ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και. Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του. Πανεπιστηµίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστηµίου Πατρών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΗΜΗΤΡΙΟΥ ΑΝΝΙΝΟΥ Αριθµός Μητρώου: 5583 «Μελέτη και υλοποίηση στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας για τη βελτιωµένη οικονοµική λειτουργία υβριδικού οχήµατος µε χρήση ψηφιακού µικροελεγκτή» Επιβλέπων: ρ.-μηχ. Επαµεινώνδας Μητρονίκας, Λέκτορας Ν ο /2009 Πάτρα, Οκτώβριος 2009

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η ιπλωµατική Εργασία µε θέµα «Μελέτη και υλοποίηση στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας για τη βελτιωµένη οικονοµική λειτουργία υβριδικού οχήµατος µε χρήση ψηφιακού µικροελεγκτή» Του φοιτητή του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ ΗΜΗΤΡΙΟΥ ΑΝΝΙΝΟΥ Αριθµός Μητρώου: 5583 Παρουσιάστηκε δηµόσια και εξετάστηκε στο Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 14/10/2009 Ο Επιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα Επαµεινώνδας Μητρονίκας Λέκτορας Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

3 Αριθµός ιπλωµατικής Εργασίας: /2009 ΤΙΤΛΟΣ: " Μελέτη και υλοποίηση στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας για τη βελτιωµένη οικονοµική λειτουργία υβριδικού οχήµατος µε χρήση ψηφιακού µικροελεγκτή " Φοιτητής: Επιβλέπων: Παναγιώτης Άννινος του ηµητρίου ρ.-μηχ. Επαµεινώνδας Μητρονίκας, Λέκτορας Περίληψη Στόχος της παρούσας διπλωµατικής εργασίας ήταν η µελέτη και η υλοποίηση στρατηγικής διαχείρισης ενέργειας για τη βελτιωµένη οικονοµική λειτουργία υβριδικού οχήµατος µε χρήση ψηφιακού µικροελεγκτή. Η προτεινόµενη στρατηγική, η οποία βασίζει τη λειτουργία της στην αρχή της ασαφούς λογικής αναπτύχθηκε και αρχικά δοκιµάστηκε, χρησιµοποιώντας το πρόγραµµα Matlab/Simulink. Για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας του συνολικού συστήµατος αποτελούµενου από το ηλεκτρικό κινητήριο σύστηµα, τη µηχανή εσωτερικής καύσης και το σύστηµα διαχείρισης της ενέργειας, δηµιουργήθηκε ένα µαθηµατικό µοντέλο ενός υβριδικού οχήµατος παράλληλης διάταξης, επίσης στο περιβάλλον Simulink,στο οποίο η διαχείριση της ενέργειας γίνεται µέσω του ανεπτυχθέντος ασαφούς ελεγκτή. Στόχος ήταν να ελεγχθεί η συµπεριφορά του ελεγκτή αυτού. Τέλος, κατασκευάστηκε το κύκλωµα υλοποίησης του ασαφούς ελεγκτή, χρησιµοποιώντας τον ψηφιακό µικροελεγκτή dspic30f4011 της εταιρίας Microchip. Για την υλοποίηση της λειτουργίας του ελεγκτή, αναπτύχθηκε ο αντίστοιχος κώδικας σε γλώσσα C, η λειτουργία του οποίου επιβεβαιώθηκε πειραµατικά.

4

5 Περιεχόµενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ....8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή στην υβριδική αυτοκίνηση 1.1. Ιστορική αναδροµή αυτοκίνησης Ηλεκτροκίνητα οχήµατα Οχήµατα µε µηχανές εσωτερικής καύσης Υβριδικά οχήµατα Σηµερινή και µελλοντική κατανάλωση ενέργειας Βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των αναπτυσσόµενων χωρών Παγκόσµια αύξηση πληθυσµού Κατανάλωση ενέργειας και µεταφορές Περιβαλλοντικές επιπτώσεις Προσπάθειες για µείωση των ρύπων στον τοµέα των µεταφορών «Πράσινα» οχήµατα Κατηγορίες υβριδικών συστηµάτων Υδραυλικό υβριδικό σύστηµα Πνευµατικό υβριδικό σύστηµα Μηχανικό υβριδικό σύστηµα Ηλεκτρικό υβριδικό σύστηµα ιατάξεις ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων Κατηγορίες ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων µε βάση το βαθµό υβριδοποίησης Πλήρη υβριδικά Υποβοηθητικά Υβριδικά Υβριδικά Plug in Ήπια Υβριδικά ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:Γενικές προσεγγίσεις και παραδείγµατα στρατηγικών ελέγχου διαχείρισης ενέργειας υβριδικών οχηµάτων 2.1. Εισαγωγή Προσέγγιση backward-facing Μέθοδος βέλτιστου ελέγχου Εισαγωγή Μοντελοποίηση συστήµατος Μοντελοποίηση στοιχείων Μηχανικοί περιορισµοί Μηχανική διάταξη Γενική θεώρηση του προβλήµατος βελτιστοποίησης Βελτιστοποίηση ελέγχου ιατύπωση προβλήµατος Βέλτιστος έλεγχος Προσέγγιση forward-facing Διπλωματική Εργασία 4

6 Μέθοδος στοχαστικού ελέγχου Εισαγωγή Στοχαστική µοντελοποίηση της ζήτησης ισχύος από τον οδηγό Μέθοδος στοχαστικής δυναµικής βελτιστοποίησης ιατύπωση του προβλήµατος Προσέγγιση στοχαστικού δυναµικού προγραµµατισµού Μέθοδος προσαρµοστικής βελτιστοποίησης ισοδύναµης κατανάλωσης (A-ECMS) Εισαγωγή ιατύπωση του προβλήµατος Μέθοδος βελτιστοποίησης ισοδύναµης κατανάλωσης Μέθοδος προσαρµοστικής βελτιστοποίησης ισοδύναµης κατανάλωσης (A-ECMS).58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Βασικές έννοιες Ασαφούς Λογικής 3.1. Εισαγωγή στις έννοιες της ασαφούς λογικής Η Ασαφής Λογική και η έννοια των Ασαφών Συνόλων Ορισµός των Ασαφών Συνόλων Τελεστές ασαφούς λογικής και πράξεις µε ασαφή σύνολα Λεκτικές Μεταβλητές και Λεκτικά Περιγράµµατα Ασαφείς σχέσεις Ασαφείς Προτάσεις και Ασαφείς Κανόνες Ασαφείς Ελεγκτές..67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Μαθηµατικό µοντέλο υβριδικού οχήµατος 4.1. Ανάπτυξη ασαφούς ελεγκτή για τη διαχείριση της ενέργειας σε υβριδικό όχηµα Εισαγωγή ιάταξη υβριδικού οχήµατος Στρατηγική ελέγχου παράλληλης υβριδικής διάταξης Ηλεκτρική Μηχανή Συνεχούς Ρεύµατος Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά µηχανών συνεχούς ρεύµατος Συνοπτική περιγραφή λειτουργίας µηχανών συνεχούς ρεύµατος Συνδεσµολογίες µηχανών συνεχούς ρεύµατος Έλεγχος µηχανών συνεχούς ρεύµατος Μοντελοποιήση συστήµατος στο Simulink Κινητήρας Εσωτερικής Καύσης Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση µηχανών εσωτερικής καύσης Βασικά κατασκευαστικά στοιχεία Κύκλοι λειτουργίας µηχανής τεσσάρων χρόνων Καµπύλη ροπής στροφών και αποδοτικότητα- Μοντελοποιήση συστήµατος στο Simulink Συσσωρευτές Διπλωματική Εργασία 5

7 Εισαγωγή Κατηγορίες και τεχνολογίες συσσωρευτών Βασικές έννοιες και καµπύλες συσσωρευτών Μοντελοποιήση συστήµατος στο Simulink Φωτοβολταϊκό πάνελ Εισαγωγή Φωτοβολταικό φαινόµενο Χαρακτηριστικά Ηµιαγωγών ηµιουργία ηλεκτρικά φορτισµένων ηµιαγωγών ηµιουργία της επαφής Η επίδραση της Ηλιακής ακτινοβολίας I-V χαρακτηριστική και οι επιδράσεις θερµοκρασίας και ακτινοβολίας,βαθµός απόδοσης Οµαδοποίηση κυττάρων- Μοντελοποιήση συστήµατος στο Simulink Μοντέλο Ασαφούς Ελεγκτή Ασαφής διαδικασία Αλγόριθµος ελέγχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Αποτελέσµατα προσοµοίωσης 5.1. Εισαγωγή Περίπτωση φορτισµένων συσσωρευτών Κύκλος οδήγησης τύπου Κύκλος οδήγησης τύπου Κύκλος οδήγησης τύπου Κύκλος οδήγησης τύπου Περίπτωση αφόρτιστων συσσωρευτών Κύκλος οδήγησης τύπου Κύκλος οδήγησης τύπου Κύκλος οδήγησης τύπου Κύκλος οδήγησης τύπου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Κύκλωµα υλοποίησης ασαφούς ελεγκτή 6.1. Εισαγωγή Γενικές έννοιες µικροεπεξεργαστών-συνοπτική περιγραφή του dspic30f4011 και του MPLAB Μετατροπείς σήµατος από αναλογικό σε ψηφιακό Τα αναπτυξιακά του dspic30f Θύρες Εισόδου/ Εξόδου Θύρες CAN και PWM Κύκλωµα για την υλοποίηση ασαφούς ελεγκτή ιάρθρωση κύριου αλγόριθµου ελέγχου Βιβλιογραφία. 151 Διπλωματική Εργασία 6

