20. března 2008
Rostoucí počet obyvatel v hustě zalidněných oblastech, především ve velkých městských aglomeracích, staví před lidstvo nové problémy, které musí rychle a účinně řešit. To se týká i mobility, která se pro dnešní lidskou společnost stala přímo podmínkou dalšího rozvoje. Je-li nutné omezování individuální osobní dopravy, o to více musí společnost podporovat rozvoj dopravy hromadné.
V místech, kde z nejrůznějších důvodů nelze využít rychlé, levné a relativně bezpečné dopravy kolejové podpovrchové i povrchové (metro a tramvaje), je jedinou další možností doprava autobusová. Má-li však být ekonomická i ekologická, musí využívat velkokapacitní kloubové nebo patrové autobusy, jejichž pohonné jednotky nesmí být zdrojem nadměrných emisí plynných i pevných škodlivin a hluku. Dalším problémem jsou emise oxidu uhličitého, který sice není toxický, ale podílí se na globálním oteplování – viz tzv. skleníkový efekt.
Snaha o snížení emisí vede ke snižování zdvihového objemu spalovacích motorů.
S ohledem na omezenost zdrojů fosilních paliv vyvstává i naléhavá potřeba alternativních paliv, pokud možno z obnovitelných zdrojů. Výzkumné a vývojové základny všech předních světových výrobců motorových vozidel i nezávislých organizací dnes pracují na pohonech budoucnosti, ovšem jen některé z nich jsou ekonomicky životaschopné již v současnosti.
Alternativní paliva
Zdánlivě nejjednodušší je částečná či dokonce úplná náhrada ropných paliv, v případě užitkových vozidel a autobusů motorové nafty palivem směsným nebo syntetickým. Dnes je nejvíce známé biopalivo, které je svými vlastnostmi velmi podobné motorové naftě; získává se procesem esterifikace rostlinného oleje, nejčastěji řepkového (tzv. metylester řepkového oleje – MERO). Surovinou může být i sója nebo kukuřice. Pokud je látka pouze přidávána k běžné motorové naftě (zhruba do 10 procent), nevyžadují standardní vznětové motory žádné úpravy a přechod na směsné palivo je zcela plynulý a bezproblémový, a to jak z hlediska distribuce, tak i provozu.
V současné době se v zemích Evropské unie do nafty povinně přidává dvě až pět procent MERO. Přestože rostlinná výroba je ve většině zemí Evropské unie dotovaná, není výroba MERO nijak levnou záležitostí a přináší další problémy s rozhodováním o využití půdního fondu pro potravinářskou nebo průmyslovou výrobu. Nečekaným a velmi nepříjemným důsledkem je současné zdražování potravin i paliv.
Druhou možností je využití etylalkoholu (etanolu) a metylalkoholu (metanolu), získaného z obnovitelných rostlinných zdrojů (brambory, cukrovka, obilí), ať již čistého, nebo jako přísady do benzinu k pohonu motorů zážehových. Alkoholy však mají oproti uhlovodíkům výrazně nižší výhřevnost (zhruba dvoutřetinovou). V případě autobusů to ovšem znamená zásadní změnu koncepce motoru z principu vznětového na zážehový, se všemi technickými, technologickými i logistickými důsledky. I když přídavek tzv. bioetanolu do pěti procent je v zemích EU opět povinný, problém městské hromadné dopravy to nikterak neřeší. Není bez zajímavosti, že na tzv. dvojsměs (benzinlíh) či trojsměs BiBoLi (benzinbenzollíh) se již jezdilo i v Československu na přelomu dvacátých a třicátých let minulého století. Tehdy se však tímto způsobem řešila pouze nadprodukce zemědělské rostlinné výroby.
Zatím nejvhodnějším alternativním palivem pro městskou dopravu je stlačený zemní plyn CNG (Compressed Natural Gas), který je sice rovněž fosilním palivem, ale jeho celosvětové zásoby jsou větší, než zásoby ropy. Další, a z hlediska emisí škodlivin daleko nejvýhodnější možností je využití čistého vodíku jako paliva pro zážehové motory. Problémem však zůstává značná energetická náročnost výroby a distribuce vodíku.
