Leinfelden-Echterdingen / Barcelona – Mercedes-Benz Citaro je skutečnou klasikou mezi městskými autobusy. Poprvé byl představen na kongresu UITP (nyní GPTS) v roce 1997 a od roku 2018 je k dispozici také jako elektrobus eCitaro. K dnešnímu dni bylo dodáno více než 60,000 2023 autobusů Citaro a eCitaro. Nízkopodlažní autobus s třícípou hvězdou nyní opět udává standardy. Na Global Public Transport Summit (GPTS) 400 v Barceloně představí Mercedes-Benz nejnovější přírůstek do modelové řady Citaro: palivový článek eCitaro. Plně elektrický sólo autobus s palivovými články může dosáhnout dojezdu kolem 350 kilometrů bez dobíjení v městském provozu, zatímco odpovídající kloubový autobus může ujet kolem XNUMX kilometrů.
Palivový článek eCitaro: Konzistentní, praktický a úsporný
Název mluví za vše: Palivový článek eCitaro je první Citaro, které je vybaveno palivovým článkem. Pohony vozidel s palivovým článkem jsou považovány za odpověď, když jsou u plně elektrických městských autobusů vyžadovány velmi dlouhé dojezdy. Nakonec palivový článek vyrábí elektřinu pro elektromotory pomocí vodíku a kyslíku ze vzduchu během jízdy. Palivové články však musí pracovat kontinuálněji a méně dynamicky, jak je typické pro městský autobus s častými manévry zrychlování a brzdění. Z tohoto důvodu pohony s palivovými články vždy vyžadují vyrovnávací baterii. Možné kombinace sahají od vysoce výkonného palivového článku s kompaktní vyrovnávací baterií až po pohonný systém s velkou kapacitou baterie a kompaktní palivový článek.
Daimler Buses se rozhodl pro druhou konfiguraci z dobrého důvodu. Na jedné straně bude elektřina ze sítě jako základ pro napájení v dohledné době výrazně levnější než vodík. Palivový článek palivového článku eCitaro tedy neslouží jako hlavní zdroj energie, ale slouží pouze k prodloužení dojezdu. Kromě toho, na rozdíl od plnohodnotného vodíkového vozidla s malou vyrovnávací baterií, palivový článek eCitaro výrazně lépe ukládá energii získanou při brzdění rekuperací do velkých baterií zcela a výhodně. To přispívá k celkové hospodárnosti palivového článku eCitaro, zejména v městském provozu s častými procesy zpomalování a zejména v náročné topografii. Velká kapacita baterie v neposlední řadě umožňuje uvolnit vysoký hnací výkon po delší dobu, například ve stoupání v horském terénu, aniž by musel palivový článek pracovat v nejvyšším, a tedy neefektivním výkonovém rozsahu.
S inteligentním řízením toku energie z baterie a palivového článku a optimálním rozložením hmotnosti baterií i palivových článků a vodíkových komponent dosahuje plně elektrický palivový článek eCitaro maximálního dojezdu bez dobíjení a s největší možnou kapacitou cestujících. To z něj dělá nejen praktické, ale také zvláště ekonomické řešení pro městské trasy s dlouhými cykly. Palivový článek eCitaro je proto ideálním doplňkem pro dopravní společnosti se stávající bateriově-elektrickou flotilou, které chtějí provozovat své dlouhé trasy bez nutnosti dobíjení a bez nutnosti nasazovat další autobusy.
Vývoj podporovaný německým ministerstvem dopravy
Německé spolkové ministerstvo pro digitální záležitosti a dopravu podporuje vývoj této technologie celkovou částkou 3.3 milionu eur v rámci Národního inovačního programu pro technologii vodíkových a palivových článků (NIP). Směrnici o financování koordinuje NOW GmbH (NOW = National Organization for Hydrogen and Fuel Cell Technology) a implementuje ji agentura provádějící projekt Jülich (PtJ).