8 Παράρτηµα.153 Διπλωματική Εργασία 7

9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Τα τελευταία χρόνια γίνεται όλο και πιο επιτακτική η ανάγκη για την παγκόσµια µείωση των εκποµπών ρύπων. Αδιαµφισβήτητα ο τοµέας των µεταφορών συµβάλλει σε πολύ µεγάλο βαθµό στην περιβαλλοντική ρύπανση. Έτσι λοιπόν τα τελευταία χρόνια παρατηρούνται αξιόλογες προσπάθειες για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για τα µέσα µεταφοράς, µε σκοπό την επίτευξη της µείωσης των εκποµπών ρυπογόνων ουσιών. Η λύση των υβριδικών οχηµάτων συµβάλλει προς την κατεύθυνση αυτή και για το λόγο αυτό, ήδη κάποιες αυτοκινητοβιοµηχανίες έχουν αναπτύξει και εντάξει υβριδικά µοντέλα στους στόλους τους. Αναµένεται ότι στο εγγύς µέλλον η πλειονότητα των κατασκευαστών αυτοκινήτων θα προσφέρει υβριδικά οχήµατα. Για την πλήρη εκµετάλλευση των πλεονεκτηµάτων που µπορεί να προσφέρει ένα υβριδικό όχηµα απαιτείται µια ανεπτυγµένη µέθοδος ελέγχου. Υψίστης σηµασίας κρίνεται το γεγονός της διαχείρισης της ενέργειας στα υβριδικά οχήµατα. Η παρούσα διπλωµατική εργασία πραγµατεύεται την ανάπτυξη µιας βελτιωµένης στρατηγικής διαχείρισης της ροής ενέργειας σε υβριδικό όχηµα, χρησιµοποιώντας τη βοήθεια εννοιών της ασαφούς λογικής. Για το σκοπό αυτό, στα πλαίσια της εργασίας αυτής δηµιουργήθηκε ένα µαθηµατικό µοντέλο ενός υβριδικού οχήµατος, στο οποίο η διαχείριση της ενέργειας πραγµατοποιείται µέσω ενός ασαφούς ελεγκτή, µε σκοπό να ελεγχθεί η συµπεριφορά του ελεγκτή αυτού. Τέλος κατασκευάστηκε η ηλεκτρονική πλακέτα του ασαφούς ελεγκτή. Αναλυτικά στο κεφάλαιο 1 γίνεται µια προσπάθεια προσέγγισης της αναγκαιότητας για εναλλακτικές µορφές αυτοκίνησης και µια εισαγωγή στα υβριδικά αυτοκίνητα. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται µια αναφορά στις διάφορες προσεγγίσεις µεθόδων ελέγχου που βελτιστοποιούν τη διαχείριση της ροής ενέργειας στα υβριδικά οχήµατα. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται µια εισαγωγή στις βασικές έννοιες και τις αρχές της ασαφούς λογικής, πάνω στις οποίες στηριχθήκαµε για την ανάπτυξη της στρατηγικής ελέγχου. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η ανάπτυξη του µαθηµατικού µοντέλου του ασαφούς ελεγκτή, που σχεδιάστηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωµατικής εργασίας, αλλά και του µαθηµατικού µοντέλου ενός υβριδικού οχήµατος, το οποίο αναπτύχθηκε για την εφαρµογή της επιλεχθείσας µεθόδου ελέγχου. Τα προαναφερθέντα µαθηµατικά µοντέλα αναπτύχθηκαν στο περιβάλλον προσοµοιώσεων Simulink του Matlab. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφεται η κατασκευή της πλακέτας του ασαφούς ελεγκτή και της πλακέτας τροφοδοσίας. Για την κατασκευή των πλακετών χρησιµοποιήθηκε το σχεδιαστικό περιβάλλον Protel. Για την υλοποίηση του αλγόριθµου ελέγχου χρησιµοποιήσαµε ένα µικροεπεξεργαστή dspic30f4011 της εταιρίας Microchip και για τον προγραµµατισµό του τη γλώσσα υψηλού επιπέδου C. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία η οποία χρησιµοποιήθηκε. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά τον Λέκτορα κ. Επαµεινώνδα Μητρονίκα, επιβλέποντα της διπλωµατικής εργασίας για το συνεχές ενδιαφέρον του και τις εύστοχες παρατηρήσεις καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας αυτής. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους υποψήφιους διδάκτορες του εργαστηρίου και τους Διπλωματική Εργασία 8

10 συµφοιτητές µου, καθώς οι συµβουλές που παρείχαν βοήθησαν ουσιαστικά στην επίλυση των δυσκολιών και των προβληµάτων που κατά καιρούς παρουσιάστηκαν. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά µου για την κατανόηση, την υποµονή και τη συµπαράσταση τους καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών µου. Διπλωματική Εργασία 9

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Εισαγωγή στην υβριδική αυτοκίνηση 1.1 Ιστορική αναδροµή αυτοκίνησης[1],[2] Η αυτοκίνηση µε την έννοια που γνωρίζουµε στη σύγχρονη εποχή δεν εφευρέθηκε µέσα σε µία ηµέρα από ένα και µόνο εφευρέτη. Η ιστορία της αυτοκίνησης παρουσιάζει µια εξέλιξη η οποία έλαβε χώρα σε αρκετά σηµεία του πλανήτη. Υπολογίζεται ότι περισσότερες από ευρεσιτεχνίες οδήγησαν στη σηµερινή µορφή της αυτοκίνησης. Παρόλα αυτά ορισµένες από αυτές αποτέλεσαν κοµβικά σηµεία για την εξέλιξη του κλάδου. Οι πρώτες αναφορές για τη σχεδίαση οχηµάτων στα οποία παρέχεται κίνηση από µηχανές ανήκουν στους Leonardo da Vinci και Isaac Newton. Μια µεγάλη µερίδα του παγκόσµιου πληθυσµού πιστεύει λανθασµένα ότι τα πρώτα αυτοκίνητα χρησιµοποιούσαν κινητήρες εσωτερικής καύσης. Στην πραγµατικότητα το πρώτο αυτοκινούµενο όχηµα χρησιµοποιούσε την ενέργεια του ατµού και χρονολογείται το Εφευρέτης ήταν ο γάλλος µηχανικός Nicolas Joseph Cugnot ( ) ο οποίος κατασκεύασε ένα ατµοκίνητο στρατιωτικό όχηµα για την µεταφορά κανονιών από τον γαλλικό στρατό. Η χρήση όµως της ατµοµηχανής προσέθετε υπερβολικό βάρος στο όχηµα και έτσι αποτελούσε µια κακή επιλογή για χρήση σε αυτοκίνητα. Έτσι οι ερευνητές της εποχής στράφηκαν σε άλλες εναλλακτικές επιλογές για την κατασκευή κινητήρων µε σκοπό την πρόωση των αυτοκινήτων. Οι κινητήρες αυτοί, µετέτρεπαν είτε ηλεκτρική ενέργεια(ηλεκτροκινητήρες), είτε την χηµική ενέργεια των υγρών ορυκτών καυσίµων (µηχανές εσωτερικής καύσης) στην απαραίτητη µηχανική ενέργεια για την κίνηση των οχηµάτων Ηλεκτροκίνητα οχήµατα[1],[2] Στο χρονικό διάστηµα µεταξύ των ετών 1832 και 1839 (η ακριβής χρονολογία δεν είναι βέβαιη) ένας σκοτσέζος εφευρέτης επ ονόµατι Robert Anderson εφεύρε το πρώτο ηλεκτροκίνητο όχηµα. Ακόµη το 1835 ένα µικρό ηλεκτροκίνητο όχηµα σχεδιάστηκε από τον ολλανδό καθηγητή Stratingh και κατασκευάστηκε από τον βοηθό του Christopher Becker. Με µεγάλη επιτυχία κατασκεύασαν ένα ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο το 1842 και δύο αµερικανοί, ο Thomas Davenport και ο Scotsmen Robert Davidson. Καθώς όµως ο γάλλος Gaston Plante εφεύρε µια µπαταρία µε µεγαλύτερη χωρητικότητα, άνοιξε ο δρόµος για την άνθιση των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Τα πρώιµα οχήµατα που χρησιµοποιούσαν ηλεκτροκινητήρες είχαν παρόµοια µορφή µε τις άµαξες τις εποχής. Είχαν αυτονοµία 18 µιλίων, µέγιστη ταχύτητα 14 mph και κόστος 2000 δολαρίων. Τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα είχαν αρκετά πλεονεκτήµατα έναντι των ανταγωνιστών τους στις αρχές του 20 ου αιώνα. εν είχαν τους κραδασµούς, τις δυσάρεστες οσµές των καυσαερίων και το θόρυβο που συνοδεύουν τις µηχανές εσωτερικής καύσης. Ακόµη δεν απαιτούσαν τη χρήση κιβωτίου ταχυτήτων κάτι που διευκόλυνε ιδιαίτερα τη διαδικασία της οδήγησης σχετικά µε ένα όχηµα εσωτερικής καύσης. Τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα σε σχέση µε τα οχήµατα τα οποία κινούνταν µε τη βοήθεια ατµοµηχανών, τα οποία οµοίως δεν απαιτούσαν κιβώτιο ταχυτήτων, πλεονεκτούσαν όσον αφορά την αυτονοµία. Ακόµη τα Διπλωματική Εργασία 10

12 ατµοκίνητα οχήµατα απαιτούσαν χρόνο προθέρµανσης έως και 45 λεπτά κάποια κρύα πρωινά. Η παρακµή των ηλεκτροκίνητων οχηµάτων επήλθε για αρκετούς λόγους κάποιοι εκ των οποίων αναφέρονται στη συνέχεια. Ο κυριότερος λόγος ήταν η εδραίωση του εναλλασσόµενου ηλεκτρικού δικτύου έναντι του συνεχούς λόγω των γνωστών πλεονεκτηµάτων που παρουσιάζει το πρώτο στη µεταφορά και στη διανοµή. Αυτό κατέστησε απαραίτητη τη χρήση µετατροπέων ηλεκτρικής ενέργειας από AC σε DC, το κόστος των οποίων ήταν ιδιαίτερα υψηλό. Το γεγονός αυτό καθιστούσε τα ηλεκτροκίνητα οχήµατα απρόσιτα από οικονοµικής άποψης στο ευρύ κοινό. Ένας άλλος λόγος είναι, ότι µε την πάροδο των ετών το εθνικό οδικό δίκτυο των δυτικών χωρών αναπτυσσόταν µε αποτέλεσµα να χρειάζονται οχήµατα µε µεγάλη αυτονοµία, κάτι που καθιστούσε τα οχήµατα εσωτερικής καύσης ιδανικά. Τέλος η µαζική παραγωγή των αυτοκινήτων εσωτερικής καύσης συνέτεινε στη µείωση της τιµής τους ενώ η τιµή των ηλεκτρικών αυτοκινήτων συνέχιζε να αυξάνεται. Ενδεικτικά αναφέρουµε ότι το 1912 η τιµή ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου κυµαινόταν στα 1750 δολάρια ενώ ενός αντίστοιχου εσωτερικής καύσης στα Οχήµατα µε µηχανές εσωτερικής καύσης[1],[2] Ως µηχανή εσωτερικής καύσης καλείται κάθε µηχανή η οποία χρησιµοποιεί την καύση οποιουδήποτε υγρού ορυκτού καυσίµου για την παραγωγή κίνησης. Η κίνηση αυτή µεταφέρεται µέσω ενός άξονα στις ρόδες και έτσι επιτυγχάνεται η κίνηση του οχήµατος. Λόγω όµως του γεγονότος ότι οι µηχανές εσωτερικής καύσης δεν παράγουν ικανοποιητικά επίπεδα ροπής σε ολόκληρο το φάσµα των στροφών, είναι απαραίτητη η χρήση κιβωτίου ταχυτήτων. Τα καύσιµα που χρησιµοποιούνται συνήθως για τη λειτουργία των µηχανών εσωτερικής καύσης είναι η βενζίνη, το πετρέλαιο και η κηροζίνη. Η πρώτη κατασκευή οχήµατος που χρησιµοποιούσε µηχανή εσωτερικής καύσης χρονολογείται το Εφευρέτης ήταν ο γάλλος µηχανικός Jean Joseph Étienne Lenoir ο οποίος κατασκεύασε ένα τρίκυκλο όχηµα το οποίο χρησιµοποιούσε ως καύσιµο το πετρέλαιο. Με το όχηµα αυτό κατάφερε να διανύσει 50 µίλια. Από τη στιγµή εκείνη και έπειτα ένα πλήθος εφευρέσεων πραγµατοποιήθηκαν µε σκοπό τη βελτίωση ή την ολική επανασχεδίαση των µηχανών αυτών. Ως κοµβικά σηµεία όµως στην εξέλιξη των µηχανών εσωτερικής καύσης θεωρούνται οι εφευρέσεις των Nikolaus August Otto, Karl Benz και Gottlieb Daimler. Λόγω των πλεονεκτηµάτων που παρουσίαζαν τα οχήµατα των µηχανών εσωτερικής καύσης την εποχή εκείνη, επικράτησαν έναντι των αντιπάλων τους. Έτσι άνοιξε δρόµος για την άνθιση µίας βιοµηχανίας µε τεράστια οικονοµικά µεγέθη. Διπλωματική Εργασία 11

