◄ اتوبوس های برقی (باتری دار)

بخش یازدهم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش دوازدهم آن در ادامه می آید.

اتوبوس های برقی (باتری دار)

کاربری باتری در اتوبوس برقی مدرن شهری، اولین بار در سال 2009 در چین به عنوان پیش‌ران دوم شبکه‌ برق بالاسری اتفاق افتاد و سپس شرکت BYD چین در سال 2010 ، باتری را به عنوان پیش‌ران اصلی در اتوبوس برقی به کار برد. شهرداری شنژن تعداد زیادی از آنها را در سال 2011 خریداری کرد و تا سال 2017، کل ناوگان 16300 دستگاهی اتوبوس شهری آن به برقی تبدیل شد. در سال 2012 یک شرکت چک، میدی‌بوسی 8 متری با ظرفیت 22 صندلی و 35 نفر ایستاده، با برد 170 تا 260 کیلومتر در روز، قابل شارژ سریع (دو بار در روز و هر بار یک ساعت) و حداکثر سرعت 80 کیلومتر را به بازار عرضه کرد. در همان سال یک شرکت اتریشی در شهر وین، از اتوبوس هایی باتری‌ دار به عنوان پیش‌ران دوم و برای فواصل بین شبکه‌ های برق بالاسری استفاده کرد. در سال 2013 به منظور بررسی کارآیی اتوبوس های برقی نوین، تعداد محدودی مینی بوس و اتوبوس در شهرهای مختلف آلمان و کشورهای سوئیس، هلند، رومانی، کره جنوبی و ایالات کالیفرنیا و تکزاس مورد بهره برداری قرار گرفت. کارخانه‌ های سازنده‌ اتوبوس این محصولات را با انواع باتری ها و موتورها و جایگاه های شارژ تولید می‌کردند. در سال 2013 شهر دالیان چین 600 دستگاه اتوبوس BYD را خرید و 600 دستگاه دیگر را به مرور تا سال 2015 تحویل گرفت. BYD اتوبوس های دو طبقه مجهز به مجموعه باتری هایی با برد 250 کیلومتر را برای شهر لندن ساخت. هدف BYD فروش 6000 دستگاه اتوبوس برقی به کشورهای مختلف و تبدیل شدن به بزرگترین تولید کننده‌ اتوبوس در جهان بوده است. اداره حمل و نقل کالیفرنیا قراردادی را با شرکت BYD بست تا طبق آن 85 اتوبوس به طول 12 و 18 متر (دوکابینه) و همچنین 14 متر از نوع رفت و برگشتی (commuter)، کف کوتاه و با برد باتری 260 کیلومتر را تحویل بگیرد. در سال 2017 MTA نیویورک چند اتوبوس برقی برای سال 2021 سفارش داد. در سال 2017 حدود 99 درصد از ناوگان 385 هزاردستگاهی اتوبوس های برقی جهان در چین قرار داشت و هر هفته 1900 دستگاه اتوبوس برقی به ناوگان شهرهای چین افزوده می‌ شد. در این کشور به منظور کاهش هزینه‌ های زیرساخت شارژ باتری ها، اتوبوس ها در شب به کندی شارژ می‌ شوند. دلایل اصلی رویکرد کشور چین به تولید و استفاده از وسایل نقلیه‌ برقی، آلودگی هوا به سبب مصرف زیاد زغال سنگ، آینده نگری دقیق برای پیشتازی در فناوری های نوین، و تسخیر بازارهای جدید می باشد.  

در سراسر جهان استفاده از باتری به عنوان پیش‌ران اصلی در حال گسترش است. هم اینک شتاب استفاده از اتوبوس های برقی در اروپا بسیار زیاد شده است. میزان رشد بازار اتوبوس های برقی سال2018 نسبت به 2017 حدود 48 درصد و سال 2019 نسبت سال قبل از آن 300 درصد بوده است. در سال 2020 با وجود همه‌ گیری ویروس کرونا و کاهش شدید تقاضای حمل مسافری عمومی، باز هم این قاره شاهد 22 درصد رشد تقاضا برای اتوبوس های برقی بوده است. میزان فروش اتوبوس های برقی در بازارهای پر جمعیت و آلوده‌ چین و هند هم زیاد و رو به رشد است. بر اساس پیش بینی شرکت بلومبرگ، رشد بازار اتوبوس های برقی شهری، سال ها بدون توقف ادامه خواهد داشت. بر همین مبنا، تعداد 417 هزار دستگاه اتوبوس برقی شهری موجود در سال 2019 به 645 هزار دستگاه در 2025 (یعنی 39 درصد از کل اتوبوس های شهری جهان) می‌ رسد. در برآورد این شرکت برای سال 2040 حدود 67 درصد از اتوبوس های جهان از نوع برقی خواهند بود.

اتوبوس های برقی قادر هستند با یک بار شارژ مسافتی 200 تا 500  کیلومتر را طی نمایند. البته در دماهای پایین این مسافت کوتاهتر می‌شود. عوامل تعیین کننده در برد باتری ها، علاوه بر فناوری آنها و کیفیت شارژ، به وزن اتوبوس، سطح ترافیک شهری، تعداد مسافرین و ایستگاه های اتوبوس و دمای شهر وابسته است.  به دلیل محدودیت طول سیر و سرمایه‌ بر بودن جایگاه های شارژ باتری، این نوع وسایل نقلیه بیشتر در شهرها کاربری دارند. وجود ترافیک در شهرها و تکرار زیاد گاز و ترمز‌های اتوبوس، امکان استفاده از انرژی جنبشی و برق برگشتی ترمز در اتوبوس های برقی فراهم می‌شود. انرژی برگشتی خود یک نوع ترمز برقی است و لذا از میزان فرسایش لنت ترمزها می‌کاهد. بنابراین علاوه بر 2 مزیت مزبور، امتیازات شتاب بالا، نبود آلودگی هوا و صوتی، برای اتوبوس های برقی برتری مناسبی را نسبت به اتوبوس هایی با موتورهای احتراق داخلی ایجاد می کند. اما به سبب سنگینی باتری ها، وزن مرده اتوبوس های برقی زیاد است. لذا لازم می‌ گردد که در ساخت آنها از مواد آلومینیومی یا کامپوزیتی استفاده شود. با اینکار از وزن اتوبوس های متعارف به مقدار سه تن کاسته می‌ شود.

 طول اتوبوس کلاس 2 بین 12.5 تا 14.5 متر و ظرفیت کلاس 3 (شامل مینی‌بوس های مدرسه و شهری و انواع ون)، کمتر از 10 نفراست.  میدی بوس بین اندازه‌ های مینی بوس و اتوبوس است و 8 تا 11 متر طول دارد. اتوبوس معمولی 12 متر و دوکابینه 18 متر است و در 2 مدل کف بلند و کوتاه عرضه می‌ شود. مصرف انرژی آن به طور متعارف 1.2 کیلووات ساعت به ازای هر کیلومتر است.  بر اساس مطالعات سال 2018 آزمایشگاه ملی انرژی تجدید‌پذیر آمریکا (NREL) میزان هزینه‌ نگهداری اتوبوس برقی به ازای هر کیلومتر حمل مسافر برابر اتوبوس دیزلی و حدود 53 سنت بوده است. در ادامه به معرفی چند شرکت بزرگ سازنده‌ اتوبوس های برقی پرداخته می شود.

