ΣΤΡΟΦΗ ΑΠΟ ΤΑ ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ ΣΕ ΠΙΟ ΦΙΛΙΚΑ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ «ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ» ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΡΟΦΗ ΑΠΟ ΤΑ ΣΥΜΒΑΤΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ ΣΕ ΠΙΟ ΦΙΛΙΚΑ ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΝΕΥΜΑΤΙΚΟΣ Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2015

2 Περίληψη Στο πλαίσιο για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και της απεξάρτησης της ενέργειας που καταναλώνεται στις μεταφορές από τα ορυκτά καύσιμα, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει ενθαρρύνει την ανάπτυξη τεχνολογιών με στόχο την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των συστημάτων πρόωσης των οχημάτων. Η τεχνολογική έρευνα στράφηκε στην βελτιστοποίηση των κινητήρων εσωτερικής καύσης και παράλληλα στην ανάπτυξη «πράσινων» τεχνολογιών οι οποίες στηρίζονται σε εναλλακτικές και ανανεώσιμες μορφές ενέργειας, όπως για παράδειγμα τα υβριδικά- ηλεκτρικά οχήματα και τα οχήματα με κυψέλες υδρογόνου. Οι έρευνες για την αποτελεσματικότητα, το κόστος και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι λιγοστές και αποσπασματικές. Ο στόχος της εργασίας είναι να διερευνήσει και να αξιολογήσει τις υπάρχουσες τεχνολογίες των μη συμβατικών οχημάτων ως προς την αποτελεσματικότητα, το κόστος και την περιβαλλοντική επίπτωση που επιφέρουν, με γνώμονα το πλαίσιο της Ευρωπαϊκής πολιτικής για την αντιμετώπιση της επικείμενης κλιματικής αλλαγής. Για την αξιολόγηση της ενεργειακής αποδοτικότητας των οχημάτων, σε επίπεδο κατανάλωσης καυσίμου, εκπομπών του οχήματος χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της προσέγγισης από την «πηγή στον τροχό» (Well Τo-Wheel -WTW). Η συνολική ενέργεια που καταναλώνεται, αναλύθηκε σε δύο στάδια, από την «πηγή στη δεξαμενή» (Whell-To-Tank, WTT), και από τη «δεξαμενή στους τροχούς» (Tank-To-Wheel, TTW). Αξιολογήθηκαν τα συμβατικά οχήματα (ICEV) με κινητήρες εσωτερικής καύσης, τα υβριδικά οχήματα με βενζινοκινητήρα στο μηχανοκίνητο σύστημα πρόωσης (HEV), τα οχήματα με κυψέλες καυσίμου (FCEV) και τέλος τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα (BEV) με μπαταρίες Li-ion. Η αξιολόγηση των τεχνολογιών ως προς την παραγωγή εκπομπών, έγινε με βάση τη μέση τιμή του ευρωπαϊκού μείγματος ηλεκτρικής ενέργειας 593 gco 2 /kwh. Η παρούσα εργασία ανέδειξε το συγκριτικό πλεονέκτημα του ηλεκτρικού αυτοκινήτου σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνολογίες πρόωσης οχημάτων. Παρόλα αυτά, παραμένουν τρία ζητήματα τα οποία εμποδίζουν τη διείσδυσή τους στην αγορά, η μικρή αυτονομία απόστασης που μπορούν να διανύσουν, το κόστος ιδιοκτησίας λόγω του υψηλού κόστους της μπαταρίας και οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που σχετίζονται με την επιπρόσθετη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την οξίνιση προερχόμενη από τις μπαταρίες. Ωστόσο, εάν η κατανάλωση της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για τη φόρτισή τους προέρχεται από ΑΠΕ, μειώνεται τόσο το λειτουργικό κόστος, όσο και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. i

3 Abstract In the framework of climate change and the energy independency from the mining fuels in the transportation, the European Union encouraged the development of technologies aiming at the incensement of the energy output of the systems for vehicle s propulsion. The technological research focused on the optimization of internal combustion engines and, in parallel, on the development of the green technologies, based on the alternative and renewable forms of energy such as the hybrid-electric and engines with cells of hydrogen. However, there is no sufficient comparative research for the efficiency, cost and the environmental impacts of these attempts. Thus, the aim of the current study was to investigate and evaluate the existing technologies of the non-conventional vehicles for their efficiency, the costs and their environmental repercussion. The evaluation is based on the European policy framework for the confrontation of imminent climatic change. Specifically, the Well-To-Wheel, WTW technique was used for the evaluation of the vehicles energy efficiency the fuel consumption, and exhaust emissions. The total energy consumption of the vehicle was analyzed in two stages, from the Whell-To-Tank, WTT and from the Tank- To-Wheel, TTW. Four types of vehicles were evaluated: (a) Internal Combustion Engine Vehicle (ICEV) using engines of internal combustion, (b) Hybrid Electric Vehicles (HEV) with petrol engine, (c) the Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) and (d) the Battery Electric Vehicle (BEV) with Li-ion batteries. The European mean 593 gco 2 /kwh for the electric energy was used for the evaluation of the technologies of the exhaust emissions. The current study revealed the advantage of the Battery Electric Vehicle (BEV) compared to all other types of vehicles. Nevertheless, three issues constrain the market penetration of these vehicles; (a) the limited range, (b) the high cost of ownership due to the cost of the battery Li-ion, and (c) the environmental impacts due to the additional needs for electric energy and the acidification from the batteries. However, if the electric energy for charging the batteries is coming from renewable sources both the functional cost and the environmental impacts are eliminated. ii

4 Πρόλογος Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο πλαίσιο των υποχρεώσεων του ΜΠΣ Προστασία Περιβάλλοντος και Βιώσιμη Ανάπτυξη του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του ΑΠΘ. Η δυναμική ανάπτυξης των νέων τεχνολογιών πρόωσης οχημάτων με σκοπό την μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης και γενικότερα των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από τη χρήση τους αποτελεί το ζητούμενο για την επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Στο πλαίσιο αυτής της πολιτικής, έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες με στόχο τη βελτιστοποίηση των κινητήρων εσωτερικής καύσης και παράλληλα «πράσινες» τεχνολογίες οι οποίες στηρίζονται σε εναλλακτικές και ανανεώσιμες μορφές ενέργειας, όπως για παράδειγμα τα υβριδικάηλεκτρικά οχήματα και τα οχήματα με κυψέλες υδρογόνου. Οι έρευνες για την αποτελεσματικότητα, το κόστος και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι λιγοστές και αποσπασματικές. Ο στόχος της εργασίας είναι να διερευνήσει και να αξιολογήσει τις υπάρχουσες τεχνολογίες των μη συμβατικών οχημάτων ως προς την αποτελεσματικότητα, το κόστος και την περιβαλλοντική επίπτωση που επιφέρουν, με γνώμονα το πλαίσιο της Ευρωπαϊκής πολιτικής για την αντιμετώπιση της επικείμενης κλιματικής αλλαγής. Η εργασία περιλαμβάνει 7 κεφάλαια. Στο 1 ο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που έχουν προκληθεί από την αύξηση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, όπως οι μεταφορές. Ορίζονται επίσης, οι ουσίες και οι επιπτώσεις τους στην ποιότητα του ατμοσφαιρικού αέρα, καθώς αυτές εκπέμπονται από τις καύσεις των θερμικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται στις μεταφορές. Στο 2 ο Κεφάλαιο περιγράφεται η Ευρωπαϊκή πολιτική που ακολουθήθηκε μέχρι σήμερα για την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής. Η διεθνής επιστημονική κοινότητα έχει αναγνωρίσει το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) ως τον παράγοντα που ευθύνεται περισσότερο για την ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου που οδηγεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη μας. Ταυτόχρονα έχει αποφασίσει τη δραστική μείωσή του ώστε να επιτευχθεί ο κοινός στόχος: η παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας να μην ξεπεράσει τους 2ºC συγκρινόμενη με τα προβιομηχανικά επίπεδα. Το πρωτόκολλο του Κιότο (1997), θεωρείται ένα σημαντικό βήμα για την καταπολέμηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη περιλαμβάνοντας δεσμευτικούς και ποσοτικοποιημένους στόχους περιορισμού της μείωσης των αερίων θερμοκηπίου (Green House Gases-GHG). Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή, έχει δημοσιεύσει έναν οδικό χάρτη με σημαντικές πρωτοβουλίες, στοχεύοντας να μετατρέψει την οικονομία της Ευρώπης σε μία ιδιαίτερα αποδοτική, χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια και παράγοντας χαμηλά ποσά εκπομπών διοξειδίου άνθρακα. Το πακέτο για την ενέργεια και το κλίμα, γνωστό ως « iii

5 20», το πλαίσιο για το κλίμα και την ενέργεια έως το 2030 και η Λευκή Βίβλος για το μέλλον των μεταφορών μέχρι το 2050, αποτελούν τις σημαντικότερες πρωτοβουλίες της ΕΕ για την αντιμετώπιση του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής και της απεξάρτησης των μεταφορών από τα ορυκτά καύσιμα. Στο 3 ο Κεφάλαιο, δίνεται έμφαση στην πολιτική και στις πρωτοβουλίες που πρέπει να αναλάβει η ΕΕ στον τομέα των μεταφορών και ιδιαίτερα στις οδικές μεταφορές για να βελτιωθεί η ασφάλειά τους και να γίνουν πιο φιλικές προς το περιβάλλον, αφού αυτές ευθύνονται για τα 2/3 του συνολικού ποσού του CO 2 που παράγουν οι μεταφορές. Για πρώτη φορά η ΕΕ με οδηγία της απαιτεί, οι επιπτώσεις της ενέργειας και του περιβάλλοντος να συνδέονται με το κόστος λειτουργίας των οχημάτων κατά τον κύκλο ζωή τους, προτείνοντας «καθαρά» συστήματα μεταφορών με χρήση εναλλακτικών καυσίμων, που θα αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα. Η ΕΕ στηρίζει επίσημα την ανάπτυξη των «πράσινων» οχημάτων με κυψέλες υδρογόνου, καθώς και τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία και τα υβριδικά με πρίζα. Η Ευρωπαϊκή Ένωση για την μείωση των εκπομπών του CO 2, δρομολόγησε μία σειρά ενεργειών θεσπίζοντας αυστηρούς κανονισμούς και πρότυπα εκπομπών για τα επιβατικά και ελαφριά επαγγελματικά οχήματα. Στο 4 ο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν στα ήδη συμβατικά οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης (βενζινοκινητήρες, πετρελαιοκινητήρες κινητήρες υδρογόνου), στην προσπάθειά τους να ανταπεξέλθουν στους ασφυκτικούς κανονισμούς που θέτει συνεχώς η ΕΕ που έχει απώτερο σκοπό την υιοθέτηση μίας πιο φιλικής συμπεριφοράς προς το περιβάλλον. Στο 5 ο Κεφάλαιο γίνεται μία εκτενής αναφορά στις κατηγορίες των ηλεκτροκίνητων οχημάτων που έχουν παρουσιάσει οι αυτοκινητοβιομηχανίες μέχρι σήμερα, αναδεικνύοντας εκείνα τα χαρακτηριστικά των συστημάτων τους που διαμορφώνουν τα πλεονεκτήματα και αντίστοιχα τα μειονεκτήματα ως προς την απόδοσή τους, τη χρήση τους, το κόστος ιδιοκτησίας, το λειτουργικό κόστος. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στην μπαταρία των ηλεκτροκίνητων οχημάτων, αφού αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την εξέλιξή του. Τέλος, επιχειρείται μία αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που αναμένονται από την ευρεία υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης, όπως οικονομικές, στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και περιβαλλοντικές. Στο 6 ο Κεφάλαιο αποτυπώνεται η σημερινή κατάσταση των επιδόσεων των ηλεκτροκίνητων οχημάτων ως προς τους κανονισμούς, των πωλήσεων και των πολιτικών που έχουν ασκηθεί για την προώθηση της ηλεκτροκίνησης καθώς και τα μελλοντικά σχέδια των κατασκευαστών. Επίσης, αναλύονται τα τρία πιθανά σενάρια για τη διείσδυση της ηλεκτροκίνησης έως το 2030 και 2050, στην Ελληνική, Ευρωπαϊκή και παγκόσμια αγορά. iv

6 Στο 7 ο Κεφάλαιο διατυπώνονται τα συμπεράσματα της εργασίας, με βάση την αξιολόγηση των τεχνολογιών πρόωσης οχημάτων από τα χαρακτηριστικά μεγέθη και στοιχεία που προέκυψαν από τη βιβλιογραφία. Η εργασία αυτή, εκπονήθηκε υπό την εποπτεία της καθηγήτριας του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του ΑΠΘ κας Μαγδαληνής Πιτσιάβα-Λατινοπούλου, της οποίας η επιστημονική εμπειρία και καθοδήγηση συνέβαλε καθοριστικά στην ολοκλήρωσής της και την ευχαριστώ θερμά. Γεώργιος Πνευματικός Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός v

7 Περιεχόμενα Περίληψη... i Abstract... ii Πρόλογος... iii 1 ο Κεφάλαιο... 1 Η ρύπανση της ατμόσφαιρας από τις μεταφορές... 1 Εισαγωγή Οξίνιση όξινη βροχή Ευτροφισμός Τροποσφαιρικό όζον Ο Οξείδια του Αζώτου NOx (ΝΟ, ΝΟ 2 και Ν 2 Ο) Οξείδια του θείου SOx (SO 2, SO 3 ) Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Αιωρούμενα Σωματίδια SPM (Suspended Particulate Matter) Υδρογονάνθρακες HC Πτητικές Οργανικές Ενώσεις (VOCs) ο Κεφάλαιο... 7 Ευρωπαϊκή πολιτική για την κλιματική αλλαγή... 7 Εισαγωγή Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Κλιματική Αλλαγή Πρωτόκολλο του Κιότο για την κλιματική αλλαγή Οδικός χάρτης της ΕΕ για την κλιματική αλλαγή Πακέτο για την Ενέργεια και το Κλίμα « » Το πλαίσιο για το κλίμα και την ενέργεια έως το Τα αέρια του θερμοκηπίου στην Ευρώπη ο Κεφάλαιο Ευρωπαϊκή πολιτική για τις Μεταφορές i

8 Εισαγωγή Οι εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων από τις μεταφορές στην Ευρώπη Μεταφορές και περιβάλλον στην Ευρώπη Λευκή Βίβλος (2011) για το μέλλον των μεταφορών μέχρι το Προώθηση Πράσινων μεταφορών - Ευρωπαϊκή Πολιτική για καθαρές μεταφορές Βιο-καύσιμα για τις μεταφορές Εναλλακτικά καύσιμα για τη βιώσιμη κινητικότητα στην Ευρώπη Καθαρά και ενεργειακώς αποδοτικά οχήματα Το υδρογόνο και οι κυψέλες καυσίμου για τις μεταφορές Ευρωπαϊκή πολιτική για τη μείωση του CO Κανονισμός (ΕΚ) αριθ. 443/2009 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου Κανονισμός (ΕΕ) αριθ. 510/2011 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Δοκιμών Ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών Euro5 και Euro ο Κεφάλαιο Ανάπτυξη τεχνολογίας στα οχήματα για τον περιορισμό των ρύπων Εισαγωγή Ρύποι κινητήρων εσωτερικής καύσης Τεχνική Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (LCA) Τεχνολογικές επιλογές στο στάδιο WTT (Well-To-Tank) Τεχνολογικές επιλογές σε στάδιο TTW (Tank-To-Wheel ) Ανάπτυξη τεχνολογιών περιορισμού των εκπομπών CO Άμεσος ψεκασμός βενζίνης (Gasoline Direct Injection - GDI) Σύστημα κοινού αυλού (common rail) Συστήματα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων (Variable Valve Timing - VVT) Κινητήρες μεταβλητής σχέσης συμπίεσης Κύκλος του Atkinson Ανάπτυξη τεχνολογιών περιορισμού των αέριων ρύπων στους πετρελαιοκινητήρες Πρωτογενείς μέθοδοι Δευτερογενείς μέθοδοι ii

9 4.4.3 Επίδραση της σύστασης του πετρελαίου στις εκπομπές των καυσαερίων Περιεκτικότητα σε θείο Βιοντήζελ (Bio-diesel) Ανάπτυξη τεχνολογίας υδρογόνου στην αυτοκίνηση Το υδρογόνο ως καύσιμο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης Ιδιότητες καύσης του υδρογόνου Τεχνολογικά προβλήματα στη χρήση του υδρογόνου Σχεδιασμός των κινητήρων εσωτερικής καύσης υδρογόνου Αποθήκευση του υδρογόνου Κυψέλες καυσίμου υδρογόνου (Fuel Cell) Πλεονεκτήματα κυψελών καυσίμου Μειονεκτήματα κυψελών καυσίμου Οχήματα με κινητήρες υδρογόνου Συμπεράσματα για την Υδρογονοκίνηση o Κεφάλαιο Ηλεκτροκίνηση Εισαγωγή Κατηγοριοποίηση των Ηλεκτρικών Οχημάτων Οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης (ICEV) Υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV) Συντελεστής υβριδοποίησης Ελαφρώς υβριδικά οχήματα (mild-hev) Πλήρως υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (full-hev) Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με επέκταση αυτονομίας (Range Extended Electric Vehicle- REEV) Ηλεκτρικό όχημα με παράλληλο σύστημα (Parallel Hybrid Electric Vehicle) Ηλεκτρικό όχημα με σειριακό παράλληλο σύστημα (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle) Ηλεκτρικό όχημα με πολύπλοκο σειριακό-παράλληλο σύστημα (Complex Hybrid Electric Vehicle) iii

10 5.2.8 Ηλεκτρικό όχημα επαναφορτιζόμενο με πρίζα (Plug-in Hybrid Electric Vehicles PHEV) Αμιγώς Ηλεκτρικά Οχήματα (All Electric Vehicle) Ηλεκτρικό όχημα με μπαταρία (Battery Electric Vehicle BΕV) Ηλεκτρικό όχημα με κυψέλη καυσίμου (Fuel Cell Electric Vehicle FCEV) Πηγές ενέργειας στα ηλεκτρικά οχήματα Μπαταρίες Τύποι μπαταριών στα ηλεκτρικά οχήματα Υπερπυκνωτής (Ultracapacitor) Χαρακτηριστικές διαφορές μεταξύ μπαταρίας και υπερπυκνωτή Αποθήκευση ενέργειας με σφόνδυλο (βολάν) Αποθηκευμένη ενέργεια υδρογόνου Μονάδες παραγωγής ενέργειας στα EVs Επιλογές εξοικονόμησης ενέργειας στα ηλεκτρικά οχήματα Τεχνολογίες φόρτισης των ηλεκτροκίνητων οχημάτων Σύγχρονοι σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων Διασύνδεση των ηλεκτρικών οχημάτων με το έξυπνο δίκτυο Έξυπνο δίκτυο ενέργειας Τεχνολογία «Όχημα-προς-δίκτυο» (Vehicle-To- Grid, V2G) Επιπτώσεις από την ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων Οικονομικός αντίκτυπος Περιβαλλοντική επίπτωση Επιπτώσεις στους δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Επιπτώσεις στον κύκλο εργασιών της αυτοκίνησης ο Κεφάλαιο Που βρισκόμαστε σήμερα Εισαγωγή Πως αποτυπώνεται η σημερινή κατάσταση στην τεχνολογία πρόωσης οχημάτων Η επίτευξη του στόχου για το iv

11 6.3 Κίνητρα για την προώθηση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων Πωλήσεις Οχημάτων ανά τεχνολογία κινητήρων στην Ευρώπη έως το Τα σχέδια των αυτοκινητοβιομηχανιών Εξέλιξη συνολικού κόστους κτήσης των EV s διαφοροποίηση του παγκόσμιου στόλου οχημάτων έως το Διείσδυση ηλεκτροκίνητων οχημάτων στην Ελλάδα ο Κεφάλαιο Αξιολόγηση της εφαρμογής νέων τεχνολογιών στα οχήματα και συμπεράσματα Εισαγωγή Αξιολόγηση τεχνολογιών πρόωσης οχημάτων Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΛΕΥΚΗ ΒΙΒΛΟΣ 2011: Χάρτης πορείας για έναν Ενιαίο Ευρωπαϊκό Χώρο Μεταφορών Για ένα ανταγωνιστικό και ενεργειακά αποδοτικό σύστημα μεταφορών Όρια επίδοσης εκπομπών οχημάτων v

12 1 ο Κεφάλαιο Η ρύπανση της ατμόσφαιρας από τις μεταφορές Εισαγωγή Όταν αναφερόμαστε στην ρύπανση της ατμόσφαιρας, εννοούμε την παρουσία ρύπων στην ατμόσφαιρα σε ποσότητα ή συγκέντρωση που επιφέρει την αλλοίωση της δομής, της σύστασης και των χαρακτηριστικών της ατμόσφαιρας. Οι αλλαγές αυτές, ακόμη και σε μικροσκοπικό επίπεδο, είναι σε θέση να προκαλέσουν αρνητικές επιπτώσεις τόσο στην υγεία όσο και την εξέλιξη των ζωντανών οργανισμών και των οικοσυστημάτων. Το μεγαλύτερο μερίδιο ευθύνης για την ατμοσφαιρική ρύπανση προέρχεται από τις ανθρώπινες δραστηριότητες, συμπεριλαμβανομένων των βιομηχανικών για την παραγωγή ενέργειας, την καύση των ορυκτών καυσίμων και την αύξηση της χρήσης ορισμένων τύπων μεταφορών, προκαλώντας κάθε χρόνο σοβαρά προβλήματα υγείας για εκατοντάδες χιλιάδες Ευρωπαίους. Η περιβαλλοντική επίπτωση, όπως η οξίνιση, ο ευτροφισμός, η αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος, η υποβάθμιση της ποιότητας του αέρα, ιδιαίτερα στις αστικές περιοχές, μπορεί να προκαλέσει ένα τοπικό, διασυνοριακό ή παγκόσμιο πρόβλημα, καθώς οι ατμοσφαιρικοί ρύποι μεταφέρονται στην ατμόσφαιρα και μπορούν να βλάψουν το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία σε μεγαλύτερη απόσταση από το σημείο που παράγονται. Οι κυριότερες παράμετροι που καθορίζουν την έκταση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και παράγονται από τα συστήματα μεταφορών, είναι: τα οξείδια του αζώτου NOx, τα οξείδια του θείου SO χ, το μονοξείδιο του άνθρακα CO, οι υδρογονάνθρακες HC, τα αιωρούμενα σωματίδια PM (Particulate Matter) και οι πτητικές οργανικές ενώσεις (Volatile Organic Compounds, VOCs). [1] 1.1 Οξίνιση όξινη βροχή Τα οξείδια του αζώτου NOx και τα τα οξείδια του θείου SO x ευθύνονται για την οξίνιση και προέρχονται από την καύση των ορυκτών καυσίμων των μηχανών εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιούνται στις μεταφορές. Οι εκπομπές οξειδίων του θείου και του οξειδίου του αζώτου, αντιδρούν με τους υδρατμούς της ατμόσφαιρας και σχηματίσουν διαφορετικά οξέα 1

13 που αργότερα πέφτουν στο έδαφος με τη μορφή της όξινης βροχής. Η όξινη βροχή προκαλεί καταστροφές στα εδάφη, στα μνημεία, στα νερά, στη βλάστηση καθώς και στις μεταλλικές γέφυρες και στα κτίρια. Το κυριότερο χαρακτηριστικό των αερίων αυτών είναι ότι μπορούν να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις, ώστε οι εκπομπές από τη μία χώρα να μεταφέρονται από τους ανέμους σε άλλες χώρες. Για το λόγο αυτό, η οξίνιση θεωρείται περιφερειακό και όχι παγκόσμιο πρόβλημα. [26] 1.2 Ευτροφισμός Τα οξείδια του αζώτου NOx συμβάλλουν στον ευτροφισμό των λιμνών και ποταμών. Είναι ένα περιβαλλοντικό πρόβλημα λόγω της υπέρμετρης αύξησης της συγκέντρωσης των νιτρικών και φωσφορικών ιόντων που αποτελούν θρεπτικά στοιχεία για τους μικροοργανισμούς. Τα βακτήρια και οι άλγες (algae) αυξάνονται σε δραματικά επίπεδα και σχηματίζουν επικάλυμμα στις υδάτινες επιφάνειες, προκαλώντας σκίαση στο νερό κάτω από την επιφάνεια. Χωρίς φως, οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί στον πυθμένα θανατώνονται, προσφέροντας ακόμη μεγαλύτερη ποσότητα τροφής σε άλλα βακτήρια, που συνεχίζουν να αναπτύσσονται. Καθώς ο αριθμός των βακτηρίων αυξάνεται, η κατανάλωση του διαλυμένου στο νερό οξυγόνου αυξάνεται δραματικά, ενώ η παραγωγή ελαττώνεται, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει οξυγόνο για τους μη φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, όπως, π.χ. τα ψάρια. Τα ψάρια είναι οι πρώτοι οργανισμοί που πεθαίνουν ενώ ακολουθούν και τα βακτήρια δημιουργώντας ένα νεκρό οικοσύστημα. [26] 1.3 Τροποσφαιρικό όζον Ο 3 Στην ανώτερη ατμόσφαιρα (στρατόσφαιρα) το όζον έχει ευεργετικό ρόλο γιατί απορροφά τις υπεριώδεις ακτινοβολίες (UV). Το όζον σχηματίζεται στην τροπόσφαιρα (κατώτερη ατμόσφαιρα) ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων μεταξύ του οξυγόνου, πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) και οξειδίων του αζώτου (NOx) προερχόμενα από τα οχήματα, Εικόνα 1. Καταστροφή μνημείου από όξινη βροχή (πηγή: Wikipedia) Εικόνα 2. Επικάλυψη υδάτινης επιφάνειας από βακτήρια και άλγη (πηγή: Wikipedia) 2

14 με την καταλυτική παρουσία της ηλιακής ακτινοβολίας. Ωστόσο, στο επίπεδο του εδάφους (δηλαδή στην τροπόσφαιρα), το όζον είναι επιβλαβές. Οι κάτοικοι των αστικών περιοχών, διατρέχουν κίνδυνο από το όζον της τροπόσφαιρας, επειδή το όζον είναι αέριο άχρωμο, βαρύτερο του αέρα, ισχυρότατο οξειδωτικό και λόγω της μεγάλης διαλυτότητάς του στο νερό μπορεί να διεισδύσει στους πνεύμονες. Το φωτοχημικό νέφος, η αύξηση του τροποσφαιρικού όζοντος σε συνδυασμό με τη μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος, καθώς και η ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου, είναι τα γνωστά προβλήματα ρύπανσης που ευθύνεται το όζον τόσο σε αστική όσο και σε παγκόσμια κλίμακα. [1] 1.4 Οξείδια του Αζώτου NOx (ΝΟ, ΝΟ 2 και Ν 2 Ο) Οξείδια του αζώτου είναι το μονοξείδιο (ΝΟ), το διοξείδιο του αζώτου (ΝΟ 2 )και το διαζωτοξείδιο (N 2 O). Προέρχονται από το άζωτο του αέρα όπου λόγω των υψηλών θερμοκρασιών κατά την καύση των μηχανών εσωτερικής καύσης, ενεργοποιείται και ενώνεται με το οξυγόνο. Τα NOx περιέχονται στα καυσαέρια των μηχανών εσωτερικής καύσης περίπου σε ποσοστό 50%. Το μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) είναι πρωτογενής ρύπος σε αντίθεση ενώ το διοξείδιο (ΝΟ 2 ) που αποτελεί δευτερογενή ρύπο, προερχόμενος από την αντίδραση του ΝΟ με το Ο 3. Το ΝΟ 2 είναι ερυθροκάστανο αέριο, διαλυτό στο νερό, ισχυρό οξειδωτικό με δριμεία οσμή. Στις υψηλές συγκεντρώσεις του ΝΟ 2 οφείλεται η καφέ όψη του αστικού ουρανού. Τα οξείδια του αζώτου είναι τοξικές ενώσεις με δυσμενείς επιπτώσεις στους ανθρώπους και τα φυτά. Συμμετέχουν σε μεγάλο αριθμό φωτοχημικών αντιδράσεων, ιδίως με τους υδρογονάνθρακες παράγοντας νέους ρύπους δημιουργώντας το φωτοχημικό νέφος. Σε υψηλές συγκεντρώσεις το διοξείδιο του αζώτου προκαλεί αναπνευστικά προβλήματα, ιδιαίτερα σε παιδιά και σε άτομα που υποφέρουν από άσθμα. [1] 1.5 Οξείδια του θείου SOx (SO 2, SO 3 ) Οι μορφές του θείου που συναντώνται στην ατμόσφαιρα, είναι το διοξείδιο του θείου SO 2, το τριοξείδιο του θείου SO 3, το θεϊκό οξύ H 2 SO 4 και το υδρόθειο H 2 S που οφείλονται σε φυσικές και ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Το μεγαλύτερο ποσοστό, πάνω από 90%, των θειούχων ενώσεων που εκπέμπονται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες είναι το διοξείδιο του θείου, όπου το 30% προέρχεται από την καύση του πετρελαίου. Η προέλευση των ρύπων στις αστικές περιοχές προέρχεται κυρίως από τα πετρελαιοκίνητα οχήματα. Στην ατμόσφαιρα το SO 2 συμμετέχει με τα οξείδια του αζώτου στην παραγωγή θεϊκού οξέος που ευθύνεται για την δημιουργία της όξινης βροχής. 3

15 1.6 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO) Το μονοξείδιο του άνθρακα CO παράγεται από την καύση όταν ο αέρας που μετέχει στην καύση δεν επαρκεί, δηλαδή πραγματοποιείται με ανεπάρκεια οξυγόνου και η καύση γίνεται ατελής. Στην περίπτωση που η καύση γίνεται με επάρκεια περίσσεια οξυγόνου (τέλεια καύση), το προϊόν καύσης είναι το διοξείδιο του άνθρακα CO 2. Οι κυριότερες πηγές προέλευσης του μονοξειδίου του άνθρακα ιδίως στις αστικές περιοχές είναι οι εξατμίσεις των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων, λόγω του γεγονότος η καύση στους κινητήρες γίνεται με έλλειψη αέρα σε αντίθεση με τα πετρελαιοκίνητα οχήματα που γίνεται με περίσσεια αέρα. Αυτός είναι και ο λόγος που τα βενζινοκίνητα οχήματα δε επιτρέπεται να λειτουργούν σε κλειστούς χώρους. Τα αυτοκίνητα συνεισφέρουν περίπου 75% στις ανθρωπογενείς πηγές του μονοξειδίου του άνθρακα ενώ η ατελής καύση ορυκτών καυσίμων στη βιομηχανία συνεισφέρει άλλα περίπου 25%. Το μονοξείδιο του άνθρακα είναι από τα πιο επικίνδυνα τοξικά αέρια γατί δεν γίνεται αντιληπτό. Η μεγάλη χημική συγγένεια που έχει με την αιμοσφαιρίνη του αίματος, έχει ως αποτέλεσμα να περιορίζει την ικανότητα του αίματος να μεταφέρει το οξυγόνο από τους πνεύμονες στα κύτταρα του οργανισμού. [1] 1.7 Αιωρούμενα Σωματίδια SPM (Suspended Particulate Matter) Ως αιωρούμενα σωματίδια χαρακτηρίζουμε κάθε σώμα, στερεό ή υγρό (εκτός του νερού), που βρίσκεται σε διασπορά και έχει διάμετρο μεγαλύτερη από 0,0002 μm και μικρότερη από 500 μm περίπου, αναφέροντας συγκριτικά ότι η διάμετρος της ανθρώπινης τρίχας είναι περίπου 70μm. Η σκόνη, ο καπνός και η ιπτάμενη τέφρα αποτελούν χαρακτηριστικά παραδείγματα αιωρούμενων σωματιδίων. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, που τα αιωρούμενα σωματίδια αποτελούνται από διάφορες ενώσεις του αέρα, όπως CO, SO 2, NOx, και VOC, προσροφώνται μεταξύ τους δημιουργώντας ένα μίγμα πολλών αέριων ρύπων. Εικόνα 3. Φωτοχημική ρύπανση στο Χονγκ Κονγκ. (πηγή: Wikipedia) Εικόνα 4. Ρύπανση από βιομηχανική δραστηριότητα (πηγή: 4

16 Χαρακτηριστικό της προσροφητικής ικανότητας των σωματιδίων αποτελεί η ειδική επιφάνειά τους, η οποία αυξάνει όσο μειώνεται η διάμετρος των σωματιδίων. Τα αιωρούμενα σωματίδια στην ατμόσφαιρα με βάση το μέγεθος και τις ιδιότητές τους διακρίνονται δύο κατηγορίες: 1. ολικά αιωρούμενα σωματίδια (Total Suspended Particulates, TSP), όπου αναφέρονται στο σύνολο των σωματιδίων, αγνοώντας το μέγεθός τους 2. εισπνεύσιμα σωματίδια (Inspirable Particulates, IP), που έχουν την ιδιότητα λόγω του μικρού τους μεγέθους να εισέρχονται στους πνεύμονες. Τα εισπνεύσιμα σωματίδια διακρίνονται σε δύο υποκατηγορίες: στα χονδρόκοκκα σωματίδια PM 10 με διάμετρο μικρότερη από 10 μm στα λεπτόκοκκα σωματίδια PM 2.5 με διάμετρο μικρότερη από 2,5 μm. Τα σωματίδια με μέγεθος μεγαλύτερο των PM 10, παγιδεύονται στη μύτη ή στον φάρυγγα και στην συνέχεια απομακρύνονται χωρίς να παρουσιάσουν ιδιαίτερο πρόβλημα. Τα σωματίδια μικρότερα των PM 10 εισέρχονται στους πνεύμονες του οργανισμού, όπου επικάθονται κυρίως στις κυψελίδες των πνευμόνων και με την πάροδο του χρόνου επιφέρουν σοβαρές βλάβες στην υγεία των ανθρώπων, όπως πνευμονοκονίαση, άσθμα και καρκινογέννεση. [1] [2] [26] Οι κυριότερες πηγές εκπομπών αιωρούμενων σωματιδίων είναι τα οχήματα, οι καπνοδόχοι από τις εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης των κατοικιών ή βιομηχανικών δραστηριοτήτων, που προέρχονται από την ατελή καύση των κινητήρων και των καυστήρων. Επίσης, σημαντικά ποσά αιωρούμενων σωματιδίων προέρχονται από τη φθορά των ελαστικών και των φρένων των οχημάτων, επιβαρύνοντας την ατμόσφαιρα των αστικών περιοχών. 1.8 Υδρογονάνθρακες HC Ο όρος υδρογονάνθρακες HC, περιλαμβάνει χιλιάδες ενώσεις που περιέχουν στο μόριο τους άνθρακα και υδρογόνο. Η σημασία τους στην ατμοσφαιρική ρύπανση είναι μεγάλη για το λόγο ότι συμμετέχουν ως πρωτογενείς ρύποι σε χημικές αντιδράσεις συμβάλλοντας στην δημιουργία του φωτοχημικού νέφους. Οι υδρογονάνθρακες στην ατμόσφαιρα των αστικών περιοχών προέρχονται κατά βάση από τα οχήματα. Για την μείωση των εκπομπών των υδρογονανθράκων από τα αυτοκίνητα, εφαρμόζεται ο τριοδικός καταλύτης. Η μέχρι τώρα καταλυτική τεχνολογία, δεν επιτρέπει τη χρήση μολύβδου στην βενζίνη, ενός στοιχείου που αυξάνει την αντιεκρηκτικότητά της κατά την καύση. Μία κατηγορία υδρογονανθράκων, οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες, αντικατέστησαν επιτυχώς τον μόλυβδο στην βενζίνη, αλλά η χρήση τους επέφερε ως αποτέλεσμα την αύξηση των εκπομπών αρωματικών υδρογονανθράκων στην ατμόσφαιρα, κυρίως τα BTX (Βενζόλιο-Τουλουόλιο-Ξυλένιο) και των 5

