s cílem a trendy v EU na uplatnění alternativních pohonných látek. Ale to ještě není vše: zkušenosti z testů alternativních systémů pohonů mohou být společností VAG bezprostředně využity pro střednědobé a perspektivní rozhodování a tím i pro investování. Zřetelné je to na případu nasazení CNG autobusu (plynový pohon). Až do poloviny 90. let nebyly k dispozici žádné vhodné systémy filtrů pro pevné částice pro dieselová vozidla. Dobré zkušenosti se zkušebním nasazením CNG autobusů od roku 1992 a značné možnosti snížení u oxidů dusíku a pevných částic vedly v roce 1995 k podnikovému rozhodnutí nasadit 50 CNG autobusů a tím prosadit již v této době hodnoty EURO 5, které vstupují v platnost až od roku 2008. Cíl testů Hlavním cílem testů u VAG byla vždy podpora průmyslu, zlepšení využitelnosti energií při přepravě cestujících a optimalizace účinnosti. Co se nespotřebuje, nevytvoří ani emise! Pro zapamatování: v současné době se využije u dieselových motorů při přepravě cestujících přibližně 10 – 20 % spotřebované energie. Zkouška s dieselelektrickými autobusy se systémem
1
Supercap v linkovém provozu v Norimberku ukázala, že lze ušetřit až 15 % motorové nafty (tab. 1). Rok
Alternativní systémy pohonu
Nositel energie
Systém konečné úpravy výfukových plynů
Akumulace energie
1986
Metanolový motor
Metanol
-
1987
Dieselhydrostatický pohon
Motorová nafta
-
1992
Motor na zemní plyn λ1 Venturi
CNG
Třícestný katalyzátor
1999
Motor na zemní plyn λ1Vstřikovací ventily
CNG
Třícestný katalyzátor
-
2000
Motory na zkapalněný plyn
LPG, LH2
Třícestný redukce
-
1998
DE – Autobus s centrálním motorem
Motorová nafta
-
-
1999
DE – Autobus s motorem pohánějícím přímo náboj kola
Motorová nafta
-
-
2002
DE – Autobus s centrálním motorem
Motorová nafta
-
2001
Palivový článek
GH2
-
Vysokotlaký akumulátor
katalyzátor,
Supercaps -
Tab. 1: Alternativní systémy pohonů testovala dopravní společnost VAG v Norimberku od r. 1986 na realizovatelnost v sériích.
Testy a jejich důsledky Každý test v linkovém provozu posouvá vývoj alternativních systémů pohonů dopředu. Na tomto místě je třeba uvést přehled nejdůležitějších zkušeností společnosti VAG za celé období. Dieselové motory Vývoj malých 6,9 l dieselových motorů a doprovodné pokusy s nimi u VAG ukázaly již na konci 80. let, že lze znatelně snížit spotřeby pohonných hmot i emisí výfukových plynů. Nasazení těchto motorů bylo rovněž předpokladem pro uplatnění nízkopodlažní techniky. Řada zkoušených systémů filtrů na pevné částice měla sice vysoký stupeň účinnosti filtrace, ale náklady na jejich pořízení, náklady na údržbu a výpadky filtračních systémů byly z provozního hlediska příliš vysoké. S vývojem motorů EURO 1 a EURO 2 pozbyly postupně na významu. Motory na plyn (CNG) Při pohledu na uplynulých 12 let zůstaly všechny pokusy s alternativními systémy pohonů, s výjimkou plynových motorů, ve vývojové fázi (viz motor na metanol) nebo jako řešení do ztracena (například hybridní pohon s bateriemi, dieselelektrický autobus, setrvačníkový autobus) a přicházely k uplatnění pouze omezeně. Pohon CNG se jako jediný sériově zralý uplatnil a splňuje již dnes kriteria EEV. Technika CNG nepředstavuje žádné bezpečnostnětechnické problémy a má shodnou disponibilitu a dosažitelnost jako dieselové autobusy. 2
