Jövőbe tartó járatunk pályaudvarra érkezett. Sokak szerint van tovább is, de könnyen lehet, hogy ez a végállomás. Az elektromos buszokkal kapcsolatban első körben megnézzük, mi minden kell egy villanybuszhoz, és mik a területet érintő legfontosabb újdonságok.

Mi is az az elektromos busz? Általában a tisztán akkumulátorról üzemelő villamos meghajtású buszokat nevezzük elektromosnak, de most idevesszük a trolibuszokat, a hibrid buszokat és a hidrogénes buszokat is. Az akkumulátorokat a laza környezetvédelmi előírások miatt relatíve olcsón előállító Kínában pár éve a BYD cég gondolt egy merészet, és annyi akkumulátort pakolt egy buszba, hogy egy kisvárosban egyetlen feltöltéssel kibírjon egy egész napos üzemet. A globális felmelegedés ellen folytatott propaganda és a nagyvárosokban elviselhetetlenné váló légszennyezés miatt hamar felkapta a média a buszt, és ezzel gyakorlatilag elindult az elektromos buszok forradalma. Az elektromos buszok terjedése korábban még nem látott mértékben megindult, de a kását nem eszik olyan forrón, hogy a tisztán elektromos közlekedés pár éven belül valósággá váljon. A miértekre megpróbálunk rávilágítani.

A kőolaj, a belső égésű motor és a nyomatékváltó évszázados triumvirátusa helyett egy elektromos buszhoz főegységek terén szükségünk van egy elektromos energiatárolóra, egy áramirányítóra, egy villamos motorra és esetleg egy végáttételre. A klasszikus hőerőgépeket felváltják a villamos gépek, a gépész beállítottságú olvasóinkat a villamos főegységekkel való barátkozásra hívjuk. A ma elterjedt egységek mellett a legújabb fejlesztési eredményeket is bemutatjuk.

Az energiatárolók

Egyetlen lítium-ion cella

Az elektromos közlekedést első helyen gátló, immár évszázados problémáról van szó. A szén-hidrogének nagy energia- és  teljesítménysűrűségével, egyszerű kezelhetőségével a mai napig nem sikerült felvenniük a versenyt az elektromos energiát tároló anyagoknak, módszereknek. A legjobb megoldás még mindig a felsővezeték, noha ettől már a trolibuszokat is egyre jobban szeretnék függetleníteni a közlekedési cégek, hogy egy rugalmasabb eszközöket kapjanak.
A manapság egyre nagyobb számban utcára kerülő akkumulátoros járművek még közel sem kompromisszummentesek. Az elterjedésüket az anyagtudomány fejlődése mellett a klímaváltozás ellen folyó politika és az energiaigényes mobil eszközök térnyerése segíti. Manapság nagy sztárnak számítanak a médiában a különböző litium-ionos akkumulátorok, noha a buszokban még csak most kezdenek elterjedni.

Elterjedtek a nikkel-fém hidrid akkumulátorok és sok kísérleti buszban találkozhatunk a Zebra fantázianevű  telepekkel is. Az akkumulátorok problémája a nagy tárolóképesség mellett a kis teljesítőképesség, azaz hosszan tudnak energiát leadni vagy felvenni, de a gyors változásokat nem szeretik. Tehát nagy az energiasűrűségük, de csekély a teljesítménysűrűségük. Ez elsősorban a fékezésekkor jelent gondot, egy akkumulátort általában csak a kisütőáramának felével lehet tölteni, magyarul a gyorsításkor leadott áram felét tudja csak felvenni. Erre megoldást jelentenek az ultra- vagy szuperkondenzátorok néven ismertté vált kettősréteg elektrolit kondenzátorok vagy a nagy fordulatszámú motorok és a könnyű anyagok alkalmazása miatt újból felfedezett lendkerekek. A korábbi kísérleti járművekben használt lendkerekek nehezek és kisebb fordulatúak voltak, a nagy forgó és változó fordulatú tömeg pedig hátrányosan befolyásolta a járművek menettulajdonságait és vázszerkezetek élettartamát. Manapság a gondot az uráncentrifugák miatt elrendelt, nagy fordulatszámú villamos hajtásokra vonatkozó export korlátozás jelenti, ami az adminisztrációs terheket növeli. A kondenzátorokra és a lendkerekekre az akkumulátoroknál elmondottak fordítottja igaz, azaz csak rövid ideig tudnak nagy teljesítményeket leadni vagy felvenni. A hátrányokat a kondenzátorokkal és akkumulátorokkal kombinált hibrid tárolókkal próbálják kiküszöbölni, elvileg az ilyen rendszereknek csak előnyös tulajdonságai lennének. A helyzet azért nem ilyen szép, mivel az akkumulátorok nehezek, a kondenzátorok feszültsége pedig jóval nagyobb tartományban változik, ezért kell egy egyen-egyen átalakító a tárolórendszerbe, ami drágává és nehézzé teszi. A bonyolult felépítés miatt pedig csak kevesek kísérleteznek ilyen hibrid tárolókkal. Meg kell említeni még a hidrogéncellát használó buszokat is, itt az üzemanyagcellából állítanak elő villamos energiát. Az ilyen buszok és a köréjük épülő infrastruktúra csillagászati pénzekbe kerül a beszerzéskor, a kiépítéskor és sajnos az üzemeléskor is.  Ha az akkumulátorok fejlődése ténylegesen felgyorsulna, akkor a hidrogénes megoldásokra is kevesebb figyelem jutna.

