Электробусы и их батареи: что такое литий-титанат? (Part.1)
фото c сайта www.zr.ru
Друзья здравствуйте, всем здоровья, берегите себя, антисептики — наше ВСЁ!
Сегодня попробуем рассмотреть московские электробусы по мотивам статьи в журнале «За рулем» в части используемых литий-титанатных батарей (Li4Ti5O12 или LTO), их стоимости и перспектив эксплуатации, также попробуем разобраться, почему литий-титанат не подходит для промышленных решений в ИБП.
После нашей статьи «Li-Ion технологии: удельная стоимость снижается быстрее прогнозов» вызвал интерес литий-титанат как «не автомобильный» литий. На мой взгляд LTO как раз и является самым что ни на есть тяговыми батареями, которые совершенно не подходят для работы в качестве аккумуляторных батарей в ИБП и телекоме. Почему? Давайте разберемся под катом, структуру статьи условно разделим на три части:
Электробусная реальность: батареям 30 лет, а электробусы выезжают на улицы только сейчас. Разбираемся почему
Последние годы газеты по всему миру все чаще выходят с заголовками о том, что очередной город начал переход на электрические автобусы. Причем тренд характерен не только для столиц, но и провинциальных городов.
На сегодняшний день больше всего — 99% всех электробусов — сосредоточено в Китае. В городе Шэньчжэнь уже заменен весь дизельный автопарк. Другие страны тоже стараются не отставать. Москве потребовалось всего два года, чтобы запустить 500 электробусов с быстрой подзарядкой.
Увеличивают количество электробусов и другие города Европы: Лондон, Париж, Берлин. В белорусском Гродно применяются in motion charging busses(автобусы с возможностью подзарядки во время движения), которые позволили связать маршруты на разных концах города.
Похоже, мы дождались момента начала массовой декарбонизации наземного транспорта. Возникает логический вопрос: почему массовое производство электробусов стало возможно только сейчас?
Сердце любого электрического транспорта – это аккумулятор. Используемые в электробусах батареи, являются вариантами литий-ионных аккумуляторов. Их история началась около 30 лет назад. Первоначально этот тип батарей получил распространение в сфере IT-гаджетов: такими батареями стали оснащать ноутбуки и телефоны.
Развитие рынка гаджетов способствовало совершенствованию литий-ионных аккумуляторов и переходу производства в промышленные масштабы.
Химические соединения, используемые в батареях, становились безопаснее, а стоимость производства ниже. Эти факторы позволили перейти к применению литий-ионных батарей в электрическом транспорте, в том числе в электробусах. С этого момента началась электрическая гонка и стремительное развитие индустрии.
На первый взгляд может показаться, что заменить дизельные автобусы электробусами несложно. На самом же деле батареи электробусов должны отвечать ряду критериев: безопасность, экологичность, легкость, эффективность и экономичность. Идеальным решением являются литий-титанатные батареи.
На сегодняшний день, существует три типа электробусов: depot charging bus, opportunity charging bus, in motion charging bus. Литий-титанатные аккумуляторы подходят для второго и третьего типа электробусов. Этот тип батарей считается лучшим не просто так.
Во-первых, они безопасны во всех смыслах: как для экологии, так и с технической точки зрения. Во-вторых, они идеальны для городов с большими перепадами температуры и работают даже при сильных морозах. В-третьих, они экономически эффективны. Да, если смотреть на стоимость производства литий-титанатной батареи, то она окажется больше остальных.
Однако, срок службы такой батареи составляет около 15 лет, что в три раза больше, чем у батарей других типов. В итоге, в контексте жизненного цикла литий-титанатные батареи оказываются самыми дешевыми и экономически привлекательными. Кроме того, рост объёмов производства привел к тому, что за последние 10 лет средняя стоимость батарей данного типа снизилась примерно в 1,8-1,9 раз.