13 1.1.3 Υβριδικά οχήµατα[1],[2] Με τον όρο υβριδικό εννοούµε κάθε όχηµα για την κίνηση του οποίου χρησιµοποιούνται περισσότερες από µία πηγές ενέργειας, ανεξάρτητα από το είδος του καυσίµου και την αλληλεπίδραση µεταξύ των πηγών. Η πρώτη εµφάνιση υβριδικών οχηµάτων χρονολογείται στις αρχές του περασµένου αιώνα. Το 1905, ο H. Piper κατέθεσε αίτηση κατοχύρωσης ευρεσιτεχνίας για ένα υβριδικό αυτοκίνητο, όπου ένα ηλεκτροκινητήρας θα λειτουργούσε επικουρικά στο βασικό µοτέρ (ένα βενζινοκινητήρα), ώστε να επιτυγχάνεται επιτάχυνση 0-40 km/h σε χρόνο 10 sec. εδοµένου ότι οι όροι κατανάλωση και εκποµπές ρύπων δεν είχαν σηµασία την εποχή εκείνη, η κατασκευή του οχήµατος του Piper επικεντρώθηκε στις επιδόσεις και όχι στην οικονοµία ή στη φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία. Η έλλειψη ηλεκτρικού δικτύου και το υπερβολικό διάστηµα που χρειάστηκε για την έγκριση της πατέντας αποδείχθηκαν δυστυχώς καταδικαστικοί παράγοντες για την ιδέα του Piper. Βέβαια προτάσεις πάνω στο ίδιο ζήτηµα είχαν παρουσιαστεί και νωρίτερα, όπως το 1900, όταν η εταιρεία Lohner είχε παρουσιάσει στην Έκθεση του Παρισιού ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο βασισµένο στη ιδέα ενός 25χρονου τότε µηχανικού, του ιδρυτή της οµώνυµης µετέπειτα θρυλικής εταιρίας Ferdinand Porsche. Το αυτοκίνητο αυτό διέθετε δύο ηλεκτροκινητήρες ενσωµατωµένους στους µπροστινούς τροχούς, χωρίς να γίνεται χρήση κιβωτίου ταχυτήτων, ηµιαξονίων ή διαφορικού. Το 1902 η Lohner παρουσίασε και υβριδική τετρακίνητη έκδοση του µοντέλου της µε ηλεκτροκινητήρες σε όλους τους τροχούς, όπου ένας βενζινοκινητήρας κινούσε την απαραίτητη για την παραγωγή της απαιτούµενης ηλεκτρικής ενέργειας γεννήτρια. Στην πορεία παρουσιάστηκαν διάφορες ιδέες, όπως του Krieger το 1903, ορόσηµο όµως στην εξέλιξη των υβριδικών οχηµάτων αποτέλεσε το 1917, όταν η Woods Motor Vehicle Company παρουσίασε το µοντέλο Dual Power. Κερδίζοντας τις εντυπώσεις χάρη στην ευφυή κατασκευή του και τον απλό χειρισµό του, το Dual Power διέθετε βενζινοκινητήρα και ηλεκτροκινητήρα οι οποίοι µπορούσαν να λειτουργήσουν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο. Ένας µαγνητικός συµπλέκτης που συνέδεε και αποµόνωνε τους δύο κινητήρες µε το σύστηµα µετάδοσης µέσω δύο διακοπτών στο τιµόνι, έδινε τη δυνατότητα στον οδηγό να επιλέξει µεταξύ του ηλεκτροκινητήρα και του βενζινοκινητήρα για την κίνηση του οχήµατος, ή και τους δύο όταν ήθελε µέγιστη ισχύ. Επιπλέον, όταν το αυτοκίνητο επιβράδυνε, ο οδηγός µπορούσε να φορτίσει τις µπαταρίες του οχήµατος εµπλέκοντας τον ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος σε αυτήν την περίπτωση λειτουργούσε ως γεννήτρια. υστυχώς η υβριδική τεχνολογία έπεσε σε τέλµα, υποσκελιζόµενη από την ραγδαία εξάπλωση των βενζινοκινητήρων. Οι ρυπογόνοι κινητήρες εσωτερικής καύσης κυριάρχησαν στην αγορά και µοιραία τα υβριδικά προγράµµατα και οι λοιπές εναλλακτικές τεχνολογίες τέθηκαν στο περιθώριο. Διπλωματική Εργασία 12

14 1.2 Σηµερινή και µελλοντική κατανάλωση ενέργειας[3] Η εφεύρεση και η εδραίωση της χρήσης των µηχανών εσωτερικής καύσης στις αρχές του 20 ου αιώνα συνέβαλλε σε µεγάλο βαθµό στην εκθετική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Η ενέργεια αυτή προερχόταν και συνεχίζει να παράγεται κατά κύριο λόγο από την καύση των ορυκτών καυσίµων, είτε αυτή συµβαίνει στους κυλίνδρους των αυτοκινήτων µε σκοπό την παραγωγή κίνησης, είτε στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπου η χηµική ενέργεια των ορυκτών καυσίµων µετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η κοινωνική ευηµερία, όπως τουλάχιστον την αντιλαµβανόµαστε µέσα από το «δυτικό» τρόπο ανάπτυξης του πολιτισµού, συνδέθηκε µε την ικανοποίηση ολοένα και αυξανόµενων αναγκών µέσα από µια διαδικασία συνεχούς και αδιάκοπης κατανάλωσης ενεργειακών πόρων, κυρίως πετρελαίου. Αναµφισβήτητα η υψηλή κατανάλωση ενέργειας ταυτίστηκε µε τον εκσυγχρονισµό των κοινωνιών. Σύµφωνα µε την ετήσια έκθεση ενέργειας του αµερικανικού υπουργείου ενέργειας για το έτος 2005, τα τελευταία 20 χρόνια η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται µε ταχύτατους ρυθµούς. Οι προβλέψεις για την µελλοντική κατανάλωση ενέργειας κάνουν λόγο για περαιτέρω αύξηση κατά τον ίδιο ρυθµό. Αξίζει να σηµειωθεί ότι το µεγαλύτερο µέρος της παραγόµενης ενέργειας προέρχεται από πρωτογενείς µορφές ενέργειας δηλαδή πετρέλαιο, άνθρακα και φυσικό αέριο. Παρατηρείται επίσης ότι αν και τα τελευταία χρόνια οι λεγόµενες ανανεώσιµες πηγές ενέργειας είναι ιδιαίτερα δηµοφιλείς, δεν ενδέχεται στο άµεσο µέλλον να αποτελέσουν την κύρια πηγή ενέργειας. Παράλληλα η πυρηνική ενέργεια παρουσιάζει τα δικά της επιµέρους προβλήµατα και έτσι ούτε και αυτή αναµένεται να αποτελέσει την κυρίαρχη ενεργειακή πηγή. Τα προαναφερθέντα στοιχεία παρουσιάζονται στο γράφηµα που ακολουθεί. Εικόνα 1.1-Κατανάλωση Ενέργειας ανά πηγή ενέργειας (10Ε15 Btu=1,055*10Ε18J),[3] 13

15 Οι βασικότερες αιτίες της αναµενόµενης αύξησης της κατανάλωσης ενέργειας είναι δύο και παρουσιάζονται στη συνέχεια Βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των αναπτυσσόµενων χωρών[3] Όπως προαναφέρθηκε η κατανάλωση ενέργειας σε µια χώρα είναι στενά συνδεδεµένη µε την ευηµερία που απολαµβάνουν οι πολίτες της. Το ποσό της κατά κεφαλήν καταναλισκόµενης ενέργειας στις ανεπτυγµένες κοινωνίες είναι αναµφίβολα κατά πολύ µεγαλύτερο σε σχέση µε τις αναπτυσσόµενες ή τις µη ανεπτυγµένες. Από το γράφηµα που παρατίθεται στη συνέχεια παρατηρείται ότι σε ορισµένες χώρες όπως για παράδειγµα οι Η.Π.Α, γίνεται αλόγιστη χρήση ενέργειας (µόνο το 5% του παγκόσµιου πληθυσµού καταναλώνει το 23% της παγκόσµιας ενέργειας) ενώ αντιθέτως σε χώρες όπως η Κίνα και η Ινδία, ο µέσος πολίτης καταναλώνει λιγότερο και από το µισό του παγκόσµιου µέσου όρου. Θα πρέπει ακόµη να τονιστεί ότι συγκρίνοντας µόνο τις ανεπτυγµένες χώρες στην ευρωπαϊκή και αµερικανική ήπειρο προκύπτει ένα πολύ σηµαντικό συµπέρασµα για την διαφορά της ευαισθητοποίησης ως προς την κατανάλωση ενέργειας. Παρατηρείται σύµφωνα µε το παρακάτω γράφηµα ότι ο µέσος αµερικανός πολίτης καταναλώνει τη διπλάσια ενέργεια σε σχέση µε το µέσο δυτικοευρωπαίο παρόλο που απολαµβάνουν την ίδια ευηµερία. Το γεγονός αυτό είναι αποτέλεσµα αφενός της µακροχρόνιας προσπάθειας των ευρωπαϊκών χωρών για την ενηµέρωση των πολιτών όσον αφορά τη λελογισµένη χρήση της ενέργειας (αποφυγή άσκοπης χρήσης ηλεκτρικών συσκευών και φωτισµού, αντικατάσταση ενεργοβόρων συσκευών κ.ά.), και αφετέρου των ενεργειακών πολιτικών που επιβάλλουν σε ιδιωτικούς και δηµόσιους φορείς. Εικόνα 1.2-Ετήσια κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας (10 8 Btu ),[42] 14

