Hightech bussen steeds vaker draadloos

Het wegvervoer is in transitie: van fossiele brandstoffen naar meer duurzame aandrijvingen. Fossiele brandstoffen zoals diesel waren tot voor kort de eerste keus, vanwege de relatief lage kosten, de grote energiedichtheid en de fijnmazige distributie. Zij hebben echter een eindige voorraad (hoewel de meningen erg uiteenlopen over hoe lang nog) en worden steeds duurder. Ook is de invloed op de luchtkwaliteit een steeds belangrijker factor, met name in stedelijk gebied. De wetgeving op luchtkwaliteit beperkt in een aantal gevallen al de ontwikkeling van woningen of van bedrijven. Fabrikanten en overheden onderzoeken daarom alternatieve aandrijvingen in het wegvervoer, die zuiniger omgaan met - of zelfs onafhankelijk zijn van - fossiele brandstoffen.

Hightech bussen
Juist bij het openbaar vervoer (ov), vooral bij bussen maar ook bij trams en treinen, zien we veel nieuws op het gebied van aandrijvingen. De overheid stelt de eisen en heeft daardoor invloed op de ontwikkelingen. Hierdoor zijn bussen op dit moment al de schoonste voertuigen op de weg. Bussen (en trams) rijden veel kilometers en bovendien op relatief vaste lijnen, zodat het verbruik en allerlei vormen van bijladen redelijk voorspelbaar zijn. Ideale proefvoertuigen dus! Voor de overheid is het mogelijk om op deze wijze ervaring op te doen met de transitie, het dient als voorbeeldfunctie maar ook om op termijn het openbaar vervoer goedkoper te kunnen exploiteren en om in stedelijk gebied de luchtkwaliteit te kunnen verbeteren.  

Stappenplan transitie
Steeds meer fabrikanten en overheden ontwikkelen een stappenplan voor deze transitie.

• Stap 1 is het hergebruik van remenergie door een hybride aandrijving. De (deels) elektrische aandrijving slaat de energie bij het afremmen op in een klein pakket met bijvoorbeeld supercaps of accu’s en benut deze weer bij het optrekken. Behalve dat de remenergie niet verloren gaat als warmte, kan de diesel- of gasmotor ook kleiner zijn waardoor deze aandrijving 20-30 procent brandstof bespaart. Parallel hybride bussen (waarbij de motor ook rechtstreeks de wielen aandrijft) zijn iets efficiënter, maar serie hybrides (waarbij de aandrijving geheel elektrisch is) hebben het voordeel dat de motor en generator op termijn vervangen kunnen worden door bijvoorbeeld een brandstofcel of door een trolleysysteem.
• Stap 2 is deels elektrisch (plug-in hybride), waarbij een groter pakket met accu’s of supercaps is voorzien dat ’s nachts (of onderweg) wordt opgeladen via het stroomnet. Hierdoor is nog meer brandstof te besparen en kan de afstand emissieloos rijden worden opgevoerd.
• Latere stappen zijn een volledig elektrische aandrijving, waarbij op de een of andere manier elektrische energie wordt aangeleverd. Dat kan met opladen onderweg, of bijvoorbeeld door opwekking in de bus met een brandstofcel. Op congressen en meetings zoemt het rond, en allerlei bedrijven zoeken koortsachtig naar dé oplossing. In de industrie is men het er wel over eens dat elektrische aandrijving de toekomst is, alternatieven met een aardgas of CNG- motor worden nog maar door weinigen gezien als een oplossing voor de lange termijn. Ook die voorraden zijn eindig of onvoldoende van omvang. Voor de aanlevering van de elektriciteit voor een volledig elektrische bus (of e-bus) zijn nog diverse alternatieven in de race. En niemand weet nog welke techniek de overhand zal krijgen.

Op dit moment heeft een e-bus op accu’s een actieradius van 50-200 km, terwijl een normale inzet in het openbaar vervoer 300-700 km vergt op een dag, met uitschieters tot over de 900 km. Inzet van e-bussen is dus niet zonder meer mogelijk, behalve op korte (stads)lijnen zoals op een Waddeneiland. Verder zijn e-bussen relatief zwaar en duur. Naar verwachting zal de prijs van e-bussen gaan dalen als gevolg van serieproductie en goedkopere accu’s. Een deel van de hoge aanschafkosten wordt goedgemaakt doordat elektriciteit een stuk goedkoper is dan diesel, maar het is duidelijk dat een positieve businesscase ver weg is als vanwege de actieradius een dieselbus vervangen moet worden door twee e-bussen (waarvan er een staat op te laden).