Еще одна привлекательная черта электробусов с литий-титанатными батареями – это возможность использования быстрой подзарядки. Такие электробусы могут подзаряжаться на конечных пунктах маршрута в течение всего нескольких минут и проезжать за день до 300-400 километров.
Это позволяет покрыть еще одну важную потребность общественного транспорта современных городов – непрерывные перевозки. Многие могут поспорить, что электробусы с ночной зарядкой подойдут для подобных целей лучше. Да, действительно, батареи таких автобусов будет возможно зарядить ночью, чтобы они смогли работать весь день.
При этом, размер и вес таких батарей должны быть значительны: 3-4 тонны против 1,5 тонн в электробусах с быстрой подзарядкой. А учитывая вес одного пассажира в 75 килограммов, получается минус 20-35 потенциальных пассажиров.
В условиях мегаполисов, где пассажировместимость общественного транспорта крайне важна, побеждают литий-титанатные батареи. Кроме того, за 15 лет использования электробуса с быстрой подзарядкой объемы утилизации батарей будут в 12 раз меньше, чем при использовании электробуса с ночной зарядкой.
Похоже, что на данный момент литий-ионные аккумуляторы являются лучшим типом батарей для электробусов. Ближайшие аналоги отстают по показателям эффективности и качества, а новые разработки, похоже, на принесут ничего нового в ближайшие годы.
Таким образом, благодаря технологическому развитию и массовому производству электробусы становятся символом перемен. Тренд по переходу на экологически чистый транспорт начинается именно с общественного транспорта. В некоторых городах парк наземного транспорта может быть переведен на электричество уже в течение 5-10 лет.
Точка окупаемости электробусов была найдена – не последнюю роль в этом сыграли литий-титанатные батареи. А это значит, что зеленую революцию не остановить, и ее первая «автобусная волна» уже здесь.
Московские электробусы: пять лет на линии
Сегодня поговорим про московские электробусы. Первые машины в городе поехали почти 5 лет назад — 1 сентября 2018 года по маршруту бывшего троллейбуса 73 «ВДНХ — 6 мкр. Бибирево». Подведем небольшие аналитические итоги к первому юбилею.
На сегодня в городе работают более 1000 машин двух производителей:
- ПАО «КамАЗ» — Камаз-6282
- ПАО «ГАЗ» — ЛиАЗ-6274
Машина Лиаз-6274 хорошо узнаваема большим скруглением фальшборта над крышей, закрывающим оборудование расположенное на крыше. Данный фальшборт имеет достаточно большой зазор из-за чего смотрится отдельным элементом и выделяет данные машины от машин своего конкурента.
КАМАЗ-6282 (выпуска 2018–2021) — машин первого поколения работающие в Москве с первого дня запуска данного типа общественного транспорт. Здесь фальшборт более вертикальный и лучше подогнан к корпусу машины. В настоящее время поставка подобных машин в Москву завершена, на смену им пришли новые машины КАМАЗ-6282 без дизельного отопителя и новым типом батарей.
КАМАЗ-6282 (выпускается с 2022 года), данная модель очень похожа на машины КАМАЗ-6282 1-го поколения, внешне отличается бОльшим маршрутным табло на лобовом стекле и другой системе адресного открытия дверей (кнопка переместилась с правой створки на левую и стала касательной, вместо нажимной в 1 поколении)
С машинами разобрались, теперь легко можем их отличить в городе, разберемся где же они обитают?