16 Τα στοιχεία του παραπάνω γραφήµατος είναι αποτέλεσµα της σηµερινής διεθνούς τάξης πραγµάτων. Παρόλα αυτά παρατηρώντας κανείς τους ρυθµούς ανάπτυξης των οικονοµιών µερικών κρατών όπως για παράδειγµα η Κίνα, θα πρέπει να περιµένει ότι µελλοντικά θα αλλάξει άρδην η κατά κεφαλήν κατανάλωση ενέργειας στις χώρες αυτές. Σύµφωνά µε την Υπηρεσία ιεθνούς Ενέργειας (IEA) θα τετραπλασιαστεί η ζήτηση της ενέργειας από την Κίνα µέχρι το Εικόνα 1.3-Ζήτηση πρωτογενούς ενέργειας από την Κίνα(σε εκατομμύρια ΤΙΠ),[3]* Οι κυριότεροι παράγοντες που οδηγούν στην κατεύθυνση αυτή είναι δύο: Η πλειοψηφία των ανθρώπων στις αναπτυσσόµενες χώρες στηρίζονται σήµερα αφενός σε παραδοσιακά καύσιµα βιοµάζας (ξύλα, απόβλητα καλλιεργειών, κοπριές ζώων) για την κάλυψη των ενεργειακών τους αναγκών και αφετέρου στις φυσικές τους δυνάµεις και στις δυνάµεις των ζώων για την διεκπεραίωση των εργασιών τους. εδοµένης όµως της οικονοµικής ανάπτυξης είναι λογικό ότι µελλοντικά οι πρωτόγονες µορφές ενέργειας σχεδόν θα εξαφανιστούν και θα αντικατασταθούν από σύγχρονες µορφές αλλά και από σύγχρονες τεχνολογικές εφαρµογές, όπως τα αυτοκίνητα, γεγονός που θα δώσει το έναυσµα για εκθετική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Η οικονοµική ανάπτυξη συµβαδίζει ως επί των πλείστον µε την ανάπτυξη των εµπορικών, βιοµηχανικών και οδικών υποδοµών, η κατασκευή των οποίων απαιτεί τεράστια ποσά ενέργειας και υλικών Παγκόσµια αύξηση πληθυσµού[4] Τους τελευταίους δύο αιώνες έχει παρατηρηθεί µια συνεχόµενη αύξηση του παγκόσµιου πληθυσµού. Ιδιαίτερα τα τελευταία 50 χρόνια ο ρυθµός αύξησης είναι ασύλληπτος και παρατηρείται κυρίως στις αναπτυσσόµενες χώρες. Ο παγκόσµιος πληθυσµός αναµένεται να αυξηθεί περεταίρω παρ όλες τις προσπάθειες για έλεγχο των γεννήσεων σε αναπτυσσόµενες χώρες όπως η Κίνα. Η µελλοντική αύξηση βέβαια αναµένεται να πραγµατοποιηθεί µε χαµηλότερο ρυθµό σε σχέση µε το ρυθµό αύξησης των τελευταίων χρόνων. Σύµφωνα µε την παγκόσµια τράπεζα ο 15

17 πληθυσµός της γης το 2020 θα ανέρχεται περίπου σε 7 δισεκατοµµύρια άτοµα. Στην ίδια πηγή αναφέρεται ότι η µεγαλύτερη αύξηση πληθυσµού αναµένεται να συµβεί στην αφρικανική και στην ασιατική ήπειρο σε ποσοστά 30% και 58% αντίστοιχα της συνολικής αύξησης. Στη µεν Ασία η αύξηση θα προκληθεί λόγω της ήδη υπάρχουσας µεγάλης πληθυσµιακής βάσης ενώ στην Αφρική λόγω του υψηλού ποσοστού γονιµότητας. Πληθυσμός x Συνολικός πληθυσμός στις βιομηχανικές και στις αναπτυσσόμενες χώρες Αναπτυσσόμενες Χώρες Βιομηχανικές Χώρες Εικόνα 1.4-Συνολικός πληθυσμός στις βιομηχανικές και στις αναπτυσσόμενες χώρες, [4] Από τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι η παγκόσµια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας θα συνεχίσει να αυξάνεται, ακολουθώντας τους ρυθµούς αύξησης του πληθυσµού της γης και τη σχετική βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των κατοίκων της. Η παγκόσµια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας εκτιµάται ότι το 2020 θα είναι κατά 50% υψηλότερη σε σχέση µε αυτή στις αρχές του 21 ου αιώνα, εξυπηρετώντας την παγκόσµια ζήτηση ενέργειας η οποία εκτιµάται κατά 65% µεγαλύτερη σε σχέση µε το ιεθνώς συνεχίζεται η αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας καθώς επίσης και της ενέργειας που καταναλώνεται στον τοµέα των µεταφορών ο οποίος αναπτύσσεται και θα συνεχίσει να αναπτύσσεται έντονα. 16

18 1.3 Κατανάλωση ενέργειας και µεταφορές[5],[6],[7] Σύµφωνα µε έκθεση του Οργανισµού για την Οικονοµική Συνεργασία & Ανάπτυξη (ΟΟΣΑ) για το έτος 2008 ο τοµέας των µεταφορών απορροφά το µεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας, σε σχέση µε τις υπόλοιπες δραστηριότητες. Το ποσοστό αυτό ανέρχεται περίπου στο 37% της παγκόσµιας πρωτογενούς ενέργειας και ευθύνεται σε πολύ µεγάλο βαθµό για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Οι χώρες που ανήκουν στον (ΟΟΣΑ), στις οποίες συγκαταλέγεται και η Ελλάδα, απορροφούν συνολικά περισσότερο από το 75% της παγκόσµιας κατανάλωσης, η οποία ανέρχεται σε 1,75 Gtoe*. Συγκεκριµένα οι Ηνωµένες Πολιτείες, η Ευρωπαική Ένωση και η Ιαπωνία καταναλώνουν το 55% οικιακός τομέας 18,1% εμπορικος τομέας 16,1% Βιομηχανία 28,9% Μεταφορές 36,9% Εικόνα 1.5-Κατανομή της καταναλισκόμενης ενέργειας ανά τομέα για το έτος 2008,[5] Σύµφωνα µε την ίδια έκθεση οι χερσαίες µεταφορές παίζουν τον κυρίαρχο ρόλο αφού αποτελούν το 81% των συνολικών µεταφορών. Από αυτές το 51% αφορά µεταφορές για ιδιωτικούς σκοπούς ενώ το 30% εµπορικούς. Στα τελευταία 25 χρόνια ο αριθµός των οχηµάτων στις χώρες του ΟΟΣΑ διπλασιάστηκε και αποτελεί το 80% του παγκόσµιου. Σήµερα υπάρχουν καταγεγραµµένα παγκοσµίως περισσότερα από 600 εκατοµµύρια επιβατικά αυτοκίνητα ιδιωτικής χρήσης και 210 εκατοµµύρια ελαφριά φορτηγά. Εικόνα 1.6-Συμμετοχή των χερσαίων μεταφορών στην κατανάλωση ενέργειας,[3] εδοµένης της οικονοµικής ανάπτυξης χωρών όπως η Κίνα και η Ινδία, ραγδαία αύξηση στη ζήτηση των οδικών µεταφορών αναµένεται για τον 21 ο αιώνα. Στην Κίνα ήδη, τα τελευταία χρόνια, η παραγωγή οχηµάτων αυξήθηκε κατά 900% και έφτασε τα 4,4 17

19 εκατοµµύρια οχήµατα το 2003, ισοδύναµο περίπου µε το 20% της ευρωπαϊκής παραγωγής. Η ιδιοκτησία οχηµάτων βέβαια παραµένει στα 10 οχήµατα ανά 1000 κατοίκους, ενώ στις ΗΠΑ η τιµή αυτή είναι 775 οχήµατα ανά 1000 κατοίκους και στις Ευρωπαϊκή Ένωση και Ιαπωνία 500. Υπολογίζεται όµως ότι µέχρι το 2030 ο παγκόσµιος αριθµός οχηµάτων θα διπλασιαστεί και θα ξεπεράσει τα 1,3 δισεκατοµµύρια οχήµατα. Κατ αντιστοιχία η παγκόσµια ζήτηση ενέργειας για τις µεταφορές θα αγγίξει τα 3,2 Gtoe*, µε το πετρέλαιο να καλύπτει το 95% αυτής της ζήτησης, γεγονός που συνεπάγεται τεράστια αύξηση εκποµπών διοξειδίου του άνθρακα. * Gigatons of Oil Equivalent(Gtoe):Ο τόνος ισοδύναµου πετρελαίου (ΤΙΠ) είναι µια µονάδα ενέργειας: το ποσό της ενέργειας που εκλύεται από την καύση ενός τόνου αργού πετρελαίου. Ισοδυναµεί περίπου µε 42 GJ. 1.4 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις[8],[16] Όπως ήδη αναφέρθηκε, το µεγαλύτερο µέρος της σηµερινής παραγόµενης ενέργειας προέρχεται από ορυκτά καύσιµα. Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται µια αυξανόµενη ανησυχία όσον αφορά τη σχέση των ορυκτών καυσίµων µε τη µόλυνση του περιβάλλοντος. Σύµφωνα µε τους ειδικούς, η διαδικασία της µετατροπής των ορυκτών καυσίµων σε ενέργεια παράγει ένα πλήθος από επικίνδυνες ουσίες, οι οποίες ευθύνονται για την µόλυνση του αέρα και των υδάτων, για την επιβάρυνση του φαινοµένου του θερµοκηπίου, για την συσσώρευση στερεών αποβλήτων, για πλήθος ανθρώπινων ασθενειών αλλά και για πολλά άλλα περιβαλλοντικά προβλήµατα. Αξιοσηµείωτο είναι ότι κάποιες από τις επιβλαβείς συνέπειες της καύσης των ορυκτών καυσίµων δεν µπορούν να γίνουν άµεσα αντιληπτές. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι η απώλεια µορφών της υδρόβιας ζωής η οποία γίνεται αντιληπτή εκ των υστέρων. Στη συνέχεια παρατίθενται µερικές από τις βλαβερότερες ουσίες που απελευθερώνονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίµων. ιοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ): Το διοξείδιο του άνθρακα θεωρείται ως ο κυρίαρχος παράγοντας που συµβάλλει στην υπερθέρµανση του πλανήτη. Η επίδραση της αύξησης της θερµοκρασίας του πλανήτη στο περιβάλλον είναι σηµαντική και επηρεάζει αρκετές περιοχές. Για παράδειγµα, στην Ανταρκτική υψηλότερες θερµοκρασίες ενδέχεται να συµβάλλουν στο λιώσιµο των πάγων το οποίο θα έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση της στάθµης της θάλασσας. Το γεγονός αυτό ενδέχεται να οδηγήσει στην κάλυψη µεγάλων εκτάσεων παράκτιων περιοχών µε ό,τι αυτό συνεπάγεται από κοινωνικής και οικονοµικής άποψης. Οξείδια του αζώτου(no x ): Κατά την καύση του άνθρακα παράγονται οξείδια του αζώτου, τα οποία παραµένουν στην ατµόσφαιρα για µεγάλο χρονικό διάστηµα. Οι βλαβερές επιπτώσεις αυτού του χηµικού στοιχείου λέγεται ότι θα µπορούσε να πάρει µέχρι και διακόσια χρόνια για να καταστούν γνωστές. Έτσι λοιπόν είναι εύκολο να αντιληφθεί κανείς ότι είναι πολύ δύσκολο να ληφθούν µέτρα πρόληψης ή να εξαλειφθούν οι επιβλαβείς επιπτώσεις ενός γεγονότος όταν δεν τις γνωρίζουµε καν. Μοναδική λύση λοιπόν είναι να µειωθεί η παραγωγή οξειδίων του αζώτου. Σχεδόν το Διπλωματική Εργασία 18