Proterra- پروترا یک شرکت خودروسازی سنگین و دارنده فناوری های ذخیره‌ سازی انرژی در کالیفرنیای آمریکاست که در سال 2004 تأسیس شده است. اولین بار در سال 2008 نمونه اولیه‌ اتوبوس برقی 11 متری با 2 باتری و پیل سوختی را در نمایشگاه سن دیگو عرضه کرد. این مدل دارای برد باتری محدود بود. نمونه‌ بعدی اتوبوس های برقی شرکت پروترا در سال 2014 ارائه گردید که  دارای طول های 11 و 12 متری با  ظرفیت بیشتر باتری های و سیستم شارژ پیشرفته‌ تر بود. این شرکت جایگاه های شارژ را در مرکز نگهداری ناوگان یا پایانه‌ های واقع در طول یا انتهای مسیر می‌سازد. در سال 2015 از طرف کمیسیون انرژی کالیفرنیا به این شرکت 2 میلیون دلار کمک بابت ساخت کارخانه تولید اتوبوس برقی اعطاء شد. در سال 2017 موفق به فروش 375 دستگاه اتوبوس برقی گردید. دایملر در سال  2018، مبلغ 188 میلیون دلار را در شرکت (Proterra)  سرمایه گذاری کرده است. از دیگر سهامداران معتبر آن جنرال موتورز، میتسویی و ب. ام. و. هستند. صنعت اتوبوس‌ سازی چین در حال خرد کردن صنعت تولید اتوبوس های برقی در آمریکاست. Proterra در نظر دارد این روند را بشکند. در سال 2020 نمونه‌ های جدید در مدل هایی با ظرفیت باتری 220، 440، و 660 کیلووات ساعت به ترتیب با بردهای 201، 386 و 529 کیلومتر، 2 موتور 205 کیلوواتی (معادل با مصرفی سوخت 9.4 تا 16.9 لیتر در 100 کیلومتر موتورهای احتراق داخلی)، وزن 12 تا 13.5 تن، به بازار عرضه کرد. در ژانویه سال 2021 به یک شرکت سهامی عام تبدیل شد و با ادغام با شرکت (Arc Light Clean) مجموع ارزش سهامشان بالغ بر 1.6 میلیارد دلار گردید.  

شرکت (FreightLiner  FCCC)  وابسته به دایملر در نظر دارد که از فناوری شاسی‌ های ساخت Proterra برای تولید ون‌ های تحویل‌ دهی کالا با باتری های 226 کیلووات ساعت، برد 200 کیلومتر و شارژ سریع سه ساعته جریان مستقیم استفاده کند (تصاویر زیر).

EvoBus- این شرکت که در سال 1995 تأسیس شده، وابسته به دایملر است. EvoBus بزرگترین تولید کننده‌ اتوبوس در اروپاست که برای برندهای مرسدس بنز، (Setra)، (OMNIplus) و (BusStore) اتوبوس تولید می‌کند. این شرکت در سال 1995 تأسیس گردید و در کشورهای لهستان، مجارستان و سوئیس مراکز مونتاژ دارد. محصول جدید اتوبوس برقی آن با برند مرسدس بنز به نام (eCitro)، چند ماه قبل به بازار عرضه شده و سفارش خرید 60 دستگاه را هم دریافت کرده است. اخیراً نوع دوکابینه‌ آن با ظرفیت 146 مسافر نشسته و ایستاده تولید شده است.

ظرفیت باتری های نمونه اتوبوس معمولی و 2 کابینه آن 292 تا 396 کیلووات ساعت است. EvoBus با به کارگیری فناوری های جدید ساخت باتری، در حال ارتقای آن به 441 کیلووات ساعت است. برد باتری های 396 و 441 کیلووات ساعتی به ترتیب 200 و 230 کیلومتر است. برآورد می‌ شود که سهم اتوبوس های برقی در بازار اروپا از 10 درصد کنونی به 70 درصد در سال 2030 ازدیاد یابد. با وجود ورود شرکت های آسیایی، دایملر در نظر دارد که سهم 50 درصدی خود در بازار آینده‌ آلمان را همچنان حفظ کند.

