Конденсаторный автобус глотает электричество на остановках

В погоне за чистым городским транспортом человечество изобрело трамваи и троллейбусы, заплатив за электрический привод сокращением маневренности. Попытки же создания автобусов на аккумуляторах до сих пор выглядели бледно, поскольку батареи, достаточные для сколь-нибудь удовлетворительного пробега, оказывались чрезмерно тяжёлыми и дорогими…

Выход из тупика, как часто бывает, оказался довольно прост. Да и найден он был не вчера. Оставалось только дождаться героев, которые взялись бы довести идею до практического, причём массового применения.

Чтобы получить электрический автобус, недорогой, но притом способный свободно путешествовать по городу, нужно провернуть достаточно очевидную вещь: поставить системы сверхскоростной зарядки на каждой автобусной остановке. Желательно автоматизированные, дабы водитель не покидал кабины. Правда, аккумуляторы, способные хранить приличное количество энергии на единицу веса, не очень охотно переваривают большие токи, так что для наполнения их "под горлышко" нужно приличное время. И кто будет в час пик ждать такой "заправки"?

К счастью, существует замечательная альтернатива химическим батареям — суперконденсаторы. По удельной ёмкости они хуже, к примеру, литиевых батарей на порядок, а то и больше. Зато умеют очень быстро заряжаться.
Именно такой транспортный проект развивают китайские компании Sinautec и Shanghai Aowei Technology совместно с американскими Sinautec Automobile Technologies и Foton America Bus.

Последняя производит в США автобусы и грузовики под маркой, принадлежащей китайской Beiqi Foton Motors, и одновременно занимается альтернативными технологиями: гибридами, машинами, работающими на сжатом природном газе и водороде, теперь вот и электрическим транспортом. Aowei же – специалист по суперконденсаторам, ну а за Sinautec Automobile — общее проектирование системы.

С 2006 года партнёры тестируют на одной из коммерческих линий в Шанхае 17 опытных образцов суперконденсаторных автобусов (Ultracap Bus). Когда такая машина подъёзжает к остановке, водитель нажимает на кнопку и над крышей поднимается токоприёмник. Он подключается к двум проводам, висящим над землёй словно провода троллейбуса (но по длине не выходящим за территорию остановки). Чтобы принять порцию энергии, достаточную для броска к следующему пункту на маршруте, Ultracap Bus требуется всего две минуты: это происходит, пока пассажиры выходят и входят в автобус.
 

Ёмкость суперконденсаторов, установленных под полом автобуса, составляет 5,9 киловатт-часов. Расход же энергии машиной равен 0,66-0,93 кВт-ч на километр. При спокойной езде Ultracap Bus может проехать "на одном дыхании" до 8,8 км. Но реальные отрезки пути куда меньше — всего несколько кварталов, поэтому и заправки — короткие. Вообще же с нуля и до 100% суперконденсаторный блок в Ultracap Bus заряжается примерно 6 минут (точное время зависит от выбранного в зарядной сети напряжения).

Апробация технологии в Шанхае показала выгоду "суперавтобусов". Во-первых, и это едва ли не главное, они по оценке партнёров оказались примерно на 40% дешевле, чем автобусы с литиево-ионными аккумуляторами. По сравнению с троллейбусом они вышли экономичнее (тут сполна используется рекуперация энергии при торможении, поясняют инженеры).

Но в отличие от "рогатого" транспорта Ultracap Bus более свободно чувствуют себя на улицах. Если число маршрутов и, соответственно, зарядных остановок увеличить, каждый суперконденсаторый автобус сможет легко колесить едва ли не по всему городу.
Исходя из нынешних цен на электричество и дизтопливо, партнёры посчитали, что "топливные" расходы "суперавтобуса" на порядок ниже обычного, что означает экономию порядка $200 тысяч за обещанные 12 лет жизни машины. Надёжность и простота силового агрегата — ещё один плюс новинки в сравнении как с дизельными, так и с аккумуляторными соперниками. За три с лишним года работы в Шанхае ни у одного Ultracap Bus не случилось ни одного отказа.

Что до пресловутого "углеродного следа", то, по словам исполнительного директора Sinautec Automobile Technologies Дэна Е (Dan Ye), даже если считать, что всё электричество для Ultracap Bus получается на угольной электростанции, такой автобус "выбрасывает" в атмосферу только треть от углекислого газа, выделяющегося дизелем. И ведь всегда остаётся возможность вырабатывать электричество более "зелёными" способами.
 

Собственно, в этом направлении партнёры по проекту и намерены двигаться дальше. 21 октября 2009 года они собираются представить американской публике 11-местные открытые автобусики на суперконденсаторах (Eleven Seat Minibus). Эти машины предназначены для коротких вояжей по территориям выставок, аэропортов, гипермаркетов, курортов и университетских кампусов. Вообще-то однодневная презентация и пройдёт в кампусе Американского университета в Вашингтоне (American University).

