CC BY
160
ГРНТИ 73.43.41; 73.43.71
Зарипов Рамис Юрисович
докторант PhD, преподаватель,
кафедра «Транспортна техника и логистика»,
Факультет металлургии, машиностроения и транспорта,
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова,
г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан,
e-mail: [email protected].
Ивашко Виктор Сергеевич
доктор технических наук, профессор, Автотракторный факультет,
Белорусский национальный технический университет, г. Минск, 220015, Республика Беларусь e-mail: [email protected]. Сембаев Нурболат Сакенович
к.т.н., ассоц. профессор, кафедра «Транспортна техника и логистика», Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: [email protected]. Алина Енлик Армановна
магистрант, кафедра «Транспортна техника и логистика», Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: [email protected]. Хайриден Айгерим Ерлановна
магистрант, кафедра «Транспортна техника и логистика», Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: [email protected].
К ВОПРОСУ ВНЕДРЕНИЯ ЭЛЕКТРОБУСОВ В ТРАНСПОРТНУЮ СИСТЕМУ ГОРОДА
В статье освещены проблемы, связанные с экологической безопасностью транспортных средств. В частности, вопрос загрязнения воздуха отработавшими газами городских маршрутных автобусов, который в настоящее время является очень актуальным.
Представлен анализ одного из относительно новых типов городского общественного транспорта — электробусов. Рассмотрен мировой опыт в переходе от дизельных автобусов к полностью электрическим. Пока этим видом транспорта в мире перевозится всего 3 % пассажиров. Преимущественно, конечно, в Европе, Северной Америке, Китае и Японии. Одной из проблем во внедрении электробусов является обеспечение инфраструктуры зарядными станциями в количестве, необходимом для бесперебойной работы маршрутов. Отражены варианты зарядки аккумуляторов, требования к зарядным станциям, сравнительные характеристики электробусов различных моделей и способов зарядки.
Ключевые слова: автобус, электробус, беспроводная зарядка, аккумулятор, передача энергии, шум, экологическая безопасность.
ВВЕДЕНИЕ
На долю мирового автомобильного транспорта приходится около 40 % глобального загрязнения атмосферы токсичными веществами. При сохранении современных тенденций роста парка и потребления нефтепродуктов к 2020 г. доля транспортных средств в общем объеме выбросов двуокиси углерода (С02) может вырасти до 70 %.
Переход на общественный транспорт является едва ли не единственным реальным решением проблемы местных выбросов и методом достижения экологических целей. Позитивные действия по продвижению альтернатив для частного транспорта очень важны.
Широкое распространение на общественном транспорте дизельных двигателей объясняется тем, что они работают на сравнительно дешевом топливе, отличаются лучшей топливной экономичностью и меньшей токсичностью отработавших газов (ОГ). Однако и они не всегда удовлетворяют современным требованиям по токсичности [1].
Одиннадцать крупнейших городов мира, включая Лондон, Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Пекин, Мадрид, Копенгаген, Кейптаун, постепенно двигаются к полному отказу от закупки дизельных автобусов к 2020 году [1].
Казахстан стал первым государством в Центральной Азии, создавшим организационно-правовую основу для перехода к «зеленому росту» через принятие ряда законодательных документов, в том числе Экологического кодекса (2007) [2], Закона о поддержке использования возобновляемых источников энергии (2009 год), и Концепции перехода к «зеленой экономике» (2013 год) [3].
Концепция по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике» закладывает основы для глубоких системных преобразований с целью перехода к экономике новой формации посредством повышения благосостояния, качества жизни населения Казахстана и вхождения страны в число 30-ти наиболее развитых стран мира при минимизации нагрузки на окружающую среду и деградации природных ресурсов.
Внедрение в городах единиц общественного транспорта, не оказывающих отрицательного влияния на окружающую среду, можно считать большим шагом к «зеленой экономике».
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ Одним из примеров «движения к зеленой экономике» можно привести приобретение в июле 2019 года электробусов в качестве основной массы подвижного состава автобусного парка №1 города Павлодар. Электробусы производства Китай марки ANKAI собраны на Костанайском заводе ТОО «СарыаркаАвтоПром» (рисунок 1). Приобрести их удалось благодаря лизинговой программе, которую осуществляет холдинг «Байтерек» и его дочерние компании АО «БРК Лизинг» и Банк развития Казахстана[4, 5].