Ontwikkelingen in e-bussen
Op dit moment zijn de volgende systemen in ontwikkeling om e-bussen van elektriciteit te voorzien en de inzet in een normale exploitatie mogelijk te maken:

• Verbetering van accu’s en supercaps: de ontwikkelingen gaan snel. Steeds meer energie kan worden opgeslagen in steeds lichtere en minder omvangrijke pakketten. Ook de (Nederlandse) ontwikkeling van efficiënte naafmotoren maken een kleiner accupakket mogelijk. Toch blijft voorlopig de actieradius te klein en blijven de pakketten te zwaar en vooral ook te duur. Na een flink aantal malen opladen neemt de capaciteit af, zodat binnen de levensduur van het voertuig vervanging nodig is. Voor een economische toepassing moet het accupakket zo klein mogelijk zijn. En zo licht mogelijk, want elke kilo extra kost extra energie.
• Onderweg omwisselen van een leeg accupakket door een opgeladen exemplaar: een logisch lijkende optie. Diverse systemen zijn echter in het verleden beproefd, zonder veel succes. Dit vergt standaardisatie en een forse investering in de ontwikkeling van wisselsystemen en -stations. De kostbare infrastructuur is daarna sterk bepalend voor de exploitatie en voor toekomstige voertuigen.
• Genereren van stroom in het voertuig door motoren op bijvoorbeeld diesel, groen gas of aardgas, en op termijn mogelijk door brandstofcellen op waterstof. Veel hybride systemen bieden nu al de mogelijkheid om een kort traject zonder emissie te rijden, bijvoorbeeld in de binnenstad.
• Bijladen van het accupakket tijdens het stilstaan, bijvoorbeeld op het eindpunt of op haltes. Systemen met een bovenleiding of een automatische robot aansluiting op een halte worden beproefd, maar ook draadloze systemen met inductie zijn in onderzoek.  

             Opladen bij een halte

• Bijladen van het accupakket tijdens het rijden. Een trolley-achtige bovenleiding is een relatief goedkope en een bestaande en bewezen techniek, maar ook systemen met inductie worden beproefd.

Zoals gezegd is op dit moment nog niet duidelijk welke van bovenstaande technieken de beste papieren heeft. Uiteraard is er ook veel aandacht voor de duurzame opwekking van elektriciteit. Bij pilots en proefprojecten in binnen- en buitenland worden daarom verschillende alternatieven beproefd, om in de harde praktijk de voor- en nadelen te kunnen onderzoeken. Door de oogharen heen is wel een convergentie te zien van ontwikkelingen van hybride, elektrische en trolleybussen naar elkaar toe.

              Elektrische bus in Noord Brabant (Ebusco)

Bij trams en treinen is het beeld wat eenduidiger: terugleveren van remenergie aan het net was al gebruikelijk, nu is ook een ontwikkeling zichtbaar met hergebruik van remenergie in het voertuig door accupakketten, waardoor ook een gedeelte bovenleidingloos rijden mogelijk wordt. Verder zijn nog systemen met inductie in onderzoek, als alternatief voor een bovenleiding.

Duurzame ov-concessies
Stel: u bent ov-autoriteit en u wilt een volgende stap maken in de transitie. Op welke techniek moet u dan uw kaarten zetten? Als u op het verkeerde paard wedt, kan u dat op hoge kosten komen te staan. In de praktijk nemen ov-autoriteiten steeds hogere milieu-eisen op in hun programma van eisen, maar laten de keus over aan de vervoerder. Ook de vrijheid om te kiezen voor de bewezen en relatief nog steeds goedkope dieseltechniek. Vaak krijgt de vervoerder bonuspunten als voertuigen worden gekozen die op hogere treden staan in het stappenplan. Voor de veiligheid kiest de vervoerder dan vaak voor een proef met een klein deel van het park. Hybride bussen (stap 1) worden door serieproductie relatief goedkoper, maar zijn door de ingewikkelde aandrijving nog steeds een stuk duurder dan een traditionele aandrijving. De besparing in brandstof is echter 20-30 procent, zodat hybride bussen steeds meer een optie worden.