Ekologický pohon současnosti
Postupně dospěli téměř všichni výrobci autobusů k technicky, ekologicky i ekonomicky přijatelnému řešení, kterým je standardní velkokapacitní nízkopodlažní městský autobus se zážehovým plynovým motorem již z prvovýroby. V případě tohoto druhu užitkových vozidel ne-jsou jisté nevýhody CNG motorů překážkou. Tlakové nádrže na plyn jsou poměrně objemné a těžké, takže snižují využitelný vnitřní objem vozidla a jeho užitečnou hmotnost. A vzhledem k nižší objemové koncentraci energie plynného paliva ve srovnání s kapalným mají vozidla na jedno naplnění i kratší dojezd, zhruba poloviční (200 až 250 km). S řízeným třícestným katalyzátorem však tyto motory produkují minimální množství plynných škodlivin a téměř žádné škodliviny pevné, tzv. částice. Plynové motory „nekouří“ a jsou za provozu i tišší než motory naftové. Omezený dojezd při nasazení autobusu na městských a příměstských linkách je nepodstatný a doplňování plynného paliva v garážích dopravních podniků je i logisticky bezproblémové. Z hlediska požární bezpečnosti je nebezpečí u plynových nádrží dokonce nižší než u nádrží na kapalná paliva.
Nejvíce zkušeností s městskými CNG autobusy má společnost Daimler, respektive EvoBus, se svými autobusy Mercedes-Benz. Městských autobusů Mercedes Citaro CNG je již v provozu téměř tisícovka a komunálních automobilů Econic CNG přes 600. Vývojem i výrobou se také intenzivně zabývají automobilky Scania a Volvo a společnost Irisbus, která je součástí koncernu IVECO. Do Irisbusu patří i český tradiční výrobce autobusů ve Vysokém Mýtě (dříve Karosa), který má v nabídce standardní plně nízkopodlažní autobus Citelis 12M s motorem Iveco Cursor 8 CNG a velkokapacitní kloubový Citelis 18M CNG, opět s motorem Cursor 8 228 kW a samočinnou převodovkou, který je určen až pro 100 cestujících.
Ani další domácí výrobci autobusů technický vývoj nijak nezanedbali: autobusy s motory CNG mají ve výrobním programu i SOR Libchavy a Tedom Třebíč (Jablonec nad Nisou). Tedom má ve výrobním programu nízkopodlažní standardní autobusy C12G i kapacitní kloubové C18G. V této souvislosti je nutno připomenout, že podíl českých vědců a techniků na výzkumu využití plynných paliv a vývoji plynových motorů je i v evropském měřítku významný a všeobecně uznávaný. Zkušebny a laboratoře pražských a libereckých pracovišť Výzkumného centra Josefa Božka při technických univerzitách jsou plně vytíženy a prošel jimi vývoj většiny komerčně úspěšných současných plynových motorů domácích výrobců pro stacionární použití a pro užitkové automobily a autobusy.
Ekologický pohon blízké budoucnosti
Výzkum a vývoj předních světových výrobců umožnil, že již dnes se v běžném provozu zkoušejí hybridní autobusy, které představují přechod od klasického pohonu se spalovacím motorem ke zcela bezemisnímu elektromobilu s palivovými články. Z koncepčního hlediska se rozlišuje paralelní hybridní pohon, sériový hybridní pohon a smíšený hybridní pohon. Zatím nejvíce zkušeností je s paralelním hybridním pohonem, u nějž je do mechanického převodného ústrojí mezi spalovacím motorem a poháněnými koly vozidla vřazen elektrický točivý stroj – motorgenerátor. Tento stroj může pracovat jako elektromotor napájený z akumulátorů, a to zcela samostatně nebo společně se spalovacím motorem. V případě decelerace nebo jízdy ze svahu je stroj poháněn od kol kinetickou energií vozidla a pracuje jako generátor proudu, kterým se dobíjí akumulátory (tzv. rekuperace energie).
S ohledem na široké spektrum provozních otáček, zatížení vozidla a dvouproudovou elektrickou soustavu je nutno použít elektronickou regulaci s frekvenčním měničem. Toto řešení je již celkem běžně využíváno u osobních a lehkých nákladních auto-mobilů. Pro městské autobusy se zcela specifickým druhem provozu charakterizovaným opakovanými rozjezdy a zastávkami a důrazem na plynulost jízdy, nikoli na maximální akceleraci a deceleraci, tedy požadavky na okamžitý vysoký výkon, je daleko vhodnější sériový hybridní pohon. V tomto případě je zcela přerušeno mechanické spojení mezi spalovacím motorem a koly poháněné nápravy. Motor pracuje v optimálním režimu, v němž produkuje minimum škodlivých exhalací a pohání generátor elektrického proudu, který stále dobíjí akumulátory dodávající proud pro jeden trakční elektromotor u rozvodovky nápravy, nebo pro více elektromotorů v hlavách všech poháněných kol.