Reálné posouzení hospodárnosti autobusů na plyn a motorovou naftu se musí provádět za předpokladu, že oba systémy se porovnávají za podmínek EURO 5. Rovněž dodavatelé plynu jsou dopředu zavázáni financovat potřebnou infrastrukturu pro tankování a prostřednictvím ceny plynu vytvořit pobídku pro techniku CNG. Pokud je vyšší cena téměř kompenzována stimulační podporou, jako je tomu již v Bavorsku, je i autobus na plyn hospodárný. Moderní motory na zemní plyn mohou současně vytvořit vývojovou základnu pro motory se spalováním vodíku a mohou být tak posuzovány jako spojovací článek k alternativnímu nositeli energie - vodíku. Motory se spalováním vodíku Nepatrná energetická hustota vodíku poskytuje předpoklady pro jeho zkapalnění nebo stlačitelnost za vyšších tlaků do 600 barů. Pokusy s tekutým vodíkem ukázaly, že zacházení s plynným vodíkem je v současné době realizovatelné snadněji. Bezpečnostně-technické požadavky na systém tankování a na techniku ve vozidle jsou vyšší než u techniky CNG a dražší, ale uskutečnitelné. Z dlouhodobého hlediska by potom mohla být vodíková infrastruktura k dispozici i pro pohon s palivovými články. DE-technika Čistý dieselelektrický pohon nemá podle názoru společnosti VAG smysl. Nepatrné úspory pohonných hmot jsou vyrovnávány vyšší hmotností. Je ovšem třeba pozitivně hodnotit, že jsou zřetelné přednosti v emisích v optimalizovaném provozu a technické řešení s motory pohánějícími přímo náboj kola plně umožňuje stavbu nízkopodlažních vozidel. Jízda bez cukání a bez nárazů při řazení je pro cestujícího přínosem. DE-technika se superkondenzátory Kombinace dieselelektrického pohonu s akumulačním systémem se superkondenzátory se při zkouškách v linkové síti ukázala jako vhodná do budoucnosti. Poprvé byl proveden pokus akumulovat energii při brzdění za ekonomických podmínek. Superkondenzátory vykazují značný vývojový potenciál: najdou rozšířené využití i v jiných oblastech (velké série) a mají vysokou životnost (žádné pohyblivé součásti). Technika Supercap se osvědčila jako účinný systém krátkodobé akumulace. Možné úspory pohonných hmot se pohybují kolem 15 % v porovnání s dieselelektrickým autobusem. Zatížení zápachem a hlukem na zastávkách a za autobusem se znatelně snížilo. Z menší spotřeby pohonných hmot lze odvodit i 15 % snížení CO2. Ze střednědobého pohledu mohou provozovatelé vycházet z toho, že se vyšší pořizovací náklady zamortizují. Nasazení těchto Supercap by mohlo ve zjednodušené formě přispět i k pohonu vedlejších agregátů. Pohon s palivovými články (PČ) S projektem „Pohon s palivovými články pro městská užitková vozidla“ se společnosti VAG otevřela možnost testovat první autobus s PČ po dobu půl roku v linkovém provozu. Zkušenosti z testování techniky CNG se zde plně osvědčily. Tankovací zařízení na stlačený vodík o tlaku 300 barů byla zřízena v těsné blízkosti tankovacího zařízení pro zemní plyn. Úspěšný provoz měl prokázat, že technika PČ je technicky realizovatelná jako alternativní pohonný systém v oblasti vnitřního města. Posouzení nákladů nestálo v popředí zkoumání.