Так как Павлодар является городом с большим количеством промышленных предприятий и высоким уровнем загрязнения воздуха, применение экологически
чистых видов транспорта является, несомненно, актуальным. Электробус является относительно новым типом подвижного состава, в связи с чем необходимо взвешенное и объективное обоснование выбора тех или иных возможных вариантов технических, технологических и других аспектов решения столь глобальной задачи. По сравнению с автобусом, оборудованным двигателем внутреннего сгорания, работающем на бензине, дизельном топливе или газе, электробус обладает рядом несомненных преимуществ. Он практически бесшумен, прост в управлении, надёжен и долговечен. Эксплуатация электробуса обходится гораздо дешевле, чем эксплуатация обычного автобуса с ДВС. Главное же достоинство электробуса - экологическая безопасность без привязки к проводам.
Электробус АМКА1 имеет запас хода 200-250 км, время полной зарядки от 2 до 6 часов. Для зарядки на конечных остановках автобусных маршрутов установили проводные зарядные станции.
Рисунок 1 - Электробус АМКА1 на станции зарядки
Рисунок 2 - Требования к зарядным станциям для электробусов
На первом этапе выясним, действительно ли электробусы бесшумны в эксплуатации. Для этого сделаем замеры шума в салоне автобусов АМКА1 на
одном из маршрутов города Павлодар. Для сравнения выбраны электробус и дизельный автобус вышеупомянутой марки, выпущенные в одно и то же время и имеющие схожие характеристики. На рисунках 3 и 4 представлены полученные данные уровня шума.
+ о ir * о ■ '■■ 1 Л д
■Fl 1 -
-J
70.7 dB IIHMiHdDWWOP «я 78.1 dB
dl Л А? П ЙА
ш АЛ fi RQ Q 7Д 9 ЦЙ'.
С II ■ В И - pg ■ r II. 4P
Рисунок 3 - Уровень шума в электробусах АМКА1
* а Шл. ★ О й-v- у- ft \ яг +
80.5 dB АЛ f, ЛТ n R'J А tau} 82.2 dö UlfU ^шгкткп V? fl Ч? Я? <i
"и В 1-
Рисунок 4 - Уровень шума в дизельных автобусах АМКА1
Как видно из рисунков, разница в уровне шума составляет 10-12 дБ (децибел). Средний уровень шума при движении в транспортном потоке составляет 80-100 дБ. Значение уровня шума электробуса составляет 70-78 дБ, что можно сравнить с работой оргтехники в помещении или громким разговором. Отсюда делаем вывод, что электробусы АМКА1 не бесшумны, но уровень шума намного ниже дизельных автобусов.
На втором этапе исследования определим способы зарядки электробусов. Зарядные станции должны соответствовать ряду требований, представленных на рисунке 2, среди которых минимальный пробег без подзарядки не менее 40
км, наличие автономного дизельного отопителя, срок службы аккумуляторов не менее 15 лет и другие.
На данный момент существует два основных способа передачи электробусу энергии:
- зарядка от проводов, работающая по принципу троллейбуса, но не требующая для длительной работы постоянного контакта с электросетью;
- беспроводной способ зарядки с использованием явления электромагнитной индукции.
Электробусы с проводной зарядкой. Одним из самых распространённых и легко осуществимых на данный момент способов зарядки электробусов является способ, унаследованный у привычных всем троллейбусов - зарядка от токопроводящих линий, а также от специальных зарядных станций, которыми оборудуются автобусные остановки (рисунок 5). По данному способу заряжают электробусы в Павлодаре.
На электробусы ставится аккумулятор большой вместимости, позволяющий автобусу накапливать полученный заряд и определённое время работать автономно. На данный момент в электробусах чаще всего используются LТО (литий-титанатные) и LFР (литий-железо-фосфатные) аккумуляторы, так как стандартные Li-iоn (литий-ионные) слишком быстро выходят из строя в условиях быстрой (от 5 минут до 1 часа) подзарядки током высокой мощности от специальных зарядных станций, и имеют меньший диапазон рабочей температуры
[5].