На сегодня в Москве 4 филиала эксплуатирующие электробусы, на днях должен открыться 5 филиал:
- Северо-восточный (2 площадки)
- Центральный (3 площадки)
- Восточный (1 площадка)
- Юго-Западный (1 площадка)
- Зеленоградкий (1 площадка, еще не открыта, ее разбирать не будем)
Приступим подробнее рассматривать каждый филиал
1) Филиал «Юго-Западный»
В данном филиале электробусная площадка расположена за пределами МКАД, на сегодня это самый новый электробусный парк «Красная Пахра», в данном филиале работают 34 электробуса, все марки КАМАЗ-6282. По данным сттс все имеющиеся машины находятся в рабочем состоянии. Бортовой номер данных машин начинается на «40» т е имеет вид «40****»
2) Филиал «Центральный»
В данном филиале 3 электробусные площадки, все они расположены на площадках бывших троллейбусных парков: 1 троллейбусный парк — площадка «Ленинградская», ФАТП — площадка «Д. Давыдова», 8 троллейбусный парк — площадка «Электролитная». В данном филиале работают 411 электробусов, все марки КАМАЗ-6282. По данным сттс в рабочем состоянии находятся 410 машин, 1 машина нерабочая. Бортовой номер данных машин начинается на «41» т е имеет вид «41****». Деления машин по площадкам пока не удается выяснить, поэтому рассматривать будем все 3 площадки как единый массив электробусов.
3) Филиал «Северо-Восточный»
В данном филиале 2 электробусные площадки, одна площадка расположен на площадке бывшего троллейбусного парка, вторая площадка появилась модернизации бывшего автобусного парка: 6 троллейбусный парк — площадка «Бочкова», 7 автобусный парк — площадка «Лихоборы». В данном филиале работают 482 электробуса, на площадке «Бочкова» работают электробусы марки ЛИАЗ-6274, на площадке «Лихоборы» — КАМАЗ-6282. По данным сттс в рабочем состоянии находятся 475 машин, 1 машина выведена из эксплуатации из-за пожара, 2 электробуса КАМАЗ-6282 — нерабочие, 5 электробусов ЛИАЗ-6274 — нерабочие. Бортовой номер данных машин начинается на «43» т е имеет вид «43****». Далее рассматривать этот филиал будет отдельно по каждой площадки.
4) Филиал «Восточный»
В данном филиале электробусная площадка расположена за пределами МКАДом, на землях бывшего троллейбусного отделения Новокосинского автобусно-троллейбусного парка (НАТП) , в данном филиале работают 128 электробуса, все марки КАМАЗ-6282. По данным сттс все имеющиеся машины находятся в рабочем состоянии. Бортовой номер данных машин начинается на «44» т е имеет вид «44****»
Итого
в Москве на сегодня работают 1055 электробусов, 8 из них числятся как нерабочие. По маркам деление: 250 электробусов ЛИАЗ-6274 и 805 — КАМАЗ 6282.
Разберемся подробнее с возрастом электробусов в каждом филиале.
Наиболее молодые электробусы собрались в «Красной Пахре», наиболее возрастные у «Северо-Восточного» филиала.
Посмотрим как приходили электробусы по годам:
Максимальный размер производства был у Камаза в 2021 году, у Лиаза в 2020. Поэтому доли этих модели в перевозках города так же меняются:
В заключении посмотрим динамику по количеству рабочих машин в городе по годам по каждому производителю и в целом по парку города:
Электробусы — «рабочие лошадки» или «столичные штучки»?
Вплоть до начала XXI века Москва могла похвастаться самой большой троллейбусной сетью в мире. Но с 2016 г. в городе шел процесс демонтажа троллейбусных линий, завершившийся в августе 2020 г. На смену троллейбусам пришли электробусы. Может ли этот московский опыт быть использован в регионах? Есть ли вообще альтернатива электробусам как транспорту будущего?
Троллейбусное движение в Москве было открыто в 1933 г. Тогда вопросы экологии еще не стояли так остро, как сейчас. Главными преимуществами троллейбусов были простота обслуживания и большая, по сравнению с автобусами того времени, вместимость. С 60-х по 80-е годы по Москве ходили не только пассажирские, но и грузовые троллейбусы. Именно в те годы троллейбусная сеть города интенсивно развивалась за счет появления новых жилых массивов.
