Kaupunkien bussiliikenteen tulevaisuus: pienemmät akut ja automaattinen päätepysäkkilataus

Kaupunkiliikenteen bussien lataukseen on tarjolla useita vaihtoehtoja, mutta voittaja on pienemmän ja kevyen akuston sekä automaattisen päätepysäkkilatauksen yhdistelmä, arvioi ABB:n sähköisen liikenteen asiantuntija Jukka Mäkinen. 

Käännetyn virroittimen ansiosta busseista voidaan tehdä kevyempiä ja edullisempia: virroitin on osa kiinteää latauspylvästä ja laskeutuu ladattavan ajoneuvon pysähtyessä oikealle kohdalle.  

Mahdollinen tulevaisuudenkuva lähiliikenteestä on sellainen, missä sähköbussit optimoidun kokoisilla pienillä akustoilla käyttävät täysin automatisoitua pikalatausta päätepysäkeillä. Tällainen latausverkosto voi palvella sähköbussien lisäksi myös muita raskaan liikenteen kaupallisia ajoneuvoja.

Sähköisen kaupunkiliikenteen keskeisiä haasteita ovat ajoneuvon voimalinjan, akuston, tehomuokkaimen eli taajuusmuuttajan ja sähkömoottorin sekä edelleen latausverkoston rakenne.

Sisäänrakennettua energiavarastoa tulee ladata säännöllisesti, jotta ajoneuvo pysyy toimintakykyisenä sen päivittäisenä käyttöaikana. Energiavaraston vaihtoehdot ovat iso akusto tai optimoidun kokoinen pieni akusto.

Optimoitu akkukoko ja pikalataus yleistyvät monestakin syystä. Ensinnäkin akusto on sähköbussin hintaan vaikuttavista yksittäisistä tekijöistä merkittävin. Suuri akusto nostaa sekä sähköbussin hankintahintaa että käytön aikaisia kokonaiskäyttökustannuksia.

Akuston koko ja paino vaikuttaa myös matkustajien määrään: jokainen 65 kiloa akustoa vähentää yhden matkustajan bussista.

Akuston hallintajärjestelmän ja päätepysäkkipikalatauksen avulla akuston lataustaso voidaan pitää koko ajan 50 ja 80 prosentin välillä. Näin optimoidulla järjestelmällä saavutetaan raskasta akustoa parempi takaisinmaksuaika. 

Akuston valinta ratkaisee lataustavan

Akuston kokovalinnasta riippuu myös lataustapa. Isossa akustossa täyden latauksen saavuttaminen käyttäen yönylilatausta kestää useita tunteja ja vaatii latauskaapelin manuaalisen kiinnittämisen ja irrottamisen. Lisäksi hidaslataus vaatii huomattavan suuren samanaikaisen lataustehon yönylilataukseen bussivarikolla.

Optimoidun kokoisen akuston tapauksessa lataus perustuu tieverkoston varrella oleviin pysäkkilatausasemiin. Ne toimivat täysin automaattisesti ja sijaitsevat reitin varrella, jolloin lataus tapahtuu tarpeen mukaan reitin varrella (opportunity charging).

Reitin varrella tapahtuvan latauksen vaihtoehdot ovat hieman pidempi päätepysäkkilataus ja esimerkiksi 15 sekunnin pysäkkilataus joka kolmannella tai neljännellä pysäkillä,.

Pysäkkilatausta ei ole vielä täysin standardisoitu ja se vaatii kattavan verkoston pikalatausasemia, joissa on isot energiavarastot (superkapasitorit). Näin ollen se on käyttökelpoisin vilkkaasti liikennöidyillä reiteillä, joita operoidaan esimerkiksi pitkillä nivelbusseilla.

Päätepysäkkilataus vaatii kullekin reitille tyypillisesti vain kaksi latausasemaa, joilla lataustaso nostetaan 80 prosenttiin. Latausteho voi olla 150, 300 tai 450 kW, mutta sopivasti sähköverkon kannalta sijoitetulla päätepysäkkilatausasemilla ei tyypillisesti tarvita energiavarastoja. Päätepysäkkilatausasema voidaan sijoittaa myös reitin puoliväliin, jos se on sähköverkon liitynnän kannalta helpompaa.

Maksimaalinen käyttöaste saavutetaan, kun verkosto suunnitellaan siten että kaikki kaupalliset sähköajoneuvot voivat käyttää samoja latausasemia.