Vezeték nélkül működik a Bombardier Primove rendszerben az energiaátvitel a busz és a talajba épített tekercsek között.

Sok különböző megoldás, de miért alternatíva még mindig a felsővezeték? A különböző kilowatt per kilogramm és kilowattóra per kilométer számok összevetése helyett nézzük meg az önjáró szegedi trolibuszt, ami 7,5 kilométert tud megtenni egy feltöltéssel úgy, hogy az akkumulátorai a létező legkorszerűbbek és mégis háromszor akkora helyet foglalnak el, mint a kettő ülés alá beszerelt, 3-500 kilométer megtételét biztosító gázolajtartály. A kínai villanybuszokban pedig láthatjuk, hogy a 200-250 kilométer hatótávhoz plafonig tele kell rakni akkumulátorokkal a busz utasterében az összes kerékdobok feletti területet, ahonnan kiszorulnak az ülő utasok, de az aksik tömege miatt az állóknak sem marad sok hely. És csak most jön a töltés. A teljes feltöltéshez akár egy teljes éjszaka is kellhet, egyrészt a kiépítendő táphálózat költségeinek kordában tartására másrészt az olcsóbb áramtarifa igénybevétele miatt.

Álló helyzetben használható pantográf áramszedő a busz tetején. Európai válasz a mindent elborító akkumulátorokra.

Érdekes alternatívát jelentenek viszont a különböző gyorstöltést használó megoldások, amik nem alkalmasak a teljes töltöttség elérésére. Lényegük, hogy a buszokban elhelyezendő energiatárolók kisebbek lehetnek, és azokat időszakosan töltik. Az egyik válfajuk a troli felsővezetékét csak a megállókra vagy végállomásokra redukáló rendszerek. Ezek kiépítése jóval egyszerűbb és olcsóbb egy kiterjedt hálózatnál. Megjelenési formájuk változatos, a hagyományos, nagy mozgásszabadságot biztosító áramszedő elhagyható, helyettük kisebb, könyebb pantográfok is elegendőek lehetnek. A másik nagy csoportot az eredetileg villamosok felsővezetékmentes üzeméhez kigondolt indukciós, vezeték nélküli rendszerek jelentik. Ez a rendszer gyakorlatilag láthatatlan, a tápláló primer oldal az útburkolat alatt helyezkedik el, a fogyasztó szekunder pedig a buszok fenékvázán. A leírásból látható, hogy egy nyitott vasmagos transzformátorral lehet elképzelni a működését. Ezekkel is megvalósítható a pontszerű elhelyezés és a gyorstöltés, vagy az eredeti koncepciót követve hosszabb szakaszokon is tudják táplálni a felettük haladó járműveket. A különféle kiépítésekkel megszabható mekkora energiatároló kell az egyes járművekre. A lámpáknál, megállókban, végállomásokon elhelyezett pontszerű töltők az energiatárolók töltése mellett az energiaigényes segédüzemeket, mint az utastér fűtését vagy hűtését is tudják táplálni, azokat ideiglenesen túlterhelve pedig a fedélzeti tárolók válláról tudnak terhet levenni. Ezért érdekesek lehetnek a hibrid buszok számára is.