Продолжалось развитие троллейбусного сообщения и в непростое время начала 90-х годов. Импортные автобусы большой вместимости стали городу не по карману, производство таких же отечественных еще не было развернуто, а вот троллейбусы-«гармошки» в России уже тогда умели делать. Целый ряд автобусных маршрутов тогда был заменен на троллейбусные.
Тем не менее массовая автомобилизация в 2000-х годах довела ситуацию с пробками в Москве до критического уровня. Одним из источников пробок были троллейбусы. В отличие от автобуса, троллейбус обладает очень ограниченной маневренностью. Прекращение подачи электропитания или обрыв контактной сети приводили к тому, что троллейбус вставал на дороге в самом неожиданном положении, мешавшем проезду автомобилей. Даже такое явление, как слетание токосъемников с контактной сети приводило к проблемам с движением минут на 15. Водитель троллейбуса должен отключить питание машины, дождаться, пока поток машин вокруг иссякнет, вручную опустить токосъемники, потом поднять их, вернуться в машину и включить ее питание.
Троллейбусной сети «Мосгортранса» больше нет, тем не менее существуют два места в городе, где на этом виде транспорта при желании еще можно покататься. В качестве памяти о важном когда-то виде транспорта в центре Москвы оставлен один действующий «музейный» троллейбусный маршрут протяженностью 3,6 км. Также сохранилась междугородная троллейбусная линия «Химки-Москва», принадлежащая транспортному предприятию г. Химки, она проходит через московский район Северное Тушино.
В 2009 г. на одну из самых оживленных московских магистралей — Ленинский проспект — вышло несколько экспериментальных троллейбусов, оснащенных суперконденсаторами. Заряд суперконденсаторов позволял троллейбусу при возникновении той или иной аварийной ситуации с энергоснабжением продолжить движение, проехав еще около 500 м до участка сети, где есть напряжение, либо до места, где можно поднять токосъемники, не мешая движению. А в случае, если электроснабжение пропало по всей линии, высадить пассажиров на ближайшей остановке и найти удобное место для парковки. В отличие от имевшихся тогда в наличии аккумуляторов, суперконденсаторы нормально работали даже на сильном морозе. Важно, что почти вся применявшаяся элементная база, включая сами суперконденсаторы, была отечественной.
Проект значительно опередил свое время, но к середине 2010-х годов был свернут из-за дороговизны, сложности обслуживания таких троллейбусов, а также изменения транспортной политики в Москве.
Переход к электробусам
Главная проблема при внедрении электробусов — возможность использования аккумуляторов большой емкости при российских морозах. С 2016 г. в Москве испытывались различные типы электробусов, отличавшиеся в том числе и типом используемых аккумуляторов. В итоге были выбраны литий-титанатные аккумуляторы, сохраняющие работоспособность до -30 °C. Другим важным преимуществом данного типа аккумуляторов является количество циклов заряда-разряда, достигающее 20 тыс., что в 5 раз выше, чем у обычных литий-ионных. Именно такие аккумуляторы используются на электробусах ЛиАЗ-6274 и КамАЗ-6282, выходящих на московские маршруты с 2018 г. Дальность автономного хода достигает 80 км.
Литий-титанатные аккумуляторы (по данным на середину 2020 г.) в России пока не выпускаются. В упоминавшихся моделях электробусов применяются аккумуляторы, произведенные китайским подразделением одной из американских компаний. К слову, это не единственный критически важный импортный компонент в отечественных электробусах. Двигатели в них тоже импортные — ZF AVE13 производства Германии.
Хотя литий-титанатные аккумуляторы и выдерживают мороз, но применение электрического отопления салона резко снизило бы автономность хода от одной зарядки.
Европейский опыт
Электробусы используются в системах общественного транспорта таких европейских городов, как Лондон, Берлин, Варшава и Милан. Более мягкий климат по сравнению с Москвой и более короткие маршруты позволяют использовать электробусы вместимостью до 120 человек, зачастую с отоплением только от аккумулятора, без дополнительного дизеля.