20 50% των οξειδίων του αζώτου στην ατµόσφαιρα είναι το άµεσο αποτέλεσµα των ουσιών που απελευθερώνονται κατά την καύση του άνθρακα. ιοξειδίου του θείου(so 2 ): Υπολογίζεται ότι το 70% του διοξειδίου του θείου που απελευθερώνεται στην ατµόσφαιρα προέρχεται από την καύση γαιανθράκων και πετρελαίου. Η χηµική αυτή ουσία ευθύνεται σε µεγάλο βαθµό για τη δηµιουργία του φαινοµένου της όξινης βροχής. Η τελευταία έχει έντονες επιπτώσεις στα φυσικά οικοσυστήµατα (δάση, υδροβιότοπους, έδαφος), απειλώντας άµεσα ή έµµεσα διάφορες µορφές ζωής και κρίνεται ιδιαίτερα επιβλαβής για την ανθρώπινη υγεία. Η ίδια ουσία ευθύνεται τέλος για τη διάβρωση των ιστορικών µνηµείων. Στερεά απόβλητα: Κατά τη διαδικασία µετατροπής των ορυκτών καυσίµων σε ενέργεια, παρατηρείται επίσης συσσώρευση στερεών αποβλήτων. Όσον αφορά την οικονοµική πλευρά του προβλήµατος η διαχείριση των αποβλήτων απαιτεί χώρο αλλά και οικονοµικούς πόρους οι οποίοι αρκετές φορές είναι δύσκολο να διατεθούν. Η περιβαλλοντική πτυχή του προβλήµατος όµως είναι πολύ πιο σηµαντική καθώς γύρω από τον τόπο εναπόθεσης αυτών των αποβλήτων παρουσιάζεται αυξηµένος κίνδυνος τοξικών διαρροών που µπορούν να δηλητηριάσουν τα επιφανειακά αλλά και τα υπόγεια ύδατα σε µεγάλη ακτίνα. Ενδεικτικά αναφέρονται στη συνέχεια κάποια από τα πολύ σοβαρά προβλήµατα τα οποία έχουν οδηγήσει στην ευαισθητοποίηση λαών και κυβερνήσεων όσον αφορά το οικολογικό πρόβληµα. Στα σηµαντικότερα προβλήµατα που προκαλούνται από την χρήση των ορυκτών καυσίµων συγκαταλέγεται ο σχηµατισµός νέφους. Εκτός του γεγονότος ότι το νέφος ευθύνεται για αρκετές ασθένειες του ανθρώπινου αναπνευστικού συστήµατος, µπορεί επίσης να επηρεάσει τη βιωσιµότητα των καλλιεργειών. Το νέφος διεισδύει στο προστατευτικό στρώµα των φύλλων και καταστρέφει βασικές κυτταρικές µεµβράνες. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε µικρότερες και πιο αδύναµες καλλιέργειες χαµηλής απόδοσης, καθώς τα φυτά αναγκάζονται να επικεντρωθούν στην εσωτερική τους επανόρθωση και δεν ευδοκιµούν. εν θα πρέπει ακόµη να παραβλεφθεί το γεγονός ότι κατά τη µεταφορά των ορυκτών καυσίµων συµβαίνουν ατυχήµατα τα οποία ενδέχεται να οδηγήσουν σε οικολογικές καταστροφές. Κλασσικά παραδείγµατα είναι αφενός η βύθιση δεξαµενόπλοιων µεταφοράς πετρελαίου, η οποία έχει ως αποτέλεσµα το σχηµατισµό πετρελαιοκηλίδων και αφετέρου οι διαρροές από αγωγούς µεταφοράς πετρελαίου. Επίσης τεράστιες ζηµιές στα υδάτινα υπόγεια ρεύµατα µπορούν να αποδοθούν στην εξόρυξη άνθρακα. Η τελευταία είναι πολύ πιθανό να είναι η µεγαλύτερη πηγή µόλυνσης του νερού σήµερα. Διπλωματική Εργασία 19

21 1.5 Προσπάθειες για µείωση των ρύπων στον τοµέα των µεταφορών[9] Όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 2.3 ο τοµέας των µεταφορών απορροφά το µεγαλύτερο ποσοστό ενέργειας. Είναι γεγονός όµως ότι δεν νοείται µια επιβολή µείωσης της δραστηριότητας στον τοµέα των µεταφορών, µε σκοπό τη µείωση της καταναλισκόµενης ενέργειας, αφού κάτι τέτοιο θα είχε σαν άµεση συνέπεια τη µείωση της παγκόσµιας οικονοµικής δραστηριότητας. Έτσι λοιπόν τα τελευταία χρόνια παρατηρούνται αξιόλογες προσπάθειες για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για τα µέσα µεταφοράς, µε σκοπό την επίτευξη της µείωσης της κατανάλωσης ενέργειας και άρα της εκποµπής ρυπογόνων ουσιών. Οι προσπάθειες αυτές περιλαµβάνουν συµφωνίες µεταξύ των κρατών και των αυτοκινητοβιοµηχανιών για µείωση των εκποµπών ρύπων από τα νέα οχήµατα, αλλά και συµφωνίες µε τις πετρελαιοβιοµηχανίες για βελτίωση της ποιότητας καυσίµων. Όσον αφορά την Ευρωπαϊκή Ένωση, οι πολιτικές της περιλαµβάνουν την συµφωνία, µεταξύ της Ένωσης Ευρωπαίων Κατασκευαστών Αυτοκινήτων (ACEA) και της Ευρωπαϊκής Επιτροπής, ώστε να περιοριστεί το ποσό του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) που εκπέµπεται από τα επιβατικά αυτοκίνητα που πωλούνται στην Ευρώπη. Η συµφωνία αυτή, υπεγράφη το 1998 και επέβαλε δεσµευτικό στόχο κατά µέσο όρο τα 140 γραµµάρια CO 2 /km έως το 2008, ποσό µειωµένο κατά 25% σε σχέση µε αυτό του Επειδή ο στόχος ήταν απίθανο να επιτευχθεί, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή δηµοσίευσε νέες προτάσεις τον Φεβρουάριο του 2007, µε τις οποίες τίθενται ως όριο τα 130 γραµµάρια CO 2 /km για τα καινούργια αυτοκίνητα έως το Επιπλέον συµπληρωµατικά µέτρα προτάθηκαν για την επίτευξη του στόχου των 120 γραµµαρίων CO 2 /km. Εικόνα 1.7-Εκπομπή γραμμαρίων CO2 ανά διανυθέν χιλιόμετρο,[9] Εκτός από τη συµφωνία µε την ACEA, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή συµφώνησε παρόµοιους δεσµευτικούς στόχους µε την Ιαπωνική (JAMA) και την Κορεατική Ένωση Κατασκευαστών Αυτοκινήτων (KAMA). Ωστόσο, στην ευρωπαϊκή αγορά το 86,4% των αυτοκινήτων προέρχεται από τις ευρωπαϊκές αυτοκινητοβιοµηχανίες, και έτσι αυτές οι συµφωνίες συνέβαλαν σε µικρό ποσοστό στη µείωση των ρύπων στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Ακόµη, όσον αφορά τον τοµέα των καυσίµων, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχει εκδώσει οδηγία σύµφωνα µε την οποία το 5,75% του συνόλου των ορυκτών καύσιµων για µεταφορές (βενζίνη και πετρέλαιο), θα πρέπει να αντικατασταθεί από βιοκαύσιµα έως τη 31 η εκεµβρίου 2010.Ενδιάµεσος στόχος τέθηκε το 2% µέχρι τα τέλη του Παρόλα αυτά η εναλλακτική των βιοκαυσίµων παρουσιάζει ορισµένα αρνητικά χαρακτηριστικά. Ως γνωστόν τα βιοκαύσιµα παράγονται από ορισµένα φυτά, συνήθως σιτάρι και καλαµπόκι. Το 20

22 πρόβληµα που ανακύπτει από την ανάπτυξη της εναλλακτικής αυτής είναι η σύγκρουση για την κάλυψη των αναγκών σε βιοκαύσιµα και την κάλυψη των αναγκών σε τρόφιµα. Τέλος τον Φεβρουάριο του 2007 η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρότεινε ότι, από το 2011, οι προµηθευτές ορυκτών καύσιµων θα πρέπει να βελτιώσουν την ποιότητα των καυσίµων, έτσι ώστε να µειώνονται οι εκποµπές διοξειδίου του άνθρακα ανά µονάδα ενέργειας κατά 1% ετησίως. Με αυτό το µέτρο εκτιµάται ότι έως το 2020 θα έχει επιτευχθεί µείωση της τάξης του 10%. 1.6 «Πράσινα» οχήµατα[10],[11],[12] Μετά την επιβολή των κρατικών µέτρων στις αυτοκινητοβιοµηχανίες µε σκοπό την µείωση των εκπεµπόµενων ρύπων από τα αυτοκίνητα, οι εταιρείες αυτές στράφηκαν στην ανάπτυξη των λεγόµενων «πράσινων» οχηµάτων. Τα φιλικά προς το περιβάλλον αυτοκίνητα είναι αδιαµφισβήτητα τα οχήµατα των µελλοντικών γενεών. Ωστόσο τέτοια αυτοκίνητα κυκλοφορούν ήδη και γίνονται όλο και πιο δηµοφιλή στη σύγχρονη αγορά αυτοκινήτων. Στα πλεονεκτήµατα των εν λόγω αυτοκινήτων δεν συγκαταλέγεται µόνο η ελαχιστοποίηση των ρύπων, αλλά και το χαµηλότερο κόστος καυσίµων. Ωστόσο το κόστος παραγωγής τους τα καθιστά απρόσιτα για το µέσο καταναλωτή, αλλά και ασύµφορα για τους κατασκευαστές αυτοκινήτων. ε θα πρέπει να παραβλεφθεί όµως το γεγονός ότι το αυξηµένο κόστος αγοράς των αυτοκινήτων αυτών αντισταθµίζεται κατά ένα µέρος από τη χαµηλότερη κατανάλωση καυσίµων σε σχέση µε τα συµβατικά αυτοκίνητα. Οι κυβερνήσεις αρκετών χωρών για να προσελκύσουν το ενδιαφέρον πιθανών αγοραστών για τα οχήµατα αυτά παρέχουν προνόµια (απαλλαγή από τα τέλη κυκλοφορίας, κυκλοφορία ανεξαρτήτως δακτυλίου κλπ.). Στη συνέχεια παρατίθενται οι κυριότεροι τύποι των λεγόµενων «πράσινων» οχηµάτων. 1. Αµιγώς ηλεκτρικά οχήµατα: Ως αµιγώς ηλεκτρικά οχήµατα θεωρούνται αυτά τα οποία για την κίνησή τους στηρίζονται αποκλειστικά σε ηλεκτρικούς κινητήρες. Η παρεχόµενη ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται είτε από το δίκτυο(η γνωστή σε όλους µας περίπτωση των Τραµ, Μετρό κτλ) είτε από µπαταρίες που βρίσκονται επί του οχήµατος(ηλεκτρικά αυτοκίνητα). Είναι γεγονός ότι τα οχήµατα αυτά εκπέµπουν µηδενικούς ρύπους κατά τη λειτουργία τους. Παρόλα αυτά, όταν η ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται στους κινητήρες αυτών των οχηµάτων έχει παραχθεί από πρωτογενείς πηγές ενέργειας στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, µπορεί κανείς να ισχυριστεί ότι αυτά τα οχήµατα συµβάλλουν µόνο στην µείωση των ρύπων των πόλεων. Στην περίπτωση βέβαια που η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας, τότε συνεπάγονται µηδενικές εκποµπές ρύπων. Στα αρνητικά αυτών των οχηµάτων προσµετρείται ακόµη το υψηλό κόστος και το πρόσθετο βάρος των συσσωρευτών που απαιτούνται για την αποθήκευση της ενέργειας, αλλά και η παρατεταµένη διάρκεια φόρτισης των µπαταριών σε σχέση µε το απλό γέµισµα του ρεζερβουάρ στα συµβατικά οχήµατα. Διπλωματική Εργασία 21

23 2. Ηλιακά οχήµατα: Το ηλιακό όχηµα έχει αρκετά κοινά στοιχεία µε το ηλεκτρικό µε ουσιώδη διαφορά ότι η απαιτούµενη ενέργεια παρέχεται από τον ήλιο. Με τη βοήθεια φωτοβολταϊκών (PV) στοιχείων τα οποία τοποθετούνται κατά κύριο λόγο στην οροφή του οχήµατος, η ηλιακή ενέργεια µετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική. υστυχώς η ενέργεια που παρέχεται στο όχηµα εξαρτάται άµεσα από τη διαθεσιµότητα της ηλιακής ακτινοβολίας, γεγονός το οποίο καθιστά τα ηλιακά οχήµατα ιδιαίτερα αναξιόπιστα ως προς την αυτονοµία τους. Μελλοντικά δεν αναµένεται να παίξουν κάποιο σοβαρό ρόλο στην αγορά του αυτοκινήτου, θεωρείται όµως σχεδόν βέβαιο ότι στα αυτοκίνητα του µέλλοντος ορισµένες ενεργειακές απαιτήσεις, όπως ο κλιµατισµός, θα καλύπτονται από ηλεκτρική ενέργεια, η οποία θα παράγεται από φωτοβολταϊκά στοιχεία. 3. Οχήµατα Υδρογόνου: Tα οχήµατα αυτά χρησιµοποιούν ως κύρια πηγή ενέργειας το υδρογόνο και κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες: 3.1. Μηχανή εσωτερικής καύσης υδρογόνου: Οι κινητήρες αυτοί χρησιµοποιούν το υδρογόνο ως καύσιµο µε τον ίδιο τρόπο που οι συµβατικοί βενζινοκινητήρες χρησιµοποιούν την βενζίνη. Η απόδοση τους όµως είναι περίπου διπλάσια σε σχέση µε τους συµβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης. Κατά καιρούς έχουν κατασκευασθεί διάφορα µοντέλα αυτοκινήτων που χρησιµοποιούν την συγκεκριµένη τεχνολογία κυρίως από την Mazda και την BMW. Ο λόγος που αυτός ο τύπος οχηµάτων δεν ενδέχεται να διαδραµατίσει σηµαντικό ρόλο στην αγορά του µέλλοντος είναι ότι η καύση του µίγµατος υδρογόνου και αέρα παράγει οξείδια του αζώτου(no x ) Fuel cells: Σύµφωνα µε την τεχνολογία αυτή κατά την χηµική ένωση υδρογόνου και οξυγόνου παράγεται ηλεκτρισµός και νερό. Η χηµική αντίδραση αυτή πραγµατοποιείται µέσα στις λεγόµενες ενεργειακές κυψέλες(fuel cells). Η παραγόµενη ηλεκτρική ενέργεια χρησιµοποιείται για την λειτουργία ενός ηλεκτρικού κινητήρα όπως ακριβώς συµβαίνει και σε ένα αµιγώς ηλεκτροκίνητο όχηµα όπου εκεί όµως η ηλεκτρική ενέργεια διοχετεύεται από τις µπαταρίες. Η τεχνολογία αυτή συνεπάγεται µηδενικούς ρύπους και για το λόγο αυτό αναµένεται ότι µελλοντικά τα οχήµατα µε fuel cells θα κυριαρχήσουν. 4. Υβριδικά οχήµατα: Υβριδικά ονοµάζονται τα οχήµατα αυτά τα οποία συνδυάζουν περισσότερες της µίας πηγές ενέργειας. Αυτός ο τύπος οχηµάτων αποτελεί το αντικείµενο της παρούσας διπλωµατικής εργασίας και παρουσιάζεται λεπτοµερώς στις ενότητες που ακολουθούν. Πρέπει να τονιστεί για ακόµη µία φορά ότι ως επικρατέστερη τεχνολογία για τα αυτοκίνητα του µέλλοντος θεωρείται αυτή των fuel cells. Κατά τη διάρκεια όµως της µεταβατικής φάσης όπου η τεχνολογία των fuel cells δεν έχει ακόµη τελειοποιηθεί και ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται η ευαισθητοποίηση του πληθυσµού και των κυβερνήσεων για εξοικονόµηση ενέργειας στις µεταφορές, βέλτιστη λύση αποτελούν τα υβριδικά αυτοκίνητα. Προς αυτή την κατεύθυνση συνηγορεί ακόµη το γεγονός ότι την παρούσα χρονική περίοδο Διπλωματική Εργασία 22

24 τα συµφέροντα του συµπλέγµατος των πετρελαϊκών εταιριών-αυτοκινητοβιοµηχανιών είναι εξαιρετικά µεγάλα για να επιτρέψουν την ανεµπόδιστη τεχνολογική και εµπορική εξέλιξη οποιουδήποτε είδους αυτοκινήτου, το οποίο έχει µηδενική εξάρτηση από το πετρέλαιο. Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί η περίπτωση του ηλεκτρικού αυτοκινήτου EV1, όπου λόγω συµφερόντων δεν εγκρίθηκε η εµπορική του ανάπτυξη. Σύµφωνα µε την ετήσια έκθεση ενέργειας του αµερικανικού υπουργείου ενέργειας για το 2003, όσον αφορά την αµερικανική αγορά το 2025 τα πράσινα αυτοκίνητα θα αποτελούν το 21% του συνόλου. Το ποσοστό αυτό αντιστοιχεί σε 3,9 εκατοµµύρια αυτοκίνητα. Υπολογίζεται ότι περίπου 1,7 εκατοµµύρια θα είναι τα υβριδικά αυτοκίνητα, ενώ τα αυτοκίνητα τεχνολογίας fuel cells θα περιορίζονται σε µερικές χιλιάδες. Ιδιαίτερα µικρό αριθµό θα αποτελούν και τα αµιγώς ηλεκτρικά οχήµατα. Υπολογίσιµος θα είναι τέλος και ο αριθµός των οχηµάτων που καταναλώνουν αιθανόλη ή βελτιωµένες µορφές ορυκτών καυσίµων. Εικόνα 1.8-Πρόβλεψη αριθμού πράσινων οχημάτων ανά τύπο (σε χιλιάδες οχήματα), [11] 23

25 1.7 Κατηγορίες υβριδικών συστηµάτων Ανάλογα µε την πηγή της ενέργειας που χρησιµοποιείται σε κάποιο σύστηµα σε συνδυασµό µε έναν συµβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης, µπορούµε να διακρίνουµε τις εξής τέσσερις κατηγορίες υβριδικών συστηµάτων Υδραυλικό υβριδικό σύστηµα[13],[14] Η υδραυλική υβριδική τεχνολογία αναπτύχθηκε από την εταιρεία Volvo Flygmotor και χρησιµοποιήθηκε πειραµατικά σε λεωφορεία από τις αρχές του 1980 και ερευνητικά παραµένει ακόµα µια ενεργή περιοχή. Η αρχική ιδέα είχε να κάνει µε έναν τεράστιο σφόνδυλο για αποθήκευση ενέργειας συνδεδεµένο σε ένα υδροστατικό κιβώτιο, αλλά αργότερα µετατράπηκε σε απλούστερο σύστηµα κάνοντας χρήση ενός υδραυλικού συσσωρευτή συνδεδεµένου σε µια υδραυλική αντλία. Ένα από τα χρησιµοποιούµενα υδραυλικά συστήµατα σε υβριδικά οχήµατα είναι το λεγόµενο Υδραυλικό Βοηθητικό Σύστηµα Προώθησης (Hydraulic Launch Assist) της εταιρίας Eaton. Το υδραυλικό αυτό σύστηµα χρησιµοποιεί σύστηµα ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισµα. Σε αντίθεση µε τα υβριδικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τα οποία χρησιµοποιούν σύστηµα ανάκτησης ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας την οποία την αποθηκεύουν σε µια συστοιχία µπαταριών για χρήση από τον ηλεκτροκινητήρα, το υδραυλικό υβριδικό σύστηµα ανακτά την ενέργεια στη µορφή πεπιεσµένου υδραυλικού ρευστού. Το HLA σύστηµα κάνει χρήση ενός αναστρέψιµου κινητήρα/αντλίας που είναι συνδεδεµένος στον άξονα µετάδοσης κίνησης µέσω ενός συµπλέκτη και δυο συσσωρευτών. Όταν ο οδηγός πατάει το φρένο, η αντλία ωθεί το υδραυλικό ρευστό από έναν συσσωρευτή χαµηλής πίεσης σε έναν υψηλής πίεσης, αυξάνοντας την πίεση του αερίου αζώτου στα 5000 psi*. Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, το σύστηµα HLA αλλάζει από τη λειτουργία της αντλίας στη λειτουργία του κινητήρα. Το αέριο άζωτο ωθεί το υδραυλικό ρευστό πίσω στον συσσωρευτή χαµηλής πίεσης και ο κινητήρας εφαρµόζει ροπή στον άξονα µετάδοσης κίνησης διαµέσου του συµπλέκτη. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε σηµαντική µείωση της κατανάλωσης καυσίµου και σε βελτιωµένη επιτάχυνση χάρη στη µεγάλη ισχύ των υδραυλικών συστηµάτων. Εικόνα 1.9-Διάταξη υδραυλικού υβριδικού οχήματος,[13] * psi: Μονάδα µέτρησης της πίεσης. 1 bar = x psi 24

26 Τα κύρια πλεονεκτήµατα των υδραυλικών υβριδικών συστηµάτων είναι τα εξής: Το υδραυλικό σύστηµα ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισµα θεωρείται αποδοτικότερο από το αντίστοιχο σύστηµα των ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων καθώς αποθηκεύεται περίπου το 80% της ενέργειας του φρεναρίσµατος. Ο υδραυλικός συσσωρευτής, ο οποίος χρησιµοποιείται για την αποθήκευση της ενέργειας, είναι φτηνότερος και έχει µεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τις µπαταρίες Πνευµατικό υβριδικό σύστηµα[15] Ένα πνευµατικό σύστηµα αποτελείται από ένα κινητήρα ο οποίος για τη λειτουργία του απαιτεί πεπιεσµένο αέρα. Ο πεπιεσµένος αέρας χρησιµοποιείται για την κίνηση των εµβόλων µε σκοπό τη δηµιουργία κίνησης όπως ακριβώς συµβαίνει και σε ένα κινητήρα εσωτερικής καύσης. Το πνευµατικό σύστηµα µπορεί να λειτουργήσει σε συνδυασµό µε ένα βενζινοκινητήρα ή µε ένα ηλεκτροκινητήρα. Πρόσφατα η εταιρία Energine παρουσίασε ένα µοντέλο που κινείται µε πεπιεσµένο αέρα. Το όχηµα αυτό περιλαµβάνει ένα κινητήρα πεπιεσµένου αέρα και έναν ηλεκτροκινητήρα. Η λειτουργία του περιγράφεται στη συνέχεια: Κατά την εκκίνηση του οχήµατος ο πεπιεσµένος αέρας, ο οποίος είναι αποθηκευµένος στο δοχείο αέρα υψηλής πίεσης, οδηγεί τα έµβολα και έτσι µεταφέρεται η κίνηση στους τροχούς. Ο ηλεκτροκινητήρας µπαίνει σε λειτουργία όταν το όχηµα έχει αποκτήσει σταθερή ταχύτητα και η ζήτηση ροπής είναι µικρή. Σε περίπτωση επιτάχυνσης συµµετέχουν και οι δύο κινητήρες για να επιτευχθεί η απαιτούµενη ζήτηση ροπής. Κατά την επιβράδυνση δεν παρατηρείται απώλεια ενέργειας όπως στα συµβατικά οχήµατα αφού κατά τη φάση αυτή η µηχανή αέρα παίζει το ρόλο του συµπιεστή αέρα µετατρέποντας την κινητική ενέργεια των τροχών σε ενέργεια πεπιεσµένου αέρα και αποθηκεύοντας τη στο δοχείο υψηλής πίεσης για µελλοντική χρήση. Εικόνα 1.10-Διάταξη μηχανών πνευματικού υβριδικού οχήματος- Μοντέλο PHEV της Energine,[15] 25

