Τίτλος Εργασίας: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Transcript

1 ΤΕΙ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΚΑΙ ΘΡΑΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΏΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ Τ.Ε. & ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. Τίτλος Εργασίας: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: Γεωργιάδης Παναγιώτης Α.Ε.Μ. :5191 Επιβλέπων καθηγητής: Κ. Ιωάννη Θ. Αραμπατζή ΚΑΒΑΛΑ 2014

2 Αισθάνομαι την ανάγκη να επισημάνω την απέραντη ευγνωμοσύνη μου και θερμές ευχαριστίες μου, στο Ιωάννη Θ. Αραμπατζή για την εμπιστοσύνη και το ενδιαφέρον που έδειξε για την ανάθεση της διπλοματικής εργασίας. Καθώς για τη συνεχή καθοδήγηση, την αμέριστη υποστήριξη, τις ουσιώδεις συμβουλές,την αδιάκοπη συμπαράσταση για την επίλυση διαφόρων θεμάτων,τον πολύτιμο χρόνο που διέθεσε και ενθάρρυνση που μου παρείχε σε όλο αυτό το διάστημα που συνέλαβαν στην εκπλήρωση αυτής της διπλωματικής εργασίας. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 1

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ο Κεφάλαιο 1. Υβριδική Τεχνολογία Γενικά Η τεχνολογία του Υβριδικού Αυτοκινήτου Κύρια μέρη υβριδικού Πλεονεκτήματα- Μειονεκτήματα ενός Υβριδικού Ανάλυση υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος Υπόλοιπες Υβριδικές Εκδοχές Υβριδικά Οχήματα με Κυψέλες Καυσίμου Σύστημα Ελέγχου Υβριδικού Οχήματος Ροή Ισχύος σε HEV Τα Υβριδικά Αυτοκίνητα της Ελληνικής Αγοράς Επίλογος 25 2 ο Κεφάλαιο 2. Κυψέλες Καυσίμου Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Σύγκριση βαθμού απόδοσης κυψελών καυσίμου με ΜΕΚ ο Κεφάλαιο 3. Ηλεκτρικά Οχήματα Σύντομη ιστορική αναδρομή Εισαγωγή Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά των ηλεκτρονικών οχημάτων Γενικά Αμιγώς Ηλεκτροκίνητα Οχήματα Διατάξεις και Σενάρια Φόρτισης Οικιακή Φόρτιση Φόρτιση σε σταθμούς παρκαρίσματος (Park and Charge-PAC) Ανάκτηση Ενέργειας Φόρτιση από Ηλιακή Ακτινοβολία Φόρτιση με Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος Φόρτιση κατά την Κίνηση (Move and Charge-MAC) Νέες τεχνολογίες για τη φόρτιση των συσσωρευτών Ενεργειακές Κυψέλες Ηλεκτρονικός Μετατροπέας Ισχύος Ηλεκτρικός Κινητήρας ο Κεφάλαιο 4. Εναλλακτικά Καύσιμα Οχήματα με αέρια Καύσιμα Εναλλακτικά αέρια Καύσιμα Ιδιότητες των Βασικότερων Καυσίμων Υδρογόνο Χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο για την κίνηση των οχημάτων Τα στάδια από τα οποία αποτελείται το υδρογόνο ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 2

4 4.4.3 Οι κυριότερες μέθοδοι που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμεραγια την 42 αποτελεσματική αποθήκευση του υδρογόνου Πλεονεκτήματα Υδρογονοκίνησης Μειονεκτήματα Υδρογονοκίνησης Βιοκαύσιμα Βιοαέριο Γενικά στοιχεία για το βιοαέριο Η χρήση του ως καύσιμο Βιοντίζελ Μίγματα βιοντίζελ για τους κινητήρες Η διαδιακασία παραγωγής βιοντίζελ Τα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του βιοντίζελ Βιοαιθανόλη Μίγματα βιοαιθανόλης για τους κινητήρες Μετατροπές που απαιτούνται για μίγματα μεγαλύτερα του 5% Οικονομικά δεδομένα και Διαθεσιμότητα Η διαδικασία παραγωγής βιοαιθανόλης Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση βιοαιθανόλης Βιομάζα Χαρακτηριστικά Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Το Φυσικό Αέριο (CNG) Βασικά χαρκτηριστικά Ποια είναι τα σημαντικότερα μειονεκτήματα Τα οφέλη από τη χρήση Φυσικού Αερίου στα οχήματα Γιατί να μετατρέψω το αυτοκίνητο μου Φυσικό Αέριο σε οχήματα Compressed Natural Gas ή CNG Μετατροπή Διάταξη και θέση βασικών εξαρτημάτων μετατροπής αυτοκινήτου Εξαρτήματα μετατροπής οχημάτων Διάταξη εξαρτημάτων συστήματος τροφοδοσίας αερίου Στόμιο πλήρωσης φυσικού αερίου Τοποθέτηση δεξαμενών Δεξαμενές αποθήκευσης φυσικού αερίου Βάρος και όγκος δεξαμενών αποθήκευσης καυσίμων Τεχνικά χαρακτηριστικά δεξαμενών φυσικού αερίου Βαλβίδα φραγής φυσικού αερίου Ρυθμιστής πίεσης φυσικού αερίου Μπεκ φυσικού αερίου-θέση εγκατάστασης Σωληνώσεις Φυσικού Αερίου Ηλεκτρονική μονάδα φυσικού αερίου CNG Σχηματική διάταξη συστήματος Φυσικού Αερίου CNG Αντικατάσταση μπουζί (αναφλεκτήρων) Στα συστήματα μετατροπής απαιτείται σύστημα λίπανσης Είδη συστημάτων προστασίας Οφέλη συστημάτων λίπανσης των βαλβίδων Ενδεικτικές πινακίδες εγκατάστασης Φυσικού Αερίου CNG Σημεία προσοχής μετά την εγκατάσταση ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 3

5 Μετατροπή οχημάτων και ποιο είναι το κόστος Ασφάλεια Ασφάλεια συστήματος εγκατάστασης φυσικού αερίου Τύπος LPG (Liquefied petroleum gas) Τι είναι το υγραέριο Μετατροπή αυτοκινήτου από βενζίνη σε υγραέριο Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα και Ασφάλεια υγραερίου ως καύσιμο στα 71 Αυτοκίνητα... 5 ο Κεφάλαιο 5. Συστήματα Συνδυασμένου Κύκλου (BMW TurboSteamer) ο Κεφάλαιο 6. Homogeneous Charge Compression Ignition Τι είναι η τεχνολογία HCCI (Homogeneous Charge Compression 75 Ignition) Γιατί να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία HCCI Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η τεχνολογία HCCI Τα μειονεκτήματα το HCCI Έλεγχος Ισχύς Ρύποι Διαφορά ελεγχόμενης αυτανάφλεξης από την κρουστική καύση(πειράκια) Εφαρμογές HCCI Λειτουργία ο Κεφάλαιο 7. Τι Προβλέπεται στο Μέλλον Υβριδικά και Ηλεκτρικα Οχήματα Οχήματα Κυψελών Καυσίμου ο Κεφάλαιο 8. Συμπεράσματα Ποια τεχνολογία είναι η επικρατέστερη και ποιοι η πιο συμφέρουσα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 4

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλοματική εργασία παρουσιάζονται κάποιες από τις νέες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται ή πρόκειται να χρησιμοποιηθούν στο κοντινό μέλλον στην αυτοκίνηση. Οι τεχνολογίες αυτές στοχεύουν κυρίως σε δύο παράγοντες: α) τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων από τα οχήματα, καθώς και την εναρμόνιση των αυτοκινητοβιομηχανιών, με τους κανόνες της Ευρωπαϊκής Ένωσης περί εκπεμπόμενων ρύπων β) την εξοικονόμηση ενέργειας, με χρήση συστημάτων, τα οποία θα εκμεταλλεύονται κυρίως τη θερμότητα που αποβάλλεται από μία Μ.Ε.Κ. Αρχικά, παρουσιάζεται η υβριδική τεχνολογία, η χρήση της οποίας παρουσιάζει σημαντική μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, καθώς επίσης εξοικονομείται ένα σημαντικό ποσό ενέργειας η οποία χρησιμοποιείται ως πηγή για την κίνηση του οχήματος. Δεύτερον η χρήση των κυψελών καυσίμου στην αυτοκίνηση επιφέρει σημαντική μείωση στους ρύπους, αλλά και 5-15% μεγαλύτερη απόδοση σε σχέση με τις Μ.Ε.Κ. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρικά ή συμβατικά αυτοκίνητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επιτόπου, αντικαθιστώντας τις μπαταρίες ή τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Επιπλέον έχουμε τα ηλεκτρικά οχήματα που απαντώνται σε διάφορες παραλλαγές είτε όσον αφορά την πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας είτε όσον αφορά τον τρόπο που παράγεται η κίνηση. Όμως όλα έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό, που είναι η ύπαρξη ενός τουλάχιστον ηλεκτρικού κινητήρα για την προώθηση του οχήματος. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στα εναλλακτικά καύσιμα όπως στο υδρογόνο, φυσικό αέριο,υγραέριο και τα βιοκαύσιμα. Με τη χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο σε μία Μ.Ε.Κ παρατηρείται αύξηση της απόδοσης του κινητήρα με σχεδόν μηδενικούς ρύπους. Όσον αφορά στη χρήση βιοκαυσίμων ως καύσιμο σε μία Μ.Ε.Κ, παρουσιάζεται μείωση του CO2 και γενικότερα των αερίων ρύπων 2-5%. Ακόμα μία άλλη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε πειραματικό στάδιο για εξοικονόμηση ενέργειας, εκμεταλλευόμενη την αποβαλλόμενη θερμότητα της Μ.Ε.Κ, είναι το σύστημα συνδυασμένου κύκλου το οποίο σε συνδυασμό με τη λειτουργία του υπόλοιπου συστήματος παραγωγής και μετάδοσης της ισχύος, αυξάνει τη συνολική ισχύ του οχήματος έως και 15%. Τέλος, η χρήση της τεχνολογίας HCCI μειώνει σημαντικά τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου από τον κινητήρα, παρέχει οικονομία καυσίμου έως 15% και αυξάνει την απόδοση του κινητήρα. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 5

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η αναφορά στίς νέες τεχνολογίες που ήδη έχουν αρχίσει να εφαρμόζοντα στον τομέα της αυτοκίνησης, όπως η υβριδική τεχνολογία, τα εναλλακτικά καύσιμα, οι κυψέλες καυσίμου, καθώς και καινοτομίες που συμβάλλουν στην μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης για την κίνηση των οχημάτων, αλλά και στην καλύτερη διαχείριση της προσδιδόμενης ενέργειας. Τις τελευταίες δεκαετίες έχει σημειωθεί αξιόλογη πρόοδος στη μείωση της ρύπανσης από οχήματα. Η βιομηχανία πετρελαίου έχει παίξει ουσιαστικό ρόλο στην επίτευξη αυτή, με σημαντική επένδυση στην παραγωγή καθαρότερων βενζινών και πετρελαίου, η οποία έδωσε τη δυνατότητα εφαρμογής νέων τεχνολογιών για τον καθαρισμό των μηχανών και των εξατμίσεων των οχημάτων. Μετρήσεις που διεξάγονται επιβεβαιώνουν τη μείωση και η προσπάθεια αυτή θα συνεχισθεί τουλάχιστον μέχρι το Εν τούτοις, η κατάσταση στις αστικές περιοχές είναι ακόμα κρίσιμη και αυτό έχει οδηγήσει σε περαιτέρω προσπάθεια εξεύρεσης τρόπων βελτίωσης της ποιότητας του αέρα, συμπεριλαμβανομένης της αντικατάστασης ή μερικής αντικατάστασης των καθιερωμένωνκαυσίμων αυτοκινήτων όπως η βενζίνη και το πετρέλαιο με εναλλακτικά ή ανανεώσιμα καύσιμα. Οι τρέχουσες πωλήσεις εναλλακτικών ή ανανεώσιμων καυσίμων όπως το Υγραέριο, το Φυσικό αέριο και τα Βιοκαύσιμα, είναι μικρές σε σχέση με τις πωλήσεις των συμβατικών καυσίμων (βενζίνη και πετρέλαιο). Η διάθεση Εναλλακτικών Καυσίμων πρέπει να εκτιμηθεί σε σχέση με τις περαιτέρω βελτιώσεις των συμβατικών καυσίμων που θα πραγματοποιηθούν στο εγγύς μέλλον. Σαν Εναλλακτικά Καύσιμα θεωρούνται το Υγραέριο, το Φυσικό αέριο, τα Γαλακτώματα και το Υδρογόνο - όταν αυτό δεν προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές Σαν Ανανεώσιμα Καύσιμα θεωρούνται τα Βιοκαύσιμα και το Υδρογόνο - όταν αυτό προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 6

8 1.Υβριδική Τεχνολογία 1.1Γενικά 1 0 Κεφάλαιο Ως υβριδικό θεωρείται το αυτοκίνητο που χρησιμοποιεί δύο ή περισσότερες διαφορετικές τεχνολογίες προκειμένου να επιτύχει την κίνησή του. Οι τεχνολογίες αυτές περιλαμβάνουν συνήθως τον κλασικό κινητήρα εσωτερικής καύσης και μια πιο «ήπια» προς το περιβάλλον τεχνολογία, συνήθωςηλεκτρικό κινητήρα, ή εναλλακτικά πνευματικό κινητήρα, βιοκαύσιμο, φυσικό αέριο κ.α. Ο ηλεκτρικός κινητήρας μπορεί να αναλαμβάνει αποκλειστικά την κίνηση του αυτοκινήτου ή να είναι απλά υποβοηθητικός όταν χρειάζεται περισσότερη ισχύς. Τα υβριδικά αυτοκίνητα θεωρούνται φιλικότερα προς το περιβάλλον, από αυτά που χρησιμοποιούν αποκλειστικά για την κίνησή τους ως καύσιμο, βενζίνη ή πετρέλαιο. Παρά το γεγονός ότι τα περισσότερα υβριδικά οχήματα δεν φορτίζονται με εξωτερικά μέσα, εντελώς πρόσφατα έχουν εμφανιστεί και εξωτερικά φορτιζόμενα υβριδικά οχήματα (Plug-In hybrid). 1.2 Ή τεχνολογία του Υβριδικού Αυτοκινήτου Εικόνα 1.1 [40] Το υβριδικό αυτοκίνητο είναι ένα αυτοκίνητο τελευταίας τεχνολογίας που επί πλέον σέβεται το περιβάλλον. Συνδυάζει την εύκολη μετακίνηση με την οικολογία. Είναι το αυτοκίνητο που θα μπορούσες να χρησιμοποιήσεις για να πας σε ένα μαγαζί στο κέντρο της πόλης αλλά επίσης θα μπορούσες να διανύσεις μεγάλες αποστάσεις κάνοντας ένα ταξίδι. Στο παρελθόν πριν εφευρεθεί το αυτοκίνητο οι άνθρωποι είχαν άλλα μέσα για την μετακίνησή τους. Τα άλογα, οι καμήλες, τα λάμα, τα γαϊδούρια και πολλά άλλα είδη ζώων είχαν χρησιμοποιηθεί από τον άνθρωπο ως μέσα μεταφοράς. Οι άμαξες ήταν από τα πρώτα μέσα μεταφοράς με τροχούς με κινητήρια δύναμη τα άλογα τα οποία τις έσερναν. Τα πλοία έκαναν την εμφάνισή τους αργότερα, πρώτα με κουπιά ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 7

9 μετά με πανιά στη συνέχεια από το ατμόπλοιο του Φούλτον μέχρι τα σημερινά πυρηνοκίνητα και χρησιμεύουν στην επικοινωνία και το εμπόριο μεταξύ μακρινών και παραθαλάσσιων περιοχών. Με την πάροδο του χρόνου ο άνθρωπος κατάφερε να κατακτήσει τον αέρα και το διάστημα, σε μια μάχη αιώνων από το πρώτο μηχάνημα που σχεδίασε ο Leonardo da Vinci μέχρι τα σημερινά επανδρωμένα διαστημόπλοια. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι σε αυτή την πορεία που περιγράψαμε η μεγαλύτερη ανακάλυψη, από την αρχή τουανθρώπινου γένους μέχρι τον μεσαίωνα, για τα μεταφορικά μέσα ήταν ο τροχός και έγινε πριν χρόνια. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας τα άλογα όπου ήταν η κινητήρια δύναμη έδωσαν την θέση τους στους κινητήρες. Ο κινητήρας έχει την ικανότητα να μετατρέπει κάποια μορφή ενέργειας που του προσφέρεται σε κινητική, ώστε να βάλει σε κίνηση το όλο σύστημα και η ισχύς του μετράτε σε ίππους (Hp). Έτσι τα άλογα από κινητήρια δύναμη της άμαξας μπήκαν μέσα στους σημερινούς κινητήρες σαν μονάδα μέτρησης ισχύος του κινητήρα. Τα αυτοκίνητα με μηχανές εσωτερικής καύσης κατασκευάστηκαν αρχικά στην Γερμανία από τους Καρλ Μπεντς και Γκότλιμπ Νταίμλερ ανάμεσα στο 1885 με το 1886, ήταν και το πρώτο σχεδιασμένο ως αυτοκίνητο. Το δεύτερο σημαντικό επίτευγμα στην ιστορία της αυτοκίνησης ήταν η δημιουργία ενός αυτοκινήτου όπου όλοι οι μέσοι πολίτες θα είχαν την δυνατότητα να το αγοράσουν και να το χρησιμοποιούν σε καθημερινή βάση (είναι το μοντέλο Model-T ). Τέλος η πετρελαϊκή κρίση και η οικολογική επιβάρυνση του πλανήτη οδήγησαν στην εύρεση ενός νέου αυτοκινήτου δηλαδή του υβριδικού. 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 φίρμας Ferdinand Porsche. Το αυτοκίνητο αυτό διέθετε δύο ηλεκτροκινητήρες ενσωματωμένους στις πλήμνες των μπροστινών τροχών, 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 διάφορα πρωτότυπα, όπως του Krieger to 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. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 8

10 Το υβριδικό αυτοκίνητο έχει σαν βάση του το διπλό τρόπο κίνησης του, αφού μπορεί είτε να κινείται όπως ένα απλό αυτοκίνητο δηλαδή με βενζινοκινητήρα είτε Εικόνα 1.2 [40] με τον νέο αυτό τρόπο του ηλεκτροκινητήρα. Ο ηλεκτροκινητήρας, το πιο σημαντικό κομμάτι του υβριδικού (αυτό άλλωστε που το κάνει να ξεχωρίζει), λειτουργεί με μπαταρίες, τις οποίες όμως δεν χρειάζεται να φορτίζει ο ιδιοκτήτης αφού κατά κύριο λόγο φορτίζονται όταν ο οδηγός πατάει φρένο με αποτέλεσμα την παραγωγή ενέργειας η οποία δεν πάει χαμένη. Η όλη κατασκευή του παρ όλ αυτά δεν διαφέρει από ενός συμβατικού αυτοκινήτου. Δηλαδή αποτελείται κυρίως από λαμαρίνα, ωστόσο υπάρχουν και κάποια άλλα υλικά ανάλογα με τον τύπο του αυτοκινήτου. Όπως είναι, το δέρμα(στα καθίσματα), το πλαστικό (στους προφυλακτήρες), το γυαλί (για τα τζάμια) κ.α. Εικόνα 1.3 [40] Το υβριδικό αυτοκίνητο καλύπτει ένα μεγάλο εύρος μηχανημάτων, όπως είναι, το CD-Player, τοair-condition και το καλοριφέρ, συστήματα κεντρικού κλειδώματος, ηλεκτρικοί καθρέπτες και παράθυρα, σε πιο σπάνιες περιπτώσεις θερμαινόμενα καθίσματα κ.α. Όσον αφορά τη λειτουργία και την κίνηση του αυτοκινήτου το σημαντικότερο μηχάνημα είναι, ο κινητήρας ο οποίος εμφανίζεται διπλός σ ένα υβριδικό αυτοκίνητο αφού ή είναι ηλεκτρικός κυρίως σε μικρές ταχύτητες ή είναι βενζινοκίνητος σε μεγαλύτερες. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 9

11 1.3 Τα κύρια μέρη του υβριδικού συστήματος του αυτοκινήτου είναι o ηλεκτροκινητήρας, ο κινητήρας εσωτερικής καύσεως, ηγεννήτρια, η συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρία) και ο μετασχηματιστής ρεύματος. Σχήμα 1.1 Κύρια μέρη του υβριδικού συστήματος [41] Ο ηλεκτροκινητήρας αναλαμβάνει εξ ολοκλήρου την κίνηση του αυτοκινήτου σε σταθερή, ομαλή πορεία και μη κεκλιμένο επίπεδο. Παρέχει επιπλέον ισχύ στο βενζινοκινητήρα μόνο στις υπόλοιπες περιπτώσεις όπως κατά την επιτάχυνση, στο κεκλιμένο επίπεδο (ανηφόρα). Είναι μόνιμα συνδεδεμένος με το πλανητικό κιβώτιο ταχυτήτων τύπου CVT όπου ρυθμίζεται η κατανομή ισχύος ανάμεσα στις δύο μονάδες (ηλεκτροκινητήρας - βενζινοκινητήρας) για τη μετάδοση της κίνησης στους τροχούς. Φυσικά o ηλεκτροκινητήρας επικοινωνεί με τη γεννήτρια και τις μπαταρίες όπου δέχεται ενέργεια. Η μεγάλη επανάσταση στο συγκεκριμένο μέρος του οχήματος είναι ότι κατά το φρενάρισμα μετατρέπεται σε γεννήτρια η οποία επαναφορτίζει τις μπαταρίες. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσεως (βενζινοκινητήρας) καταναλώνει αμόλυβδη βενζίνη, όπως και οι συμβατικοί κινητήρες. Το μπλοκ, όπως και η κυλινδροκεφαλή, είναι κατασκευασμένα από κράμα αλουμινίου, ενώ η εξαγωγή αποτελείται από ανοξείδωτο χάλυβα χαμηλής μάζας μειώνοντας το συνολικό βάρος κατασκευής. Αρχικά φαίνεται ότι η απόδοση του είναι μικρή αλλά είναι κατάλληλη για την αντιστάθμιση του φορτίου, προκειμένου να υπάρξει ομαλή συνεργασία με τον ηλεκτροκινητήρα. Το γκάζι είναι ηλεκτρονικό για ακριβέστερη "πληροφόρηση" προς το σύστημα ψεκασμού, ενώ την ποιότητα των καυσαερίων "επιβλέπει" ένας τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας υψηλής πυκνότητας και ταχείας προθέρμανσης για μέγιστη απόδοση. Η γεννήτρια λειτουργεί μέσω του βενζινοκινητήρα και χρησιμεύει, επαναφορτίζει την συστοιχία των μπαταριών και ενισχύει τον ηλεκτροκινητήρα. Ως δευτερεύουσες λειτουργίες εκκινεί τον βενζινοκινητήρα (αφού δεν υπάρχει μίζα), και λειτουργεί ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 10