Электробусы в европейских городах внедряются как замена дизельным автобусам. Тем не менее эти проекты пока больше ориентированы на экологию и улучшение имиджа городов, чем на реальную окупаемость.
Поэтому для отопления в московских электробусах применяется специальный маломощный дизель, работающий в холодное время. Но если экологическая чистота выхлопа дизеля, приводящего обычный автобус в движение, жестко нормируется (для Москвы в настоящее время это EURO 5), то дизель, отапливающий салон автобуса, ни под какие экологические ограничения не попадает. К сожалению, никаких данных о выхлопах электробуса при включенном отоплении в открытой печати до сих пор не опубликовано.
Вместимость электробуса, пригодного для эксплуатации в московском климате, — всего 85 человек
Зима 2020/2021 г., первая после того, как Москва отказалась от троллейбусов, оказалась снежной и морозной. Тем не менее, на Ленинском проспекте — крупнейшей по протяженности городской магистрали, за которой вел наблюдение автор статьи, — остановок движения электробусов по техническим причинам даже в сильный мороз не отмечалось. Были отдельные сбои в других районах Москвы, которые, по утверждению департамента транспорта города, обусловлены неисправностями в зарядных станциях. Полной статистики о сбоях московских электробусов зимой в открытых источниках пока нет.
Но говорить о полной победе электробусов преждевременно просто потому, что троллейбусы в Москве были заменены большей частью не на электробусы, а… на автобусы. В 2014 г. по Москве ездило около 1600 троллейбусов. Обычный троллейбус вмещает в себя 125 человек, электробус одного из используемых сейчас типов — только 85. Адекватная замена по вместимости — 2400 электробусов. Но она станет возможна только в 2024 г., когда парк электробусов планируется довести до 2600 машин. Пока же, по состоянию на начало 2021 г., по городу «бегают» только 600 электробусов. Весь остальной пассажиропоток, обслуживавшийся троллейбусами, теперь перевозится дополнительно закупленными городом автобусами.
Сочлененный электробус в Берлине
Профит?
Ни для кого ни секрет, что при меньшей вместимости электробус стоит дороже троллейбуса. Цена троллейбуса отечественного производства, в зависимости от модели и комплектации, лежит в пределах 6-12 млн руб., цену отечественного электробуса можно оценить в пределах от 25 до 60 млн руб. Цена сверхбыстрой зарядной станции для электробуса составляет 10-15 млн руб. Для сравнения, замена 1 км троллейбусных проводов стоит около 0,5 млн руб. и проводится данное мероприятие раз в 15 лет. И это не говоря о том, что меньшая вместимость электробусов требует большего числа водителей. К экологичности электробусов в холодное время года, как отмечалось, есть некоторые вопросы.
Сторонники электробусов совершенно справедливо отмечают, что эти машины ходят более плавно и бесшумно. Однако при этом сравниваются морально устаревшие модели троллейбусов, колесившие по московским улицам, и новенькие электробусы с комплектующими от ведущих зарубежных фирм. Если в троллейбус поставить асинхронный двигатель, используемый в электробусе, то он будет так же плавно и бесшумно идти.
В проводах троллейбусной сети действительно есть потери электроэнергии, на что любят напирать сторонники электробусов. Тем не менее, согласно нормам, падение напряжения в контактной сети не должно превышать 15 %. Соответственно, если сеть поддерживается в хорошем состоянии, КПД троллейбуса как минимум не ниже, чем у электробуса. Но должна же давать какую-то выгоду новая технология?
Дело в том, что замена троллейбусов на электробусы в Москве действительно может приносить пользу городу, но не напрямую, а косвенно, используя некоторые особенности экономики, характерные только для российской столицы с ее дефицитом свободного пространства и большим туристическим потенциалом.