Palivový článek: Vysoce účinný, kompaktní a odolný
U palivového článku sází Daimler Buses na osvědčený modul, ovšem v nejnovější verzi. Dodává jej Toyota a je již ve své druhé generaci. Jedná se o těžký agregát s maximálním výkonem 60 kW. V palivovém článku eCitaro je jednotka provozována velmi efektivně při výkonu kolem 20 kW v optimálním bodě. Pracuje v rozsahu napětí od 400 do 750 voltů.
Použitý palivový článek má řadu výhod. Jeho tenký a kompaktní design je ideální pro montáž na střechu eCitaro. Samotný palivový článek pracuje s vysokou účinností. To má za následek poměrně nízkou spotřebu vodíku na výrobu energie. Napěťový měnič je již integrován. Pozoruhodná je také velmi dlouhá životnost kolem 40,000 XNUMX hodin při použití jako prodlužovač dojezdu, což odpovídá životnosti sedm až deset let v závislosti na použití. Ani poté palivový článek náhle nepřestane fungovat. Místo toho jeho účinnost pomalu klesá a lze očekávat stárnutí součástí.
V sólo autobusu je modul palivových článků o hmotnosti kolem 240 kilogramů namontován na střeše v poloze těsně za přední nápravou. U kloubového autobusu je umístěn na střeše v přední části zadní části.
Jak funguje pohon palivovými články
Palivový článek generuje elektrický proud a teplo z reakce vodíku a kyslíku. Samostatný článek se skládá z polymerní elektrolytové membrány (PEM), záporně nabité a kladně nabité elektrody a také dvou separátorů. Palivové články jsou galvanické články.
Vodík prochází z nádrží na střeše potrubím k záporně nabité elektrodě, kde reaguje s kyslíkem ze vzduchu. Elektrony se uvolňují a migrují ke kladné elektrodě. Výsledkem je elektrický proud. Atomy vodíku se uvolněním elektronů přeměňují na vodíkové ionty. Protékají membránou polymerního elektrolytu k záporné elektrodě. V tomto bodě je voda jedinou emisí vyplývající z chemické reakce mezi kyslíkem, vodíkovými ionty a elektrony. K napájení palivového článku eCitaro je zapotřebí několik stovek palivových článků. Společně tvoří jednotku palivových článků, tzv. zásobník palivových článků.
Modulární vodíkové nádrže, lehké a bezpečné
V palivovém článku eCitaro se vodík používá v plynné formě a pod tlakem 350 barů. To znamená, že na čerpacích stanicích není potřeba vysoký stupeň stlačení a odpovídající vysoké náklady. Každá z vodíkových nádrží pro napájení palivového článku pojme pět kilogramů využitelného vodíku. S vnitřní nádobou z plastu a vnějším pláštěm z uhlíkových vláken splňují tzv. typ 4. Díky tomu jsou lehké a vysoce odolné.
Uspořádání příčné ke směru jízdy umožňuje snadný přístup k ventilům a snímačům. Bezpečnost je klíčová: Každá jednotlivá nádoba má svůj vlastní snímač tlaku a teploty. To znamená, že případné netěsnosti lze spolehlivě detekovat, a proto lze upustit od přídavných vodíkových senzorů a tím i od případných zdrojů chyb. Nádrže již splňují normu UN ECE-R 134, která bude závazná až od roku 2024. Certifikace podle této normy vyžaduje úspěšně dokončený zátěžový test.