MAN- بخش وسایل نقلیه‌ باری و مسافری شرکت مان آلمان در سال 1996 راه اندازی شده است. در کشورهای لهستان، مالزی، ترکیه و فیلیپین کارخانجات مونتاژ دایر نموده است. اتوبوس های برقی مان به نام (Lion’s City E) که در سال 2020 به بازار عرضه شده، دارای برد 550 کیلومتر است. میانگین بازده باتری ها در طول عمر اتوبوس با تعداد مسافر کامل، در هر بار شارژ  بردی بین 220 و 270 کیلومتر دارند. مجموعه باتری های 480 کیلووات ساعتی آن به لحاظ هزینه، وزن و قابلیت اعتماد بهینه هستند. این شرکت دارای اتوبوس های هیبریدی با پیش‌ران‌های موتورهای دیزلی و باتری است که به منظور کاهش مصرف سوخت و آلودگی هوا، موتورهای دیزلی در ایستگاه های اتوبوس و پشت چراغ قرمز کاملاً خاموش می‌شوند.

Solaris- سولاریس لهستان با قدمتی قریب 25 سال یکی از سازندگان پیشتاز اتوبوس در اروپاست که تاکنون 20 هزار وسیله‌ نقلیه تولید کرده و به سراسر اروپا فروخته است.  این شرکت دارای اتوبوس های برقی به نام (Urbino) است. مدل های مختلف با طول های 8.9، 12، 15 و 18 متر بر حسب تقاضا ساخته می شوند. آنها دارای موتورهای برق آسنکرون با حداکثر قدرت 160، 2*125 ، 300 کیلووات قابل ارائه می‌باشند. مدت فعالیت پس از هر بار شارژ بر مبنای مشخصات باتری ها و شرایط محیطی حتی تا 24 ساعت هم قابل گسترش است. مشخصات ترمز شامل سیستم ترمز الکترونیکی EBS، سیستم ضد قفل شدن ترمز ABS، تنظیم لغزش بر اثر شتاب ASR است. در سال 2017 (Urbino) برقی در رقابتی سنگین برنده‌ جایزه‌ معتبر اتوبوس سال اروپا شناخته شد. شرکت سولاریس در سال 2018 به گروه (CAF) اسپانیایی پیوسته است.

BYD- این شرکت چینی که با فاصله‌ زیاد بزرگترین شرکت سازنده‌ اتوبوس های برقی جهان است، اولین اتوبوس برقی را در سال 2010 ساخته است. پس از تولید چندین مدل بالاخره  اتوبوس برقی K9 و  K11 را طراحی و تولید کرده است. این شرکت در سال 2012 برای فتح بازارهای جهان، با پشتوانه‌ی4.2 میلیارد دلار یارانه‌ دریافتی، اتوبوس ها را به صورت اجاره به شرط تملیک 5 ساله (بدون پیش پرداخت) می‌فروخت که اقساط ماهانه نیز نسبت به هزینه های متعارف سبک بود.  ضمن اینکه مصرف انرژی اتوبوس برقی طی 8 سال 190 هزار دلار صرفه جویی نسبت به اتوبوس دیزلی در بر داشته است. بدین ترتیب تا سال 2015 حدود 6000 دستگاه اتوبوس برقی را در سطح جهان فروخته و به پیشتاز این صنعت تبدیل شده است. مشخصات این اتوبوس: طول 12 متر، وزن 18 تن، کف کوتاه یک پله‌ ای، میزان مصرف 100 کیلووات در ساعت، حداکثر سرعت 96 کیلومتر، برد باتری ها 249 تا 299 کیلومتر (بر حسب ترافیک شهری و شرایط محیطی)، حداکثر خروجی باتری 2*90 کیلووات است. برد باتری های لیتیوم- آهن- فسفات آن در جاده‌ های شهری پس از هر بار شارژ، 250 کیلومتر است.