17 πολυαρωματικών υδρογονανθράκων που είναι ενώσεις με μεταλλαξιογόνες και καρκινογόνες δράσεις. Η πιο επικίνδυνη τοξική πτητική οργανική ένωση στην ατμόσφαιρα θεωρείται το βενζόλιο, όπου μπορεί να προκαλέσει στον ανθρώπινο οργανισμό χρόνιες παθήσεις όπως καρκινογένεση, προβλήματα στο κεντρικό νευρικό σύστημα στα νεφρά και στο ήπαρ. Το 70-90% των πολυαρωματικών υδρογονανθράκων στην ατμόσφαιρα βρίσκεται σε σωματιδιακή κατάσταση, προσροφημένο σε αιωρούμενα σωματίδια της κατηγορίας PM 10. Πρέπει να τονιστεί ότι, παρόλο που οι ποσότητες των πολυαρωματικών υδρογονανθράκων που εκπέμπονται από τα βενζινοκίνητα οχήματα είναι μεγαλύτερες από τα πετρελαιοκίνητα, ωστόσο το περιεχόμενο των καυσαερίων στα πετρελαιοκίνητα θεωρείται πιο καρκινογόνο εξαιτίας της αντίδρασης των ΝΟx με τους πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες. [1] 1.9 Πτητικές Οργανικές Ενώσεις (VOCs) Ο όρος «πτητικές οργανικές ενώσεις» ή VOCs (Volatile Organic Compounds), χρησιμοποιείται συχνά σε θέματα αέριας ρύπανσης. Ο ορισμός έχει δοθεί από τον Οργανισμό Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ (Environmental Protection Agency, EPA) και χαρακτηρίζει κάθε οργανική ένωση (που περιέχει άνθρακα) η οποία εισερχόμενη στην ατμόσφαιρα μπορεί να παραμείνει και να πάρει μέρος σε φωτοχημικές αντιδράσεις. Στις ενώσεις αυτές εξαιρείται το μεθάνιο γιατί δεν συμμετέχει σε φωτοχημικές αντιδράσεις και στα πρότυπα εκπομπών διατυπώνεται ακριβέστερα με τον όρο «πτητικές οργανικές ενώσεις εκτός μεθανίου» NMVOC (Non-Methane Volatile Organic Compounds). [1] Οι ενώσεις αυτές στην ατμόσφαιρα βρίσκονται σε αέρια κατάσταση, ενώ υπό πραγματικές συνθήκες (πίεση 1 Atm και 20 ο C) βρίσκονται σε στερεή ή υγρή κατάσταση. Συμμετέχουν πρωτογενώς ή δευτερογενώς στην δημιουργία του φωτοχημικού νέφους. Η χρήση των αυτοκινήτων, είναι η κύρια ανθρωπογενής δραστηριότητα που εκπέμπει τέτοιες ενώσεις, είτε λόγω της ατελούς καύσης όπου συμπεριλαμβάνεται στα καυσαέρια μία άκαυστη ποσότητα, είτε κατά τον εφοδιασμό τους στα πρατήρια καυσίμων. 6

18 2 ο Κεφάλαιο Ευρωπαϊκή πολιτική για την κλιματική αλλαγή Εισαγωγή Το διοξείδιο του άνθρακα CO 2 είναι προϊόν της τέλειας καύσης των ορυκτών καυσίμων και δεν μπορεί να θεωρηθεί ως τοξικό αέριο που εγκυμονεί κινδύνους για την υγεία των οργανισμών. Παρόλα αυτά, επιβαρύνει την ατμόσφαιρα κατά την στερητική έννοια, γιατί οι καύσεις που παράγουν CO 2 έχουν καταναλώσει οξυγόνο. Εκτός από τη δέσμευση του οξυγόνου της ατμόσφαιρας, το CO 2 είναι άμεσα συνδεδεμένο με το λεγόμενο «φαινόμενο του θερμοκηπίου» (greenhouse effect). Οι επιστήμονες με βάση τα υπολογιστικά μοντέλα που έχουν αναπτύξει, εκτιμούν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη τα επόμενα χρόνια θα ανέλθει σε ανησυχητικά επίπεδα λόγω της αύξησης της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα προέρχεται κυρίως από την ανεξέλεγκτη καύση των ορυκτών καυσίμων στους κινητήρες των οχημάτων, από τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, από τις εγκαταστάσεις κεντρικής θέρμανσης των κτιρίων κ.λ.π.. Η ποσότητα των εκπομπών έχει επιταχυνθεί τα τελευταία 200 χρόνια, αντανακλώντας την αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού, την οικονομική ανάπτυξη, την αύξηση της παραγωγής και της κατανάλωσης που συνάδει με την παγκοσμιοποιημένη οικονομία. 2.1 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Το φαινόμενο του θερμοκηπίου, περιγράφεται ως εξής: ο ήλιος κατά τη διάρκεια της ημέρας θερμαίνει με την ακτινοβολία του τον πλανήτη μας. Κατά την διάρκεια της νύχτας, η γη αποβάλλει ένα ποσοστό αυτής της ενέργειας με τη μορφή της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Το διοξείδιο του άνθρακα καθώς και οι υδρατμοί της ατμόσφαιρας, έχουν την ιδιότητα να απορροφούν την υπέρυθρη ακτινοβολία, με αποτέλεσμα η ενέργεια να παραμείνει στη γη. Με την αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 έχουμε αύξηση της θερμότητας που παραμένει στη γη με παράλληλη αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη. Πρέπει να τονιστεί ότι, οι υδρατμοί και το CO 2 υπήρχαν στην ατμόσφαιρα από φυσικές αιτίες και χωρίς την ύπαρξή τους, ώστε να συγκρατούν την υπέρυθρη ακτινοβολία, η 7

19 θερμοκρασία της γης θα έπεφτε σε πολύ χαμηλά επίπεδα, απαγορευτικά για την ανάπτυξη των οργανισμών. Το πρόβλημα εστιάζεται στην αύξηση της συγκέντρωσης του CO 2 στην ατμόσφαιρα που προέρχεται κατά βάση από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες και όχι στην συγκέντρωση των υδρατμών που δεν εξαρτώνται από τον ανθρώπινο παράγοντα. [1] Οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες που εκλύουν διοξείδιο του άνθρακα όπου προέρχεται από την ανεξέλεγκτη καύση των ορυκτών καυσίμων στις μηχανές των οχημάτων για τις μεταφορές ανθρώπων και αγαθών, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, για τη θέρμανση κτιρίων. Εκτός από την μείωση της συγκέντρωσης του CO 2 ο μετριασμός του φαινομένου του θερμοκηπίου μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση των υπόλοιπων αερίων που συμβάλλουν σε αυτό. Αυτά είναι: Χλωροφθοράνθρακες (CFCs): η συμβολή των χλωροφθορανθράκων στο φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του διοξειδίου του άνθρακα. Οι χλωροφθοράνθρακες χρησιμοποιούνται στις ψυκτικές και κλιματιστικές εγκαταστάσεις ως ψυκτικά υγρά. Οι χλωροφθοράνθρακες ευθύνονται επίσης για την καταστροφή του στρατοσφαιρικού όζοντος. Όζον της τροπόσφαιρας Ο 3 : το όζον είναι δευτερογενής ρύπος που προέρχεται από διάφορους πρωτογενείς ρύπους (HC, NO), που εκπέμπονται από τις εξατμίσεις των οχημάτων. Υποξείδιο του αζώτου Ν 2 Ο: παράγεται σε σημαντικό βαθμό από τις καύσεις των θερμικών μηχανών. Μεθάνιο CH 4 : εμφανίζει είκοσι φορές μεγαλύτερο δυναμικό από εκείνο του διοξειδίου του άνθρακα στην δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου. Εμπεριέχεται στο φυσικό αέριο σε ποσοστό περίπου 80% (ανάλογα με την προέλευσή του) και σε περίπτωση διαρροών, προκαλεί σημαντική επιβάρυνση της ατμόσφαιρας. 2.2 Κλιματική Αλλαγή Με τον όρο κλιματική αλλαγή αναφερόμαστε στη μεταβολή του παγκόσμιου κλίματος και ειδικότερα σε μεταβολές των μετεωρολογικών συνθηκών σε μεγάλη χρονική κλίμακα. Οι μεταβολές αυτές περιλαμβάνουν σημαντικές διακυμάνσεις ως προς τη μέση κατάσταση του κλίματος ή τη μεταβλητότητά του και εκτείνονται σε βάθος χρόνου δεκαετιών ή περισσότερων ακόμα ετών. Οι κλιματικές αλλαγές οφείλονται σε φυσικές διαδικασίες, καθώς και σε ανθρώπινες δραστηριότητες με σημαντικές επιπτώσεις στο κλίμα, κυρίως στην τροποποίηση της σύνθεσης της ατμόσφαιρας. Στη Σύμβαση-Πλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για τις Κλιματικές Μεταβολές (UNFCC), η κλιματική αλλαγή ορίζεται ειδικότερα ως η μεταβολή στο κλίμα που οφείλεται άμεσα ή έμμεσα 8

20 σε ανθρώπινες δραστηριότητες, διακρίνοντας τον όρο από την κλιματική μεταβλητότητα που έχει φυσικά αίτια. Σύμφωνα με την Διακυβερνητική Επιτροπή για την Αλλαγή του Κλίματος (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) που συστάθηκε υπό την αιγίδα του ΟΗΕ, η μέση θερμοκρασία του πλανήτη έχει αυξηθεί 0.6 ± 0.2 ºC από τα τέλη του 19ου αιώνα. Κύρια αιτία είναι η ανθρωπογενής δραστηριότητα των τελευταίων πενήντα ετών όπου έχει παρέμβει στον κύκλο του CO 2 με αποτέλεσμα να επηρεάσει την μέση θερμοκρασία του πλανήτη μας. Για να αποφευχθούν οι χειρότερες επιπτώσεις από την αλλαγή του κλίµατος, υιοθετήθηκε διεθνώς ένας κοινός στόχος: η παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας να µην ξεπεράσει τους 2 º C συγκρινόμενη µε τα προβιομηχανικά επίπεδα. [4] Η παγκόσμια μέση θερμοκρασία υπολογίζεται ότι θα αυξηθεί κατά 1,4 έως 5,8 º C μέχρι το 2100 σε σχέση µε το Σύμφωνα µε διάφορα κλιματικά μοντέλα που εκτιμούν τις επιπτώσεις της αλλαγής του κλίματος, µια αύξηση της τάξης των 2 º C θα επέφερε δυνητικά επιβλαβείς συνέπειες για τα οικοσυστήματα, τη βιοποικιλότητα και τη ζωή των ανθρώπων σε όλο τον κόσμο. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα αποτελούν την κύρια αιτία της υπερθέρμανσης του πλανήτη. Το CO 2 ευθύνεται για τα 2/3 της παγκόσμιας υπερθέρμανσης που προέρχεται από ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Η συγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα βρίσκεται στο υψηλότερο σηµείο των τελευταίων χρόνων και πιθανότατα των τελευταίων 20 εκατομμυρίων ετών. Όπως υποστηρίζουν οι επιστήμονες, για να αποφευχθεί η επικίνδυνη κλιματική αλλαγή, θα πρέπει να επιτευχθεί παγκοσμίως μείωση των εκπομπών κατά 60-80% μέχρι το Πρωτόκολλο του Κιότο για την κλιματική αλλαγή Το πρωτόκολλο του Κιότο, θεσπίστηκε στις 11 Δεκεμβρίου 1997 και διαδέχτηκε τη σύμβασηπλαίσιο των Ηνωμένων Εθνών για την κλιματική αλλαγή και είναι μία από τις σημαντικότερες διεθνείς νομοθετικές πράξεις για την καταπολέμηση των κλιματικών μεταβολών. Περιλαμβάνει τις δεσμεύσεις που έχουν αναλάβει οι εκβιομηχανισμένες χώρες για τον περιορισμό των εκπομπών τους σε ορισμένα αέρια που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, που ευθύνεται για τη υπερθέρμανση του πλανήτη. Τα αέρια του θερμοκηπίου που αναφέρονται στο Πρωτόκολλο του Κιότο είναι έξι: 1. το διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) 2. το μεθάνιο (CH 4 ) 3. το πρωτοξειδίου του αζώτου (N 2 O) 4. οι υδροφθοράνθρακες (HFC) 5. οι υπερφθοριωμένοι υδρογονάνθρακες (PFC) 9

21 6. το εξαφθοριούχο θείο (SF 6 ). Το πρωτόκολλο του Κιότο, θεωρείται ένα σημαντικό βήμα για την καταπολέμηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη επειδή δεν περιλαμβάνει μόνο δεσμευτικούς αλλά και ποσοτικοποιημένους στόχους περιορισμού της μείωσης των αερίων θερμοκηπίου. Συγκεκριμένα, τα συμβαλλόμενα κράτη δεσμεύονται να μειώσουν συλλογικά τις εκπομπές τους αερίων θερμοκηπίου, τουλάχιστον κατά 5 % την περίοδο σε σύγκριση με τα επίπεδα του [5] 2.4 Οδικός χάρτης της ΕΕ για την κλιματική αλλαγή Οι ηγέτες της ΕΕ έχουν δεσμευτεί να μετατρέψουν την Ευρώπη σε μια οικονομία ιδιαίτερα αποδοτική χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια και παράγοντας χαμηλά ποσά εκπομπών άνθρακα. Στο Πρωτόκολλο του Κιότο, ήδη τα κράτη που ήταν μέλη της ΕΕ πριν το 2004 δεσμεύτηκαν να μειώσουν συλλογικά τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου κατά 8% μεταξύ 2008 και Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχει δημοσιεύσει έναν οδικό χάρτη με σημαντικές πρωτοβουλίες της ΕΕ για τη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου. Οι πρωτοβουλίες περιλαμβάνουν: Την ανάπτυξη και εφαρμογή ενός Συστήματος Εμπορίας Εκπομπών της ΕΕ, με απώτερο στόχο την οικοδόμηση μιας διεθνούς αγοράς εμπορίας εκπομπών άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων και των αεροπορικών μεταφορών. Την παρακολούθηση της εφαρμογής των στόχων των κρατών μελών για τη μείωση των εκπομπών τους Την εφαρμογή της νομοθεσίας για την αύξηση του μεριδίου της κατανάλωσης ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πηγές, όπως η αιολική, η ηλιακή και η βιομάζα, στο 20% μέχρι το Τον στόχο για την αύξηση της ευρωπαϊκής ενεργειακής απόδοσης κατά 20% έως το 2020, μέσω της βελτίωσης της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων και σε ένα ευρύ φάσμα εξοπλισμού των οικιακών συσκευών. Δεσμευτικούς στόχους για μείωση των εκπομπών CO 2 από νέα αυτοκίνητα και μικρά φορτηγά. Την υποστήριξη προγραμμάτων για την ανάπτυξη τεχνολογιών δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα (CCS) για την παγίδευση και την αποθήκευση CO 2 που εκπέμπεται από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής και άλλες μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις. 10

22 2.4.1 Πακέτο για την Ενέργεια και το Κλίμα « » Η Ευρωπαϊκή Ένωση τον Μάρτιο 2007 υιοθέτησε το Πακέτο για την Ενέργεια και το Κλίμα. Το πακέτο αυτό θέτει τρεις φιλόδοξους ενεργειακούς και κλιματικούς στόχους έως το 2020: i) 20% μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, ii) 20% αύξηση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπου το μερίδιο του 10% των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας θα ανήκει στον τομέα των μεταφορών iii) 20% αύξηση της ενεργειακής απόδοσης Για την επίτευξη αυτών των στόχων, τα κράτη μέλη πρέπει να αναλάβουν δεσμευτικούς εθνικούς στόχους αύξησης του μεριδίου των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην κατανάλωση ενέργειας έως το Οι στόχοι αυτοί δεν θα βοηθήσουν μόνο στο να μειωθούν οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, αλλά θα συμβάλλουν στην γενικότερη μείωση της εξάρτησης της ΕΕ από τις εισαγωγές ενέργειας. [6] Ο πρωταρχικός στόχος για 20% μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου περιλαμβάνει τις διεθνείς αερομεταφορές, αλλά αποκλείει τις εκπομπές που απορροφούνται ή εκπέμπονται από τη γη, την αλλαγή χρήσης και τη δασοκομία (LULUCF). Οι βασικές πολιτικές που συμβάλλουν στην επίτευξη αυτού του στόχου είναι η Σύστημα Εμπορίας Εκπομπών της ΕΕ, που καλύπτει σημαντικούς ρυπαντές στον τομέα της ενέργειας και της βιομηχανίας, συμπεριλαμβανομένης της αεροπορίας που είναι υπεύθυνη για το περίπου 45% όλων των εκπομπών. Επίσης, ο στόχος της ΕΕ για τη μείωση των εκπομπών κατά 20%, αποτελεί τη βάση των διεθνών δεσμεύσεών της στο πλαίσιο μιας δεύτερης περιόδου δεσμεύσεων του Πρωτοκόλλου του Κιότο ( ). Επιπλέον, η ΕΕ πρότεινε να αυξήσει τη μείωση των εκπομπών της σε 30% μέχρι το 2020, αν οι χώρες με τις μεγαλύτερες πηγές εκπομπών, δεσμευτούν να αναλάβουν το μερίδιο που τους αναλογεί σε μια παγκόσμια προσπάθεια μείωσης των εκπομπών. [6] Το πλαίσιο για το κλίμα και την ενέργεια έως το 2030 Η Επιτροπή παρουσίασε στις 22 Ιανουαρίου 2014 το πλαίσιο πολιτικής για το κλίμα και την ενέργεια κατά την περίοδο από το 2020 έως το 2030 (COM(2014) 0015). Το πλαίσιο καθορίζει τις πολιτικές της Ε.Ε. για το κλίμα και την ενέργεια κατά την περίοδο , προτείνοντας νέους στόχους και μέτρα για να καταστούν η οικονομία και το ενεργειακό σύστημα περισσότερο ανταγωνιστικά, ασφαλή και βιώσιμα. Περιλαμβάνει στόχους και προτείνει δράσεις για την: i) συνέχιση της μείωσης των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου κατά 40% μέχρι το 2030 σε σχέση με τα επίπεδα του 1990 και την επίτευξη του στόχου της μείωσης των εκπομπών κατά τουλάχιστον 80% έως το

23 ii) αύξηση της χρήσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε ποσοστό 27% τουλάχιστον της κατανάλωσης ενέργειας, με παροχή ευελιξίας στα κράτη μέλη για τον καθορισμό εθνικών στόχων iii) αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των συστημάτων κατανάλωσης μέσω ενδεχόμενων τροποποιήσεων της οδηγίας για την ενεργειακή απόδοση κατά 30%. [7] [8] Για τις αστικές συγκοινωνίες θέτει ως πρωταρχικό στόχο την μείωση στο 50% της χρήσης αυτοκινήτων που κινούνται με συμβατικά καύσιμα έως το 2030 και σταδιακή κατάργησή τους στις πόλεις έως το Τα αέρια του θερμοκηπίου στην Ευρώπη Η εξέλιξη της μείωσης των αερίων του θερμοκηπίου όπως καταγράφηκε στην Ευρωπαϊκή Ένωση των 28 κατά τη χρονική περίοδο , φαίνεται στο σχήμα 2-1. Κατά την χρονική περίοδο , υπήρχε γενικά μια πτωτική τάση των εκπομπών, με εξαίρεση το 1996 όπου ο βαρύς χειμώνας οδήγησε σε αύξηση των αναγκών σε θέρμανση. Από το 1999 έως το 2006 η εξέλιξη των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στην ΕΕ-28 παρέμενε σχετικά σταθερή και άρχισαν να μειώνονται με μέτριο ρυθμό το Στη χρονιά του 2009, σημειώθηκε απότομη μείωση των εκπομπών, ως συνέπεια της παγκόσμιας χρηματοπιστωτικής και οικονομικής κρίσης που επέφερε και την συνακόλουθη μείωση της βιομηχανικής δραστηριότητας. Οι εκπομπές αυξήθηκαν και πάλι το 2010, αλλά από το 2011 συνέχισαν να μειώνονται. Η χρονιά του 2012, σηματοδότησε το έτος με τις χαμηλότερες εκπομπές που έχουν καταγραφεί από την αφετηρία του Σχήμα 2-1. ΕΕ-28, Εκπομπές αερίων θερμοκηπίου 1990 με 2012 διεθνών αεροπορικών και χωρίς LULUCF) (Δείκτης 1990 = 100 Πηγή: Eurostat) (συμπεριλαμβανομένων των 12

24 Σχήμα 2-2. Συνολικές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (συμπεριλαμβανομένων των διεθνών αεροπορικών), ανά χώρα, 2012 (Δείκτης 1990 = 100). (Πηγή: Eurostat (env_air_gge), του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Ενέργειας, Ευρωπαϊκό Θεματικό Κέντρο για την Ατμόσφαιρα και το Κλίμα) Τα κράτη μέλη της ΕΕ-28 με τα μεγαλύτερα ποσοστά εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, καταγράφηκαν στη Γερμανία (20,6%), το Ηνωμένο Βασίλειο (13,1%), τη Γαλλία (10,8%), την Ιταλία (10,0%). Από την άλλη πλευρά, οι μεγαλύτερες αυξήσεις σε σύγκριση με το 1990, έχουν αναφερθεί στη Μάλτα (+57,3%), στη Κύπρο (+47,7%), στην Ισπανία (+22,5%), στην Πορτογαλία (+14,9%), στην Ιρλανδία (+7,0%) και την Ελλάδα (+ 5,7 (σχήμα 2-2). Παρατηρώντας από το 1990 έως το 2012 (σχήμα 2-3), την συμβολή όλων των τομέων παραγωγής στην εξέλιξη μείωσης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, μόνο οι εκπομπές του τομέα των μεταφορών αυξήθηκαν κατά 36% κατά το διάστημα 1990 έως 2007, ενώ σε όλους του άλλους τομείς οι εκπομπές των αερίων μειώθηκαν κατά 15% κατά την ίδια περίοδο. Η αύξηση αυτή παρά τη βελτίωση της απόδοσης των οχημάτων, οφείλεται στην αύξηση του αριθμού τόσο των προσωπικών όσο και των εμπορευματικών μεταφορών. Από το 2008 οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από τις μεταφορές έχουν αρχίσει να μειώνονται. Αυτό οφείλεται κυρίως στην αύξηση της τιμής του πετρελαίου, στην αύξηση της αποτελεσματικότητας των επιβατικών αυτοκινήτων καθώς και στη μείωση της κινητικότητας από την οικονομική κρίση που άρχισε να διαφαίνεται και στην Ευρώπη. Παρά την καθοδική τάση του ποσοστού των αερίων του θερμοκηπίου, το ποσοστό στις μεταφορές το 2012 ήταν 20,5% πάνω από τα επίπεδα του [8] 13

25 Σχήμα 2-3. Η εξέλιξη των αερίων του θερμοκηπίου στην Ε.Ε. από τις μεταφορές και τους άλλους τομείς από το 1990 έως το (Πηγή: Eurostat (env_air_gge), του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Ενέργειας, Ευρωπαϊκό Θεματικό Κέντρο για την Ατμόσφαιρα και το Κλίμα) Τα στατιστικά στοιχεία των αερίων εκπομπών που προέρχονται από τις μεταφορές, συνηγορούν στην κατεύθυνση αυστηρών μέτρων για την μείωση των αέριων εκπομπών, τόσο σε τοπικό όσο και σε παγκόσμιο επίπεδο, πραγματοποιώντας στροφή σε ένα σύστημα χαμηλών εκπομπών CO 2, χωρίς την επιβράδυνση των ρυθμών ανάπτυξης. Αυτή η νέα πρόκληση απαιτεί τη χάραξη μιας στρατηγικής σε πολιτικοικονομικό, κοινωνικό και περιβαλλοντικό επίπεδο. 14

26 3 ο Κεφάλαιο Ευρωπαϊκή πολιτική για τις Μεταφορές Εισαγωγή Οι εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων από τις μεταφορές στην Ευρώπη Στις μέρες μας, οι μεταφορές αποτελούν την πιο εξελισσόμενη δραστηριότητα του ανθρώπου. Είναι άμεσα συνδεδεμένες με τη δημιουργία και την ολοκλήρωση των οικονομικών αγορών, προωθούν την απασχόληση και συνεισφέρουν στην οικονομική ανάπτυξη των χωρών. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση τα τελευταία εξήντα χρόνια, ο τομέας των μεταφορών έχει αλλάξει ριζικά. Σήμερα παράγει το 4,6% του ΑΕΠ της Ε.Ε., απασχολεί περίπου 11 εκατομμύρια άτομα αντιπροσωπεύοντας το 4,5% του εργατικού δυναμικού. Πολλές εταιρείες που δραστηριοποιούνται στο χώρο των μεταφορών, έχουν καταστεί ηγέτες του κόσμου. Σήμερα, μια ευρωπαϊκή οικογένεια ξοδεύει κατά μέσο όρο το 13% του προϋπολογισμού της στον τομέα των μεταφορών, καταλαμβάνει δηλαδή στον οικογενειακό προϋπολογισμό την δεύτερη θέση μετά τη στέγαση. Στην Ελλάδα το ποσοστό αυτό είναι μικρότερο από το μέσο όρο της Ε.Ε. και αντιστοιχεί στο 11,8%. Παράλληλα, στον τομέα των μεταφορών καταναλώνονται σημαντικές ποσότητες ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο. Όπως φαίνεται στον πίνακα 3-1, στην Ευρώπη των 28 χωρών (EU-28), η συνολική ενέργεια που καταναλώθηκε το 2012 από τους παραγωγικούς τομείς ανέρχεται στο ποσό των 1.104,5 Mteo. Ο τομέας των μεταφορών καταναλώνει 351,7 Mteo που αντιστοιχεί στο 31.8% της συνολικής ευρωπαϊκής κατανάλωσης. Στην Ελλάδα, το ίδιο χρονικό διάστημα καταναλώθηκε συνολική ενέργεια 17,1Mteo, με τον τομέα των μεταφορών να κατέχει τη δεύτερη θέση στο μερίδιο της κατανάλωσης ενέργειας. Συγκεκριμένα, στον τομέα των μεταφορών καταναλώθηκαν 6,4 Mteo που αντιστοιχεί σε ποσοστό 37,4% της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας [10] Παρόλο που οι μεταφορές στην Ευρώπη έχουν σημειώσει πρόοδο σε ότι αφορά την επιβάρυνση του περιβάλλοντος, εξακολουθούν να έχουν μεγάλο μερίδιο ευθύνης για το λόγο ότι εξαρτώνται από τα ορυκτά καύσιμα σε ποσοστό 96%. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η παραγωγή του CO 2 από τις μεταφορές να ανέρχεται στο ποσοστό του 29% όπου για το μεγαλύτερο μερίδιο, σε ποσοστό 71,8%, ευθύνονται οι οδικές μεταφορές (πίνακας 3-2). Στον 15

27 Πίνακας 3.1 Κατανάλωση ενέργειας σε Mtoe ανά τομέα στην ΕU-28 [10] Ελλαδικό χώρο τα ποσοστά είναι μικρότερα, όπου οι μεταφορές συνεισφέρουν το 25,6% του CO 2 που παράγεται συνολικά, με τις οδικές μεταφορές να ευθύνονται σε ποσοστό 53% Επιπλέον στην Ευρώπη των 28, το 24,3% των αερίων του θερμοκηπίου (Green Houses Gas) που παράγονται συνολικά αντιστοιχούν στις μεταφορές με τις οδικές μεταφορές να ευθύνονται κατά 71,9% (πίνακας 3-3). Στην Ελλάδα, τα ποσοστά των GHG που παράγονται από τις μεταφορές είναι αρκετά μικρότερα. Το 16,1% των GHG αντιστοιχεί στις μεταφορές όπου οι οδικές μεταφορές ευθύνονται για μερίδιο του 53%. [10] Επίσης, στην Ευρώπη των 28, από το 1990 έως το 2013 καταγράφηκε μείωση στις εκπομπές όλων των αέριων ρύπων που ευθύνεται ο τομέας των μεταφορών (σχήμα 3-1), την μεγαλύτερη πτώση κατέγραψαν τα οξείδια του θείου (SOx), τα οποία στη χρονική περίοδο μεταξύ του 1990 και του 2013, μειώθηκαν κατά 86,7%. Παρόμοια μείωση σημειώθηκε και στις τιμές του μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Οι πτητικές οργανικές ενώσεις εκτός μεθανίου (NMVOC) στην ίδια περίοδο μειώθηκαν σχεδόν κατά 60%. Τα Οξείδια του αζώτου (NOx) διαμορφώθηκαν σε ποσοστό 53,5% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990, επιτυγχάνοντας σημαντική μείωση κατά περίπου 46,5%. 16

28 Οι χώρες με τις υψηλότερες εκπομπές των NMVOC το 2013 ήταν η Γερμανία, η Ιταλία, η Γαλλία και το Ηνωμένο Βασίλειο - το καθένα με διψήφια ποσοστά επί του συνόλου της Ε.Ε. Τα περισσότερα οξείδια του αζώτου (NOx) προήλθαν από την Γερμανία (15,5% του συνόλου της Ε.Ε.) και ακλουθούν το Ηνωμένο Βασίλειο (12,5%) και η Γαλλία (12,1%). Όσον Πίνακας 3-2 Παραγωγή CO2 από τις μεταφορές στην EU-28 [10] Πίνακας 3-3 Παραγωγή GHG από τις μεταφορές στην ΕU-28 [10] Σχήμα 3-1. Οι εκπομπές ατμοσφαιρικών ρύπων από τις μεταφορές ΕΕ-28 Δείκτης 1990 = 100, [11] 17

29 αφορά τα οξείδια του θείου (SOx), σε αντίθεση με τους άλλους ρύπους, η μεγαλύτερη χώρα εκπομπών ήταν μια της Ανατολικής Ευρώπης: Πολωνία με 24,7% επί του συνόλου της Ε.Ε., έπειτα η Γερμανία με 12,1% και το Ηνωμένο Βασίλειο με 11,5%. 3.1 Μεταφορές και περιβάλλον στην Ευρώπη Από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, η Ε.Ε. εργάζεται για να βελτιώσει την ποιότητα του αέρα, ελέγχοντας τις εκπομπές των βλαβερών ουσιών της ατμόσφαιρας, τη βελτίωση της ποιότητας των καυσίμων, καθώς και από την ενσωμάτωση κανονιστικών απαιτήσεων για την προστασία του περιβάλλοντος στους τομείς των μεταφορών και της παραγωγής ενέργειας. Η δραστηριοποίηση της Ε.Ε. επεκτείνεται σε πολλά επίπεδα: σε διεθνές επίπεδο, προκειμένου να μειωθεί η διασυνοριακή ρύπανση, μέσω συνεργασίας των εθνικών-περιφερειακών αρχών και των Μη Κερδοσκοπικών Οργανώσεων, σε συνεργασία με τους επιμέρους βιομηχανικούς κλάδους με την παροχή χρηματοδότησης, προκειμένου να βοηθήσει την υποστήριξη της έρευνας. Το περιβάλλον και η υγεία αποτελούν τους κεντρικούς στόχους των πλαισίων δράσης της Ε.Ε. όπου αποσκοπεί στην επίτευξη επιπέδων ποιότητας του αέρα που δεν οδηγούν σε απαράδεκτες επιπτώσεις και κινδύνους στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον. Η Ευρωπαϊκή νομοθεσία θεσπίζει πρότυπα με γνώμονα την υγεία, υιοθετώντας όρια για τους ρύπους με την απαιτούμενη δράση στις περιπτώσεις που τα επίπεδα υπερβαίνουν τα όρια αυτά. Η οδηγία 2001/81 /ΕΚ και του Συμβουλίου, ρυθμίζει τα ανώτατα εθνικά όρια εκπομπών για τους ατμοσφαιρικούς ρύπους που ευθύνονται για την οξίνιση, τον ευτροφισμό και για την καταστροφή της στοιβάδας του όζοντος, θέτοντας ανώτατα όρια για κάθε κράτος μέλος. Σύμφωνα με την οδηγία, τα κράτη μέλη πρέπει να υποβάλουν έκθεση σχετικά με τα επίπεδα εκπομπών στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Περιβάλλοντος (ΕΟΠ), προκειμένου να παρακολουθείται η πρόοδος και η εξακρίβωση της συμμόρφωσης. [12] Διεθνώς, οι εκπομπές όξινων ουσιών που οδηγούν στην όξινη βροχή, ρυθμίζονται σε μεγάλο βαθμό από το πρωτόκολλο του Γκέτεμποργκ, στο πλαίσιο της UNECE Σύμβαση για τη διαμεθοριακή ρύπανση της ατμόσφαιρας (CLRTAP), που υπογράφηκε το Λευκή Βίβλος (2011) για το μέλλον των μεταφορών μέχρι το 2050 Ο τομέας των μεταφορών είναι μία από τις πρώτες κοινές πολιτικές της Ευρωπαϊκής Ένωσης αναγνωρίζοντας ότι οι μεταφορές έχουν ζωτική σημασία για την ευρωπαϊκή οικονομία. Αναμφισβήτητα, χωρίς καλές συνδέσεις η Ευρώπη δεν μπορεί να υλοποιήσει τους στόχους της. 18

30 Σχήμα 3-2. Οι στόχοι της Λευκής Βίβλου 2011 για μείωση των αερίων του θερμοκηπίου έως το 2050 (πηγή: ΕΕΑ Report/No 7/2014) [11] Στη νέα Λευκή της Βίβλο για το μέλλον των μεταφορών μέχρι το 2050, με τίτλο «Χάρτης πορείας για έναν ενιαίο ευρωπαϊκό χώρο μεταφορών - Για ένα ανταγωνιστικό και ενεργειακά αποδοτικό σύστημα μεταφορών» (COM(2011)144), που δημοσιεύτηκε στις 28 Μαρτίου 2011, η Επιτροπή περιγράφει τη μετάβαση των μεταφορών από τις παλιές στις νέες προκλήσεις και σκιαγραφεί τα μέσα που θα της επιτρέψουν να τις αντιμετωπίσει. Με βάση το όραμά της, η Επιτροπή θέτει ως στόχο να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά τουλάχιστον 60% το 2050 σε σχέση με τα επίπεδα του 1990, χωρίς να επιβραδύνει την ανάπτυξη του τομέα των μεταφορών και να περιορίσει την κινητικότητα, ο οποίος συνοδεύεται από ενδιάμεσο στόχο, για το 2030, να μειωθούν οι εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου κατά 20% περίπου σε σχέση με τα επίπεδά τους το Εντούτοις, η Επιτροπή υπογραμμίζει ότι, λόγω της σημαντικής αύξησης των εκπομπών των μεταφορών εδώ και δυο δεκαετίες, ο στόχος για το 2030 δεν θα εμποδίσει την αύξηση των εκπομπών κατά 8% σε σχέση με τα επίπεδα του 1990, και αναγνωρίζει ότι το σύστημα μεταφορών δεν έχει καταστεί ακόμη βιώσιμο (σχήμα 3-2). Αυτό θέτει ως επιτακτική ανάγκη τη ρήξη της εξάρτησης του συστήματος μεταφορών από το πετρέλαιο χωρίς να θυσιαστεί η αποτελεσματικότητα του συστήματος μεταφορών. Στην πράξη, οι μεταφορές πρέπει να χρησιμοποιούν την ενέργεια με τρόπο πιο φειδωλό και πιο καθαρό, να εκμεταλλεύονται καλύτερα τις σύγχρονες υποδομές, ώστε να μειώσουν τον αντίκτυπό τους στο περιβάλλον και τη φυσική κληρονομιά. [13] 19

31 3.3 Προώθηση Πράσινων μεταφορών - Ευρωπαϊκή Πολιτική για καθαρές μεταφορές Οι αυξανόμενες ανησυχίες για την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού, της αλλαγής του κλίματος και της υγείας οδηγούν σε μια στροφή από τα ορυκτά σε εναλλακτικά καύσιμα και σε νέα συστήματα πρόωσης των οχημάτων, ικανά ώστε να παρέχεται μακροπρόθεσμα η βιωσιμότητά τους. Είναι γεγονός ότι τα τρία τέταρτα των εκπομπών θερμοκηπίου από τις μεταφορές προέρχεται από τις οδικές μεταφορές. Οι μεταφορές είναι ιδιαίτερα ευάλωτες στις διαταραχές του εφοδιασμού με πετρέλαιο και της αστάθειας των τιμών. Παρά τις τεράστιες μειώσεις των εκπομπών επιβλαβών ρύπων, εξακολουθούν να υπάρχουν ανησυχίες για την ποιότητα του αέρα και του θορύβου, ιδιαίτερα στις αστικές περιοχές. Οι μεταφορές αποτελούν σημαντικό δομικό στοιχείο στην πολιτική της ΕΕ για την ενέργεια και το κλίμα. Η δέσμευση της Ευρώπης για το κλίμα και την ενέργεια περιλαμβάνει για το 2020 στόχους για την ενεργειακή απόδοση, για το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας καθώς και τον στόχο για τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Αναμφισβήτητα, χωρίς την σημαντική συνεισφορά των μεταφορών, οι παραπάνω στόχοι είναι αδύνατο να επιτευχθούν. Η πρωτοβουλία για τα «πράσινα» αυτοκίνητα, στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού σχεδίου για την ανάκαμψη της οικονομίας που εγκρίθηκε από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο, έχει ως στόχο να υποστηρίξει την ανάπτυξη των νέων και βιώσιμων μορφών οδικών μεταφορών. Η Επιτροπή επί του παρόντος στηρίζει την ανάπτυξη τριών κύριων εναλλακτικών μορφών καυσίμων και τεχνολογιών πρόωσης οχημάτων εντός του χρονικού ορίζοντα του 2020: Τα βιοκαύσιμα, υγρά ή αέρια Υδρογόνο και κυψέλες καυσίμου Ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα με plug-in. [17] Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή εργάζεται για να βελτιώσει την ποιότητα ζωής των πολιτών και την ενίσχυση της οικονομίας μέσω της προώθησης της βιώσιμης αστικής κινητικότητας και την αύξηση της χρήσης καθαρών και ενεργειακώς αποδοτικών οχημάτων. Η κλιματική αλλαγή, η ενεργειακή πολιτική, η νομοθεσία για την ποιότητα του αέρα και οι δυσκολίες να αντιμετωπιστεί η συμφόρηση είναι μόνο μερικά παραδείγματα από τις νέες προκλήσεις πο έχουν προκύψει. Ο στόχος της ΕΕ είναι να ενισχυθεί η κινητικότητα, ενώ ταυτόχρονα να μειωθεί η συμφόρηση, τα ατυχήματα και η ρύπανση στις ευρωπαϊκές πόλεις. Ο στόχος της πολιτικής χερσαίων μεταφορών της Ευρωπαϊκής Ένωσης είναι η προώθηση της κινητικότητας ώστε να είναι αποτελεσματική, ασφαλή και φιλική προς το περιβάλλον. Επίσης, στους στόχους της πολιτικής της Ε.Ε. για τις οδικές μεταφορές είναι η προώθηση αποτελεσματικών υπηρεσιών οδικών εμπορευματικών μεταφορών και επιβατών, η 20

32 δημιουργία δίκαιων όρων ανταγωνισμού, η προώθηση και η εναρμόνιση ασφαλέστερων και φιλικότερων προς το περιβάλλον τεχνικών προδιαγραφών, για να εξασφαλιστεί ο βαθμός της φορολογικής και κοινωνικής εναρμόνισης και να εγγυηθεί ότι οι κανόνες στις οδικές μεταφορές εφαρμόζονται αποτελεσματικά χωρίς διακρίσεις. 3.4 Βιο-καύσιμα για τις μεταφορές Η προώθηση των βιοκαυσίμων προσφέρει σαφή πλεονεκτήματα τόσο για την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού όσο και στο μετριασμό της κλιματικής αλλαγής. Επιπλέον, τα βιοκαύσιμα θα μπορούσαν να συμβάλλουν στη μείωση της αστικής ρύπανσης καθώς και στην ανάπτυξη των αγροτικών περιοχών. Τα βιοκαύσιμα είναι σε μεγάλο βαθμό συμβατά με τα σημερινά οχήματα και μπορεί να αναμιχθούν με τα ορυκτά καύσιμα. Η προώθηση των βιοκαυσίμων αποτελεί πολιτική προτεραιότητα, ως μέρος της πολιτικής της ΕΕ για την ενέργεια και το κλίμα. Η οδηγία 2009/28 / ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου, της 23ης Απριλίου 2009 σχετικά με την προώθηση της χρήσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και την τροποποίηση και συνακόλουθη κατάργηση των οδηγιών 2001/77 / ΕΚ και 2003/30 / ΕΚ εισάγει έναν δεσμευτικό στόχο του μεριδίου 10% των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στις μεταφορές έως το 2020, κάνοντας μία σημαντική συμβολή σε αυτό το στόχο. [14] Επιπλέον, η οδηγία 2009/30 / ΕΚ του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου, της Σχήμα 3-3. Η κατανάλωση ενέργειας στις μεταφορές στην Ε.Ε.-28 και ο στόχος της Λευκής Βίβλου 2011 για μείωση της κατανάλωσης καυσίμων που προέρχονται από το πετρέλαιο στο 70% έως το 2050 (πηγή: ΕΕΑ Report/No 7/2014) [11] 21

33 23ης Απριλίου 2009 με την τροποποίηση της οδηγίας 98/70/ΕΚ όσον αφορά τις προδιαγραφές για τη βενζίνη, το ντίζελ και το πετρέλαιο εσωτερικής καύσης και την καθιέρωση μηχανισμού για την παρακολούθηση και τη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου των εκπομπών και την τροποποίηση της οδηγίας 1999/32 / ΕΚ του Συμβουλίου όσον αφορά την προδιαγραφή των καυσίμων που χρησιμοποιούνται στα πλοία εσωτερικής ναυσιπλοΐας και την κατάργηση της οδηγίας 93/12 / ΕΟΚ, επιτρέπει την προσθήκη αιθανόλης στη βενζίνη μέχρι 10% κατά όγκο και περιεκτικότητα 7% στο πετρέλαιο κίνησης. Η παρούσα πολιτική βιοκαυσίμων της ΕΕ επικεντρώνεται στην ανάπτυξη των βιοκαυσίμων δεύτερης γενιάς, ξεπερνώντας τα εμπόδια της αγοράς, καθώς και τη βελτίωση των συστημάτων διανομής και αποθήκευσης. Τα βιοκαύσιμα θα πρέπει να παράγονται με τρόπους που δεν προκαλούν σημαντική περιβαλλοντική επίπτωση ή να προάγουν τον ανταγωνισμό με τον τομέα παραγωγής τροφίμων. [18] 3.5 Εναλλακτικά καύσιμα για τη βιώσιμη κινητικότητα στην Ευρώπη Για να αποφευχθεί η υπερβολική εξάρτηση των ευρωπαϊκών μεταφορών από το πετρέλαιο, επιβάλλεται επειγόντως η χρήση των εναλλακτικών καυσίμων. Το 94% του στόλου των μεταφορών στην Ευρώπη κινείται με ορυκτά καύσιμα, ενώ το 84% από αυτά εισάγονται. Η μείωση των εισαγωγών καυσίμων θα ενισχύσει την ανταγωνιστικότητα της Ευρωπαϊκής οικονομίας. Επίσης, το μεγαλύτερο ποσοστό καυσίμων που εισάγεται στην Ευρώπη, προέρχεται από χώρες με ασταθές πολιτικό περιβάλλον, γεγονός που καθιστά την Ευρωπαϊκή οικονομία περισσότερο ευάλωτη από τις πολιτικές εξελίξεις. Η έρευνα και η τεχνολογική ανάπτυξη έχουν οδηγήσει σε επιτυχείς λύσεις, προτείνοντας τα εναλλακτικά καύσιμα για όλα τα μέσα μεταφοράς. Ωστόσο, η ανάπτυξη της αγοράς και η προώθηση των νέων προϊόντων, απαιτεί επιπρόσθετα μέτρα πολιτικής. Η τελική οδηγία για την ανάπτυξη υποδομών εναλλακτικών καυσίμων (2014/94), όπως εγκρίθηκε από το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο, απαιτεί από τα κράτη μέλη να παρουσιάσουν εθνικά πλαίσια πολιτικής για την ανάπτυξη της αγοράς των εναλλακτικών καυσίμων και των υποδομών τους προβλέπει τη χρήση κοινών τεχνικών προδιαγραφών για την επαναφόρτιση και για τους σταθμούς ανεφοδιασμού των οχημάτων. ανοίγει το δρόμο για τη δημιουργία κατάλληλης πληροφόρησης των καταναλωτών σχετικά με τα εναλλακτικά καύσιμα, συμπεριλαμβανομένης μίας σαφούς και ορθής μεθοδολογίας για την σύγκριση των τιμών. [15] 22

34 3.6 Καθαρά και ενεργειακώς αποδοτικά οχήματα Τα καθαρά και ενεργειακώς αποδοτικά οχήματα, πρόκειται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο για την επίτευξη των στόχων της πολιτικής της ΕΕ για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, των εκπομπών CO 2 και των εκπομπών αέριων ρύπων. Η οδηγία της 23ης Απριλίου 2009 για την προώθηση καθαρών και ενεργειακώς αποδοτικών οχημάτων στις οδικές μεταφορές (2009/33/ΕΚ), στοχεύει σε μια ευρεία εισαγωγή φιλικών προς το περιβάλλον οχημάτων. Απευθύνεται σε αγορές οχημάτων για υπηρεσίες δημοσίων μεταφορών. Απαιτεί οι επιπτώσεις της ενέργειας και του περιβάλλοντος, που συνδέονται με τη λειτουργία των οχημάτων κατά τον κύκλο ζωή τους, να λαμβάνονται υπόψη σε όλες τις αγορές οχημάτων οδικών μεταφορών οι οποίες καλύπτονται από τις οδηγίες για τις δημόσιες συμβάσεις και τον Κανονισμό των δημοσίων υπηρεσιών. Παρόλο που οι επιπτώσεις αποτιμώνται χρηματικά για να συμπεριληφθούν στην απόφαση αγοράς, οι κοινοί κανόνες όπως ορίζει η οδηγία, πρέπει να ακολουθούνται για τον υπολογισμό του κόστους ζωής που συνδέονται με τη λειτουργία των οχημάτων. Τα καθαρά συστήματα μεταφορών, μπορεί να ικανοποιήσουν πλήρως τη ζήτηση ενέργειας στον τομέα των μεταφορών. Τα εναλλακτικά καύσιμα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα πρέπει να υποκαθιστούν σταδιακά τα ορυκτά καύσιμα με σκοπό την προώθησή τους στις μεταφορές. [16] [29] 3.7 Το υδρογόνο και οι κυψέλες καυσίμου για τις μεταφορές Το υδρογόνο είναι ένας φορέας ενέργειας με μεγάλες δυνατότητες για την καθαρή και αποδοτική ισχύ τόσο των στατικών και φορητών εφαρμογών, όσο και των μεταφορών. Θεωρείται ως ένα σημαντικό στοιχείο του μελλοντικού μείγματος καυσίμων των μεταφορών, ενισχύοντας την ενεργειακή ασφάλεια, τη μείωση της εξάρτησης από το πετρέλαιο, τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και της ρύπανσης του αέρα. Το υδρογόνο επιτρέπει μια ευρεία διαφοροποίηση των πηγών ενέργειας. Σε συνδυασμό με τις κυψέλες καυσίμου, το υδρογόνο μπορεί επίσης να βελτιώσει την ενεργειακή απόδοση των μεταφορών και να συμβάλλει σημαντικά στην άμβλυνση των κλιματικών αλλαγών - ειδικά όταν παράγεται από ανανεώσιμες πηγές πρωτογενούς ενέργειας. Η τεχνολογία υδρογόνου και κυψελών καυσίμου, διακρίνεται μεταξύ των νέων ενεργειακών τεχνολογιών που είναι απαραίτητες ώστε να επιτευχθεί η μείωση κατά 60% έως 80% των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου έως το Το δυναμικό των κυψελών καυσίμου και υδρογόνου για την ενίσχυση της ενεργειακής ασφάλειας και μετριασμού της κλιματικής αλλαγής αναγνωρίστηκε το Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκε μία πλατφόρμα όπου συγκέντρωσε τα βασικά στοιχεία που αφορούν την ανάπτυξη των κυψελών καυσίμου και υδρογόνου και αναπτύχθηκε από κοινού ένα 23

35 σχέδιο εφαρμογής, το οποίο δημοσιεύθηκε το Το σχέδιο απευθύνεται στα τεχνολογικά και μη εμπόδια της ανάπτυξης αυτών των επαναστατικών τεχνολογιών. Έτσι εντοπίστηκαν τα βασικά θέματα και προτεραιότητες που αφορούν την επιτάχυνση της εισαγωγής τους στις εφαρμογές των μεταφορών. Για το μέλλον, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή δεσμεύτηκε να κατευθύνει τη έρευνα για τη στήριξη των κυψελών καυσίμου και του υδρογόνου. Για την περίοδο , Ευρωπαϊκή Επιτροπή στήριξε το παραπάνω πρόγραμμα με το ποσό των [19] [28] 3.8 Ευρωπαϊκή πολιτική για τη μείωση του CO 2 Στο πλαίσιο των προγραμμάτων για την άμβλυνση της κλιματικής αλλαγής η Ευρωπαϊκή Ένωση ανέλαβε τη δέσμευση επίτευξης του στόχου για την μείωση των εκπομπών των αερίων θερμοκηπίου τουλάχιστον κατά 20% μέχρι το 2020 σε σύγκριση με τα επίπεδα του 1990, ανεξαρτήτως των μειώσεων που έχουν επιτύχει άλλες ανεπτυγμένες χώρες. Δεδομένου ότι οι οδικές μεταφορές είναι ένας από τους σημαντικότερους τομείς που συμβάλλουν στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, η Ευρωπαϊκή Ένωση δρομολόγησε μία σειρά ενεργειών για την μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) στα καινούργια επιβατικά και ελαφριά επαγγελματικά οχήματα. Το 1995 η Επιτροπή θέσπισε κοινοτική στρατηγική για τη μείωση των εκπομπών του CO 2 από τα αυτοκίνητα. Η στρατηγική βασιζόταν σε τρεις πυλώνες: i)εκούσιες δεσμεύσεις από την αυτοκινητοβιομηχανία για την περιστολή των εκπομπών, ii)βελτιώσεις στην ενημέρωση των καταναλωτών και iii)προώθηση αυτοκινήτων με υψηλή απόδοση καυσίμου μέσω φορολογικών μέτρων. Το 1998, η Ένωση Ευρωπαίων Κατασκευαστών Αυτοκινήτων (ACEA) ανέλαβε την δέσμευση να μειώσει το μέσο επίπεδο εκπομπών στα καινούργια αυτοκίνητα σε 140 gco 2 /km μέχρι το Το 1999, η Επιτροπή αναγνώρισε αυτή τη δέσμευση σχετικά με τη μείωση των εκπομπών CO 2 από επιβατικά οχήματα. Τον Φεβρουάριο του 2007, η Επιτροπή εξέδωσε ανακοίνωση όπου υπογραμμίζει την πρόοδο που έχει σημειωθεί στην πορεία επίτευξης του στόχου των 140 gco 2 /km μέχρι το 2008, καθώς και την είδηση ότι η Επιτροπή θα προτείνει νομοθετικό πλαίσιο με έμφαση στις υποχρεωτικές μειώσεις εκπομπών CO 2 ώστε να επιτευχθεί ο στόχος των 130 gco 2 /km κατά μέσον όρο για το στόλο καινούργιων αυτοκινήτων με βελτίωση της τεχνολογίας κινητήρων οχημάτων. 24

36 3.8.1 Κανονισμός (ΕΚ) αριθ. 443/2009 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου Στις 23 Απριλίου 2009, δημοσιεύτηκε ο Κανονισμός αριθ. 443/2009 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου, που καθορίζει στόχους επιδόσεων των εκπομπών CO 2 για τα καινούργια επιβατικά αυτοκίνητα όπου ορίζει την τιμή των μέσων εκπομπών του CO 2 στα 130 gco 2 /km, με τη σταδιακή εφαρμογή του ορίου από το 2012 έως το Για κάθε έτος κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, αυξάνεται το ποσοστό των αυτοκινήτων ενός κατασκευαστή που πρέπει να συμμορφώνεται με το όριο. Για να καθοριστούν τα ειδικά όρια εκπομπής CO 2 κάθε κατασκευαστή, λαμβάνονται υπόψη τα ποσοστά 65 % το 2012, 75 % το 2013, 80 % το 2014, 100 % από το 2015 και μετά για κάθε νέου επιβατικού αυτοκινήτου κάθε κατασκευαστή τα οποία ταξινομούνται το συναφές έτος. Εάν ο μέσος όρος των εκπομπών CO 2 από έναν αριθμό αυτοκινήτων ενός κατασκευαστή υπερβαίνει το όριο εκπομπών, τότε θα επιβάλλεται πρόστιμο. Για κάθε αυτοκίνητο, ο κατασκευαστής πρέπει να καταβάλλει 5 ευρώ για το πρώτο g/km που υπερβαίνει το όριο, 15 ευρώ για το δεύτερο, 25 ευρώ για το τρίτο και 95 ευρώ για κάθε g/km μετά από αυτό. Από το 2019, κάθε g/km που υπερβαίνει το όριο θα χρεώνεται με 95 ευρώ. Οι μικροί κατασκευαστές που ταξινομούν λιγότερα από αυτοκίνητα στην ΕΕ ετησίως εξαιρούνται από την παρούσα νομοθετική πράξη, ενώ οι κατασκευαστές που Σχήμα 3-4. Οι στόχοι των επιδόσεων των εκπομπών CO 2 της Ε. Ε. για τα επιβατικά οχήματα έως το Κανονισμός (ΕΚ) αριθ. 443/2009 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου (πηγή: ΕΕΑ Report/No 7/2014) [11] 25

37 ταξινομούν από έως αυτοκίνητα ετησίως μπορούν να προτείνουν τους δικούς τους στόχους μείωσης των εκπομπών. Ένα σύστημα μορίων και υπερμορίων εκπομπών επιβραβεύει τη φιλική προς το περιβάλλον καινοτομία που εφαρμόζεται από κατασκευαστές αυτοκινήτων. Τα υπερμόρια είναι κίνητρα που δίνονται σε κατασκευαστές για να ταξινομούν αυτοκίνητα χαμηλών εκπομπών. Στο πλαίσιο αυτού του συστήματος, τα αυτοκίνητα που παράγουν 50 gco 2 /km ή λιγότερο υπολογίζονται ως 1,5 αυτοκίνητο έως το Αυτό, με τη σειρά του, προσφέρει στους κατασκευαστές ευελιξία όσον αφορά και την παραγωγή αυτοκινήτων με υψηλή απόδοση καυσίμου. Από το 2020, ο κανονισμός 443/2009 θέτει ως στόχο για το νέο στόλο οχημάτων μέσο όρο εκπομπών 95 gco 2 /km. Ο στόχος αυτός θα επιτευχθεί πλήρως μέχρι το (σχήμα 3-4). [20] Κανονισμός (ΕΕ) αριθ. 510/2011 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου Ο Κανονισμός (ΕΕ) αριθ. 510/2011 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου, της 11ης Μαΐου 2011, καθορίζει τα πρότυπα επιδόσεων για τις εκπομπές CO 2 από τα καινούργια ελαφριά επαγγελματικά οχήματα στο πλαίσιο της ολοκληρωμένης προσέγγισης της Ένωσης για τη μείωση των εκπομπών CO 2 από τα καινούργια ελαφριά επαγγελματικά οχήματα της Σχήμα 3-5. Οι στόχοι των επιδόσεων των εκπομπών CO 2 της Ε. Ε. για τα ελαφριά φορτηγά οχήματα έως το Κανονισμός (ΕΕ) αριθ. 510/2011 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου (πηγή: ΕΕΑ Report/No 7/2014) [11] 26

38 κατηγορίας N1, δηλαδή τα οχήματα που έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί για τη μεταφορά εμπορευμάτων (βαν), με καθαρό βάρος που δεν υπερβαίνει τα 2610 kg και με μέγιστο μικτό βάρος kg. Το μέσο επίπεδο των εκπομπών CO 2 από τα οχήματα αυτά δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 175 gco 2 /km από το Η απαίτηση αυτή εισάγεται ήδη από το 2014 και για κάθε έτος της περιόδου έως το 2017 και το ποσοστό των αυτοκινήτων κάθε κατασκευαστή που πρέπει να συμμορφώνεται με το όριο αυξάνεται ως εξής: 70% των οχημάτων το 2014, 75% των οχημάτων το 2015, 80% των οχημάτων το 2016, 100% των οχημάτων από το 2017 και μετά. Από το 2020, το ανώτατο όριο ορίζεται στα 147 gco 2 /km (σχήμα 3-5). Επίσης, ο κανονισμός παρέχει στους κατασκευαστές πρόσθετα κίνητρα για την παραγωγή οχημάτων με χαμηλά ποσοστά εκπομπών λιγότερο από 50 gco 2 /km. Κάθε όχημα χαμηλής εκπομπής θα μετρά έως 3,5 οχήματα το 2014 και το 2015, έως 2,5 οχήματα το 2016 και έως 1,5 οχήματα το Η προσέγγιση αυτή θα βοηθήσει τους κατασκευαστές να μειώσουν περαιτέρω τις μέσες εκπομπές από τα νέα οχήματα. [21] Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Δοκιμών Για όλους τους τύπους των οχημάτων που διαθέτουν Ευρωπαϊκή πιστοποίηση προτύπου εκπομπών οι μετρήσεις κατανάλωσης και εκπομπών πραγματοποιούνται σύμφωνα με το Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Δοκιμών (New European Driving Cycle NEDC). Ο κύκλος δοκιμών είναι μεικτός και αποτελείται από δύο μέρη: α) δοκιμή εντός πόλης και β) δοκιμή σε αυτοκινητόδρομο εκτός πόλης. Στο σχήμα 3-6 παρουσιάζεται το διάγραμμα δοκιμών του NEDC, όπου στο πρώτο μέρος Σχήμα 3-6. Ο Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Δοκιμών (New European Driving Cycle NEDC.) (πηγή:energy Efficiency Comparison between Hydraulic Hybrid and Hybrid Electric Vehicles, Energies 2015, 8(6), ; doi: /en by Jia-Shiun Chen) [22] 27

39 φαίνεται η δοκιμή εντός πόλης να αποτελείται από τέσσερις κύκλους των 195 δευτερολέπτων διανύοντας απόσταση περίπου τεσσάρων χιλιομέτρων με μέγιστη ταχύτητα τα 50km/h. Οι τέσσερις κύκλοι ολοκληρώνονται σε συνολικό χρόνο 780 δευτερόλεπτων. Επίσης, ο νέος κύκλος δοκιμών περιλαμβάνει κρύα εκκίνηση, συγκεκριμένες αλλαγές σχέσεων ταχύτητας και συγκεκριμένες θέσης εκκίνησης. Στο δεύτερο μέρος, η δοκιμή σε αυτοκινητόδρομο υψηλής ταχύτητας εκτός πόλης, ολοκληρώνεται σε 400 δευτερόλεπτα διανύοντας 7km με μέγιστη ταχύτητα τα 120 km/h. [22] Ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών Euro5 και Euro6 Τα πρότυπα εκπομπών είναι νομικές απαιτήσεις που αφορούν τους ατμοσφαιρικούς ρύπους που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα και καθορίζουν τα ποσοτικά όρια που επιτρέπονται να απελευθερωθούν από συγκεκριμένες πηγές εκπομπών. Στόχος τους είναι η προστασία της ανθρώπινης υγείας, μέσω της ποιότητας του αέρα που καθορίζεται από του ρύπους. Τα ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών ρύπων καθορίζουν τα αποδεκτά όρια των εκπομπών των καυσαερίων για τα καινούρια οχήματα που πωλούνται στην ΕΕ τα κράτη μέλη. Τα επίπεδα εκπομπών που ελέγχονται είναι: οι εκπομπές των οξειδίων του αζώτου (NOx), οι συνολικοί υδρογονάνθρακες (THC), οι υδρογονάνθρακες εκτός μεθανίου (NMHC), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και τα αιωρούμενα σωματίδια (PM). Για την κάθε κατηγορία εκπομπών ρύπων και για τους διάφορους τύπους οχημάτων υπάρχουν οριακές τιμές εκπομπών. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει ως στόχο τη θέσπιση αυστηρότερων ορίων όσον αφορά τις εκπομπές ρύπων, τα οποία εφαρμόζονται στα ελαφρά οδικά οχήματα, κυρίως όσον αφορά τις εκπομπές σωματιδίων και οξειδίων του αζώτου. Με τον Κανονισμό αριθ. 715/2007 του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβουλίου της 20ής Ιουνίου 2007, εισήγαγε τα πρότυπα Euro 5 και Euro 6 με εφαρμογή από την1 Ιανουαρίου του 2011 και την 1 η Σεπτεμβρίου του 2015 αντίστοιχα, όσον αφορά την ταξινόμηση και την πώληση νέων οχημάτων. Οι παραπάνω κανονισμοί αφορούν τα οχήματα των οποίων η μάζα αναφοράς δεν υπερβαίνει τα kg, δηλαδή τα επιβατηγά οχήματα, τα μικρά φορτηγά και τα εμπορικά οχήματα που προορίζονται για τη μεταφορά επιβατών ή εμπορευμάτων ή για ορισμένες ειδικές χρήσεις (για παράδειγμα, ασθενοφόρο), με την προϋπόθεση ότι τα οχήματα αυτά είναι εξοπλισμένα με κινητήρες επιβαλλόμενης ανάφλεξης (βενζινοκινητήρες, κινητήρες με φυσικό αέριο ή υγραέριο - LPG) ή με κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση (κινητήρες Diesel). Για τις εκπομπές των οχημάτων Diesel, το πρότυπο Euro 5 καθορίζει τις οριακές τιμές για το μονοξείδιο του άνθρακα (CO): 500 mg/km, για τα αιωρούμενα σωματίδια (PM): 5mg/km (80% μείωση σε σχέση με το πρότυπο Euro 4), για τα οξείδια του αζώτου (NOx): 180 mg/km 28

40 (20% μείωση σε σχέση με το πρότυπο Euro 4), συνδυασμένες εκπομπές υδρογονανθράκων και οξειδίου του αζώτου (THC+NOx):230 mg/km. Για τις εκπομπές προερχόμενες από βενζινοκίνητα οχήματα ή οχήματα που λειτουργούν με φυσικό αέριο (LNG) ή υγραέριο (LPG), ορίζονται οι οριακές τιμές: στο μονοξείδιο του άνθρακα (CO) mg/km, στους υδρογονάνθρακες πλην του μεθανίου (NMHC) 68 mg/km, στους συνολικούς υδρογονάνθρακες (THC): 100mg/km, στα οξείδια του αζώτου (NOx): 60 mg/km (25% μείωση των εκπομπών σε σχέση με το πρότυπο Euro 4). Για τα βενζινοκίνητα οχήματα με απευθείας έγχυση, που λειτουργούν με καύση πτωχού μείγματος θεσπίστηκε για πρώτη φορά η οριακή τιμή στα αιωρούμενα σωματίδια 5 mg/km. [23] Για όλα τα οχήματα με κινητήρα Diesel, το πρότυπο Euro 6 θέτει την υποχρέωση σημαντικής μείωσης των εκπομπών οξειδίων του αζώτου (NOx) από 180 σε 80 mg/km σε σχέση με το πρότυπο Euro 5. Επίσης, στις συνδυασμένες εκπομπές υδρογονανθράκων και οξειδίων του αζώτου μειώνονται από 230 σε 170 mg/km όσον αφορά τα επιβατηγά αυτοκίνητα και άλλα οχήματα που προορίζονται για μεταφορά (πίνακας 3-4). Στο σχήμα 3-7 φαίνεται η χρονική εξέλιξη των Ευρωπαϊκών προτύπων επιδόσεων εκπομπών με τις αλλαγές μείωσης των ορίων τους, από το 1992 που θεσπίστηκε έως το Η θέσπιση του Euro 1, καθιέρωσε την υποχρεωτική εφαρμογή της αντιρρυπαντικής τεχνολογίας, με τη χρήση καταλυτικού μετατροπέα, θέτοντας όρια μόνο τα PM και τις συνδυασμένες εκπομπές οξειδίου του αζώτου και υδρογονανθράκων (NOx +HC). Σχήμα 3-7. Η σταδιακή μείωση των εκπομπών από το Euro 1 έως το Euro 6 (πηγή: 29

41 Το Euro 2 θεσπίστηκε το 1996 και προέβλεπε την μείωση των ρύπων κατά 40%-50% καθώς και διαφορετικά όρια για τα βενζινοκίνητα και πετρελαιοκίνητα οχήματα. Το Euro 3 τέθηκε σε ισχύ το 2000 ενώ το Euro 4 το 2005 θέτοντας σημαντικά αυστηρότερα όρια για τους πετρελαιοκινητήρες ως προς τις εκπομπές του CO και των NOx. Για την μείωση των PM προέβλεπε την υποχρεωτική τοποθέτηση ειδικών φίλτρων (DPF), αυξάνοντας σημαντικά το κόστος των πετρελαιοκίνητων οχημάτων. Από την μέτρηση των PM εξαιρούνται μεν τα βενζινοκίνητα όχι όμως αυτά που διαθέτουν σύστημα άμεσου ψεκασμού. Πίνακας 3-4. Τα όρια εκπομπών των επιβατικών οχημάτων σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο (πηγή: EUROPEAN VEHICLE MARKET STATISTICS Pocketbook 2014 ICCT) [25] 30

42 4 ο Κεφάλαιο Ανάπτυξη τεχνολογίας στα οχήματα για τον περιορισμό των ρύπων Εισαγωγή Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρθηκαν οι ρύποι που συναντώνται στην ατμόσφαιρα προερχόμενοι από ανθρώπινες δραστηριότητες, κυρίως από τις βιομηχανίες παραγωγής ενέργειας και τις μεταφορές. Ως επί το πλείστον, στα μεταφορικά οχήματα συναντώνται οι θερμικοί κινητήρες εσωτερικής καύσης στους μηχανισμούς πρόωσης. Οι κινητήρες αυτοί έχουν το μειονέκτημα του χαμηλού βαθμού απόδοσης εξαιτίας της πολύ μεγάλης ποσότητας θερμών καυσαερίων που εκπέμπουν. Στα παραγόμενα καυσαέρια των κινητήρων εσωτερικής καύσης, εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα εμπεριέχονται και αέριες ρυπογόνες ουσίες οι περισσότεροι εκ των οποίων συγκαταλέγονται στους επικίνδυνους ρυπαντές, όπως τα οξείδια του αζώτου (NOx), το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC). Στη συνέχεια περιγράφονται οι μηχανισμοί δημιουργίας στους κινητήρες εσωτερικής καύσης δίνοντας έμφαση στις συνθήκες που ευνοούν την παραγωγή τους καθώς και στις συνέπειες που επιφέρουν στον ανθρώπινο οργανισμό. 4.1 Ρύποι κινητήρων εσωτερικής καύσης Οι ρύποι που παράγονται από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι: Άκαυστοι υδρογονάνθρακες (HC): προέρχονται από την ατελή καύση του καυσίμου ή διαφεύγουν από την ελαιολεκάνη (κάρτερ) του κινητήρα. Πρόκειται για υδρογονάνθρακες οι οποίοι είναι σε θέση να ενωθούν µε το οξυγόνο και με την παρουσία της υπεριώδους ακτινοβολίας σχηματίζουν την φωτοχημική αιθαλομίχλη. Οξείδια του αζώτου (NOx): πρόκειται για έναν από τους βασικούς συντελεστές της δημιουργίας του φωτοχημικού νέφους. Τα οξείδια του αζώτου κάτω από την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας συμμετέχουν σε ορισμένες χημικές αντιδράσεις που έχουν σαν αποτέλεσμα τη μετατροπή των άκαυστων υδρογονανθράκων στα λεγόμενα φωτοχημικά οξειδωτικά, και την παραγωγή όζοντος που επίσης είναι τοξικό για το αναπνευστικό σύστημα. 31

43 Μονοξείδιο του άνθρακα (CO): προέρχεται κυρίως από τους βενζινοκινητήρες, λόγω της ατελούς καύσης των υδρογονανθράκων. Όταν αυξηθεί η συγκέντρωσή του στην ατμόσφαιρα, προκαλεί πονοκεφάλους, προβλήματα στο κυκλοφορικό σύστημα ακόμη και θάνατο. Ωστόσο, το CO έχει µόνο τοπική επίδραση επειδή είναι ασταθής ένωση και όταν βρεθεί στον ελεύθερο αέρα μετατρέπεται αρκετά γρήγορα σε αβλαβές διοξείδιο του άνθρακα. Καπνός: προέρχεται κυρίως από τους πετρελαιοκινητήρες (Diesel). Λόγω της ορατής διακριτικής χροιάς των καυσαερίων που προέρχονται από τους πετρελαιοκινητήρες, γίνεται η διάκριση ανάλογα µε την απόχρωσή του στις εξής τρεις κατηγορίες: i. Λευκός Καπνός: αποτελείται από άκαυστα υγρά σωματίδια καυσίμου και εμφανίζεται κατά την εκκίνηση του κινητήρα. ii. Κυανός Καπνός: αποτελείται από άκαυστα υγρά σωματίδια λιπαντικού ελαίου, και εμφανίζεται όταν υπάρχει πρόβλημα µε την λίπανση, π.χ. φθαρμένα ή κολλημένα ελατήρια εμβόλου. iii. Μελανός Καπνός ή Καπνός «Τύπου Αιθάλης»: αποτελείται από λεπτά σωματίδια στερεού άκαυστου άνθρακα (C), δηλαδή την αιθάλη, που δημιουργείται κατά την αύξηση του φορτίου του κινητήρα από την πυρόλυση του καυσίμου τοπικά σε ζώνες µε σχετική ανεπάρκεια οξυγόνου. Από τις παραπάνω αέριες ρυπογόνες ουσίες που παράγονται από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης οι κυριότερες είναι τα NOx, CO και HC, όπου εμφανίζονται και στις δύο κατηγορίες κινητήρων, πετρελαιομηχανές και βενζινομηχανές. Παρουσιάζουν όμως σημαντικές διαφορές στις συγκεντρώσεις των καυσαερίων τους. Το CO σχηματίζεται όταν το διαθέσιμο οξυγόνο δεν επαρκεί για την στοιχειοµετρική καύση του μείγματος αέρα-καυσίμου στον κινητήρα. Ο λόγος της περίσσειας αέρα (λ) είναι καθοριστικός παράγοντας στην εξέλιξη της καύσης. Οι βενζινομηχανές αναγκάζονται κατά την απότομη αύξηση του φορτίου τους να λειτουργήσουν με πλούσιο μείγμα αέρα-καυσίμου (λ<1), με αποτέλεσμα τα ποσοστά του CO να αυξημένα. Αντίθετα το ποσοστό του CO εμφανίζεται χαμηλότερο στις πετρελαιομηχανές επειδή λειτουργούν με περίσσεια αέρα (λ>1) ακόμη και κατά το πλήρες φορτίο τους. Tα οξείδια του αζώτου ΝΟx που σχηματίζονται στο θάλαμο καύσης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης, είναι το μονοξείδιο του αζώτου NO και διοξείδιο του αζώτου ΝΟ 2. Απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία των NOx είναι η υψηλή θερμοκρασία και η ύπαρξη απαραίτητης ποσότητας οξυγόνου. Η ποσότητα των ΝΟx που εμπεριέχονται στα καυσαέρια των πετρελαιομηχανών, δεν διαφέρει ουσιαστικά µε την ποσότητα των NOx των καυσαερίων των βενζινομηχανών. Οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες HC προέρχονται κατά βάση από την ατελή καύση του καυσίμου. Η κυριότερη αιτία που συντελεί στο σχηματισμό τους προέρχονται από το σβήσιμο της φλόγας καθώς έρχεται σε επαφή με τα ψυχρά τοιχώματα του κυλίνδρου. Αυτό έχει ως 32

44 συνέπεια το υπόλοιπο ποσό του μείγματος να παραμείνει άκαυστο και να εξέλθει κατά τη φάση της εξαγωγής στην ατμόσφαιρα. Επίσης, η αδυναμία της φλόγας να διεισδύσει σε περιοχές οι οποίες είναι ιδιαίτερα στενές, όπως τα διάκενα των ελατηρίων, γύρω από το κεντρικό ηλεκτρόδιο του σπινθηριστή και ο χώρος που παραμένει μεταξύ των βαλβίδων και των εδρών τους, έχει ως αποτέλεσμα μία ποσότητα μείγματος να παραμείνει άκαυστη. [30] Στον σχηματισμό των σωματιδίων αιθάλης (particulate matter, PM), συμμετέχουν κατά βάση τα σωματίδια αιθάλης που προέρχονται από την καύση του πετρελαίου, όπου έχουν προσροφηθεί και άλλες οργανικές ουσίες από το καύσιμο ή και το λιπαντικό, όπως τρίματα από τη φθορά των μεταλλικών μερών του κινητήρα. Το ποσοστό των σωματιδίων που εκπέμπονται από τους πετρελαιοκινητήρες είναι περίπου 40-50% περισσότερο από τους βενζινοκινητήρες. Τα παραγόμενα σωματίδια έχουν ένα εύρος μεγέθους από 20nm έως 10μm γεγονός που τα καθιστά εισπνεύσιμα. Η αιθάλη δημιουργείται από άκαυστο καύσιμο το οποίο σχηματίζει σωματίδια από την αέρια φάση στη στερεά σε περιοχές πλούσιες σε καύσιμο και µε υψηλές θερμοκρασίες. Οι υδρογονάνθρακες ή άλλα διαθέσιμα µόρια συμπυκνώνονται ή απορροφώνται από την αιθάλη, ανάλογα µε τις περιβάλλουσες συνθήκες. 4.2 Τεχνική Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (LCA) Η ενέργεια η οποία καταναλώνεται συνολικά στις μεταφορές, προκαλεί ανάλογες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, χωρίς όμως να καταναλώνεται εξ ολοκλήρου κατά τη φάση της τελικής χρήσης. Ένα σημαντικό ποσοστό της ενέργειας καταναλώθηκε σε διεργασίες που πραγματοποιήθηκαν πριν διατεθούν στις μεταφορές, για παράδειγμα κατά την παραγωγή και μεταφορά του καυσίμου (εικόνα 4-1). Επομένως, κατά την αξιολόγηση μέτρων, πρακτικών και τεχνολογιών περιορισμού των εκπομπών CO 2 από τα οχήματα, θεωρητικά θα πρέπει να εξετάζονται όλοι οι παράγοντες οι οποίοι συνεισφέρουν στις εκπομπές και όχι μόνο η λειτουργία των οχημάτων. Αυτό επιτυγχάνεται, στο βαθμό που είναι εφικτό λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήματος, μέσω τεχνικών Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (Life Cycle Asessment- LCA). Στο πλαίσιο της Ευρωπαϊκής πολιτικής για τον περιορισμό των εκπομπών CO 2 από τα επιβατηγά οχήματα και τα ελαφριά επαγγελματικά φορτηγά, αξιολογήθηκαν και κατηγοριοποιήθηκαν τα τεχνολογικά μέτρα που επιδρούν στην μείωση των αερίων του θερμοκηπίου, σύμφωνα με την προσέγγιση από την «πηγή στον τροχό» (Well -To-Wheel, WTW). Κατά την προσέγγιση αυτή, διευκολύνεται ο διαχωρισμός των υφιστάμενων μέτρων, ιδιαίτερα στην αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των τεχνολογικών μέτρων περιορισμού των εκπομπών CO 2 και της ενεργειακής αποδοτικότητας των οχημάτων, σε επίπεδο καυσίμου, οχήματος και τελικής χρήσης. 33

45 Εικόνα 4-1. Η κατανάλωση ενέργειας από την παραγωγή, χρήση και διάθεση των ορυκτών καυσίμων που υπολογίζονται στην ανάλυση κύκλου ζωής, σύμφωνα με την προσέγγιση WTW (πηγή: FULL FUEL CYCLE ASSESSMENT: WELL-TO-WHEELS ENERGY INPUTS, EMISSIONS, AND WATER IMPACTS, Prepared by: TIAX LLC June 2007) [32] Κατά τη χρήση των οχημάτων, διακρίνονται τρεις ενεργειακοί μετασχηματισμοί με τις αντίστοιχες ενεργειακές απώλειες: 1. παραγωγή και μεταφορά του καυσίμου στο όχημα 2. καύση του καυσίμου για την παραγωγή μηχανικού έργου 3. μετατροπή του μηχανικού έργου σε κινητική ενέργεια Κατά την προσέγγιση από την «πηγή στον τροχό» (WTW), οι παραπάνω μετασχηματισμοί διαχωρίζονται σε δύο στάδια ανάλυσης: 1. από την «πηγή στη δεξαμενή καυσίμου» (Well-To-Tank, WTT) το οποίο περιλαμβάνει τον πρώτο μετασχηματισμό 2. από τη «δεξαμενή καυσίμου στον τροχό» (Tank-To-Wheel, TTW) το οποίο περιλαμβάνει τους δυο τελευταίους μετασχηματισμούς Το πρώτο στάδιο ανάλυσης (WTT) συμπεριλαμβάνει τις ενεργειακές δαπάνες καθώς και τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου που σχετίζονται κατά τη διαδικασία της παραγωγής έως την τελική διάθεση των καυσίμων στους καταναλωτές. Το δεύτερο στάδιο ανάλυσης, (TTW) σχετίζεται με την ενέργεια του καυσίμου που καταναλίσκεται στο όχημα καθώς και των παραγόμενων εκπομπών CO 2. [31] Τεχνολογικές επιλογές στο στάδιο WTT (Well-To-Tank) Οι τεχνολογικές επιλογές κατά το στάδιο από την «πηγή στη δεξαμενή καυσίμου» σχετίζονται με τη χρήση εναλλακτικών καυσίμων στις μεταφορές, κυρίως για τον περιορισμό των παραγόμενων εκπομπών. Η χρήση των αερίων καυσίμων, φυσικό αέριο (ΝG) και υγραέριο (LPG) και τα βιοκαύσιμα αξιολογήθηκαν από την Ε.Ε. ως τα εναλλακτικά καύσιμα που μπορούν να συμβάλλουν στον περιορισμό των εκπομπών του θερμοκηπίου. 34

46 4.2.2 Τεχνολογικές επιλογές σε στάδιο TTW (Tank-To-Wheel ) Το στάδιο από τη «δεξαμενή καυσίμου στους τροχούς» περιλαμβάνει κάθε τεχνολογία που εφαρμόζεται στα οχήματα με σκοπό την μείωση της κατανάλωσης καυσίμου με συνεπαγόμενη τη μείωση εκπομπών. Οι τεχνολογίες που εφαρμόζονται σήμερα, επικεντρώνονται στην αύξηση της απόδοσης του κινητήρα, στην μείωση των αεροδυναμικών αντιστάσεων που εμφανίζονται κατά την κίνηση του οχήματος και στις μηχανικές τριβές των κινούμενων μερών του κινητήρα. [31] 4.3 Ανάπτυξη τεχνολογιών περιορισμού των εκπομπών CO 2 Οι τεχνολογίες αύξησης της απόδοσης των κινητήρων έχουν ως αποτέλεσμα την μείωση της κατανάλωσης καυσίμου με συνεπαγόμενη την μείωση των εκπομπών ρύπων και διοξειδίου του άνθρακα. Στη συνέχεια περιγράφονται οι τεχνολογίες που αποτέλεσαν ορόσημο στην προσπάθεια για την αύξηση του βαθμού απόδοσης των κινητήρων εσωτερικής καύσης και υιοθετήθηκαν από όλες σχεδόν τις αυτοκινητοβιομηχανίες Άμεσος ψεκασμός βενζίνης (Gasoline Direct Injection - GDI) Η τεχνολογία του άμεσου ψεκασμού, υιοθετήθηκε στους κινητήρες FSI μετά το Στους κινητήρες άμεσου ψεκασμού, οι εγχυτήρες είναι τοποθετημένοι στο εσωτερικό του κυλίνδρου και όχι στην πολλαπλή εισαγωγή, ώστε η εισαγωγή του καυσίμου να γίνεται απευθείας στον κύλινδρο (εικόνα 4-2). Η μικρότερη κατανάλωση καυσίμου, άρα και η παραγωγή χαμηλότερων εκπομπών CO 2, επιτυγχάνεται με τη χρήση πολύ φτωχού μίγματος αέρα βενζίνης. Το πολύ φτωχό μίγμα, με λόγο αέρα-βενζίνης έως 40:1, δεν είναι αναφλέξιμο σε όλο το εύρος των στροφών του κινητήρα. Για να αντιμετωπιστεί το ζήτημα της μη αναφλεξιμότητας του φτωχού μίγματος σε Εικόνα 4-2. Σύστημα άμεσου ψεκασμού, ομογενοποιημένη και στρωματοποιημένη λειτουργία (πηγή: 35

47 όλο το εύρος των στροφών του κινητήρα, πραγματοποιείται η διαστρωμάτωση του μίγματος, όπου το μίγμα κατευθύνεται μέσα στον κύλινδρο ώστε να προκύπτει αναφλέξιμο μίγμα κοντά στο μπουζί. Στους κινητήρες αυτούς, ο ψεκασμός πραγματοποιείται σε δύο φάσεις, κατά την εισαγωγή και κατά την συμπίεση του αέρα. Αυτό παρέχει τη δυνατότητα αυξημένης συμπίεσης του κινητήρα που μπορεί να φθάσει έως και 12:1. Επίσης, η εξάτμιση της βενζίνης κατά τη φάση της συμπίεσης, δημιουργεί μια ψύξη στον χώρο καύσης, αποτρέποντας το φαινόμενο της αυτανάφλεξης. Λόγω των φτωχών μιγμάτων που δύναται να λειτουργήσουν οι βενζινοκινητήρες άμεσου ψεκασμού, οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) είναι αυξημένες. Επίσης, οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού παρουσιάζουν υψηλότερες εκπομπές σωματιδίων, λόγω της υψηλής πίεσης και της στρωματοποιημένης λειτουργίας, γεγονός που οδήγησε στην υιοθέτηση ειδικής προδιαγραφής στο πλαίσιο των πρότυπων εκπομπών Euro 5 και 6. Με την εφαρμογή του άμεσου ψεκασμού στους βενζινοκινητήρες, επιτυγχάνεται μείωση στην ειδική κατανάλωση καυσίμου έως 35%, με ταυτόχρονη αύξηση της ροπής και ισχύος έως και 10% Σύστημα κοινού αυλού (common rail) Το σύστημα κοινού αυλού (common rail) έδωσε νέα ώθηση στην προσπάθεια βελτίωσης της απόδοσης και περιορισμού των ρύπων στους πετρελαιοκινητήρες. Η έγχυση του πετρελαίου, πριν την εμφάνιση της τεχνολογίας common-rail, γινόταν μέσω της μηχανικής αντλίας υψηλής πίεσης, με σύζευξη οδοντωτών τροχών από τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα. Επίσης, οι εγχυτήρες των κυλίνδρων ήταν μηχανικά ελεγχόμενοι και ανεξάρτητοι μεταξύ τους και η τελική πίεση καθοριζόταν από την περιστροφική ταχύτητα του κινητήρα. Συνεπώς, στις υψηλές στροφές του κινητήρα η αντλία απέδιδε τη μεγαλύτερη δυνατή πίεση, ενώ στις χαμηλές στροφές εμφανιζόταν προβλήματα διασκορπισμού του καυσίμου που οδηγούσαν σε ατελή καύση λόγω της χαμηλότερης πίεσης. Εικόνα 4-3. Σύστημα κοινού αυλού common rail της Bosch (πηγή: Εικόνα 4-4. Εγχυτήρας του συστήματος common rail (πηγή: 36

48 Τα προβλήματα ξεπεράστηκαν με την εφαρμογή του συστήματος common rail (εικόνα 4-3), όπου το καύσιμο αποθηκεύεται, ανεξάρτητα από την περιστροφική ταχύτητα του κινητήρα, σε έναν κοινό αυλό υπό σταθερή πίεση ( bar) και στη συνέχεια τροφοδοτούνται οι εγχυτήρες (εικόνα 4-4). Το πλεονέκτημα του συστήματος common rail, είναι ο ακριβής έλεγχος της ποσότητας του εισαγόμενου καυσίμου στον κύλινδρο και ο καλός διασκορπισμός του καυσίμου τόσο στις υψηλές όσο και στις χαμηλές στροφές του κινητήρα αποτρέποντας τη δημιουργία άκαυστων σωματιδίων. Η έγχυση πραγματοποιείται σταδιακά με την κύρια έγχυση και με μία ή δύο πιλοτικές εγχύσεις ώστε μέσω της εξάτμισης του καυσίμου να περιοριστούν ελαφρώς τα NOx και να μειωθεί ο θόρυβος λειτουργίας. Οι πολλαπλές εγχύσεις που παρέχει το σύστημα, συμβάλλει στον ακριβέστερο έλεγχο της ποσότητας του καυσίμου με αποτέλεσμα την αποδοτικότερη λειτουργία του κινητήρα έως και 20%. Δυστυχώς, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που επικρατούν στον θάλαμο καύσης ευνοείται η δημιουργία των οξειδίου του αζώτου, και απαιτείται σύστημα αντιρρυπαντικής τεχνολογίας Συστήματα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων (Variable Valve Timing - VVT) Ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων σε συνδυασμό με το μεταβλητό βύθισμα των βαλβίδων (Variable Valve Lift), συμβάλει στην μείωση της κατανάλωσης του καυσίμου και κατά συνέπεια των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στους βενζινοκινητήρες. Στις χαμηλές στροφές, υπάρχει ο απαιτούμενος χρόνος για να εισέλθει το μίγμα καυσίμου στον κύλινδρο μέσω της βαλβίδας εισαγωγής. Αντίθετα, στις υψηλές στροφές ο χρόνος δε επαρκεί για την πλήρωση του κυλίνδρου με αποτέλεσμα να μειώνεται ο ογκομετρικός βαθμός απόδοσης του κυλίνδρου. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος, οι βαλβίδες εισαγωγής ανοίγουν νωρίτερα από την χρονική στιγμή που καθορίζουν οι εκκεντροφόροι των βαλβίδων. Επίσης, για την καλύτερη διευκόλυνση της εισόδου του μίγματος, τα συστήματα βύθισης των Εικόνα 4-5. Σύστημα Vanos με βύθισμα βαλβίδων (Porsche) Εικόνα 4-6. Σύστημα βύθισης Valvetronic της BMW 37 Εικόνα 4-7. Σύστημα Valvelift της Audi

49 βαλβίδων ωθούν τις βαλβίδες περισσότερο ώστε να μειωθεί η αντίσταση του μίγματος καθώς εισέρχεται στον κύλινδρο. Τα σύγχρονα συστήματα μεταβλητού χρονισμού παρεμβαίνουν κατά την χρονική στιγμή του ανοίγματος καθώς και του κλεισίματος των βαλβίδων, επιτυγχάνοντας μεγαλύτερη ισχύ και ροπή σε όλο το φάσμα των στροφών του κινητήρα. Η Honda το 1983, χρησιμοποίησε το πρώτο σύστημα μεταβλητού χρονισμού VTEC (Variable Timing Electronic Control) στο μοντέλο της Civic. Παρόλο που το σύστημα μεταβλητού χρονισμού είχε εφαρμογή σε δύο περιοχές στροφών, απέδιδε μεγαλύτερη ροπή και ισχύ. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν συστήματα όπως το VarioCam της Porsche, το Valvetronic της BMW, το Valvelift της Audi, το VVT-Li της TOYOTA (εικόνες 4-5,6,7). Τα σύγχρονα συστήματα μεταβλητού χρονισμού των βαλβίδων, προσφέρουν συνεχώς μεταβαλλόμενη βύθιση των βαλβίδων (Continuous Variable Valve Lift - CVVL) σε όλο το φάσμα των στροφών του κινητήρα παρέχοντας ικανοποιητική αύξηση της ισχύος και μείωση της κατανάλωσης. Το σύστημα Valvematic της Toyota προσφέρει αύξηση της ισχύος έως 10%, μείωση της κατανάλωσης 10% Κινητήρες μεταβλητής σχέσης συμπίεσης Η σχέση συμπίεσης του κινητήρα είναι ένας καθοριστικός παράγοντας για την αύξηση της απόδοσης του κινητήρα. Η αύξηση της σχέσης συμπίεσης επιφέρει άμεσα την αύξηση της απόδοσης του κινητήρα, περιορίζοντας την κατανάλωση καυσίμου και κατ επέκταση τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Η αύξηση της σχέσης συμπίεσης περιορίζεται από τον κίνδυνο της κρουστικής καύσης (πειράκια), μία μορφή αυτανάφλεξης η οποία μπορεί να προκαλέσει βλάβες στον κινητήρα. Οι συμβατικοί βενζινοκινητήρες έχουν σχέση συμπίεσης περίπου 10:1. Τα εξελιγμένα συστήματα άμεσου ψεκασμού, επιτρέπουν στους σύγχρονους βενζινοκινητήρες σχέση συμπίεσης έως και 12:1. Σχήμα 4-1. Η βέλτιστη σχέση συμπίεσης ανάλογα με την ταχύτητα και την αύξηση φορτίου (πηγή: 38

50 Η υψηλότερη σχέση συμπίεσης κυρίως χρησιμοποιείται όταν το όχημα κινείται εντός πόλης (σχήμα 4-1). Το σύστημα αλλάζει αυτόματα σε χαμηλή σχέση συμπίεσης, όταν ο κινητήρας επιδιώκει αύξηση του φορτίου του όπως κατά την επιτάχυνση ή στην περίπτωση που το όχημα κινείται σε ανωφέρεια. Το σύστημα μεταβλητής συμπίεσης, έχει ιδιαίτερη σημασία στους υπετροφοδοτούμενους κινητήρες με φυγοκεντρικό συμπιεστή (turbo), όπου το μίγμα αέρα-καυσίμου συμπιέζεται κατά την φάση της εισαγωγής, λαμβάνοντας κίνηση από τα εξερχόμενα καυσαέρια. Επειδή τα καυσαέρια δεν δίνουν πάντα την ίδια ώθηση στο turbo, το ποσό του μίγματος που εισέρχεται στον κύλινδρο μεταβάλλεται καθώς μεταβάλλονται οι στροφές του κινητήρα. Ωστόσο, ο turbo θα πρέπει να λειτουργεί ικανοποιητικά και σε χαμηλό αριθμό στροφών. Το σύστημα μεταβλητής συμπίεσης βοηθά στην ικανοποιητική λειτουργία του turbo σε όλο το εύρος των στροφών, δίνοντας μεγαλύτερη σχέση συμπίεσης όταν ο turbo δεν περιστρέφεται πολύ και μικρότερη σχέση συμπίεσης όταν ο turbo αυξάνει την πίεση υπερπλήρωσης. Το σύστημα μεταβλητής συμπίεσης, στηρίζεται στη λειτουργία ενός έξυπνου μηχανισμού όπου με τη βοήθεια ενός έκκεντρου που είναι σε σύζευξη με τον στροφαλοφόρο άξονα, μεταβάλλει την απόσταση του Άνω Νεκρού Σημείου του εμβόλου ως προς την κεφαλή του κινητήρα (εικόνα 4-9). Η μεταβολή αυτή έχει ως αποτέλεσμα την αυξομείωση του όγκου θαλάμου καύσης με συνεπαγόμενη τη μεταβολή της σχέσης συμπίεσης του κινητήρα. Η οικονομία καυσίμου στα μικρά αυτοκίνητα ανέρχεται στο 20% ενώ στα μεσαία και μεγαλύτερου κυβισμού, η οικονομία καυσίμου αγγίζει το 35%. Εικόνα 4-8. Κινητήρας μεταβλητής συμπίεσης σε τομή της PSA 39

51 Εικόνα 4-9. Η κατακόρυφη μετατόπιση του συστήματος CR προκαλεί γωνιακή μετατόπιση του στροφαλοφόρου, με αλλαγή της θέσης του Α.Ν.Σ. του εμβόλου. Η σχέση συμπίεσης μεταβάλλεται από 7:1 έως 20: Κύκλος του Atkinson Ο κύκλος του Atkinson είναι ένα ουσιαστικό βήμα προς τη βελτιστοποίηση του βαθμού απόδοσης των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Ο εμβολοφόρος κινητήρας που λειτουργεί μα βάση τον αρχικό κύκλο του Atkinson, επιτρέπει την εισαγωγή, συμπίεση, καύση-εκτόνωση και εξαγωγή να πραγματοποιηθούν σε μία στροφή του στροφαλοφόρου και όχι σε δύο όπως συμβαίνει στον τετράχρονο κινητήρα του OTTO. Λόγω του μοναδικού σχεδιασμού του στροφαλοφόρου του κινητήρα Atkinson, η διαδρομή εκτόνωσης διαφέρει από την διαδρομή συμπίεσης (εικόνα 4-10). Με την διαδρομή εκτόνωσης να είναι μεγαλύτερη από τη συμπίεση, ο κινητήρας μπορεί να επιτύχει μεγαλύτερο θερμικό βαθμό απόδοσης. Πολλοί σύγχρονοι κινητήρες προσεγγίσουν την αρχή λειτουργίας του κινητήρα Atkinson, χρησιμοποιώντας έναν αντισυμβατικό χρονισμό βαλβίδων, πραγματοποιώντας το ίδιο αποτέλεσμα της μικρότερης διαδρομής συμπίεσης από μία μεγαλύτερη διαδρομή εκτόνωσης, επιτυγχάνοντας βελτίωση στον βαθμό απόδοσης όπως παρέχει ο κινητήρας Atkinson (εικόνα4-11). Στον τροποποιημένο κύκλο του Atkinson, η βαλβίδα εισαγωγής παραμένει ανοιχτή κατά την αρχική φάση της συμπίεσης, επιτρέποντας το μίγμα να επιστρέψει στην πολλαπλή εισαγωγής. Η ωφέλιμη διαδρομή της συμπίεσης μειώνεται αλλά η διαδρομή της εκτόνωσης παραμένει αμετάβλητη. Αυτό σημαίνει πως η σχέση συμπίεσης είναι μικρότερη από τη σχέση εκτόνωσης. Καθώς η θερμότητα που παράγεται από την καύση του μίγματος αυξάνει την πίεση, το έμβολο αναγκάζεται να κινηθεί σε μεγαλύτερη διαδρομή από αυτήν της συμπίεσης. Στόχος του κινητήρα Atkinson είναι να εκτονωθούν πλήρως τα καυσαέρια ώστε 40

52 Εικόνα Διαφορετική διαδρομή συμπίεσης και εκτόνωσης κατά τον αρχικό κύκλο Atkinson στο τέλος της διαδρομής της εκτόνωσης η πίεση στο εσωτερικό του κυλίνδρου να εξισωθεί με την ατμοσφαιρική. Η μικρότερη σχέση συμπίεσης έχει ως αποτέλεσμα μικρότερη θέρμανση του μίγματος και κατά συνέπεια μικρότερες θερμικές απώλειες από τα τοιχώματα και τα έμβολα του κινητήρα. Για την αναπλήρωση του «χαμένου» μίγματος, τοποθετείται σύστημα υπερτροφοδότησης. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα με τον τροποποιημένο κύκλο Atkinson επιτυγχάνεται μείωση της κατανάλωσης έως 13%, και παραγωγή περισσότερης ροπής και ισχύος, από τον αντίστοιχο συμβατικό που λειτουργεί με τον κύκλο του ΟΤΤΟ. Το μειονέκτημα του κινητήρα Atkinson είναι η μικρότερη πυκνότητα ισχύος (kw/kg), λόγω της μικρότερης ωφέλιμης διαδρομής της συμπίεσης. Εικόνα Η συμπίεση του μίγματος ξεκινά με το κλείσιμο της βαλβίδας εισαγωγής. Κινητήρας TOYOTA 1.2 Turbo engine Atkinson cycle 41

53 4.4 Ανάπτυξη τεχνολογιών περιορισμού των αέριων ρύπων στους πετρελαιοκινητήρες Από τη σύγκριση των θερμοδυναμικών κύκλων του OTTO και του DIESEL ως προς τον βαθμό απόδοσης, είναι γνωστό ότι ο κύκλος του DIESEL όπου στηρίζεται η λειτουργία των πετρελαιοκινητήρων είναι σαφώς αποδοτικότερος έναντι του OTTO, λόγω της δυνατότητάς του να λειτουργεί με μεγαλύτερη σχέση συμπίεσης. Αυτό αποδεικνύεται και στην πράξη, όπου οι πετρελαιοκινητήρες εμφανίζουν μεγαλύτερη απόδοση κατά 20-30% από τις βενζινομηχανές αντίστοιχου κυβισμού, γεγονός που σημαίνει ανάλογη μείωση στην κατανάλωση καυσίμου. Συνεπώς, λόγω της μικρότερης κατανάλωσης καυσίμου, ανάλογα είναι και τα ποσά των καυσαερίων που παράγονται από τους πετρελαιοκινητήρες. Τα τελευταία χρόνια, όπου γίνεται προσπάθεια μείωσης της κατανάλωσης των ορυκτών καυσίμων, η πετρελαιοκινητήρες επανήλθαν στο προσκήνιο ως οικονομικοί κινητήρες. Παρόλα αυτά, το σημαντικότερο πρόβλημα για την υιοθέτηση της πετρελαιοκίνησης αποτελούν τα αυξημένα ποσοστά ρύπων PM και NOx που επιβαρύνουν επικίνδυνα την ατμόσφαιρα. Σήμερα, η εφαρμογή όλο και πιο αυστηρών προδιαγραφών για τα όρια εκπομπής ρύπων, επιβάλλουν την ανάπτυξη μιας σειράς τεχνολογιών με στόχο την μείωση των εκπομπών ρύπων των πετρελαιοκινητήρων. Οι μέθοδοι μείωσης των ρύπων μπορούν να χωρισθούν, στις πρωτογενείς που έχουν ως στόχο τη μείωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου, με συνεπαγόμενη μείωση των εκπομπών CO 2 και των υπόλοιπων ρύπων και σε δευτερογενείς που αποσκοπούν αποκλειστικά στην περιστολή των εκπεμπόμενων ρύπων, με πιθανά αρνητικά αποτελέσματα στις επιδόσεις του κινητήρα Πρωτογενείς μέθοδοι Ο σχηματισμός ρύπων στο εσωτερικό του πετρελαιοκινητήρα, μπορεί να ελεγχθεί από τη χρονική εξέλιξη της καύσης. Οι πρωτογενείς μέθοδοι είναι μέθοδοι πρόληψης και αποτελούν παρεμβάσεις στη διαδικασία της καύσης πραγματοποιώντας ελέγχους κατά τη λειτουργία των κινητήρων, με σκοπό το περιορισμό του σχηματισμού των ρύπων. i) Παρέμβαση στο σύστημα έγχυσης του καυσίμου Ο σκοπός των παρεμβάσεων που γίνονται στο σύστημα έγχυσης του καυσίμου είναι η τροποποίηση του ρυθμού καύσης και ειδικότερα η μεταβολή των ποσοστών της συνολικής ποσότητας καυσίμου που καίγονται υπό συνθήκες πρόωρης ανάμειξης και διάχυσης. Οι σημαντικότερες τεχνικές των συστημάτων έγχυσης, επεμβαίνουν στον έλεγχο της προπορίας έγχυσης, στην αύξηση της πίεσης και του ρυθμό έγχυσης του πετρελαίου. Το σύστημα common rail ικανοποιεί τις παραπάνω απαιτήσεις και χρησιμοποιείται στους πετρελαιοκινητήρες των επιβατικών και φορτηγών οχημάτων. 42

54 Ο έλεγχος στην προπορεία της έγχυσης εφαρμόζεται με σκοπό τη μείωση των εκπομπών ΝΟx. Εφαρμόζοντας μία καθυστέρηση στην έγχυση, μετατοπίζεται ο μηχανισμός της καύσης προς το στάδιο της συμπίεσης, προκαλώντας ταυτόχρονη μείωση της ποσότητας του καυσίμου που καίγεται στην ανεξέλεγκτη καύση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας και άρα τον περιορισμό του σχηματισμού ΝΟx μέσα στο θάλαμο καύσης. Σημαντικό μειονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι η μείωση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του θαλάμου καύσης οδηγεί σε σημαντική αύξηση των εκπομπών αιθάλης και μέτρια αύξηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου. Οι εκπομπές αιθάλης εξαρτώνται άμεσα και από το φορτίο. [33] Ωστόσο, για να επιτευχθούν υψηλά επίπεδα λειτουργίας στον πετρελαιοκινητήρα θα πρέπει το καύσιμο να ψεκάζεται με μεγάλη πίεση στο θάλαμο καύσης και η διασπορά να είναι τόσο λεπτή ώστε η αυτανάφλεξη να επιτυγχάνεται στο μέγιστο δυνατό βαθμό. Το μέγεθος των σταγονιδίων του καυσίμου μειώνεται δραστικά με την αύξηση της πίεσης έγχυσης με αποτέλεσμα την εύκολη εξάτμισή τους και την πλήρη ανάμιξη με το οξυγόνο του ατμοσφαιρικού αέρα. Παράλληλα θα πρέπει το καύσιμο να μετριέται με μεγάλη ακρίβεια, η καμπύλη εκφόρτισης πρέπει να έχει συγκεκριμένη μορφή ενώ οι χρόνοι προψεκασμού και κυρίως ψεκασμού να μεταβάλλονται ανάλογα τις ανάγκες του συστήματος. ii) Παρέμβαση στη σύνθεση του μείγματος με ανακυκλοφορία καυσαερίων (Exhaust Gas Recirculation, EGR) Για την επίτευξη χαμηλότερων εκπομπών NOx μεταβάλλεται η σύνθεση του εισερχόμενου μείγματος ως προς τη ποσότητα του διατιθέμενου οξυγόνου στην διαδικασία της καύσης, πετυχαίνοντας σημαντική μείωση στις εκπομπές ρύπων αλλά και στην απόδοσή του. Μία ποσότητα καυσαερίων που παράγονται κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας Εικόνα Σύστημα ανακυκλοφορίας καυσαερίων (Exhaust Gas Recirculation, EGR). (πηγή: 43

55 οδηγούνται στην πολλαπλή εισαγωγής με σκοπό την ανάμιξή τους με τον αέρα εισαγωγής ώστε να μειωθεί η περιεκτικότητα σε οξυγόνο. Η ροή των καυσαερίων προς την εισαγωγή ελέγχεται από την βαλβίδα επανακυκλοφορίας καυσαερίων (EGR) που βρίσκεται ενσωματωμένη στο αγωγό που συνδέει την πολλαπλή εξαγωγής μα την πολλαπλή εισαγωγής (εικόνα 4-12). Καθώς τα ψυχρά καυσαέρια (t=600 o C) εισέρχονται στον θάλαμο καύσης, η θερμοκρασία μειώνεται και αποτρέπεται η δημιουργία των NOx. Ωστόσο, η μείωση της θερμοκρασίας στον θάλαμο καύσης εξαιτίας της εισόδου των καυσαερίων, οδηγεί σε αύξηση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου και σε αύξηση των εκπομπών αιθάλης λόγω έλλειψης οξυγόνου. Γενικά, για σημαντικές μειώσεις των εκπομπών NOx απαιτούνται υψηλά ποσοστά EGR, τα οποία συνήθως αυξάνονται με τη μείωση του φορτίου. Παρόλα αυτά λόγω των αρνητικών συνεπειών του EGR στην ειδική κατανάλωση και την αιθάλη, υπάρχει άνω όριο χρήσης της επανακυκλοφορίας, το οποίο κυμαίνεται περίπου στο 30%. Η εφαρμογή της μεθόδου EGR υιοθετήθηκε υποχρεωτικά από τους κατασκευαστές προκειμένου να συμμορφωθούν με το πρότυπο εκπομπών Euro IV, παρά την μικρή αύξηση της κατανάλωσης του καυσίμου. iii) Έγχυση νερού ή χρήση γαλακτώματος νερού καυσίμου Η μέθοδος αυτή επιτυγχάνει παρόμοια αποτελέσματα με την ανακυκλοφορία καυσαερίων τόσο στην απόδοση, όσο και στις εκπομπές ρύπων του κινητήρα. Η χρήση του νερού έχει κυρίως σκοπό την μείωση της θερμοκρασίας, αλλά και την αλλαγή της σύνθεσης του μείγματος. Η μείωση των εκπομπών NOx με τη χρήση νερού, οφείλεται κυρίως στην αυξημένη ειδική θερμοχωρητικότητα του σε σχέση με αυτήν του κοινού καυσίμου κίνησης Diesel. Η λανθάνουσα θερμότητα ατμοποίησης του νερού, συμβάλει στον καλύτερο διασκορπισμό του καυσίμου καθώς και στον ρυθμό ανάμειξής του με τον αέρα, με αποτέλεσμα την μείωση των τοπικών θερμοκρασιών. [33] Η έγχυση νερού γίνεται είτε στην πολλαπλή εισαγωγής του κινητήρα (αποδοτική και απλή στην εφαρμογή της), είτε κατευθείαν στο θάλαμο καύσης (σχετικά υψηλό κόστος). Και οι δύο μέθοδοι εγκυμονούν κινδύνους για τα δομικά στοιχεία του κινητήρα, λόγω των σταγονιδίων του νερού που μπορούν να προκαλέσουν διάβρωσή. Υδατικό γαλάκτωμα, εννοούμε το μίγμα καυσίμου με νερό, όπου τα συστατικά του δεν είναι αναμίξιμα σε μοριακό επίπεδο, όπως για παράδειγμα είναι τα συστατικά ενός καυσίμου του εμπορίου, αλλά μακροσκοπικά φαίνεται ομογενές. Το υδατικό γαλάκτωμα αποτελείται κατά κανόνα από νερό σε ποσοστό 5% κατά βάρος και καύσιμο πετρέλαιο. Η επίδραση της χρήσης του γαλακτώματος, είναι πιο ισχυρή συγκρινόμενη με αυτή της χρήσης έγχυσης νερού, διότι το νερό έρχεται σε άμεση επαφή με το καύσιμο. Για το λόγο αυτό, στατιστικά απαιτείται περίπου μισή ποσότητα νερού με τη μορφή γαλακτώματος, σε 44

56 σχέση με αυτή που απαιτείται με τη μέθοδο της έγχυσης στην αναρρόφηση για την επίτευξη της ίδιας μείωσης των εκπομπών NOx. [33] Δευτερογενείς μέθοδοι Οι δευτερογενείς μέθοδοι μείωσης των ρύπων είναι μέθοδοι περιστολής των ήδη σχηματισμένων ρύπων και αποσκοπούν στην παγίδευση, ή τη μετατροπή τους σε ουσίες φιλικότερες προς το περιβάλλον. Τα συστήματα που επεξεργάζονται τα καυσαέρια δεν αποτελούν την καλύτερη λύση, αφού δημιουργούν μειώσεις στην απόδοση των κινητήρων. Παραμένουν όμως σε πολλές περιπτώσεις αναγκαία ώστε οι πετρελαιοκινητήρες να πληρούν τα πρότυπα εκπομπών. [33] Οι αναβαθμίσεις στους κινητήρες με συνδυασμό με την επανακυκλοφορία των καυσαερίων, στοχεύουν να πετύχουν τις προδιαγραφόμενες εκπομπές NOx και άλλων ρύπων που στο τελευταίο πρότυπο επίδοσης εκπομπών Euro 6, τα περιθώρια μείωσης για τους πετρελαιοκινητήρες είναι ασφυκτικά. Τονίζεται ότι, ενώ στους βενζινοκινητήρες δεν υπάρχει κάποια σημαντική αλλαγή στο Euro 6, στους πετρελαιοκινητήρες το πρότυπο Euro 6 επιβάλλει την δραστική μείωση των οξειδίων του αζώτου από τα 180 στα 80mg/km, που αντιστοιχεί σε ποσοστιαία μείωση εκπομπών πάνω από 50%. Το αυξημένο κόστος, ο μεγάλος όγκος της εγκατάστασης σε συνδυασμό με την δυσκολία τοποθέτησής τους, η μειωμένη απόδοση και ο κίνδυνος καταστροφής αποτελούν τα κύρια μειονεκτήματα αυτών των συστημάτων. Η εφαρμογή τους σε κινητήρες Diesel για την περιστολή των εκπομπών NOx, ενέχει πολλά προβλήματα. Λόγω της μεγάλης περίσσειας αέρα (φτωχό μείγμα σε καύσιμο), τα καυσαέρια εξέρχονται σε χαμηλές θερμοκρασίες έχοντας υψηλή συγκέντρωση οξυγόνου. i) Παγίδες αιθάλης Τα φίλτρα σωματιδίων πετρελαίου (Diesel Particulate Filters, DPF) ή παγίδες αιθάλης (soot traps) ή φίλτρα αιθάλης (soot filters) είναι ουσιαστικά φίλτρα που συγκρατούν τα σωματίδια της αιθάλης (PM) και στη συνέχεια τα οξειδώνουν. Οι παγίδες αυτές τοποθετούνται στη σωλήνωση εξαγωγής των καυσαερίων μέσα από την οποία διέρχονται τα θερμά καυσαέρια.[30] Το όριο των εκπομπών των αιωρούμενων σωματιδίων αιθάλης PM από 25 mg/km στο Euro 4, υπέστη µια σημαντική μείωση με το Euro 5 (2009) σε 4,5 mg/km, που ισχύει μέχρι και σήμερα (Euro 6). Οι παγίδες αιθάλης είναι συσκευές που συλλέγουν τα σωματίδια των καυσαερίων µε φυσικό τρόπο, εμποδίζοντας την απελευθέρωσή τους στην ατμόσφαιρα. Τα σύγχρονα φίλτρα έχουν πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης (πάνω από 90%) και καλή μηχανική και θερμική αντοχή. (εικόνες 4-13,14) 45