Таблица 1 - Сравнительные модели электробусов
Производитель Модель Способ зарядки Макс. скорость, км/ч Вместимость,-человек Тип аккумулятора Мощность, кВт Запас хода, км Скорость зарядки
ANKAI (Китай) GE 93 Зарядная станция 69 32/80 LFP 100 220280 2-6 часов
Drive Екйга (Россия) НефАЗ-52992 Зарядная станция и бортовое зарядное устройство 70 110 LFP 150 250 8 часов(30 минут от сети 500кВт)
Drive Екйто (Россия) КамАЗ-2257Э Провода и зарядная станция 95 22 LTO 78 70 6-20 минут
Ргоtеrrа Catalyst
Зарядная станция 105 77 LTO 220 320 90 минут
(США) FС
Scoda (Чехия) РЕRUN НР Зарядная станция 70 82 LiPol 160 150 70 минут
Volvo (Швеция) Volvo 7900 Ек^ю Зарядная станция 80 105 LiPol 160 10 20 ~6 минут
«МОБЭЛ» (Россия) ЛиАЗ-6274 Провода и зарядная станция 80 90 LiPol 180 200 6,5 часов
«Санрайз» (Украина) Богдан А091 Провода и зарядная станция 80 46 LiPol 120 250 4-10 часов
«ТРОЛЗА» (Россия) ТРОЛЗА -52501 Зарядная станция 60 98 LiPol 125 120 3 часа
Рисунок 5 - Проводные зарядные станции для электробусов
Сравнивая данные таблицы 1, можно сделать вывод, что электробусы АМКА1 имеют хороший запас хода, среднюю скорость зарядки и мощность.
С<К№>Н И-П4»
Рисунок 6 - Схема работы электробусов на маршруте
На рисунке 6 представлена схема, по которой организована зарядка электробусов в ТОО «Автобусный парк №1» города Павлодар.
Электробусы с беспроводной индукционной зарядкой. В таком случае зарядная станция, располагающаяся на автобусной остановке (рисунок 7), включает в себя индукционную катушку, вмонтированную в асфальт возле остановки; детектор транспорта с беспроводной системой связи; электротрансформаторный блок управления катушкой; холодильная установка блока управления.
Рисунок 7 - Расположение зарядной станции на автобусной остановке
Система распределения энергии, оборудованная на автобусе (рисунок 8). Состоит из токоприёмной бесконтактной панели, представляющей собой индукционную петлю, расположенную на днище транспортного средства;
контроллера токоприёмника; блока управления, распределяющего полученную энергию между электродвигателями и аккумулятором.
Рисунок 8 - Расположение оборудования
Электробус останавливается на специально промаркированной зоне зарядной панели, под которой установлена индукционная катушка, и переходит в режим подзарядки, опуская токоприёмную панель на расстояние 4 сантиметров от земли. Блок управления, получив сигнал от детектора транспорта, передаёт преобразованный переменный ток на индукционную катушку, где между ней и токоприёмником возникает электромагнитное поле [6].
В среднем, подзарядка занимает 10 минут, восстанавливая 20% объёма аккумулятора. Этого объема достаточно для покрытия экологического маршрута, открытого в 2014 году в Берлине и равного 19,3 километра [7].
Идентичный маршрут, оборудованный станциями беспроводной зарядки, существует и в Великобритании - на нём электробусы WrightBus (рисунок 9) проходят испытания, проводимые МASP ITD с конца 2013 года [8].
Рисунок 9 - Схема беспроводной зарядки электрических автобусов, эксплуатирующихся в Милтоне, Великобритания
Среди электробусов с беспроводной индукционной зарядкой (таблица 2) самым выгодным в плане экономии является электробус, получающий энергию от станции бесконтактной зарядки [9].
Инфраструктура для электробусов. Эксплуатация электробусов предполагает обеспечение надёжной и доступной зарядной инфраструктурой. Целесообразно разработать единую инфраструктуру для быстрой зарядки вне зависимости от марки и модели электробусов. Схема компонентов такой системы представлена на рисунке 10.
Мобильная инфраструктура города должна решать следующие задачи:
- повышение эффективности городского хозяйства;
- улучшение экологической обстановки в городе;
- повышение качества проживания в городе;
- повышение качества услуг, оказываемых населению;
- создание транспортной среды, доступной для лиц с ограниченными физическими возможностями;
- повышение привлекательности города для туристов и создание условий для развития туристического бизнеса.