Palivový systém má modulární konstrukci. V sólo autobusu je použito pět nádrží s celkem 25 kilogramy vodíku. Kloubový autobus může být podle přání vybaven šesti nebo sedmi nádržemi s 30 nebo 35° kilogramy vodíku. Každý z nich je namontován na střeše nad přední nápravou a předním převisem, nahoře zakryt kryty a tím chráněn před nečistotami a slunečním zářením. Panely obložení lze široce otevřít, aby byl umožněn snadný přístup pro servis. Všechna vysokotlaká vedení jsou pevná. Mezi plnicím hrdlem a střechou mají dokonce průběžné provedení bez šroubového spojení, aby byla zajištěna maximální bezpečnost. Palivový článek je zásobován plynným vodíkem z nádrží nízkotlakým vedením. To je velká výhoda zejména pro kloubový autobus, protože palivový článek je umístěn na zadní části autobusu a lze tedy upustit od flexibilního vysokotlakého vedení kolem kloubové jednotky.
Tankování probíhá důsledně ve směru jízdy vpravo nad druhou nápravou. Za optimálních podmínek a v závislosti na tankovací infrastruktuře se například doba tankování v sólo autobusu pohybuje kolem deseti minut.
Vysoce výkonné baterie nejnovější generace
V palivovém článku eCitaro jsou stejně jako v případě současného eCitaro použity také vysoce výkonné baterie nejnovější generace NMC 3. Mimořádnou výhodou je jejich enormní kapacita, která umožňuje velký dojezd bez příležitostného nabíjení. Navíc je zde modulární konstrukce bateriového zařízení. Nová generace také využívá lithium-iontové baterie. Pro upřesnění jde o články s novou vysokoenergetickou katodou NMC (NMC: lithium-nikl-mangan-kobalt oxid), kapalným elektrolytem a pokročilou grafitovou anodou. Běžná zkratka NMC (nikl, mangan, kobalt) také pochází z chemie baterií. Místo dosavadních prizmatických bateriových článků, které mají velikost a tvar brožované knihy, jsou použity ultrakompaktní válcové články s vysokoenergetickou chemií článků. Vylepšená chemie článků v kombinaci s optimalizovanou baterií vede ke zvýšení celkové gravimetrické a objemové hustoty energie baterie. Kapacita 4.93 Ah na článek baterie má za následek značné zvýšení kapacity o přibližně 50 procent při stejné hmotnosti.
V každém bateriovém modulu je namontováno 600 bateriových článků. Byly integrovány do chladicího okruhu, aby zajistily ideální teplotu baterie kolem 25 stupňů Celsia. Regulace teploty zajišťuje maximální životnost a efektivní nabíjení. Devět bateriových modulů dohromady tvoří bateriový blok s 5400 články. To funguje při jmenovité energii 98 kWh na baterii.
Podobně jako u palivových nádrží jsou i baterie škálovatelné. Pro sólo autobus jsou použity tři bateriové sady s kombinovanou kapacitou 294 kWh. Pro kloubový autobus jsou k dispozici buď tři nebo čtyři akumulátorové sady s energetickou kapacitou 392 kWh. Tyto baterie samy o sobě zajišťují značný dojezd.
Vzhledem k tomu, že lze zvolit jak kapacitu baterie, tak množství přepravovaného vodíku, obdrží každá společnost veřejné dopravy palivový článek eCitaro přizpůsobený jeho individuálnímu profilu využití.
Díky použití palivového článku k prodloužení dojezdu není příležitostné nabíjení baterií na cestě nutné a také se nepředpokládá. Nabíjení probíhá důsledně zástrčkou v depu s maximálním nabíjecím výkonem 150 kW. Jako obvykle u eCitaro jsou na výběr tři polohy zástrčky, vlevo a vpravo nad přední nápravou a také vzadu. Na vozidlo jsou možné až dvě polohy zástrčky pro flexibilní umístění v depu nebo v hale vozidel.
Velký dosah, vysoký počet sedadel pro cestující
Inteligentní řízení přebírá energetický management a reguluje, kdy začne palivový článek pracovat, s jakým výkonem a jak dlouho vyrábí elektřinu, která je dodatečně zpřístupněna vozidlu, podle příslušného požadavku a zvolené provozní strategie. Dopravní společnosti si mohou vybrat mezi dvěma různými provozními režimy.