57 Εικόνα Σύστημα συγκράτησης αιωρούμενων σωματιδίων PM Εικόνα Παγίδα αιθάλης (Diesel Particulate Filters, DPF) (πηγή: he-diesel-particulate-filter-dpf-faq Η τεχνολογία των παγίδων αιθάλης στους πετρελαιοκινητήρες παρουσιάζει ορισμένα πρακτικά προβλήματα. Βασικό πρόβλημα είναι η τοποθέτηση τους στον σωλήνα της εξαγωγής η οποία μειώνει την πίεση εξόδου, αφού ουσιαστικά αποτελεί ένα εμπόδιο στη διέλευση των καυσαερίων. Το φίλτρο ακόμα και όταν είναι καθαρό, φράσσει τη δίοδο των καυσαερίων προς την ατμόσφαιρα, εμποδίζοντας τη ροή τους με αποτέλεσμα να μειώνεται η ταχύτητα των καυσαερίων του κινητήρα. Για την ομαλή ροή λοιπόν των καυσαερίων απαιτείται αυξημένη πίεση από τον κινητήρα ιδιαίτερα όταν η ποσότητα των συγκεντρωμένων σωματιδίων αυξηθεί από τη λειτουργία. Κατ αυτόν τον τρόπο μειώνεται η παραγόμενη κινητήρια ισχύς και για να αντισταθμιστεί απαιτείται επιπλέον παροχή καυσίμου στον κινητήρα.[35] Πρόβλημα δημιουργείται επίσης από τα σωματίδια της αιθάλης που παγιδεύονται και δεν μπορούν να αναφλεγούν και να οξειδωθούν, όταν η λειτουργία του πετρελαιοκινητήρα γίνεται Εικόνα Κύκλος αναγέννησης φίλτρου (πηγή: [34] 46

58 υπό κανονικές συνθήκες. Για την αποκατάσταση της λειτουργίας του φίλτρου απαιτείται μία σημαντική διεργασία που λέγεται αναγέννηση (εικόνα 4-16). Η αναγέννηση των φίλτρων απαιτεί θερμοκρασίες C. Τέτοιες θερμοκρασίες καυσαερίου κατά τη λειτουργία του κινητήρα στην πόλη επιτυγχάνονται σπάνια. Εμφανίζονται µόνο κοντά στην περιοχή του πλήρους φορτίου του κινητήρα π.χ. κατά την κίνηση σε ανηφόρα ή σε συνθήκες επιτάχυνσης. Για την υποβοήθηση της αναγέννησης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν δυο τεχνικές: 1. μείωση της θερμοκρασίας ισορροπίας 2. ανύψωση της θερμοκρασίας του καυσαερίου Η πρώτη µμέθοδος ακολουθείται στα παθητικά συστήματα και η δεύτερη στα ενεργητικά συστήματα. 1. Παθητικά Συστήματα: Η μείωση της θερμοκρασίας ισορροπίας στα παθητικά συστήματα επιτυγχάνεται µε την εισαγωγή καταλύτη σε κάποιο μέρος του συστήματος, έτσι ώστε να επιταχυνθεί η αντίδραση της αιθάλης µε το οξυγόνο ή το διοξείδιο του αζώτου. Τρεις κύριες κατευθύνσεις εφαρμόζονται στην πράξη: Εισαγωγή του καταλύτη σε ξεχωριστή συσκευή (CRT) Εισαγωγή του καταλύτη στην επιφάνεια του φίλτρου Εισαγωγή του καταλύτη µε μορφή προσθέτου στο καύσιμο 2. Ενεργητικά Συστήματα: Τα ενεργητικά συστήματα αναγέννησης αυξάνουν τη θερμοκρασία του καυσαερίου ώστε να πραγματοποιείται η θερμική αναγέννηση της αιθάλης. Η θερμοκρασία καυσαερίου μπορεί να αυξηθεί µε τις ακόλουθες δύο μεθόδους: Θέρμανση καυσαερίων µε χρήση κάποιας διάταξης όπως με ηλεκτρική αντίσταση, με καυστήρα καυσίμου, μικροκυμάτων, ψεκασμού καυσίμου ή άλλων εύφλεκτων υλικών µε ή χωρίς προκαταλύτη. Αύξηση της θερμοκρασίας καύσης µε μέτρα εντός του κυλίνδρου, όπως επανακυκλοφορία καυσαερίου, δευτερεύων ψεκασμός (post-injection) καυσίμου σε συστήματα κοινού αυλού (common rail), στραγγαλισμός εξαγωγής, καθυστέρηση έγχυσης κλπ. [34] ii) Επιλεκτική Καταλυτική Αναγωγή (Selective Catalytic Reduction, SCR) Τα συστήματα SCR έχουν ιδιαίτερα μεγάλους βαθμούς μετατροπής του ΝΟx των καυσαερίων, που προσεγγίζουν έως και την τιμή 95%. Η περίσσεια οξυγόνου στους πετρελαιοκινητήρες παράγει επί πλέον ποσότητες ΝΟx εντείνοντας το πρόβλημα στην λειτουργία του καταλυτικού μετατροπέα. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με την ανάμειξη των καυσαερίων του κινητήρα με αμμωνιούχο διάλυμα, γνωστό με την εμπορική ονομασία ΑdBlue. Το ΑdBlue αποτελείται από 32,5% ουρία, μία αζωτούχα ένωση αραιωμένη σε 47

59 Εικόνα Ξεχωριστή δεξαμενή Adblue σε φορτηγό Εικόνα Δοχείο Adblue σε επιβατηγό, πίσω στο πορτμπαγκάζ απιονισμένο νερό, ειδικά εξελιγμένη ώστε να μειώνει τα επικίνδυνα αέρια της εξάτμισης. Η ονομασία «ΑdBlue» είναι κατοχυρωμένο λογότυπο που ανήκει στην Γερμανική Ένωση Αυτοκινητοβιομηχανιών. [37] Το ΑdBlue αποθηκεύεται σε υγρή μορφή σε ξεχωριστή δεξαμενή στα φορτηγά, ενώ στα επιβατικά σε μία μικρή δεξαμενή, συνήθως κάτω από πορτμπαγκάζ. Αντλείται και ψεκάζεται μέσα στο σωλήνα εξαγωγής των καυσαερίων, μετά το φίλτρο παρακράτησης των σωματιδίων και τον οξειδωτικό καταλύτη (εικόνα 4-16,17). Στους 170 ºC η ουρία μετατρέπεται σε αμμωνία (NH 3 ) και διοξείδιο του άνθρακα και καθώς ατμοποιείται σχηματίζει ομοιογενές μείγμα με τα καυσαέρια. Καθώς το μείγμα καυσαερίων ρέει στη συνέχεια προς τον μετατροπέα SCR, σε θερμοκρασία ºC σχηματίζονται οι χημικές αντιδράσεις απονίτρωσης ελευθερώνοντας άζωτο και νερό, μειώνοντας δραστικά τα οξείδια του αζώτου. Η κεντρική μονάδα ελέγχου του κινητήρα ελέγχει τον ψεκασμό του ΑdBlue ώστε να υπάρχει πάντοτε ικανοποιητική ποσότητα αμμωνίας στον καταλύτη (εικόνα 4-18). Για να πραγματοποιηθεί η καταλυτική αντίδραση απονίτρωσης με ικανοποιητικό βαθμό Εικόνα Επιλεκτική Καταλυτική Αναγωγή (Selective Catalytic Reduction, SCR) στο μοντέλο της Mazda CX

60 απόδοσης πρέπει το μείγμα των καυσαερίων και του υδατικού διαλύματος αμμωνίας να έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη των 300 ºC (μεταξύ 300 ºC και 400 ºC). Αν η θερμοκρασία των καυσαερίων είναι μεγαλύτερη από 400 ºC γίνεται καύση της αμμωνίας ενώ αν είναι μικρότερη των 300 ºC συμβαίνει πολύ μικρότερη ταχύτητα αντίδρασης και συνεπώς πολύ μικρή απόδοση του συστήματος. Υπάρχουν και περιπτώσεις που απαιτείται θέρμανση του καυσαερίου για να λειτουργεί ικανοποιητικά ο καταλύτης SCR όπως κατά την εκκίνηση του κινητήρα όπου τα καυσαέρια είναι κρύα ή κατά τη λειτουργία σε χαμηλό φορτίο. [36] iii) Οξειδωτικοί καταλύτες πετρελαιοκινητήρων Ο καταλυτικός μετατροπέας που χρησιμοποιείται στους πετρελαιοκινητήρες είναι ένας απλός οξειδωτικός καταλύτης με ελαφρώς μεγαλύτερες διαστάσεις από τον αντίστοιχο οξειδωτικό καταλύτη των βενζινοκινητήρων, για τον λόγο ότι η ποσότητα των καυσαερίων είναι σαφώς μεγαλύτερη λόγο της μεγαλύτερης περίσσειας αέρα και το όγκου εμβολισμού (εικόνα 4-19). Αρχικά τα καυσαέρια του πετρελαιοκινητήρα εισέρχονται στον οξειδωτικό καταλύτη όπου και μετατρέπονται οι HC και το CO σε CO 2 και νερό Η 2 Ο σε θερμοκρασία περίπου 200 º C. Τα μικροσωµατίδια της αιθάλης συλλέγονται από το δεύτερο σώμα (κλίνη) που λειτουργεί ως φίλτρο. Όμως σε αυτό το τμήμα συνεχίζεται και η οξείδωση σε θερμοκρασία 200ºC 400 º C. Έχει παρατηρηθεί ότι η συγκράτηση των μικροσωµατιδίων που γίνεται έχει απόδοση 90% και συγκρατούνται μικροσωµατίδια διαμέτρου 40 nm Επίδραση της σύστασης του πετρελαίου στις εκπομπές των καυσαερίων Η επίδραση της χημικής σύστασης του πετρελαίου στις εκπομπές ρύπων είναι σημαντική και αποτέλεσε την αρχική παρέμβαση της τεχνολογίας καυσίμων για την μείωση των εκπομπών NOx και σωματιδίων PM. Η μείωση της περιεκτικότητας σε θείο στο πετρέλαιο, επιφέρει σημαντική μείωση στα σωματίδια που εμπεριέχονται στα καυσαέρια. Για την μείωση των εκπομπών NOx, Εικόνα Οξειδωτικός καταλύτης πετρελαιοκινητήρα 49

61 συνεισφέρουν η αύξηση του αριθμού κετανίου, η μείωση των συνολικών αρωματικών ενώσεων, η μείωση της πυκνότητας, καθώς και η μείωση των πολυαρωματικών ενώσεων. Σημαντικός παράγοντας του πετρελαίου κατά την καύση είναι η πυκνότητα, επηρεάζοντας τον λόγο αέρα-καυσίμου. Κατά την έγχυση το καύσιμο υπολογίζεται με τον όγκο και όχι με την μάζα του. Συνεπώς, όταν εισάγεται καύσιμο με μεγάλη πυκνότητα, εισάγεται και μεγαλύτερη μάζα καυσίμου. Για τη μείωση της περιεκτικότητας σε θείο με ταυτόχρονη ελάττωση των αρωματικών υδρογονανθράκων, ακολουθείται η κατεργασία με υδρογόνο (υδρογονοκατεργασία). Ειδικότερα με την υδρογονακατεργασία επιτυγχάνεται μείωση του θείου από 300 ppm σε 50 ppm και μείωση των αρωματικών ενώσεων από 26% σε 4%, αποφέροντας μείωση των εκπομπών CO κατά 30%, των HC κατά 40% και των PM κατά 25%. [38] Περιεκτικότητα σε θείο Η Ευρωπαϊκή Ένωση με την Οδηγία 98/70/EC, καθόρισε σε αναλογία της οδηγίας των ορίων εκπομπών των κινητήρων οχημάτων, την περιεκτικότητα του θείου για το 2005 στα 50ppm, ενώ με την οδηγία 2003/17/EC του Ιανουαρίου 2003 καθόρισε των μέγιστη περιεκτικότητα του πετρελαίου σε θείο στα 10ppm από το 2009, οπότε το πετρέλαιο θα χαρακτηρίζεται «Καθαρό» Πετρέλαιο - ULSD. [39] Η παραγωγή και διάθεση πετρελαίου κίνησης με ολοένα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε θείο, αποτελεί στόχο τόσο της Ευρωπαϊκής Ένωσης όσο και άλλων χωρών, θεσμοθετώντας αυστηρές προδιαγραφές για την ποιότητα των καυσίμων. Η Σουηδία, χώρας μέλους της Ε.Ε., η οποία έχει θεσμοθετήσει όριο στην μέγιστη περιεκτικότητα του πετρελαίου σε θείο μικρότερη των 10 ppm. Η μείωση της περιεκτικότητας του θείου στο πετρέλαιο επιβάλλεται από την λειτουργία του οξειδωτικού καταλύτη που χρησιμοποιείται στους πετρελαιοκινητήρες. Η παρουσία του θείου στους καταλύτες NOx, τους εξουδετερώνει με τον ίδιο τρόπο που καταστρέφονται («δηλητηριάζονται») οι τριοδικοί καταλύτες των καταλυτικών οχημάτων από τον μόλυβδο Βιοντήζελ (Bio-diesel) Το βιοντίζελ παράγεται από φυτικά έλαια, ζωικά λίπη, διάφορες ενεργειακές καλλιέργειες, φύκια, αλλά και ποικίλα ανακυκλωμένα λάδια. Το βιοντίζελ ανήκει στη μεγάλη οικογένεια των ανανεώσιμων καυσίμων και είναι το πλέον γνωστό και διαδεδομένο από τα βιοκαύσιμα. Η χημική του σύσταση είναι παραπλήσια με αυτή του πετρελαίου κίνησης που προέρχεται από την διύλιση του αργού πετρελαίου. Η καύση του σε κινητήρες οχημάτων υποκαθιστά το πετρέλαιο κίνησης στις μεταφορές, με ευεργετικές επιδράσεις για τους κινητήρες, την 50

62 ατμόσφαιρα και το περιβάλλον. Θεωρείται το καθαρότερο καύσιμο μετά το αέριο, λόγω των μειωμένων ρύπων που εκλύονται με την καύση του. Η χρήση 100% βιοντίζελ, πράγμα σπάνιο, μπορεί να μειώσει τις καθαρές εκπομπές CO 2 κατά 40-50%, αντίστοιχα η χρήση μίγματος 5% μειώνει το CO 2 κατά 2 έως 2.5%. Επίσης, το βιοντίζελ χρησιμοποιείται ως πρόσμεικτο στο πετρέλαιο κίνησης, με απόλυτη ασφάλεια για το κινητήρα. Η αυξημένη διαλυτική του ιδιότητα έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση των κατάλοιπων καύσης και των επικαθίσεων στον κινητήρα. Η μείξη συνεπώς σε χαμηλό ποσοστό είναι ευεργετική για τη λειτουργία των κινητήρων και την απόδοσή τους. Το βιοντίζελ είναι προ-αναμεμειγμένο σε ένα μικρό ποσοστό στο πετρέλαιο κίνησης. Η ανάμειξη στη χώρα μας 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%. Στις αρχές του 2013, κυκλοφόρησε το καύσιμο Β7, το οποίο είναι ένα πετρέλαιο κίνησης, αποτελούμενο από αυτούσιο βιοντίζελ σε ποσοστό που φτάνει το 7%. [40] 4.5 Ανάπτυξη τεχνολογίας υδρογόνου στην αυτοκίνηση Το υδρογόνο είναι ένα άοσμο, άγευστο, άχρωμο και µη τοξικό αέριο, όπου κατά την καύση του με το οξυγόνο, παράγει µόνο καθαρή ενέργεια και υδρατμούς, επιστρέφοντας στο περιβάλλον το νερό από το οποίο παράχθηκε. 2Η 2 + O 2 2H 2 O kj Κατά αυτόν τον τρόπο, δεν τίθεται θέμα εξάντλησης των αποθεμάτων του υδρογόνου από την χρήση του ως καύσιμο. Το υδρογόνο είναι φορέας ενέργειας, δεν συναντάται ελεύθερο στην φύση, μπορεί όμως να παραχθεί με πολλούς τρόπους. Η πιο οικονομική διεργασία που μπορεί να παραχθεί είναι με την αφαίρεση του υδρογόνου από τους υδρογονάνθρακες. Το υδρογόνο παράγεται βιομηχανικά από το φυσικό αέριο με τη μέθοδο της καταλυτικής αναμόρφωσης με ατμό. Στην υψηλή θερμοκρασία των 700 C, ατμός αντιδρά με το μεθάνιο, που αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, και δίνει μονοξείδιο του άνθρακα και υδρογόνο: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Εκτιμάται ότι το 95% του υδρογόνου που παράγεται σήμερα, προέρχεται από την επεξεργασία του μεθανίου με τη μέθοδο της αναμόρφωσης. Το υδρογόνο παράγεται επίσης με την ηλεκτρόλυση του νερού, όπου το ηλεκτρικό ρεύμα διαπερνά το νερό με αποτέλεσμα να διαχωρίζεται το υδρογόνο από το οξυγόνο. Η ηλεκτρόλυση είναι μια απλή αλλά αρκετά ενεργοβόρα διεργασία. Το υδρογόνο για να είναι φιλικό προς το περιβάλλον ως καύσιμο, θα πρέπει να παράγεται με ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, (ΑΠΕ), ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική 51

63 ενέργεια, γεωθερμική και όχι από την καύση ορυκτών γαιανθράκων ή υγρών-αέριων υδρογονανθράκων Το υδρογόνο ως καύσιμο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης Οι ιδιότητες καύσης του υδρογόνου, το καθιστούν ως ένα εξαιρετικά καλό καύσιμο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, που ακολουθούν τον θερμικό κύκλο του OTTO (βενζινομηχανών), εξασφαλίζοντας υψηλό βαθμό απόδοσης. Η λειτουργία των κινητήρων αυτών μπορεί να χαρακτηριστεί καλή. Ενώ οι παραγόμενοι ρύποι θεωρητικά έπρεπε να απουσιάζουν, στην πραγματικότητα όμως παράγονται ορισμένα οξείδια του αζώτου NOx τα οποία οφείλουν την ύπαρξη τους στην καύση του υδρογόνου µε τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος περιέχει άζωτο σε ποσοστό 79%. Καθώς στην καύση αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες, το άζωτο αποσπά μέρος του ατμοσφαιρικού οξυγόνου. H 2 + O 2 + N 2 Η 2 O + NOx Επίσης, κατά την λειτουργία των κινητήρων εσωτερικής καύσης υδρογόνου, παράγονται αμελητέες ποσότητες μονοξειδίου και διοξειδίου του άνθρακα καθώς και άκαυστοι υδρογονάνθρακες, που οφείλονται στα κατάλοιπα του λιπαντικού στον θάλαμο καύσης. [49] Ο βενζινοκινητήρας, λειτουργεί µε «κανονικό» μείγμα αέρα καυσίμου, όπως ορίζει η στοιχειοµετρική αναλογία (Air/Fuel=14,7 :1 κατά μάζα), ώστε ο τριοδικός καταλυτικός μετατροπέας να λειτουργεί με την μεγαλύτερη απόδοσή του και χωρίς να κινδυνεύει από την πρόωρη καταστροφή του. Το υδρογόνο, έχοντας την ιδιότητα να μπορεί να καίγεται σε πολύ φτωχά μίγματα, δεν δημιουργεί στο θάλαμο καύσης τόσο υψηλή θερμοκρασία, µε αποτέλεσμα την εντυπωσιακή μείωση των οξειδίων του αζώτου (NOx) σε σημείο που μην κάνει υποχρεωτική την ύπαρξη καταλυτικού μετατροπέα. [43] [49] Παρόλο τα θετικά χαρακτηριστικά που παρουσιάζει το υδρογόνο ως καύσιμο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, δημιουργεί ταυτόχρονα ένα πλήθος τεχνικών προβλημάτων λόγω της «ανώμαλης καύσης» με αντίκτυπο στην ομαλή λειτουργία του κινητήρα. i) Μεγάλη ταχύτητα καύσης του υδρογόνου. Η μεγάλη ταχύτητα καύσης του υδρογόνου έχει ως αποτέλεσμα τον υψηλό ρυθμό αύξησης της πίεσης, όπου στη συνέχεια δημιουργεί την υπερβολική καταπόνηση των μηχανικών μερών του κινητήρα, υψηλότερο θόρυβο και τοπική υπερθέρμανση του κυλίνδρου και των βαλβίδων εξαγωγής. ii) Μικρή πυκνότητα του υδρογόνου. Παρόλο που η κατά βάρος ενεργειακή πυκνότητα περικλείει 2,5 φορές περισσότερη θερμογόνο δύναμη από την βενζίνη (Θερμογόνος δύναμη H kJ/kg έναντι kj/kg των υγρών υδρογονανθράκων), η κατ όγκο περιεκτικότητα ενέργειας του καυσίμου εξαιτίας της μικρής του πυκνότητας, είναι πολύ μικρή. Ενώ η στοιχειοµετρική αναλογία του μείγματος αέρα/βεζίνης είναι 14,7 : 1 κατά μάζα, η στοιχειοµετρική αναλογία του μείγματος αέρα/υδρογόνου είναι 34,3325 : 1 κατά μάζα. 52

64 Δεδομένου ότι η παροχή καυσίμου μετριέται κατ όγκο αναλογία, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου πρέπει να έχουν μεγαλύτερο όγκο εμβολισμού, με συνεπαγόμενο μεγαλύτερο βάρος και όγκο για την παραγωγή ίδιας κινητήριας ισχύος με έναν αντίστοιχο βενζινοκινητήρα. [43] iii) Πυρανάφλεξη. Η πυρανάφλεξη συμβαίνει λόγω των τοπικών υπερθερμάνσεων στον θάλαμο καύσης. Το καύσιμο μείγμα αέρα-υδρογόνου, αυταναφλέγεται πολύ εύκολα σε σχέση µε τα μείγματα αέρα-βενζίνης, εξαιτίας της χαμηλότερης ενέργειας ανάφλεξης. Η πυρανάφλεξη συντελεί στην προανάφλεξη, δηλαδή στην πρόωρη ανάφλεξη του μίγματος κατά το χρόνο της συμπίεσης, πριν την προγραμματισμένη ανάφλεξη του μίγματος από το ηλεκτρικό σύστημα σπινθηροδότησης. Τα σημεία υπερθέρμανσης του θαλάμου καύσης τα οποία μπορούν να προκαλέσουν την πυρανάφλεξη, δημιουργούνται από τις εναποθέσεις άνθρακα στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης που προέρχονται από την πυρόλυση του λιπαντικού καθώς και από τους σπινθηριστές όπου εξαιτίας της ανεπαρκούς θερμικής αγωγιμότητας ή της κακής ψύξης τους, κατά τη λειτουργία του κινητήρα υπερθερμαίνονται και αναφλέγουν το μίγμα πριν την καθορισμένη χρονικά στιγμή της σπινθηροδότησης. Το ίδιο πρόβλημα δημιουργούν και οι βαλβίδες εξαγωγής λόγω της κακής ψύξης τους. Η πυρανάφλεξη, έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη ιδιαίτερα υψηλών θερμοκρασιών στις επιφάνειες του θαλάμου καύσης και αποτελεί την αιτία της μερικής ή ολικής καταστροφής των εμβόλων. Επίσης, δημιουργεί απώλεια μηχανικής ισχύος, υπερθέρμανση στο θάλαμο καύσης με συνεπαγόμενη αύξηση εκπομπών του οξειδίου του αζώτου. [41] [49] iv) Προανάφλεξη & Πρόωρη ανάφλεξη backfire ή flash-back. Ο όρος πρόωρη ανάφλεξη (backfire) περιγράφει την καύση του νέου μείγματος αέρα-υδρογόνου κατά την διάρκεια που εισάγεται στον θάλαμο καύσης του κινητήρα όπου μπορεί να συμβεί και στην πολλαπλή Σχήμα 4-2. Αύξηση της πίεσης στην πολλαπλή εισαγωγής και στον κύλινδρο από την εμφάνιση της πρόωρης ανάφλεξης (backfire). (πηγή: Progress in Energy and Combustion Science, 2009 pp ) [41] 53

65 εισαγωγής. Με το άνοιγμα των βαλβίδων εισαγωγής, το νέο μείγμα αέρα-υδρογόνου αναρροφάται από το έμβολο και εισάγεται στο θάλαμο καύσης μέσω πολλαπλής εισαγωγής. Όταν στην πολλαπλή εισαγωγής υπάρχουν θερμά σημεία, υπολείμματα καύσης κ.λ.π., τότε το νέο μείγμα αναφλέγεται πρόωρα, όπως συμβαίνει στην προανάφλεξη. Η κύρια διαφορά μεταξύ της πρόωρης ανάφλεξης (backfire) και της προανάφλεξης είναι η χρονική στιγμή κατά την οποία λαμβάνει χώρα η ανωμαλία της καύσης. Η προανάφλεξη συμβαίνει κατά τη διάρκεια της διαδρομής της συμπίεσης με τις βαλβίδες εισαγωγής να έχουν ήδη κλείσει, ενώ στην πρόωρη ανάφλεξη (backfire) συμβαίνει με τις βαλβίδες εισαγωγής ανοιχτές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την καύση ολόκληρης της ποσότητας του μείγματος, την έξοδο των καυσαερίων από την πολλαπλή εισαγωγής που επιφέρουν την διακοπή της λειτουργίας του κινητήρα, με αποτέλεσμα την αύξηση της πίεσης στη πολλαπλή εισαγωγής και την μερική ή ολική καταστροφή της (σχήμα 4-2). Λόγω της χαμηλότερης ενέργειας ανάφλεξης, η εμφάνιση της πρόωρης ανάφλεξης είναι πιο πιθανό να συμβεί, όταν τα μείγματα πλησιάζουν τη στοιχειομετρία τους. Η εμφάνιση της πρόωρης ανάφλεξης γενικά περιορίζεται με την άμεση έγχυση του καυσίμου στον κύλινδρο όταν οι βαλβίδες είναι κλειστές. [41] [49] Ιδιότητες καύσης του υδρογόνου Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, το υδρογόνο εμφανίζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικές ιδιότητες κατά την καύση του που είναι σε θέση να εξασφαλίσουν εξαιρετικά ποιοτικά χαρακτηριστικά λειτουργίας των κινητήρων υδρογόνου. Τις περισσότερες φορές, οι ιδιότητες αυτές απαιτούν µία διαφορετική προσέγγιση στο σχεδιασμό των βασικών μερών και των υποσυστημάτων του κινητήρα καθώς και σε διαφορετικές ρυθμίσεις λειτουργίας σε σχέση µε το βενζινοκινητήρα. Οι ιδιότητες καύσης του υδρογόνου επεξηγούνται στην συνέχεια. i) Ευρύ φάσμα αναφλεξιμότητας. Η ιδιότητα αυτή του υδρογόνου εξασφαλίζει ότι η καύση του µε τον αέρα μπορεί να επιτευχθεί σε ένα ευρύ φάσμα λόγων αέρα καυσίμου (από 4 έως 75%), παρέχοντας τη δυνατότητα στο υδρογόνο να αναφλέγεται εύκολα ακόμη και σε πολύ φτωχά μείγματα. Η ιδιότητα αυτή προσφέρει θετικά αποτελέσματα τόσο σε θέματα θερμικής απόδοσης και οικονομίας καυσίμου όσο και στο θέμα της μείωσης των παραγόμενων ρύπων από την καύση, λόγω της επικράτησης χαμηλών θερμοκρασιών. Υπάρχει ένα όριο στη λειτουργία του κινητήρα µε φτωχά μείγματα, εξαιτίας της μείωσης της ογκομετρικής "θερμικής δύναμης" του μείγματος, πέρα από το οποίο μειώνεται σημαντικά η ισχύς του. [42] ii) Χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης. Το υδρογόνο παρουσιάζει πολύ μικρότερη ενέργεια ανάφλεξης, σε σχέση µε την βενζίνη ή το πετρέλαιο. Αυτή η ιδιότητα είναι που επιτρέπει στο 54

66 υδρογόνο να καίγεται σε ιδιαίτερα φτωχά μίγματα και να εξασφαλίζει την ανάφλεξη και την πλήρη καύση ακόμα και µε κρύο κινητήρα. Στον αντίποδα όμως, η μικρή ενέργεια ανάφλεξης έχει ως αρνητικό αντίκτυπο την εύκολη εκδήλωση του φαινομένου της προανάφλεξης, όπου εξαιτίας των τοπικών υπερθερμάνσεων σε κάποια σημεία του θαλάμου καύσης, πραγματοποιείται η αυτανάφλεξη του μείγματος πριν από την προκαθορισμένη στιγμή της σπινθηροδότησης. iii) Υψηλή θερμοκρασία αυτανάφλεξης. Ο βαθμός συμπίεσης αποτελεί σημαντικό παράγοντα απόδοσης για τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, και οι κατασκευαστές επιδιώκουν κατά τον σχεδιασμό των κινητήρων τον μέγιστο δυνατό βαθμό. Το υδρογόνο παρουσιάζει σχετικά υψηλή θερμοκρασία αυτανάφλεξης (585ºC, 858K), παρέχοντας τη δυνατότητα στις μηχανές εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιούν το υδρογόνο ως καύσιμο να λειτουργούν µε μεγαλύτερους βαθμούς συμπίεσης σε σχέση με τους βενζινοκινητήρες και να παράγουν μεγαλύτερες αποδόσεις ισχύος. iv) Μεγάλη ταχύτητα καύσης. Η ταχύτητα καύσης αποτελεί ένα βασικό χαρακτηριστικό στην διαδικασία της καύσης. Ο όρος αυτός περιγράφει τη σχετική ταχύτητα του μετώπου της φλόγας σε σχέση µε το άκαυστο μίγμα. Ο ρυθμός καύσης του μίγματος υδρογόνου αέρα είναι πιο γρήγορος σε σχέση με την καύση μίγματος αέρα-βενζίνης, τόσο σε φτωχά όσο και σε στοιχειομετρικά μίγματα, απελευθερώνοντας ταχύτατα την θερμική ενέργεια πλησιάζοντας περισσότερο του θερμοδυναμικό κύκλο του OTTO. Η ιδιότητα αυτή του υδρογόνου, έχει ως δυσάρεστο αποτέλεσμα την καταπόνηση των μηχανικών μερών του κινητήρα λόγω της απότομης αύξησης της πίεσης και των πολύ μεγαλύτερων απόλυτων θερμοκρασιών στον κύλινδρο της μηχανής. Τέλος, ο υψηλός ρυθμός καύσης του υδρογόνου, επιτρέπει την πολύ ικανοποιητική λειτουργία του κινητήρα στις υψηλές περιστροφικές ταχύτητες και καθιστά τον κινητήρα υδρογόνου περισσότερο πολύστροφο σε σχέση με τον βενζινοκινητήρα. v) Πολύ χαμηλή πυκνότητα & μεγάλη ενέργεια καύσης ανά μονάδα μάζας. Η πολύ χαμηλή πυκνότητα του υδρογόνου δημιουργεί την ανάγκη για εξαιρετικά δαπανηρούς και ενεργοβόρους τρόπους αποθήκευσής του, όπως είναι η συμπίεσή του και η αποθήκευσή του ως κρυογονικό υγρό σε ειδικές δεξαμενές. Το υψηλό κόστος αποθήκευσης του υδρογόνου, αποτελεί και τη σημαντικότερη κατασκευαστική δυσκολία για τη χρήση του στις μηχανές εσωτερικής καύσης. vi) Υψηλός συντελεστής διάχυσης. Ο όρος αυτός περιγράφει την ικανότητα του καυσίμου να διαχέεται στον αέρα πιο αποτελεσματικά από τη βενζίνη δημιουργώντας έτσι ένα πιο ομοιογενές μίγμα επηρεάζοντας θετικά τη λειτουργία της μηχανής κατά την καύση φτωχών ή πολύ φτωχών μιγμάτων. Επίσης, το χαρακτηριστικό αυτό του υδρογόνου μειώνει εξαιρετικά τον κίνδυνο έκρηξης σε περίπτωση διαρροής εφόσον αυτό διαφεύγει και διαχέεται ταχύτατα στο περιβάλλον. 55

67 vii) Μικρή απόσταση σβησίματος-εξάλειψης της φλόγας. Η ιδιότητα αυτή, της καύσης, περιγράφει την απόσταση από τα τοιχώματα του κυλίνδρου στην οποία αποσβένεται το μέτωπο του αναφλεγέντος μίγματος λόγω θερμικών απωλειών. Η ιδιότητα αυτή είναι ευεργετική για την απόδοση των κινητήρων υδρογόνου, εφόσον επιτρέπει στο μέτωπο της καύσης να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση πριν αυτό σβηστεί κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου. Έτσι επιτυγχάνεται καλύτερη και πιο ομοιογενής καύση του μείγματος υδρογόνου σε σχέση µε το μείγμα βενζίνης πριν η καύση εκτονωθεί λόγω θερμικών απωλειών. Η ίδια αυτή ιδιότητα όμως, δημιουργεί και τις συνθήκες εκείνες που οδηγούν στο φαινόμενο της ανάφλεξης του μείγματος μέσα στην πολλαπλή εισαγωγής κατά το χρόνο της εισαγωγής (backfire ή flashback). [41] [49] Τεχνολογικά προβλήματα στη χρήση του υδρογόνου Τα τεχνολογικά προβλήματα που εμφανίζονται κατά την εφαρμογή του καύσιμου υδρογόνου στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, προέρχονται από τις φυσικές και χημικές ιδιότητές του, καθώς και από τις ιδιότητες καύσης του. Το μικρό κατ όγκο ενεργειακό περιεχόμενο του καυσίμου αποτελεί το σημαντικότερο τεχνολογικό εμπόδιο όσον αφορά τη χρήση του υδρογόνου στους κινητήρες εσωτερικής καύσης. Μία ποσότητα υδρογόνου που είναι αποθηκευμένη σε δεξαμενή πίεσης 200 bar σε μορφή συμπιεσμένου αερίου στη θερμοκρασία περιβάλλοντος, περιέχει το 5% της ενέργειας της βενζίνης ίδιου όγκου. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου αποδίδουν συγκριτικά πολύ μικρότερη κινητήρια ισχύ από µία βενζινομηχανή αντίστοιχου κυβισμού. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στη ιδιαίτερα χαμηλή κατ όγκο θερμογόνο δύναμη του υδρογόνου σε σχέση µ αυτήν της βενζίνης. Για την απόδοση της ίδιας ισχύος, απαιτείται στον κινητήρα υδρογόνου αύξηση του κυβισμού του κατά 40 60% από τον αντίστοιχο βενζινοκινητήρα. Το γεγονός αυτό αυξάνει το βάρος, τον όγκο, τις μηχανικές τριβές καθώς επιτείνει τις συνολικές απώλειες. Το ελαφρύτερο από τον αέρα αέριο υδρογόνο, αναφλέγεται πολύ πιο εύκολα από τη βενζίνη. Σημειωτέον, για να καεί το υδρογόνο αρκεί η ελάχιστη περιεκτικότητα του 4% σε μείγμα με τον αέρα, ενώ όταν καίγεται στη στοιχειομετρική αναλογία η φλόγα του μεταδίδεται με ταχύτητα 265 cm/sec, όταν η αντίστοιχη τιμή για τη βενζίνη είναι 40 cm/sec. Η μεγάλη ταχύτητα καύσης επιφέρει υψηλό ρυθμό αύξησης της πίεσης στο θάλαμο καύσης των κινητήρων υδρογόνου με αποτέλεσμα να εκδηλώνονται σημαντικοί κραδασμοί και υψηλά επίπεδα θορύβου σε σύγκριση με την βενζινομηχανή. Τα χαρακτηριστικά αυτά δημιουργούν ιδιαίτερες απαιτήσεις στον τομέα της ασφάλειας, αλλά και στον τομέα του ελέγχου της καύσης κατά τη λειτουργία των κινητήρων υδρογόνου. 56

68 Προβλήματα οξείδωσης των μεταλλικών μερών εμφανίζονται στο σύστημα απαγωγής των καυσαερίων, λόγω των υδρατμών που προέρχονται από τα προϊόντα της καύσης των κινητήρων υδρογόνου. Η επιλογή των ανοξείδωτων υλικών θεωρείται επιβεβλημένη στην κατασκευή του συστήματος απαγωγής. Επίσης, η παρουσία των υδρατμών αλλοιώνει τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των λιπαντικών, μειώνοντας το ιξώδες τους και την διάρκεια ζωής τους. Γι αυτό το λόγο, τα λιπαντικά που χρησιμοποιούνται στις βενζινομηχανές δεν προβλέπονται για τους υδρογονοκινητήρες. [43] Σχεδιασμός των κινητήρων εσωτερικής καύσης υδρογόνου Οι διαφορετικές ιδιότητες που παρουσιάζουν κατά την καύση το υδρογόνο με την βενζίνη, επιβάλουν άλλοτε κατασκευαστικές διαφορές και άλλοτε προσοχή σε λειτουργικές λεπτομέρειες κατά τον σχεδιασμό των κινητήρων με καύσιμο το υδρογόνο, προκειμένου να εξασφαλιστεί η ομαλή τους λειτουργία. Οι κυριότερες σχεδιαστικές επεμβάσεις αφορούν στα παρακάτω σημεία του κινητήρα. i) Σύστημα τροφοδοσίας του καυσίμου Η έγχυση του καυσίμου πραγματοποιείται είτε στον αγωγό εισαγωγής πριν από την βαλβίδα εισαγωγής (Port Fuel Injection), είτε απευθείας στον θάλαμο καύσης (Direct Injection), ενώ δεν επιτρέπεται η εφαρμογή του εξαεριωτή (carburetor) στο σύστημα τροφοδοσίας του κινητήρα. Στην περίπτωση που επιλεγεί η μέθοδος PFI, πρέπει να δίνεται ο απαιτούμενος χρόνος τόσο για την ικανοποιητική ψύξη του κυλίνδρου από τον ατμοσφαιρικό αέρα που προορίζεται για την καύση, όσο και για την ολική είσοδο του υδρογόνου στον κύλινδρο, ώστε να αποτραπεί το φαινόμενο πρόωρης ανάφλεξης στην εισαγωγή (backfire). Παράλληλα, ο αυξημένος χρόνος δίνει τη δυνατότητα σχηματισμού φτωχού μείγματος, άρα και μειωμένης κατανάλωσης. Στους κινητήρες υψηλής ιπποδύναμης, λόγω της αυξημένης κατανάλωσης καυσίμου που απαιτείται, επιλέγεται η έγχυση του καυσίμου απευθείας στο θάλαμο καύσης (Direct Injection), ώστε να εκλείψει ο κίνδυνος της ανάφλεξης στην εισαγωγή. Το καύσιμο υδρογόνο εισάγεται μέσω του συστήματος έγχυσης υψηλής πίεσης, σε αέρια μορφή ή σε μορφή κρυογονικού υγρού. Για την αποφυγή του κινδύνου της προανάφλεξης, το καύσιμο εγχύεται τμηματικά και προς το τέλος της φάσης συμπίεσης. Το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου άμεσης έγχυσης, εξασφαλίζει στον κινητήρα υδρογόνου αύξηση της ισχύος τους κατά 20% περίπου από έναν αντίστοιχο βενζινοκινητήρα. [49] 57

69 ii) Σύστημα ανάφλεξης και σπινθηριστές Για να αποφεύγεται η ανεξέλεγκτη ανάφλεξη που συχνά οφείλεται σε υπολειπόμενη ενέργεια στο σύστημα ανάφλεξης, το σύστημα ανάφλεξης πρέπει να είναι σωστά γειωμένο, ώστε να αποφεύγεται επαγωγική ανάφλεξη από τα γειτονικά καλώδια ανάφλεξης. Οι σπινθηριστές των κινητήρων υδρογόνου πρέπει να μην εμποδίζουν την μεταφορά θερμότητας από τον θάλαμο καύσης προς το σώμα του κινητήρα (ψυχροί σπινθηριστές) και η θερμοκρασία τους κατά τη φάση της καύσης να παραμένει χαμηλότερη από την θερμοκρασία ανάφλεξης του υδρογόνου, ώστε να αποφεύγεται η πυρανάφλεξη. Επίσης, το κεντρικό ηλεκτρόδιο του σπινθηριστή δεν πρέπει να κατασκευάζεται από πλατίνα (λευκόχρυσος), καθώς το υλικό αυτό επιδρά ως καταλύτης στην οξείδωση του υδρογόνου. iii) Βαθμός συμπίεσης Η υψηλή θερμοκρασία αυτανάφλεξης του υδρογόνου (585 ºC), απομακρύνει την εμφάνιση του φαινομένου της κρουστικής καύσης ή της προανάφλεξης, επιτρέποντας την λειτουργία των κινητήρων υδρογόνου µε υψηλότερους βαθμούς συμπίεσης από τις βενζινομηχανές. Ως εκ τούτου, ο υψηλότερος βαθμός συμπίεσης που μπορεί να επιτευχθεί ακόμη και κατά την καύση φτωχού μείγματος αέρα υδρογόνου, επιτρέπει μεγαλύτερη απόδοση και υψηλότερη μηχανική ισχύ. Οι σχέσεις συμπίεσης που εφαρμόζονται στους κινητήρες υδρογόνου, κυμαίνονται από 7,5: 1 έως 14,5: 1. iv) Λίπανση των ΜΕΚ υδρογόνου Το υδρογόνο ως καύσιμο, είτε ως κρυογονικό υγρό είτε ως συμπιεσμένο αέριο, στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, παρουσιάζει αμελητέες λιπαντικές ιδιότητες σε σύγκριση µε την βενζίνη. Εκτός από αυτό, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου παρουσιάζουν αυξημένες ανάγκες λίπανσης εξαιτίας της λειτουργίας τους σε υψηλότερες περιστροφικές ταχύτητες. Λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στους κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου, απαιτούνται λιπαντικά με εξαιρετικές ιδιότητες και αντοχές. Η υψηλή θερμική σταθερότητα σε συνδυασμό με τον υψηλό δείκτη ιξώδους του λιπαντικού αποτελούν τα χαρακτηριστικά που εγγυώνται στη σωστή λίπανση. Τέλος, τα μεταλλικά στοιχεία των προσθέτων του λιπαντικού καθώς σε συνδυασμό με τα κατάλοιπα που προέρχονται κατά τη χρήση τους (οξείδια, σκόνη, ρινίσματα), σχηματίζουν επικαθίσεις στο χώρο καύσης με την μορφή τέφρας (sulfated ash). Στα σημεία αυτά εμφανίζεται υπεθέρμανση των μεταλλικών μερών του κυλίνδρου με αποτέλεσμα την διευκόλυνση της πυρανάφλεξης. [41] 58

70 v) Σχεδιασμός του θαλάμου καύσης Ο υψηλός συντελεστής διάχυσης καθώς και η μεγάλη ταχύτητα καύσης συμβάλουν στην καλύτερη ανάμιξη του καυσίμου µε τον αέρα πετυχαίνοντας την καύση του μείγματος χωρίς να απαιτείται ειδική διαμόρφωση για ενδυνάμωση του στροβιλισμού στον θαλάμου καύσης. Η απλοϊκή διαμόρφωση της κεφαλής του κυλίνδρου, με τις συμμετρικά τοποθετημένες βαλβίδες και τον σπινθηριστή στον άξονα του κυλίνδρου, συντελούν στο να αποφεύγονται σημεία κακής ψύξης και επικαθίσεων σωματιδίων του λιπαντικού που δύναται να προκαλέσουν προανάφλεξη. vi) Τεχνικές ψύξης του θαλάμου καύσης Η επαρκής ψύξη του θαλάμου καύσης είναι ιδιαίτερα κρίσιμη για την ομαλή λειτουργία των κινητήρων υδρογόνου. Ο απόλυτος καθαρισμός του θαλάμου καύσης από τα καυσαέρια του προηγούμενου κύκλου, αποτελεί ζητούμενο για την μείωση της θερμοκρασίας του θαλάμου καύσης. Τα συστήματα μεταβλητού χρονισμού, πέρα από τις απαιτήσεις για μεγαλύτερες τιμές ισχύος και ροπής σε όλο το φάσμα των στροφών µε μειωμένη κατανάλωση και λιγότερους ρύπους, συντελούν στην δημιουργία κατάλληλου αερισμού για τον καθαρισμό των καυσαερίων. Εξαιτίας των υψηλότερων θερμοκρασιών στους κινητήρες υδρογόνου, απαραίτητη κρίνεται η τοποθέτηση ενισχυμένων βαλβίδων με ειδική επεξεργασία στις έδρες τους, όπως επίσης και της φλάντζας κεφαλής. [43] 4.6 Αποθήκευση του υδρογόνου Η πολύ χαμηλή πυκνότητα του υδρογόνου, είναι η ιδιότητα που αποτελεί ίσως τον σημαντικότερο ανασταλτικό παράγοντα για την ανάπτυξη και εδραίωσή του ως καύσιμο στον τομέα των μεταφορών. Σε κανονικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (20 C, 1atm), το 1kg υδρογόνου καταλαμβάνει όγκο 11m 3. Για να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο και να αποδώσει ισοδύναμη ενέργεια με αυτή των συμβατικών καυσίμων θα πρέπει να μειωθεί ο όγκος του, είτε με συμπίεση είτε με ψύξη. Στα σημερινά οχήματα, το καύσιμο υδρογόνο αποθηκεύεται στις δεξαμενές καυσίμου με τις εξής μορφές: συμπιεσμένο αέριο σε δεξαμενές υψηλών πιέσεων κρυογονικό υγρό σε δεξαμενές εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών i) Συμπιεσμένο αέριο Είναι πιο κοινή μέθοδος αποθήκευσης του υδρογόνου. Η αποθήκευσή του στα οχήματα γίνεται σε δεξαμενές υψηλής πίεσης των 200, 350 και 700 bar. Η αποθήκευση σε δεξαμενές υψηλής πίεσης θεωρείται απαραίτητη λόγω του περιορισμένου όγκου των οχημάτων, ιδίως 59

71 των επιβατικών, που διατίθεται για τις δεξαμενές καυσίμου. Για την επίτευξη των υψηλών πιέσεων, καταναλώνεται σημαντική ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την συμπίεση, έχοντας ως αποτέλεσμα την μετακύλιση του κόστους αποθήκευσης στο καύσιμο υδρογόνο. Οι δεξαμενές υψηλής πίεσης κατασκευάζονται από κράματα αλουμινίου με ενίσχυση συνθετικών στρώσεων από ανθρακονήματα. ii) Κρυογονικό υγρό Για την αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας του υδρογόνου, επιδιώκεται η αποθήκευσή του στην υγρή του μορφή σε κρυογονικές δεξαμενές, καθώς το υγρό υδρογόνο σε ενεργειακή πυκνότητα κατ όγκο, υπερβαίνει κατά πολύ την αντίστοιχη του αερίου υδρογόνου. Αυτό σημαίνει ότι ένα όχημα το οποίο κινείται με υγρό υδρογόνο διαθέτει μεγαλύτερη αυτονομία, από ένα άλλο που διαθέτει ίδιου όγκου ρεζερβουάρ συμπιεσμένου υδρογόνου. Για την αποθήκευση του υδρογόνου σε υγρή μορφή, απαιτείται εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία κάτω των -253 C και η συνήθης πίεση της δεξαμενής είναι 3-5bar. Με την μέθοδο αυτή το ενεργειακό περιεχόμενο του υδρογόνου αυξάνεται κατά περίπου επτά φορές σε σχέση µε το ενεργειακό περιεχόμενο του αποθηκευμένου αερίου υδρογόνου σε πίεση 700 bar. Στην περίπτωση του αποθηκευμένου υδρογόνου, το ειδικό βάρος της δεξαμενής είναι περίπου 7kg ανά 1kg υδρογόνου και ο ειδικός όγκος της είναι 36l/ kg υγροποιημένου υδρογόνου. Κατά τη διαδικασία υγροποίησης του υδρογόνου, απαιτούνται ιδιαίτερα σημαντικά ποσά ενέργειας όπου μπορεί να φτάσουν ακόμη και το 40% της ενέργειας του αποθηκευμένου υδρογόνου. Η πολύ χαμηλή θερμοκρασία διατήρησης του υγρού υδρογόνου δημιουργεί έντονο πρόβλημα μεταφοράς θερμότητας από τα τοιχώματα της δεξαμενής, γεγονός που επιβάλλει την κατά το δυνατό τέλεια θερμική μόνωση των τοιχωμάτων της. Η δεξαμενή Εικόνα Κρυογονική δεξαμενή υδρογόνου σε τομή (πηγή: 09/bmw_announces_m.html) Εικόνα Κρυογονική δεξαμενή υδρογόνου σε τομή της BMW με υπερμόνωση.. Διακρίνονται τα μονωτικά στρώματα (πηγή: 60

72 υδρογόνου αποτελείται από μία δομή διπλού τοιχώματος που αποτελείται από πλάκες 2mm πάχους από ανοξείδωτο χάλυβα και διαθέτει ένα κενό στρώμα αέρα πάχους 30mm ως υπερμόνωση μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού της δεξαμενής (εικόνα 4-20). Αυτή η διάταξη μειώνει τη μεταφορά θερμότητας στο ελάχιστο. Για την ελαχιστοποίηση της θερμικής αγωγιμότητας μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών τμημάτων των δεξαμενών, χρησιμοποιούνται ισχυρά ανθρακονήματα. Ωστόσο, ακόμα και η υπερμόνωση με κενό αέρα δεν μπορεί να αποτρέψει την άνοδο της θερμοκρασίας και την αύξηση της πίεσης, κάτι που σημαίνει ότι μία μικρή ποσότητα υγρού υδρογόνου αναπόφευκτα, κάθε τόσο, θα εξατμίζεται (εικόνα 4-21). Η εξάτμιση ξεκινά μόνον εάν το όχημα παραμείνει σε ακινησία για τουλάχιστο 17 ώρες και ελέγχεται από ειδικό σύστημα. Εκτιμάται ότι η ατμοποίηση του υδρογόνου καθημερινά ανέρχεται σε ποσοστό περίπου 2%. Το αέριο υδρογόνο που εκλύεται από την κρυογονική δεξαμενή του οχήματος, αναμιγνύεται με αέρα σε ένα σωλήνα που διαθέτει σύστημα venturi και οξειδώνεται μέσω νερού σε έναν καταλυτικό μετατροπέα. Λόγω αυτής ακριβώς της ιδιαιτερότητας, τα οχήματα που λειτουργούν με υγρό υδρογόνο, δεν συνιστάται η στάθμευσή τους σε κλειστούς χώρους, καθώς η ανάμειξη του υδρογόνου με τον αέρα δημιουργεί εκρηκτικό μείγμα. [43] 4.7 Κυψέλες καυσίμου υδρογόνου (Fuel Cell) Η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, εφευρέθηκε από την General Electric στη δεκαετία του 1950 και χρησιμοποιήθηκε από τη ΝΑSA για την εξασφάλιση της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα διαστημικά της προγράμματα. Η κυψέλη καυσίμου είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή που χρησιμοποιεί για καύσιμο το υδρογόνο και πραγματοποιεί την μετατροπή του υδρογόνου και του οξυγόνου σε νερό, παράγοντας ηλεκτρισμό και θερμότητα. Μια κυψέλη καυσίμου υδρογόνου αποτελείται από μία άνοδο, μία κάθοδο και ανάμεσά τους βρίσκεται ένας ηλεκτρολύτης (εικόνα 4-22) που έχει την χαρακτηριστική ιδιότητα να επιτρέπει τη διέλευση των κατιόντων (θετικά φορτισμένα άτομα) χωρίς να συμβαίνει το ίδιο για τα ουδέτερα και αρνητικά φορτισμένα άτομα (ανιόντα). Οι κυψέλες καυσίμου ταξινομούνται με βάση τον τύπο του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιούν. Ο πιο γνωστός τύπος είναι η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων PEM (Proton Exchange Membrane Fuel Cells). Όσο αφορά την εφαρμογή των κυψελών καυσίμου στα οχήματα, σήμερα η έρευνα είναι επικεντρωμένη κυρίως σε αυτόν τον τύπο. [53] 61

73 Εικόνα Τα βασικά μέρη μίας κυψέλης καυσίμου Εικόνα Αναλυτική περιγραφή της αντίστροφης διαδικασίας ηλεκτρόλυσης Η αρχή λειτουργίας: Το υδρογόνο τροφοδοτεί την άνοδο της κυψέλης, το αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο ερχόμενο σε επαφή με τον καταλύτη διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Η άνοδος και ο καταλύτης είναι τέτοιας κατασκευής ώστε η διάχυση των ατόμων του υδρογόνου να γίνεται με ομογενή τρόπο. Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος προς την κάθοδο αφού η μεμβράνη δεν επιτρέπει τη διέλευση τους μέσω αυτής. Η συνεχής μεταφορά των ηλεκτρονίων, δημιουργεί συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Για την διευκόλυνση της μεταφοράς των ηλεκτρονίων, τόσο η άνοδος όσο και ο καταλύτης πρέπει να κατασκευάζονται με υλικά υψηλής αγωγιμότητας. Οι αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα είναι οι εξής: Άνοδος (-) Οξείδωση του υδρογόνου : 2H 2 4H + + 4e - Κάθοδος (+) Αναγωγή του Οξυγόνου: Ο 2 + 4Η + + 4e - 2H 2 O Ολική αντίδραση 2H 2 + Ο 2 2H 2 O + ενέργεια Τα θετικά φορτισμένα ιόντα του υδρογόνου Η + (πρωτόνια), διαπερνούν τη μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνο το οποίο τροφοδοτεί την κάθοδο το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο και παράγεται νερό. Η ομογενής διάχυση του οξυγόνου στον καταλύτη εξασφαλίζεται από την κατασκευή του ηλεκτροδίου. Τα δύο στρώματα του καταλύτη συμβάλλουν στην αύξηση της ταχύτητας των αντιδράσεων διάσπασης του μορίου του υδρογόνου σε Η + και e - καθώς και της ένωσης των 62

74 κατιόντων του υδρογόνου με το οξυγόνου για τη δημιουργία νερού, στην άνοδο και στην κάθοδο αντίστοιχα (εικόνα 4-23). Ο καταλύτης έχει τη μορφή ενός πολύ λεπτού στρώματος, συνήθως λευκόχρυσου (Pt) πάνω σε επιφάνεια άνθρακα. Το στρώμα αυτό είναι και το μέρος του καταλύτη το οποίο βρίσκεται σε επαφή με τη μεμβράνη. Ο καταλύτης είναι τραχύς και πορώδης ώστε να μεγιστοποιείται η εκτεθειμένη επιφάνεια του. [51] [52] Σημαντικός παράγοντας στην απόδοση της κυψέλης καυσίμου, αποτελεί η διαφορετική ταχύτητα αντίδρασης μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Ο βαθμός θεωρητικής απόδοσης μιας κυψέλης καυσίμου περιορίζεται περίπου στο 60% με αποτέλεσμα η τιμή τάσης να είναι περίπου 0,7 V. Επειδή αυτή η τάση είναι μικρή και δεν συνηθίζεται στις περισσότερες εφαρμογές, γίνεται η χρήση παραπάνω από μίας κυψέλης που συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά, δημιουργώντας μία συστοιχία κυψέλης καυσίμου (Fuel Cell Stack). Ανάλογα με τη χρήση όπου προορίζεται η κυψέλη η στήλη μπορεί να αποτελείται από μερικές έως και εκατοντάδες κυψέλες. Ειδικά σε περιπτώσεις όπου απαιτείται εκτός από μεγάλη τάση και μεγάλη ισχύς, χρησιμοποιούνται περισσότερες από μία συστοιχίες σε σειρά. Οι κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM), λειτουργούν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, περίπου 80 º C, παράγουν ισχύ μεταξύ των 50 και 250 kw και ο βαθμός απόδοσής τους κυμαίνεται από 40 έως 50%. Το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα των κυψελών αυτών να προσαρμόζονται στις γρήγορες αυξομειώσεις για απαίτηση ισχύος και χαρακτηρίζονται ικανές για την κίνηση οχημάτων. [52] [53] Πλεονεκτήματα κυψελών καυσίμου Το βασικό πλεονέκτημα των κυψελών καυσίμου υδρογόνου, σε σχέση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου, έγκειται κατά την διαδικασία μετατροπής της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε μηχανική ενέργεια. Στους κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου, η μηχανική ενέργεια παράγεται µέσω της μετατροπής της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε θερμική και στη συνέχεια ακολουθεί η μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανικό έργο. Κατά την πρώτη μετατροπή της ενέργειας, απαιτείται η συμμετοχή του ατμοσφαιρικού αέρα για την καύση, με αναπόφευκτη παραγωγή καυσαερίων νερού και οξειδίων του αζώτου. Τα δύο αυτά προϊόντα καύσης, αποτελούν σημαντικό παράγοντα θερμικών απωλειών, μειώνοντας τον βαθμό απόδοσης που υπαγορεύουν τα αυστηρά όρια του θερμοδυναμικού κύκλου OTTO. Στις κυψέλες καυσίμου πραγματοποιείται αντίστροφη ηλεκτρόλυση και ισχύει το όριο απόδοσης της χημικής αντίδρασης που είναι υψηλότερο. Εάν συμπεριλάβουμε και τις μηχανικές απώλειες λόγω τριβών και κίνησης των βοηθητικών εξαρτημάτων που απαιτούνται για τη λειτουργία των μηχανών εσωτερικής καύσης, αντλίες, εκκεντροφόροι κ.λ.π., δικαιολογείται απόλυτα η μεγαλύτερη απόδοση των κυψελών καυσίμου. 63

75 Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με μοναδικά προϊόντα καύσης το νερό και τη θερμότητα. Για την παραγωγή του υδρογόνου απαιτείται κατανάλωση ενέργειας που μπορεί να προέλθει από την καύση των ορυκτών καυσίμων ή από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Στην περίπτωση που το υδρογόνο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου, παράγεται με χρήση ορυκτών καυσίμων, η περιβαλλοντική επιβάρυνση που προκαλείται είναι μικρότερη από την αντίστοιχη επιβάρυνση που επιφέρουν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης με χρήση ορυκτών καυσίμων, καθώς δεν εκπέμπουν οξείδια του αζώτου, του θείου και αιωρούμενα σωματίδια. [53] Οι κυψέλες καυσίμου απαλλάσσονται από τη λειτουργία πολύπλοκων βοηθητικών συστημάτων (σύστημα λίπανσης, σύστημα έγχυσης, σύστημα ανάφλεξης, σύστημα υπερτροφοδότησης, κ.λ.π.), που επιφέρουν την αύξηση του κόστους συντήρησης. Παράλληλα, αυξάνεται η αξιοπιστία τους καθώς απομακρύνεται η περίπτωση βλάβης των βοηθητικών συστημάτων Μειονεκτήματα κυψελών καυσίμου Το κόστος παραγωγής των κυψελών καυσίμου παραμένει σε ψηλά επίπεδα, για το λόγο ότι μέχρι τώρα δεν κατασκευάζεται σε γραμμή παραγωγής, αλλά κάθε μία φτιάχνεται προσεκτικά στο χέρι. Επίσης, το στοιχείο του καταλύτη είναι επενδυμένα με πολύτιμα μέταλλα (πλατίνα) και ως εκ τούτου ανεβάζει το κόστος παραγωγής. Οι περισσότεροι κατασκευαστές για λόγους ανταγωνισμού δεν δίνουν πληροφορίες σχετικά με την ποσότητα των πολύτιμων μετάλλων που χρησιμοποιούν στα καταλυτικά στοιχεία. Ωστόσο, τουλάχιστον 80 γραμμάρια πλατίνας χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή της 4ης γενιάς κυψελών από την General Motor. Στην 5η γενιά, της General Motor περιέχονται περίπου 30 γραμμάρια πλατίνας και στο μέλλον η ποσότητα αυτή αναμένεται να περιοριστεί στα 10 γραμμάρια. Ίσως το σημαντικότερο μειονέκτημα που απασχολεί την τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, είναι η διάρκεια ζωής των κυψελών τους. Οι κυψέλες καυσίμου είναι επιρρεπείς στην δηλητηρίαση από τυχόν ακαθαρσίες που περιέχονται στον ατμοσφαιρικό και στο βιομηχανικό υδρογόνο. Παρόλο που οι κυψέλες νέας γενιάς διαθέτουν πιο ανθεκτικούς καταλύτες, το πρόβλημα παραμένει σημαντικό. [53] [54] Οχήματα με κινητήρες υδρογόνου Η ιδέα για την λειτουργία ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης με καύσιμο το υδρογόνο είναι σχεδόν τόσο παλιά όσο και η ίδια η μηχανή εσωτερικής καύσης. Το 1807, ο François de Rivaz Ισαάκ της Ελβετίας εφηύρε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης όπου χρησιμοποιούσε ως καύσιμο ένα μίγμα υδρογόνου και οξυγόνου. Ο πρώτος κατοχυρωμένος με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας κινητήρας εσωτερικής καύσης κατασκευάστηκε από τον Jean Joseph Etienne 64

76 Lenoir, το Ο κινητήρας χρησιμοποιούσε για καύσιμο αέριο υδρογόνο που παράγονταν από την ηλεκτρόλυση του νερού. Ο πρώτος κινητήρας υδρογόνου άμεσης έγχυσης πίσω στο 1933, όταν η Εταιρεία Erren πρότεινε την έγχυση του υδρογόνου με χαμηλή πίεση μέσα στο θάλαμο καύσης αντί την τροφοδοσία του μίγματος αέρα-καυσίμου μέσω ενός καρμπυρατέρ στον κινητήρα, μια μέθοδος που συχνά οδηγούσε σε πρόωρη ανάφλεξη. Με το υδρογόνο να χρησιμοποιείται ως ενισχυτής καύσης, το σύστημα έχει εξαλείψει την πρόωρη ανάφλεξη και επιτυγχάνει πολύ καλύτερη καύση των υδρογονανθράκων με υψηλότερη απόδοση και χαμηλότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου. Το 1974, το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Μουσάσι παρουσίασε το πρώτο ιαπωνικό όχημα που χρησιμοποιούσε ως καύσιμο το υδρογόνο, που ονομάστηκε Musashi 1. Χρησιμοποιούσε έναν 4-χρονο κινητήρα υδρογόνου, με δεξαμενή αποθήκευσης αέριου υδρογόνου υψηλής πίεσης. Το Musashi 2, που εισήχθη το 1975, ήταν εξοπλισμένο με σύστημα έγχυσης υγρού υδρογόνου σε ένα 4-χρονο κινητήρα σε συνδυασμό με δεξαμενή αποθήκευσης υγρού υδρογόνου. Το 1977, το Musashi 3 παρουσιάστηκε χρησιμοποιώντας ένα 2-χρονο κινητήρα ανάφλεξης με σύστημα άμεσης έγχυσης υδρογόνου. Το 1979 η BMW εισήγαγε για πρώτη φορά όχημα υδρογόνου. [41] [44] i) Χαρακτηρισμός των οχημάτων υδρογόνου Τα οχήματα υδρογόνου με κινητήρες εσωτερικής καύσης μπορεί να ταξινομηθούν σε οχήματα υδρογόνου όπου είναι ειδικά σχεδιασμένα και κατασκευασμένα από έναν κατασκευαστή πρωτότυπου εξοπλισμού (OEM) για να λειτουργούν με υδρογόνο και σε τροποποιημένα οχήματα, όπου είτε από τον κατασκευαστή τους είτε από κάποιον άλλον μεταγενέστερα από την κατασκευή τους προσαρμόστηκαν ώστε να λειτουργήσουν με το υδρογόνο. Τα οχήματα υδρογόνου, έχουν επίσης την κατασκευαστική δυνατότητα να λειτουργούν μόνο με το υδρογόνο, καθώς και με δύο καύσιμα (dual fuel), συνήθως με υδρογόνο και με βενζίνη. Επίσης, το υδρογόνο ως καύσιμο στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, έχει εφαρμοστεί σε παλινδρομικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης (reciprocating), καθώς και σε περιστροφικούς κινητήρες (rotary engines) με καλύτερη συμπεριφορά. [41] ii) Τροποποιημένα Οχήματα με καύσιμο υδρογόνο Η εταιρία Quantum Techstar έχει μετατρέψει πάνω από 30 υβριδικά οχήματα Toyota Prius ώστε να λειτουργούν με καύσιμο υδρογόνο. Έχει αντικαταστήσει τη συμβατική δεξαμενή βενζίνης με δυο δεξαμενές συμπιεσμένου υδρογόνου, αφήνοντας αμετάβλητο το εσωτερικό του οχήματος. 65

77 Εικόνα Το τροποποιημένο μοντέλο Quantum Hydrogen Prius (πηγή: Το Quantum Hydrogen Prius, προκειμένου να αυξηθεί η ισχύς εξόδου στη λειτουργία με καύσιμο υδρογόνο, έχει υπερτροφοδοτούμενο κινητήρα. Με μια οδική συμπεριφορά παρόμοια με την αντίστοιχη της βενζίνης, το Quantum Hydrogen Prius έχει εκτιμώμενη αυτονομία χιλιόμετρα.(εικόνα 4-24) [41] iii) Οχήματα διπλού καυσίμου (dual fuel) BMW Hydrogen 7 (2006) Η BMW από το 1979, έχει κατασκευάσει έξι γενιές οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης υδρογόνου. Η τελευταία γενιά είναι η BMW Hydrogen 7 διπλού καυσίμου, ένα πολυτελές sedan που κινείται από έναν 6-λιτρο 12-κύλινδρο κινητήρα με διάταξη κυλίνδρων τύπου V (6,0 LV12). Ο κινητήρας είναι εφοδιασμένος με δύο ξεχωριστά συστήματα καυσίμων επιτρέποντας το όχημα να λειτουργεί με βενζίνη, καθώς και υδρογόνο (εικόνα 4-25). Κατά αυτόν τον τρόπο, η αυτονομία του οχήματος αυξάνεται χωρίς να εξαρτάται από την έλλειψη υποδομών σε σταθμούς ανεφοδιασμού καυσίμου υδρογόνου. Εικόνα Τα μέρη της BMW Hydrogen 7 (2006) 66

78 Εικόνα Η κρυογονική δεξαμενή της BMW Hydrogen 7 Η βενζίνη, εγχέεται απευθείας στον θάλαμο καύσης, ενώ το υδρογόνο εγχέεται στην πολλαπλή εισαγωγής του ατμοσφαιρικού κινητήρα. Το όχημα είναι εξοπλισμένο με μια κρυογονική δεξαμενή υδρογόνου που βρίσκεται στον κορμό του οχήματος, καθώς και από τη συμβατική δεξαμενή βενζίνης που βρίσκεται κάτω από τα πίσω καθίσματα. Η κρυογονική δεξαμενή των 74 lt αποθηκεύει περίπου 7,8 kg υγρό υδρογόνο, το οποίο επιτρέπει ένα εκτιμώμενο εύρος των 200 km σε λειτουργία υδρογόνου και ένα 480 km σε λειτουργία βενζίνης. Ο 12-κύλινδρος κινητήρας, αποδίδει κατά την καύση υδρογόνου μέγιστη ισχύ 260ΗP στις 5100 rpm, ενώ στις rpm αποδίδει 390Nm που είναι η μέγιστη ροπή του. Η σχέση συμπίεσης είναι 9.5:1 και η κατανάλωση βενζίνης 13,9lt/100km, ενώ σε λειτουργία υδρογόνου η κατανάλωση είναι 3.6kg=13,3lt H 2 /100km. Η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπεται από τα καυσαέρια είναι 332gCO 2 /km σε λειτουργία βενζίνης, ενώ σε λειτουργία υδρογόνου μόλις 5,2 gco 2 /km. Οι κατασκευαστές της BMW Hydrogen 7, αντιμετώπισαν την πρόκληση της καύσης του υδρογόνου στην στοιχειομετρική του αναλογία (λ=1), όπου εμφανίζεται η ανώμαλη καύση. Για την αποφυγή των προβλημάτων που προέρχονται από την ανώμαλη καύση, χρησιμοποιήθηκαν συστήματα μεταβλητού χρονισμού και βύθισης βαλβίδων (Variable Valve Timing). H εταιρεία επέλεξε να παραδώσει τα 100 οχήματα BMW Hydrogen 7 που κατασκεύασε σε προσωπικότητες του πολιτικού χώρου, των μέσων μαζικής ενημέρωσης, σε επιχειρηματίες και μεγάλα ονόματα της βιομηχανίας του θεάματος, πιστεύοντας ότι αποτελούν τους ιδανικούς πρεσβευτές για την διάδοση και την ευαισθητοποίηση της τεχνολογίας του καύσιμου υδρογόνου. [44] [45] [48] Mazda RX-8 Hydrogen RE (2003) Από το 1991, η Mazda έχει αναπτύξει αρκετές γενιές με υδρογονοκίνητα οχήματα βασισμένα στον περιστροφικό κινητήρα Wankel. Τα προβλήματα της ανώμαλης καύσης του υδρογόνου που εμφανίζονται στους παλινδρομικούς εμβολοφόρους κινητήρες εσωτερικής καύσης, 67

79 Εικόνα Ο κινητήρας Wankel με τους ξεχωριστούς θαλάμους (πηγή: Εικόνα (2003) Mazda RX-8 Hydrogen RE φαίνεται ότι μετριάζονται στους περιστροφικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ο περιστροφικός κινητήρας Wankel διαθέτει ξεχωριστούς θαλάμους για την εισαγωγή, την καύση και την εξαγωγή (εικόνα 4-27). Η θερμοκρασία του θαλάμου εισαγωγής παραμένει χαμηλότερη κατά τη λειτουργία του κινητήρα σε σχέση με τον θάλαμο καύσης και εξαγωγής. Έτσι, κατά την έγχυση του υδρογόνου στον θάλαμο εισαγωγής αποφεύγεται το φαινόμενο της προανάφλεξης κατά την φάση της εισαγωγής που ευνοείται από τις υψηλές θερμοκρασίες. Παράλληλα, η χαμηλή θερμοκρασία του θαλάμου εισαγωγής προστατεύει τους εγχυτήρες από την υπερθέρμανσή τους με αποτέλεσμα να αυξάνεται ο χρόνος λειτουργίας τους. Το μοντέλο της Mazda RX-8 Hydrogen RE, (εικόνα 4-28) παρουσιάστηκε το 2003 και έχει τη δυνατότητα λειτουργίας με δύο είδη καυσίμων (dual fuel), του υδρογόνου και της βενζίνης. Η φιλοσοφία είναι ίδια µε εκείνη της BMW, και στηρίζεται στην περιορισμένη αυτονομία των οχημάτων υδρογόνου, καθώς και στην έλλειψη των υποδομών για τον ανεφοδιασμό των οχημάτων υδρογόνου. Το Mazda RX-8 Hydrogen RE είναι εξοπλισμένο με δύο δεξαμενές συμπιεσμένου υδρογόνου με πίεση λειτουργίας έως 350 bar, δίνοντας ένα εύρος περίπου 100 χιλιομέτρων με τη λειτουργία του υδρογόνου και επιπλέον πεντακόσια πενήντα χιλιόμετρα με βενζίνη. Ο περιστροφικός κινητήρας αποτελείται από δύο περιστρεφόμενα λοβοειδή έμβολα, εφοδιασμένος με σύστημα άμεσου ψεκασμού αέριου υδρογόνου. Για την έγχυση του υδρογόνου χρησιμοποιούνται δύο εγχυτήρες σε κάθε ρότορα ώστε εξασφαλιστεί η παροχή του υδρογόνου που φέρει το μειονέκτημα της μικρής πυκνότητας. Η έκδοση υδρογόνου του κινητήρα Renesis, είναι εξοπλισμένη με ένα μοτέρ ηλεκτρικής υποβοήθησης για τον υπερσυμπιεστή, που χρησιμοποιείται για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης σε όλο το εύρος στροφών του κινητήρα. Ο συνδυασμός του φτωχού και στοιχειομετρικού μείγματος κατά την του καύση υδρογόνου, έχει ως αποτελέσματα την βελτίωση της λειτουργίας σε ποσοστό 23% στην οικονομία καυσίμου σε σχέση σε λειτουργία βενζίνης. Ωστόσο, η απόδοση της λειτουργίας 68