12 όπως και μια απλή γεννήτρια στους συμβατικούς κινητήρες. Ο μετασχηματιστής αναλαμβάνει να μετατρέψει το συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα (DC) της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο. Με αμφίδρομο όμως τρόπο μπορεί να μετατρέψει το εναλλασσόμενο σε συνεχές κατά τη διαδικασία επαναφόρτισης της μπαταρίας. Επίσης, μετατρέπει την υψηλή τάση σε συμβατική, 12V, για την τροφοδότηση των επιμέρους λειτουργιών του αυτοκινήτου (ηχοσύστημα, φώτα, κλιματισμός). 1.4 Πλέονεκτήματα-Μειονεκτήματα ενός υβριδικού. Θετικά: 1. Ένα πλήρως υβριδικό σύστημα έχει την δυνατότητα να κινεί το όχημα μόνο με τον βενζινοκινητήρα ή μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα ή και τους δύο ταυτόχρονα. 2. Καταναλώνουν πολύ λιγότερο καύσιμο. Σε ειδικές μετρήσεις που έχουν γίνει έχει αποδειχθεί ότι ένα υβριδικό καταναλώνει από 20%-40% λιγότερο από ένα αντίστοιχης ισχύος συμβατικό αυτοκίνητο, ανάλογα με το πού κινείται. Στην πόλη για παράδειγμα όπου ο ηλεκτροκινητήρας δουλεύει πιο πολύ μπορεί να φτάσει το 40%, ενώ στον αυτοκινητόδρομο που θέλουμε όλη την ισχύ η οικονομία «πέφτει» στο 20%. 3. Με την απόκτησή τους να συνοδεύεται από αρκετά μπόνους από πλευράς κράτους όπως η απαλλαγή σε μεγάλο ποσοστό από τους δασμούς, δεν έχουν τέλη κυκλοφορίας για τα 5 πρώτα χρόνια και μπαίνουν ελεύθερα στο δακτύλιο. 4. Όταν χρησιμοποιούμε τα φρένα σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο, η κινητική ενέργεια που έχει όταν μετακινείται μετατρέπεται σε θερμότητα. Σε ένα υβριδικό αυτοκίνητο, τα φρένα παίρνουν ένα ποσοστό από την ενέργεια αυτή και αντί να χαθεί στο περιβάλλον, χρησιμοποιώντας την ηλεκτρική μηχανή ως γεννήτρια την εναποθέτει πίσω στις μπαταρίες. 5. Τα υβριδικά οχήματα επιτυγχάνουν μεγάλα οφέλη στην εξοικονόμηση καυσίμου και στις εκπομπές CO2. 6. Στα υβριδικά με Κυψέλες Καυσίμου η κυψέλη καυσίμου παράγει ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνοντας μία χημική αντίδραση υδρογόνου / οξυγόνου χωρίς να κάψει καθόλου υδρογόνο, αποτελώντας καθαρή και ιδιαίτερα αποτελεσματική λύση. Τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα του υδρογόνου αναμιγνύονται με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας και σχηματίζουν νερό. Επίσης η κυψέλη καυσίμου δεν εκπέμπει διοξείδιο του άνθρακα ή άλλους ρύπους. Το μόνο υποπροϊόν είναι το νερό. Αρνητικά: 1. Τα υβριδικά αυτοκίνητα κοστίζουν ακριβότερα από τα αντίστοιχα συμβατικά αν και πολλές φορές έχουν καλύτερες επιδόσεις. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 11

13 2. Το αυξημένο βάρος, λόγω μπαταριών, που επιδρά στην οδική τους συμπεριφορά. 3. Είναι άγνωστο προς το παρόν κόστος αντικατάστασης των μπαταριών μετά την παρέλευση 10ετίας από την αγορά τους. 4. Τα περισσότερα έχουν μικρή χωρητικότητα στο πορτ-μπαγκάζ. 5. Ένα σημαντικό πρόβλημα των υβριδικών αυτοκινήτων είναι οι μπαταρίες τους. Διότι ενώ υπάρχουν εναλλακτικοί τρόποι φόρτισης τους, αυτοί δεν είναι αρκετοί για να γεμίσουν γρήγορα τις μπαταρίες. Έτσι ο ηλεκτροκινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει για πολύ χρόνο με αποτέλεσμα σε μεγάλες αποστάσεις να χρησιμοποιείται και ο βενζινοκινητήρας. Σ αυτό το πρόβλημα οι υπεύθυνοι τεχνικοί και μηχανικοί ψάχνουν να βρουν μια λύση, αφού έτσι το υβριδικό αυτοκίνητο θα κάνει ένα ακόμα βήμα προς τη «τελειότητα». 6. Ακόμα μέχρι πριν λίγο καιρό η τεχνολογική ανάπτυξη των υβριδίων δεν επέτρεπε την ύπαρξη 4x4 αυτοκινήτων. Ωστόσο πρόσφατα αυτό έγινε πραγματικότητα και τα 4x4 υβριδικά αυτοκίνητα βγήκαν στην αγορά. Αλλά παρότι βγήκαν χρειάζονται πολλές μελέτες για να μειωθεί η καύση τους, αφού είναι αρκετά υψηλή. Γι αυτό το λόγο τα υβριδικά 4x4 έχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης. 1.5 Ανάλυση υβριδικού ηλεκτρικού οχήματος. Η παγκόσμια ανησυχία, δεδομένου της συνεχούς ελάττωσης των αποθεμάτων πετρελαίου και της περιβαλλοντικής ρύπανσης, κινητοποίησε την έρευνα/ανάπτυξη των εναλλακτικών συστημάτων μετάδοσης ισχύος. Ένα τέτοιο εναλλακτικό σύστημα προώθησης είναι και το υβριδικό - ηλεκτρικό αυτοκίνητο (Hybrid Electric Vehicle), το οποίο ευρέως θεωρείται ως το μεταβατικό στάδιο στην πορεία για το Όχημα Μηδενικών Εκπομπών (Zero Emission Vehicle). Το τελευταίο, πιθανότατα, θα έχει σύστημα κίνησης μέσω κυψελών καυσίμου ή μόνο από μπαταρίες. Τα συμβατικά συστήματα των αυτοκινήτων μπορούν να συνδυαστούν με ηλεκτροκινητήρες, με γεννήτριες, με μετασχηματιστές τάσης και με συσσωρευτές για να γίνουν τμήμα ενός υβριδικού συστήματος μετάδοσης ισχύος. Αυτός ο συνδυασμός προσφέρει τη δυνατότητα αποσύνδεσης της διαδικασίας μετατροπής ενέργειας από τον κύκλο λειτουργίας ενός συμβατικού οχήματος. Κατά συνέπεια, ο κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει στη βέλτιστη απόδοση σε μεγαλύτερη έκταση κατά τη διάρκεια ζωής του και υπόκειται σε μικρότερη εξωτερική επίδραση (π.χ. συνθήκες οδοστρώματος) που έχει σαν αποτέλεσμα σημαντική μείωση της κατανάλωσης τουλάχιστον κατά 15-20% σε σύγκριση με ένα συμβατικό όχημα. Δυο είναι οι προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν : α) το κόστος του οχήματος που είναι κατά 50% υψηλότερο από το αντίστοιχο συμβατικό. β) το σύστημα ολοκλήρωσης και ελέγχου. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 12

14 Τα διάφορα στοιχεία στο σύστημα μετάδοσης ισχύος πρέπει να συντονιστούν προσεκτικά για την μεγιστοποίηση των οφελών. Η βελτιστοποίηση απαιτείται στο σχεδιασμό και του συστήματος και της διαδικασίας ελέγχου. Η εμφάνιση των ηλεκτρονικών 42-Volt στα οχήματα κάνει την ολοκλήρωση των ηλεκτροκινητήρων/γεννητριών, των στροβιλοσυμπιεστών και των υπολοίπων συμπληρωματικών στοιχείων του κινητήρα μια ενδιαφέρουσα πρόταση για μελλοντικά ανεπτυγμένα συστήματα μετάδοσης ισχύος. Τα υβριδικά συστήματα μετάδοσης ισχύος μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε τρεις κύριους τύπους ανάλογα με τη συνδεσμολογία: Σειριακά Παράλληλα Μικτά, που είναι ουσιαστικά συνδυασμός σειριακών και παράλληλων. 1)Σειριακά Σε ένα σειριακό υβριδικό σύστημα μετάδοσης ισχύος (Σχήμα 1.2) την κίνηση δίνει αποκλειστικά ο ηλεκτροκινητήρας ο οποίος δέχεται ηλεκτρική ενέργεια είτε από μια συστοιχία μπαταριών είτε από μια Μ.Ε.Κ. μέσω γεννήτριας. Ο κινητήρας είναι συνήθως μικρότερος σε ένα σειριακό σύστημα μετάδοσης ισχύος καθώς έχει να αντιμετωπίσει μέτριες σε ισχύ οδηγικές απαιτήσεις. Αφού δεν είναι συνδεδεμένος απευθείας στο κιβώτιο ταχυτήτων, λειτουργεί σε συγκεκριμένες στροφές/φορτίο του πεδίου λειτουργίας όπου η απόδοση είναι υψηλή ή μπορεί να βρίσκεται προσωρινά ακόμα και εκτός λειτουργίας. Έτσι έχουμε ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης της βενζίνης. Η συστοιχία των μπαταριών είναι γενικά μεγάλης ισχύος με σκοπό να ικανοποιεί επιπλέον υψηλές οδηγικές ανάγκες, προσθέτοντας όμως βάρος και επιπλέον κόστος στο αυτοκίνητο. Οι επιδόσεις του αυτοκινήτου με αυτόν τον σχηματισμό εξαρτώνται άμεσα από την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος πρέπει να διαθέτει μεγάλο μέγεθος προκειμένου να αποδώσει την απαιτούμενη ισχύ. Ένας τόσο ισχυρός κινητήρας απαιτεί, με τη σειρά του, μεγάλο μέγεθος και βάρος συσσωρευτών προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις του σε ρεύμα, όταν ο οδηγός επιταχύνει έστω κι αν υπάρχει δευτερεύουσα γραμμή που να μεταφέρει το ρεύμα της γεννήτριας απευθείας στον ηλεκτροκινητήρα, παρακάμπτοντας τους συσσωρευτές. Σχήμα 1.2: Σειριακή συνδεσμολογία σε υβριδικό όχημα με βενζινοκινητήρα [41] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 13

15 2) Παράλληλα Σε έναν παράλληλο υβριδικό σχηματισμό (Σχήμα 1.3) και ο κινητήρας και ο ηλεκτροκινητήρας παράγουν την ισχύ για την κίνηση των τροχών όντας μόνιμα και ανεξάρτητα συνδεδεμένοι στο κιβώτιο ταχυτήτων. Αφού, σε αυτόν τον σχηματισμό, ο κινητήρας είναι συνδεδεμένος απευθείας στους τροχούς, εξαλείφεται η μείωση της απόδοσης κατά την μετατροπή της μηχανικής σε ηλεκτρική, ενέργειας που συμβαίνει στα σειριακά HEVs, κάτι που καθιστά αυτό το είδος των υβριδικών κατάλληλα για οδήγηση σε αυτοκινητοδρόμους. Σε αυτόν τον σχηματισμό, ο ηλεκτροκινητήρας έχει το ελάχιστο εκείνο μέγεθος που απαιτείται για τη μετακίνηση του αυτοκινήτου, με μικρή ταχύτητα, μέσα στην πόλη. Ο εμβολοφόρος κινητήρας από την άλλη έχει το ελάχιστο εκείνο μέγεθος που απαιτείται προκειμένου το αυτοκίνητο να μπορεί να κινείται με την επιθυμητή μέγιστη (σταθερή) ταχύτητα σε οριζόντιο επίπεδο, με άπνοια. Ταυτόχρονα, διοχετεύει ένα μικρό μέρος της ισχύος του στη γεννήτρια, προκειμένου να επαναφορτιστούν οι μπαταρίες του ηλεκτροκινητήρα. Τυπικά παραδείγματα πετρελαιο-κινητήρων ελαφριών φορτηγών HEVs με παράλληλη συνδεσμολογία είναι του DaimlerChrysler Dodge Ram (5.9 lt όγκος εμβολισμού με kw κινητήρα diesel), το οποίο βγήκε στην παραγωγή στα τέλη του 2004, του Toyota Hino Dutro (2,525 mm μεταξόνιο με 4 lt όγκο εμβολισμού, με σύστημα έγχυσης κοινού αυλού εισαγωγής, 4-κύλινδρος, σύστημα στροβιλο-υπερπλήρωσης με στρόβιλο μεταβλητής γεωμετρίας (VGT), 110 kw κινητήρα diesel σε σύνδεση με μια 23 kw, τριφασική AC σύγχρονη γεννήτρια/κινητήρα και μια 6.5 Ah NiMH συστοιχία μπαταριών), του Isuzu Elf (2,505 mm μεταξόνιο με 4.77 lt όγκο εμβολισμού, σύστημα έγχυσηςκοινού αυλού εισαγωγής,4-κύλινδρο, 96 kw κινητήρα diesel σε σύνδεση με μια 25.5 kw, τριφασική AC σύγχρονη γεννήτρια και 346V συστοιχία μπαταριών ιόντων λιθίου). Το πλεονέκτημα της παράλληλης σύνδεσης εμβολοφόρου κινητήρα και ηλεκτροκινητήρα βρίσκεται στη δυνατότητα που υπάρχει να αλληλοβοηθηθούν τα δυο συστήματα. Για παράδειγμα τι γίνεται στην περίπτωση που απαιτηθεί από τον κινητήρα να αποδώσει (π.χ. κατά τη διάρκεια μιας επιτάχυνσης ή ανωφέρειας) μεγαλύτερη ισχύ από αυτήν που αντιστοιχεί στις συνθήκες ιδανικής θερμικής απόδοσης; Η λύση που προτείνεται από την παράλληλη υβριδική συνδεσμολογία είναι να ενεργοποιηθεί ο ηλεκτροκινητήρας και να προσφέρει αυτός την επιπλέον ισχύ που χρειάζεται το αυτοκίνητο, χωρίς ο εμβολοφόρος κινητήρας να λειτουργήσει υπό συνθήκες που θα αύξαναν την κατανάλωση του και πιθανόν και τις εκπομπές καυσαερίου. Σχήμα 1.3 : Παράλληλη συνδεσμολογία σε υβριδικό όχημα [41] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 14

16 3) Μικτά Ένας σειριακός/παράλληλος (μικτός) σχηματισμός (Σχήμα 1.4) εμφανίζει τα πλεονεκτήματα αλλά και τα προβλήματα των παράλληλων και των σειριακών σχηματισμών. Εδώ, ο κινητήρας μπορεί να κινεί τους τροχούς απευθείας αλλά μπορεί και να είναι αποσυνδεδεμένος από αυτούς έτσι ώστε να κινούνται μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα. Το Toyota Prius έκανε αυτή τη διάταξη διάσημη και μια παρόμοια τεχνολογία χρησιμοποιείται και στο υβριδικό Ford Escape. Το σύστημα αυτό είναι πιο ακριβό από ένα παράλληλου σχηματισμού αφού απαιτεί γεννήτρια, μεγαλύτερη συστοιχία μπαταριών και ένα πιο σύνθετο και ανεπτυγμένο σύστημα ελέγχου. Ωστόσο, ο μικτός σχηματισμός έχει τη δυνατότητα καλύτερης απόδοσης απ ότι ο κάθε σχηματισμός ξεχωριστά. Σχήμα 1.4: Μικτή συνδεσμολογία σε υβριδικό όχημα [41] Συνοψίζοντας, τα πλεονεκτήματα της υβριδοποίησης των αυτοκινήτων είναι τα εξής: Μικρότερο μέγεθος Μ.Ε.Κ. Η Μ.Ε.Κ. τίθεται προσωρινά εκτός λειτουργίας, οπότε έχουμε μικρότερη κατανάλωση καυσίμου. Η Μ.Ε.Κ. λειτουργεί σε σταθερή ταχύτητα/φορτίο του πεδίου λειτουργίας σε σχετικά υψηλή απόδοση. Ανάκτηση ισχύος και φόρτιση των μπαταριών κατά το φρενάρισμα Στις σειριακές HEV συνδεσμολογίες ο κινητήρας πρακτικά προστατεύεται από τη μεταβατική λειτουργία αφού δεν είναι απευθείας συνδεδεμένος στους τροχούς. Έτσι δεν χρειάζεται να ακολουθεί τον κύκλο λειτουργίας του οχήματος. Από την πλευρά πάντως της μεταβατικής λειτουργίας, ο πιο ενδιαφέρων σχηματισμός είναι ο παράλληλος, αφού σε αυτόν τον σχηματισμό ο κινητήρας diesel διατηρεί τον πρώτο ρόλο στην κίνηση του οχήματος έχοντας τον ηλεκτροκινητήρα και τις ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 15

17 μπαταρίες για την περαιτέρω τροφοδότηση ισχύος όταν αυτή χρειαστεί. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η επέκταση του συμβατικού συστήματος μετάδοσης ισχύος του Σχήματος 1.5, διαμορφωμένο τώρα ως παράλληλη συνδεσμολογία σε όχημα HEV. Σχήμα 1.5 : Παράλληλη συνδεσμολογία σε diesel HEV [41] Υπόλοιπες Υβριδικές Εκδοχές. Εκτός όμως από τα υβριδικά οχήματα με χρήση ηλεκτροκινητήρα σε συνδυασμό με μια Μ.Ε.Κ. υπάρχουν και άλλες εκδοχές όπως τα υβριδικά με κυψέλες καυσίμου, τα υδραυλικά υβριδικά και τα πνευματικά υβριδικά Υβριδικά οχήματα με κυψέλες καυσίμου. Καθώς τα HEV κερδίζουν έδαφος, η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου (fuel cells) στα οχήματα αρχίζει να αποκτά ενδιαφέρον. Οι κυψέλες καυσίμου με υδρογόνο χρησιμοποιούνται εδώ και καιρό για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε διαστημικές εφαρμογές και ως βοηθητικές μονάδες παραγωγής ενέργειας σε περίπτωση αιχμής. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω χημικής αντίδρασης μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου χωρίς να παράγουν βλαβερές εκπομπές. Ουσιαστικά, οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια μιαςαντίδρασης απευθείας σε ηλεκτρική. Η βασική φυσική δομή μιας κυψέλης καυσίμου (Σχήμα 1.6) αποτελείται από μια λεπτή μεμβράνη ηλεκτρολύτη που έρχεται σε επαφή με μια πορώδη άνοδο από τη μια πλευρά και μια πορώδη κάθοδο από την άλλη. Μια σχηματική αναπαράσταση κυψέλης καυσίμου, με ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 16

18 τα αντιδρώντα και τα παράγωγα καθώς και η πορεία των ιόντων διαμέσου της κυψέλης, φαίνεται παρακάτω. Σχήμα 1.6 : Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας μιας κυψέλης καυσίμου [62] Σε μια συνήθη κυψέλη καυσίμου τα καύσιμα αέριας μορφής (π.χ. υδρογόνο) τροφοδοτούνται συνεχώς προς την άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο) και ένα οξειδωτικό (π.χ. οξυγόνο) τροφοδοτείται προς την κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο). Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στα ηλεκτρόδια για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Μια κυψέλη καυσίμου, αν και έχει στοιχεία και χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά μιας μπαταρίας, διαφέρει με αυτήν αρκετά. Η μπαταρία είναι μονάδα αποθήκευσης ενέργειας. Η μέγιστη διαθέσιμη ενέργεια καθορίζεται από την ποσότητα της χημικής ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στην μπαταρία. Η μπαταρία θα σταματήσει να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όταν η χημική της ενέργεια καταναλωθεί, δηλαδή όταν αυτή αποφορτιστεί. Για την επαναφόρτιση της, πρέπει να την τροφοδοτήσουμε με ενέργεια από μια εξωτερική πηγή. Από την άλλη, η κυψέλη καυσίμου είναι μια συσκευή μετατροπής ενέργειας που θεωρητικά έχει τη δυνατότητα να παράγει ηλεκτρική ενέργεια όσο το καύσιμο και το οξειδωτικό παρέχονται στα ηλεκτρόδια. Στην πραγματικότητα όμως, η χημική διάβρωση και η δυσλειτουργία των υλικών περιορίζει πρακτικά τη λειτουργική διάρκεια των κυψελών καυσίμου. Το αέριο υδρογόνο είναι το καύσιμο για τις περισσότερες εφαρμογές, εξαιτίας της υψηλής του αντιδραστικότητας, τηςδυνατότητας να παράγεται από υδρογονάνθρακες και της υψηλής του ενεργειακής πυκνότητας όταν αποθηκεύεται κρυογενικά, όπως στο διάστημα. Παρομοίως, το οξυγόνο είναι το πιο κοινό οξειδωτικό αφού είναι ευρέως διαθέσιμο στην ατμόσφαιρα και εύκολα αποθηκεύεται. Σχήμα 1.6 : Η δομή μιας κυψέλης καυσίμου [62] Στα υβριδικά οχήματα κυψελών καυσίμου (FCVs), (Σχήμα 1.7), το υδρογόνο αποθηκεύεται σε δεξαμενές καυσίμου που βρίσκονται επί του οχήματος και η ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 17

19 ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από την κυψέλη καυσίμου τροφοδοτεί μια μπαταρία που ενεργοποιεί τον ηλεκτροκινητήρα που δίνει κίνηση στους τροχούς. Όσο λοιπόν είναι γεμάτη η δεξαμενή με το υδρογόνο, η αντίδραση οξυγόνου υδρογόνου θα εξακολουθεί να υφίσταται στην κυψέλη, οπότε και η μπαταρία θα φορτίζεται και το όχημα θα κινείται. Τα FCVs μπορεί να είναι δυο φορές πιο αποδοτικά από τα αντίστοιχα συμβατικού τύπου. Μπορούν επίσης να εξοπλιστούν με άλλες σύγχρονες τεχνολογίες για αύξηση της απόδοσης, όπως συστήματα ανάκτησης ισχύος κατά το φρενάρισμα που αιχμαλωτίζουν την ενέργεια που χάνεται στο φρενάρισμα και την αποθηκεύουν σε μια μεγάλων διαστάσεων μπαταρία. Σχήμα 1.7 : Βασικά στοιχεία ενός υδρογονικού FCV [62] Τα FCVs μπορούν να τροφοδοτούνται με αέριο υδρογόνο που αποθηκεύεται απευθείας στο όχημα μέσα σε δεξαμενές ή παράγεται από ένα δευτερεύον καύσιμο, όπως η μεθανόλη, η αιθανόλη ή το φυσικό αέριο που εμπεριέχει οξυγόνο. Αυτά τα δευτερεύοντα καύσιμα μετατρέπονται σε αέριο υδρογόνο από έναν αναμορφωτή καυσίμου (reformer) που είναι επί του οχήματος. Τα FCVs που τροφοδοτούνται αμέσως με υδρογόνο δεν εκπέμπουν ρύπους -μόνο υδρατμό και θερμότητα-, ενώ αυτά που κάνουν χρήση δευτερευόντων αερίων και ενός αναμορφωτή καυσίμου (reformer) παράγουν μικρές ποσότητες αέριων ρύπων. Όπως και με τα άλλα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τα οχήματα κυψελών καυσίμου είναι αθόρυβα, κινούνται ομαλά, είναι ευχάριστα στην οδήγηση και θα πρέπει να έχουν την ίδια αποδοχή όπως και τα συμβατικά. Τα λεωφορεία κυψελών καυσίμου ήδη λειτουργούν σε αρκετές πόλεις της Αμερικής. Τα πλεονεκτήματα των κυψελών καυσίμου είναι πέρα από μια απλή προσφορά λύσης σε περιβαλλοντικά και ενεργειακά ζητήματα. Επειδή οι κυψέλες καυσίμου παράγουν λίγη θερμότητα, λειτουργούν αθόρυβα χωρίς δονήσεις και μεταδίδουν την ενέργεια τους σε μορφή ηλεκτρισμού, μπορούν να τοποθετηθούν οπουδήποτε σε ένα όχημα. Η ισχύς δεν χρειάζεται να μεταδοθεί μηχανικά από έναν κινητήρα στους τροχούς, οπότε οι μηχανικοί έχουν μεγαλύτερη ευχέρεια στη μελέτη κατασκευής του οχήματος. Αναιρώντας τους συμβατικούς σχεδιαστικούς περιορισμούς, οι κυψέλες καυσίμου δίνουν τη δυνατότητα για νέες ιδέες στον σχεδιασμό τωναυτοκινήτων. Το Toyota Fine-X που παρουσιάστηκε στην 39η έκθεση στο Τόκυο είναι παράδειγμα αυτού του είδους της επαναστατικής, υψηλά αποδοτικής δημιουργίας. Χρησιμοποιώντας μια συμβατική κυψέλη καυσίμου κάτω από το δάπεδο του αυτοκινήτου και τέσσερις ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 18

20 ηλεκτροκινητήρες στους τροχούς, το Fine-X προσφέρει άνεση στην εσωτερική καμπίνα. Εικόνα 1.4 Toyota Fine-X [62] Εικόνα 1.5 Λεωφορείο με κυψέλες καυσίμου [62] Εικόνα 1.6 Εικονικός ιδιωτικός σταθμός ενός FCV [62] Το τετρακίνητο FCX Concept αποτελεί την τελευταία (και πλέον εξελιγμένη) έκδοση της μακράς σειράς των πειραματικών κυψελωτών FCX και αποτελεί φορέα για όλες εκείνες τις καινοτόμες τεχνολογίες που ανακοινώθηκαν από τη Honda τους τελευταίους μήνες. Για παράδειγμα, στην κυψέλη του έχει ενσωματωθεί η τεχνολογία ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 19

21 εκείνη που παρέχει δυνατότητα λειτουργίας σε υπομηδενικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος (και συγκεκριμένα έως τους -20 οc ) ενώ αξίζει να σημειωθεί ότι παρά το γεγονός ότι οι εξωτερικές της διαστάσεις είναι αρκετά μικρές, είναι ταυτόχρονα και η ισχυρότερη της ιστορίας των FCX, αποδίδοντας 100kW. Για να καταφέρει η Honda να λειτουργεί την κυψέλη στους -20 οc άλλαξε τη συνήθη - μέχρι τότε οριζόντια ροή υδρογόνου και αέρα, στο εσωτερικό της κυψέλης, αντικαθιστώντας τη με μια κατακόρυφη. Τα δυο συνεργαζόμενα αέρια κινούνται, έτσι, με κατεύθυνση από την κορυφή της κυψέλης προς τον πυθμένα της το αποτέλεσμα είναι να απομακρύνεται, λόγω της βαρύτητας, το παραγόμενο νερό από τα στοιχεία της κυψέλης και να καταλήγει στον πυθμένα, απ όπου και απορρέει προς το εξωτερικό. Αντίθετα, στις συμβατικές κυψέλες οριζόντιας ροής, η παραμονή του νερού στις επιφάνειες των στοιχείων οδηγεί σε παγοποίηση, άρα και αδρανοποίηση της κυψέλης. Με αυτά τα 100kW, η κυψέλη υδρογόνου τροφοδοτεί τρεις κινητήρες: έναν κεντρικό των 80 kw για τους πρόσθιους τροχούς (στους οποίους και μεταδίδει την κίνηση του μέσω συστήματος υποπολλαπλασιασμού και αρθρωτών ημιαξονίων) και δυο μικρούς των 25 kw - τύπου in-hub/εσωτερικού ρότορα - τοποθετημένους ( έκκεντρα ) στο εσωτερικό των πίσω τροχών. Εικόνα1.7 : Οι μικροί in-hub ηλεκτροκινητήρες των πίσω τροχών, ισχύος 25kW ο καθένας. [62] Εικόνα 1.8: Το τετρακίνητο FCX Concept της Honda [61] Στο παρακάτω Σχήμα 1.8 παρουσιάζεται το πλαίσιο και τα ηλεκτρομηχανικά μέρη του FCX Concept. Οι δυο μικροσκοπικές δεξαμενές χωρούν τη διπλάσια (τουλάχιστον) ποσότητα υδρογόνου για δεδομένη πίεση -, χάρη στο υλικό απορρόφησης το οποίο διαθέτουν στο εσωτερικό τους. Η κεντρική ραχοκοκαλιά δεν είναι άλλη από τη μικροσκοπική (αλλά πανίσχυρη) κυψέλη καυσίμου. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 20

22 Σχήμα 1.8 : Το πλαίσιο και τα ηλεκτρομηχανικά μέρη του FCX Concept [61] 1.6 Σύστημα Ελέγχου Υβριδικού Οχήματος Ροή Ισχύος σε HEV. Όπως προαναφέρθηκε στόχος από τη δημιουργία των υβριδικών αυτοκινήτων ήταν η μείωση της ρύπανσης του περιβάλλοντος από τα αυτοκίνητα μέσω της εξοικονόμησης ενέργειας ή καλύτερα της ελάχιστης κατανάλωσης ενέργειας κάτι το οποίο επιτυγχάνεται με κατάλληλο σύστημα ελέγχου. Η σύμπλεξη στο (σταθερής σχέσης μετάδοσης) κιβώτιο ταχυτήτων δεσμεύει ή αποδεσμεύει τον ηλεκτροκινητήρα ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας του υβριδικού. Έτσι, η Μ.Ε.Κ. και ο ηλεκτροκινητήρας συνδέονται στον άξονα μετάδοσης κίνησης που δίνει κίνηση στο διαφορικό και σε δυο ημιαξόνια. Ο Η/Κ φορτίζει τη συστοιχία των μπαταριών όταν λειτουργεί σαν γεννήτρια (π.χ. ανάκτηση ισχύος κατά τη διάρκεια φρεναρίσματος) και αποφορτίζει τις μπαταρίες όταν βοηθάει τον κινητήρα στην προώθηση του οχήματος (π.χ. κατά τη διάρκεια μιας επιτάχυνσης) όταν λειτουργεί σαν κινητήρας. Συνολικά υπάρχουν πέντε διαφορετικοί πιθανοί τρόποι οδήγησης σε έναν τέτοιο σχηματισμό. Ονομαστικά αυτοί είναι: i. λειτουργία οχήματος μηδενικών εκπομπών (ZEV) (ο κινητήρας σβηστός, λειτουργεί ο ηλεκτροκινητήρας) ii. κανονική λειτουργία κινητήρα (όπως και στα συμβατικά οχήματα) iii. υβριδική λειτουργία κινητήρα και ηλεκτροκινητήρα. iv. υβριδική λειτουργία ηλεκτροκινητήρα ως γεννήτρια (ο κινητήρας παρέχει την ισχύ προώθησης του οχήματος και ταυτόχρονα φορτίζει τις μπαταρίες). v. λειτουργία ανάκτησης ισχύος κατά το φρενάρισμα (regenerative braking) Παρακάτω παρουσιάζονται εικονικά τα διάφορα εναλλακτικά σενάρια της ροής ισχύος σε ένα τέτοιο σύστημα ελέγχου και συγκεκριμένα της Toyota. Η μικτή συνδεσμολογία κινητήρα γεννήτριας ηλεκτροκινητήρα επιτρέπει την αξιοποίηση, κατά περίπτωση, των μελών εκείνων του υβριδικού συστήματος που η συνεργασία τους θα επιφέρει το επιθυμητό αποτέλεσμα με την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Έτσι, όταν η μπαταρία είναι φορτισμένη και η κίνηση του αυτοκινήτου γίνεται σε πολύ χαμηλές ταχύτητες, ο κινητήρας σβήνει προκειμένου να αποφευχθεί η λειτουργία του υπό καθεστώς χαμηλού βαθμού απόδοσης. Το αυτοκίνητο κινείται αποκλειστικά από τον ηλεκτροκινητήρα (Ροή ισχύος Α). ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 21

23 Σχήμα 1.9 : Ροή ισχύος στην εκκίνηση και σε χαμηλές ταχύτητες. [62] Κάτω από κανονικές συνθήκες οδήγησης, η ισχύς του κινητήρα μοιράζεται μεταξύ των τροχών (C) και της γεννήτριας. Ένα μέρος από το ρεύμα που παράγεται από τη γεννήτρια διοχετεύεται στην μπαταρία, φορτίζοντας την και το υπόλοιπο πηγαίνει στον ηλεκτροκινητήρα που με τη σειρά του (Β), συνεισφέρει στην κίνηση των τροχών. Οι επιμέρους κατανομές ισχύος και ρεύματος επιλέγονται έτσι, ως προς τα ποσοστά τους, ώστε να επιτυγχάνεται η μεγιστοποίηση του συνολικού βαθμού απόδοσης του συστήματος. Σχήμα 1.10: Ροή ισχύος σε ομαλές συνθήκες οδήγησης. [62] Στην περίπτωση που απαιτείται έντονη επιτάχυνση, ολόκληρη η παραγόμενη ισχύς από τον κινητήρα διοχετεύεται στους τροχούς όπως και η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα (Β+C) ο οποίος τροφοδοτείται από την μπαταρία (Α). Το ποσοστό της ισχύος που θα καταλήξει στους τροχούς από τον κινητήρα και τον ηλεκτροκινητήρα καθορίζεται και πάλι από τα κριτήρια μεγιστοποίησης του βαθμού απόδοσης. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 22

24 Σχήμα 1.11: Ροή ισχύος στη διάρκεια έντονης επιτάχυνσης. [62] Όταν το αυτοκίνητο επιβραδύνει, ο ηλεκτροκινητήρας μετατρέπεται σε ισχυρή γεννήτρια, ικανή να απορροφήσει μεγάλα ποσά κινητικής ενέργειας, η οποία μετατρέπεται σε ηλεκτρική (D). Η επενέργεια των - ηλεκτρικά ελεγχόμενων - υδραυλικών φρένων καθορίζεται από την ένταση της «αιτούμενης» επιβράδυνσης και από τις ανάγκες για σωστή κατανομή των επιβραδυντικών φορτίων ανάμεσα στους εμπρός και τους πίσω τροχούς. Σχήμα 1.12: Ροή ισχύος κατά την επιβράδυνση. [62] Τέλος, όταν το αυτοκίνητο ακινητεί και η μπαταρία βρίσκεται σε χαμηλό επίπεδο φόρτισης, ο κινητήρας ενεργοποιείται και τη «γεμίζει», μέσω της γεννήτριας. Σχήμα 1.13:Ροή ισχύος κατά την ακινησία οχήματος. [62] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 23

25 1.7 Τα υβριδικά αυτοκίνητα της ελληνικής αγοράς. Εικόνα 1.9 [1] Τα υβριδικά αυτοκίνητα ολοένα και πληθαίνουν, αφού καλύπτουν όλη τη γκάμα από μικρά έως πολυτελείας έχοντας ως κοινό σκοπό, ανεξαρτήτως τιμής και χαρακτηριστικών, την προστασία του περιβάλλοντος μέσω της μειωμένης κατανάλωσης και εκπομπών CO2. Ας δούμε ποια είναι αυτά που διατίθενται στην Ελλάδα. Tα υβριδικά αυτοκίνητα που υπήρχαν στην ελληνική αγορά μέχρι πριν από λίγα χρόνια ήταν ελάχιστα αριθμητικά, με πρώτο το Prius που λανσαρίστηκε στα τέλη του Μετέπειτα, ακολούθησε η επόμενη γενιά του Prius το 2003, το Lexus RX400h τo 2005, ενώ η Honda, το 2006 λανσάρισε το Civic Hybrid 4d, το Audi Q5 Hybrid και Α6 Hybrid στα τέλη του 2011, ενώ στις αρχές του 2012 έκανε την εμφάνισή του το νέο Yaris HSD Σήμερα, τα υβριδικά μετρού στην εγχώρια πάντα αγορά 14 συνολικά μοντέλα. Παράλληλα, στο άμεσο μέλλον αναμένεται να κυκλοφορήσουν και άλλα αυτοκίνητα. Βλέπουμε λοιπόν, ότι πρόκειται για μια "κατηγορία" με μεγάλη δυναμική που επεκτείνεται με ταυτόχρονο όφελος, όχι μόνο προς το περιβάλλον αλλά και προς τον καταναλωτή, αφού η απόκτηση ενός υβριδικού γίνεται όλο και πιο προσιτή σε τιμές. Τα υβριδικά αυτοκίνητα της ελληνικής αγοράς ΜΙΚΡΑ - Honda Jazz Hybrid - Honda CR-Z ΜΙΚΡΟΜΕΣΑΙΑ - Honda Civic 1,3 Hybrid - Honda Insight - Lexus CT 200h - Toyota Auris HSD - Toyota Prius ΕΚΤOΣ ΔΡΟΜΟΥ - BMW X6 ActiveHybrid ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 24

26 - Lexus RX 450h - Porsche Cayenne S Hybrid - VW Touareg 3, 0 TSI Hybrid ΠΟΛΥΤΕΛΗ - Lexus GS 450h - Lexus LS 600h - Mercedes S400 Hybrid 1.8 Επίλογος. Τα υβριδικά διαθέτουν όλα εκείνα τα στοιχεία που θα τους επιτρέψουν να πρωταγωνιστήσουν στην τρέχουσα δεκαετία. Χωρίς να χρησιμοποιούν επαναστατική ή ριζοσπαστική τεχνολογία, επιτυγχάνουν εντούτοις με έξυπνες λύσεις την χρυσή τομή μεταξύ επιδόσεων και κατανάλωσης. Τα σημερινά δεδομένα δείχνουν ότι σύντομα θα κάνουν την εμφάνισή τους και καθαρόαιμες σπορ κατασκευές με υβριδικά κινητήρια σύνολα, δείχνοντας το δρόμο για πρωταγωνιστικό ρόλο που αναμένονται να διαδραματίσουν κάποια στιγμή στο μέλλον. 2.Κυψέλες Καυσίμου. 2 ο Κεφάλαιο Η πρώτη εμφάνιση κυψελών καυσίμων ήταν το 1839 από τον Sir William Grove, ένα Ουαλλέζο δικαστή και επιστήμονα. Αλλά η πρώτη της εφαρμογή ήταν, όταν η κυβέρνηση των Η.Π.Α. αποφάσισε να επιλέξει στο διαστημικό πρόγραμμα της τις κυψέλες καυσίμων τη δεκαετία του 60. Μία κυψέλη καυσίμου λειτουργεί σαν μια «μπαταρία», μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης ενός καυσίμου (υδρογόνο) με ένα οξειδωτικό (οξυγόνο). Οι κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells), αποτελούν σήμερα τις σημαντικότερες διατάξεις παραγωγής ενέργειας μέσω του υδρογόνου. Το γεγονός αυτό έχει οδηγήσει πολλές μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες να επικεντρώνουν το ενδιαφέρον τους στον τομέα αυτό. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρικά ή συμβατικά αυτοκίνητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επιτόπου, αντικαθιστώντας τις μπαταρίες ή τον κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχα και αλλάζοντας τα δεδομένα στον τομέα της αυτονομίας αλλά και της απόδοσης των οχημάτων. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν σήμερα οι διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου, είναι ότι εκτός από καθαρό υδρογόνο, μπορούν να ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 25

27 χρησιμοποιήσουν και άλλα είδη καυσίμων τα οποία περιέχουν στη σύνθεσή τους υδρογόνο, χωρίς να μειώνεται σημαντικά η απόδοση τους σε ισχύ. Ένα από τα στοιχεία που χαρακτηρίζουν τις κυψέλες καυσίμου ως πλεονεκτικές διατάξεις είναι η δυνατότητα που έχουν να παράγουν μεγάλα ποσά ενέργειας από το καύσιμο που χρησιμοποιούν (υδρογόνο), με αποτέλεσμα η απόδοση τους να είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή των Μ.Ε.Κ. που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα. Από περιβαλλοντικής πλευράς, η μαζική χρήση των κυψελών καυσίμου είναι πιο συμφέρουσα έναντι αυτής των συμβατικών διατάξεων παραγωγής ενέργειας (Μ.Ε.Κ.), λόγω της διεργασίας της ηλεκτρόλυσης. Μια κυψέλη καυσίμου αποτελείται από την άνοδο (anode: αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο), την κάθοδο (cathode: θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο) και τον ηλεκτρολύτη,ο οποίος μπορεί να είναι κατασκευασμένος από διάφορα υλικά. Ο πιο συνηθισμένος καταλύτης είναι η πολυμερής μεμβράνη (PEMFC: κυψέλη καυσίμου πολυμερούς μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων). Μεταξύ της πολυμερούς μεμβράνης και των δύο ηλεκτροδίων, υπάρχει μια μεταλλική επίστρωση (στρώμα καταλύτη), χάρη στην οποία επιτυγχάνεται η ηλεκτρόλυση. Κατά την ηλεκτρόλυση η άνοδος τροφοδοτείται με υδρογόνο, το οποίο όταν έρθει σε επαφή με τον καταλύτη της ανόδου, διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) και σε ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο, αφού η μεμβράνη δεν επιτρέπει τη διέλευση τους μέσω αυτής, διευκολύνοντας έτσι την παραγωγή συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος. Στη συνέχεια, τα πρωτόνια διαπερνούν τη μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνο, το οποίο έχει διοχετευτεί στην κάθοδο και αποτέλεσμα της ένωσης αυτής, την παραγωγή νερού (υδρατμών). Λόγω της μικρής τάσης που παράγεται (0.7 V) σε μια κυψέλη καυσίμου, συνήθως χρησιμοποιούνται πολλές κυψέλες καυσίμου μαζί, οι οποίες συνδέονται σε σειρά (fuel cell stack: συστοιχία κυψελών καύσιμου), με αποτέλεσμα την αύξηση της παραγόμενης τάσης. Σχήμα 2.1. Κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) [42] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 26

28 2.1 Πλεονεκτήματα. Ελάχιστες εκπομπές ρύπων. Προστασία της ατμόσφαιρας, φιλικός προς το περιβάλλον ηλεκτρισμός Οι κυψέλες δεν έχουν κινητά μέρα. Ήσυχη λειτουργία και μικρή συντήρηση. Μεγάλη απόδοση στην μετατροπή ηλεκτρισμού της τάξης του 40-65%. Εξοικονόμηση ενέργειας. Προσαρμοζόμενος σχεδιασμός για εφαρμογές από watt μέχρι megawatt. Σαν αέριο ή υγρό, το υδρογόνο μπορεί εύκολα να μεταφερθεί, να φυλαχθεί και τελικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κάθε εφαρμογή όπου χρησιμοποιούνται σήμερα τα καύσιμα. Κοστίζει λιγότερο για να μετακινηθεί το υδρογόνο σε άλλες ηπείρους ως συμπιεσμένο αέριο με τη βοήθεια σωλήνων, από ένα ίσο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας. Το υγρό υδρογόνο είναι η ασφαλέστερη και πιο οικονομική επιλογή για την κίνηση της ενέργειας από τους ωκεανούς. Το υδρογόνο είναι το πιο ασφαλές από όλα τα καύσιμα. Το αέριο υδρογόνο είναι 14 φορές ελαφρύτερο από τον αέρα και για αυτό διαχέεται ταχέως στην ατμόσφαιρα στην περίπτωση ενός ατυχήματος. Ενώ τα άλλα καύσιμα έχουν μεγάλο χρόνο επικινδυνότητας έως ότου αυτά ξεφύγουν από την θέση τους. 2.2 Μειονεκτήματα. "Πράσινος" κίνδυνος Η χρήση του υδρογόνου ως πηγή ενέργειας τις επόμενες δεκαετίες ίσως βλάψει σημαντικά το στρώμα του όζοντος, σύμφωνα με έρευνα που δημοσιεύεται στο περιοδικό Science. Η ερευνητική ομάδα του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας (CalTech) υποστηρίζει ότι το υδρογόνο που διαρρέει στο περιβάλλον θα ανεβαίνει πολύ γρήγορα στη στρατόσφαιρα - το υδρογόνο είναι το πιο ελαφρύ στοιχείο - όπου θα αντιδρά με το οξυγόνο για το σχηματισμό νερού. Άγνωστες παράμετροι. Σύμφωνα με υπολογισμούς, η διαρροή από τις μονάδες παραγωγής, αποθήκευσης και διανομής του καυσίμου θα αντιστοιχεί στο 20% της ολικής ποσότητας υδρογόνου. Τέλος ένα μεγάλο μειονέκτημα των κυψελών καυσίμου είναι το μεγάλο οικονομικό κόστος που συνεπάγεται η χρήση τους. 2.3 Σύγκριση βαθμού απόδοσης κυψελών καυσίμου με Μ.Ε.Κ. Όταν το όχημα καταναλώσει καθαρό υδρογόνο για την τροφοδοσία της κυψέλης καυσίμου αποδεικνύεται ότι ο βαθμός απόδοσης της ηλεκτρικής ισχύος ανέρχεται σε υψηλά ποσοστά έως και 80% περίπου. Τα περισσότερα οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου που έχουν κατασκευαστεί μέχρι και σήμερα δεν έχουν τη δυνατότητα να καταναλώνουν απευθείας καθαρό υδρογόνο, αλλά χρησιμοποιούν υδρογονούχα καύσιμα, τα οποία απαιτούν αναμορφωτή καυσίμου (reformer) για να μετατραπούν σε καθαρό υδρογόνο και να καταναλωθούν στη συνέχεια στην κυψέλη καυσίμου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση του βαθμού απόδοσης, λόγω της ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανάται στον αναμορφωτή. Ο βαθμός θερμικής απόδοσης, nth, μιας θερμικής μηχανής, είναι ίσος με τον λόγο του έργου που εκτελεί το σύστημα προς τη θερμότητα που εισήχθη στο σύστημα. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 27

29 n th = W net Q in = Q in Q out Q in = 1 Q in Q out (1) Για αντιστρεπτές διεργασίες ο λόγος των θερμοτήτων μπορεί να αντικατασταθεί από τον λόγο των θερμοκρασιών, στις οποίες ανταλλάσσονται οι θερμότητες. Η σχέση που προκύπτει για τον βαθμό θερμικής απόδοσης (θερμική απόδοση για τον κύκλο Carnot) είναι: n th = 1 T L T H (2) TL είναι η ελάχιστη θερμοκρασία στον κύκλο και TH η μέγιστη Έχοντας ως σημείο αναφοράς το περιβάλλον, το οποίο αποτελεί το ψυχροδοχείο μιας θερμικής μηχανής, η απόδοση του κύκλου Carnot εξαρτάται από την υψηλότερη θερμοκρασία στον κύκλο, όπου όσο μεγαλύτερη είναι αυτή τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η θερμική απόδοση. Για να φτάσει όμως τη μεγαλύτερη δυνατή θερμοκρασία το καύσιμο, χάνει ένα μέρος της χημικής ενέργειας σε αναντίστρεπτες διεργασίες οι οποίες συμβαίνουν κατά τη διαδικασία της καύσης. W max,cell = ΔG (3) Αντίθετα, οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε σταθερές θερμοκρασίες με τα προϊόντα της αντίδρασης να απομακρύνονται στην ίδια θερμοκρασία στην οποία βρίσκονται τα αντιδρώντα. Λόγω αυτής της ισόθερμης αντίδρασης, περισσότερη από τη χημική ενέργεια των αντιδρώντων μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, αντί να καταναλώνεται, ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία των προϊόντων. Η διεργασία της ηλεκτροχημικής μετατροπής είναι λοιπόν λιγότερο αντιστρεπτή από την αντίδραση της καύσης. Επομένως, οι διεργασίες που εκτελούνται στις κυψέλες καυσίμου δεν σχετίζονται με την απόδοση που ο κύκλος Carnot ορίζει για τις θερμικές μηχανές στις οποίες το μέγιστο έργο ορίζεται σύμφωνα με την υψηλότερη θερμοκρασία στον κύκλο. Αντίθετα, το μέγιστο έργο, Wmax,cell, για μια κυψέλη καυσίμου είναι ίσο με την αλλαγή στη συνάρτηση Gibbs, ΔG, μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων. Το έργο μιας κυψέλης καυσίμου, Wcell, το οποίο εκτελείται από τα ηλεκτρόνια με τη φόρτιση κινούμενα μέσω μιας διαφοράς δυναμικού, Ε, είναι: W cell = n e FE (4) ne είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται ανά mole καυσίμου, F είναι η σταθερά του Faraday (96,485 C/mole-1). Για τη σύγκριση μεταξύ θερμικών μηχανών και κυψελών καυσίμου, χρησιμοποιείται η απόδοση που βασίζεται στον Πρώτο Θερμοδυναμικό Νόμο. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 28

30 n th,cell = W cell HHV = n efe HHV (5) HHV: η ανώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου. Η μέγιστη απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου δίνεται από την τάση ανοιχτού κυκλώματος, Ε, κατά την κατάσταση ισορροπίας,, στην οποία δεν παρατηρείται κίνηση ηλεκτρονίων στην κυψέλη. n th,cell,max = n efe 0 HHV (6) Η απόδοση, που βασίζεται στον Δεύτερο Θερμοδυναμικό Νόμο (ΒΘΝ), μιας συσκευής μετατροπής ενέργειας, δείχνει τον βαθμό αντιστρεπτότητας συγκρίνοντας το πραγματικό έργο με το μέγιστο δυνατό έργο που μπορεί να παραχθεί. Για τις κυψέλες καυσίμου η απόδοση του ΒΘΝ, είναι ο λόγος διαφορών δυναμικού: n 2nd,heat,engine = W act W rev = W act W Carnot n 2nd,heat,cell = n act n rev = n efe n e FE 0 = E E 0 (7) και για τις κυψέλες καυσίμου Το μέγιστο έργο που μπορεί να παραχθεί από μία ΜΕΚ καθορίζεται από τον βαθμό θερμικής απόδοσης. Ρεαλιστικές τιμές για αποδόσεις των ΜΕΚ κυμαίνονται από 20% έως 45% για πολύ αποδοτικές μηχανές ντήζελ. Η απόδοση των ΜΕΚ περιορίζεται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, λόγω της μη δυνατότητας λειτουργίας τους σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και λόγω των αναντιστρεπτοτήτων κατά τη διάρκεια λειτουργίας. Η απόδοση των κυψελών καυσίμου δεν σχετίζεται σε αυτούς τους περιορισμούς, με αποτέλεσμα να είναι μεγαλύτερη από αυτή των ΜΕΚ. Για την εύρεση της απόδοσης των κυψελών καυσίμου ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία: Ισχύει ότι G = H TS, άρα ΔG= ΔH-ΔT, για Τ σταθερή και αντικαθιστώντας τα θερμοδυναμικά δεδομένα στις πρότυπες συνθήκες (P = 1atm και T = 25 C) προκύπτει ότι ΔG = -273,180 J/mol. Η θερμική απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου δίνεται από τη σχέση: n = ΔG (8) και αντικαθιστώντας τις τιμές στην παραπάνω σχέση από πίνακες, ΔΗ προκύπτει ότι n = 83%. Η απόδοση αυτή είναι θεωρητική και δεν μπορεί να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Η διαφορά δυναμικού που αντιστοιχεί σε αυτή την τιμή του ΔG από τον τύπο ΔG = - nfe είναι ίση με E =1,23V. Η διαφορά αυτή δυναμικού αντιστοιχεί σε διαφορά δυναμικού ανοιχτού κυκλώματος και αντιστοιχεί σε απόδοση δυναμικού 100% των κυψελών καυσίμου. Με αυτόν τον τρόπο δεν κυκλοφορεί ρεύμα με αποτέλεσμα να μην παράγεται έργο, πράγμα που δείχνει έναν από τους λόγους που μια κυψέλη καυσίμου δεν είναι δυνατόν να λειτουργεί με τέτοια απόδοση. Λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες λόγω της λειτουργίας, ο βαθμός απόδοσης μιας κυψέλης καυσίμου από τη δεξαμενή μέχρι τους τροχούς ανέρχεται στο 40%. Το ποσοστό αυτό είναι μικρότερο από το 60% που έχει προκύψει ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 29

31 από άλλες θεωρήσεις, αλλά είναι πολύ μεγαλύτερο απ αυτό των ΜΕΚ ο βαθμός απόδοσης των οποίων κυμαίνεται στο 20% περίπου. Αν θεωρηθεί ότι το υδρογόνο που καταναλώνεται από μια κυψέλη καυσίμου παράγεται από ηλεκτρόλυση, τότε η συνολική απόδοση από το εργοστάσιο παραγωγής του υδρογόνου μέχρι τους τροχούς του αυτοκινήτου είναι 22% για το συμπιεσμένο αέριο υδρογόνο και 17% για το υγρό υδρογόνο. Η απόδοση για την παραγωγή βενζίνης από αργό πετρέλαιο είναι περίπου 73 91% (από το διυλιστήριο ως τις αντλίες των πρατηρίων). Το 88% του πετρελαίου καταλήγει στη δεξαμενή του αυτοκινήτου και από εκεί το 16% της ενέργειας της βενζίνης καταλήγει στους τροχούς ενός σύγχρονου αυτοκινήτου. Άρα, η τελική απόδοση από την παραγωγή της βενζίνης μέχρι την κατανάλωση της στους τροχούς του οχήματος είναι περίπου 14%. Από τους διάφορους τύπους κυψελών καυσίμου, ο πιο κατάλληλος για εφαρμογή στα αυτοκίνητα είναι η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Οι κυψέλες καυσίμου αυτού του τύπου έχουν το πλεονέκτημα της μεγάλης διάρκειας ζωής σε συνδυασμό με μικρές απαιτήσεις συντήρησης. Σε περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο, χρησιμοποιείται κάποιο άλλο καύσιμο, που περιέχει στη σύνθεση του υδρογόνο, όπως για παράδειγμα μεθανόλη. Σε αυτή την περίπτωση ένα αέριο μίγμα υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα παράγεται πάνω στο αυτοκίνητο με αντίδραση της μεθανόλης με ατμό (αναμορφωτής) και τη βοήθεια ενός καταλύτη. Εικόνα 2.1 Αυτοκίνητο κυψελών καυσίμου (HONDA FCX) [43] Οι ηλεκτροκινητήρες αποδίδουν περισσότερη ροπή (άρα και ισχύ) στις χαμηλότερες ταχύτητες, που χαρακτηρίζουν τις περισσότερες συνθήκες οδήγησης. Επίσης, η απόκριση των ηλεκτροκινητήρων στην απαίτηση για επιτάχυνση είναι πιο άμεση. Αποτέλεσμα αυτών των δύο παραγόντων είναι η μεγαλύτερη ευκολία χρήσης των αυτοκινήτων με κυψέλες καυσίμου. Για να είναι άμεσα διαθέσιμη όλη η ισχύς κατά τις εκκινήσεις και τα προσπεράσματα του αυτοκινήτου με κυψέλες καυσίμου, μπορεί σε μερικά να χρησιμοποιείται κάποιο σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας όπως μια συστοιχία από μπαταρίες, ένας σφόνδυλος ή ένας υπερπυκνωτής. Η απόσταση που θα μπορεί να διανύσει ένα αυτοκίνητο που χρησιμοποιεί κυψέλες καυσίμου με έναν μόνο ανεφοδιασμό, θα εξαρτάται από τον τύπο του καυσίμου που θα χρησιμοποιείται. Αν χρησιμοποιείται η μεθανόλη ως καύσιμο, τότε η αυτονομία του είναι συγκρίσιμη με αυτή ενός βενζινοκίνητου αυτοκινήτου. Αν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο τότε η αυτονομία είναι μικρότερη, λόγω της χαμηλότερης ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 30

32 ενεργειακής περιεκτικότητας του καθαρού υδρογόνου. Όμως, με τη χρήση της κατάλληλης διάταξης αποθήκευσης υδρογόνου η αυτονομία θα είναι δυνατόν να φτάσει και τα 400 χιλιόμετρα. 3.Ηλεκτρικά Οχήματα. 3.1 Σύντομη ιστορική αναδρομή. 3 ο Κεφάλαιο Αν και τα τελευταία χρόνια γίνεται ιδιαίτερος λόγος για τα ηλεκτρικά οχήματα και τη χρήση τους στη σημερινή εποχή εν τούτοις η εμφάνισή τους τοποθετείται αρκετά πίσω στο χρόνο. Έτσι τα ηλεκτροκίνητα οχήματα έχουν μια μακρόχρονη ιστορία που ξεκινά περίπου 170 χρόνια πιο πίσω, στα μέσα του 19ου αιώνα. Μέσα σε αυτά τα χρόνια τα ηλεκτροκίνητα οχήματα πέρασαν από πολλά στάδια ακμής και αφάνειας μέχρι να φτάσουμε στη σημερινή εποχή που το ενδιαφέρον γι αυτά αναζωπυρώθηκε. Η εξέλιξή τους έγινε παράλληλα με την εξέλιξη δύο άλλων ανταγωνιστικών τύπων οχημάτων, τα ατμοκίνητα οχήματα και τα οχήματα με Μ.Ε.Κ. Οι πρώτες προσπάθειες για δημιουργία ενός μηχανοκίνητου οχήματος το οποίο να κινείται με ηλεκτρισμό χρονολογείται τη δεκαετία του 1830 από τον Robert Anderson, ενώ την ίδια εποχή (1835) ο Thomas Davenport κατασκεύασε τον κινητήρα του. Ολ αυτά αποτέλεσαν το έναυσμα για μια εις βάθος έρευνα πάνω στο αντικείμενο. Έτσι στη διάρκεια του 1910 αναπτύχτηκαν πολύ τα ηλεκτρικά οχήματα τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Αμερική και οι τεχνικές επιδόσεις την εποχή εκείνη ήταν αρκετά υψηλές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το όχημα του Βέλγου μηχανικού Camille Jenatzy το οποίο πέτυχε σημαντικές επιδόσεις ταχύτητας κατά τη δεκαετία του Μέχρι τη δεκαετία του 1920 η ανάπτυξη της εμπορικότητας που παρουσίασαν τα ηλεκτρικά οχήματα ήταν αρκετά μεγάλη. Αλλά μέχρι το 1960 υπάρχει παρακμή των ηλεκτροκίνητων οχημάτων και καθολική επικράτηση των βενζινοκίνητων οχημάτων. Παράλληλα με τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα την εποχή εκείνη παρουσιάστηκαν από της βιομηχανίες και ορισμένα υβριδικά οχήματα. Τα οχήματα αυτά ως γνωστόν συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των ηλεκτρικών και των συμβατικών οχημάτων. Ένα τέτοιο όχημα ήταν το διθέσιο GM512 της General Motors το οποίο κυκλοφόρησε και ως αμιγώς ηλεκτρικό. 3.2 Εισαγωγή. Η εξάπλωση των οχημάτων που χρησιμοποιούν μηχανές εσωτερικής καύσεως (Μ. Ε. Κ.) έχει συμβάλλει σε μεγάλο βαθμό στην επιβάρυνση της ατμόσφαιρας στα μεγάλα αστικά κέντρα. Τα αέρια κατάλοιπα που προέρχονται από την καύση της βενζίνης και του πετρελαίου είναι εξαιρετικά επιβλαβή για το περιβάλλον και προκαλούν ακόμα και κλιματικά φαινόμενα όπως για παράδειγμα το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Στο σημαντικό αυτό πρόβλημα προστίθεται και η πετρελαϊκή κρίση η οποία οδηγεί την έρευνα σε μια προσπάθεια εύρεσης νέων αξιόλογων εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Μια από τις προτεινόμενες λύσεις που θα μπορούσε να συμβάλλει στα δύο αυτά προβλήματα είναι τα Ηλεκτρικά Οχήματα. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 31

33 Εικόνα 3.1 [60] Πλεονεκτήματα. Τα πλεονεκτήματα αυτών των οχημάτων σε αντίθεση με τα βενζινοκίνητα οχήματα, χρησιμοποιούν για την κίνησή τους έναν ηλεκτρικό κινητήρα τροφοδοτούμενο από μια πηγή συνεχούς ρεύματος (συσσωρευτές). Ο ηλεκτρικός κινητήρας σε αντίθεση με τις Μ.Ε.Κ. δεν παράγει καθόλου αέρια κατάλοιπα ενώ παρουσιάζει και πολλά κατασκευαστικά αλλά και λειτουργικά πλεονεκτήματα. Για παράδειγμα, έχει καλύτερο τρόπο λειτουργίας, ελέγχεται καλύτερα, έχει πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης, δεν απαιτεί συχνή συντήρηση κλπ. Παρά τα όποια πλεονεκτήματα όμως, υπάρχουν επίσης και σημαντικά μειονεκτήματα τα οποία αποτελούν αντικείμενο έρευνας Μειονεκτήματα. Τα μειονεκτήματα αυτά προέρχονται από τους συσσωρευτές και αυτό γιατί μέχρι σήμερα, παρά τη μακρόχρονη πορεία τους, παρουσιάζουν δύο αδύνατα σημεία. Το ένα σχετίζεται με την πυκνότητα ενέργειας - δηλαδή το λόγο της αποθηκευμένης ενέργειας του συσσωρευτή προς το βάρος του - η οποία είναι πολύ χαμηλή σε σχέση με τη βενζίνη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να περιορίζεται η αυτονομία του οχήματος αφού όσο αυξάνει η ενεργειακή ζήτηση απαιτείται μεγαλύτερος όγκος συσσωρευτών και το μέγεθος αυτό διαφοροποιείται ανάλογα με τον τύπο του συσσωρευτή. Σήμερα η πυκνότητα ενέργειας έχει βελτιωθεί σημαντικά σε ορισμένα πειραματικά μοντέλα συσσωρευτών αλλά εξακολουθεί να παραμένει ένα από τα βασικά μειονεκτήματα αυτών των στοιχείων αποθήκευσης. Ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα είναι η διάρκεια ωρών φόρτισης των συσσωρευτών καθώς για μια πλήρη επαναφόρτιση με χαμηλό ρεύμα φόρτισης ώστε να υπάρχει εκμετάλλευση του νυχτερινού τιμολογίου κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, διαρκεί κάποιες ώρες. Επιπλέον, άλλα προβλήματα όπως η διάρκεια ζωής των συσσωρευτών εμποδίζουν την ευρεία εξάπλωση των οχημάτων. Η έρευνα στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων εστιάζεται εκτός των άλλων στο αδύνατο αυτό σημείο. Για την επίλυση των προβλημάτων έχουν προταθεί διάφορες λύσεις όπως νέοι τύποι συσσωρευτών, κατάλληλες κυκλωματικές τοπολογίες φόρτισης, εναλλακτικές μέθοδοι φόρτισης, μέθοδοι διαχείρισης της συστοιχίας των συσσωρευτών. Επίσης για το μέλλον η επιστημονική κοινότητα συνεχίζει με εντατικό ρυθμό την έρευνα για ανάπτυξη και εναλλακτικών πηγών ενέργειας όπως οι ενεργειακές κυψέλες. Όπως προαναφέρθηκε οι συσσωρευτές καταλαμβάνουν συνήθως μεγάλο όγκο και ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 32