V režimu „maximálního dojezdu“ se maximálně využívá proces nabíjení baterie i vodík. Palivový článek vždy pracuje v nejúčinnějším provozním rozsahu. To platí i při provozu v „minimálním H2 spotřeba“, ve kterém baterie dodává většinu energie pro pohon a pomocné spotřebiče. Palivový článek přispívá pouze takovým množstvím energie, kolik je nutné k dosažení dříve nastaveného dojezdu.
V závislosti na konfiguraci baterií a vodíkových nádrží může palivový článek eCitaro dosáhnout dojezdu kolem 400 kilometrů jako samostatný autobus s průměrnými požadavky bez možnosti nabíjení nebo doplňování paliva. Dojezd kloubového autobusu se pohybuje kolem 350 kilometrů. Tyto vynikající hodnoty zcela pokrývají požadavky téměř všech dopravců.
Navíc přesně optimalizované rozložení hmotnosti baterií, palivových článků a vodíkových nádrží zajišťuje vysoký počet sedadel pro cestující. Třídveřový kloubový autobus s jednou poháněnou nápravou, třemi akumulátory a sedmi vodíkovými nádržemi může například poskytnout zhruba 128 sedadel pro cestující. Výsledkem je, že palivový článek eCitaro poskytuje dokonce vyšší kapacitu pro cestující než eCitaro s bateriovým elektrickým pohonem s maximální bateriovou výbavou.
Nový tepelný management využívá odpadní teplo z palivového článku
Díky integraci pohonu na palivové články Mercedes-Benz Citaro opět předvedl svou všestrannou koncepci. Přestože byla nutná rozsáhlá adaptační opatření, nebylo nutné žádné úplné přepracování. Dopravní podniky proto těží také ze známého kokpitu řidiče a prostoru pro cestující a také z velkého počtu identických komponent a dílů Citaro a eCitaro v palivovém článku eCitaro.
Novinkou v palivovém článku eCitaro je například software jednotlivých řídicích jednotek. Například přívod tepla z palivového článku vede ke zcela novému tepelnému managementu. Odpadní teplo palivového článku lze výhodně využít pro vytápění interiéru vozidla. Stejně jako u bateriového eCitaro využívá Daimler Buses také kompaktní klimatizační systém s tepelným čerpadlem pro palivový článek eCitaro, avšak s chladivem R134a. V kombinaci s odpadním teplem z palivového článku také dosahuje vyšší účinnosti při nízkých teplotách ve srovnání s CO2 klimatizační systém eCitaro. Odpadní teplo z palivového článku lze také využít k řízení teploty baterií.
Palivový článek eCitaro také obsahuje komponenty vyzařující teplo do topného okruhu vozidla. Teplota prostoru pro cestující a samostatně i kokpitu řidiče je řízena automaticky. Stejně jako u eCitaro závisí průtok vzduchu a použitá topná energie také na počtu cestujících.
Stejně jako u eCitaro umožňuje elektrické topení a klimatizace v palivovém článku eCitaro předpřipravení interiéru vozidla na požadovanou teplotu, zatímco se baterie nabíjejí v depu. To znamená, že energie pro požadovanou klimatizaci není na začátku jízdy čerpána z baterie, což zvyšuje dojezd. V zimě lze tedy městský autobus v případě potřeby předehřát v depu během nabíjení. Podobně probíhá předchlazení v létě.
Osvědčená nízkopodlažní hnací náprava
Výkon je jako obvykle přenášen na nízkopodlažní portálovou nápravu ZF AVE 130 s motory v blízkosti náboje kola. Generují maximální výkon 125°kW na kolo a dosahují točivého momentu 485 Nm. Pevný převodový poměr má za následek maximální točivý moment 11,000 XNUMX Nm na kolo. U kloubových autobusů je standardně poháněna střední a zadní náprava. V lehkém terénu je dostačující i hnaná náprava zadní části.