27 1.7.3 Μηχανικό υβριδικό σύστηµα[14],[13] Η ανάπτυξη των συστηµάτων αυτών βασίστηκε στην εξής απλή ιδέα: Όσο λιγότερες µετατροπές γίνονται για την αποθήκευση της ενέργειας, τόσο µικρότερες είναι οι απώλειες. Έτσι λοιπόν σε ένα υβριδικό όχηµα όταν κατά την επιβράδυνση είναι επιθυµητή η αποθήκευση της κινητικής ενέργειας των τροχών, µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα µηχανικό στοιχείο το οποίο ονοµάζεται σφόνδυλος(flywheel). Πρόκειται για µια περιστρεφόµενη µάζα στην οποία αποθηκεύεται κινητική ενέργεια. Το σύστηµα αυτό λειτουργεί ως εξής: Κατά την επιβράδυνση του οχήµατος οι τροχοί συνδέονται µε τον σφόνδυλο µέσω ενός κιβωτίου ταχυτήτων συνεχώς µεταβαλλόµενων σχέσεων(cvt) και έτσι επιτυγχάνεται η αποθήκευση της κινητικής ενέργειας των τροχών. Κατά την επιτάχυνση του οχήµατος η ενέργεια αυτή µεταφέρεται από τον σφόνδυλο και πάλι στους τροχούς υποβοηθώντας την κύρια πηγή ενέργειας (βενζινοκινητήρας, ηλεκτροκινητήρας ) στην επίτευξη της επιθυµητής επιτάχυνσης. Τη δεκαετία του 1950 κατασκευάστηκαν λεωφορεία που χρησιµοποιούσαν την παραπάνω τεχνολογία, τα οποία είναι γνωστά ως gyrobuses. Από τότε έχουν γίνει αρκετές ερευνητικές προσπάθειες για συστήµατα µε σφονδύλους τα οποία να είναι µικρότερα, ελαφρύτερα, φθηνότερα, και τέλος µεγαλύτερης χωρητικότητας. Παρόλα τα συστήµατα αυτά παρουσιάζουν αρκετά µειονεκτήµατα, εκ των οποίων το σηµαντικότερο είναι το επιπλέον βάρος που προσθέτουν στο όχηµα. Εικόνα 1.11-Υβριδικό όχημα με σύστημα σφονδύλου,[14] 26

28 1.7.4 Ηλεκτρικό υβριδικό σύστηµα[18],[17] Όπως µπορούν να καταταχθούν τα συµβατικά αυτοκίνητα σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα µε την τεχνολογία που χρησιµοποιούν, το ίδιο ισχύει και για τα υβριδικά οχήµατα. Η σηµαντικότερη διάκριση των ηλεκτρικών υβριδικών αυτοκινήτων γίνεται εξετάζοντας τον τρόπο µε τον οποίο συνδέονται ο συµβατικός βενζινοκινητήρας και ο ηλεκτροκινητήρας. Μπορούν να διακριθούν συνολικά τέσσερις κατηγορίες : α)σύνδεση σε σειρά, β)παράλληλη σύνδεση, γ)σύνδεση σειρά παράλληλα και τέλος δ)ανεξάρτητη λειτουργία κινητήρων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται λεπτοµερώς οι προαναφερθείσες διατάξεις ιατάξεις ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων[18],[14] α)σειριακή διάταξη Εικόνα 1.12-Σειριακή διάταξη υβριδικού οχήματος,[18] Σε ένα υβριδικό ηλεκτρικό όχηµα σειριακής διάταξης, η κίνηση στους τροχούς παρέχεται αποκλειστικά από τον ηλεκτροκινητήρα. Η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία του παρέχεται είτε από µια συστοιχία µπαταριών είτε από ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος το οποίο αποτελείται από ένα βενζινοκινητήρα και µία ηλεκτρική γεννήτρια. Ανάλογα µε τις συνθήκες κίνησης, επιλέγεται από έναν µικροελεγκτή το κατά πόσον η παρεχόµενη ενέργεια στον ηλεκτροκινητήρα τροφοδοτείται από το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος από τη συστοιχία µπαταριών ή και από τις δύο πηγές ενέργειας. Οι µπαταρίες σε ένα υβριδικό όχηµα σειριακής διάταξης φορτίζονται είτε από το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος είτε κατά τη διάρκεια του φρεναρίσµατος όπου ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια. ιακρίνονται τρεις φάσεις λειτουργίας : Εκκίνηση-Κίνηση µε χαµηλή ταχύτητα : Κατά τη φάση αυτή οι απαιτούµενη ηλεκτρική ενέργεια παρέχεται αποκλειστικά από τις µπαταρίες ενώ ο κινητήρας εσωτερικής καύσης παραµένει σβηστός, γεγονός που συνεπάγεται µηδενικούς ρύπους. Επιτάχυνση- Κίνηση µε υψηλή ταχύτητα : Κατά τη φάση αυτή ο ηλεκτροκινητήρας δέχεται όλη την ενέργεια του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους αλλά και από τις µπαταρίες για να ανταπεξέλθει στην αυξηµένη ζήτηση ροπής. Επιβράδυνση : Κατά τη φάση αυτή ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια (ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα) φορτίζοντας τις µπαταρίες. 27

29 Ως πλεονέκτηµα της σειριακής διάταξης συχνά αναφέρεται ότι είναι η απλούστερη δυνατή υβριδική διάταξη αφού ο ηλεκτροκινητήρας οδηγεί απευθείας τους τροχούς χωρίς να απαιτείται συµπλέκτης ή κάποιο περίπλοκο σύστηµα µετάδοσης. Αυτό συµβαίνει γιατί ο ηλεκτροκινητήρας µπορεί µε κατάλληλο έλεγχο να αποδώσει ικανοποιητικά ποσά ροπής σε µεγάλο εύρος στροφών. Παράλληλα το γεγονός ότι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν συνδέεται µε τους τροχούς αποτελεί πλεονέκτηµα για τρείς λόγους : 1. µπορεί να λειτουργεί συνεχώς στο βέλτιστο σηµείο λειτουργίας του, 2. είναι εφικτή µια καλύτερη χωροταξική διάταξη των µηχανών και των µπαταριών, 3. µπορεί να αντικατασταθεί από άλλους κινητήρες εσωτερικής καύσης (π.χ κινητήρας Atkinson) ή από ατµοστρόβιλο. Κυρίαρχο µειονέκτηµα της διάταξης αυτής είναι οι σηµαντικές απώλειες ισχύος λόγω των πολλών µετατροπών ενέργειας που απαιτούνται, αφού η χηµική ενέργεια των ορυκτών καυσίµων µετατρέπεται σε κινητική στο βενζινοκινητήρα, στη συνέχεια µετατρέπεται σε ηλεκτρική στην ηλεκτρική γεννήτρια για να µετατραπεί εκ νέου σε κινητική στον ηλεκτροκινητήρα µε σκοπό την κίνηση των τροχών. Ακόµη, για να επιτευχθεί µείωση της κατανάλωσης καυσίµων χρησιµοποιούνται µικρότεροι κινητήρες εσωτερικής καύσης γεγονός που συνεπάγεται αύξηση του µεγέθους των µπαταριών και των ηλεκτροκινητήρων. Για την ίδια αποδιδόµενη ισχύ όµως οι συστοιχίες µπαταριών και οι ηλεκτροκινητήρες είναι ακριβότεροι από τους βενζινοκινητήρες γεγονός που οδηγεί σε αυξηµένο κόστος των υβριδικών οχηµάτων σειριακής διάταξης. Λόγω των λειτουργικών της χαρακτηριστικών, η σειριακή διάταξη πλεονεκτεί στα υβριδικά οχήµατα που προορίζονται για αστικές µετακινήσεις όπου λόγω των επαναλαµβανόµενων επιβραδύνσεων η στάθµη φόρτισης των µπαταριών διατηρείται σε υψηλά επίπεδα και έτσι απαιτείται µικρή χρήση του συµβατικού κινητήρα, άρα και µικρότερη εκποµπή ρύπων. Σε οχήµατα όµως που προορίζονται για οδηγικές συνθήκες αυτοκινητοδρόµων, δηλαδή µεγάλες ταχύτητες για µεγάλα χρονικά διαστήµατα η σειριακή διάταξη δεν αποτελεί την καλύτερη δυνατή λύση αφού απαιτείται ασύµφορη αύξηση του µεγέθους των µπαταριών αλλά και αύξηση των δυνατοτήτων του βενζινοκινητήρα αφού σε περίπτωση εξάντλησης της αποθηκευµένης ενέργειας στις µπαταρίες θα πρέπει να αναλάβει εξολοκλήρου την τροφοδότηση ηλεκτρικής ενέργειας στον ηλεκτροκινητήρα. Διπλωματική Εργασία 28

30 β)παράλληλη διάταξη Εικόνα 1.13-Παράλληλη διάταξη υβριδικού οχήματος,[18] Σε ένα υβριδικό ηλεκτρικό όχηµα παράλληλης διάταξης αφενός ο κινητήρας εσωτερικής καύσης και αφετέρου ο ηλεκτροκινητήρας συµβάλλουν στην κίνηση των τροχών. Γι αυτό το λόγο αυτά τα υβριδικά απαιτούν περιπλοκότερες µηχανικές συνδέσεις σε σχέση µε τα υβριδικά σειριακής διάταξης. Ακόµη ένα σύστηµα µετάδοσης είναι απαραίτητο αφού η µηχανή εσωτερική καύσης συνδέεται απευθείας στους τροχούς. Και σε αυτή την κατηγορία διακρίνονται τρείς γενικές φάσεις λειτουργίας : Εκκίνηση-Κίνηση µε χαµηλή ταχύτητα : Κατά τη φάση αυτή ο ηλεκτροκινητήρας αναλαµβάνει εξολοκλήρου την κίνηση του οχήµατος τροφοδοτούµενος µε ηλεκτρική ενέργεια από τις µπαταρίες ενώ ο κινητήρας εσωτερικής καύσης παραµένει σβηστός, γεγονός που συνεπάγεται µηδενικούς ρύπους.(απαραίτητη προϋπόθεση βεβαίως είναι η υψηλή στάθµη φόρτισης των µπαταριών. Η προϋπόθεση αυτή συνήθως πληρείται σε οδηγικές συνθήκες πόλης λόγω των υψηλών ποσοστών ενέργειας που ανακτώνται από τα συχνά φρεναρίσµατα.) Επιτάχυνση- Κίνηση µε υψηλή ταχύτητα : Κατά τη φάση αυτή ο κινητήρας εσωτερικής καύσης λειτουργεί στο σηµείο βέλτιστης απόδοσης ενώ ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί επικουρικά καλύπτοντας την επιπλέον ζήτηση ροπής. Επιβράδυνση : Κατά τη φάση αυτή, ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια (ανάκτηση ενέργειας κατά το φρενάρισµα) φορτίζοντας τις µπαταρίες. Είναι προφανές λοιπόν ότι απαιτείται µια σύνδεση του κινητήρα εσωτερικής καύσης, του ηλεκτροκινητήρα και του συστήµατος µετάδοσης. Τέλος επειδή πρέπει να υπάρχει µία συνεργασία όλων των παραπάνω στοιχείων, ο έλεγχος που απαιτείται είναι αρκετά περίπλοκος. Οι µπαταρίες των παράλληλων υβριδικών µπορούν να φορτιστούν όπως ακριβώς και των σειριακών κατά τη διάρκεια του φρεναρίσµατος(ανάκτηση ενέργειας). Καθώς όµως χρησιµοποιούν µικρότερες συστοιχίες µπαταριών, το µεγαλύτερο ποσοστό της αποθηκευόµενης ενέργειας προέρχεται από την ανάκτηση ενέργειας κατά την επιβράδυνση του οχήµατος. Φυσικά ο κινητήρας εσωτερικής καύσης µπορεί να οδηγήσει την ηλεκτρική µηχανή η οποία λειτουργεί πια σαν γεννήτρια µε σκοπό την φόρτιση των µπαταριών. 29