34 βάρος. Συνεπώς αποτελεί πολύ σημαντικό ζήτημα στα ηλεκτρικά οχήματα η εξοικονόμηση ενέργειας ώστε να έχουμε αύξηση της αυτονομίας. Η εξοικονόμηση ενέργειας είναι σημαντική τόσο κατά τη φόρτιση όσο και κατά την εκφόρτιση των συσσωρευτών. 3.3 Κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροκίνητων οχημάτων Γενικά. Από τεχνικής απόψεως τα ηλεκτρικά οχήματα απαντώνται σε διάφορες παραλλαγές είτε όσον αφορά την πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας είτε όσον αφορά τον τρόπο που παράγεται η κίνηση. Όμως όλα έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό, που είναι η ύπαρξη ενός τουλάχιστον ηλεκτρικού κινητήρα για την προώθηση του οχήματος. Σε σχέση με τις εκπομπές ρύπων, υπάρχουν ουσιαστικά δύο μεγάλες κατηγορίες ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Τα οχήματα μηδενικών ρύπων στα οποία ανήκουν τα αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα και τα οχήματα χαμηλών ρύπων στα οποία ανήκουν τα υβριδικά οχήματα Αμιγώς Ηλεκτροκίνητα Οχήματα. Το κύριο στοιχείο που διαφοροποιεί τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα από τα υβριδικά είναι η απουσία βενζινοκινητήρα. Η ενέργεια του οχήματος προέρχεται από καθαρά ηλεκτρική πηγή και η κίνηση του οχήματος βασίζεται αποκλειστικά σε έναν ή περισσότερους ηλεκτρικούς κινητήρες. Στο σχήμα 3.1 δίνεται ένα χονδρικό διάγραμμα των τμημάτων που συνήθως αποτελούν ένα ηλεκτρικό όχημα τα οποία είναι: Πηγή Ηλεκτρικής Ενέργειας: Είναι το τμήμα που τροφοδοτεί με ενέργεια το υπόλοιπο σύστημα. Το τμήμα αυτό λειτουργεί είτε ως πηγή είτε ως αποθήκη ηλεκτρικής ενέργειας είτε ως συνδυασμός και των δύο. Για την αποθήκευση ενέργειας χρησιμοποιούνται συσσωρευτές, ενώ η φόρτισή τους συνήθως γίνεται με ηλεκτρονικούς μετατροπείς Ε.Τ./Σ.Τ. Σχήμα 3.1: Διάγραμμα των τμημάτων που αποτελούν ένα ηλεκτρικό όχημα [58] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 33

35 Ηλεκτρονικός Μετατροπέας: Το τμήμα αυτό είναι υπεύθυνο για την κατάλληλη μετατροπή της τάσεως της πηγής ώστε να τροφοδοτήσει τον κινητήρα. Επιπλέον ελέγχει και τη λειτουργία του οχήματος ελέγχοντας ουσιαστικά την ταχύτητα και τη ροπή του κινητήρα. Ηλεκτρικός Κινητήρας: Ο κινητήρας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική για την κίνηση του οχήματος. Σύστημα Μετάδοσης Κίνησης: Το μηχανολογικό αυτό τμήμα του οχήματος μεταδίδει την κίνηση στους τροχούς προσαρμόζοντας κατάλληλα τη ροπή και την ταχύτητα. Αξίζει εδώ να αναφερθεί ότι ορισμένα τμήματα μπορεί να διαφοροποιούνται ή ακόμα και να μην υπάρχουν. Επιπλέον το όχημα μπορεί να έχει περισσότερους από έναν κινητήρα και μετατροπέα Διατάξεις και σενάρια φόρτισης. Από τις διάφορες στρατηγικές φόρτισης που έχουν προταθεί ξεχωρίζουμε τις ακόλουθες: Οικιακή φόρτιση: Πρόκειται για τον πιο διαδεδομένο τρόπο φόρτισης μιας και ένα όχημα βρίσκεται πολλές ώρες της ημέρας κοντά στο σπίτι του χρήστη. Εδώ η φόρτιση γίνεται από μονοφασική παροχή και συνήθως νυχτερινές ώρες. Έτσι έχουμε χαμηλότερο τιμολόγιο κατανάλωσης. Με τον τρόπο αυτό η φόρτιση διαρκεί περίπου 6-8 ώρες ενώ το μέγιστο ρεύμα της φόρτισης δεν ξεπερνάει τα 15 Α Φόρτιση σε σταθμούς παρκαρίσματος (Park and Charge-PAC): Μια άλλη μέθοδος φόρτισης είναι σε σταθμούς παρκαρίσματος όπου το όχημα θα φορτίζεται όταν είναι παρκαρισμένο. Εδώ η φόρτιση γίνεται με τριφασική τροφοδοσία, ενώ ο φορτιστής θα βρίσκεται εκτός οχήματος (οff-board). Εδώ περιέχεται και η λειτουργία ταχυφόρτισης. Πρόκειται για την περίπτωση που η πλήρης φόρτιση των συσσωρευτών γίνεται με μεγάλο ρεύμα (>100Α), και διαρκεί λίγο για 20 λεπτά. Ο τρόπος αυτός χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις εκτάκτου ανάγκης, λόγω της μεγάλης καταπόνησης των συσσωρευτών Ανάκτηση ενέργειας: Άλλο σενάριο είναι η φόρτιση των συσσωρευτών κατά την ανάκτηση ενέργειας, όταν δηλαδή επιβραδύνει ή κινείται σε κατηφόρα. Στην περίπτωση αυτή ο ηλεκτρικός κινητήρας μετατρέπεται σε γεννήτρια λαμβάνοντας μέρος της κινητικής ενέργειας του οχήματος, την οποία μετατρέπει σε ηλεκτρική φορτίζοντας τους συσσωρευτές. Τα ποσά της ενέργειας που μπορούν να εξοικονομηθούν είναι μεγάλα αλλά λόγω των μεγάλων ρευμάτων που εμφανίζονται, οι συσσωρευτές υφίστανται σημαντική καταπόνηση Φόρτιση από ηλιακή ακτινοβολία: Σ αυτό η φόρτιση γίνεται μέσω φωτοβολταϊκών κυττάρων τα οποία είναι τοποθετημένα επί της οροφής του οχήματος ή και σε στέγαστρα σε πάρκινγκ. Η φόρτιση είναι πολύ εύκολη, όμως ο χαμηλός βαθμός απόδοσης των φωτοβολταϊκών κυττάρων, το υψηλό κόστος καθώς και ο κίνδυνος της φθοράς τους είναι πολύ σημαντικά μειονεκτήματα που εμποδίζουν την εξάπλωσή τους στη χρήση ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Ένα πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι η φόρτιση μπορεί να γίνεται είτε κατά την κίνηση είτε σε στάση. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 34

36 Φόρτιση με Ηλεκτροπαραγωγό Ζεύγος: Πρόκειται για ένα αρκετά διαδεδομένο σενάριο το οποίο εφαρμόζεται στα Σειριακά Υβριδικά Οχήματα. Εδώ ένας βενζινοκινητήρας περιστρέφει μια γεννήτρια η οποία φορτίζει τους συσσωρευτές. Η φόρτιση μπορεί να γίνεται είτε κατά την κίνηση είτε σε στάση όπως και πριν. Το πλεονέκτημα σε σχέση με ένα καθαρά βενζινοκίνητο όχημα είναι ότι ο βενζινοκινητήρας λειτουργεί πάντα στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας με άμεσο αποτέλεσμα τη βέλτιστη απόδοση και τη χαμηλότερη εκπομπή ρύπων Φόρτιση κατά την κίνηση (Move and Charge-MAC): Πρόκειται για ένα σενάριο όπου τα οχήματα θα κινούνται σε δρόμους που θα έχουν ειδικές ηλεκτροφόρες ράγες επί του εδάφους. Το όχημα μέσω δύο ειδικών ακροδεκτών θα παίρνει ηλεκτρική ενέργεια τόσο για κίνηση όσο και για φόρτιση. Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από τις ράγες στο όχημα θα γίνεται είτε με γαλβανική σύνδεση είτε επαγωγικά. Το πλεονέκτημα της μεθόδου είναι φυσικά ότι η φόρτιση μπορεί να γίνεται κατά την κίνηση εξοικονομώντας χρόνο αλλά απαιτείται ειδική κατασκευή δρόμων. Πρέπει εδώ να αναφέρουμε ότι τα παραπάνω σενάρια φόρτισης μπορούν να συνυπάρχουν σε ένα και μόνο όχημα. Στο σχήμα 3.2 απεικονίζεται ένα πολλαπλό σύστημα για τη φόρτιση των συσσωρευτών ενός ηλεκτρικού οχήματος. Σχήμα 3.2: Πολλαπλό σύστημα φόρτισης ηλεκτρικού οχήματος [58] Νέες τεχνολογίες για τη φόρτιση των συσσωρευτών. Η πρώτη ονομάζεται Επαγωγική Φόρτιση και είναι η αντικατάσταση της κλασσικής ηλεκτρικής σύνδεσης του φορτιστή με το δίκτυο μέσω πρίζας, με ειδική διάταξη που μεταφέρει την ενέργεια επαγωγικά. Η διάταξη αυτή που φαίνεται στο σχήμα 3.3 είναι ουσιαστικά το πρωτεύον τύλιγμα ενός μετασχηματιστή το οποίο περιβάλλεται από ειδικό προστατευτικό κάλυμμα. Τα βασικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει είναι η ικανότητα λειτουργίας κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες (π.χ. νερό, πάγος, σκόνη) ενώ παράλληλα παρέχει ασφάλεια έναντι ηλεκτροπληξίας. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 35

37 Σχήμα 3.3: Συσκευή σύνδεσης του οχήματος στο δίκτυο για επαγωγική φόρτιση [58] Η BMW μετά το λανσάρισμα των δύο ηλεκτρικών της μοντέλων, εξελίσσει το σύστημα της επαγωγικής φόρτισης που θα απλοποιήσει ακόμα πιο πολύ τη συμβίωση με τα ηλεκτρικά μοντέλα. Το σύστημα αποτελείται από δύο εξαρτήματα: ένα δευτερεύον πηνίο στο πάτωμα του οχήματος και μία πλάκα με το πρωτεύον πηνίο κάτω από το αυτοκίνητο, για παράδειγμα στο δάπεδο του γκαράζ. Η διάταξη των πηνίων και κατά συνέπεια η κατανομή του πεδίου βασίζεται σε μία σχεδίαση εμπνευσμένη από το κυκλικό σχήμα τους το οποίο προσφέρει πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως η συμπαγής και ελαφριά δομή με αποδοτική χωρική πυκνότητα του μαγνητικού πεδίου. Η ηλεκτρική ενέργεια μεταδίδεται μέσω ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου που παράγεται μεταξύ των πηνίων, χωρίς επαφή και καλώδια φόρτισης, με ρυθμό φόρτισης 3.6 kw. Με δείκτη απόδοσης πάνω από 90%, αυτή η μέθοδος επιτρέπει την αποδοτική φόρτιση των μπαταριών υψηλής τάσης με άνεση και ασφάλεια. Ένας ακόμα στόχος εξέλιξης είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου φόρτισης για μετάδοση ενέργειας χωρίς επαφή. Με ρυθμό φόρτισης 3,6 kilowatts, οι μπαταρίες υψηλής τάσης σε πολλά plugin υβριδικά οχήματα φορτίζονται πλήρως σε λιγότερο από τρεις ώρες. Απαιτούνται κάτω από δύο ώρες για τη φόρτιση του BMW i8 σε ένα πλήρως λειτουργικό πρωτότυπο πίνακα επαγωγικής φόρτισης. Για τις ανάγκες των μεγαλύτερων μπαταριών των αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων, τα μελλοντικά τεχνολογικά πρότυπα προβλέπουν επίσης δυνατότητα αύξησης του ρυθμού φόρτισης στα 7 kw. Αυτό σημαίνει ότι η μπαταρία του BMW i3 μπορεί να φορτιστεί πλήρως κατά τη διάρκεια της νύχτας χρησιμοποιώντας το επαγωγικό σύστημα. Επίσης το επαγωγικό σύστημα το ανέπτυξαν η Toyota και VOLVO. Εικόνα 3.2 Σύστημα επαγωγικής φόρτισης [59] Μια δεύτερη σημαντική καινοτομία είναι η χρήση Υπερπυκνωτών (Ultracapacitors). Οι διατάξεις αυτές είναι πυκνωτές πολύ μεγάλης χωρητικότητας (μερικές χιλιάδες Farad) και χαμηλής τάσεως. Μια συστοιχία τέτοιων πυκνωτών μπορεί να τοποθετηθεί παράλληλα με τους συσσωρευτές και να αναλαμβάνει τα μεταβατικά ρεύματα των επιταχύνσεων και των επιβραδύνσεων του ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 36

38 οχήματος. Με τον τρόπο αυτό οι συσσωρευτές καταπονούνται ελάχιστα από μεγάλα ρεύματα με αποτέλεσμα να αυξάνεται η διάρκεια ζωής τους. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι καταλαμβάνουν μεγάλο όγκο και βάρος, καθώς λόγω της χαμηλής τάσεως που μπορεί να αντέξει ο κάθε πυκνωτής απαιτείται συνδεσμολογία πολλών πυκνωτών σε σειρά Ενεργειακές κυψέλες. Είναι διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούν ως καύσιμο υδρογόνο και οξυγόνο τα +οποία αντιδρούν σχηματίζοντας νερό, ενώ χάρη στην ύπαρξη ενός ειδικού καταλύτη, που ονομάζεται πρωτονική μεμβράνη (Proton Exchange Membrane- PEM), σχηματίζεται διαφορά δυναμικού. Αξίζει να τονιστεί ότι υπάρχουν πολλοί τύποι ενεργειακών κυψελών οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες ( ο C). Αυτές οι διατάξεις είναι ακατάλληλες για χρήση σε οχήματα σε αντίθεση με τις κυψέλες τύπου PEM που λειτουργούν σε θερμοκρασίες γύρω στους 80ο C. Για τη λειτουργία τους οι ενεργειακές κυψέλες απαιτούν υδρογόνο το οποίο μπορεί να υπάρχει αυτούσιο ή να παράγεται από κάποια οργανική ένωση όπως για παράδειγμα η Μεθανόλη (CH3OH). Η αντίδραση του υδρογόνου με το οξυγόνο παράγει σαν κατάλοιπο μόνο νερό και συνεπώς οι κυψέλες είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Επίσης σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι παρουσιάζουν μεγάλη αυτονομία έναντι των συσσωρευτών Παρ ολ αυτά έχουν ακόμα προβλήματα όπως η πολυπλοκότητά τους λόγω της αποθήκευσης του υδρογόνου που μπορεί να παρουσιάζει διαρροές με κίνδυνο ανάφλεξης, η παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα όταν έχουμε χρήση μεθανόλης, ο τρόπος με τον οποίο θα δημιουργείται η απαραίτητη θερμότητα κ.λ.π. τα οποία δεν επιτρέπουν την άμεση εξάπλωσή τους σε σύντομο χρονικό διάστημα Ηλεκτρονικός Μετατροπέας Ισχύος. Ο ηλεκτρονικός μετατροπέας είναι το τμήμα εκείνο του συστήματος που παίρνει τη συνεχή τάση των συσσωρευτών και τη μετατρέπει σε κατάλληλη μορφή για την τροφοδότηση του κινητήρα. Επιπλέον μια πολύ σημαντική διεργασία που πραγματοποιεί είναι ο έλεγχος της ροπής και των στροφών του κινητήρα. Η επιλογή του μετατροπέα που θα χρησιμοποιηθεί σε ένα ηλεκτρικό όχημα εξαρτάται καθαρά από τον ηλεκτρικό κινητήρα ο οποίος χρησιμοποιείται. Έτσι με βάση τους κινητήρες που χρησιμοποιούνται (Σ.Ρ. ή E.Ρ.) έχουμε μετατροπείς Σ.Τ./Σ.Τ. τύπου chopper και μετατροπείς Σ.Τ./Ε.Τ. τύπου αντιστροφέα (Inverter). Οι διατάξεις αντιστροφέα μπορούν να οδηγούν κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος που απαιτούν είτε ημιτονοειδή τάση (ασύγχρονος κινητήρας, σύγχρονος κινητήρας) είτε τετραγωνικούς παλμούς (κινητήρας τύπου Brushless, κινητήρας τύπου switched reluctance) Ηλεκτρικός Κινητήρας. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι ίσως το πλέον σημαντικό τμήμα ενός ηλεκτρικού οχήματος. Οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται σε τέτοιου είδους εφαρμογές είναι τόσο οι κινητήρες Σ.Ρ. όσο και οι κινητήρες Ε.Ρ. Οι χρησιμοποιούμενοι τύποι κινητήρων Σ.Ρ. είναι α) Κινητήρας Σ.Ρ. με διέγερση εν σειρά, β) Κινητήρας Σ.Ρ. με παράλληλη διέγερση, γ) Κινητήρας Σ.Ρ. με ξένη διέγερση και δ) Κινητήρας Σ.Ρ. με μόνιμο μαγνήτη. Από τους κινητήρες Ε.Ρ. όπως προαναφέρθηκε έχουμε κινητήρες με ημιτονοειδή τάση τροφοδοσίας όπως: α) Ασύγχρονος τριφασικός κινητήρας βραχυκυκλωμένου κλωβού, β) Ασύγχρονος ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 37

39 τριφασικός κινητήρας δακτυλιοφόρου δρομέα και γ) Σύγχρονος τριφασικός με ή χωρίς μόνιμο μαγνήτη, ενώ έχουμε και τους κινητήρες που τροφοδοτούνται με τετραγωνικούς παλμούς όπως: α) Κινητήρας τύπου Brushless DC και β) Κινητήρας τύπου Switched Reluctance. Από τους διάφορους τύπους κινητήρων η επιλογή του καταλληλότερου γίνεται με βάση κάποια κριτήρια. Έτσι από όλους τους παραπάνω τύπους κινητήρων οι ευρύτερα χρησιμοποιούμενοι είναι ο τριφασικός ασύγχρονος με βραχυκυκλωμένο κλωβό, ο σύγχρονος κινητήρας με μόνιμο μαγνήτη, ο κινητήρας Σ.Ρ. με διέγερση σειράς, ο κινητήρας Σ.Ρ. με μόνιμο μαγνήτη και τέλος ο κινητήρας τύπου Brushless. Στο σχήμα 3.4 απεικονίζεται ένα διάγραμμα με τους χρησιμοποιούμενους τύπους κινητήρων. Σχήμα 3.4: Χρήση ηλεκτρικών κινητήρων στα ηλεκτροκίνητα οχήματα. [58] Σχήμα 3.5: Ηλεκτρονικοί μετατροπείς στο Ηλεκτρικό αυτοκίνητο [58] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 38

40 4. Εναλλακτικά Καύσιμα. 4 ο Κεφάλαιο Ο όρος «εναλλακτικά καύσιμα» αναφέρεται σε οποιοδήποτε καύσιμο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οχήματα μεταφορών εκτός της βενζίνης και του Diesel. Η Ε.Ε. έχει θέσει σαν στόχο την αντικατάσταση ποσοστού 10% των συμβατικών καυσίμων με εναλλακτικά καύσιμα έως το έτος Στα εναλλακτικά καύσιμα περιλαμβάνονται τα βιοκαύσιμα (βιοαιθανόλη, βιοαέριο, biodiesel, βιομάζα,βιομεθανόλη ), το υδρογόνο, το υγραέριο LPG( Liquefied Petroleum Gas), και Συμπιεσμένο Φυσικό Αέριο CNG (Compressed Natural Gas). Αν και τα δύο αυτά καύσιμα (CNG, LPG) δεν είναι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, εντούτοις είναι πιο πράσινα από τα συμβατικά καύσιμα βενζίνη και Diesel. 4.1 Οχήματα με αέρια καύσιμα: Τα πρώτα χρόνια περί το 1930 τα πρώτα οχήματα φυσικού αερίου χρησιμοποιούσαν αέριο χαμηλής πίεσης αποθηκευμένο σε σάκους. Εικόνες 4.1&4.2 [23] Η έλλειψη καυσίμων κατά τη διάρκεια του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου στην Ευρώπη, συνέτεινε ώστε τα οχήματα φυσικού αερίου να γίνουν πιο δημοφιλή. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία των συμπιεστών επέτρεψαν τη χρήση χαλύβδινων φιαλών υψηλής πίεσης όπως αυτές που φαίνονται στην οροφή του Citroën της φωτογραφίας ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 39

41 Εικόνα 4.3 [23] 4.2 Εναλλακτικά αέρια καύσιμα. Σήμερα, οι περισσότερες από τις μηχανές εσωτερικής καύσης που λειτουργούν με φυσικό αέριο είναι τροποποιημένες μηχανές οι οποίες είχαν σχεδιαστεί για καύση βενζίνης ή πετρελαίου. Οι μηχανές όμως αυτές δεν είναι βελτιστοποιημένες για καύση άλλων καυσίμων. Για την μετατροπή πρέπει να συνεκτιμηθούν διάφοροι παράγοντες. 1. Τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της καύσης των εναλλακτικών καυσίμων απαιτούν αλλαγή στους χρόνους έγχυσης και ανάφλεξης. 2. Πολλά από τα εναλλακτικά καύσιμα, και ειδικά αυτά που είναι σε αέρια μορφή, έχουν χαμηλή λιπαντική ικανότητα με αποτέλεσμα φθορά σε εξαρτήματα όπως οι εγχυτήρες. 4.3 Ιδιότιτες των Βασικότερων Καυσίμων. Πίνακας 4.1 [55] Θερμοκρ ασία βρασμού ( C) Ενεργει ακή πυκνότητ α (MJ/l)* Ενεργ. πυκνότητ α (MJ/kg) Θερμοκρ ασία ανάφλεξη ς ( C) Εύρος ανάφλεξη Diese l Βεν ζίν η Υδρο γόνο Μεθα νόλη Μεθά νιο ,2 31,4 8, ,1 26,9 42,5 42, , , Προπ άνιο 0,6-6,5 0, ,1-9,5 ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 40

42 ς (αέρας %)** Min ενέργεια ανάφλεξη ς (mj *κατά όγκο,**κα τά μάζα 0,3 0,24 0,02 0,14 0,28 0, Υδρογόνο. Το υδρογόνο αποτελεί το 90% του σύμπαντος, σε αριθμό ατόμων (75% κατά μάζα), είναι το ελαφρύτερο αέριο στη φύση, ενώ το ενεργειακό περιεχόμενο 0,33 kg/h2 ισοδυναμεί με αυτό του 1 kg πετρελαίου. Όταν καίγεται, έχει το πλεονέκτημά να μην ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, αφού παράγει μόνο θερμότητα, νερό και οξείδια του αζώτου (λόγω των υψηλών θερμοκρασιών). Κάποιες από τις ιδιότητες που το καθιστούν κατάλληλο για χρήση ιδιαίτερα στον χώρο της αυτοκίνησης είναι ότι δεν είναι αυταναφλέξιμο και δεν είναι δηλητηριώδες. Ένα από τα προβλήματα που παρουσιάζονται στη χρήση του υδρογόνου είναι η αποθήκευση του, καθώς 1 γραμμάριο αέριου υδρογόνου καταλαμβάνει περίπου 11 λίτρα χώρου σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό δυσκολεύει την αποθήκευσή του, μιας και απαιτείται έντονη πίεση αυτού κάτω από μερικές εκατοντάδες ατμόσφαιρες και χρήση δοχείων αποθήκευσης με υψηλή αντοχή σε μεγάλες πιέσεις. Έτσι, λοιπόν, το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευθεί: Σε φιάλες αερίου υψηλής πίεσης, έως και 200 bar Ως υγρό σε κρυογονικές δεξαμενές Προσροφημένο σε υλικά με μεγάλη ειδική επιφάνεια και Ροφημένο σε ενδοπλεγματικές θέσεις σε μέταλλα (υδρίδια μετάλλων). Από την συνολική ποσότητα του υδρογόνου που παράγεται κάθε χρονιά σε παγκόσμια κλίμακα, η βιομηχανία της αμμωνίας καταναλώνει περίπου το 50% αυτής, ενώ τα διυλιστήρια του πετρελαίου το 37%. Το υπόλοιπο 13%, καταναλώνεται σε διάφορους άλλους βιομηχανικούς τομείς, μεταξύ των οποίων το μεγαλύτερο ποσοστό σε κατανάλωση κατέχει η βιομηχανία των τροφίμων (π.χ. χρησιμοποίηση υδρογόνου για υδρογόνωση των ελαίων). Σήμερα, υπάρχουν αρκετές μέθοδοι με τις οποίες μπορεί να παραχθεί οικονομικά και σε μαζικές ποσότητες (εμπορικές μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου). Οι κυριότερες από αυτές είναι οι εξής: η αναμόρφωση των υδρογονανθράκων με ατμό, μεταξύ αυτών κυρίως του φυσικού αερίου. η μερική οξείδωση (ή αεριοποίηση) των βαρέων υδρογονανθράκων ή του γαιάνθρακα. η ηλεκτρόλυση του νερού ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 41

43 4.4.1 Χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο για την κίνηση των οχημάτων. Οι Μηχανές Εσωτερικής Καύσης μπορούν να μετατραπούν και να χρησιμοποιούν ως καύσιμο το υδρογόνο. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε κυψέλες καυσίμου. Στις κυψέλες καυσίμου το υδρογόνο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και τροφοδοτεί ηλεκτρικούς κινητήρες οι οποίοι με τη σειρά τους κινούν το όχημα. Και στις δύο μεθόδους το κατάλοιπο από την χρήση του υδρογόνου είναι καθαρό νερό (υδρατμοί). Στην παρούσα στιγμή το Mazda RX-8Hydrogen RE με περιστροφικό κινητήρα (WANKEL) χρησιμοποιεί υδρογόνο με απευθείας έγχυση αυτού στο θάλαμο κάθε ρότορα. Τα πλεονεκτήματα των κινητήρων με ρότορα είναι ότι προσφέρουν διαφορετικούς θαλάμους για την εισαγωγή και την καύση του μίγματος και συνεπώς δεν μπορούν να παρουσιάσουν προβλήματα backfire (ανάφλεξη του υδρογόνου κατά την έγχυση του στην πολλαπλή εισαγωγής λόγω κάποιων θερμών σημείων που μπορεί να υπάρχουν) σαν αυτά που εμφανίζονται σε εμβολοφόρους κινητήρες. Επίσης, η αυτοκινητοβιομηχανία της BMW έχει εξελίξει εδώ και χρόνια έναν 12κύλινδρο κινητήρα σχήματος V για τη σειρά 7, ο οποίος τροφοδοτείται και με υδρογόνο και με βενζίνη (dual fuel). Η εταιρεία πρόκειται να κατασκευάσει 100 τέτοια οχήματα, τα οποία θα δοθούν προς ενοικίαση για κάποια χρονική περίοδο, σε επιλεγμένα άτομα, τα οποία ζουν σε μέρη όπου υπάρχει η δυνατότητα ανεφοδιασμού με υδρογόνο. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, θα κυκλοφορούν τα 50 από τα συνολικά 100 οχήματα αυτού του τύπου. Τέλος, ένα άλλο πρωτότυπο όχημα που χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο σε ΜΕΚ, είναι το Ford P2000 Hydrogen ICE. Το συγκεκριμένο μοντέλο φέρει έναν δίλιτρο κινητήρα Duratec, ειδικά τροποποιημένο για την καύση συμπιεσμένου αερίου υδρογόνου. Επίσης, ο κινητήρας αυτός είναι 16βάλβιδος με δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής (DOHC) 25 30% μεγαλύτερη απ την απόδοση ενός συμβατικού βενζινοκινητήρα Τα στάδια από τα οποία αποτελείται το υδρογόνο. Ξεκινάμε από το στάδιο παραγωγής κ φτάνουμε εώς το στάδιο της κατανάλωσης. 1. Το πρώτο στάδιο, περιλαμβάνει την παραγωγή του υδρογόνου, μέσω κατάλληλων τεχνικών, χρησιμοποιώντας γι αυτό σαν πρώτες ύλες κυρίως το νερό (μέσω της ηλεκτρόλυσης ή της υδρόλυσής του) ή εναλλακτικά τα ορυκτά καύσιμα και εφαρμόζοντας τις διάφορες άλλες τεχνολογίες ΑΠΕ για την παραγωγή του (π.χ. ηλιακή ή αιολική ενέργεια). 2. Το δεύτερο στάδιο, περιλαμβάνει την αποθήκευση του παραχθέντος υδρογόνου του πρώτου σταδίου, με τη βοήθεια διαφόρων φυσικών ή χημικών διεργασιών αποθήκευσής του(π.χ. αποθήκευσή του σε στερεά υλικά). 3. Το τρίτο και τελευταίο στάδιο του <<αποκεντρωμένου>> συστήματος παραγωγής και διανομής του υδρογόνου, περιλαμβάνει την μετατροπή της εσωτερικής χημικής ενέργειας του υδρογόνου, αρχικά σε ηλεκτρισμό ή θερμότητα και στη συνέχεια σε οποιαδήποτε άλλη μορφή ενέργειας, στο σημείο όπου γίνεται η κατανάλωσή του. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 42

44 Το υδρογόνο αποτελεί, όπως έχουμε αναφέρει και το πιο συμφέρον, από άποψη ενεργειακών δυνατοτήτων, καύσιμο σε σχέση με όλα τα ενεργειακά καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα. Το γεγονός αυτό απεικονίζεται έκδηλα στον παρακάτω πίνακα στον οποίο γίνεται μια σύγκριση μεταξύ της παραγωγικής ικανότητας του υδρογόνου σε ενέργεια και της παραγωγικής ικανότητας των κυριοτέρων σημερινών ενεργειακών καυσίμων που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο: Πίνακας 4.2 :Συγκριτικά στοιχεία ενεργειακής πυκνότητας μεταξύ του υδρογόνου και των κυριοτέρων από τα σημερινά ενεργειακά καύσιμα. *το βάρος κάθε καυσίμου αποτελεί το καθαρό βάρος αυτού, χωρίς τον συμψηφισμό κάποιου άλλου βάρους που προστίθεται στο συνολικό του βάρος (π.χ. βάρος εξοπλισμού για την αποθήκευσή του κ.τ.λ.). [55] Οι κυριότερες μέθοδοι που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα για την αποτελεσματική αποθήκευση του υδρογόνου είναι οι εξής : 1. Σε φιάλες αερίου κάτω από υψηλές συνθήκες πίεσης. 2. Σαν υγρό σε κρυογονικές δεξαμενές. 3. Προσροφημένο σε διάφορα στερεά υλικά που χαρακτηρίζονται από μεγάλη ειδική επιφάνεια των δομικών τους λίθων. 4. Συγκρατούμενο πάνω σε ενδοπλεγματικές θέσεις μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα διαφόρων μετάλλων. 5. Εσμευμένο μέσω χημικών δεσμών ιοντικής ή ομοιοπολικής φύσης από διάφορες χημικές ενώσεις Πλέονεκτηματα Υδρογονοκίνησης. 1. Εξοικονόμηση έως και 50%. Αυτό ισχύει και για τις δύο κινήσεις σε επίπεδο πόλης καθώς και για ταξίδι σε εθνικές οδούς. 2. Αυξάνει την δύναμη και τις επιδόσεις του οχήματός σας. Μόλις τοποθετήσετε το σύστημα υδρογόνου, θα ενισχυθεί η δύναμη, και η απόδοση του κινητήρα σας. 3. Μειώνει τις εκπομπές CO2 δηλαδή τα επιβλαβή καυσαέρια που απεκκρίνει ο κινητήρας μας έως και 80%. 4. Μειώνει τη θερμοκρασία του κινητήρα. Αυξάνει τη διάρκεια ζωής του κινητήρα σας αφού η καύση γίνετε σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες. 5. Καταργεί τα κατάλοιπα άνθρακα του κινητήρα σας και αποτρέπει εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα που συσσωρεύονται. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 43

45 6. Χαμηλότερος θόρυβος του κινητήρα 25% 30%. Το υδρογόνο επιδρά στον κύκλο καύσης. Ο κινητήρας θα ακούγεται πολύ πιο ήσυχα από ότι πριν. Αυτό οφείλεται στην λιγότερη καύση του αυτοκινήτου σας. 7. Το υδρογόνο έχει τo υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο. 8. Είναι το ίδιο ακίνδυνο όσο η βενζίνη, το πετρέλαιο ή το φυσικό αέριο. 9. Μπορεί να συμβάλει στη μείωση του ρυθμού κατανάλωσης των συμβατικών καυσίμων σε περίπτωση που παράγεται με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. 10. Μπορεί να παραχθεί με πάρα πολλές μεθόδους σε οποιαδήποτε χώρα και σε οποιοδήποτε μέρος. Επομένως μπορεί να βοηθήσει στην ανάπτυξη αποκεντρωμένων συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Αυτό θα ωφελήσει φτωχότερα και λιγότερο αναπτυγμένα κράτη τα οποία σήμερα εξαρτώνται ενεργειακά από άλλα ισχυρότερα Μειονεκτήματα Υδρογονοκίνησης. 1. Η αποθήκευση του. Δεδομένου του ότι το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητας σε μικρού μεγέθους δεξαμενή είναι δύσκολη λόγω των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται για να επιτευχθεί η υγροποίηση. 2. Η έλλειψη οργανωμένου δικτύου διανομής του. 3. Η τιμή του είναι σχετικά υψηλή σε σύγκριση με αυτή της βενζίνης ή του πετρελαίου. Η περισσότερο διαδεδομένη λόγω χαμηλού κόστους μέθοδος παραγωγής υδρογόνου αυτή τη στιγμή είναι η μετατροπή του φυσικού αερίου. Ωστόσο όσο εξελίσσονται και άλλες μέθοδοι, το κόστος θα συνεχίσει να μειώνεται. 4. Αν και στις περισσότερες των περιπτώσεων το υδρογόνο θεωρείται περισσότερο ασφαλές από οποιοδήποτε άλλο καύσιμο, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες μπορεί να γίνει εξαιρετικά επικίνδυνο. 5. Η αυξημένη τιμή των κυψέλων καυσίμου με τις οποίες αυτή τη στιγμή γίνεται η μεγαλύτερη εκμετάλλευση του υδρογόνου ως καύσιμο. Επιπλέον η τεχνολογία τους δε μπορεί να θεωρηθεί ολοκληρωτικά αξιόπιστη αφού προς το παρόν υπάρχουν αρκετά τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν αξιόπιστες λύσεις. 4.5 Βιοκαύσιμα Βιοκαύσιμα λέγονται τα υγρά καύσιμα που παράγονται από διάφορους τύπους βιομάζας. Τα βιοκαύσιμα παράγονται από φυτικά υλικά, συγκεκριμένα είδη καλλιεργειών και από ανακυκλωμένα ή χρησιμοποιούμενα σπορέλαια. Η χρήση των βιοκαυσίμων στα οχήματα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από τον τομέα των μεταφορών. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τη χρήση βιοκαυσίμων σε απόλυτα νούμερα, μπορεί να μην είναι μικρότερες απ αυτές των συμβατικών καύσιμων, αλλά θεωρητικά, τα φυτά από τα οποία έχει προέλθει η πρώτη ύλη που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 44

46 βιοκαυσίμων, έχουν κατά την ανάπτυξή τους δεσμεύσει αντίστοιχες ποσότητες CO2 από την ατμόσφαιρα. Με αυτό το σκεπτικό η μείωση των εκπομπών CO2 μπορεί να φτάσει ακόμη και το 70%. Επίσης, πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι εκπομπές CO2 που προέρχονται από τα μηχανήματα και τα οχήματα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή/καλλιέργεια της πρώτης ύλης, στη συγκομιδή και τη μεταφορά της, καθώς και στη μεταφορά και διανομή των βιοκαυσίμων, τα οποία για τη λειτουργία τους χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα. Επιπρόσθετα, η χρήση λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων που βασίζονται σε ενώσεις του αζώτου, του θείου και της αμμωνίας έχουν σαν αποτέλεσμα την επιβάρυνση του εδάφους και των υπόγειων υδάτων. Οι κύριες αιτίες για την προώθηση των βιοκαυσίμων είναι: Η συμβολή στην εξασφάλιση της προμήθειας ενέργειας Η συμβολή στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου Η αύξηση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η συνεχόμενη αύξηση της τιμής του πετρελαίου (ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια) και όλων των καυσίμων που παράγονται από αυτά Η διείσδυση των αγροτικών οικονομιών σε νέες αγορές. Τα κυριότεραείδη των βιοκαυσίμων είναι το βιοντήζελ, βιοαέριο και η βιοαιθανόλη. Το βιοντήζελ είναι εναλλακτικό καύσιμο του πετρελαίου κίνησης ενώ η βιοαιθανόλη είναι πρόσθετο για τη βενζίνη ή υποκατάστατο. Η χρήση των βιοκαυσίμων μπορεί να επεκταθεί σε κάθε Μηχανή Εσωτερικής Καύσης. 4.6 Βιοαέριο Γενικά στοιχεία για το βιοαέριο. Το βιοαέριο παράγεται από την αναερόβια χώνευση κτηνοτροφικών κυρίως αποβλήτων, όπως είναι τα λύματα των χοιροστασίων, πτηνοτροφείων, βουστασίων καθώς και άλλων αγροτο- βιομηχανικών μονάδων, λύματα των βιολογικών καθαρισμών καθώς και από την αποσύνθεση του οργανικού κλάσματος απορριμμάτων. Το βιοαέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο (CH4) 55-70% και διοξείδιο του άνθρακα (CO2) 30-45%. Επίσης περιέχει ελάχιστες ποσότητες άλλων αερίων, όπως άζωτο, υδρογόνο, αμμωνία και υδρόθειο, η δε θερμογόνος δύναμή του κυμαίνεται από 20 έως 25 MJ/m3. Το βιοαέριο μπορεί να τροφοδοτήσει μηχανές εσωτερικής καύσης, (ΜΕΚ), καυστήρες αερίου ή αεριοστρόβιλους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και θερμότητας Το βιοαέριο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο μεταφορών, μετά την διαδικασία του καθαρισμού, δηλαδή την απομάκρυνση των σωματιδίων, H2S, NH3, H2O και την αναβάθμισή του, δηλαδή την απομάκρυνση CO2 και προσθήκη προπανίου. Χρήση του βιοαερίου ως καύσιμο μεταφορών απαντάται στη Σουηδία, Ελβετία, Γαλλία και Γερμανία ενώ στη Σουηδία και στη Γερμανία, το βιοαέριο διοχετεύεται και στο δίκτυο του φυσικού αερίου. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 45

47 4.6.2 Η χρήση του ως καύσιμο. Σε παγκόσμια κλίμακα περισσότερα από 4 εκατομμύρια αυτοκίνητα κινούνταν το 2008, με συμπιεσμένο μεθάνιο, το οποίο ονομάζεται επίσης φυσικό αέριο για οχήματα (GNV), κυρίως στη Νότιο Αμερική. Στη Γαλλία ωστόσο, μετά από ανάπτυξη που παρατηρήθηκε στο νότιο τμήμα της χώρας τη δεκαετία του 1960 (50000 οχήματα με GNV την εποχή εκείνη), το καύσιμο αυτό. Όλοι οι συνηθισμένοι κινητήρες με βενζίνη ή ντίζελ μπορούν να μετατραπούν και να λειτουργήσουν πολύ εύκολα με GNV ή βιοαέριο. Μειωμένη αυτονομία αλλά ελάχιστη ρύπανση του αέρα και ελάχιστος θόρυβος κάνουν το βιοαέριο ένα ιδανικό καύσιμο για τις αστικές συγκοινωνίες. Το βιοαέριο χρησιμοποιήθηκε το 2006, στη Γαλλία σε 1600 λεωφορεία και 300 απορριμματοφόρα. Η Νέα Ζηλανδία, η Ελβετία υπήρξαν από τις πιο δυναμικές χώρες στη χρησιμοποίηση του βιοαερίου ως καυσίμου. 4.7 Βιοντίζελ. Είναι οι εστέρες ανώτερων λιπαρών οξέων οι οποίοι έχουν συναφείς φυσικές ιδιότητες με το καύσιμο Ντίζελ και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατά του. Είναι ομάδα χημικών ενώσεων οι μεθυλεστέρες των ανώτερων λιπαρών οξέων οι οποίοι προέρχονται από οργανικά έλαια(ελαιοκράμβη, από ηλιοτρόπια, από σόγια και το λάδι από κοκκοφοίνικα) και όχι οποιοδήποτε καύσιμο οργανικής προέλευσης το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες έναυσης με συμπίεση (κινητήρες ντίζελ). Το γεγονός ότι οι μεθυλεστέρες προέρχονται από πρώτες ύλες οργανικής βάσης, οι οποίες είναι ανανεώσιμες, δικαιολογεί το χαρακτηρισμό τους ως βιοκαύσιμα Μίγματα βιοντίζελ για τους κινητήρες. Το βιοντίζελ μπορεί να αντικαταστήσει τελείως το συμβατικό πετρέλαιο κίνησης ή να αναμιχθεί με αυτό σε διαφορετικές αναλογίες για χρήση του σε πετρελαιοκινητήρες. Η πρακτική της ανάμιξης είναι συνηθισμένη σε πολλές χώρες, με ποσοστό του 5% (δηλαδή το 5% βιοντίζελ και το 95% πετρέλαιο κίνησης). Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του βιοντίζελ μοιάζουν πολύ με του ορυκτού πετρελαίου και οι συμβατικοί κινητήρες δεν χρειάζονται μετατροπές για να χρησιμοποιήσουν μίγματα έως 5%. Οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες μπορούν να λειτουργήσουν με μίγματα έως 30%, αλλά πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή, καθώς η χρήση μιγμάτων που περιέχουν πάνω από 5% βιοντίζελ μπορεί να ακυρώσει αρκετές από τις εγγυήσεις των κατασκευαστών. Είναι σημαντικό το βιοντίζελ να είναι υψηλής ποιότητας. Το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 590, για το πετρέλαιο κίνησης επιτρέπει ανάμιξη μέχρι 5% βιοντίζελ. Η χρήση 100% βιοντίζελ πρέπει να ικανοποιεί το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 46

48 Στην Ελλάδα το ποσοστό ανάμειξης βαίνει αυξανόμενο. Η ανάμειξη ξεκίνησε από το τέλος του 2005 με ένα ποσοστό 2,5% κατ όγκο σε βιοντίζελ, σύντομα ανέβηκε στο 4,5%, για να αυξηθεί από τις αρχές του 2010 στο 6,5%. Μετά από επτά χρόνια, στις αρχές του 2013, αποκτούμε και στην Ελλάδα το καύσιμο Β7, το οποίο είναι ένα πετρέλαιο κίνησης, αποτελούμενο από αυτούσιο βιοντίζελ σε ποσοστό που φτάνει το 7%. Το Β7, διατίθεται από κάθε αντλία σε οποιοδήποτε πρατήριο υγρών καυσίμων εντός της ελληνικής επικράτειας. Η ανάμειξη, γίνεται είτε από τα διυλιστήρια είτε από τις εταιρίες που εισάγουν πετρέλαιο κίνησης, πριν τη διάθεση του στη χονδρική εγχώρια αγορά Όσον αφορά στην περιβαλλοντική απόδοση της χρήσης του βιοντίζελ, η χρήση 100% βιοντίζελ (πράγμα σπάνιο) μπορεί να μειώσει τις καθαρές εκπομπές CO2 κατά 40-50%, αντίστοιχα η χρήση μίγματος 5% μειώνει το CO2 κατά 2-5%. Επίσης, το βιοντίζελ περιέχει αρκετό οξυγόνο (10% κ.β.) που καθιστά την καύση λιγότερο ατελή, με αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO), άκαυστους υδρογονάνθρακες (H/C) και σε αιθάλη να είναι πολύ μικρότερη απ ό,τι στο συμβατικό ντίζελ. Οι εκπομπές σωματιδίων (pm) από την καύση καθαρού βιοντίζελ (B100) μειώνονται κατά 47%, ενώ απ την καύση μίγματος 20% βιοντίζελ και 80% ντήζελ (B20), μειώνονται κατά 12%. Αντίθετα, οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) από τη χρήση βιοντίζελ είναι μεγαλύτερες απ αυτές που προέρχονται από τη χρήση συμβατικού ντίζελ. Πιο συγκεκριμένα, από την καύση καθαρού βιοντίζελ (Β100) εκπέμπονται 10% περισσότερα NOx σε σχέση με το συμβατικό ντίζελ, ενώ από την καύση μίγματος βιοντίζελ (B20) οι εκπομπές NOx είναι μεγαλύτερες κατά 2%. Η χρήση φυτικών ελαίων και μεθυλεστέρων από ελαιοκράμβη έχουν ως αποτέλεσμα λιγότερες εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Επίσης, όταν χρησιμοποιούνται εστέρες λιπαρών οξέων σόγιας παρατηρούνται ελαφρώς μειωμένες εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του αζώτου και αιθάλης σε σχέση με το πετρέλαιο, ενώ οι εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων μειώνονται κατά 50% Η διαδικασία παραγωγής βιοντίζελ. Το βιοντίζελ είναι μεθυλεστέρας που παράγεται με μετεστεροποίηση των φυτικών ελαίων και παραγωγή εστέρων των τριγλυκεριδίων. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ακόμη φθηνότερου βιοντίζελ, εκτός από ελαιούχοι σπόροι και μεταχειρισμένα φυτικά έλαια (τηγανόλαδα) ή και ζωικά λίπη (πχ ως απόβλητα σφαγείων). Η εξαγωγή του ελαίου από τους σπόρους γίνεται μηχανικά ή χημικά. Το βιοντήζελ έχει θερμογόνο δύναμη 15% μικρότερη από αυτή του πετρελαίου. Ένα γενικό σχήμα της παραγωγικής αλυσίδας βιοντίζελ δίνεται στο παρακάτω σχήμα. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 47