Таблица 2 - Сравнение использующихся в настоящее время вариантов зарядки
Способ получения энергии Положительные факторы Отрицательные факторы
Электропровода/ зарядные станции Возможность зарядки от токопроводящих линий, имеющихся в большинстве крупных городов. Высокая скорость зарядки от специальных станций Высокий запас автономного хода. Большие размеры аккумуляторов. Необходимость грамотного распределения зарядных станций и линий электропередач.
Беспроводная индукционная зарядка Относительно быстрая (либо непрерывная) скорость зарядки. Малые размеры установленных в электробусах накопителей. Нет открытых токоведущих элементов. Защищённость зарядных элементов от коррозии и погодных условий. Необходимость переоборудования дорожного полотна. Низкий запас автономного хода. Трудоёмкий процесс ремонта/ восстановления. Высокие потери мощности. Отсутствие совместимости оборудования от разных производителей.
. i ■ ■.1 ■ ■ ■ т ■>.
Ulil' «■IMJÜM № E pda BW Л: Ы ■ 1Ш. Я^Ч^ЧА 41 —Л1"И ■ ИЬ I-.-1 1 г
'w in к ■ J4i
и .ч Jdi■■+:. ■ cv_>-'UT44ii
4ЛГгЧЧЯ Ii fM Н BD 1КЛ-- KV Hl
iJlL'.fl M Ui .(-.'■ L"4_
a^-41 M-l LH "'II- 41 *JTi
Рисунок 10 - Взаимосвязь элементов мобильной инфраструктуры для электробусов
ВЫВОДЫ
В результате проведённого анализа международного и отечественного подхода к решению экологических проблем можно уверенно сделать вывод: переход от автобусного дизельного транспорта к электробусам имеет первостепенное экологическое значение.
Уровень шума электробусов значительно ниже дизельных, что является положительным моментом для экологической безопасности.
К ключевым принципам новой экологической политики относятся задачи, связанные с качественными преобразованиями транспортной системы, направленными на сокращение антропогенных выбросов СО2, снижение уровня шума. Для этого целесообразно: [10]:
- направить инвестиции в общественный транспорт;
- осуществить перевод автобусного парка с дизельными двигателями на электрические двигатели;
- стимулировать обновление парка автотранспортными средствами более высокого экологического класса;
- повысить роль велотранспорта и развивать инфраструктуру для него .
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Зарипов, Р. Ю., Гаврилов, П., Карку, А. Д., Серикпаев, Т. М. Методы снижения токсичности отработавших газов дизеля // Наука и техника Казахстана. - № 1. - 2019. - С. 75-84
2 Экологический кодекс Республики Казахстан от 9 января 2007 года с изменениями и дополнениями по состоянию на 11.04.2019 г.
3 О Концепции по переходу Республики Казахстан к «зеленой экономике». Указ Президента Республики Казахстан от 30 мая 2013 года № 577
4 Официальный сайт акимата города Павлодар // Электронный ресурс : akimat-pvl.gov.kz
5 Официальный сайт ТОО «СарыаркаАвтоПром» г. Костанай // Электронный ресурс : sap.com.kz
6 Айриев, Р. С., Кудряшов, М. А. Перспективы экологической транспортной системы в мегаполисе. Журнал «Мир транспорта», том 16, № 2, 2018 - С. 220-232
7 Остроух, А. В. Интеллектуальные информационные системы и технологии: монография / А. В. Остроух, Н. Е. Суркова. - Красноярск : Научно-инновационный центр, 2015. - 370 с.
8 Иванов О.Н., Листов Н.О., Остроух А.В. Исследование технических характеристик электробусов, как перспективных видов наземного пассажирского транспорта. Материалы XIV международной научно-практической конференции молодых ученых «Теория и практика применения информационных технологий...», 2015. - № 4.1. - С. 19-36.
9 OECD (2016), The Economic Consequence of Outdoor Air Pollution, OECD Publishing, Paris. http://dx.doi.org/10 .1787/9789264257474-en .
10 Ордабаев Е.К. Экологическая безопасность автомобилей. Монография. -Павлодар, Кереку, 2014. - 121 с.
Материал поступил в редакцию 16.12.19.
Зарипов Рамис Юрисович
окытушы, докторант PhD, «Келж техникасы жене логистика» кафедрасы,
Металлургия, машина жасау жене келж факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университетi,
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: [email protected].
