DISEÑO DE SISTEMAS DE BUSES ELÉCTRICOS URBANOS

DISEÑO DE SISTEMAS DE BUSES ELÉCTRICOS URBANOS

INTRODUCCION.

En la Unión Europea, el transporte es responsable de aproximadamente una cuarta parte de todas las emisiones de gases de efecto invernadero porque más del 90% del combustible utilizado para el transporte se basa en el petróleo (Unión Europea 2017). Además, los automóviles, camiones y autobuses son responsables de otras sustancias nocivas o tóxicas, como el monóxido de carbono de la combustión incompleta, los hidrocarburos del combustible no quemado, los óxidos de nitrógeno de las temperaturas de combustión excesivas y las partículas. Para lograr objetivos climáticos ambiciosos, por ejemplo, la reducción de las emisiones de CO2 en un 60% en 2040 en la Unión Europea (Comisión Europea 2011) y mejorar la calidad del aire, especialmente en las zonas urbanas, las "tecnologías limpias" deben desarrollarse y desplegarse en todos los sectores del transporte.

Por lo tanto, las autoridades de transporte público tienen un gran interés en introducir autobuses de emisión cero (Faltenbacher et al. 2016). Sin embargo, reemplazar las flotas de autobuses diésel actuales conlleva varios desafíos. En primer lugar, los autobuses eléctricos, además de los sistemas de trolebuses basados ​​en catenarias, solo recientemente se han comercializado y todavía necesitan mejoras técnicas adicionales. En segundo lugar, los operadores de autobuses se enfrentan a varias opciones diferentes de autobuses eléctricos y tecnologías de carga y una gran cantidad de posibilidades para combinar estas opciones en una solución de sistema. Todas las opciones tienen activos e inconvenientes específicos en cuanto a complejidad tecnológica, capital y costo operacional.

En numerosos artículos se han tratado diferentes aspectos de esta transformación de gran alcance. Sinhuber, Rohlfs & Sauer (2012) y Rogge, Wollny & Sauer (2015) utilizaron un modelo de simulación para determinar el consumo de energía específico de la ruta y calcular el tamaño de batería requerido. Rogge y col. (2015) discutieron además el compromiso entre la capacidad de la batería y el pasajero y la interdependencia entre la potencia de carga y la capacidad de la batería para electrificar una red de autobuses existente. El consumo de energía en ambos estudios se calcula en condiciones de refrigeración. Jefferies y col. (2015) investigó el consumo de energía para calefacción y refrigeración en detalle y mostró que la calefacción es la condición más crítica si se requiere una operación de cero emisiones (es decir, calefacción puramente eléctrica).

El tamaño de la batería se investiga en Gao et al. (2017). Los investigadores concluyeron que los requisitos operativos y el concepto de carga afectan significativamente el tamaño y el diseño de la batería. El estudio de Mahmoud et al. (2016) presenta una revisión de trenes de potencia alternativos basada en resultados de modelos de simulación y datos operativos de la literatura. El estudio es un análisis comparativo de 16 características de rendimiento de los sistemas de propulsión eléctricos, incluidos los aspectos económicos, ambientales, operativos y de eficiencia energética. El estudio revela la complejidad de tales sistemas y el desafío de comparar diferentes métodos operativos de manera objetiva.

Las evaluaciones económicas genéricas de los autobuses eléctricos se pueden encontrar en Göhlich, Spangenberg & Kunith (2013), Nurhadi, Borén & Ny (2014) y Pihlatie et al. (2014). Los investigadores analizan los posibles factores de coste de la electrificación de una línea y se centran en el impacto de las limitaciones operativas.

Hasta ahora, solo se han publicado investigaciones muy limitadas que combinan aspectos tecnológicos, operativos y económicos en un enfoque de sistema integrado. Rothgang y col. (2015) analizan el proceso de diseño de autobuses públicos eléctricos basados ​​en un autobús eléctrico de batería estándar de 12 my 7 m con enfoque en el diseño de la batería. Los investigadores también utilizaron un modelo de costo de ciclo de vida simple y evaluaron el impacto de un aumento definido del costo del combustible y una disminución definida del costo de la batería en los costos generales por kilómetro. Lajunen y Lipman (2016) evalúan los costos del ciclo de vida y las emisiones de dióxido de carbono del pozo a la rueda de diferentes tipos de autobuses urbanos y diferentes rutas. Sin embargo, en estos estudios no se ha incluido energía adicional para calefacción y aire acondicionado ni gastos de personal adicionales provocados por la electrificación. No se discutieron las incertidumbres en el desarrollo de costos de los sistemas de buses eléctricos. Además, también queda por abordar la cuestión estratégica del tiempo adecuado para las adquisiciones.

Este estudio presenta una metodología de diseño integral para sistemas de autobuses eléctricos urbanos basada en la evaluación de viabilidad técnica y el TCO (costo total de propiedad) como indicador clave de desempeño. La Figura 1 visualiza la metodología propuesta. El diseño de un sistema de autobús eléctrico urbano se basa en los datos operativos y los supuestos discutidos en las Secciones 3 y 4. Nuestro enfoque combina aspectos técnicos, operativos y económicos basados en dos modelos centrales: un modelo de simulación de sistema explicado en la Sección 5 y un modelo de TCO descrito en la Sección 6.

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Figura 1. Metodología de diseño holístico para tecnologías de buses eléctricos.

Tecnologías de autobuses eléctricos urbanos

En esta sección, brindaremos una descripción general de los componentes relevantes en los sistemas de bus eléctrico y discutiremos los parámetros técnicos más importantes para el diseño del sistema de bus eléctrico.

Funciones y opciones tecnológicas

Se aplicó el método de la matriz morfológica para ilustrar la complejidad de diseñar un sistema de bus eléctrico. Derivamos una matriz de nueve funciones diferentes con hasta seis opciones cada una, como se muestra en la Figura 2. Esto conduce a más de 100,000 soluciones de sistema diferentes que son teóricamente posibles

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Figura 2. Matriz morfológica de opciones tecnológicas disponibles en sistemas de buses eléctricos.

Para este estudio, limitamos el límite del sistema para incluir los vehículos en la ruta y la infraestructura de carga necesaria en las paradas de la terminal y en el depósito. Los cambios en los procesos en la estación de autobuses no están dentro del alcance de este estudio.

El sistema de bus eléctrico se ha dividido en seis funciones principales (coloreadas): fuente de energía, estrategia e interfaz de carga / repostaje, almacenamiento a bordo, motor de accionamiento y topología, tipo de bus, así como refrigeración y calefacción. Aquí, la interacción de la estrategia de carga / repostaje y la interfaz con el almacenamiento a bordo jugarán un papel decisivo en el diseño general. Se identificaron tres estrategias diferentes: