1.1. Περιβαλλοντικές επιπτώσεις συμβατικών μεταφορικών μέσων

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ανάπτυξη των συμβατικών οχημάτων μηχανών εσωτερικής καύσης (Μ.Ε.Κ.), ειδικά των αυτοκινήτων, αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της σύγχρονης τεχνολογίας. Τα αυτοκίνητα συνέβαλλαν σημαντικά στην ανάπτυξη των σύγχρονων κοινωνιών ικανοποιώντας το μεγαλύτερο μέρος των αναγκών μετακίνησης στην καθημερινότητα. Η ταχεία εξέλιξη της αυτοκινητοβιομηχανίας συνέβαλλε στην πρόοδο της κοινωνίας από πρωτόγονη σε μια ραγδαία αναπτυσσόμενη βιομηχανική κοινωνία. Η αυτοκινητοβιομηχανία, μαζί με τα τμήματα των υπόλοιπων βιομηχανιών που την υποστηρίζουν, αποτελεί σήμερα τον κορμό της σύγχρονης οικονομίας και απασχολεί το μεγαλύτερο κομμάτι του σύγχρονου παγκόσμιου εργατικού δυναμικού. Ωστόσο, ο μεγάλος αριθμός αυτοκινήτων που χρησιμοποιούνται σε ολόκληρο τον κόσμο προκάλεσε και συνεχίζει να προκαλεί σοβαρά προβλήματα για το περιβάλλον και την ποιότητα ζωής δισεκατομμυρίων ανθρώπων. Η ατμοσφαιρική ρύπανση, η θέρμανση του πλανήτη και η γρήγορη εξάντληση των αποθεμάτων πετρελαίου είναι πλέον προβλήματα που ενδιαφέρουν τους πάντες. Τις τελευταίες δεκαετίες, η έρευνα και ανάπτυξη δραστηριοτήτων που σχετίζονται με τις μεταφορές εντοπίζονται στην ανάπτυξη τεχνολογιών υψηλής απόδοσης, καθαρότητας και ασφάλειας. Τα ηλεκτρικά οχήματα, τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα και τα οχήματα με κυψέλες καυσίμου έχουν προταθεί για να αντικαταστήσουν τα συμβατικά οχήματα στο άμεσο και πιο μακρινό μέλλον. Στη συνέχεια του κεφαλαίου παρατίθενται εν συντομία τα σημαντικότερα προβλήματα στα οποία συμβάλλουν τα συμβατικά οχήματα και γίνεται μια σύντομη αναφορά στην ιστορία των πιο δημοφιλών οχημάτων, εναλλακτικών στη συμβατική τεχνολογία Περιβαλλοντικές επιπτώσεις συμβατικών μεταφορικών μέσων Περιβαλλοντική ρύπανση Τα σύγχρονα συμβατικά οχήματα βασίζονται στην καύση υδρογονανθράκων για την παραγωγή της απαραίτητης για την προώθηση ενέργειας. Καύση είναι η αντίδραση ανάμε- 1-1

2 σα στο καύσιμο και το οξυγόνο που απελευθερώνει θερμότητα και τα προϊόντα της καύσης. Η θερμότητα μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια μέσω της μηχανής ενώ τα προϊόντα απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Υδρογονάνθρακας είναι μια χημική ένωση με μόρια που αποτελούνται από άτομα άνθρακα και υδρογόνου. Ιδανικά, τα προϊόντα μιας καύσης είναι νερό και διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) που δεν βλάπτουν το περιβάλλον 1. Στην πράξη, όμως, η καύση των υδρογονανθράκων στις Μ.Ε.Κ. δεν είναι ποτέ ιδανική. Έτσι, εκτός από διοξείδιο του άνθρακα και νερό, τα προϊόντα μιας τέτοιας καύσης περιλαμβάνουν ποσότητες οξειδίων του αζώτου (NO x ), μονοξειδίων του άνθρακα (CO) και άκαυστων υδρογονανθράκων (HC). Όλα τα παραπάνω είναι τοξικά για τον άνθρωπο. Συγκεκριμένα, τα οξείδια του αζώτου εμφανίζονται λόγω κυρίως των υψηλών θερμοκρασιών και της πίεσης που υπάρχουν στο εσωτερικό των μηχανών. Το πιο συνηθισμένο οξείδιο που παράγεται είναι το νιτρικό οξύ (ΝΟ), ενώ σε μικρότερες ποσότητες παράγεται και διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ 2 ). Το διοξείδιο του αζώτου είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία της αιθαλομίχλης, η οποία σε συνδυασμό με βροχή οδηγεί στη λεγόμενη όξινη βροχή, φαινόμενο που επηρεάζει τα δέντρα και το μάρμαρο των μνημείων. Επίσης, το διοξείδιο του αζώτου προκαλεί πνευμονολογικά προβλήματα (ή και το θάνατο σε υψηλές συγκεντρώσεις). Μακροπρόθεσμα δε, προκαλεί ελάττωση του ρυθμού ανάπτυξης, προβλήματα στην αναπαραγωγή και επιδράσεις στο νευρικό σύστημα. Το μονοξείδιο του αζώτου παράγεται από την ατελή καύση των υδρογονανθράκων εξαιτίας έλλειψης οξυγόνου. Το μονοξείδιο του αζώτου είναι δηλητήριο τόσο για τον άνθρωπο όσο και για τα ζώα. Όταν εισέλθει στο αίμα περιορίζει το οξυγόνο που φτάνει στα όργανα και μειώνει έτσι τις σωματικές και πνευματικές ικανότητες του ατόμου. Σε υψηλές συγκεντρώσεις μπορεί να προκαλέσει το θάνατο (εξαιρετικά τοξικό). Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (καπνός) είναι επίσης προϊόντα ατελούς καύσης υδρογονανθράκων. Ανάλογα με τη φύση τους, οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες μπορεί να είναι ε- πιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία. Είναι πιθανό να προκαλούν δηλητηριάσεις ή ακόμη και καρκινογένεση. Επίσης, οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες είναι υπεύθυνοι και για την αιθαλομίχλη. Οι ακαθαρσίες στα καύσιμα έχουν ως αποτέλεσμα την εκπομπή ρύπων. Η μεγαλύτερη ακαθαρσία είναι το θείο ή ενώσεις του θείου που εμφανίζεται κυρίως στο ντίζελ, στα καύσιμα των τζετ καθώς επίσης και στο φυσικό αέριο. Η καύση του θείου με το οξυγόνο απελευθερώνει οξείδια του θείου (SO x ). Το διοξείδιο του θείου (SO 2 ) είναι το μεγαλύτερο σε ποσότητα προϊόν αυτής της καύσης. Με την επαφή με τον αέρα, δημιουργείται έπειτα από 1 Το διοξείδιο του άνθρακα είναι σημαντικό συστατικό για τη χλωρίδα ενώ δε βλάπτει τα ζώα παρά μόνο σε συγκεντρώσεις τέτοιες ώστε το οξυγόνο να είναι σχεδόν απόν. 1-2

3 σειρά αντιδράσεων το θειικό οξύ. Οι παρενέργειες που μπορεί να προκαλέσει το διοξείδιο του θείου είναι η αύξηση του βαθμού νοσηρότητας σε ευαίσθητα άτομα και μπορούν να κλιμακωθούν από απλές ενοχλήσεις μέχρι και σε θάνατο για μεγάλες συγκεντρώσεις. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 ΟΡΙΑ ΕΠΙΦΥΛΑΚΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΩΝ ΤΟΞΙΚΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Τοξική ουσία CΟ NO 2 SO 2 Καπνός Όρια επιφυλακής 10 mg/m μg/m μg/m 3 50 μg/m Θέρμανση του πλανήτη Η θέρμανση του πλανήτη είναι ένα αποτέλεσμα του λεγόμενου φαινομένου του θερμοκηπίου που προκαλείται από το διοξείδιο του άνθρακα και άλλα αέρια της ατμόσφαιρας, όπως τα μεθάνιο. Αυτά τα αέρια δεσμεύουν την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία που ανακλάται από το έδαφος, διατηρώντας την ενέργεια στην ατμόσφαιρα και αυξάνοντας, έτσι, τη μέση θερμοκρασία. Η αυξημένη θερμοκρασία της γης οδηγεί σε σημαντικές οικολογικές βλάβες στα οικοσυστήματα και σε φυσικές καταστροφές που επιδρούν στις ανθρώπινες κοινωνίες. Στις οικολογικές επιδράσεις αναφέρονται ενδεικτικά η εξαφάνιση κάποιων ειδών και η μετανάστευση ειδών από θερμές περιοχές σε πρότερα ψυχρότερες περιοχές στις οποίες έχει αυξηθεί η θερμοκρασία. Στις φυσικές καταστροφές, οι οποίες τραβούν την ανθρώπινη προσοχή κατά πολύ περισσότερο λόγω των αποτελεσμάτων τους, αναφέρονται μετεωρολογικά φαινόμενο όπως αυτό του El Niño και οι έντονες και ακραίες μεταβολές του καιρού, το λιώσιμο των πολικών πάγων που προκαλεί άνοδο της στάθμης των ωκεανών. Είναι προφανές ότι τα συμβατικά μέσα μεταφοράς με μηχανές εσωτερικής καύσης αποτελούν το σημαντικότερο παράγοντα δημιουργίας των αερίων που είναι υπεύθυνα για την αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη Μείωση των αποθεμάτων πετρελαίου Η μεγάλη πλειοψηφία των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στις μεταφορές είναι υγρά καύσιμα που έχουν ως βάση τους το πετρέλαιο. Το πετρέλαιο είναι καύσιμο που προέρχεται από την αποσύνθεση ζώντων οργανισμών που εγκλωβίστηκαν πριν από εκατομμύρια χρόνια ( εκατομμύρια χρόνια) σε σταθερά γεωλογικά στρώματα. Η διαδικασία μετατροπής της ύλης (κυρίως χλωρίδας) σε υγρό πετρέλαιο διαρκεί επίσης εκατομμύρια χρό- 1-3

4 νια, γεγονός που εξηγεί γιατί τα αποθέματα πετρελαίου της γης είναι πεπερασμένα. Τα α- ποδεδειγμένα υπαρκτά αποθέματα πετρελαίου, όπως εκτιμώνται από την BP το 2001, παρατίθενται στον πίνακα 1.2, όπου ο λόγος R/P εκφράζει τον αριθμό των χρόνων που τα συγκεκριμένα αποθέματα θα διαρκούσαν αν η παραγωγή παρέμενε στα τρέχοντα επίπεδα. Στον πίνακα 1.3 από την άλλη πλευρά παρατίθεται μια εκτίμηση του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών του 2000 για τα αποθέματα πετρελαίου που δεν έχουν ανακαλυφθεί. Η ποσότητα του πετρελαίου που θα ανακαλυφθεί στο μέλλον είναι υποθετική ενώ τα νέο-ανακαλυφθέντα κοιτάσματα δε θα είναι εύκολα προσβάσιμα. Είναι προφανές επίσης, ότι η κατανάλωση και παραγωγή πετρελαίου αυξάνεται συνεχώς με την εξέλιξη των αναπτυγμένων και αναπτυσσόμενων χωρών. Ειδικότερα με την ανάπτυξη πολυπληθών κρατών (Κίνα, Ινδία), η κατανάλωση πετρελαίου τείνει να αυξάνεται με γιγαντιαίους ρυθμούς. Ενδεικτική είναι η γραφική παράσταση του σχήματος 1.1. Γενικότερα πάντως, προβλέπεται ότι σύντομα θα παρατηρηθεί μια έκρηξη στην κατανάλωση πετρελαίου με ταυτόχρονη αύξηση των εκπεμπόμενων ρύπων και του διοξειδίου του άνθρακα. ΠΙΝΑΚΑΣ 1.2 ΑΠΟΔΕΔΕΙΓΜΕΝΑ ΑΠΟΘΕΜΑΤΑ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΤΟ 2000 Περιοχή Αποθέματα σε δισεκατομμύρια τόνους Λόγος R/P Βόρεια Αμερική Κεντρική και Νότια Αμερική Ευρώπη Αφρική Μέση Ανατολή Πρώην ΕΣΣΔ Ασία (πλην Μέσης Ανατολής) Σύνολο (παγκόσμιο) ΠΙΝΑΚΑΣ 1.3 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΜΗ ΑΝΑΚΑΛΥΦΘΕΝΤΩΝ ΑΠΟΘΕΜΑΤΩΝ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΥ ΤΟ 2000 Περιοχή Αποθέματα σε δισεκατομμύρια τόνους Βόρεια Αμερική 19.8 Κεντρική και Νότια Αμερική 14.3 Ευρώπη 3.0 Αφρική (Σαχάρα) και Ανταρκτική 9.7 Μέση Ανατολή και λοιπή Β. Αφρική 31.2 Πρώην ΕΣΣΔ 15.7 Ασία (πλην Μέσης Ανατολής) 4.0 Σύνολο (πιθανή αύξηση) 98.3 (91.5) 1-4

5 ΣΧΗΜΑ 1.1 Κατανάλωση πετρελαίου ανά περιοχή Επαγόμενο κόστος Από τις προηγούμενες ενότητες γίνεται φανερό ότι τα προβλήματα που οφείλονται στην καύση των καυσίμων ώστε να ικανοποιηθεί η ανάγκη κίνησης των συμβατικών οχημάτων είναι σημαντικότατα. Το κόστος που προκαλούν αυτά τα προβλήματα, αν και δύσκολο να εκτιμηθεί με ακρίβεια, είναι τεράστιο τόσο οικονομικά όσο και κοινωνικά. Τα επακόλουθα της ρύπανσης περιλαμβάνουν, εκτός των άλλων, έξοδα υγείας, το κόστος για την αναδάσωση περιοχών που επλήγησαν από όξινη βροχή και το κόστος επιδιόρθωσης μνημείων που διαβρώθηκαν. Το κόστος που σχετίζεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη είναι δύσκολο να εκτιμηθεί. Μπορεί να περιλαμβάνουν το κόστος των καταστροφών από τυφώνες, αποκατάστασης περιουσιών (χαμένες σοδιές, σπίτια) εξαιτίας ξηρασίας, πλημμυρών και γενικότερα ακραίων καιρικών φαινομένων. Το ποσό που προκύπτει είναι τεράστιο. Οι περισσότερες από τις πετρελαιοπαραγωγές χώρες δεν είναι και οι μεγαλύτεροι καταναλωτές πετρελαίου. Συγκεκριμένα, η μεγαλύτερη παραγωγή εντοπίζεται στη Μέση Ανατολή ενώ η μεγαλύτερη κατανάλωση στην Ευρώπη, τη Βόρεια Αμερική και την Άπω Ανατολή. Έτσι, οι καταναλωτές (κυρίως δυτικοί πολιτισμοί) πρέπει να εισάγουν το πετρέλαιό τους και εξαρτώνται άμεσα (οικονομικά) ή έμμεσα (πολιτικά και κοινωνικά) από τις παραγωγούς χώρες. Η σπουδαιότητα της εξάρτησης αυτής γίνεται αντιληπτή από τις έντονες κοινωνικοπολιτικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα την τελευταία πεντηκονταετία στην 1-5

6 ΣΧΗΜΑ 1.2 Ανακάλυψη αποθεμάτων πετρελαίου, υπάρχοντα αποθέματα και παγκόσμια κατανάλωση. ευρύτερη περιοχή της Μέσης Ανατολής (πόλεμος Ιράν-Ιράκ, πόλεμος του Κόλπου, συνεχής παρακολούθηση της περιοχής από τις μεγάλες δυνάμεις) και τις επιπτώσεις αυτών στις τιμές του πετρελαίου και των παραγώγων του. Κατά την αναζήτηση μιας επίλυσης στα προβλήματα που σχετίζονται με την κατανάλωση πετρελαίου, πρέπει να ληφθούν υπόψη τα παραπάνω επαγόμενα κόστη. Αυτό είναι δύσκολο διότι το κόστος δεν εμφανίζεται απαραίτητα εκεί που παράγεται. Σε κάθε περίπτωση πάντως, είναι ξεκάθαρο ότι οποιαδήποτε λύση, ακόμη και μερική, οδηγεί στην εξοικονόμηση σημαντικών ποσών από τους εμπλεκομένους Μέσα μεταφοράς και αποθέματα πετρελαίου Ο αριθμός των ετών για τα οποία τα αποθέματα πετρελαίου της γης μπορούν να υποστηρίξουν τις ενεργειακές απαιτήσεις του πληθυσμού της εξαρτάται από την ανακάλυψη νέων κοιτασμάτων πετρελαίου και από τη συνολική παραγωγή και κατανάλωση των επόμενων ετών. Δεδομένου ότι η ανακάλυψη νέων κοιτασμάτων συμβαίνει με πολύ αργούς ρυθμούς και η κατανάλωση αυξάνει ραγδαία, τα στατιστικά στοιχεία φανερώνουν ότι τα αποθέματα πετρελαίου αρκούν μέχρι το 2038 περίπου (σχήμα 1.2). Είναι κοινή πεποίθηση πλέον ότι ο μόνος τρόπος για να υπάρξει επάρκεια πετρελαίου και μετά το παραπάνω θεωρητικό όριο είναι η σημαντική μείωση της κατανάλωσης. Σε ότι αφορά την παγκόσμια κατανάλωση πετρελαίου, πρέπει να σημειωθεί ότι η τάση που παρατηρείται στις βιομηχανικές χώρες είναι διαφορετική από τις αναπτυσσόμενες. Έτσι, στις βιομηχανικές χώρες το μεγαλύτερο ποσοστό της κατανάλωσης πετρελαίου ημερη- 1-6

7 ΣΧΗΜΑ 1.3 Σύγκριση της ετήσιας κατανάλωσης καυσίμου για διαφορετικές στρατηγικές ανάπτυξης. σίως οφείλεται στις ανάγκες των μεταφορικών μέσων δεδομένου ότι στις λοιπές δραστηριότητες που απαιτείται παραγωγή ενέργειας, αυτή καλύπτεται και από άλλες πηγές. Επίσης, παρατηρείται ότι σε δραστηριότητες πέραν των μεταφορών η ζήτηση σε πετρέλαιο παραμένει σταθερή τις τελευταίες δύο δεκαετίες ενώ στις μεταφορές αυξάνεται σταδιακά. Αντίθετα, στις αναπτυσσόμενες χώρες παρατηρείται μία γενική αύξηση της ζήτησης σε πετρέλαιο με τις απαιτήσεις στις μεταφορές να είναι μικτότερες αλλά να αναμένεται με διαρκή αύξηση να ισοσκελίσουν τις απαιτήσεις όλων των υπόλοιπων εφαρμογών μέχρι το Συνεπώς, η βελτίωση της οικονομίας καυσίμων των οχημάτων έχει σημαντική επίπτωση στην οικονομία του πετρελαίου. Οι πιο βιώσιμες εναλλακτικές προτάσεις στη συμβατική τεχνολογία οχημάτων είναι τα υβριδικά οχήματα και τα οχήματα κυψελών καυσίμου. Τα υβριδικά οχήματα χρησιμοποιούν μηχανές εσωτερικής καύσης ως πρωτεύουσα πηγή ενέργειας και συσσωρευτές με ηλεκτροκινητήρες ως βοηθητική πηγή ενέργειας, αποκτώντας έτσι μεγαλύτερη απόδοση λειτουργίας από τα συμβατικά οχήματα. Η συγκεκριμένη τεχνολογία κάνει ήδη τα πρώτα της βήματα στον εμπορικό χώρο. Από την άλλη πλευρά, τα ο- χήματα κυψελών καυσίμου που είναι πιο αποδοτικά και καθαρότερα από τα υβριδικά, βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο και έχουν σημαντικό δρόμο να διανύσουν και εμπόδια να ξεπεράσουν πριν από την εμπορευματοποίησή τους. Το σχήμα 1.3 δείχνει τη γενική ετήσια κατανάλωση καυσίμου διαφορετικών στρατηγικών ανάπτυξης οχημάτων επόμενης γενιάς. Η καμπύλη a-b-c αναπαριστά την τάση ετήσιας κατανάλωσης καυσίμου των συμβατικών οχημάτων. Εκτιμάται 1.3% ετήσιας αύξησης. Η καμπύλη a-d-e αναπαριστά την τάση ετήσιας κατανάλωσης καυσίμου για μια στρατηγική κατά την οποία τα συμβατικά οχήματα μετατρέπονται σταδιακά σε υβριδικά 1-7

8 στα πρώτα 20 χρόνια ενώ μετά τα 20 πρώτα χρόνια υπάρχουν μόνο υβριδικά οχήματα. Εκτιμάται 25% μείωση της ετήσιας αύξησης καυσίμου σε σύγκριση με την πρώτη στρατηγική. Η καμπύλη a-b-f-g αναπαριστά την τάση ετήσιας κατανάλωσης καυσίμου για μια στρατηγική κατά την οποία στα πρώτα 20 χρόνια τα οχήματα κυψελών καυσίμου είναι σε στάδιο ανάπτυξης ενώ συμβατικά οχήματα υπάρχουν στην αγορά. Στα επόμενα 20 χρόνια τα οχήματα κυψελών καυσίμου εισέρχονται σταδιακά στην αγορά (σημείο b) και την καλύπτουν πλήρως στο τέλος (σημείο f). Εκτιμάται ότι 50% λιγότερα καύσιμα θα καταναλωθούν από τα οχήματα κυψελών καυσίμου σε σύγκριση με τα συμβατικά. Η καμπύλη a-d-f-g αναπαριστά την τάση ετήσιας κατανάλωσης καυσίμου για μια στρατηγική κατά την οποία στα πρώτα 20 χρόνια τα οχήματα μετατρέπονται όλα σε υβριδικά και στα επόμενα 20 χρόνια τα οχήματα κυψελών καυσίμου καταλαμβάνουν πλήρως την αγορά. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω στοιχεία και το γεγονός ότι η συγκεντρωτική κατανάλωση καυσίμου λόγω του 4 ου σεναρίου αποδεικνύεται μικρότερη από τα υπόλοιπα σενάρια, γίνεται κατανοητό ότι η καλύτερη στρατηγική ανάπτυξης επιβάλλει την άμεση εμπορευματοποίηση των υβριδικών οχημάτων και ταυτόχρονα την προσπάθεια για ταχύτερη εμπορευματοποίηση οχημάτων με μη-πετρελαιοειδείς κυψέλες καυσίμου Ιστορία των ηλεκτρικών οχημάτων Πριν από το 1830, η έννοια της μεταφοράς συνδέονταν μόνο με την ισχύ του ατμού επειδή οι νόμοι της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και δύναμης δεν είχαν ακόμη ανακαλυφθεί και συνεπώς δεν υπήρχε η έννοια του ηλεκτροκινητήρα. Η ανακάλυψη των νόμων της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής το 1831 επέτρεψε τη δημιουργία ηλεκτρικών κινητήρων και γεννητριών που ήταν απαραίτητα στοιχεία για την ανάπτυξη των ηλεκτρικών μεταφορών. Το πρώτο ηλεκτρικό όχημα κατασκευάστηκε το 1881 από το Γάλλο Gustave Trouvé. Επρόκειτο για ένα τρίκυκλο που προωθούνταν από έναν DC κινητήρα ισχύος 0.1hp με η- λεκτρική τροφοδοσία από συσσωρευτές μολύβδου-οξέος. Το όχημα και ο οδηγός του ζύγιζαν περίπου 160kg. Ένα αντίστοιχο όχημα κατασκευάστηκε δύο χρόνια αργότερα από δύο Βρετανούς καθηγητές. Όμως, ταχύτητες όπως 15 km/h και ακτίνα 16km ήταν πολύ μικρές για να προσελκύσουν το ενδιαφέρον του κοινού. Τα επόμενα 20 χρόνια αποτέλεσαν μια 1-8

9 ΣΧΗΜΑ 1.4 Το ηλεκτρικό όχημα La Jamais Contente του Camille Jenatzy. Το όχημα αυτό κατείχε το παγκόσμιο ρεκόρ ταχύτητας εδάφους το 1899 και ήταν το πρώτο όχημα που ξεπέρασε τα 100km/h και τα 60miles/h. εποχή κατά την οποία τα ηλεκτρικά οχήματα ανταγωνίζονταν με τα αντίστοιχα βενζινοκίνητα. Αυτό συνέβαινε στην Αμερική όπου δεν είχε ακόμη αναπτυχθεί κάποιο σημαντικό δίκτυο δρόμων εκτός των πόλεων. Αντίθετα, στην Ευρώπη, το εκτεταμένο δίκτυο ασφαλτοστρωμένων δρόμων εκτός των μεγάλων πόλεων ευνόησε την ανάπτυξη των ισχυρότερων και περισσότερο αυτόνομων βενζινοκίνητων οχημάτων. Το σημαντικότερο τεχνικό επίτευγμα της εποχής εκείνης ήταν η ανακάλυψη της αναγεννητικής πέδησης (regenerative braking) από το Γάλλο M. A. Darracq το Αυτή η μέθοδος επιτρέπει την ανακύκλωση της κινητικής ενέργειας κατά το φρενάρισμα και την επαναφόρτιση των συσσωρευτών του οχήματος, επεκτείνοντας έτσι την ακτίνα αυτονομίας του. Πρόκειται για μια από τις πιο σημαντικές συνεισφορές στην τεχνολογία των ηλεκτρικών και υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων καθώς συνεισφέρει στην αποδοτικότητα του ο- χήματος περισσότερο από οτιδήποτε άλλο κατά την οδήγηση σε αστικές περιοχές. Αν το θέμα ήταν μόνο η απόδοση του οχήματος τότε το ηλεκτρικό όχημα θα κέρδιζε σίγουρα την αγορά. Μάλιστα, το πρώτο όχημα που ξεπέρασε σε ταχύτητα τα 100 km/h ήταν ηλεκτρικό 2 το 1899 (σχήμα 1.4). Ωστόσο, όσο αξιόπιστο και χωρίς προβλήματα εκκίνησης και αν ήταν το ηλεκτρικό όχημα, άρχισε να παραγκωνίζεται από τις αρχές του 20 ου αιώνα όταν τα οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης έγιναν περισσότερο ευέλικτα, αξιόπιστα και φθηνότερα χωρίς ανάλογη μείωση της τιμής των ηλεκτρικών οχημάτων. Συγκεκριμένα, οι λόγοι που οδήγησαν στον παραγκωνισμό των ηλεκτρικών οχημάτων είναι οι ακόλουθοι: 1. Η πρωτόγονη μορφή στην οποία βρίσκονταν ακόμη η τεχνολογία των συσσωρευτών. Χαρακτηρίζονταν από ιδιαίτερα χαμηλή ειδική ενέργεια (δηλαδή αποδιδόμενη ενέργεια 2 Πρόκειται για τη λεγόμενη La Jamais Contente που στα γαλλικά σημαίνει Ποτέ ευχαριστημένη ή όπως πιο πετυχημένα μεταφράστηκε πάντα προσπαθώντας. 1-9