Simulatiemodel elektrische bussen
Wat adviseert Movares een ov-autoriteit voor een volgende stap? Wij hebben praktische ervaring opgedaan in diverse pilots en al onze praktische kennis over aandrijvings- en laadtechnieken in een e-bus simulatiemodel gestopt. Vanwege onze expertise met exploitatie, elektrische aandrijvingen en bovenleidingen in railvoertuigen hebben wij een enorme praktische kennis ter beschikking. Wij zijn nu in staat om vooraf globaal te simuleren wat de eigenschappen van elektrische bussen betekenen voor de exploitatie en de infrastructuur.

Eerste resultaten simulatiemodel
Door in het simulatiemodel te variëren met de kenmerken van het systeem en diverse lijnlengtes, zien wij bijvoorbeeld dat opladen tijdens stilstand een relatief groot accupakket vergt. En bovendien de exploitatie beperkt doordat het bijladen een zekere minimumtijd vergt op een eindpunt of halte. Dit geldt des te meer voor systemen met inductie, die op dit moment nog een beperkte stroom kunnen overbrengen. Robotsystemen kunnen wellicht de minimumtijd verkorten, omdat veel grotere stromen kunnen worden overgebracht.

              Voorbeeld automatische contact robot (TOSA 2013, Geneve)

Draadloze trolleybus
Uit de simulatie blijkt dat een draadloze trolleybus op dit moment een verrassend goede optie lijkt. Verrassend, omdat deze optie nog weinig in beeld is. Deze variant van de trolleybus heeft een accupakket waardoor een groot deel van de lijn zonder bovenleiding gereden kan worden. De trolleytechniek is bewezen en in serieproductie verkrijgbaar. Er zijn dus geen risico´s met ontwikkeltijd, kosten of kinderziekten. En het bijladen tijdens het rijden legt weinig beperkingen op voor de exploitatie. Een draadloze trolley kan het accupakket bijladen op een deel van het traject (30-70 procent van de lijnlengte), bijvoorbeeld op de hoofdwegen buiten en in de stad. In het stedelijk gebied zelf rijdt de draadloze trolley op het accupakket.

              Moderne trolleybus (Solares)

Door de toepassing op hoofdtrajecten gebruiken meerdere buslijnen dezelfde trolleybovenleiding, die wordt dus efficiënt benut. De draadloze trolleybus vergt bovendien een eenvoudige bovenleiding: ingewikkelde constructies bij kruispunten, busstations, eindpunten of opstelterreinen zijn niet meer nodig omdat op die punten de bus draadloos rijdt. De bovenleiding is daarom veel eenvoudiger (en goedkoper) dan bij een traditioneel trolleysysteem. Op elk gewenst punt kan de trolleybus al rijdend de trolleystangen intrekken of automatisch weer contact zoeken met de bovenleiding. De trolleytechniek is behalve een bewezen techniek ook nog eens erg efficiënt, de verliezen tussen elektriciteitscentrale en voertuig zijn gering. Veel geringer in ieder geval dan de verliezen bij het opslaan en ontladen van elektriciteit in accu’s.

Zoals gezegd gaan de ontwikkelingen op dit moment erg snel. Mogelijk maken de vorderingen in de andere technieken het mogelijk dat op termijn het trolleytraject korter kan worden. Wanneer het bijvoorbeeld lukt om efficiënt waterstof te produceren, te distribueren en in het voertuig op te slaan. Op dit moment echter lijkt een dergelijke optie nog ver weg. Brandstofcellen op waterstof op een geschikte decentrale locatie kunnen echter nu al een trolleybusnet voeden. Wij adviseren om ook een draadloze trolleybus te onderzoeken als optie, een bewezen techniek die nieuwe ontwikkelingen niet onmogelijk maakt. Brandstofcellen op waterstof of biogas kunnen bijvoorbeeld decentraal een trolleybusnet voeden. Een stevige stap vooruit in de transitie naar een duurzaam ov!

 
Auteur: Margriet Verhoog