این شرکت علاوه بر 2 کارخانه تولید در چین، دارای چندین کارخانه تولید یا مونتاژ در 5 کشور جهان است.

MAPNA- شرکت مپنا با مشارکت خودروسازی پارسان اولین اتوبوس برقی به نام شتاب را در تابستان امسال برای طی دوره‌ آزمایشی در شهرهای تهران و مشهد تحت بهره برداری قرار داده است. حدود 60 درصد از این اتوبوس، ساخت داخل است. این نوع اتوبوس ها به سبب شاسی پایین یک پله‌ای است. ضمن اینکه دارای مشخصات هوشمند بودن و اتصال به به مرکز داده ها، امکان برگشت انرژی جنبشی و شارژ سریع است. مپنا بر اساس پروتکل شارژ سریع (CHADEMO) که در کشورهای ژاپن و کره جنوبی مورد استفاده قرار می‌گیرد، در سایت میلاد یک جایگاه شارژ سریع 700 مترمربعی را با 43 کیلوولت جریان متناوب ساخته است. ضمن اینکه یک جایگاه شارژ کُند 4.7 و 5.5 کیلوولتی نیز برای موتورسیکلت‌های برقی ایجاد کرده است.

 Lion electric co.- این شرکت کانادایی، در سال 2017 اولین اتوبوس برقی مدرسه را تولید کرد. اتوبوس (Lion8) که در سال 2019 ارائه شده برای امور شهری و تفریحی طراحی شده است. (Lion8) دارای برد 400 کیلومتر ،  قدرت موتور 350کیلووات، ظرفیت باتری 480 کیلووات ساعت و گزینه‌ شارژر سریع 19.2 کیلووات جریان مستقیم یا تعویض باتری (swap) است. دارای رمپ ویژه برای معلولین هم می‌باشد.

انواع باتری های اتوبوس:

متغیر اصلی اندازه گیری میزان مصرف انرژی هر وسیله نقلیه بر حسب کیلووات ساعت به ازای یک کیلومتر است. هرچه وسیله نقلیه سنگین تر باشد، مقدار مصرف آن افزونتر می‌گردد. در این میان با ورود باتری به صحنه‌ وسایل نقلیه، وزن آنها تعیین کننده شده است. سه نوع باتری وجود دارد، LTO ,LFP, NMC که از مواد و ترکیبات شیمیایی مختلفی تشکیل شده‌اند. به لحاظ سه متغیر اصلی چگالی انرژی، وزن و حجم، باتری NMC بر دو نوع دیگر برتری دارد. شرکت BMZ لهستان سازنده‌ باتری های برتر NMC می‌ باشد. در نمودار زیر مقایسه‌ فناوری میزان چگالی انرژی (کیلووات ساعت بر کیلوگرم) انواع باتری‌های اتوبوسی بر حسب خروجی هر باتری و خروجی مجموعه باتری ها طی سال های مختلف نشان داده شده است. همان‌گونه که مشاهده می‌گردد، اگر چه چگالی انرژی باتری ها مرتباً در حال ازدیاد است، ولی در طول زمان فاصله‌ فناوری باتری NMC با دیگر باتری ها به مرور زیادتر می‌شود.

در نمودار زیر مقایسه‌ مشخصات اتوبوس های برقی  12 متری با میانگین کارکرد 60 هزار کیلومتر در سال و میانگین برد باتری (با یک بار شارژ طی سفر) در آغاز دوره‌ فعالیت و طی 10 سال عمر، با 2 نوع مشخصات 1.8 تن و چگالی 1.2 کیلووات ساعت بر کیلومتر و همچنین 3 تن با چگالی 1.35 کیلووات ساعت بر کیلومتر نشان داده شده است.

سرمایه گذاری های سنگین این شرکت لهستانی، به ساخت باتری های MAGNUS+ انجامیده که دارای ظرفیت 700 کیلووات ساعت و یک میلیون ساعت عمر مفید است (تصویر زیر).

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته