R&D

Hybrydowa ewolucja – lata badań i rozwoju

2013-06-28

Tekst: Nic Townsend Zdjęcia: Oscar Mattsson

W lipcu 2011 r. Volvo Trucks dostarczyło do klienta swój pierwszy hybrydowy samochód ciężarowy. Obecnie w użyciu znajduje się już ponad 50 pojazdów Volvo FE Hybrid. Opracowanie tych samochodów ciężarowych wymagało wielu lat prac badawczych i rozwojowych, ale przyszłość technologii hybrydowych Volvo Trucks zapowiada się obiecująco.

Hybrydowy silnik Volvo Trucks — Pierwsze badania nad hybrydowymi układami napędowymi Grupa Volvo podjęła już w 1985 r., jednak dopiero w 2005 r. prace te nabrały tempa.

Żeby móc w pełni docenić znaczenie Volvo FE Hybrid, trzeba zrozumieć skalę prac badawczych i rozwojowych wykonanych w ramach tego projektu. Wbrew obiegowym opiniom, zastosowanie maszyn elektrycznych nie jest nowym pomysłem, zaś Grupa Volvo rozpoczęła badania nad hybrydowymi układami napędowymi już w 1985 r. Jednak ówczesne projekty nigdy nie wyszły poza etap prototypów i modeli demonstracyjnych.

– Wtedy projekty te stanowiły swego rodzaju ubezpieczenie na wypadek, gdybyśmy nie byli w stanie w stu procentach spełnić wymagań przepisów w zakresie emisji spalin – mówi Anders Kroon, wiceprezes ds. sprawności energetycznej i środowiska naturalnego w Volvo Trucks, który od ponad dekady jest głęboko zaangażowany w projekt hybrydowy. – W ogóle nie uwzględniały ekonomicznego aspektu rynku ani kwestii opłacalności produktu.

Wszystko uległo zmianie w roku 2001, kiedy to poproszono Kroona o przeanalizowanie kwestii paliw przyszłości, zaś poczynione odkrycia były alarmujące.

– Stało się jasne, że era łatwo dostępnej ropy naftowej nie tylko się skończy, ale także, że nastąpi to niedługo – wspomina Kroon. – Dość szybko zdaliśmy sobie sprawę, że potrzebujemy alternatywy dla paliw kopalnych i że jeżeli mamy być gotowi, musimy działać już teraz.

Tak więc w 2002 r., po rozstrzygnięciu, iż najbardziej realnym alternatywnym źródłem energii jest elektryczność, ze względu na wysoką sprawność jej przemiany w energię mechaniczną, Anders Kroon i jego zespół rozpoczęli badania różnorodnych połączeń maszyn elektrycznych i spalinowych, dochodząc do wniosku, że należy skoncentrować się na rozwoju układu hybrydowego równoległego. Dzięki finansowemu wsparciu szwedzkiego rządu i departamentu obrony USA oraz funduszom otrzymanym z Grupy Volvo, zespół konstruktorów zbudował równoległy napęd hybrydowy, który przed końcem 2005 r. był gotowy do demonstracji.

W zasadzie, mamy już potrzebną technologię – staramy się ją tylko dopracować.

I wtedy nastąpił decydujący punkt zwrotny. po obejrzeniu rozwiązania podczas wewnętrznego pokazu, Leif Johansson, ówczesny Dyrektor Generalny Grupy Volvo, złożył publiczną obietnicę, że w ciągu trzech lat Grupa Volvo wprowadzi na rynek hybrydowy układ napędowy.

– Pracowaliśmy nad nim dopiero od trzech lat i nie mieliśmy żadnych formalnych struktur – mówi Kroon. – Działaliśmy w pośpiechu, intensywnie zdobywając nowe umiejętności. Ale po dwóch i pół roku dysponowaliśmy już układem napędowym gotowym do produkcji.

Dla Volvo Trucks rezultatem prac zespołu jest Volvo FE Hybrid, oficjalnie wprowadzone na rynek w 2009 r., którego pierwszy egzemplarz został dostarczony klientowi w czerwcu 2011 r. W chwili przygotowywania niniejszego tekstu w użyciu znajdowało się ponad 50 tych pojazdów.

– To największy seryjnie produkowany hybrydowy samochód ciężarowy, dostępny na rynku – mówi Miguel Hallgren, menedżer ds. potrzeb produktowych w Volvo Trucks. – Przed Volvo Trucks żaden producent na świecie nie wyprodukował 26-tonowego samochodu ciężarowego z hybrydowym układem napędowym.

Volvo FE Hybrid porusza się cicho, napędzane jedynie silnikiem elektrycznym. Gdy prędkość wzrośnie powyżej 20 km/h, uruchamiany jest silnik wysokoprężny, a zautomatyzowana skrzynia biegów zapewnia optymalny podział obciążenia na obydwa silniki, co przeciwdziała ich pracy z niską sprawnością. Ładowanie akumulatorów odbywa się z wykorzystaniem energii odzyskiwanej podczas hamowania, która dzięki temu nie jest bezpowrotnie tracona.