Käännetty virroitin turvallinen ja taloudellinen ratkaisu

Latausasemalla energia siirretään akustoon käyttäen pantografiksi kutsuttua virroitinta. Yleistyvä vaihtoehto on käännetty virroitin, jolloin pantografi sijaitsee kiinteässä latauspylväässä ja ajoneuvon kattoon sijoitetaan vain latauskiskot.

Ratkaisu laskee merkittävästi sekä sähköbussin hintaa että kokonaispainoa. Käänteinen virroitin on myös turvallinen vaihtoehto, sillä kaikki liikkuvat osat sijaitsevat korkealla ja ne ovat jännitteellisiä vain kun ajoneuvo on paikalla.

Pikalataus käynnistyy automaattisesti, kun kuljettaja pysäyttää ajoneuvon oikeaan kohtaan. Jos lataustasemaa käyttävät useamman toimijan erilaiset ajoneuvot, voidaan käyttää automaattista ajoneuvon tunnistusta.

Pysäkillä bussin akustonhallintajärjestelmä (Battery Management System, BMS) kommunikoi latausaseman kanssa ja lähettää ajoneuvon pikalatausparametrit joko langattomasti tai virroittimen kontaktipintojen kautta. Lataus alkaa valitulla pikalatauskäyrällä ja kestää neljästä kuuteen minuuttia. Latauksen jälkeen virroitin palaa yläasentoon latauspylvääseen.

ABB:n ratkaisu: kokemusta jo neljästä tuotesukupolvesta

ABB:n ratkaisu kaupunkiliikenteen lataukseen on raskaaseen käyttöön suunniteltu Terra XB -pikalatausasema. Teknologian perustana on kokeus jo neljästä tuotesukupolvesta ja yli 2000 henkilöautojen latausasemasta.

ABB:n Terra Depot ‐varikkolataus on klusteroitu ja käyttää optimointialgoritmia, joka varmistaa, että varikkolatauksen aiheuttama kuorma säilyy raja-arvojen sisällä, jolloin sähköverkon liittymän tuomat kustannukset jäävät mahdollisimman pieniksi ja ajoneuvojen käytettävyys on mahdollisimman korkea.

ABB tarjoaa myös latausverkosto-operaattorin toimintaa tukevia Connected‐palveluita, jotka mahdollistavat mm. reaaliaikaisen monitoroinnin ja jaetun tietopankin. Jokainen latausasema on liitetty 3G-verkkoon ja edelleen ABB:n pilvipalveluun. Tämä mahdollistaa latausverkoston toiminnan hallinnan verkkoselaimen kautta. Jokaista tapahtumaa voidaan seurata reaaliaikaisesti ja tallentaa tapahtumalokiin.

Yksi keskeinen elementti korkean luotettavuuden ja käytettävyyden takaamisessa on Terra XB -asemien sisäänrakennettu tietokanta. Tietokanta sisältää listan latausasemaoperaattorin hyväksymistä ajoneuvoista, jolloin latausasema voi jatkaa toimintaansa vaikka tietoliikenneverkosto olisi ylikuormitettu.

Paikallisen tietokannan ja modulaarinsen sähkömekaanisen rakenteen ansiosta latausasemien käytettävyys on korkea kaikissa olosuhteissa. 

Myönteisiä vaikutuksia Suomen talouteen

Verrattuna perinteiseen, kaasu- tai dieselkäyttöiseen voimalinjaan perustuviin busseihin sähköbusseista ei synny paikallisia päästöjä, ne ovat lähes äänettömiä ja käyttävät huomattavasti vähemmän energiaa kuin vastaavat polttomoottorikäyttöiset ajoneuvot.

Vaikka sähköbussit eivät yksin ratkaise päästöihin liittyviä haasteita, voi niiden käyttöönotolla olla suoria vaikutuksia valtioiden tuontiöljyriippuvuuteen ja myös jossain määrin paikallisesti raskaiden ajoneuvojen valmistajille.

Laajemmassa mittakaavassa monimuotoinen sähköinen liikenne tuo mukanaan valtiolle lisätuloja, etenkin jos sähköajoneuvojen valmistus tehdään kotimaassa.


Jukka Mäkinen
tuotepäällikkö, uusiutuvien energioiden teknologiat
050 332 2255, jukka.a.makinen@fi.abb.com