10 ανά μονάδα βάρους ή όγκου του στοιχείου σε kwh/kg ή kwh/lt αντίστοιχα) σε πλήρη αντίθεση με το καύσιμο πετρέλαιο. Για την παραγωγή της ίδιας ενέργειας από μια μηχανή εσωτερικής καύσης και έναν ηλεκτροκινητήρα απαιτούνταν συσσωρευτής 67.5 φορές μεγαλύτερου βάρους και 30 φορές μεγαλύτερου όγκου από τα αντίστοιχα μεγέθη της δεξαμενής που θα φιλοξενούσε το απαραίτητο καύσιμο πετρέλαιο. Το γεγονός αυτό περιόριζε εξαιρετικά την απόσταση αυτονομίας ενός ηλεκτρικού οχήματος σε σύγκριση με ένα όχημα με μηχανή εσωτερικής καύσης. Από την άλλη πλευρά, η τεχνολογία της εποχής επέβαλλε συχνή επαναφόρτιση των συσσωρευτών, ανάγκη η οποία αφενός απαιτούσε σημαντικό χρόνο αφετέρου δεν μπορούσε να καλυφθεί από την έκταση του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας της εποχής εκείνης. Τέλος, ένας ακόμη περιοριστικός παράγοντας υπήρξε η πολύ υψηλή τιμή των συσσωρευτών. Έτσι, ένα ηλεκτρικό όχημα ήταν στο σύνολό του πολύ ακριβότερο από ένα όχημα με μηχανή εσωτερικής καύσης του ίδιου μεγέθους και της ίδιας ποιότητας. Για παράδειγμα, 2.7 τόνοι συσσωρευτών οξέος μολύβδου που αποδίδουν την ίδια αποθήκευση ειδικής ενέργειας με 45lt πετρελαίου θα κόστιζαν, με αναγωγή σε τιμές του 2007, έναντι περίπου 45 του πετρελαίου. 2. Οι βελτιώσεις στον τρόπο μαζικής παραγωγής οχημάτων με μηχανές εσωτερικής καύσης οδήγησαν σε σημαντική μείωση της τιμής πώλησής τους. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι το βενζινοκίνητο όχημα Henry T πωλούνταν προς 260$ το 1925 έναντι των 850$ το Παράλληλα, το φθηνό πετρέλαιο ήταν πλέον ευρέως διαθέσιμο και παρείχε μια φθηνή και εύκολα προσβάσιμη πηγή ενέργειας. 3. Η εφεύρεση του ηλεκτρικού εκκινητή της μηχανής εσωτερικής καύσης από τον F. C. Kettering το 1911 επέτρεψε την αντικατάσταση του χειροκίνητου εκκινητή (μανιβέλα) και έκανε τα οχήματα με μηχανές εσωτερικής καύσης πιο ευέλικτα, εύχρηστα και ελκυστικά. Οι παραπάνω παράγοντες είχαν ως αποτέλεσμα την εξάλειψη του ενδιαφέροντος για την τεχνολογία των ηλεκτρικών οχημάτων μέχρι τη δεκαετία του Ενδεικτικά, το 1912 καταγράφονται περίπου ηλεκτρικά οχήματα στις Η.Π.Α. και περίπου στο Λονδίνο με ταχύτητες μέχρι 64km/h. Αντίθετα, μέχρι το 1960 τα μόνα ηλεκτρικά οχήματα που πωλούνταν ήταν αμαξίδια για γκολφ και μικρά οχήματα μεταφορών. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών 1960 και 1970, οι ανησυχίες για το περιβάλλον και τις επιδράσεις των συμβατικών οχημάτων επανέφεραν στο προσκήνιο το ενδιαφέρον για τα ηλεκτρικά οχήματα. Ωστόσο, παρά την εξέλιξη των συσσωρευτών και των ηλεκτρονικών ισχύος, η αυτονομία τους και οι επιδόσεις τους παρέμεναν ουσιαστικό πρόβλημα. 1-10