Ebből az is látható, hogy a trolibuszokon még ma is előszeretettel használt úgynevezett frissáramos, levegőátfúvásos fűtéseknek meg vannak számlálva a napjai. Bár fékezéskor a visszatáplált energiából részesedik az ilyen rendszerű fűtés is, de a levegő hőkapacitása kevés ahhoz, hogy ezzel vagy a töltőknél  felvett energiával hosszabb ideig kihúzza. Várható a dízelbuszoknál használt vizes hőcserélős, radiátoros rendszerek elterjedése, mivel a víz kiválóan alkalmas a felesleges hő megőrzésére, a melegítése pedig igen egyszerűen megoldható, és a névleges fűtőteljesítmény felé méretezett elektromos fűtőkészülék sem egy bonyolult vagy nehéz szerkezet. További érv a vizes fűtőtestek mellett a kiélezett hajtásrendszerek vagy energiatárolók folyadékos hűtése, amelyek általában külön hűtőkörön vannak, de hőcserélőkkel ezek könnyen összeköthetők, és a felesleges hő hidegben könnyen hasznosítható. Ahogy akár a visszatáplálás ellehetetlenülésekor használt fékellenállások hője is. A vasúti járművek némelyikén már működnek ilyen fűtőrendszerek. Látszólag elkalandoztunk a segédüzemek területére, pedig végig az energia tárolásáról van szó, csak most a hűtőközeg végzi.

A jövő tekintetében nehéz megítélni, hogy az átlag kéthavonta megjelenő ,,pár év múlva most már tényleg itt az igazi akkumulátor, és mindent megold” publikációkból melyik megoldásban van valódi potenciál, ugyanis az ilyen cikkek az olajválság óta jelen vannak. Talán kiemelnénk a ZIP-Cap fantázianevű kondenzátort, ami egy aszimmetrikus felépítésű cink-ion nanofilm alapú kondenzátor. A manapság elsősorban hibrid buszokban használt kettősrétegű ultrakondenzátorokkal egyező teljesítményt ötször nagyobb energiasűrűséggel, huszonötöd akkora gyártási költségen tudja szolgáltani.

Érdekesség, hogy még a már nagysorozatban készülő lítium alapú akkumulátorokról is milyen keveset tudunk, annak ellenére, hogy milyen népszerű kutatási terület. A lítium-vas-foszfát (LiFePO4) akkumulátorokról csak nemrég derült ki, hogy mégiscsak van egy minimális memória effektusuk, a Boieng Dreamliner repülőgépekben használt lítium-kobalt-oxid akkumulátorok tűzeseteinek oka pedig még mindig nem világos.

Áramirányítók, villamos motorok

Siemens inverter és motor. Ők együtt az ELFA nevű hajtás.

Az energiatárolóban tárolt egyen feszültséget át kell alakítanunk, hogy mozgásba hozhassuk a járművünket. A villamos motorok általában forgó gépek, a forgó mozgást pedig forgó elektromágneses mező hozza létre bennük. A különféle áramirányítók és a villamos motorok fejlődését legjobban a trolibuszokon tudjuk megfigyelni. A kezdetek kezdetéig nem megyünk vissza, csak a még forgalomban lévő járművekig. Az egyenáramú motoros járművekben a forgómezőt mechanikus átalakító, a kommutátor hozza létre. A nehézséget az elindulás és a lassítás jelenti. A névleges egyen feszültséget ugyanis nem kapcsolhatjuk rá az álló motorra, mert az ennek hatására igen nagy áramot venne fel, és az utasaink sem tudnának a lábukon megállni. Ezért a régebbi járműveken ellenállásokat iktatnak be induláskor, majd ezeket fokozatosan mágneskapcsolók kapcsolják ki a vontatási áramkörből. Ezt a kapcsolgatást halljuk, amikor kattog alattunk a ZIU trolibusz, a HÉV vagy az UV villamos. A helyzetet nagyon leegyszerűsítettük, de legyen ennyi most elég. A félvezetők fejlődésének köszönhetően létrejött a teljesítményelektronika. A félvezetők képesek az adott feszültséget igen gyorsan kapcsolgatni, a villamos gépek tehetetlenségénél is jóval gyorsabban. Ezt a tehetetlenséget kihasználva kaphatunk egy periódusidőt, amin belül a motorra kapcsolt feszültséget átlagolhatjuk, azaz az ellenállások és azok vesztesége nélkül tudjuk szabályozni a motor feszültségét. Ezek az eszközök a szaggatók, ilyennel van felszerelve például a GVM-Ikarus trolibusz. De az egyenáramú motor karbantartásigényes, az igazi az aszinkronmotor, tudta ezt már Kandó Kálmán is. A csapágyait kivéve nincs kopó, súrlódó alkatrésze. A félvezetőkkel már elő tudunk állítani váltakozó feszültséget is, ezeket nevezzük inverternek. A korszerű inverterekből kilépő nagy meredekségű feszültségtüskék miatt a motorok szigetelését meg kellett erősíteni, és a csapágyaikat szigetelté kellett tenni, de ez egy bevált rendszer, terjedése a nyolcvanas évek vége óta folyamatos.

