Comunicación Greencities&Sostenibilidad 2013/Comunicaciones Científicas/Espacio Urbano
Abstract
This paper presents a solution for urban public transportation, as an alternative to overhead lines, rail infrastructure and a solution to range limitations of battery buses. The benefits and possible drawbacks are compared with tramways and electric buses, with or without batteries.
A case study, in service since May 2013, in Geneva, is described. The results of the technology testing are assessed, and the implications for the future of public transport in smart cities.
Resumen
Esta comunicación presenta una solución de recarga de autobuses urbanos eléctricos, como alternativa al tendido de cables, las vías y solución a la limitación de alcance en el caso de autobuses con baterías. Se comparan los beneficios y posibles problemas que puede tener frente a soluciones actuales como tranvías, autobuses eléctricos con pantógrafo o con baterías de carga lenta.
Como demostración de la tecnología propuesta, se presenta un caso de estudio, en servicio desde Mayo de 2013 en Ginebra, en el que se ha puesto a prueba la solución. Se valoran aquí los resultados y se plantean las implicaciones para el futuro del transporte público urbano en las ciudades inteligentes o smart cities.
1. Introducción
El aumento de la población urbana, la congestión del tráfico, la necesidad de reducción de emisiones en entornos urbanos, la necesidad de transportes de gran capacidad y la búsqueda de vehículos de alta eficiencia son razones principales para el desarrollo de una solución optimizada de autobuses eléctricos que pueda competir con los tranvías y los autobuses de combustión interna.
El transporte público urbano representa un factor de emisiones, de ruido y contaminación en las grandes ciudades y su planificación correcta es clave para las ciudades (Massó, 2007) Existen varias alternativas de transporte urbano, como son los tranvías, los autobuses de combustión interna, autobuses eléctricos, el metro, etc. En esta comunicación se analiza y compara una solución de carga rápida para autobuses eléctricos, que pretende mejorar la competitividad frente a autobuses de combustión interna y tranvías.
El uso de tranvías representa una solución para reducir las emisiones locales, con un coste de infraestructura mayor, estimado en un 40% superior (Deutsch, 2008), aunque la preferencia de los usuarios por este modo de transporte se ha demostrado superior. Por ejemplo, respecto del nivel de molestia ante el ruido, los usuarios demuestran mejor tolerancia al ruido de tranvía hasta con niveles de ruido de 3 dB mayores que un autobús (Griefahn, 2007) Esta preferencia de los usuarios por los tranvías se debe más a factores emocionales y sociales (Scherer, 2012) que a características objetivas del medio de transporte.
Los autobuses eléctricos, al eliminar el ruido y la contaminación, acercan la imagen de este transporte al tranvía. Además de equiparar en emisiones y tener menor ruido, existe el factor de la infraestructura y su coste y una mayor seguridad del tráfico (Deutsch, 2008). Para evitar la necesidad de tendidos aéreos de cable en las ciudades y aumentar la flexibilidad de las líneas, se plantea una solución que permita una mejor utilización de los autobuses eléctricos con baterías.
2. Objetivos
Los objetivos al desarrollar la solución técnica que permitiera la recarga ultrarrápida en paradas seleccionadas parten de las dificultades que presentan los sistemas de autobús con baterías, limitados en su alcance y por el coste de las baterías. Las prioridades para la solución que se requiere se recogen en la Tabla 1.
Tabla 1. Prioridades de la solución
| Características | Prioridad |
| Aumento de alcance | Alta |
| No aumento de tiempo de espera en paradas | Alta |
| Reducción de peso de la batería | Media |
| Reducción del ruido |
Media |
La metodología utilizada para su desarrollo ha consistido en la definición de las necesidades de carga, alcance y de optimización de la batería, sin perjudicar los tiempos de espera en las paradas. A partir de los datos de un trayecto de autobús urbano puede definirse la necesidad de energía en batería, además de los puntos de recarga ultra rápida que se necesitan en la ruta. Utilizando la referencia de 3 kWh/km para el autobús, estimando 2 kWh/km de tracción y 1 kWh/km de auxiliares, se puede calcular las necesidades de batería para un trayecto determinado.
Por ejemplo, si la ruta es de 10 km, se consumirán 30 kWh de energía, lo que implica un dimensionamiento de la batería superior aproximadamente de 90 kWh para garantizar la vida de la batería, no llegando a ciclos por debajo de 50% de profundidad de descarga.