49 Σχήμα 4.1 Διαγραμματική απεικόνιση της παραγωγή βιοντίζελ [50] Με την υπάρχουσα τεχνολογία τα έλαια (τριγλυκερίδια) μετατρέπονται με μια απλή διαδικασία σε εστέρες των τριγλυκεριδίων, με μεθανόλη ή και αιθανόλη. Οι καθαροί εστέρες των τριγλυκεριδίων είναι άριστα υποκατάστατα του πετρελαίου χωρίς να χρειάζεται καμία μετατροπή στον κινητήρα. Μια ορισμένες φθηνές μετατροπές στη μηχανή είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί και καθαρό βιοέλαιο Τα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας. 1.Εξευγενισμός πρώτης ύλης 2.Μετεστεροποίηση πρώτης ύλης 3.Καθαρισμός βιοντίζελ (πλύσεις) 4.Εξευγενισμός γλυκερίνης 5. Ανάκτηση μεθανόλη Σχήμα 4.2 Τα στάδια της παραγωγικής διαδικασίας. [50] Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του βιοντίζελ. 1. το βιοντίζελ είναι καθαρό, μη τοξικό και βιοαποικοδομήσιμο καύσιμο, δεν περιέχει αρωματικές ενώσεις και οι εκπομπές των ρυπαντών οξειδίων του θείου, μονοξειδίου του άνθρακα, άκαυστων υδρογονανθράκων και αιθάλης που προέρχονται από την καύση του στις μηχανές ντίζελ είναι πολύ χαμηλές. 2. Στο βιοντίζελ η περιεκτικότητα σε θείο είναι πάρα πολύ μικρή, σχεδόν μηδενική. Επίσης, το βιοντίζελ περιέχει αρκετό οξυγόνο (περίπου 10% κ.β.) που καθιστά την καύση λιγότερο ατελή, με αποτέλεσμα η περιεκτικότητα των καυσαερίων να είναι πολύ μικρότερη απ ότι στο συμβατικό ντίζελ. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 48

50 3. Η καύση του βιοντίζελ δεν αυξάνει το επίπεδο του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (το οποίο είναι υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου),αφού η ποσότητα του CO2 που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της καύσης αφομοιώνεται στη συνέχεια από το φυτό κατά τη φωτοσύνθεση. 4. το βιοντίζελ είναι κατάλληλο για τους ήδη υπάρχοντες πετρελαιοκινητήρες, όπου δεν χρειάζεται να γίνει σχεδόν καμία μετατροπή ακόμα και αν χρησιμοποιηθεί αμιγές βιοντίζελ. 4.8 Βιοαιθανόλη Μίγματα βιοαιθανόλης για τους κινητήρες. Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο ποιότητας EN 228, η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μίγμα 5% με βενζίνη. Η χρήση τέτοιου μίγματος δεν απαιτεί μετατροπή του κινητήρα. Οι ιδιοκτήτες οχημάτων που λειτουργούν με μίγματα βιοαιθανόλης πρέπει να ακολουθούν τις οδηγίες του κάθε κατασκευαστή. Κάποιοι κατασκευαστές οχημάτων προδιαγράφουν ως μέγιστη περιεκτικότητα βιοαιθανόλης σε μίγμα με βενζίνη το 5% κατ όγκο, ενώ άλλοι προδιαγράφουν σαν μέγιστο ποσοστό το 10%. Αν αυτό το όριο ξεπεραστεί, τότε δεν ισχύουν οι εγγυήσεις του οχήματος. Επίσης, σε τροποποιημένους κινητήρες μπορεί να χρησιμοποιηθεί 100% μίγμα βιοαιθανόλης, παρόλο που για την αντιμετώπιση του προβλήματος της εκκίνησης σε χαμηλές θερμοκρασίες απαιτείται η χρήση ενός μικρού ποσοστού πτητικού καυσίμου, συνήθως βενζίνης. Μίγμα 5% βιοαιθανόλης με βενζίνη κατ όγκο σημαίνει 3,4% κατά αναλογία ενέργειας, εφόσον το ενεργειακό περιεχόμενο της βιοαιθανόλης είναι περίπου τα δύο τρίτα αυτού της βενζίνης. Εικόνες 4.4 [55] Μετατροπές που απαιτούνται για μίγματα μεγαλύτερα του 5%. Σε οχήματα πολλαπλών καυσίμων και συγκεκριμένα σε οχήματα, που λειτουργούν με χρήση βιοαιαθανόλης, αυτή λειτουργεί ως βελτιωτικό οκτανίων. Προσθέτοντας δηλαδή 10% βιοαιθανόλη στη βενζίνη, ο αριθμός οκτανίων της βενζίνης αυξάνεται κατά δύο μονάδες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του φαινομένου της προανάφλεξης του καυσίμου και επιπλέον υπάρχει δυνατότητα αύξησης της σχέσης συμπίεσης, με αποτέλεσμα την καλύτερη καύση, άρα και την αύξηση της απόδοσης του κινητήρα. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 49

51 Ένα μίγμα καυσίμου με 10% βιοαιθανόλη φυσιολογικά θα έχει μια περιεκτικότητα σε οξυγόνο περίπου 3,5%, η οποία και επηρεάζει την αναλογία αέρα - καυσίμου. Για τον λόγο αυτό, είναι συνήθως απαραίτητο οι κινητήρες να έχουν μειωμένη αναλογία αέρα - καυσίμου, ώστε να αντισταθμίζεται και το οξυγόνο που περιέχεται στη βιοαιθανόλη του μίγματος. Τα συστήματα ελέγχου του κινητήρα, που διαθέτουν τα περισσότερα σύγχρονα αυτοκίνητα, μπορούν να ρυθμίσουν ηλεκτρονικά την αναλογία αέρα καυσίμου, ώστε να διατηρηθεί η σωστή αναλογία, όταν η βιοαιθανόλη εισάγεται στον κινητήρα. Για κάποια οχήματα, το μέγιστο περιεχόμενο οξυγόνου που μπορούν να αντισταθμίσουν είναι 3,5% (δηλαδή μίγμα με 10% βιοαιθανόλη). Τα μίγματα βιοαιθανόλης έχουν υψηλότερη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης από την 100% καθαρή βενζίνη. Για αυτό τον λόγο τα μίγματα αυτά παρουσιάζουν μεγαλύτερη δυσκολία στην εκκίνησην όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι χαμηλή (χειμώνας). Λόγω αυτού του προβλήματοςν κάποια οχήματα διαθέτουν μια μικρή δεξαμενή που περιέχει καθαρή βενζίνη για την εκκίνηση του κινητήρα του οχήματος κατά τις ψυχρές ημέρες του χειμώνα Οικονομικά δεδομένα και διαθεσιμότητα. Η παραγωγή της βιοαιθανόλης κοστίζει δύο έως τρεις φορές περισσότερο από την παραγωγή της βενζίνης από αργό πετρέλαιο. Το κόστος επηρεάζεται, επίσης, από το υψηλό κόστος κεφαλαίου για τον παραγωγικό εξοπλισμό για τις διεργασίες της υδρόλυσης και της ζύμωσης. Εάν επιβληθεί ολόκληρος ο φόρος καυσίμου, η τιμή της βιοαιθανόλης είναι υψηλή, γι αυτό χρειάζεται μια ελάττωση του φόρου, ώστε να γίνει η τιμή ανταγωνιστική. Όπως και με το βιοντίζελ, τέτοιες μειώσεις είναι συχνές στην Ευρώπη, και χρησιμοποιούνται ως κίνητρα για την ενθάρρυνση και τη χρήση βιοαιθανόλης. Προς το παρόν, η βιομηχανία αιθανόλης είναι ανύπαρκτη στην Ελλάδα, ενώ αναμένονται εξελίξεις σχετικά με τη μετατροπή από ζαχαρουργεία σε εργοστάσια βιοαιθανόλης, των εργοστασίων της Ελληνικής Βιομηχανίας Ζάχαρης σε Λάρισα και Ξάνθη Η διαδικασία παραγωγής βιοαιθανόλης. Η παραγωγή αιθανόλης από άμυλο (δημητριακά, καλαμπόκι) ή σάκχαρα (ζαχαροκάλαμο, ζαχαρότευτλα, γλυκό σόργο) είναι απλή και γίνεται μέσω αλκοολικής ζύμωσης. Τα εργοστάσια παραγωγής βιοαιθανόλης είναι ουσιαστικά τεράστια αποστακτήρια. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 50

52 Εικόνες 4.5&4.6 Μονάδα παραγωγής βιοαιθανόλης Αριστερά οι ζυμωτήρες - Δεξιά οι πύργοι απόσταξης. [55] Στην περίπτωση που πρώτη ύλη είναι το ζαχαροκάλαμο ή το γλυκό σόργο, τα στελέχη τους (καλάμια) θρυμματίζονται και στο αλεσμένο προϊόν γίνεται αποχύμωση (μηχανικά με πίεση) και με την προσθήκη ζεστού νερού γίνεται εκχύλιση και συλλογή του υδατικού σακχαρούχου διαλύματος. Εικόνα 4.7 [55] Σε αντίθεση με το ζαχαροκάλαμο και το σόργο που λαμβάνεται απευθείας ο σακχαρούχος χυμός των βλαστών, στα σιτηρά (σιτάρι, κριθάρι, καλαμπόκι) απαιτείται προσθήκη ακριβών ενζύμων (αμυλάσες) για τη διάσπαση (υδρόλυση) του αμύλου σε σάκχαρα. Οι σπόροι των σιτηρών αλέθονται, αναμιγνύονται με νερό και ακολουθεί θέρμανση και ζύμωση σε αλκοόλη. Η ζύμωση του σακχαρούχου διαλύματος γίνεται σταδιακά σε τεράστιες δεξαμενές (ζυμωτήρες) με την προσθήκη κατάλληλων σακχαρομυκήτων, συνήθως στελέχη του Saccharomyces cerevisiae. Στο τελικό προϊόν της ζύμωσης γίνεται καθαρισμός με φυγοκέντριση ή διήθηση και το υγρό οδηγείται στην τελική δεξαμενή όπου γίνεται διαχωρισμός και ανάκτηση της καθαρής αιθανόλης. Ανάλογα με το σκοπό, η αιθανόλη ως τελικό προϊόν μπορεί να είναι ένυδρη (95% v/v) ή άνυδρη (99,5% v/v). Η διαδικασία παραλαβής της αιθανόλης είναι το τελευταίο στάδιο παραγωγής και περιλαμβάνει απόσταξη και αφυδάτωση με θέρμανση. Το τελευταίο αυτό στάδιο είναι από τα πλέον ενεργοβόρα άρα και πιο δαπανηρά στάδια της παραγωγικής διαδικασίας και αποτελεί κρίσιμο παράγοντα της βιομηχανικής παραγωγής βιοαιθανόλης. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 51

53 Σχήμα 4.3 : Διάγραμμα ροής της παραγωγής αιθανόλης [55] Τα απόβλητα της βιομηχανίας αιθανόλης έχουν υψηλό ρυπαντικό φορτίο και είναι δύσκολα επεξεργάσιμα. Στη Βραζιλία έχουν υιοθετηθεί δύο πρακτικές για την επεξεργασία των υγρών αποβλήτων της βιομηχανικής παραγωγής αιθανόλης από ζαχαροκάλαμο. Η πρώτη μέθοδος αφορά τη συλλογή των αποβλήτων σε δεξαμενές και εξάτμιση του νερού. Κατά τη δεύτερη πρακτική γίνεται διασπορά τους με ψεκασμό σε καλλιέργειες ζαχαροκάλαμου ως αζωτούχος λίπανση Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση βιοαιθανόλης. Το κύριο πλεονέκτημα της βιοαιθανόλης είναι ότι η χρήση της έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Από τη χρήση 100% βιοαιθανόλης προκύπτει μείωση 50-60% υπολογισμένη σε πλήρη κύκλο ζωής, σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. Αντίθετα, με τη χρήση μιγμάτων έως 5% η μείωση στους αέριους ρύπους ανέρχεται στο 2.5-3%. Όμως, είναι φανερό ότι η χρήση της βιοαιθανόλης μπορεί να βοηθήσει, ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι για την αποτροπή της κλιματικής αλλαγής. Ένα σημαντικό πρόβλημα που παρουσιάζεται στη χρήση των βιοκαυσίμων είναι η μείωση των καλλιεργήσιμων εκτάσεων που διατίθενται για τα σιτηρά, καθώς παρατηρείται ένας ανταγωνισμός μεταξύ καλλιέργειας βιοκαυσίμων και καλλιέργειας τροφίμων. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται κάποιες τιμές που αφορούν στην ενέργεια που χρησιμοποιείται από διάφορους τύπους καυσίμου, καθώς επίσης και τα αέρια του θερμοκηπίου που προέρχονται από τα καύσιμα αυτά, κατά τη διάρκεια του κύκλου καυσίμου (ανά MJ καυσίμου που χρησιμοποιείται στα οχήματα). Πίνακας 4.3 [55] Τύπος Καυσίμου Χρησιμοποιούμενη Ενέργεια Αέρια του Θερμοκηπίου(gc/MJ) MJ/MJ 1 Απόδοση (%) ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 52

54 Βενζίνη 0,21 4,9 Πετρέλαιο 0,14 3,3 Συμπιεσμένο Φυσικό Αέριο 0,18 4,2 Μεθανόλη 2 0,54 5,9 Υδρογόνο 3 0, Συνολική ενέργεια που καταναλώνεται, προερχόμενη από ακατέργαστα υλικά ή άλλες πηγές ενέργειας. 2. Μεθανόλη πρερχόμενη από μετατροπή φυσικού αερίου. 3. Υδρογόνο πρερχόμενο από αναμόρφωση φυσικού αερίου. 4.9 Βιομάζα. Με τον όρο βιομάζα αποκαλείται οποιοδήποτε υλικό παράγεται από ζωντανούς οργανισμούς(όπως είναι το ξύλο και άλλα προϊόντα του δάσους, υπολείμματα καλλιεργειών,κτηνοτροφικά απόβλητα, απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων κ.λπ.) και μπορεί ναχρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για παραγωγή ενέργειας. Η ενέργεια της βιομάζας, αποτελεί την αποθηκευμένη μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας (ενέργειας), η οποία δεσμεύεται αρχικά από τα φυτά μέσω της φωτοσύνθεσης και στη συνέχεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια που αποταμιεύεται στις νεογέννητες οργανικές ουσίες και μέσα στους ιστούς των φυτών Χαρακτηριστικά. Η ενέργεια της βιομάζας (βιοενέργεια ή πράσινη ενέργεια) είναι δευτερογενής ηλιακή ενέργεια. Οι βασικές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται, είναι το νερό και ο άνθρακας, που είναι άφθονα στη φύση. Η βιομάζα είναι ανανεώσιμη καθώς απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδος για να αναπληρωθεί ό,τι χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας. Εν γένει, για τις διάφορες τελικές χρήσεις υιοθετούνται διαφορετικοί όροι. "Βιοκαύσιμα" αναφέρονται κυρίως τα υγρά καύσιμα μεταφορών που υποκαθιστούν πετρελαϊκά προϊόντα, π.χ. βενζίνη ή ντίζελ Πλεονεκτήματα. 1. Η καύση της βιομάζας έχει μηδενικό ισοζύγιο διοξειδίου του άνθρακα (CO2) δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου - επειδή οι ποσότητες του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που απελευθερώνονται κατά την καύση της βιομάζας δεσμεύονται πάλι από τα φυτά για τη δημιουργία της βιομάζας. 2. Η μηδαμινή ύπαρξη του θείου στη βιομάζα συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO2) που είναι υπεύθυνο για την όξινη βροχή. 3. Εφόσον η βιομάζα είναι εγχώρια πηγή ενέργειας, η αξιοποίησή της σε ενέργεια συμβάλλει σημαντικά στη μείωση της εξάρτησης από εισαγόμενα καύσιμα και ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 53

55 βελτίωση του εμπορικού ισοζυγίου, στην εξασφάλιση του ενεργειακού εφοδιασμού και στην εξοικονόμηση του συναλλάγματος. 4. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μια περιοχή, αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών (διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμι, κενάφ) τη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες (ηλίανθος κ.ά.), και τη συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικο-οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Μελέτες έχουν δείξει ότι η παραγωγή υγρών βιοκαυσίμων έχει θετικά αποτελέσματα στον τομέα της απασχόλησης τόσο στον αγροτικό όσο και στο βιομηχανικό χώρο. 5. Είναι ανανεώσιμη πηγή ενέργειας και ότι παρέχει ενέργεια αποθηκευμένη με χημική μορφή. Η αξιοποίηση της μπορεί να γίνει με μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας Μειονεκτήματα. 1. Ο αυξημένος όγκος και η μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα δυσχεραίνουν την ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας. 2. Η μεγάλη διασπορά και η εποχιακή παραγωγή της βιομάζας δυσκολεύουν την συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας. 3. Βάση των παραπάνω παρουσιάζονται δυσκολίες κατά τη συλλογή, μεταφορά, και αποθήκευση της βιομάζας που αυξάνουν το κόστος της ενεργειακής αξιοποίησης. 4. Οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες με αυτό των συμβατικών καυσίμων Το Φυσικό Αέριο (CNG). Το φυσικό αέριο έχει μπει στην ζωή μας εδώ και αρκετά χρόνια μέσω της οικιακής χρήσης, επιβατικά Ι.Χ. και έχει ξεχωρίσει για την σημαντική οικονομία που προσφέρει συγκριτικά με το πετρέλαιο θέρμανσης και την βενζίνη. Στην Ευρώπη η χρήση φυσικού αερίου και στα επιβατικά Ι.Χ. είναι ευρέως διαδεδομένη σε χώρες όπως είναι κυρίως η Ιταλία και η Γερμανία, ενώ κυκλοφορούν πάνω από 1,5 εκατομμύρια οχήματα (11,5 εκ. οχήματα παγκοσμίως) Βασικά Χαρακτηριστικά. Το φυσικό αέριο είναι ένα φυσικό προϊόν που βρίσκεται σε υπόγεια κοιτάσματα της γης. Είναι ένα μίγμα υδρογονανθράκων σε αέρια κατάσταση, αποτελούμενο κυρίως από μεθάνιο. Έχει υψηλό αντικροτικό βαθμό με 130 οκτάνια, όντας το πλέον κατάλληλο καύσιμο για κινητήρες υψηλής συμπίεσης. Ο μεγάλος αυτός αριθμός οκτανίων δε, αποκλείει τις αυταναφλέξεις. Κάνει εξαιρετικά καθαρή καύση και προσφέρει μεγαλύτερη απόδοση και χαμηλότερη κατανάλωση. Σε αντίθεση με το LPG παραμένει σε αέρια μορφή υπό πίεση κι έτσι δεν μπορεί να αποθηκευθεί σε μεγάλες ποσότητες σε δεξαμενές. Καίγεται πιο αργά από τη βενζίνη και το υγραέριο, κάτι που το κάνει να θεωρείται το πλέον ασφαλές καύσιμο. Σε αυτό συντελεί και η χαμηλή του πυκνότητα που το ωθεί προς τα πάνω σε περίπτωση ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 54