80 του οχήματος με βενζίνη μειώνεται από τα 154 kw (210PS) στα 80 kw (109PS) όταν λειτουργεί με υδρογόνο. [44] [46] Ford P2000 Hydrogen ICE (2001) Η Ford Motor Company έχει αξιολογήσει το καύσιμο υδρογόνο από το 1997 ως μία εναλλακτική επιλογή καυσίμου για τα οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Το Ford P2000 Hydrogen ICE που παρουσίασε το 2001 (εικόνα 4-29), ήταν το πρώτο της αυτοκίνητο µε μηχανή εσωτερικής καύσης υδρογόνου. Το μοντέλο χρησιμοποιούσε το παλαιότερο δίλιτρο κινητήρα DURATEC ειδικά τροποποιημένο για την αποκλειστική καύση συμπιεσμένου αερίου υδρογόνου. Ο 16-βάλβιδος κινητήρας µε δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής (DOHC) και με αυξημένη σχέση συμπίεσης 14,5:1, ανέβασε την απόδοση κατά 25 µε 30% σε σχέση µε την απόδοση του συμβατικού κινητήρα βενζίνης. Το Ford P2000 Hydrogen ICE είναι κατασκευασμένο από αλουμίνιο µε στόχο τη μείωση του βάρους και των εκπομπών ρύπων. Το αυτοκίνητο ζυγίζει 1100kg και οι εκπομπές NOx κυμαίνονται μεταξύ 0,23 και 0,46g/km. Το υδρογόνο είναι αποθηκευμένο σε μορφή συμπιεσμένου αερίου σε πίεση 250bar. Το Ford P2000 Hydrogen διαθέτει δύο κυλινδρικές δεξαμενές συνολικής χωρητικότητας 87L, κατασκευασμένες από αλουμίνιο και ανθρακονήματα και είναι τοποθετημένες στο χώρο των αποσκευών. Το μοντέλο χαρακτηρίζεται από την αυξημένη ασφάλεια σε περίπτωση διαρροής του υδρογόνου. Στο χώρο των αποσκευών και του κινητήρα, έχουν τοποθετηθεί αισθητήρες υδρογόνου για την ανίχνευση πιθανών διαρροών. Οι αισθητήρες ενεργοποιούν ένα συναγερμό σε τρία διαδοχικά στάδια. Εκτός από το σύστημα συναγερμού, είναι εγκατεστημένο στο χώρο αποσκευών και στο χώρο της μηχανής ένα σύστημα εξαερισμού, αποτελούμενο από τέσσερις ανεμιστήρες, µε σκοπό να αποτρέψει την συγκέντρωση του υδρογόνου σε περίπτωση διαρροής. [41] [44] Η ποσότητα των 87L υδρογόνου που είναι αποθηκευμένη το αυτοκίνητο του παρέχει αυτονομία 100 km περίπου. Αργότερα, με την τοποθέτηση ενός εξελιγµένου συστήματος αποθήκευσης συμπιεσμένου αερίου υδρογόνου σε πίεση 350bar, µε χωρητικότητα 178L ή Εικόνα Το μοντέλο Ford P2000 Hydrogen ICE (2001) (πηγή: 69

81 4kg υδρογόνου, αυτονομία του αυτοκίνητου ξεπέρασε τα 270km. Το Ford P2000 Hydrogen παρουσιάζει βελτίωση της απόδοσης 17,9% σε σχέση με το συμβατικό κινητήρα βενζίνης. Ford E450 Triton (2005) Το 2004, η Ford για να δείξει ότι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου μπορεί να έχουν μια βιώσιμη εφαρμογή και στα εμπορικά οχήματα, επέλεξε από το στόλο της 30 λεωφορεία μεταφοράς του μοντέλου E450 και τοποθέτησε τον κινητήρα 6,8L Triton με καύσιμο υδρογόνο (εικόνα 4-30). Τα μικρά λεωφορεία των 8-12 επιβατών, με 4,5m απόσταση αξόνων και με εκτιμώμενο μεικτό βάρος οχήματος 6.373kg, είναι εξοπλισμένα με δεξαμενές αποθήκευσης συμπιεσμένου αερίου υδρογόνου (εικόνα 4-31). Η αποθήκευση των 29.6kg του υδρογόνου γίνεται στα 350 bar, γεγονός που παρέχει στο όχημα αυτονομία km. Στον Πίνακα 4-1 δίνονται συνοπτικά οι σχετικές πληροφορίες για τα υδρογονοκίνητα οχήματα που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η σύνοψη περιλαμβάνει τεχνολογικές λεπτομέρειες, όπως ο τύπος του κινητήρα που χρησιμοποιείται, το σύστημα αποθήκευσης υδρογόνου και η ποσότητα αποθήκευσης, η αυτονομία του οχήματος με το υδρογόνο ή με βενζίνη, σε περίπτωση που χρησιμοποιείται σύστημα διπλού καυσίμου και τέλος ο αριθμός των οχημάτων που έχουν παραχθεί. Εικόνα Κινητήρας υδρογόνου 6,8L Triton (πηγή: Εικόνα Λεωφορείο Ford E450 (πηγή: Πίνακας 4-1. πηγή S. Verhelst, T. Wallner. Hydrogen-fueled internal combustion engines. Progress in Energy and Combustion Science 35 (2009) p.519 [41] 70

82 Εικόνα Όχημα υδρογόνου BMW Hydrogen 7 Mono-fuel ( Οχήματα υδρογόνου (MONO-fuel) H BMW Hydrogen 7 Mono-fuel, με μοναδικό καύσιμο το υδρογόνο, κατασκευάστηκε με βάση την BMW Hydrogen 7 διπλού καυσίμου, θέλοντας να επιδείξει την δυναμική μείωσης των εκπομπών ενός οχήματος υδρογόνου (εικόνα 4-32). Από την πλευρά του εξοπλισμού και των βοηθητικών συστημάτων, οι πιο σημαντικές αλλαγές εντοπίζονται στην αφαίρεση του συστήματος τροφοδοσίας καυσίμου βενζίνης, συμπεριλαμβανομένων των εγχυτήρων ψεκασμού, τις σωληνώσεις καυσίμου, τα φίλτρα άνθρακα για τον εξαερισμό της δεξαμενής και του συλλέκτη καυσίμου. Οι δύο αντλίες καυσίμων υψηλής πίεσης που επέφεραν μηχανικές απώλειες στον κινητήρα αφαιρέθηκαν. Για λόγους σταθερότητας, η δεξαμενή καυσίμου βενζίνης δεν αφαιρέθηκε γιατί αποτελεί ένα δομικό στοιχείο στο αμάξωμα. Τα οχήματα BMW Hydrogen 7 Mono-fuel είναι εφοδιασμένα με βελτιωμένους καταλύτες. Ανεξάρτητα αποτελέσματα δοκιμών έδειξαν ότι τα οχήματα αυτά επιτυγχάνουν επίπεδα εκπομπών, με πάρα πολύ μικρά ποσοστά εκπομπών NOx. Η κατανάλωση καυσίμου είναι 3.7 kg υδρογόνου ανά 100 χιλιόμετρα, η οποία ενεργειακά ισοδυναμεί με την κατανάλωση καυσίμου βενζίνης 13,8 L ανά 100 km.η κατανάλωση καυσίμου σε αυτοκινητόδρομο προσδιορίζεται στα 2,1 kg υδρογόνου ανά 100 km, που αντιστοιχεί σε 7,8 L της βενζίνης ανά 100 km. [44] 4.8 Συμπεράσματα για την Υδρογονοκίνηση Το υδρογόνο δεν είναι άμεσα διαθέσιμο σε μοριακή μορφή στη φύση και πρέπει να παραχθεί με τη χρήση άλλων πηγών ενέργειας. Αυτός είναι ο λόγος που για πολλούς ερευνητές το υδρογόνο θεωρείται φορέας ενέργειας και όχι πηγή ενέργειας. Ωστόσο, το υδρογόνο φαίνεται να αποτελεί μια βιώσιμη λύση για το μέλλον των μεταφορών, και οι κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου θα μπορούσαν να δράσουν ως γέφυρα της τεχνολογίας προς την κατεύθυνση της υιοθέτησής του, δεδομένου ότι τα οχήματα με 71

83 κινητήρες εσωτερικής καύσης υδρογόνου μπορεί να σχεδιαστούν για λειτουργία διπλού καυσίμου έως ότου διευρυνθούν τα δίκτυα υποδομών ανεφοδιασμού. Το υδρογόνο αποτελεί γενικά ένα πολλά υποσχόμενο καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, εξαιτίας των μοναδικών ιδιοτήτων που το χαρακτηρίζει σε σύγκριση με τα συμβατικά ορυκτά υγρά καύσιμα. Οι κινητήρες υδρογόνου είναι φιλικοί προς το περιβάλλον αφού κατά την καύση τους δεν παράγουν καθόλου διοξείδιο του άνθρακα παρά μόνο νερό και μικρές ποσότητες οξειδίων του αζώτου. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας ανάφλεξης που παρουσιάζει το υδρογόνο, χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε κινητήρες ελεγχόμενης ανάφλεξης (κύκλος OTTO) και όχι σε κινητήρες ανάφλεξης από συμπίεση (κύκλος Diesel). Το υδρογόνο έχει αρκετές ιδιότητες που δημιουργούν προβλήματα στην λειτουργία των κινητήρων εσωτερικής καύσης, όπως το ευρύ φάσμα της αναφλεξιμότητας, η χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης καθώς και η μεγάλη ταχύτητα διάδοσης της καύσης, που είναι περίπου επταπλάσια της καύσης της βενζίνης. Η χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα του υδρογόνου σε αέρια μορφή, αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα για την υιοθέτησή του ως καύσιμο στις μεταφορές. Για την αντιμετώπιση της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας του υδρογόνου, η αποθήκευσή του γίνεται σε μορφή κρυογονικού υγρού σε ειδικές δεξαμενές με υπερμόνωση και σε θερμοκρασία -253ºC. Η διαδικασία αυτή απαιτεί επί πλέον σημαντικά ποσά ενέργειας και πολυδάπανες εγκαταστάσεις υποδομών. Οι πρώτες προσπάθειες για την κατασκευή υδρογονοκίνητων οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης χρονολογείται από το Προσπάθειες για την κατασκευή σύγχρονων κινητήρων υδρογόνου έχουν γίνει από την BMW, την Ford Motor Company και την Mazda. Η Mazda πειραματίστηκε με το υδρογόνο σε περιστροφικό εμβολοφόρο κινητήρα εσωτερικής καύσης (Wankel), διαπιστώνοντας ότι το καύσιμο συμπεριφέρεται καλύτερα σε σχέση με τον εμβολοφόρο, για το λόγο ότι στον κινητήρα Wankel η εισαγωγή, η καύση και η εξαγωγή πραγματοποιείται σε ξεχωριστούς θαλάμους, αποφεύγοντας τα προβλήματα υπερθέρμανσης που εμφανίζονται στις βαλβίδες των παλινδρομικών και δημιουργούν την προανάφλεξη. Τέλος, η μείωση του κόστους παραγωγής του υδρογόνου, η δημιουργία της αναγκαίας υποδομής για τη διανομή του και η μαζική παραγωγή υδρογονοκίνητων οχημάτων που θα λειτουργήσει στην κατεύθυνση της μείωσης του κόστους τους είναι τα σημεία κλειδιά που θα καθορίσουν τις εξελίξεις. Και αυτό δεν αφορά μόνο τη μηχανή εσωτερικής καύσης, αλλά και τις κυψέλες καυσίμου. [41] [44] 72

84 5o Κεφάλαιο Ηλεκτροκίνηση Εισαγωγή Τα ηλεκτρικά οχήματα (Electric Vehicle - EV) έχουν αποσπάσει την μεγαλύτερη προσοχή από το τέλος της προηγούμενης δεκαετίας, ως πολλά υποσχόμενα για την επίλυση του ζητήματος του φαινομένου του θερμοκηπίου. Οι ενεργειακές κρίσεις της δεκαετίας του 1970 και του 1980 καθώς και οι περιβαλλοντικές συνέπειες από την ευρεία διάδοση των αυτοκινήτων, επανέφερε το ενδιαφέρον για την ηλεκτροκίνηση στις μεταφορές, καθώς αυτές ευθύνονται περισσότερο από όλους τους άλλους τομείς για τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου. Επίσης, οι εξελίξεις της τεχνολογίας κυρίως στον τομέα των συσσωρευτών, η ζήτηση των καταναλωτών για αυτοκίνητα χαμηλής κατανάλωσης και τέλος οι οικονομικές ενισχύσεις των εθνικών κυβερνήσεων για την προώθηση της εισαγωγής νέων ηλεκτρικών οχημάτων, διαμορφώνουν μία δυναμική κατάσταση στην αγορά του ηλεκτρικού οχήματος. Συνήθως, χρησιμοποιούμε τον στον όρο «ηλεκτρικό όχημα» για να αναφερθούμε σε μία αυτοκινούμενη κατασκευή που για την κίνησή της χρησιμοποιεί την ηλεκτρική ενέργεια. Στην πραγματικότητα όμως υπάρχουν τόσο κατασκευαστικές, όσο και λειτουργικές διαφοροποιήσεις στα λεγόμενα «ηλεκτρικά οχήματα», που συναντάμε όλο και περισσότερο καθημερινά στα οδικά δίκτυα. Ηλεκτρικό όχημα (Electric Vehicle) είναι ένα μηχανοκίνητο όχημα που κινείται από έναν ή περισσότερους ηλεκτροκινητήρες, χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ή σε άλλη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Υβριδικό όχημα (Hybrid Vehicle), είναι το όχημα που για την κίνησή (πρόωση) του χρησιμοποιεί δύο μορφές ενέργειας, όπου η μία είναι οπωσδήποτε ηλεκτρική. Το υβριδικό όχημα, είναι ταυτόχρονα ηλεκτρικό και συμβατικό. Εκτός από την ηλεκτρική ενέργεια που μετατρέπει σε μηχανική για την κίνηση των τροχών, έχει τη δυνατότητα να καταναλώσει και υγρά ή αέρια καύσιμα τροφοδοτώντας έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης ή κυψέλες καυσίμου, ώστε να κινηθεί είτε ανεξάρτητα σαν ηλεκτρικό (μόνο με τον ηλεκτροκινητήρα του), είτε σαν συμβατικό (μόνο με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης), είτε με τον συνδυασμό τους. [54] 73

85 Τα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια, δεν παρέχουν μόνο καθαρή και ήρεμη ατμόσφαιρα, αλλά μειώνουν σημαντικά το λειτουργικό κόστος, περίπου έξι φορές λιγότερο, σε σχέση με τα αντίστοιχα συγκρίσιμα οχήματα που χρησιμοποιούν κινητήρες εσωτερικής καύσης. Εκτιμάται ότι, ένας ιδιοκτήτης συμβατικού οχήματος αφιερώνει περίπου 42 ώρες το χρόνο στο πρατήριο καυσίμων για τις ανάγκες ανεφοδιασμού, ενώ στην περίπτωση του ηλεκτρικού οχήματος, αρκούν 27 ώρες. Όμως, το συγκριτικό πλεονέκτημα των ηλεκτρικών οχημάτων έναντι όλων των άλλων τεχνολογιών πρόωσης, είναι η μεγαλύτερη απόδοση που παρέχουν στον χώρο των μεταφορών. Επιπλέον, στην ηλεκτροκίνηση παρέχεται η δυνατότητα για ενσωμάτωση εφαρμογών παραγωγής ενέργειας όπως οι κυψέλες καυσίμου, ηλιακά συστήματα φωτοβολταϊκών στοιχείων, συστήματα ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση και άλλες κατάλληλες τεχνολογικές εφαρμογές που υποστηρίζουν και συμβάλουν στην αύξηση της απόδοσης του οχήματος. Σύμφωνα με την Υπηρεσία Ενέργειας των ΗΠΑ (USDE), περίπου το 15% της συνολικής ενέργειας του καυσίμου καταναλώνεται για την κίνηση του οχήματος και των βοηθητικών εξαρτημάτων. Το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμότητα κατά τη διάρκεια της καύσης συνεισφέροντας άμεσα στην υπερθέρμανση του πλανήτη. Στο σχήμα 5-1 φαίνονται η ροή της αρχικής ενέργειας με τις απώλειες θερμότητας που εμφανίζονται σε ένα συμβατικό όχημα με κινητήρα (μηχανή) εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ). Σε γενικές γραμμές, στις ΜΕΚ η ενέργεια χάνεται ως απώλεια θερμότητας στα καυσαέρια εξαγωγής και μέσω μηχανικών τριβών στα σημεία των κινούμενων τμημάτων της. Επιπλέον, Σχήμα 5-1. Θερμικές απώλειες κινητήρα εσωτερικής καύσης (πηγή: Renewable and Sustainable Energy Reviews, V , pp fig.3 p 85) [59] 74

86 οι ΜΕΚ χρειάζονται συχνή συντήρηση όταν τροφοδοτούν με κίνηση ένα συμβατικό όχημα σε αντίθεση με τους ηλεκτρικούς κινητήρες που χρειάζονται σπάνια. Ωστόσο, τα ηλεκτρικά οχήματα εκμεταλλεύονται για την κίνησή τους περισσότερο από το 75% της διαθέσιμης ενέργειας. [59] 5.1 Κατηγοριοποίηση των Ηλεκτρικών Οχημάτων Τα οχήματα μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: 1. οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης (Internal Combustion Engine Vehicle-ICEV) 2. υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (Hybrid Electric Vehicle- HEV) 3. αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα (All Electric Vehicle AEV) Στο σχήμα 5-2 φαίνονται όλοι οι διαθέσιμοι τύποι οχημάτων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά της κάθε κατηγορίας Οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης (ICEV) Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης, μετατρέπει στον θάλαμο καύσης του την χημική ενέργεια του καυσίμου σε θερμική και μετέπειτα σε κινητική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή, προκειμένου να κινηθεί το όχημα, διατίθεται στο σύστημα μετάδοσης. Υπάρχουν δύο τύποι οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης: τα συμβατικά που δεν έχουν καθόλου ηλεκτροκινητήρα προκειμένου να βοηθήσουν τον κινητήρα και να μειώσουν την κατανάλωση καυσίμου και τα μικρο-υβριδικά (micro-hev), όπου διαθέτουν ηλεκτροκινητήρα που λειτουργεί με χαμηλή Σχήμα 5-2. Οι κατηγορίες των οχημάτων (πηγή: Renewable and Sustainable Energy Reviews, V , pp fig.4 p 86) [59] 75

87 τάση (12 ή 14V) και αποδίδουν ισχύ λιγότερο από 5 kw μόνο για την επανεκκίνηση του κινητήρα, χωρίς να συμβάλουν στην ώθηση του οχήματος. Κατά τη διάρκεια της επιβράδυνσης ή της ακινησίας του οχήματος, ο κινητήρας τίθεται εκτός λειτουργίας με αποτέλεσμα να εμφανίζεται οικονομία καυσίμου 5-15%. Η λειτουργία αυτή αποδίδει στην περισσότερο πόλη. Αντιπροσωπευτικό όχημα αυτής της κατηγορίας είναι το Citroen 3. [59] 5.2 Υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV) Τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV) λειτουργούν με δύο συστήματα πρόωσης. Το ένα κινητήριο σύστημα ωθείται από μία μηχανή εσωτερικής καύσης (μηχανοκίνητο), η οποία λειτουργεί καταναλώνοντας υγρό ή αέριο καύσιμο και το άλλο ωθείται από έναν ηλεκτροκινητήρα (ηλεκτροκίνητο), ο οποίος τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια. Με την ξεχωριστή λειτουργία των δύο συστημάτων πρόωσης ή με την συνεργασία τους, επιτυγχάνεται η κίνηση του οχήματος. Τελικός σκοπός τους είναι η βελτίωση της κατανάλωσης του καυσίμου με συνεπαγόμενη την μείωση των εκπομπών, καθώς και οι επιδόσεις των οχημάτων. Όσον αφορά τον τύπο του κινητήρα εσωτερική καύσης, υπάρχουν αρκετοί τύποι στα HEVs, αλλά ο επικρατέστερος είναι ο βενζινοκινητήρας Συντελεστής υβριδοποίησης Ο συντελεστής υβριδοποίησης (Hybridization Factor - HF), προέρχεται από την ισχύ των κινητήρων του υβριδικού οχήματος, σύμφωνα με τη σχέση: HF=P EM /(P EM +P ICE ), όπου η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα (P EM ) διαιρείται με την συνολική ισχύ (P EM +P ICE ), δηλαδή του ηλεκτροκινητήρα και του κινητήρα εσωτερικής καύσης (P ICE ). Επίσης, τα HEV, κατηγοριοποιούνται σε ελαφρώς υβριδικά (mild-hev) και σε πλήρη υβριδικά οχήματα (full- HEV). Υπάρχουν δύο τρόποι που διαμορφώνουν τη σύζευξη του ηλεκτροκινητήρα με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης στο υβριδικό όχημα: ο ένας όπου ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μοιράζεται τον ίδιο άξονα με τον ηλεκτροκινητήρα και ο δεύτερος τρόπος όπου ακολουθούν διαφορετική διαδρομή για την τροφοδοσία του οχήματος. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε τους έξι διαφορετικούς τύπους υβριδικών οχημάτων, που διαχωρίζονται ανάλογα με την διαμόρφωση της σύζευξης των δύο διαφορετικών κινητήρων συστημάτων πρόωσης. [59] Ελαφρώς υβριδικά οχήματα (mild-hev) Τα ελαφρώς (ήπια) υβριδικά οχήματα έχουν τα ίδια πλεονεκτήματα με τα μικρο-υβριδικά οχήματα, με τη διαφορά ότι ο ηλεκτροκινητήρας που διαθέτουν έχει από 7 έως 12 kw, λειτουργεί με ηλεκτρική τάση των 150V και μπορεί να κινήσει ταυτόχρονα με τον κινητήρα 76

88 εσωτερικής καύσης το όχημα. Επειδή μοιράζεται τον ίδιο άξονα με τον κινητήρα εσωτερικής καύσης, ο ηλεκτροκινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει μόνος του, ώστε το όχημα να κινείται μόνο με το σύστημα της ηλεκτροκίνησης που διαθέτει. Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης δε τίθεται ποτέ εκτός λειτουργίας, ενώ ο ηλεκτροκινητήρας του υβριδικού συστήματος ενεργοποιείται κατά την εκκίνηση του κινητήρα εσωτερικής καύσης λειτουργώντας ως εκκινητής (μίζα), κατά την χρονική στιγμή που απαιτείται αύξηση της ροπής του οχήματος και κατά την πέδηση, καθώς ενεργοποιείται το σύστημα ανάκτησης ενέργειας όπου ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια για την επαναφόρτιση της μπαταρίας. Η καινοτομία αυτή επιτρέπει τη χρήση μικρότερου κινητήρα εσωτερικής καύσης, αφού ο ηλεκτροκινητήρας λειτουργεί επικουρικά κατά την στιγμή που το όχημα έχει απαίτηση για αύξηση του φορτίου. Επίσης, ο ηλεκτροκινητήρας και η μπαταρία που διαθέτουν τα οχήματα της κατηγορίας αυτής είναι μικρού μεγέθους. Η κατασκευάστρια εταιρεία Honda έχει χρησιμοποιήσει το μέτριο υβριδικό σύστημα στα μοντέλα Civic και Accord. Η απόδοση των υβριδικών οχημάτων αυτής της μορφής, επιτυγχάνει οικονομία καυσίμου μέχρι και 30%.[59] [60] Πλήρως υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (full-hev) Στο πλήρως υβριδικό όχημα (full hybrid), το σύστημα διαμόρφωσης ζεύξης της ισχύος παρέχει στο όχημα τη δυνατότητα να λειτουργήσει με τον συνδυασμό των δύο συστημάτων πρόωσης ή μόνο με ηλεκτροκίνηση. Για το λόγο αυτό απαιτούνται ηλεκτροκινητήρας και μπαταρία μεγαλύτερης ισχύος και χωρητικότητας αντίστοιχα. Επίσης, για την καλύτερη διανομή ισχύος ανάμεσα στην ηλεκτρική και μηχανική, προβλέπονται πιο πολύπλοκες διατάξεις που επιφέρουν ανάλογο κόστος. Το πλήρες υβριδικό σύστημα συνηθίζεται περισσότερο στα σύγχρονα υβριδικά οχήματα. Τα οχήματα της κατηγορίας αυτής, μπορεί να επιτύχουν μείωση στην κατανάλωση του καυσίμου έως και 40%. Για την λειτουργία τους, επιβάλλονται συστήματα αποθήκευσης υψηλής χωρητικότητας με τάση λειτουργίας 330 V. [59] Τα πλήρη υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα μπορούν να ταξινομηθούν στις εξής κατηγορίες: ηλεκτρικά οχήματα με σειριακό σύστημα και επέκταση αυτονομίας (Range Extended Electric Vehicle) ηλεκτρικά οχήματα με παράλληλο σύστημα (Parallel Hybrid Electric Vehicle) ηλεκτρικά οχήματα με σειριακό παράλληλο σύστημα (Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle) ηλεκτρικά οχήματα με πολύπλοκο σειριακό-παράλληλο σύστημα (Complex Hybrid Electric Vehicle) ηλεκτρικά οχήματα επαναφορτιζόμενα με πρίζα (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) 77

89 5.2.4 Υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με επέκταση αυτονομίας (Range Extended Electric Vehicle- REEV) Το πλήρες υβριδικό ηλεκτρικό όχημα με μονάδα επέκτασης της αυτονομίας του (REEV), είναι ο κύριος εκπρόσωπος του σειριακού υβριδικού συστήματος διαμόρφωσης ζεύξης του ηλεκτροκινητήρα με τον συμβατικό κινητήρα εσωτερικής καύσης. Κινείται αποκλειστικά με τον ηλεκτροκινητήρα του, όπως ακριβώς το BEV, και η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια για την κίνηση του παρέχεται από την μπαταρία του. Η φόρτιση της μπαταρίας γίνεται είτε από εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας (Plug-in Electric Vehicle), όταν το όχημα είναι σταθμευμένο, είτε από τη διάταξη επέκτασης αυτονομίας (Range Extender) που διαθέτει το όχημα πάνω στο αμάξωμα και ενεργοποιείται όταν βρίσκεται σε κίνηση. Το Range Extender αποτελείται από ένα μικρό κινητήρα εσωτερικής καύσης, συνήθως βενζινοκινητήρα, που βρίσκεται σε μόνιμη σύνδεση με μια γεννήτρια για να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια στην μπαταρία, όταν είναι άδεια. Στην συνέχεια, η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια αποθηκεύεται στην μπαταρία για να τροφοδοτήσει τον ηλεκτροκινητήρα κίνησης του οχήματος. Στο σχήμα 5-3, φαίνεται η αρχή λειτουργίας της σειριακής διαμόρφωσης ζεύξης στο πλήρως υβριδικό όχημα. Η συνολικά μεγαλύτερη απόδοση που επιτυγχάνεται με τη διάταξη του Range Extender (εικόνα 5-1), ερμηνεύεται ως εξής. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, γίνονται πιο αποδοτικοί όταν λειτουργούν σε σταθερό αριθμό στροφών, αγγίζοντας το 37% έναντι του μέσου όρου βαθμού απόδοσης που δεν ξεπερνά το 25%. Οι ηλεκτροκινητήρες, σε αντίθεση με τους κινητήρες εσωτερικής καύσης, είναι υψηλής απόδοσης με εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ισχύος (ισχύς προς το βάρος του κινητήρα), όπου παρέχει ικανοποιητική ροπή σε ένα ευρύ φάσμα στροφών. Με βάση τα παραπάνω, είναι δυνατόν να σχεδιαστεί μία διάταξη μηχανής Εικόνα 5-3. Range Extended Electric Vehicle- REEV Εικόνα 5-1. Range Extended (Bosch) (πηγή: [69] 78

90 εσωτερικής καύσης με γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επί του οχήματος, ώστε να λειτουργεί στο σημείο βέλτιστης λειτουργίας με σταθερό αριθμό στροφών ή με μία σειρά από ταχύτητες πετυχαίνοντας την μέγιστη αποδοτικότητα του συστήματος. [69] Ένα από τα πλεονεκτήματα των οχημάτων του συστήματος αυτού, είναι ότι καταργείται το κιβώτιο ταχυτήτων που προσθέτει βάρος και θόρυβο στο όχημα και την αλλαγή στροφών την αναλαμβάνει εξολοκλήρου ο ηλεκτροκινητήρας, πετυχαίνοντας ομαλότερη πρόωση ιδιαίτερα κατά το ξεκίνημα του οχήματος. Το REEV κατά το ξεκίνημά του λειτουργεί καθαρά σαν BEV. Όταν η χωρητικότητα της μπαταρίας πέσει κάτω από ένα προκαθορισμένο όριο από την πλήρη φόρτιση, το όχημα εισέρχεται σε κατάσταση φόρτισης-στήριξης, και το σύστημα ελέγχου του οχήματος θα επιλέξει την πιο βέλτιστη αποδοτική λειτουργία μονάδας για τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. Επομένως, η αυτονομία στο ηλεκτρικό όχημα δεν εξαρτάται από την χωρητικότητα της μπαταρίας του, αλλά από την χωρητικότητα της δεξαμενής υγρών καυσίμου που διαθέτει για να τροφοδοτεί τον κινητήρα εσωτερικής καύσης της διάταξης Range Extender. Το χαρακτηριστικό αυτό, δίνει τη δυνατότητα για μετακίνηση σε μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιώντας ηλεκτροκίνηση (EV Mode), χωρίς το άγχος για επαναφόρτιση της μπαταρίας. Η μικρότερη κατανάλωση καυσίμου στην υβριδική λειτουργία REEV σε σχέση με τα συμβατικά οχήματα επιτυγχάνεται με τον κινητήρα μικρότερου κυβισμού και ισχύος που απαιτείται για την κίνηση της γεννήτριας, καθώς η περιοχή των στροφών είναι ευνοϊκή για την αποδοτική λειτουργία του κινητήρα. Εκτιμάται ότι η μείωση της κατανάλωσης που επιτυγχάνεται στα REEVs αγγίζει το 25% σε σχέση με ένα συμβατικό όχημα. Συνάρτηση της μικρής κατανάλωσης καυσίμου είναι η μικρότερη παραγωγή καυσαερίων και εκπομπών CO 2. Λόγω της λειτουργίας stop and start που εφαρμόζεται, τα REEVs είναι κατάλληλα για αυτοκίνητα πόλης. [60] Στην εικόνα 5-2 παρουσιάζονται τα αντιπροσωπευτικά πλήρη υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα με επέκταση αυτονομίας, Chevrolet Volt και BMWi-3. Εικόνα 5-2. Τα μοντέλα Chevrolet Volt & BMWi-3 είναι αντιπροσωπευτικά της κατηγορίας REEV (Range Extended Electric Vehicle). 79

91 5.2.5 Ηλεκτρικό όχημα με παράλληλο σύστημα (Parallel Hybrid Electric Vehicle) Στα πλήρη υβριδικά οχήματα με παράλληλη διαμόρφωση ζεύξης, τα δύο συστήματα πρόωσης (μηχανοκίνητο και ηλεκτροκίνητο), ενώνονται με μηχανικό τρόπο σε έναν άξονα, Για την καλή συνεργασία των δύο συστημάτων, η περιστροφική τους ταχύτητα θα πρέπει να είναι ίση. Όταν το υβριδικό όχημα κινείται από ένα και μόνο σύστημα πρόωσης, το άλλο κινείται ελεύθερα. Αυτό επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση συμπλέκτη μονής κατεύθυνσης στον κοινό άξονα του συστήματος μετάδοσης κίνησης. Καθώς υπάρχει μόνιμη σύζευξη, τα δύο συστήματα μπορούν να προσφέρουν την ισχύ τους, προσθέτοντας ή αφαιρώντας την ροπή τους ανάλογα με τις ανάγκες του οχήματος, βελτιώνοντας την συνολική απόδοση του οχήματος περίπου κατά 40% (σχήμα 5-4). Σε σύγκριση με τη διαμόρφωση του σειριακού συστήματος ζεύξης, το παράλληλο σύστημα έχει υψηλότερη απόδοση, λόγω του βάρους που εξοικονομείται από τον μικρότερο σε μεγέθους κινητήρα εσωτερικής καύσης που απαιτείται, καθώς και από την μικρότερη μπαταρία. [59] Συνήθως, αντί για κλασσικό μηχανικό κιβώτιο ταχυτήτων σταθερών σχέσεων μετάδοσης, έχουν ενσωματωμένο κιβώτιο ταχυτήτων συνεχώς μεταβαλλόμενων σχέσεων (Continuously Variable Transmission - CVT), δίνοντας μεγαλύτερη ελευθερία στην επιλογή των αποδοτικών σημείων λειτουργίας του κινητήρα για δεδομένη ροπή του κινητήρα εσωτερικής καύσης. Για την επαναφόρτιση της μπαταρίας, όλα σχεδόν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα διαθέτουν σύστημα ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση. Το σύστημα αυτό αξιοποιεί την κινητική Σχήμα 5-4. Διαμόρφωση παράλληλου συστήματος ζεύξης 80

92 Εικόνα 5-3. Civic Hybrid της Honda και Ford Escape. Πλήρη υβριδικά οχήματα με διαμόρφωση παράλληλου συστήματος ενέργεια που χάνεται κατά την πέδηση, όταν δηλαδή το όχημα αναγκάζεται να επιβραδύνει ή να σταματήσει. Με το πάτημα του πεντάλ του φρένου, ο ηλεκτροκινητήρας κίνησης μετατρέπεται σε γεννήτρια όπου τροφοδοτεί την μπαταρία ενώ ταυτόχρονα οι δυνάμεις αδράνειας του ηλεκτροκινητήρα είναι σε θέση να επιβραδύνουν το όχημα αποφεύγοντας την παραγωγή θερμότητας από την τριβή των φρένων. [59] Ο ηλεκτροκινητήρας επιλέγεται όταν το όχημα κινείται με χαμηλές ταχύτητες, π.χ. μέσα στην πόλη, ενώ ο κινητήρας εσωτερικής καύσης στις μεγαλύτερες. Η φόρτιση της μπαταρίας γίνεται κατά την λειτουργία του κινητήρα εσωτερικής καύσης από την γεννήτρια που ενεργοποιείται όταν η στάθμη της μπαταρίας έχει κατέλθει. Στην εικόνα 5-3 παρουσιάζονται τα αντιπροσωπευτικά πλήρη υβριδικά οχήματα με διαμόρφωση παράλληλου συστήματος ζεύξης, Civic Hybrid της Honda και Ford Escape Ηλεκτρικό όχημα με σειριακό παράλληλο σύστημα (Series- Parallel Hybrid Electric Vehicle) Τα πλήρη υβριδικά οχήματα με διαμόρφωση σειριακού-παράλληλου συστήματος ζεύξης, συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά των δύο συστημάτων που το αποτελούν. Βασικό εξάρτημα του συστήματος είναι ο διαχωριστής ισχύος (splitter) που συνδέει τον κινητήρα εσωτερικής καύσης με την γεννήτρια και τον ηλεκτροκινητήρα κίνησης, επιτρέποντας στον κινητήρα και στον ηλεκτροκινητήρα να μεταβιβάζουν την ισχύ στους τροχούς του οχήματος, ανεξάρτητα ή ταυτόχρονα με διαφορετικό ποσοστό συμμετοχής στην συνολική ισχύ που μεταβιβάζεται (σχήμα 5-5). Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν ελάχιστη ροπή στις χαμηλές στροφές και στα συμβατικά αυτοκίνητα είναι απαραίτητος ένας μεγαλύτερος κινητήρας για να μπορεί να καλύψει τις ανάγκες σε συνθήκες επιτάχυνσης, ιδιαίτερα όταν πρόκειται κατά την εκκίνηση. Ωστόσο, ο μεγαλύτερος κινητήρας παρέχει μεγαλύτερη ισχύ από αυτήν που χρειάζεται το όχημα όταν κινείται με σταθερή ταχύτητα. Από την άλλη πλευρά, ο ηλεκτροκινητήρας εμφανίζει μέγιστη ροπή κατά την εκκίνηση, ενώ παράλληλα έχει τη δυνατότητα να 81

