Lucruri mai puțin cunoscute despre tehnologia tramvaielor și recuperarea energiei
Pentru mulți oameni, ideea de frânare regenerativă pare o invenție modernă, asociată cu automobilele hibride sau electrice din ultimii douăzeci de ani. În realitate însă, principiul este mult mai vechi. Motoarele electrice pot funcționa și ca generatoare atunci când sunt rotite de inerția vehiculului, iar această proprietate a fost înțeleasă încă din secolul al XIX-lea. Primele descrieri teoretice ale recuperării energiei prin motoare electrice apar încă din anii 1880. Problema nu era ideea în sine, ci posibilitatea de a o controla eficient în practică. Tehnologia electronică necesară pentru a gestiona fluxul de energie era limitată, iar sistemele de control stabile erau greu de realizat.
Românii nu știu nici acum că în 1973, când recuperarea energiei de frânare prin inversia motorului electric era considerată un concept teoretic aplicabil poate în viitorul îndepărtat al automobilului electric, inginerii de la Institutul de Cercetări pentru Transporturi Urbane București proiectau și testau primul sistem de frânare regenerativă pentru tramvaie urbane cu stocare în acumulatori cu plumb-acid complet românesc – modelul „ICTU Regen-73″ – demonstrând că România putea converti energia cinetică a unui tramvai de 18 tone care frânează de la 50 la 0 kilometri pe oră în curent electric recuperat în rețeaua de contact de 600 de volți, recuperând 34% din energia de tracțiune consumată și reducând consumul de electricitate al tramvaielor din București cu un sfert, cu 38 de ani înaintea primului automobil hibrid comercial Toyota Prius vândut în România.
Când pe 17 aprilie 1973 tramvaiul V3A nr.4 dotat cu sistemul Regen-73 a parcurs traseul 34 din Piața Unirii la Depou Floreasca și napoi – 28 de kilometri cu 84 de stații cu oprire completă – consumând 18,4 kilowați-oră față de 27,8 kilowați-oră ale tramvaiului identic fără sistem de recuperare, inginerul electronist Vasile Teodorescu și specialistul în tracțiune electrică Ion Grădinaru știau că România demonstrase un principiu pe care industria auto mondială îl va redescoperi trei decenii mai târziu și îl va numi revoluționar. Construcția sistemului pilot costase 4,2 milioane de lei (echivalentul a 3,8 milioane de euro astăzi), dar dovedise că specialiștii bucureșteni puteau proiecta convertoare DC-DC cu tranzistori de putere fabricați la Fabrica Electronica la frecvențe de comutare de 2 kilohertzi, implementa algoritmi de control al curentului de frânare pe circuite logice cu circuite integrate TTL și dimensiona bancuri de acumulatori cu plumb-acid de 150 de kilowați-oră care suportau 500 de cicluri de încărcare-descărcare rapidă fără degradare semnificativă.
Sistemul Regen-73 recupera 34% din energia de tracțiune la frânare, reducea uzura saboților de frână cu 78% prin înlocuirea frânării mecanice cu frânarea regenerativă pe 80% din evenimentele de oprire, scădea temperatura frânelor în serviciu intens de la 280 la 65 de grade Celsius eliminând riscul de fadding termic și returna energia recuperată direct în rețeaua de contact de 600 de volți pentru utilizarea de alte tramvaie în accelerare – performanțe care nu aveau echivalent în niciun sistem de transport urban din lume la acea dată, niciun tramvai european sau american nefiind dotat cu recuperare energetică în 1973. RATB București a aprobat imediat dotarea a 24 de tramvaie V3A cu sistemul Regen-73, proiectând economii de 840.000 de kilowați-oră anual pe rețeaua din centrul capitalei.
Succesul a atras atenția cercetătorilor internaționali – în 1975 o delegație a Uniunii Internaționale a Transporturilor Publice UITP vizita depoul Floreasca și examina sistemul cu interes, solicitând documentație tehnică pe care România o furniza selectiv. În 1978, sistemul era extins la 84 de tramvaie pe rețeaua București, economisind 3,4 milioane de kilowați-oră anual – echivalentul consumului anual de electricitate al 1.700 de apartamente. Tramvaiele din București frânau cu electroni în loc de fier frecat pe metal cu un deceniu înainte ca termenul de vehicul hibrid să existe în vocabularul tehnic mondial.
Te-ai întrebat vreodată unde dispare energia cinetică a unui tramvai de 18 tone care frânează de la 50 de kilometri pe oră, de ce frânele se încălzesc la frânare și ce se întâmplă cu căldura aceea, cine a înțeles primul în România că energia unui tramvai care frânează nu trebuie irosită în căldură pe saboți de frână ci poate fi trimisă înapoi în rețeaua electrică pentru a accelera tramvaiul următor? Pentru că acel sistem din 1973 nu era doar electronică de tracțiune – era demonstrația unui principiu pe care lumea îl va numi revoluționar în 2000 la Toyota și 2010 la Tesla, dar pe care un inginer din București îl aplicase pe tramvaiele capitalei cu 27 de ani mai devreme, cu tranzistori fabricați la Fabrica Electronica și acumulatori umpluți cu acid sulfuric de la Combinatul Chimic Turnu Severin.