Начнем с того, что троллейбусная инфраструктура — парки, питающие подстанции и т. п. — занимает много места, а располагается она, как правило, почти в центре города. Отказ от троллейбуса позволяет использовать эти земли для других целей. В Москве взят курс на увеличение доходов от туризма. В связи с этим улицы города освобождаются от нагромождения проводов, в том числе и троллейбусных, портящих красивые виды. Гигантские автомобильные пробки, возникавшие в том числе из-за троллейбусов, наносили большой ущерб экономике и экологии (двигатель в холостом режиме выделяет больше выхлопных газов, чем в рабочем).
Но просто взять и отказаться от электротранспорта — удар по имиджу города.
Троллейбус с увеличенным АХ Solaris Trollino 12 проезжает улицу в Будапеште, не имеющую контактной сети
Значит, надо было поменять троллейбусы на что-то более модное. Опять-таки, привлекая туристов, т. к. сейчас уже Москва — самый «электробусный» город, если не в мире, то в Европе уж точно.
Очевидно, что перечисленные преимущества электробусов могут быть реализованы только в условиях Москвы и перенести этот опыт на другие регионы России невозможно.
Троллейбус «Адмирал» с увеличенным АХ успешно эксплуатируется в Санкт-Петербурге
Альтернативное решение
Наиболее реальная альтернатива электробусам — троллейбусы с увеличенным автономным ходом (АХ) и динамической подзарядкой. Аккумуляторы такого троллейбуса заряжаются от контактной сети во время поездки. Там, где контактную сеть проложить затруднительно, либо она закрывает вид на туристические достопримечательности, троллейбус опускает токосъемники (причем водитель управляет этим процессом, не выходя из машины) и идет на энергии, накопленной аккумулятором. Максимальная дальность такой поездки от одной подзарядки — от 10 до 40 км. По сути, троллейбус с увеличенным АХ — это дальнейшее развитие троллейбуса на суперконденсаторах, но с применением более емких аккумуляторов, которые теперь нормально работают на холоде. Как и троллейбус на суперконденсаторах, это транспортное средство может маневрировать при возникновении аварийной ситуации или при аварии электропитания.
Троллейбусы с увеличенным АХ получили широкое распространение в Санкт-Петербурге, Барнауле, Подольске (Московская обл.), Красноярске и некоторых других российских городах, а также в ряде республик бывшего СССР, Сербии, Швейцарии, Венгрии и Аргентине. Отечественные троллейбусы такого типа производятся опытными партиями с 2012 г., серийно — с 2017 г. В настоящее время они выпускаются предприятиями АО «Транс-Альфа» из г. Вологды (модель «Авангард») и ООО «ПК «Транспортные системы»» из г. Энгельса (модель «Адмирал»).
Обладая многими преимуществами электробуса, троллейбус с увеличенным АХ не требует создания сети зарядных станций. Нет очередей из машин к электрозаправке, что, к сожалению, иногда бывает во время зарядки московских электробусов. Троллейбус, умеющий ездить без проводов, стоит дешевле и содержит большую долю отечественных компонентов, чем электробус. Наконец, это по-настоящему экологичный вид транспорта, где даже отопление полностью электрическое. Причем вместимость сопоставима с обычным троллейбусом.
Внедрять троллейбус с АХ есть смысл, главным образом, в тех городах, где троллейбусные линии уже существуют и нужно их расширить либо убрать провода там, где они создают неудобства. «На пустом месте» может оказаться выгоднее развивать электробусы. Впрочем, есть и обратный пример.
В Праге троллейбусное сообщение было закрыто в 1972 г., но в 2017 г. вновь возрождено, уже на основе троллейбусов с автономным ходом. Пока есть только одна линия, причем примерно половина длины ее трассы контактной сети не имеет. Троллейбус заряжается не только, когда находится на стоянке в парке, но и во время движения.
В любом случае, есть выбор из двух концепций избавления электротранспорта от проводов. А заказчики голосуют за них рублем в зависимости от специфики конкретного региона.
Источник: Алексей Васильев, журнал «Электротехнический рынок» № 2 (98) 2021 год