11 Πανεπιστήμια και μεγάλοι κατασκευαστές συμβατικών οχημάτων, όπως η General Motors, η Ford και η PSA Peugeot ενεπλάκησαν στην έρευνα και ανάπτυξη ηλεκτρικών οχημάτων. Προέκυψαν οχήματα με ικανοποιητικές επιδόσεις, όμως το μεγάλο μειονέκτημά τους εξακολουθούσε να είναι ο συσσωρευτής. Ο συσσωρευτής Αργύρου-Ψευδαργύρου (Ag-Zn) στα 512V του Electrovair της GM ζύγιζε 308kg περίπου, ήταν πολύ ακριβός, με μικρό κύκλο ζωής και μεγάλο χρόνο επαναφόρτισης. Πρέπει να σημειωθεί ότι η πετρελαϊκή κρίση στις αρχές της δεκαετίας του 1970 αύξησε τις απαιτήσεις για εναλλακτικές (του πετρελαίου) μορφές ενέργειας και άρα έδωσε ώθηση στην έρευνα για ηλεκτρικά οχήματα. Η ώθηση αυτή σφραγίστηκε και από επίσημους νόμους των κρατών τα οποία άρχισαν πλέον επίσημα να πριμοδοτούν τις προσπάθειες αυτές. Ενδεικτικό παράδειγμα αποτελεί ο νόμος του 1976 που ψηφίστηκε από το Κογκρέσο των Η.Π.Α. (Electric and Hybrid Vehicle Research, Development and Demonstration Act of 1976). Το Συμβούλιο Αποθεμάτων Αέρα της Καλιφόρνια επέβαλλε το 1990 σε κάθε αυτοκινητοβιομηχανία με ετήσιες πωλήσεις μεγαλύτερες των οχημάτων ότι έως το 1998 θα έπρεπε το 2% των πωλήσεών τους να καλύπτονται από οχήματα μηδενικών ρύπων (Zero Emission Vehicles ZEVs). Το ποσοστό θα έπρεπε να αυξηθεί στο 5% το 2001 και 10% το 2003 δίνοντας μεγάλο κίνητρο για την παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων. Η αυστηρότητα του νόμου χαλάρωσε αργότερα επιβάλλοντας ποσοστό ZEVs 4% μέχρι το 2003 και ένα επιπρόσθετο 6% σχεδόν ZEVs (υβριδικά οχήματα). Με απλά λόγια, η GM θα έπρεπε να πωλεί ετησίως ηλεκτρικά και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα. Αν και η νέα εποχή για τα ηλεκτρικά οχήματα σημαδεύτηκε από τη δημιουργία κάποιων ρεαλιστικών μοντέλων όπως το EV1 της GM και το 106 Electric της PSA, έγινε ξεκάθαρο κατά τις αρχές της δεκαετίας του 1990 ότι τα ηλεκτρικά οχήματα δε θα μπορούσαν ποτέ να ανταγωνιστούν τα βενζινοκίνητα σε αυτονομία και επιδόσεις. Ο λόγος ήταν οι τεχνολογικοί περιορισμοί που επιβάλλονται από τους συσσωρευτές. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες εγκατέλειψαν το ηλεκτρικό όχημα και το νέο αντικείμενο έρευνας ήταν πλέον το υβριδικό ηλεκτρικό όχημα. Μετά από μερικά χρόνια έρευνας το υβριδικό ηλεκτρικό όχημα έφτασε στη γραμμή παραγωγής, όπως για παράδειγμα το Toyota Prius και το Honda Insight. Σε ότι αφορά στο ηλεκτρικό όχημα, το βάρος της έρευνας έχει επικεντρωθεί στην τεχνολογία συσσωρευτών που αποτελούν και τον αδύναμο κρίκο στην αλυσίδα. Οι φτωχές επιδόσεις των συσσωρευτών σε αποθήκευση ενέργειας έχουν περιορίσει τη χρήση ηλεκτρικών οχημάτων σε ειδικές εφαρμογές όπως αεροδρόμια και σιδηροδρομικοί σταθμοί, ο- χήματα παράδοσης ταχυδρομείου, γήπεδα γκολφ, οχήματα μεταφοράς στο εσωτερικό α- ποθηκών κλπ. 1-11

12 1.5. Ιστορία των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων Η έννοια των υβριδικών οχημάτων είναι τόσο παλιά όσο και η αυτοκίνηση. Ο κύριος λόγος ήταν η διευκόλυνση της μηχανής εσωτερικής καύσης ώστε να προσδώσει ένα ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης. Όντως, τα πρώτα χρόνια η τεχνολογία των ηλεκτροκινητήρων ήταν πιο προχωρημένη από την τεχνολογία των μηχανών εσωτερικής καύσης. Τα πρώτα υβριδικά οχήματα παρουσιάστηκαν στο σαλόνι αυτοκινήτου του Παρισιού το Το πρώτο από τα δύο μοντέλα που παρουσιάστηκαν ήταν ένα παράλληλο υβριδικό όχημα με μια μικρή μηχανή εσωτερικής καύσης που υποβοηθούνταν από έναν ηλεκτροκινητήρα και συσσωρευτή οξέος-μολύβδου. Η MEK φόρτιζε το συσσωρευτή όταν το όχημα ήταν σε στάση ή κινούνταν στο ρελαντί. Το δεύτερο μοντέλο ήταν ένα υβριδικό όχημα σειράς, ένα τρίκυκλο με τους πίσω τροχούς να κινούνται από ηλεκτροκινητήρες και μια ΜΕΚ ισχύος 0.75 hp σε συνδυασμό με μια γεννήτρια ισχύος 1.1kW σε τρέιλερ που μπορούσε να επαναφορτίζει το συσσωρευτή. Στο διάστημα από το 1899 μέχρι το 1914 παρουσιάστηκαν διάφοροι τύποι υβριδικών οχημάτων, παράλληλων ή σειριακών. Σε καμία περίπτωση δε χρησιμοποιήθηκε η αναγεννητική πέδηση αλλά μάλλον προτιμήθηκε η δυναμική πέδηση. Το κυρίαρχο χαρακτηριστικό σε όλα τα προτεινόμενα υβριδικά οχήματα της περιόδου αυτής ήταν ότι κατασκευάστηκαν για να υποβοηθήσουν τις ασθενείς ΜΕΚ της εποχής ή για να επεκτείνουν την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων. Ωστόσο, μετά τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο οι μεγάλες βελτιώσεις των ΜΕΚ σε θέματα ισχύος, μεγέθους, απόδοσης και εκκίνησης, το κόστος των ηλεκτροκινητήρων και οι κίνδυνοι των συσσωρευτών οξέος εξάλειψαν τελείως τα υβριδικά οχήματα από την αγορά όπως και τα ηλεκτρικά. Η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος και η βελτίωση του τρόπου ελέγχου των ηλεκτροκινητήρων αναθέρμανε το ενδιαφέρον για τα υβριδικά οχήματα στα τέλη της δεκαετίας του Νέοι τύποι υβριδικών οχημάτων παρουσιάστηκαν, κανένα όμως δεν έφτασε στο επίπεδο της αγοράς παρά τις δύο πετρελαϊκές κρίσεις του 1973 και του 1977 και την α- νάγκη για περισσότερο οικολογικά οχήματα. Όταν πλέον στη δεκαετία του 1990 έγινε ξεκάθαρο ότι τα ηλεκτρικά οχήματα δεν θα μπορούσαν ποτέ να κυκλοφορήσουν στην αγορά, τότε το ενδιαφέρον για τα υβριδικά ο- χήματα αυξήθηκε κατακόρυφα. Η εταιρία Ford μάλιστα ξεκίνησε ένα διαγωνισμό (Ford Hybrid Electric Vehicle Challenge) για την κατασκευή υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων από Πανεπιστήμια κυρίως. Πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες, όπως η Dodge, η Renault, η Volkswagen, η Toyota κλπ. δημιούργησαν πρωτότυπα υβριδικά οχήματα αλλά το ευκταίο, δηλαδή η δημιουργία ενός εμπορικού οχήματος, δεν επιτεύχθηκε παρά μόνο στην αυγή 1-12

13 του 21 ου αιώνα. Το 1997 κυκλοφόρησε στην Ιαπωνία το Toyota Prius σεντάν καθώς επίσης και τα Honda Insight και Civic. Τα οχήματα αυτά είναι πλέον διαθέσιμα σε όλον τον κόσμο και έχουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά κατανάλωσης καυσίμου. Το Toyota Prius και το Honda Insight έχουν ιστορική αξία καθώς αποτελούν τα πρώτα εμπορικά υβριδικά οχήματα της σύγχρονης εποχής Ιστορία των οχημάτων με κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells) Το 1839 ο Sir William Grove (γνωστός και ως ο πατέρας του Fuel Cell) ανακάλυψε ότι είναι δυνατό να παραχθεί ηλεκτρισμός αντιστρέφοντας την ηλεκτρόλυση του νερού. Μόλις το 1889 δύο ερευνητές, ο Charles Langer και ο Ludwig Mond, εισήγαγαν τον όρο fuel cell καθώς προσπαθούσαν να δημιουργήσουν την πρώτη πρακτική κυψέλη καυσίμου χρησιμοποιώντας αέρα και αέριο άνθρακα. Οι νέες προσπάθειες για ουσιαστική λήψη η- λεκτρισμού από άνθρακα έμειναν στα χαρτιά λόγω της ανάπτυξης των μηχανών εσωτερικής καύσης. Η πρώτη ουσιαστικά επιτυχημένη κυψέλη καυσίμου δημιουργήθηκε το 1932 από τον Francis Bacon, με μια κυψέλη υδρογόνου-οξυγόνου χρησιμοποιώντας αλκαλικούς ηλεκτρολύτες και ηλεκτρόδια νικελίου (φθηνά σχετικά προϊόντα). Λόγω τεχνικών προβλημάτων, μόλις το 1959 κατόρθωσε ο Bacon και η εταιρία του να παράγει ένα πρακτικό σύστημα κυψέλης καυσίμου ισχύος 5kW. Ο Harry Karl Ihring παρουσίασε το περίφημο τρακτέρ του που κινούνταν τροφοδοτούμενο από μια κυψέλη καυσίμου των 20 hp την ίδια χρονιά. Η ΝΑSΑ επίσης χρηματοδότησε την έρευνα γύρω από την τεχνολογία των κυψελών καυσίμων με απώτερο σκοπό τη χρήση τους για διαστημικές εφαρμογές. Στις μέρες μας, οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούνται σε διαστημικές αποστολές ως πηγές ενέργειας. Στις τελευταίες δεκαετίες, η έρευνα σχετικά με τις κυψέλες καυσίμου αποτελεί κυρίαρχο ενδιαφέρον και για τις αυτοκινητοβιομηχανίες. Η παραγωγή υδρογόνου, η αποθήκευση και η διανομή του αποτελούν τις μεγαλύτερες προκλήσεις. Τα οχήματα κυψελών καυσίμου θεωρούνται το μέλλον των ηλεκτρικών οχημάτων. Ωστόσο, απαιτείται σημαντικό χρονικό διάστημα προτού καταστεί δυνατή η εμπορική διάθεσή τους στην αγορά. 1-13