Ponieważ jadąc z małą prędkością, Volvo FE Hybrid nie zużywa paliwa oraz odzyskuje energię hamowania, jest najlepiej predestynowane do zadań wymagających częstego zatrzymywania się i ruszania z miejsca. W rezultacie, największe oszczędności paliwa, nawet 20-procentowe, osiągają hybrydowe śmieciarki. Jeżeli są dodatkowo wyposażone w elektrycznie napędzany zgniatacz, kompletny pojazd zużywa nawet do 30 procent mniej paliwa. W przypadku hybrydowego pojazdu dystrybucyjnego oszczędności dochodzą do 15 procent.

Przed Volvo Trucks żaden producent na świecie nie wyprodukował 26-tonowego samochodu ciężarowego z hybrydowym układem napędowym.

Jak dotąd opinie użytkowników o Volvo FE Hybrid są niezwykle pozytywne. Model ten zapewnia nie tylko obiecywane oszczędności i niski poziom hałasu, ale także wysoką dyspozycyjność i wydajność.

– Tym co najbardziej odróżnia Volvo FE Hybrid od innych hybrydowych samochodów ciężarowych jest zoptymalizowany układ napędowy Volvo – dodaje Hallgren. – Układ od początku był opracowywany jako rozwiązanie zintegrowane z optymalnie dopasowanymi do siebie podzespołami, co przekłada się na wyższą jakość i osiągi.

Nawet zespół projektowy jest zaskoczony skutecznością Volvo FE Hybrid.

– Pojazd okazał się być wyjątkowo niezawodny – mówi Mats Alaküla z działu Global Advanced Engineering w Volvo Trucks. – Warty odnotowanie jest fakt, że w swojej wersji autobusowej, wdrożonej w Londynie, napęd hybrydowy osiągnął wyższą dyspozycyjność niż napęd konwencjonalny w pojeździe tego samego typu. To doskonałe potwierdzenie jakości wykonanej pracy.

– W inżynierii jest jak w sporcie – gdy jesteś pierwszy, wszyscy cię słuchają i oglądają – twierdzi Anders Kroon. – Jeżeli za dwa lub trzy lata przyjrzysz się rynkowi, zobaczysz mniej lub bardziej wierne kopie tego, co my mamy już dziś.

I co dalej? Czy Volvo FE Hybrid to stadium końcowe, czy może to dopiero początek? – Hybrydyzacja to dobry pierwszy krok, gdyż pozwala zmniejszyć zużycie paliwa, ale problemu nie rozwiązuje, ponieważ paliwo wciąż jest potrzebne – mówi Alaküla. Następnym krokiem będzie zastąpienie oleju napędowego źródłem alternatywnym – w tym przypadku eklektycznością – w roli głównego nośnika energii.

W skrócie, chodzi o udoskonalanie technologii hybrydowej poprzez zwiększenie pojemności akumulatorów, co pozwoliłoby wprowadzić hybrydowy układ napędowy do większej liczby modeli i zastosowań samochodów ciężarowych. Ale odzysk energii hamowania osiągnął już swoje granice. Przejście na tryb wyłącznie elektryczny wymagać będzie wdrożenia rozwiązań pobierających energię z zewnątrz. Dlatego priorytetem na przyszłość jest znalezienie sposobów łączenia pojazdu z siecią elektroenergetyczną, bez zakłócania jego cyklu eksploatacyjnego, np. ładowanie akumulatorów w czasie planowego postoju. Zakładając, że uda się opracować szybkie, dogodne metody takiego łączenia, największy potencjał oferują autobusy, które odbywają regularne, planowe postoje w ustalonych lokalizacjach. Skorzystać na tym mogą także miejskie samochody dystrybucyjne.

W zasadzie, mamy już potrzebną technologię – staramy się ją tylko dopracować.

– Gdyby dystrybucyjny samochód ciężarowy, mający w ciągu dnia dziesięć 5–10-minutowych postojów, miałby podczas każdego z nich dostęp do gniazda elektrycznego o odpowiedniej mocy, w wielu przypadkach to by wystarczyło – wyjaśnia Alaküla. – Pojazdy te mogłyby wykonywać większość swojej pracy, funkcjonując w trybie elektrycznym, z korzyścią dla środowiska i rachunku ekonomicznego. W zasadzie, mamy już potrzebną technologię – staramy się ją tylko dopracować.

Mimo że brzmi to fascynująco, wciąż istnieją ograniczenia, chociażby konieczność odbywania częstych postojów, co czyni tę technologię zupełnie bezużyteczną w transporcie długodystansowym. A co jeżeli dałoby się ładować akumulatory podczas jazdy? Koncepcja elektrycznych dróg, na których pojazdy są stale podłączone do sieci przesyłowej, kojarzy się raczej z fantastyką naukową, ale tak naprawdę jest całkiem poważnie brana pod uwagę. – Obecnie w Stanach Zjednoczonych, Azji i Europie buduje się takie właśnie tory doświadczalne – mówi Anders Kroon.

– Kluczowym aspektem jest ładowanie – konkluduje Mats Alaküla. – Gdyby móc dostarczać tanią energię elektryczną w niezawodny, bezpieczny i wygodny sposób, sytuacja zmieniła by się diametralnie. Jeżeli sobie z tym poradzimy, znikną wszelkie ograniczenia.