Dado que las paradas en ruta no pueden sobrepasar los 15 segundos, la potencia que debe transmitirse a la batería para cargar 2 kWh, es de 400 kVA. Para realizar esta carga, debe hacerse en corriente continua, pero además, es necesaria una acumulación en el puesto de carga, para no requerir una conexión eléctrica de 400 kVA en ese punto.
Utilizando paradas de estas características, podría realizarse con 5 paradas de carga (10 kWh) adicionales, permitiría reducir la batería un 30%, y con ello el peso de vehículo, lo que aumenta el alcance.
La carga en el trayecto, permite alargar el alcance de los vehículos con baterías, pudiendo realizar trayectos que anteriormente no eran posibles salvo con otros vehículos.
Como refleja la figura 1, la simplificación del transporte público eléctrico implica la supresión de infraestructura como las vías, además de la infraestructura de cables, con los objetivos de mayor flexibilidad y simplicidad de la infraestructura.
Tranvía: Necesidad de vías y cables
Bus eléctrico con pantógrafo: Necesidad de cables
Bus eléctrico con baterías y carga ultrarrápida
Figura 1: Evolución en el transporte público eléctrico
La carga ultrarrápida tal y como se propone, puede realizarse mediante conexión directa o mediante inducción electromagnética. Los objetivos propuestos pueden cumplirse con ambas tecnologías. Sin embargo, se considera una conexión directa más beneficiosa por la mayor eficiencia de la transferencia de carga, lo que implica menor tiempo de recarga o menor potencia del sistema de carga. Adicionalmente, la infraestructura necesaria para un sistema de inducción requiere elementos como son las bobinas y exige la instalación de dicha infraestructura bajo la calzada. El alineamiento de las bobinas de carga inductiva en las paradas es clave para garantizar la transferencia energética de manera óptima. En cuanto a la carga inductiva a lo largo de la ruta, exige una infraestructura similar al tendido de cables sobre los vehículos.
3. Sistema propuesto
Para llevar a cabo este tipo de carga rápida de los autobuses eléctricos, es necesario diseñar un cargador de una potencia de 400 Kva., para cargar en 15 segundos 2 Kwh. de baterías. Este sistema utilizará la carga en continua, a 500 VDC, que permiten actualmente los sistemas de baterías de Ion Litio. Para evitar el uso de un rectificador y una conexión a red de 400 Kva., se propone una conexión de 50 Kva. en 400 VAC y un cargador de 50 Kva. que almacena la energía en unas baterías. Esto supone que la carga de estas baterías se realizará en 2 minutos y medio, pero sin embargo la descarga al vehículo en 400 Kva. a 500 VDC. En la figura 2 se muestran los diferentes sistemas que pueden usarse en una ruta de autobuses eléctricos, desde la carga nocturna en cochera, pasando por la carga rápida en la terminal de espera hasta el sistema de carga ultra rápida que se propone en paradas seleccionadas.
Figura 2: Modos de carga, tiempos y potencias
Además de las características diferenciadas de esta estación de carga, el vehículo también debe tener el sistema de conexión al puesto de carga ultrarrápida y el sistema de gestión de baterías que permita la carga a la potencia propuesta. Es decir, si las baterías son de 40 Kwh., deben permitir una carga en 10C, para poder cargar a 400 Kva. sin deteriorar las baterías. Para estos requerimientos se considera las baterías de Ion Lition como las más apropiadas.
Como la carga debe realizarse en 15 segundos, la conexión debe ser automática y realizarse en 1-2 segundos desde la parada del autobús, por lo que se propone un conector sobre el techo del vehículo. Este brazo conector debe entrar el contacto en la parada, que a su vez debe tener un voladizo sobre el autobús para realizarse.
En la figura 3 se muestran los elementos principales del autobús eléctrico que se presenta, principalmente es diferenciado el conector del sistema de transmisión automatizado. Además tanto el convertidor como los motores y la batería, se proponen refrigerados por agua para aumentar la eficiencia del sistema en su conjunto.
Figura 3: Componentes principales de autobús eléctrico con carga ultrarrápida
4. Caso de estudio
Para realizar la comprobación del sistema un proyecto piloto está actualmente en desarrollo. Se trata de una línea regular de transporte público, ubicada en Ginebra y que realiza el trayecto del aeropuerto al hospital, inaugurada en Mayo de 2013. Las pruebas iniciales se realizaron en la primera parte de este recorrido, del aeropuerto a Palexpo.
Características y localización:
- Distancia: 8.8 Km.
- Altitud: 380m – 460m
- Flota: 11 buses articulados de 18m y 2 ejes de tracción.