Kokpit a koncept ovládání nevyžadují žádné zvykání
Uspořádání prostoru pro cestující s palivovými články eCitaro odpovídá uspořádání známých modelů Citaro. Řidič se nemusí přizpůsobovat o nic víc než cestující: Kokpit a koncepce ovládání do značné míry odpovídají obvyklému nastavení a směr jízdy se volí jako obvykle tlačítky DN R. Téměř shodný chod ve srovnání s Citarem se spalovacím motorem nebo s bateriovým elektrickým eCitarem tak umožňuje obvyklou rychlou změnu řidiče.
Přístrojová deska také do značné míry odpovídá té eCitaro. Zde jako tam se na displeji dostupnosti napájení zobrazuje aktuální požadavek na výstup. Zobrazí se také stav nabití baterie. Jediný rozdíl a důkaz pro koncepci pohonu s palivovými články je zobrazení hladiny vodíku na přístrojové desce. Řidič může na centrálním displeji zobrazit dojezd, dostupnost energie, indikátor nabití a dostupné množství vodíku.
Palivový článek eCitaro také pomáhá svým řidičům šetřit energii pomocí systému řízení zrychlení: Při rozjezdu z autobusové zastávky nebo na semaforech, ať už prázdných nebo při plném zatížení, se točivý moment sníží na pohodlnou úroveň. To vede k šetrnému stylu jízdy šetrnému k cestujícím a zároveň snižuje spotřebu energie.
Digitální sledování vozidel je již integrováno
Nejen od zavedení bateriových elektrických pohonů vzrostl v dopravních společnostech požadavek na digitální služby pro sledování a optimalizaci hodnot spotřeby. Zejména u vozidel s výlučně depotním nabíjením – ať už elektřinou nebo vodíkem – může sledování spotřeby energie, úrovně nabití baterie, zásob vodíku a stavu vozidla pomoci zajistit maximální dostupnost a ziskovost autobusů.
Proto je palivový článek Mercedes-Benz eCitaro dodáván se všemi komponenty požadovanými z výroby a umožňuje jednoduchou integraci vozidla do portálu Omniplus On pro sledování funkcí vozidla v reálném čase. Monitor Omniplus On lze kdykoli použít k zobrazení úrovně naplnění a úrovně nabití vodíku a baterií a také výsledného zbývajícího dojezdu. V případě poruchy nebo poklesu pod minimální hodnoty nabití nebo úrovně naplnění obdrží řidič nebo správce vozového parku odpovídající varování. V případě potřeby se tato odešle nejen na obrazovky v centrále, ale také SMS na mobilní telefon.
Kromě toho Omniplus On monitor zobrazuje podrobné trendy a optimalizační potenciál pro spotřebu energie. Kromě diagramů hodnot spotřeby na vozidlo a trasu rozlišuje Omniplus On monitor také to, zda byla energie spotřebována na pohon nebo klimatizaci vozidla. Díky tomu lze snadno porovnávat jednotlivá vozidla mezi sebou a v případě potřeby přijmout vhodná opatření ke snížení spotřeby energie.
Klíčové výhody palivového článku Mercedes-Benz eCitaro
Nový a lokálně bezemisní palivový článek Mercedes-Benz eCitaro skvěle doplňuje stávající flotilu elektrobusů. Díky technologii palivových článků pokrývá náročné trasy s dlouhými cykly bez dobíjení. Jeho koncepce se také zaměřuje na celkové náklady na vlastnictví: Dodávka energie pohonu je primárně zajišťována levným síťovým napájením, zatímco vodík, který je v současné době stále nákladný, se používá k rozšíření dojezdu. Kromě toho jsou karoserie a podvozek palivového článku eCitaro do značné míry totožné s těmi tisíckrát osvědčenými Citaro; v případě poškození jsou proto náhradní díly rychle dostupné. Díky příznivému rozložení hmotnosti baterií i systému palivových článků a vodíku nabízí palivový článek eCitaro vysoký počet sedadel pro cestující.