Tento způsob se již uplatňuje u městských autobusů Orion (Daimler) v USA a Mitsubishi Fuso Aero (Daimler) v Japonsku. V obou případech se zatím používá vznětový motor na kapalné palivo (nafta). Japonské řešení s paralelní dvojicí hnacích elektromotorů a Li-Ion (lithium-iontové) akumulátory je sice technicky dokonalejší, a proto také nákladnější, ale americké řešení s jedním centrálním elektromotorem, standardní nápravou a olověnými akumulátory je daleko ekonomičtější a zatím pro praxi i vhodnější. Hybridních autobusů Orion je v provozu již přes 1500. Mateřský koncern Daimler nezůstává samozřejmě pozadu a hybridních nízkopodlažních autobusů Citaro G již jezdí více než 300.
Technické řešení s Li-Ion akumulátory a elektromotory v hlavách kol je zatím nejdokonalejší. Samozřejmě, že při deceleraci jsou opět akumulátory dobíjeny proudem z elektrického stroje, který v tomto režimu pracuje jako generátor elektrického proudu. Elektronická regulace a frekvenční měnič jsou v tomto případě rovněž potřebné. S ohledem na nutné nízkopodlažní provedení městských autobusů nelze příslušenství a akumulátory umístit pod podlahu autobusu a jediné volné místo je tedy na střeše. Tím se značně zvyšuje těžiště vozidla, ale s ohledem na relativně nízké provozní rychlosti a případné použití aktivního stabilizačního zařízení lze udržet naklánění vozidla v zatáčkách v přijatelných mezích.
U této koncepce hybridního uspořádání pohonu se také zkouší použití zážehového plynového spalovacího motoru na zemní plyn CNG a výhledově i vodík. Tlakové lahve jsou rovněž na střeše.
Futurologie s palivovými články
Od sériového hybridu je již jen malý krůček k elektropohonu s palivovými články. Palivový článek je elektrochemické zařízení, ve kterém se přímo mění chemická energie kapalného nebo plynného paliva na energii elektrickou, přičemž odpadními produkty tohoto procesu jsou pouze plynný dusík, voda a teplo. Účinnost palivového článku je velmi dobrá jen při malých až středních zatíženích a značně klesá při požadavku na plný výkon, kdy je dokonce horší než u vznětového motoru. Pro autobus v městském provozu je to však režim méně významný. Odpadní teplo je nutno odvést ze článku nuceným vzduchovým chlazením.
Dnešní prototypy a zkušební vzorky hybridních autobusů jsou již konstrukčně uspořádány tak, aby v budoucnosti bylo možné snadno nahradit jejich spalovací motor s elektrickým generátorem palivovými články.
Jediným, ale bohužel velice závažným problémem palivového článku je vhodné palivo. Po zkouškách různých fosilních, syntetických i biopaliv se pozornost soustředila na vodík. Hlavním důvodem jsou omezenost globálních zdrojů a škodlivé exhalace. Vodík představuje „čisté“ palivo a suroviny k jeho výrobě, vody, je v globálním měřítku více než dost. Výroba elektrolýzou je však energeticky značně náročná a potřebnou elektrickou energii je také nutno vhodně, ekonomicky a ekologicky vyrobit. Podle odhadů odborníků společnosti Shell to bude trvat nejméně dalších dvacet let a využitelná bude zřejmě především energie jaderná. Avšak ani globální zásoby uranu nejsou nevyčerpatelné.
Podle současných zkušeností a odhadů dojde k radikálnímu snížení spotřeby ropných paliv a zemního plynu až v druhé polovině tohoto století. V této době ostatně budou téměř všechna stávající známá ložiska ropy a zemního plynu vyčerpána – nejdříve v Číně s hrozivě se rozvíjející motorizací – a lidstvu z fosilních paliv zůstanou pouze zásoby paliv pevných, tedy uhlí. S návratem parních strojů se zatím nepočítá, ale pracuje se již na technologiích ekonomické a ekologické výroby plynných a kapalných paliv z uhlí.
Ing. Branko Remek, CSc.,
Fakulta strojní ČVUT v Praze