56 διαρροής. Η μορφή ψεκασμού του CNG γίνεται από αέρια κατάσταση σε αέριο ψεκασμό Ποια είναι τα σημαντικότερα μειονεκτήματα. Είναι το βάρος της δεξαμενής αποθήκευσης του καυσίμου. Λόγω υψηλών πιέσεων είναι ενισχυμένη, 200 bar ή σε υγρή μορφή στους -162 C και πίεση 2-6 bar. Ζυγίζει περίπου 100 κιλά και έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει 10 κιλά CNG. Προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερη αυτονομία, προτείνεται η τοποθέτηση δύο δεξαμενών, άρα 200 κιλά επιπλέον στο βάρος του αυτοκινήτου. Το μεγάλο βάρος των δεξαμενών, συνεπάγεται την ανάλογη «ενίσχυση» των αναρτήσεων του αυτοκινήτου. Άρα κρίνεται απαραίτητη η τοποθέτηση πιο «σφικτών» ελατηρίων στην πίσω ανάρτηση, ώστε να μην μεταβάλλεται το ζύγισμα και γενικότερα η οδική συμπεριφορά του αυτοκινήτου. Το βάρος των δεξαμενών, συνεπάγεται και την κατάλληλη πρόσδεση τους στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου με ειδικά άγκιστρα/ιμάντες ώστε να μένουν ακλόνητα κατά την πέδηση ή επιτάχυνση του αυτοκινήτου (ακόμη και στην περίπτωση ενός ατυχήματος). Η δεξαμενή ή η συστοιχία δεξαμενών πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του υγραερίου για να έχουμε αντίστοιχη αυτονομία. Για να πάρετε μια ιδέα τάξης μεγέθους, υπολογίστε 5 φορές μεγαλύτερη. Το CNG καίγεται διαφορετικά από τη βενζίνη, και εκτός από διαφορετικό χάρτη τροφοδοσίας καυσίμου (που παρέχει ο επιπλέον εγκέφαλος) απαιτεί και διαφορετικό χάρτη ανάφλεξης. Αν δεν «παίξουμε» με την ανάφλεξη θα έχουμε πολύ μειωμένη απόδοση (κατά 30% περίπου) και πιθανότατα σοβαρές βλάβες στον κινητήρα. Οι λύσεις είναι να χρησιμοποιηθεί ένας πανάκριβος προγραμματιζόμενος «αγωνιστικός» εγκέφαλος κινητήρα ή ένας «επιταχυντής», ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα που αλλάζει το χάρτη ανάφλεξης. Τα πρατήρια CNG στην Ελλάδα είναι μετρημένα. Αναμένεται πάντως άνοιγμα νέων κυρίως σε Αθήνα και Θεσσαλονίκη. Η μετατροπή είναι κάπως ακριβότερη από αυτή του υγραερίου, με κόστος γύρω στις 2000 ευρώ. Είναι εντελώς ακατάλληλο για αυτοκίνητα που κάνουν γενική χρήση που περιλαμβάνει ταξίδια, γιατί εκεί η συστοιχία δεξαμενών γεμίζει σχεδόν όλο το χώρο αποσκευών. Απαιτούνται ειδικοί καταλύτες για να επιτευχθεί σεικανοποιητικό βαθμό η οξείδωση του μεθανίου. Η σύστασή του διαφέρει από χώρα σε χώρα και από πόλησε πόλη λόγω διαφορετικής προέλευσης. Η διαφορετική σύνθεση επιδρά στο στοιχειομετρικό λόγο αέρα/καυσίμου Συγκριτικά με τη λειτουργία βενζίνης υπάρχει μια μικρή απώλεια ισχύος του κινητήρα Τα οφέλη από τη χρήση Φυσικού Αερίου στα οχήματα. Η οδήγηση με φυσικό αέριο, εξασφαλίζει σημαντική μείωση στο κόστος κίνησης ανά χιλιόμετρο. Χαρακτηριστικό είναι ότι η τιμή του φυσικού αερίου είναι περίπου 60% χαμηλότερη από εκείνη της βενζίνης, 35% από εκείνη του ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 55

57 diesel, και 15% ένταντι του υγραερίου, εξασφαλίζοντας ραγδαία εξοικονόμηση χρημάτων σε όποιον το χρησιμοποιεί. Η εξοικονόμηση που πετυχαίνουμε σε σχέση με την βενζίνη είναι περίπου 70% και σε σχέση με το υγραέριο περίπου 25%. Σχήμα 4.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ : ΒΕΝΖΙΝΑΣ, DIESEL, LPG & CNG [23] Σε περιβαλλοντικό επίπεδο, η χρήση του φυσικού αερίου στην αυτοκίνηση, συμβάλει δραματικά στη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, δικαιολογώντας έτσι την ευρεία χρήση του στις αναπτυγμένες και περιβαλλοντικά φιλικές χώρες. Πιο συγκεκριμένα επιτυγχάνει: - Μείωση των εκπομπών μη-μεθανιούχων υδρογονανθράκων μέχρι και 80%. - Ελαχιστοποίηση έως και μηδενισμός των εκπομπών καρκινογόνων αρωματικών και πολυκυκλικών υδρογονανθράκων. - Μείωση των εκπομπών ΝΟx μέχρι και 85%. - Μείωση των εκπομπών CO περισσότερο από 90%. - Μείωση των εκπομπών CO2 μέχρι και 20%. - Μείωση του σχηματισμού όζοντος (νέφους) κατά 80-90%. - Μείωση των εκπομπών λεπτών σωματιδίων (PM) μέχρι και 99%. Σχήμα 4.5 Σχετικές εκπομπές ρύπων (%). [23] Το κόστος κίνησης ενός αυτοκινήτου με CNG είναι περίπου το 1/3 του αντίστοιχου βενζινοκίνητου εντυπωσιακή οικονομία από κάθε άποψη. Το CNG είναι άριστο (φτηνό και καθαρό) καύσιμο για οχήματα που σχεδιάστηκαν για αυτό ή/και το μέγεθος των δεξαμενών του (ειδικά λεωφορεία με δεξαμενές στην οροφή, απορριμματοφόρα, οχήματα πόλης που δεν χρειάζονται μεγάλη αυτονομία). Γι αυτό υπάρχει και σε κάποιες εργοστασιακές εκδόσεις μικρών αυτοκινήτων, αλλά και αστικών λεωφορείων. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 56

58 Μπορεί κανείς να γεμίση το αυτοκίνητο με μια αντλία που θα συνδέσουν στο μετρητή (την παροχή δηλαδή) φυσικού αερίου της οικίας τους. Οι μηχανές φυσικού αερίου βαρέων οχημάτων παρουσιάζουν χαμηλότερες εκπομπές θορύβου και έτσι είναι κατάλληλες για αστικές χρήσεις. Πολλές χώρες έχουν χαμηλούς φόρους καυσίμου. Υψηλές προδιαγραφές ασφάλειες Γιατί να μετατρέψω το αυτοκίνητο μου; Σημαντικά κριτήρια για την επιλογή είναι: Το κόστος μετατροπής και ο χρόνος απόσβεσης. Τα έξοδα καυσίμου. Οι μειωμένοι φόροι (όπου και εάν υπάρχουν). Η φιλικότητα προς το περιβάλλον (Περισσότερο οικολογικό σύστημα συγκριτικά με τα βενζινοκίνητα -ή πετρελαιοκίνητα αυτοκίνητα). Τα πλεονεκτήματα του ίδιου του φυσικού αερίου σαν καύσιμο οχημάτων. Τα τοπικά οικονομικά κίνητρα από τους προμηθευτές αερίου (πχ ΔΕΠΑ). Η άρση των τοπικών περιορισμών πρόσβασης σε συγκεκριμένες ζώνες κυκλοφορίας. Το διαθέσιμο δίκτυο πρατηρίων Φυσικό αέριο σε οχήματα Compressed Natural Gas ή CNG. Θεωρητικά, όλοι οι βενζινοκινητήρες μπορούν να μετατραπούν για να καίνε CNG. Ποια βενζινοκίνητα αυτοκίνητα μετατρέπονται σε οχήματα διπλού καυσίμου. Οχήματα συμβατικής τεχνολογίας (καρμπυρατέρ) Οχήματα κεντρικού ψεκασμού καυσίμου (μονός ψεκασμός) Οχήματα σειριακού ψεκασμού (πολλαπλός ψεκασμός) Οχήματα εμέσου ή άμεσου ψεκασμού καυσίμου Οχήματα βενζινοκίνητα -πετρελαιοκίνητα Οχήματα υβριδικά Οχήματα μικρής μεγάλης ιπποδύναμης Μετατροπή. Οι μετατροπές κινητήρων πρέπει να πραγματοποιούνται μόνο από κατόχους άδειας άσκησης επαγγέλματος τεχνίτη συσκευών αερίων καυσίμων. Στα τροποποιημένα ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 57

59 οχήματα που θα κινούνται με CNG, θα πραγματοποιείται έλεγχος διασκευασμένου κινητήρα από τα ΚΤΕΟ. Σημεία προσοχής πριν την εγκατάσταση: Το αυτοκίνητο θα πρέπει να βρίσκεται σε καλή μηχανική κατάσταση Να γίνει επιλογή κατάλληλου συστήματος μετατροπής Να γίνει μελέτη του χώρου εγκατάστασης των εξαρτημάτων Σημεία προσοχής κατά την διάρκεια της εγκατάστασης: Να χρησιμοποιούνται κατάλληλα πιστοποιημένα υλικά Να εφαρμόζονται οι κανόνες τεχνικής ασφάλειας και νομοθεσίας Οι εργασίες να γίνονται από εκπαιδευμένους και πιστοποιημένους τεχνίτες σε αδειοδοτημένο συνεργείο Διάταξη και θέση βασικών εξαρτημάτων μετατροπής αυτοκινήτου. 1. Εγκέφαλος CNG 2. Στόμιο πλήρωσης 3. Δεξαμενές CNG 4. Μπεκ CNG 5. Ρυθμιστής πίεσης καυσίμου Σχήμα 4.6 Διάταξη και θέση βασικών εξαρτημάτων μετατροπής αυτοκινήτου [23] Εξαρτήματα μετατροπής οχημάτων. Στόμιο πλήρωσης ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 58

60 Βαλβίδα αντεπιστροφής Δεξαμενή/ές αερίου Βαλβίδα πολλαπλών λειτουργιών Φίλτρο υψηλής πίεσης αερίου Ρυθμιστής πίεσης Φίλτρο χαμηλής πίεσης αερίου Μπεκ φυσικού αερίου Σωληνώσεις -σύνδεσμοι Διακόπτης επιλογής Αισθητήρας πίεσης και θερμοκρασίας αερίου Όργανο ένδειξης πίεσης αερίου Ηλεκτρονική μονάδα ECU Διάταξη εξαρτημάτων συστήματος τροφοδοσίας αερίου. Το κύκλωμα τροφοδοσίας φυσικού αερίου διακρίνεται: της πλευράς υψηλής πίεσης, της μετάβασης από την πλευρά υψηλής στην πλευρά χαμηλής πίεσης και της πλευράς χαμηλής πίεσης. Σχήμα 4.7 κύκλωμα τροφοδοσίας φυσικού αερίου [23] Στόμιο πλήρωσης Φυσικού Αερίου. Το στόμιο πλήρωσης αερίου έχει: ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 59

61 μία βαλβίδα αντεπιστροφής και ένα μεταλλικό φίλτρο Το στόμιο πλήρωσης αερίου προστατεύεται επιπροσθέτως και με ένα κάλυμμα έναντι βρομιών Τοποθέτηση δεξαμενών. Εικόνες 4.8 Προσαρμογέας στομιου πλήρωσης [23] Ένα από τα πρακτικά εμπόδια που συναντώνται κατά την μετατροπή ενός αυτοκινήτου με συστήματα CNG, είναι το γεγονός ότι η δεξαμενή ή η συστοιχία δεξαμενών πρέπει να είναι 3,2 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του υγραερίου και 3,7 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη της βενζίνης, για να επιτευχθεί ισοδύναμη αυτονομία. Αυτό προκύπτει λόγω της δυσκολίας υγροποίησης του φυσικού αερίου, για την οποία η κρίσιμη θερμοκρασία είναι οι -162οC. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι σε μία δεξαμενή φυσικού αερίου, όγκου 50 λίτρων, η οποία ζυγίζει 49 kg, συμπιέζονται 11 mᵌ φυσικού αερίου, σε πίεση 200 bar. Αυτή η ποσότητα φυσικού αερίου, ισοδυναμεί περίπου, με 11 λίτρα βενζίνας. Με την παραπάνω ποσότητα αερίου καυσίμου, ένα αυτοκίνητο 2000 CC, διανύει περίπου χλμ. Από την παραπάνω ιδιομορφία των δεξαμενών φυσικού αερίου, συνεπάγεται η σημαντική μείωση στον ωφέλιμο χώρο των αποσκευών του αυτοκινήτου. Εικόνες 4.8 Δεξαμενές φυσικού αερίου CNG [57] Για την αποθήκευση του CNG στα οχήματα διαφόρων κατηγοριών (επιβατικά, φορτηγά, λεωφορεία), χρησιμοποιούνται κυλινδρικές δεξαμενές με αυστηρές προδιαγραφές κατασκευής. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 60

62 Δεξαμενές αποθήκευσης Φυσικού Αερίου. Υπάρχουν 4 βασικοί τύποι κυλινδρικών δεξαμενών. Τύπος 1:Τα υλικά κατασκευής τους είναι:100% μέταλλο, που μπορεί να είναι χάλυβας ή αλουμίνιο. Αποτελούν τον πιο κοινό τύπο φιάλης. Τύπος 2:Τα υλικά κατασκευής τους είναι: ο εσωτερικός πυρήνας της κυλινδρικής επιφάνειας από συνθετικό υλικό (45% του βάρους) και η εξωτερική του επένδυση από μέταλλο (55% του βάρους). Τύπος 3:Τα υλικά κατασκευής τους είναι: εξωτερική μεταλλική λεπτή επένδυση (20% του βάρους), το υπόλοιπο συνθετικό υλικό (80% του βάρους). Τύπος 4:Τα υλικά κατασκευής τους είναι:100% από συνθετικό υλικό, με λεπτή πλαστική επένδυση. Πρόκειται για ελαφριά αλλά κοστοβόρα δεξαμενή. Εικόνες 4.9 Δεξαμενές φυσικού αερίου CNG [ [23] Βάρος και όγκος δεξαμενών αποθήκευσης καυσίμων. Χώρος που καταλαμβάνουν τα διάφορα καύσιμα και τα βάρη τους; Για να μπορέσει να επιτευχθεί η ίδια αυτονομία με διαφορετικά καύσιμα, οι όγκοι αποθήκευσης θα πρέπει να είναι διαφορετικοί. Το γράφημα δείχνει τον απαιτούμενο όγκο αποθήκευσης (μπλε) και το βάρος των ρεζερβουάρ (κίτρινο) για διάφορα καύσιμα Τεχνικά χαρακτηριστικά δεξαμενών Φυσικού Αερίου. Μετά από 20 χρόνια οι φιάλες αερίου θα πρέπει να αντικατασταθούν. Πληροφορίες για το έτος κατασκευής και άλλα τεχνικά χαρακτηριστικά δίνουν τα πρεσαρισμένα στοιχεία ελέγχου πάνω στις φιάλες αερίου ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 61

63 Εικόνα 4.10 Τεχνικά χαρακτηριστικά δεξαμενών Φυσικού Αερίου [23] Βαλβίδα φραγής φιάλης Φυσικού Αερίου. Σχήμα 4.8 :Σχηματικό διάγραμμα της βαλβίδας φραγής φιάλης [23] Ρυθμιστής πίεσης Φυσικού Αερίου. Ο ρυθμιστής (υποβιβαστής) πίεσης του CNG μειώνει τη πίεση του CNG που βρίσκεται αποθηκευμένο στους κυλίνδρους υψηλής πίεσης. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 62

64 . Σχήμα 4.9 Ρυθμιστής πίεσης Φυσικού Αερίου [23] Από μία μέγιστη πίεση 200 bar σε πίεση περίπου 2 bar (Σε μερικά συστήματα φτάνει έως 12 bar). [ Μπεκ φυσικού αερίου Θέση εγκατάστασης. Εικόνα 4.10 Μπεκ αερίου [23] Σχήμα 4.10 Πολλαπλή εισαγωγής [23] Σωληνώσεις Φυσικού Αερίου. Οι σωληνώσεις φυσικού υψηλής πίεσης αερίου είναι κατασκευασμένες από ανοξείδωτο χάλυβα και για μία πίεση έως και 1000 bar. Από το στόμιο πλήρωσης αερίου μέχρι την είσοδο της βαλβίδας φραγής φιάλης της τέταρτης φιάλης αερίου, οι σωληνώσεις φυσικού αερίου έχουν μία εξωτερική διάμετρο 8mm ενώ μέχρι τον ρυθμιστή πίεσης 6mm. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 63

65 Σχήμα 4.11 Σωληνώσεις Φυσικού Αερίου [23] Ηλεκτρονική μονάδα Φυσικού Αερίου CNG. Σχήμα 4.12 :Διάγραμμα ηλεκτρονικής διαχείρισης κινητήρα διπλού καυσίμου, βενζίνης -CNG. [56] Σχηματική διάταξη συστήματος Φυσικού Αερίου CNG. Σχήμα 4.13 Διάταξη συστήματος Φυσικού Αερίου CNG. [23] ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 64

66 Αντικατάσταση μπουζί (αναφλεκτήρων ). Το αέριο έχει υψηλότερη θερμοκρασία καύσης. Το αέριο απαιτεί υψηλότερη τάση σπινθήρα Σχήμα 4.14 Διαφορές ανάφλεξης καύσης [23] Στα συστήματα μετατροπής απαιτείται σύστημα λίπανσης. Οι βαλβίδες και οι έδρες των βαλβίδων μερικών κινητήρων είναι περισσότερο επιρρεπείς στη φθορά όταν ένα όχημα οδηγείτε με CNG. Αυτό δεν ισχύει με τη βενζίνη, καθώς χημικά πρόσθετα που βρίσκονται στο καύσιμο λιπαίνουν τις βαλβίδες και τις έδρες. Αυτά τα χημικά πρόσθετα δεν υπάρχουν στο CNG. Με τα συστήματα προστασίας λίπανσης των βαλβίδων, μειώνεται αισθητά η φθορά των βαλβίδων και των εδρών τους Είδη συστημάτων προστασίας. Τα συστήματα προστασίας λίπανσης των βαλβίδων, είναι συστήματα παροχής χημικού πρόσθετου - λιπαντικού. Η παροχή χημικού- λιπαντικού μπορεί να γίνει: 1. Άμεσα με πρόσθετα στη δεξαμενή του συστήματος τροφοδοσίας υγραερίου. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 65

67 Βασική προϋπόθεση για να είναι επιτυχημένη η συμπλήρωση της δεξαμενής του υγραερίου με τα ενεργά συστατικά, πρέπει να είναι επαρκής η πίεση του αέρα παροχής (το λιγότερο 8 bar) καθώς και η σωστή και χωρίς απώλειες λειτουργία του μανόμετρου. Εικόνα 4.11 Σύστημα τροφοδοσίας υγραερίου [31] Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζει η θερμοκρασία και η ποσότητα του υγραερίου που υπάρχει μέσα στη δεξαμενή. Όταν η δεξαμενή είναι γεμάτη με υγραέριο δεν μπορεί να γίνει η τοποθέτηση των ενεργών συστατικών. 2. Με ανεξάρτητο δοσομετρικό σύστημα μέσω υποπίεσης. o Το ακροφύσιο τοποθετείτε στην πολλαπλή εισαγωγή. o Ο ελαστικός σωλήνας παροχής λιπαντικού συνδέετε με το ακροφύσιο και το δοσομετρικό δοχείο. o Το ακροφύσιο πρέπει να τοποθετηθεί κοντά στην πεταλούδα γκαζιού και μετά από αυτήν, ώστε να διασφαλίζεται η μέγιστη δυνατή υποπίεση προς το δοσομετρικό δοχείο. o Ενδεικτικά, η θέση του ακροφυσίου του συστήματος θα πρέπει να βρίσκεται σε απόσταση 50 mm κάτω από την πεταλούδα γκαζιού. Εικόνα 4.12 Ανεξάρτητο δοσομετρικό σύστημα μέσω υποπίεσης [31] 3. Με ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα δοσομετρικά συστήματα κεντρικού ψεκασμού. 4. Με ολοκληρωμένα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα σειριακού ψεκασμού. 5. Με συστήματα προστασίας αποκλειστικής τοποθέτησης. Παρατήρηση: Μερικοί κατασκευαστές διαθέτουν συστήματα λίπανσης σχεδιασμένα αποκλειστικά για τα δικά τους συστήματα υγραερίου φυσικού αερίου Οφέλη συστημάτων λίπανσης των βαλβίδων. 1) Εφαρμόσιμα σε όλες τις μηχανές. 2) Τα ηλεκτρονικά συστήματα λίπανσης των βαλβίδων, έχουν ακριβής παροχή του χημικού πρόσθετου βάσει της πραγματικής κατανάλωσης CNG. 3) Οικονομική κατανάλωση λόγω της σωστής παροχής. ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 66

68 4) Μειώνουν τη φθορά των βαλβίδων και των εδρών τους. 5) Πολλά διαθέτουν πλήρως αυτόματη λειτουργία. 6) Εφαρμογή και σε υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες. 7) Μέγιστη απόδοση, ακόμη και με βαριά φορτία. 8) Ισοκατανομή του χημικού πρόσθετου σε όλους τους κυλίνδρους μέσω της μοναδικής μονάδας παροχής. 9) Διαθέτουν αυτοδιάγνωση και προειδοποίηση με ηχητικό ή και οπτικό σήμα όταν τελειώνει το χημικό πρόσθετο. 10) Προστατεύουν από την διάβρωση ολόκληρο το σύστημα καυσίμου. 11) Αποτρέπουν την οξείδωση του υγραερίου. 12) Εμποδίζουν τον σχηματισμό αφρού σε θερμαινόμενους υποβιβαστές πίεσης Ενδεικτικές πινακίδες εγκατάστασης Φυσικού Αερίου CNG. Διάφορες ενδείξεις στο όχημα πρέπει να πληροφορούν για την χρήση φυσικού αερίου. Εικόνες 4.13 Ενδεικτικές πινακίδες εγκατάστασης Φυσικού Αερίου CNG [31] Σημεία προσοχής μετά την εγκατάσταση. 1. Να γίνετε έλεγχος διαρροών ασφαλούς και καλής λειτουργίας του συστήματος και του οχήματος. 2. Να γίνετε έλεγχος καυσαερίων. 3. Να γίνετε αλλαγή στην άδεια κυκλοφορίας (άδεια διπλού καυσίμου) τεχνικός έλεγχος σε ΚΤΕΟ 4. Να ενημερώνετε η ασφαλιστική εταιρεία του οχήματος για την τροποποίηση της άδειας κυκλοφορίας Μετατροπή οχημάτων, ποιο είναι το κόστος. Tο συνολικό κόστος μετατροπής του οχήματος εξαρτάται: Από το κόστος αγοράς του «κιτ» μετατροπής ΓΕΩΡΓΙΑΔΗΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ Σελίδα 67