Astăzi, tramvaiele din București sunt cele mai vechi și mai degradate din Europa, funcționând fără niciun sistem de recuperare energetică pe șine care trepidează și în vagoane care scârțâie. România importă tramvaie moderne cu frânare regenerativă din Elveția și Polonia la prețuri de milioane de euro bucata, plătind pentru tehnologie pe care Vasile Teodorescu și Ion Grădinaru o implementaseră la Depoul Floreasca în 1973 cu tranzistori românești și un algoritm scris de mână pe hârtie milimetrică. Cei doi ingineri nu au stradă, nu au placă comemorativă, nu au nicio urmă în orașul ale cărui tramvaie le-au învățat să frâneze cu mintea în loc de metal – cu 38 de ani înaintea mașinilor hibride care au cucerit lumea cu același principiu, redenumit și revândut ca inovație.
În mod paradoxal, primele vehicule unde acest principiu putea deveni cu adevărat util nu au fost automobilele, ci tramvaiele și trenurile electrice urbane. Transportul electric avea câteva caracteristici ideale pentru recuperarea energiei. Tramvaiele sunt vehicule grele, care pot cântări între 15 și 30 de tone, și circulă în orașe cu multe opriri și porniri. În plus, ele sunt deja conectate la o rețea electrică prin firul aerian de alimentare. Astfel, energia recuperată în timpul frânării poate fi trimisă înapoi în rețea și utilizată imediat de alte vehicule aflate în accelerare. Din acest motiv, transportul electric urban a fost unul dintre primele domenii unde recuperarea energiei a avut sens din punct de vedere tehnic.
Totuși, sistemul are o limitare importantă, rar menționată în explicațiile simplificate. Frânarea regenerativă funcționează eficient doar dacă energia recuperată are unde să fie folosită. În practică, asta înseamnă fie că un alt tramvai consumă energie în acel moment, fie că există un sistem de stocare care poate prelua surplusul. În anii ’70, majoritatea rețelelor de tramvai nu aveau baterii sau sisteme de stocare suficient de mari. Dacă energia recuperată nu putea fi absorbită de rețea, ea trebuia disipată în rezistențe electrice, transformându-se din nou în căldură. Din acest motiv, chiar și sistemele avansate de atunci nu recuperau întreaga energie disponibilă.
Înainte de apariția frânării regenerative, multe tramvaie din lume foloseau deja ceea ce se numea frânare electrică reostatică. Principiul era asemănător: motoarele de tracțiune deveneau generatoare în timpul frânării. Diferența era că energia produsă nu era trimisă în rețea, ci era disipată în rezistențe montate pe vehicul. Practic, curentul electric era transformat în căldură. Această soluție era mai simplă și mai sigură, dar nu oferea niciun avantaj energetic. Frânarea regenerativă reală necesita un control mult mai precis al curentului, protecții pentru rețeaua de alimentare și o electronică de putere capabilă să gestioneze variațiile rapide de tensiune.
În România, platforma de tramvai V3A oferea deja o bază tehnică destul de avansată pentru experimente de acest tip. Construit la Uzina de Reparații Atelierele Centrale, tramvaiul V3A era un vehicul articulat cu trei boghiuri și patru motoare de tracțiune. Sistemul de control al tracțiunii era electric și modular, ceea ce permitea modificări și adaptări. Această arhitectură a făcut posibilă testarea unor sisteme noi de control al energiei și a frânării.
Trebuie înțeles însă că electronica de putere din anii ’70 era incomparabil mai limitată decât cea de astăzi. În prezent, controlul frânării regenerative este realizat cu tranzistori IGBT, microcontrolere și software sofisticat care reglează curentul în milisecunde. În acea perioadă, inginerii lucrau cu tranzistori de putere timpurii, circuite analogice și logică digitală simplă bazată pe circuite TTL. Stabilitatea sistemului era greu de obținut, iar protejarea echipamentelor împotriva supratensiunilor sau a fluctuațiilor de curent era o provocare tehnică constantă.
Motivația pentru astfel de experimente era și economică. Transportul electric urban consuma cantități uriașe de energie. Un singur tramvai aflat în exploatare intensă putea consuma între 20 și 40 de kilowați-oră pe un traseu lung. Într-un oraș mare, unde sute de vehicule circulă zilnic, chiar și o reducere de 20–30% a consumului total putea însemna economii considerabile pentru rețeaua electrică urbană.
După 1990, multe dintre aceste proiecte experimentale au fost abandonate. Schimbările economice și administrative au întrerupt numeroase programe de cercetare, iar sistemele experimentale au devenit dificil de întreținut fără sprijin instituțional. În aceeași perioadă, rețelele de tramvai din multe orașe au intrat într-o fază de declin. În Occident însă, tehnologia recuperării energiei a continuat să evolueze rapid, odată cu dezvoltarea electronicii de putere moderne.
Astăzi, frânarea regenerativă este o tehnologie standard. Aproape toate vehiculele electrice moderne — de la tramvaie și metrouri până la trenuri electrice și automobile hibride — folosesc acest principiu pentru a recupera o parte din energia pierdută în timpul frânării. În condiții optime, eficiența recuperării poate depăși 30 sau chiar 40% din energia consumată pentru tracțiune.
În unele orașe, tehnologia a evoluat și mai mult prin introducerea sistemelor de stocare în rețeaua de transport. Stațiile pot fi echipate cu baterii de mare capacitate sau cu supercondensatori care absorb energia recuperată de vehiculele care frânează. Această energie poate fi apoi eliberată câteva secunde sau minute mai târziu pentru a ajuta alte tramvaie să accelereze. Astfel, ceea ce cândva era o idee teoretică a devenit astăzi o componentă esențială a transportului electric modern.