Ивашко Виктор Сергеевич
т^.д., профессоры, Келiк жене тракторлар факультет^ Белорусь улттык техникалык университетi, Минск к., 220015, Беларусь Республикасы, e-mail: [email protected]. Сембаев Нурболат Сэкенулы
т^.к., кауымд. профессор, «Келж техникасы жене логистика» кафедрасы,
Металлургия, машина жасау жене келж факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университетi,
Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы,
e-mail: [email protected].
Алина Ецлт Арманцызы
магистрант, «Келж техникасы жене логистика» кафедрасы, Металлургия, машина жасау жене келж факультет^ С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы, , e-mail: [email protected]. Хайриден Айгерим Ерланцызы
магистрант, «Келж техникасы жене логистика» кафедрасы, Металлургия, машина жасау жене келж факультет^ С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы, e-mail: [email protected]. Материал баспаFа 16.12.19.тусть
Каланын келж жYЙесiне электробустарды енгiзу маселес
Макрлада квлж к^ралдарынъщ экологиялъщ щутаздтне байланысты проблемалар бершген. Атап айтканда, крз1рг1 уацътта вте взект1 болып табъшатът крлалъщ маршруттъщ автобустардъщ пайдаланъглган газдаръмен ауанъ ластау мжелеа. К/алалъщ кргамдъщ квлжтщ салъ1стъ1рмалъ1 жаца турлершц б1р1 — электробустардъщ талдауъг усътълган.
Дизельдь автобустардан толъщ электрге квшуде элемдт тэж1рибе карастърълдъ. Эз1рге бул квлж тур1 элемде 3 % гана тасъшалданадъ. Эрине,бул Еуропа, Солтустж Америка, Кътай жэне Жапония. Электробустардъ енг1зудег1 проблемалардъщ б1р1 инфракурълъмнъц узджЫз жумъс iстеу1 ушш кажетт1 мвлшерде зарядтау станцияларъшен камтамасъз ету болът табъладъ. Аккумуляторлардъ зарядтау нускаларъ, зарядтау станцияларъта койълатъш талаптар, зарядтаудъц тyрлi мрдельдерi мен тэсшдерШц электробустаръшъщ салъстърмалъ сипаттамаларъ кврсетшген.
Krnmmi свздер: автобус, электробус, сымсыз зарядтау, аккумулятор, шу, экологиялыц цаутЫздж.
Zaripov Ramis Yurisovich
teacher, PhD doctoral student,
Department of Transport Equipment and Logistics,
Faculty of Metallurgy, Engineering and Transport,
S. Toraigyrov Pavlodar state University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: [email protected].
Ivashko Viktor Sergeevich
Doctor of Technical Sciences,
Professor, Faculty of Automotive Engineering,
Belarusian National Technical University,
Minsk, 220015, Republic of Belarus
e-mail: [email protected].
Sembayev Nurbolat Sakenovich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Department of Transport Equipment and Logistics,
Faculty of Metallurgy, Engineering and Transport,
S. Toraighyrov Pavlodar state University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: [email protected].
Alina Yenlik Armаnovna
graduate student, Department of Transport Equipment and Logistics,
Faculty of Metallurgy, Engineering and Transport,
S. Toraigyrov Pavlodar state University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: [email protected].
Hayriden Aygerim Erlanovna
graduate student, Department of Transport Equipment and Logistics,
Faculty of Metallurgy, Engineering and Transport,
S. Toraigyrov Pavlodar state University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: [email protected].
Material received on 16.12.19.
On the issue of introduction of electric buses in the transport system of the city
The article highlights the problems associated with the environmental safety of vehicles. In particular, the issue of air pollution by exhaust gases of city buses, which is currently very relevant. The analysis of one of the relatively new types of urban public transport — electric buses. The world experience in the transition from diesel buses to fully electric is considered.
So far, this mode of transport in the world carries only 3 % ofpassengers. Mainly, of course, in Europe, North America, China and Japan. One of the problems in the introduction of electric buses is to provide the infrastructure with charging stations in the amount necessary for the smooth operation of the routes. Options of charging of accumulators, requirements to charging stations, comparative characteristics of electric buses of various models and ways of charging are reflected.
Keywords: bus, electric bus, wireless charging, battery, noise, environmental safety.