Áttételen át hajtják a kerekeket a ZF agymotoros futóművébe épített aszinkron motorok

A történetnek azonban nincs vége, az aszinkronmotorok vesztesége a véges tárolókapacitások tükrében nagy. Az új trónkövetelők a különböző szinkron motorok, elsősorban az állandó mágneses szinkron motorok. A kisebb veszteségük mellett a kisebb tömegük és méretük is vonzóvá teszi ezeket a motorokat, azonban az áruk igen magas, a hűtésükről pedig sokszor nehéz és karbantartásigényes rendszer gondoskodik, szemben az aszikronmotorok pofonegyszerű ventilátoros hűtésével. A mágnesekhez használt ritkaföldfémek ára a kínai kiviteli korlátozás miatt az egekbe szökött, ami számos, addig csak a laboratóriumok mélyén vagy speciális feladatra használt motorok tökéletesítése és gyártásba vitele előtt nyitotta meg az utat. Az egyik ilyen az ABB ipari szinkron reluktancia motorja, ami a korábbi kapcsolt reluktancia motorok továbbfejlesztése. A korábbi motorok nagy nyomatéklüktetésén és zajos üzemén a szabadalmaztatott forgórész kialakítással ugyan úrrá lettek, de a motor meddőáram igénye változatlanul nagyon nagy, olyannyira, hogy legalább egy teljesítménylépcsővel nagyobb invertert kell választani hozzá, ami a nagyobb tömeg és az inverter nagyobb vesztesége miatt a járműveken való alkalmazását egyelőre hátráltatja. További érdekesség, hogy a kínai exportkorlátozás időközben csúnyán visszaütött, a bányák profitja mélyrepülésbe kezdett.

A hagyományos villamos gépek fix áttételen keresztül hajtják meg a kerekeket, aminek szintén vesztesége van. Az áttételt kerékagymotorokkal el lehet tüntetni, de nem minden kerékagymotor mentes az áttételektől. Az áttételes kerékagymotorra példa a ZF aszinkron motoros AVE 130 hajtott tengelye, ami a jól megszokott AV 132 hagyományos tengely helyére beépíthető. Az áttétel nélküli, állandómágneses motorokra pedig a Ziehl-Abegg megoldása a legjobb példa.

A félvezetőtechnikában sincs megállás, a hagyományos, szilícium alapú kapcsolóelmeket a szilícium-karbid (SiC) majd a Gallium-Nitrid alapúak válthatják. Ezek takarékosabbak, kisebbek, könnyebbek a most használtaknál. Az első SiC alapú sorozatérett inverter egy motorvonatot segédüzemeit táplálja.

Az összes hajtástechnikát érintő fejlesztési irány puszta felsorolása is igen nehéz vállalkozás lenne, ezért általánosításokra, a főbb áramlatok kiragadására szorítkoztunk, szem előtt tartva a legígéretesebb példák kiemelését. Egy dolog azért még kimaradt, ami stílszerűen Ikarus karosszériában is bemutatkozhatna, ez pedig a márkatulajdonos nagyvállalkozó által még mindig titkolt ötlet...

Képek: MAN, Bombardier, Siemens, ZF