3
Spolehlivost prototypu byla překvapivá a spotřeby, při zohlednění zvýšené hmotnosti, akceptovatelné. Při dalším vývoji by se musela značně snížit hmotnost prázdného vozidla a potvrdit plná způsobilost v zimním období. Při přídavném využití techniky Supercap by palivové články mohly mít menší konstrukci a tím by se snížila i jejich cena. Pro provozovatele by se nasazení techniky s palivovými články jevilo jako reálné tehdy, kdyby se náklady blížily nákladům techniky CNG, případně techniky s dieselovými motory při EURO 5. Technika s vodíkem má smysl jen tehdy, když bude vodík vyráběn z obnovitelných energií. Hodnocení alternativních pohonů podle výsledků testů Tabulka 2 podává vysvětlení k tomu, jak společnost VAG Norimberk posuzuje jednotlivé testované systémy na základě svých vlastních kritérií. Kritéria pro hodnocení
CRT
Hospodárnost
++
Účinnost
CNG
LPG
LH2/GH2
DE
DE Supercap
+
+
+
+
0
+
-
0
0
-
-
-
-
+
+
Výfukové plyny - NOX
0
++
++
++
++
0
+
+++
Výfukové plyny pevné součásti
+
+
++
++
++
0
+
+++
Výfukové plyny CO2
0
0
0
0
+++
0
++
+++
Pohodlí, hluk
0
+
+
+
+
+
++
+++
Přijatelnost společností
+
+
++
++
++
+
++
+++
Šance do budoucnosti
+
++
++
+
+++
0
++
+++
-
CR GD-KAT
BZ
Tab. 2: Posouzení testovaných systémů společností VAG Norimberk
Včera, dnes a zítra Testy nových technologií přinášejí poznatky pro výrobce i provozovatele veřejné osobní místní dopravy. Kdy to ovšem přinese ovoce i pro každodenní provoz, to se ukáže až po dalších letech pokračujícího vývoje. Tak pokusy s malými přeplňovanými motory s obsahem 6,9 l na konci 80. let prokázaly, že lze spotřebu pohonných hmot znatelně snížit, ale vývoj motorů pro EURO 1 a 2 až po EURO 3 trval více než 10 let. Při veškeré angažovanosti pro alternativní techniky pohonu je jedno jisté: střednědobě je dieselový motor nejdůležitějším, protože daleko nejrozšířenějším a nejvíce vyvinutým pohonem. Z toho důvodu je třeba ho dále vylepšovat, přinejmenším do té doby, než budou středně- a dlouhodobě k dispozici náhradní pohonné hmoty a náhradní systémy pohonu. Pro optimalizaci dieselového pohonu provedla společnost VAG v Norimberku řadu pokusů (viz tab. 3). Alternativním systémem, který mezitím dosáhl zralosti pro sériovou výrobu a vyrovná se v zacházení dieselovému motoru, pokud budou splněny rámcové podmínky, je autobus na plyn. Pokud jde o další systémy, které VAG testoval, by mohl být další vývoj dieselelektrického autobusu se systémem akumulace (Supercap) úspěšný, v dlouhodobé perspektivě je třeba upřednostňovat motory se spalováním vodíku, případně autobusy s palivovými články. Časové úvahy, od kdy budou palivové články schopny sériové výroby, nelze příliš uspíšit. Podle názoru VAG by bylo vhodné snažit se o kombinaci techniky Supercap a technologie palivových článků. 4
Rok
Současné dieselové motory
Obsah v l
Systémy konečné úpravy výfukových plynů
EDC
CR
GD-KAT
1986
Motor
12
Prototypy
--
--
--
1987
Motor
6,9
Prototypy
X
--
--
1988
Motor
6,9
Prototypy EURO 1,2
X
--
--
1989
Motor
12 a 6,9
Velký pokus UBA
--
--
--
1997
Motor
6,9
Prototypy CRT
X
--
--
2000
Motor
6,9
Prototypy EURO 3
--
X
--
2004
Motor (v plánu)
6,9
Prototyp EURO 5
--
X
X
Tab. 3: V uplynulých 15 letech prováděla společnost VAG Norimberk velké množství pokusů se současnými technikami dieselových motorů. Cílem byla minimalizace emisí ve výfukových plynech a snížení spotřeby
Průmyslu je proto nutno doporučit zabývat se více vývojem hospodárných a v praxi použitelných pohonů, které budou mít na trhu dlouhodobé šance. Přitom se nesmí vývoj omezit pouze na řešení ve vysoce rozvinutých zemích EU, nýbrž je třeba zohlednit i struktury obecně existující (trolejbusy ve východní Evropě), zásoby energií (např. vodní energie, zemní plyn, LPG) a konečně i realizovatelnost a možnosti financování. Je na pováženou, že společenská citlivost v otázkách životního prostřední od 70. let (Římský klub) značně poklesla. Ačkoliv od té doby je problematika životního prostředí známa a důsledky jeho zatížení jsou stále zřetelnější, zdají se být v daném okamžiku v popředí spíše hospodářské otázky.
Název originálu: Alternative Energien und Antriebe: Wohin geht der Trend? Zdroj: Internationales Verkehrswesen (55) 9/2003, s. 423 – 425 Překlad: Jiří Mencl Korektura: ODIS
5