- Baterías de 38 Kwh. por bus (equivalentes a 2 coches eléctricos)
- Paradas: 20-21 según la dirección
- Paradas Recarga ultra rápida:
7 (Hospital – Aeropuerto)
5 (Aeropuerto – Hospital)
- Terminales: 2
Características del autobús:
- Largo, Ancho, Alto: 18.74m, 2.55m, 3.40m
- Peso: 19.5t
- Capacidad: 134 pasajeros
o 88+44 (asientos)+2 (silla ruedas)
- Batería (pack): 1040kg, 10 años de vida
- Cargador Batería: Integrado
- Motores tracción: Pot. Max. 2×120 kVA – Vmax = 85 km/h
La figura 4 muestra el número de paradas de carga ultrarrápida en el recorrido del autobús, tanto en el trayecto de ida como el de vuelta, realizándose una carga rápida adicional en cada uno de los puntos de inicio.
Figura 4: Ruta y número de paradas
Este trayecto tiene una distancia de 8 Km. y un desnivel de 80 metros. Para comprobar que las cargas ultrarrápidas se realizan correctamente se ha monitorizado el estado de la batería en todo momento, con lo que se puede comprobar si se logran recargar los 2 Kwh. en estas paradas seleccionadas. La figura 5 muestra todas las paradas del trayecto y la evolución del estado de carga de la batería, que es cargada en los puntos de carga rápida. En total son 12 Kwh. que recarga el autobús durante el trayecto, por lo que la batería llega al final del recorrido con 24 Kwh. en vez de 12 Kwh. si no se hubiera recargado. En esta parada de destino se realiza una carga rápida que recarga la batería hasta la carga máxima. Lo que muestra este ciclo es que se alcanza una profundidad de carga de menos del 40%, por lo que se debe analizar la durabilidad de la batería frente al su aprovechamiento realizando, por ejemplo trayectos que la lleven hasta una profundidad de descarga del 50%.
El límite de diseño para este tipo de sistemas sería utilizar cargadores ultra rápidos cada Km. de trayecto, con lo que la carga utilizada equivaldría a la capacidad de recargar en ese punto, y por tanto el vehículo podría realizar cualquier distancia.
Figura 5: Recorrido, altitud y ciclo de carga/descarga
Nota: Los puntos en amarillo marcan paradas con recarga ultrarrápida, los triángulos verdes las paradas normales
4. Resultados y conclusiones
Los resultados del caso ejemplo muestran que el sistema de carga ultra rápida es operativo en un entorno urbano y en condiciones de servicio reales. Tanto los ciclos de carga como el alcance han cumplido con las expectativas previas a la demostración real, tanto en la capacidad de recarga como en la velocidad de la misma.
Queda por comprobar los datos reales de mantenimiento necesario y si los ciclos de carga/descarga afectan a la vida de la batería, lo que se comprobará durante el piloto en marcha.
De cara a la puesta en servicio de sistemas similares, será de vital importancia la comparativa de costes de proyectos comerciales frente a otros sistemas de transporte público. Aunque se simplifica la infraestructura necesaria, al suprimirse los cables y las vías, además de reducirse la batería en vehículo, se requieren estaciones de carga ultra rápida también con almacenamiento.
Se puede concluir que la utilización de puestos de carga ultra rápidos en las paradas de una ruta de vehículo eléctrico permite una reducción de la batería necesaria, con implicaciones directas en peso y coste que influyen positivamente en la competitividad de la solución. Además, este sistema evita la descarga profunda de baterías, lo cual aumenta la vida útil. Respecto del tiempo de recarga entre recorridos, se ve reducido gracias a la carga durante el trayecto al menos en un 50%, permitiendo un mejor aprovechamiento de los vehículos.
Referencias
V. Deutsch, Cost advice for the implementation of tram and bus systems, Road and Transportation Research Association of Germany (FGSV) Task force 1.5.3: Bus systems with high capacity, FGSV Verlag GmbH, W1 No. 150, ISBN 978-3-939715-60-3, 2008
B. Griefahn, A. Preis T. Gjestland , Annoyance and Perception. Why should we care about noise?, SILENCE training seminar, Warsaw, 14/11/2007
J. Masso et al., Cálculo del consumo y emisiones de la red actual y futura de autobuses de la ciudad de barcelona. V Congreso de CICCP, 2007
M. Scherer, K. Dziekan, Berlin Institute of Technology , Bus or Rail: An Approach to Explain the Psychological Rail Factor, Journal of Public Transportation, Vol. 15, No. 1, 2012
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