31 Τα υβριδικά οχήµατα παράλληλης διάταξης χρησιµοποιούν µικρότερους κινητήρες εσωτερικής καύσης σε σχέση µε τα συµβατικά οχήµατα, χρησιµοποιούν όµως κατά κανόνα µεγαλύτερους σε σχέση µε τα υβριδικά σειριακής διάταξης. Οι ηλεκτροκινητήρες και οι συστοιχίες των µπαταριών που χρησιµοποιούνται στα παράλληλα υβριδικά είναι µικρότερου µεγέθους, και έτσι το κόστος τους παραµένει σε χαµηλότερα επίπεδα σε σχέση µε αυτό των σειριακών. Καθώς όµως το κόστος των µπαταριών και των ηλεκτροκινητήρων θα µειώνεται, το παραπάνω πλεονέκτηµα των παράλληλων υβριδικών έναντι των σειριακών θα εξαλειφθεί αφού το κόστος της µετάδοσης, η οποία απαιτείται στα οχήµατα αυτά, αλλά και το κόστος του ελαφρώς µεγαλύτερου κινητήρα εσωτερικής καύσης θα παραµείνει σταθερό. Κατά την κίνηση σε συνθήκες αυτοκινητοδρόµου, τα παράλληλα υβριδικά οχήµατα πλεονεκτούν έναντι των σειριακών αφού ο κινητήρας εσωτερικής καύσης οδηγεί απευθείας τους τροχούς και έτσι δεν εµφανίζονται οι απώλειες ενέργειας που παρατηρούνται στα σειριακά. Ακόµη σε συνθήκες πόλης (χαµηλές ταχύτητες-εκκίνηση) επειδή υπάρχει η δυνατότητα να κινείται το όχηµα αποκλειστικά µε τον ηλεκτροκινητήρα τα παράλληλα δεν υστερούν των σειριακών. Αρά παρατηρούµε ότι τα παράλληλα υβριδικά παρουσιάζουν ικανοποιητικά χαρακτηριστικά σε όλες τις συνθήκες οδήγησης. Το µειονέκτηµα της συγκεκριµένης διάταξης είναι η µεγαλύτερη συµβολή του συµβατικού κινητήρα σε σχέση πάντα µε τη σειριακή διάταξη, αλλά και η λειτουργία του σε αρκετές περιπτώσεις µακριά από το σηµείο βέλτιστης απόδοσης. Τα δυο αυτά στοιχεία συνεπάγονται αυξηµένη κατανάλωση καυσίµου και αυξηµένες εκποµπές ρύπων. γ) Υβριδικά συνδυασµένης εν σειρά/παράλληλης διάταξης Εικόνα 1.14-Σειριακή/ Παράλληλη διάταξη υβριδικού οχήματος,[18] Η διάταξη αυτή συνδυάζει χαρακτηριστικά των δύο παραπάνω διατάξεων. Η λειτουργία της διάταξης αυτής είναι πιο κοντά στην λειτουργία της παράλληλης διάταξης αφού αφενός ο κινητήρας εσωτερικής καύσης και αφετέρου ο ηλεκτροκινητήρας µπορούν να οδηγήσουν τους τροχούς. Αυτό που χαρακτηρίζει τη συγκεκριµένη διάταξη είναι το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια που ο ηλεκτροκινητήρας οδηγεί τους τροχούς, αν η ζήτηση ροπής δεν είναι αυξηµένη, ο συµβατικός κινητήρας µπορεί να αποσυνδεθεί από τους τροχούς και να 30

32 οδηγεί τη γεννήτρια µε σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας η οποία τροφοδοτείται είτε στις µπαταρίες σε περίπτωση πού η στάθµη φόρτισης δεν είναι υψηλή είτε στον ηλεκτροκινητήρα για την κίνηση των τροχών. Το γεγονός αυτό επιτρέπει στον συµβατικό κινητήρα να λειτουργεί συχνότερα στο βέλτιστο σηµείο λειτουργίας. Το τελευταίο είναι χαρακτηριστικό στοιχείο των υβριδικών σειριακής διάταξης. Σε περίπτωση αυξηµένης ζήτησης ροπής για παράδειγµα κατά την κίνηση µε µεγάλη ταχύτητα, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης µπορεί να οδηγήσει τους τροχούς µε υψηλή απόδοση και έτσι οι κινητήρες λειτουργούν όπως ακριβώς και στην παράλληλη διάταξη. ιακρίνονται οι εξής γενικές φάσεις λειτουργίας : Εκκίνηση-Κίνηση µε χαµηλή ταχύτητα: Σε ρελαντί και σε περιοχή µικρών ταχυτήτων ο κινητήρας είναι σβηστός και η κίνηση δίνεται αποκλειστικά από τον ηλεκτροκινητήρα. Σε κατάσταση κανονικής οδήγησης: Η προσδιδόµενη ενέργεια του κινητήρα εσωτερικής καύσης διαχωρίζεται και µέρος από αυτήν χρησιµοποιείται για την παραγωγή ρεύµατος µέσω της γεννήτριας. Το ρεύµα αυτό πηγαίνει στον ηλεκτροκινητήρα ο οποίος µε την σειρά του δίνει κίνηση στους τροχούς. Το υπόλοιπο µέρος πηγαίνει απευθείας στους τροχούς. Η κατανοµή αυτή δεν είναι πάντοτε ίδια και ελέγχεται πάντα για την καλύτερη συνολική απόδοση. Απότοµη επιτάχυνση: Η κατανοµή ενέργειας του κινητήρα είναι τέτοια ώστε να υπάρξει η µέγιστη και οµαλότερη επιτάχυνση ενώ ο ηλεκτροκινητήρας τροφοδοτείται επιπλέον από τη συστοιχία µπαταριών. Κατά την διάρκεια φρεναρίσµατος: Ο ηλεκτροκινητήρας αρχίζει να συµπεριφέρεται σαν γεννήτρια. Έτσι µέρος της κινητικής ενέργειας του αυτοκινήτου µετατρέπεται σε ηλεκτρική η οποία φορτίζει και τις µπαταρίες. Είναι προφανές ότι η διάταξη αυτή συνδυάζει τα πλεονεκτήµατα των δύο προαναφερθεισών διατάξεων. Παρόλα αυτά κληρονοµεί υποχρεωτικά και κάποια από τα µειονεκτήµατά τους όπως για παράδειγµα το αυξηµένο κόστος (λόγω της επιπλέον γεννήτριας και της µεγαλύτερης συστοιχίας µπαταριών), οι πολύπλοκες µηχανικές συνδέσεις καθώς και ο περίπλοκος απαιτούµενος έλεγχος της συνολικής διάταξης. Διπλωματική Εργασία 31

33 δ)ανεξάρτητη λειτουργία Εικόνα 1.15-Ανεξάρτητη διάταξη μηχανών σε υβριδικό όχημα,[18] Μια παραλλαγή της παράλληλων υβριδικών οχηµάτων είναι τα υβριδικά οχήµατα ανεξάρτητης λειτουργίας. Σε αυτή τη διάταξη ο κινητήρας εσωτερικής καύσης οδηγεί το ένα ζευγάρι των τροχών και ο ηλεκτροκινητήρας το άλλο. Στην ουσία δηλαδή έχουµε τετρακίνηση. Το µειονέκτηµα της διάταξης αυτής είναι ο τρόπος φόρτισης των µπαταριών. Επειδή ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δεν συνδέεται µηχανικά µε τον ηλεκτροκινητήρα και έτσι δεν µπορεί να τον οδηγήσει µε σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για τη φόρτιση των µπαταριών, αναγκάζεται ο συµβατικός κινητήρας να οδηγεί τους µπροστά τροχούς ενώ ο ηλεκτροκινητήρας ανακτά ενέργεια από τους πίσω και την µετατρέπει σε ηλεκτρική. 1.8 Κατηγορίες ηλεκτρικών υβριδικών οχηµάτων µε βάση το βαθµό υβριδοποίησης Πλήρη υβριδικά[14],[18],[19] Η πρώτη κατηγορία είναι τα λεγόµενα πλήρη υβριδικά οχήµατα (Full Hybrids). Σε αυτά, η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα είναι τέτοια ώστε επαρκεί για την εξ' ολοκλήρου κίνηση του αυτοκινήτου στις χαµηλές ταχύτητες και τα µικρά φορτία. Όταν οι απαιτήσεις ισχύος αυξηθούν τότε µπαίνει σε λειτουργία και ο βενζινοκινητήρας ο οποίος µπορεί είτε να αναλάβει την κίνηση του αυτοκινήτου (εξ' ολοκλήρου ή από κοινού µε τον ηλεκτροκινητήρα) είτε ν' αναλάβει την φόρτιση των µπαταριών µέσω της γεννήτριας. Αυτός ο διαµοιρασµός της ισχύος γίνεται µέσω µιας µηχανικής µονάδας (συνήθως κάποιας διάταξης µε πλανητικούς µειωτήρες) µε βάση τις εντολές που δίνει η µονάδα ελέγχου. Στα κυριότερα πλεονεκτήµατα των πλήρως υβριδικών οχηµάτων περιλαµβάνονται η αυξηµένη αυτονοµία τους καθώς και η µικρότερη κατανάλωσή τους, η οποία είναι κατά µέσο όρο 35%-50% µικρότερη ενός βενζινοκίνητου αυτοκινήτου αντίστοιχης απόδοσης. Έχουν επίσης το πλεονέκτηµα της αµιγούς ηλεκτρικής κίνησης στις δύσκολες κυκλοφοριακές συνθήκες των πόλεων, κάτι που συµβάλλει στη µείωση των εκποµπών ρύπων και στην οικονοµία καυσίµου. Στον αντίποδα, λόγω της µεγαλύτερης συστοιχίας µπαταριών και των 32