Мини-автобусы будут заряжаться от ряда мобильных 5-киловаттных фотоэлектрических генераторов, — гласит пресс-релиз Sinautec Automobile Technologies. Для этого к проекту подключилась американская Stella Group — специалист по солнечным батареям.
Но эти "малыши" представляют собой, образно говоря, "боковую ветвь" технологии. А вот про маршрутные автобусы Ultracap Bus следует поговорить ещё. Кажется, всем они хороши. Да ещё и кондиционером оборудованы. Только вот тратит конденсатор не меньше, чем скромный тяговый электромотор машины. Потому при включении охлаждения салона на всю катушку запас хода на одной зарядке у Ultracap Bus падает более чем в 1,5 раза — до 5,6 км.

Это, конечно, больше, чем дистанция между двумя типичными городскими остановками. Но на всякий пожарный запас хотелось бы иметь значительнее. Простое же увеличение набора суперконденсаторов не очень-то правильный путь: будет расти масса машины, а главное — цена.
 

Партнёры полагают, что сами суперконденсаторы ещё не сказали последнего слова. Сейчас в опытных образцах Ultracap Bus стоят накопители с удельной ёмкостью 6 Вт-ч/кг (для сравнения: литиевые аккумуляторы обладают удельной ёмкостью примерно 110-200 Вт-ч/кг).

Клиффорд Клэр (Clifford Clare), исполнительный директор Foton America Bus, рассказывает, что в начале 2010 года компания выкатит на испытания шестьдесят Ultracap Bus второго поколения, оснащённые ультраконденсаторами с удельной ёмкостью 10 Вт-ч/кг. А в третьем поколении партнёры намерены довести удельные показатели суперконденсаторов до уровня свинцово-кислотных аккумуляторов, а может, и выше. Тогда запас хода на одной зарядке такого автобуса окажется равен 30-35 километрам.

При сохранении зарядных пунктов на каждой или почти каждой остановке это будет означать большую гибкость системы и высокую стойкость к отказам зарядного оборудования. Либо у транспортников появится возможность ставить заправочные контакты гораздо реже, а значит, окажется выгодным расширить технологию на целый ряд сложных маршрутов, в том числе — пригородных.

В наращивании ёмкости суперконденсаторов китайские учёные и инженеры рассчитывают в числе прочего и на своих заокеанских коллег. В частности, Sinautec Automobile Technologies ведёт переговоры с лабораторией Джоэла Шиндалла (Joel Schindall) из Массачусетского технологического института.
 

Шиндалл, эксперт по суперконденсаторам, с интересом воспринимает развитие таких автобусов. "Это блестящая концепция зарядки, — говорит Джоэл. — Она не очень хорошо подходит для электромобилей, но практична в случае с автобусом, который останавливается каждые несколько кварталов". Чтобы подарить новым машинам рекордные суперконденсаторы, Шиндалл экспериментирует с нанотрубками. И не он один, надо заметить.

О том, что углеродные нанотрубки способны существенно улучшить параметры суперконденсаторов, а также и химических аккумуляторов, учёные в разных странах говорят уже не один год. И не только говорят, но и ставят соответствующие опыты.

"Пока что мы можем получить образцы с плотностью энергии, в два раза превосходящей существующие ультраконденсаторы, но этого недостаточно, — продолжает Шиндалл. – Мы стремимся получить примерно в пять раз больше. Это означает суперконденсатор с удельной ёмкостью в одну четверть от запаса литиево-ионных аккумуляторов".

Пока, с позволения сказать, "суперсуперконденсаторы" не появились, Sinautec и её партнёры создали промежуточный вариант автобуса — Ultracap Hybrid Bus. Под гибридом в данном случае подразумевается вовсе не сочетание электротяги с дизелем, а совмещение двух разных типов накопителей энергии — ультраконденсаторов и свинцово-кислотных батарей.

Первые имеют ёмкость 2,25 киловатт-часа и заряжаются на всё тех же автобусных остановках за 4 минуты (если не полностью, то достаточно и 30 секунд). Вторые же вмещают солидные 60 кВт-ч. Их заполнение требует уже 6 часов. Происходить это может, к примеру, на конечных станциях или в парке.
Суперконденсаторы в начинке такого автобуса рассчитаны на полный срок службы машины — порядка всё тех же 12 лет, а вот аккумуляторы надо будет менять раз в 18 месяцев, увы. Одна отрада: свинцовые батареи гораздо дешевле литиевых. Но всё равно понятно, почему авторы проекта так стремятся нарастить возможности именно суперконденсаторной модели.

Foton America Bus ведёт переговоры с транспортниками Нью-Йорка, Чикаго и ряда городов во Флориде об открытии опытных линий для Ultracap Bus. И развитие такой же сети в Китае, вероятно, будет продолжено.

Короткая подпитка на остановках — интересная альтернатива прочим методам зарядки электрического транспорта. Тут можно вспомнить "беспроводные дороги", показанные недавно корейцами, и роботизированную горячую замену аккумуляторов. Первый вариант обладает не самым лучшим КПД. Второй же усложняет устройство зарядных пунктов. И хотя на роль персонального электротранспорта "троллейбус без проводов" едва ли сгодится (будем уповать на сверхскоростные литиевые батареи?), вполне может быть, что мы наблюдаем "начало конца" троллейбусов.