93 Σχήμα 5-5. Διαμόρφωση σειριακού παράλληλου συστήματος ζεύξης συμπληρώσει την ανεπάρκεια ροπής του κινητήρα εσωτερικής καύσης όταν λειτουργεί στις χαμηλές στροφές Σε ένα υβριδικό όχημα με διαχωριστή ισχύος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας μικρότερος και λιγότερο ελαστικός κινητήρας εσωτερικής καύσης με υψηλή απόδοση. Ο μικρότερος κινητήρας, χρησιμοποιώντας έναν πιο αποδοτικό θερμικό κύκλο π.χ. του Atkinson αντί του θερμικού κύκλου του OTTO, όπου λειτουργεί στην περιοχή των στροφών με την μικρότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου, συμβάλλει σημαντικά στην βελτίωση του ολικού βαθμού απόδοσης του συστήματος Ηλεκτρικό όχημα με πολύπλοκο σειριακό-παράλληλο σύστημα (Complex Hybrid Electric Vehicle) Τα πλήρη υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα με πολύπλοκο σειριακό-παράλληλο σύστημα ζεύξης, έχουν παρόμοια διαμόρφωση με τα πλήρη υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα με σειριακόπαράλληλο σύστημα ζεύξης. Το κλειδί που κάνει τη διαφοροποίηση, είναι η προσθήκη της γεννήτριας στο πολύπλοκο σύστημα ζεύξης (σχήμα 5-6). Η προσθήκη αυτή, παρέχει στα υβριδικά οχήματα αυτής της κατηγορίας, τα πλεονεκτήματα της μεγαλύτερης αξιοπιστίας στον έλεγχο του οχήματος και της μεγαλύτερη ελαστικότητας. Παρόλα αυτά, η μεγαλύτερη πρόκληση είναι ότι απαιτούνται ακριβέστερα συστήματα ελέγχου στα υβριδικά οχήματα, για την καθοδήγησή τους. Κατά την λειτουργία του οχήματος στις χαμηλές ταχύτητες, ο ηλεκτροκινητήρας τροφοδοτείται από την μπαταρία και λειτουργεί ως ηλεκτρικό όχημα. Κατά την επιτάχυνση, προστίθεται η ισχύς από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης. Κατά τη λειτουργία με σταθερό αριθμό στροφών, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης παρέχει μέσω γεννήτριας ηλεκτρικό ρεύμα 82

94 Σχήμα 5-5. Διαμόρφωση πολύπλοκου σειριακό-παράλληλο σύστημα ζεύξης στον ηλεκτροκινητήρα. Ταυτόχρονα, τροφοδοτεί ηλεκτρικό ρεύμα για την επαναφόρτιση της μπαταρίας, εφόσον βρίσκεται σε χαμηλά επίπεδα. [59] Στην εικόνα 5-4, φαίνονται τα αντιπροσωπευτικά μοντέλα πολύπλοκου σειριακούπαράλληλου συστήματος, είναι το Prius της TOYOTA και το Lexus LS600h Ηλεκτρικό όχημα επαναφορτιζόμενο με πρίζα (Plug-in Hybrid Electric Vehicles PHEV) Ένα πλήρες υβριδικό ηλεκτρικό όχημα επαναφορτιζόμενο με πρίζα (PHEV), είναι κάθε υβριδικό όχημα που μπορεί να επαναφορτιστεί με ηλεκτρική ενέργεια από εξωτερική πηγή, μέσω πρίζας, ακριβώς με την ίδια διαδικασία που επαναφορτίζονται τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα (σχήμα 5-7). Τα PHEVs, αποτελούν την εξέλιξη της υβριδικής τεχνολογίας που έχει στόχο τον περιορισμό της κατανάλωσης του καυσίμου, με ταυτόχρονη μείωση των Εικόνα 5-4. Αντιπροσωπευτικά μοντέλα πολύπλοκου σειριακού-παράλληλου συστήματος, Prius της TOYOTA και το Lexus LS600h 83

95 Σχήμα 5-5. Διαμόρφωση ηλεκτρικού υβριδικού οχήματος με πολύπλοκου σειριακό-παράλληλο σύστημα ζεύξης, επαναφορτιζόμενο με πρίζα (Plug-in Hybrid Electric Vehicles PHEV) εκπομπών του CO 2, όπως επιτάσσουν οι σύγχρονοι κανονισμοί. Οποιοδήποτε ηλεκτρικό υβριδικό όχημα μπορεί να μετατραπεί σε PHEV, εάν δίπλα από την μπαταρία τοποθετηθεί ένας φορτιστής. Το PHEV διαθέτει μπαταρία υψηλής χωρητικότητας, για να μπορεί να αποθηκεύσει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ή από έναν σταθμό επαναφόρτισης με μία πρίζα (Plug-in). Έτσι, υπό συνήθεις συνθήκες οδήγησης, μειώνεται σημαντικά η κατανάλωση του καυσίμου. Με την μετατροπή αυτή, αυξάνεται η αυτονομία της ηλεκτροκίνησης του υβριδικού οχήματος, ώστε να μπορεί να κινηθεί σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 50 km, ενώ η κατανάλωση καυσίμου μειώνεται από 40% έως 60% σε σχέση με τα συμβατικά οχήματα (εικόνα 5-5). Παρότι που η υβριδική τεχνολογία έχει ενσωματώσει τα πλεονεκτήματα των PHEVs, η διείσδυσή τους στην αγορά είναι πολύ περιορισμένη, κυρίως λόγω του αυξημένου κόστους αγοράς σε σχέση με το κλασσικά υβριδικά αυτοκίνητα HEVs. Το αυξημένο κόστος οφείλεται στη μπαταρία ιόντων λιθίου μεγάλης χωρητικότητας που είναι απαραίτητη, καθώς και στις διατάξεις αυτοματισμού για τον έλεγχο και συγχρονισμό των λειτουργιών που απαιτούνται. Εικόνα 5-5. TOYOTA Prius PHEV 84

96 Ωστόσο, η έλλειψη δημόσιων και ιδιωτικών υποδομών επαναφόρτισης αποτελεί σημαντικό παράγοντα αποθάρρυνσης για την υιοθέτηση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Εντούτοις, στην περίπτωση των PHEVs ο προβληματισμός αυτός εξαλείφεται, επειδή ο κινητήρας εσωτερικής καύσης λειτουργεί ως «στήριγμα» στο όχημα, όταν εξαντλούνται οι μπαταρίες του. [59] [60] 5.3 Αμιγώς Ηλεκτρικά Οχήματα (All Electric Vehicle) Το αμιγώς ηλεκτρικό όχημα, χρησιμοποιεί για την κίνησή του μόνο ηλεκτρική ενέργεια, συνεπώς δεν διαθέτει κινητήρα εσωτερικής καύσης. Ωστόσο, υπάρχουν έξι διαφορετικοί τύποι διαμόρφωσης συστημάτων ηλεκτροκίνησης: 1. διαμόρφωση όπως του συμβατικού οχήματος (σχήμα 5-8α) 2. διαμόρφωση με κιβώτιο ενιαίας ταχύτητας χωρίς συμπλέκτη 3. διαμόρφωση με ενιαίο σύστημα ηλεκτροκινητήρα-κιβωτίου ταχυτήτων-διαφορικού 4. διαμόρφωση με ενιαίο σύστημα ηλεκτροκινητήρα-κιβωτίου στα ακραξόνια των τροχών 5. διαμόρφωση με ενιαίο σύστημα ηλεκτροκινητήρα-κιβωτίου κατευθείαν στους τροχούς 6. διαμόρφωση με ηλεκτροκινητήρες κατευθείαν στους τροχούς (in-wheel) (σχήμα 5-8β) Οι δύο πρώτες διαμορφώσεις έχουν πολύ μικρές αποδόσεις σε σχέση με τις άλλες και χρησιμοποιούνται σπάνια. Η διαμόρφωση που φέρει τον ηλεκτροκινητήρα κατευθείαν στο τροχό του οχήματος, απαλλάσσεται από την χρήση του κιβωτίου ταχυτήτων και την αυξομείωση των στροφών την αναλαμβάνει ο ίδιος ηλεκτροκινητήρας. Η διαμόρφωση αυτή θεωρείται περισσότερο κατάλληλη για τα οχήματα που προορίζονται να κινούνται σε αστικές περιοχές, εξαιτίας του χαμηλού βάρους. Ωστόσο, η διαμόρφωση αυτή καθώς στερείται το κιβώτιο ταχυτήτων, απαιτείται ηλεκτροκινητήρας με υψηλή ροπή για την πραγματοποίηση της εκκίνησης. Όμως, η απόδοση του ηλεκτροκινητήρα μειώνεται λόγω των υψηλών θερμικών απωλειών από το ρεύμα υψηλής έντασης που τροφοδοτείται για την απόδοση της αυξημένης ροπής. Παρόλα αυτά, η διαμόρφωση αυτή επιτυγχάνει βελτίωση στην κατανάλωση καυσίμου επειδή απουσιάζουν οι μηχανικές απώλειες του κιβωτίου ταχυτήτων και του διαφορικού. Οι διαμορφώσεις συστημάτων ηλεκτροκίνησης που αναφέρθηκαν, είναι όμοιες είτε για τα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία είτε με κυψέλες καυσίμου. [59] Ηλεκτρικό όχημα με μπαταρία (Battery Electric Vehicle BΕV) Το ηλεκτρικό όχημα BEV χρησιμοποιεί για την πρόωσή του αποκλειστικά ηλεκτροκινητήρα. Η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια παρέχεται από την μπαταρία, που συνήθως είναι τοποθετημένη στο πάτωμα του αμαξώματος, κάτω από τα καθίσματα. Ο μετατροπέας 85

97 σχήμα 5-8. α: διαμόρφωση όπως του συμβατικού οχήματος β: διαμόρφωση με ηλεκτροκινητήρες κατευθείαν στους τροχούς (in-wheel) (inverter), παρεμβάλλεται μεταξύ της μπαταρίας και του ηλεκτροκινητήρα και μετατρέπει το συνεχές ρεύμα της μπαταρίας σε εναλλασσόμενο ρεύμα που απαιτείται για την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος. Η επαναφόρτιση της μπαταρίας γίνεται, από εξωτερική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας αφού το BEV, εκτός από το σύστημα ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση, δεν διαθέτει στο αμάξωμά τους σχετική διάταξη επαναφόρτισης μπαταρίας. Τα σύγχρονα BEVs προβλέπουν διπλή επιλογή για την φόρτιση της μπαταρίας τους (εικόνα 5-6). Διαθέτουν ένα βύσμα (plugin) για αργή επαναφόρτιση από το δίκτυο διανομής ηλεκτρικού ρεύματος οικιακής χρήσης όταν είναι σταθμευμένα σε ιδιωτικό χώρο και έναν δεύτερο (ultra-fast charging), για γρήγορη επαναφόρτιση από τους σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Η δεύτερη επιλογή, μειώνει σημαντικά την διάρκεια ζωής της μπαταρίας και, εφόσον είναι δυνατόν, οι κατασκευαστές συνιστούν να αποφεύγεται. Εικόνα 5-6. Ηλεκτρικό όχημα μπαταρίας Mitsubishi i Electric [70] 86

98 Πρέπει να σημειωθεί ότι τα BEV s προϋπήρξαν όλων των οχημάτων, αλλά η αδυναμία της τεχνολογίας να ανταπεξέλθει στο μείζων ζήτημα της αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας με μπαταρίες μικρού κόστους, μικρού βάρους και με μικρό σχετικά χρόνο επαναφόρτισης, έφεραν την καθυστέρηση στην εξέλιξή τους. Η σημερινή τεχνολογία των BEVs, χρησιμοποιεί μπαταρίες τελευταίας γενιάς ιόντων λιθίου (Li-ion), συμβάλλοντας στην αλματώδη ανάπτυξή τους. Σήμερα, κατά μέσο όρο, ένα BEV που είναι σχεδιασμένο για κίνηση στην πόλη, και χρησιμοποιεί κινητήρα ισχύος 80kW (110Hp), με χωρητικότητα μπαταρίας Li-ion 24 kwh, δίνει αυτονομία στο όχημα τουλάχιστον 120 km, καταναλώνοντας 18 kwh/100km που αντιστοιχεί σε κατανάλωση υγρού καυσίμου 2lit/100km. Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας, οι κατασκευαστές συνιστούν στους κατόχους των BEV s κάποια προληπτικά μέτρα, όπως την αποφυγή τους σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 49 ο C για περισσότερο από μία ημέρα, και σε -25 ο C για περισσότερο από επτά ημέρες. Τα BEVs θεωρούνται απολύτως «πράσινα» οχήματα δεδομένου ότι δεν έχουν μηχανή εσωτερικής καύσης και δεν παράγουν καθόλου καυσαέρια. Επίσης, ο θόρυβος παράγεται μόνο κατά την κίνησή τους, ως επί το πλείστον από την τριβή των ελαστικών. Αυτά τα πλεονεκτήματα έναντι όλων των άλλων οχημάτων, κάνει τα οχήματα της κατηγορίας αυτής «ιδανικά» για τις μετακινήσεις σε πόλεις με ιδιαίτερα επιβαρυμένο ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Συνδυάζοντας και την απλότητα της κατασκευής τους, τα BEVs δεν χρειάζονται συχνή και πολυδάπανη συντήρηση. [59] Στην εικόνα 5-7 παρουσιάζονται τα αντιπροσωπευτικά μοντέλα αυτής της κατηγορίας, το NISSAN LEAF, και το MiEV της MITSUBISHI. [70] [71] Ηλεκτρικό όχημα με κυψέλη καυσίμου (Fuel Cell Electric Vehicle FCEV) Τα ηλεκτρικά οχήματα κυψελών καυσίμου (FCEV), χρησιμοποιούν για την κίνησή τους την προηγμένη τεχνολογία των κυψελών καυσίμου με καύσιμο το υδρογόνο που αποθηκεύεται είτε μορφή συμπιεσμένου αερίου σε δεξαμενές πίεσης 350 ή 700 bar, είτε σε υγρή κρυογονική μορφή (-253ºC) σε ειδικές δεξαμενές του οχήματος (σχήμα 5-9). Οι κυψέλες Εικόνα 5-7. Αριστερά: το BEV NISSAN LEAF Δεξιά: το BEV MiEV της MITSUBISHI 87

99 καυσίμου παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όπου τροφοδοτούν τον ηλεκτρικό κινητήρα και την μπαταρία, χρησιμοποιώντας μόνο το οξυγόνο από τον αέρα και το συμπιεσμένο υδρογόνο. [66] [72] Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούνται από τρία μέρη: την άνοδο, την κάθοδο και την μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων για ηλεκτρολύτη (εικόνα 5-8). Το ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται από την αντίστροφη δράση της ηλεκτρόλυσης, όπου το υδρογόνο και το οξυγόνο που παρέχεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα, με ηλεκτροχημική διαδικασία ενώνονται και σχηματίζουν καθαρό νερό. Επομένως, ένα όχημα κυψελών καυσίμου που τροφοδοτείται με υδρογόνο εκπέμπει μόνο νερό σε μορφή υδρατμών που περιέχουν θερμότητα. Τα FCEV θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν οχήματα μηδενικών ρύπων, εάν για την παραγωγή του υδρογόνου που τροφοδοτούνται χρησιμοποιούνται μόνο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. [60] Υπάρχουν οχήματα κυψελών καυσίμου για όλους τους τύπους των μεταφορών. Η πιο διαδεδομένη χρήση των κυψελών καυσίμου είναι στα επιβατικά και ελαφριά εμπορικά αυτοκίνητα, στα λεωφορεία αστικών συγκοινωνιών και στα περονοφόρα ανυψωτικά μηχανήματα. Αντιπροσωπευτικό μοντέλο των FCEVs, είναι το B-Class F-Cell της Mercedes (εικόνα 5-9) με ισχύ κινητήρα 100kW (134HP) όπου με δεξαμενή υψηλής πίεσης 350bar του παρέχεται αυτονομία 400km, ενώ με 700bar η αυτονομία του αυξάνεται κατά 70% και ανέρχεται στα 680 km. Άλλο ένα αντιπροσωπευτικό μοντέλο είναι το Mirai της TOYOTA (εικόνα 5-10), με ισχύ κινητήρα 113kW (152HP). Η δεξαμενή υψηλής πίεσης 700bar του παρέχεται αυτονομία 500km, με ισοδύναμη κατανάλωση καυσίμου 3,6lt/100km. Σχήμα 5-9. Διαμόρφωση συστήματος μετάδοσης ισχύος με κυψέλες καυσίμου Εικόνα 5-8. Ηλεκτρικό όχημα με κυψέλης υδρογόνου FCEV 88

100 Εικόνα Δεξαμενές αποθήκευσης συμπιεσμένου υδρογόνου (B-class Mercedes) Εικόνα Το Mirai της TOYOTA με κυψέλες καυσίμου [72] Στον πίνακα 5-1 παρουσιάζονται τα συγκριτικά στοιχεία μεταξύ των συμβατικών και ηλεκτρικών-υβριδικών οχημάτων. Διευκρινίζεται και πάλι ότι, στα HEVs και λιγότερο στα PHEVs, την κινητήρια ισχύ την παρέχει ο κινητήρας εσωτερικής καύσης ενώ στα BEVs, FCEVs και REEVs, η κινητήρια ισχύς του οχήματος παρέχεται μόνον από τον ηλεκτροκινητήρα. Στον πίνακα 5-2 αναφέρονται τα θετικά και αρνητικά σημεία καθώς και η συμβολή των υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων στην προστασία του περιβάλλοντος, από τη μείωση των εκπομπών αέριων ρύπων. 89

101 Πίνακας 5-1. Σύγκριση διαφορετικών τεχνολογιών συστημάτων πρόωσης οχημάτων Συμβατικό όχημα με κινητήρα εσωτερικής καύσης ICEV ανεξάρτητο από τις υποδομές του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας υψηλή κατανάλωση και παραγωγή καυσαερίων μεγάλη αυτονομία η βελτιστοποίηση είναι συνεχώς σε εξέλιξη Battery Εlectric Vehicle, BEV αμιγώς ηλεκτρική κίνηση μπαταρία ιόντων λιθίου μεγάλης χωρητικότητας μικρή έως μέτρια αυτονομία φόρτιση μόνο από το δίκτυο όταν είναι σταθμευμένο Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV σειριακό σύστημα σύνδεσης κυψελών καυσίμου με ηλεκτροκινητήρα συστοιχία κυψελών καυσίμου με τεχνολογία PEM δεξαμενή υδρογόνου υψηλής πίεσης 350 ή 700 bar μικρή έως μέτρια αυτονομία Range Extended Electric Vehicle, REEV διαμόρφωση σειριακού συστήματος ζεύξης κινητήρα εσωτερικής καύσης με ηλεκτροκινητήρα μπαταρία μικρότερης χωρητικότητας από τα BEV μέτρια αυτονομία ηλεκτροκίνησης μικρός κινητήρας συνδεδεμένος με γεννήτρια Hybrid electric vehicle (P) HEV διαμόρφωση πολύπλοκου σειριακό-παράλληλο συστήματος με διαχωριστή ισχύος (επιλογή για plug-in system) ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι ο πρωτεύον και τον υποστηρίζει ο ηλεκτροκινητήρας μικρότερη επαναφορτιζόμενη μπαταρία μόνο ηλεκτροκίνηση σε μικρές αποστάσεις με μικρές ταχύτητες μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου από τα συμβατικά οχήματα και με την ίδια αυτονομία 90

102 Πίνακας 5-2. Θετικά αρνητικά σημεία των υβριδικών-ηλεκτρικών οχημάτων PHEV REEV BEV FCEV Περιβάλλον Μείωση εκπομπών λόγω λειτουργίας ηλεκτροκινητήρ α. Ωστόσο, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης παραμένει ο βασικός για την κίνηση του οχήματος Σημαντική μείωση σε σχέση με τα συμβατικά, εκπέμπει μόνο όταν λειτουργεί η διάταξη αυτονομίας (Range Extender) Οχήματα μηδενικής εκπομπής και πολύ πιο αποδοτικά σε σχέση με τα συμβατικά Οχήματα μηδενικής εκπομπής και πολύ πιο αποδοτικά σε σχέση με τα συμβατικά Θετικά Χρησιμοποιεί την υπάρχουσα υποδομή για την τροφοδοσία καυσίμων Ίδια αυτονομία με τα συμβατικά αυτοκίνητα Παρέχει μεγαλύτερη αυτονομία από τα BEVs Λειτουργεί σαν ηλεκτρικό όχημα χωρίς το άγχος της αυτονομίας Αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα Η επαναφόρτιση της μπαταρίας γίνεται όταν είναι σταθμευμένο στο σπίτι, στο γραφείο στο παρκινγκ. Οι υποδομές συνεχώς βελτιώνονται Υψηλή αυτονομία Η τροφοδοσία καυσίμου (υδρογόνου) διαρκεί λίγα λεπτά Αρνητικά Μικρή αυτονομία ηλεκτροκίνησης Σημαντικές εκπομπές σε μεγάλες διαδρομές Μεγαλύτερη πολυπλοκότητ α και κόστος σε σχέση με τα BEV s Η αυτονομία που προσφέρει το Range Extender ορίζεται από τα καύσιμα Για την επαναφόρτιση απαιτούνται τουλάχιστον min Σχετικά μικρή αυτονομία Η απαιτούμενη υποδομή για την επαναφόρτιση είναι περιορισμένη Η μέθοδος παραγωγής υδρογόνου είναι ενεργοβόρος Η υποδομή για την τροφοδοσία του υδρογόνου που απαιτείται, είναι πολύ περιορισμένη (έως ανύπαρκτη) 91

103 5.4 Πηγές ενέργειας στα ηλεκτρικά οχήματα Η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας στη μπαταρία, είναι ο συνηθέστερος πρακτικός τρόπος που εφαρμόζεται σε όλες τις φορητές-κινητές εφαρμογές που καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια. Βέβαια, η μεγάλη πρόκληση που αντιμετωπίζουν τόσο τα ηλεκτρικά όσο και τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, είναι το κόστος της μπαταρίας τους, αφού το κόστος της ξεπερνά το ένα τρίτο της αξίας του ηλεκτρικού οχήματος και σύμφωνα με έρευνες μπορεί να φθάσει μέχρι το 50%. Οι κατασκευαστές, προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να αναπτύξουν προηγμένη τεχνολογία προς την κατεύθυνση της μείωσης του κόστους, αλλά εμφανίζονται συνεχώς εμπόδια. Παρόλα αυτά, η τεχνολογία στον τομέα αυτό έχει φθάσει σε επίπεδα, απαραίτητα για να δώσει στα ηλεκτρικά οχήματα ικανοποιητική αυτονομία. Άλλες διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας είναι οι υπερπυκνωτές, ο σφόνδυλος, η δεξαμενή καυσίμου υδρογόνου κ.λ.π. Οι διατάξεις αυτές χρησιμοποιείται στα οχήματα, είτε για την τροφοδότηση βοηθητικών διατάξεων, είτε για την τροφοδότηση του βασικού συστήματος κίνησης στα ηλεκτρικά οχήματα. [59] Μπαταρίες Η μπαταρία είναι μία συσκευή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, που αποτελείται από ένα ή περισσότερα ηλεκτροχημικά στοιχεία και μετατρέπει την χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν αρκετά χαρακτηριστικά όπου θα μπορούσαν να αξιολογηθούν στην επιλογή για την πιο κατάλληλη μπαταρία που ηλεκτρικού αυτοκινήτου. Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό μέγεθος είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας, που μετριέται σε Αμπερώρια (Ah). Επίσης, η ενέργεια που αποθηκεύεται στην μπαταρία, θα μπορούσε να υπολογιστεί με ακρίβεια (χωρητικότητα επί την τάση φόρτισης), μετριέται σε Βατώρια (Wh). Άλλοι καθοριστικοί παράγοντες που διαμορφώνουν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά μιας μπαταρίας στη χρήση του στα EV, είναι τα εξής: Ενεργειακή πυκνότητα μάζας (Wh/kg), εκφράζει την σχέση της ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί στη μονάδα βάρους της μπαταρίας. Είναι το χαρακτηριστικό μέγεθος που καθορίζει την αυτοδυναμία του ηλεκτρικού οχήματος. Ενεργειακή πυκνότητα όγκου (Wh/m 3 ), εκφράζει την συνολική ενέργεια που μπορεί να αποθηκεύσει η μονάδα όγκου της μπαταρίας. Σχετίζεται με τον όγκο της μπαταρίας προκειμένου να αποθηκεύσει μία συγκεκριμένη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας. 92

104 Πυκνότητα ισχύος (W/kg), εκφράζει την μέγιστη ισχύ που μπορεί να προσφέρει η μονάδα βάρους της μπαταρίας. Σχετίζεται με τις αποδόσεις του ηλεκτρικού οχήματος π.χ. επιτάχυνση, μέγιστη ταχύτητα. Κύκλος ζωής της μπαταρίας, εκφράζεται με τον αριθμό των κύκλων φόρτισηςαποφόρτισης που μπορεί να πραγματοποιήσει η μπαταρία. Είναι καθοριστικός παράγοντας για τη διαμόρφωση του κόστους συντήρησης του EV. Βαθμός απόδοσης της μπαταρίας, εκφράζει το ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από την μετατροπή της χημικής ενέργειας που περιέχει η μπαταρία. Στις μπαταρίες, ο βαθμός απόδοσης είναι πάνω από 70% σε αντίθεση με την μετατροπή της χημικής ενέργειας του πετρελαίου σε μηχανική όπου δεν ξεπερνά το 20%. Το βάρος της μπαταρίας Ένα εξίσου σημαντικό χαρακτηριστικό που εκφράζεται σε ποσοστιαίες μονάδες, είναι η κατάσταση φόρτισης (State-Of-Charge, SOC) της μπαταρίας και είναι το αντίστοιχο της φόρτισης της μπαταρίας στα ηλεκτρικά οχήματα με την ένδειξη της στάθμης των υγρών καυσίμου στα συμβατικά οχήματα. [59] [66] Η απόσταση που μπορεί να διανύσει το όχημα υπολογίζεται από την ενεργειακή πυκνότητα και το βάρος της μπαταρίας. Για παράδειγμα, η μπαταρία του Nissan Leaf EV έχει ενεργειακή πυκνότητα μάζας 120 Wh/kg και ζυγίζει 200 kg. Επομένως, η συνολική ηλεκτρική ενέργεια (E) που είναι αποθηκευμένη στην μπαταρία του είναι: Wh E = kg=24.000Wh=24kWh kg Εάν, η απόδοση (performance) του ηλεκτρικού οχήματος είναι 5 km/kwh, τότε το ηλεκτρικό όχημα εκτιμάται ότι θα διανύσει απόσταση: km 24kWh x 5 =120km kwh 93

105 5.4.2 Τύποι μπαταριών στα ηλεκτρικά οχήματα Στις μέρες μας, στην τεχνολογία της μπαταρίας υπάρχουν πέντε τύποι που διατίθενται για χρήση στις οδικές μεταφορές, με διαφορετικά χαρακτηριστικά που αναλύονται στη συνέχεια. i) Μπαταρία μολύβδου-οξέος. Είναι η μπαταρία που συναντάται περισσότερο κυρίως λόγω του χαμηλού κόστους αγοράς και μικρού βάρους στα συμβατικά οχήματα. Οι μπαταρία μολύβδου-οξέος, δεν είναι φιλική προς το περιβάλλον και δημιουργεί προβλήματα είτε κατά το στάδιο της παραγωγής της είτε κατά το στάδιο της χρήσης. ii) Μπαταρίες Νικελίου. Η μπαταρία Νικελίου-Ψευδαργύρου (Ni-Zinc), είναι συγκριτικά πιο φιλική προς το περιβάλλον, αλλά έχει μικρό κύκλο ζωής. Η μπαταρία Νικελίου-Σιδήρου (Ni-iron), έχει μεγάλο βάρος, συχνή συντήρηση και υψηλό βαθμό αποφόρτισης σε κατάσταση εκτός λειτουργίας. Η μπαταρία Νικελίου-Καδμίου (Ni-Cd), εμφανίζει το φαινόμενο μνήμης και για το λόγο αυτό δεν θεωρείται κατάλληλη για την χρήση της στα οχήματα αφού κατά τη λειτουργία τους απαιτείται υψηλός ρυθμός φόρτισης. Επίσης περιέχει τοξικά μέταλλα και απαιτείται υψηλό κόστος συντήρησης. Η μπαταρία Νικελίου-Υβριδίων Μετάλλου (Ni-MH), είναι μία από τις πιο φιλικές μπαταρίες προς το περιβάλλον και σε σχέση με την μπαταρία Ni- Cd έχει περίπου 50% υψηλότερο βαθμό αποφόρτισης. Επίσης, μειονέκτημα αυτής της μπαταρίας αποτελεί το γεγονός ότι απαιτείται περισσότερος χρόνος για την φόρτισή της από τις μπαταρίες μολύβδου και Ni-Cd και αναπτύσσει μεγάλα ποσά θερμότητας κατά την φόρτιση. Συνεπώς, η μπαταρία Ni-MH απαιτεί πιο πολύπλοκο αλγόριθμο φόρτισης και ακριβότερους φορτιστές. Παρόλα αυτά, η χρήση αυτής της μπαταρίας είναι διαδεδομένη στα ηλεκτρικά οχήματα. iii) Μπαταρία ZEBRA (Zero Emissions Batteries Research Activity). Η μπαταρία αυτή είναι κατασκευασμένη από Νικελιο-Χλωριούχο Νάτριο (NaNiCl). Έχει υψηλή χαρακτηριστική θερμοκρασία λειτουργίας, περίπου ºC και προκειμένου να διατηρηθεί η αποτελεσματική της λειτουργία, πρέπει να χρησιμοποιηθεί κατάλληλη τεχνολογία. Η μπαταρία ZEBRA έχει μικρότερη διάρκεια ζωής και κόστος από εκείνο της μπαταρίας μολύβδου-οξέος. Παρουσιάζει όμως αρκετά πλεονεκτήματα όπως, η υψηλότερη ή ίση ενεργειακή πυκνότητα με την μπαταρία λιθίου, το χαμηλότερο κόστος της από κάθε σύγχρονη τεχνολογία της μπαταρίας που τοποθετείται στα EV, η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής υψηλής, η ανθεκτικότητα, η ασφάλεια έναντι βλάβης και η ανθεκτικότητα στην υπερφόρτιση. Το βασικό της μειονέκτημα είναι η απώλεια ενέργειας των 90W όταν δεν χρησιμοποιείται. iv) Μπαταρίες λιθίου. Είναι ένας πολλά υποσχόμενος τύπος μπαταρίας στο χώρο της ηλεκτροκίνησης, λόγω του χαμηλού βάρους, της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και πυκνότητας ισχύος. Επιπλέον, στην μπαταρία λιθίου δεν εμφανίζεται το φαινόμενο μνήμης και είναι απαλλαγμένη από τοξικά και επικίνδυνα μέταλλα, όπως ο μόλυβδος, ο υδράργυρος και το κάδμιο. Κάθε μπαταρία λιθίου χρειάζεται ένα κύκλωμα προστασίας σε κάθε στοιχείο 94

106 της προκειμένου να βρίσκεται σε ασφαλή λειτουργία. Το βασικό μειονέκτημα είναι ότι το λίθιο έχει μεγάλο κόστος παραγωγής, γεγονός που καθιστά τις μπαταρίες αυτές ακριβότερες. Η μπαταρία λιθίου θεϊκού σιδήρου (Li-FeS), μπορεί να αποδώσει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (150Wh/kg) με πολύ χαμηλό βάρος σε σχέση με τις άλλες του ίδιου τύπου, αλλά παρουσιάζει το μεγάλο μειονέκτημα του κύκλου ζωής. Η μπαταρία ιόντων λιθίου (Li-ion), έχει υιοθετηθεί στα ηλεκτροκίνητα οχήματα για το λόγο ότι παρουσιάζει μεγαλύτερη αξιοπιστία και ανθεκτικότητα, έχοντας επίσης το πλεονέκτημα να κατασκευάζεται σε διάφορα σχήματα. Μειονέκτημα αποτελεί η κακή αγωγιμότητα και η μικρή σχετικά πυκνότητα ισχύος. Η μπαταρία λιθίου-φωσφορικού σιδήρου (Li-FePO4) έχει υψηλή πυκνότητα ισχύος και είναι μία καλή επιλογή στην περίπτωση που ζητείται αύξηση της παροχή του ηλεκτρικού ρεύματος. Πέρα από αυτό, η μπαταρία λιθίου φωσφορικού σιδήρου παρέχει μια ανώτερη θερμική και χημική ισοοροπία, η οποία παρέχει καλύτερα χαρακτηριστικά ασφαλείας από όλες τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η μπαταρία λιθίου-τιτανίου (Li-Ti), έχει το πλεονέκτημα της πιο γρήγορης φόρτισης στην ομάδα των μπαταριών λιθίου. v) Μπαταρία μετάλλου-αέρα. Ένας πολλά υποσχόμενος τύπος μπαταριών είναι ο ψευδαργύρου-αέρα (Zinc-air). Ο τύπος αυτός έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα μάζας και ενεργειακής πυκνότητας από μία μπαταρία λιθίου. Ωστόσο, το βασικό μειονέκτημα των μπαταριών λιθίου αέρα που αναπτύχθηκαν μέχρι σήμερα είναι οι μεγάλες απώλειες ενέργειας κατά τη διαδικασία της φόρτισης και της αποφόρτισης, ενώ ο κύκλος ζωής τους είναι περιορισμένος. Ο τύπος της μπαταρίας λιθίου-αέρα βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας υπόσχεται μία υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από αυτήν της μπαταρίας ψευδαργύρουαέρα, κατάλληλη για τον σκοπό των ηλεκτρικών οχημάτων. [59] [66] Στον πίνακα 5-3, παρουσιάζονται οι τύποι που αναφέρθηκαν πιο πάνω, μαζί με τις τιμές των χαρακτηριστικών μεγεθών τους. Στο σχήμα 5-10 φαίνεται η διαφοροποίηση των χαρακτηριστικών, της ενεργειακής πυκνότητας και της πυκνότητας ισχύος, στις μπαταρίες μολύβδου οξέος, μολύβδου-υβριδίου μετάλλου και ιόντων λιθίου. Η υπεροχή των χαρακτηριστικών της μπαταρίας λιθίου, δικαιολογεί απόλυτα την επικράτησή της στα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα, ικανοποιώντας την απαίτηση της μεγάλης πυκνότητας ισχύος σε συνθήκες αύξησης φορτίου καθώς και μεγάλης ενεργειακής πυκνότητας μάζας ώστε να μπορεί ανταποκριθεί σε μεγάλες αποστάσεις. [66] 95

107 Πίνακας 5-3. Τύποι μπαταριών με τα χαρακτηριστικά τους. (πηγή: [59] προσαρμοσμένος) Τύπος μπαταρίας Ενεργειακή Ενεργειακή Πυκνότητα Κύκλος Βαθμός Κόστος πυκνότητα πυκνότητα ισχύος ζωής απόδοσης παραγωγής μάζας όγκου [Wh/kg] [Wh/m 3 ] [W/kg] [%] [ /kwh] Μολύβδου Μολύβδου-οξέος >80 50 Νικελίου Νικελίου-σιδήρου Νικελίου-ψευδαργύρου Νικελίου-καδμίου Νικελίου-υβριδίου < μετάλλου ZEBRA Νικέλιο-Χλωριούχο Νάτριο Λιθίου Θεϊκού σιδήρου Λιθίου-φωσφορικού > σιδήρου Ιόντων λιθίου > Λιθίου-τιτανίου Μετάλλου-αέρος Ψευδαργύρου-αέρος Λιθίου-αέρος Σχήμα Σύγκριση τύπων μπαταρίας ως προς την ενεργειακή πυκνότητα (Wh/kg) και την πυκνότητα ισχύος (W/kg) (πηγή: Energy Management & Control Performance Analysis of Hybrid Electric Vehicle) [66] 96

108 5.4.3 Υπερπυκνωτής (Ultracapacitor) Ο υπερπυκνωτής κατασκευαστικά έχει την ίδια δομή με ένα κανονικό πυκνωτή με τη διαφορά ότι ο υπερπυκνωτής έχει υψηλότερη χωρητικότητα, περίπου 20 φορές περισσότερη, από τον πυκνωτή. Στα χαρακτηριστικά του υπερπυκνωτή συμπεριλαμβάνονται ο μεγάλος κύκλος ζωής, η ελάχιστη συντήρηση και ο επηρεασμός της λειτουργίας του από τις θερμοκρασιακές μεταβολές του περιβάλλοντος. Στην τεχνολογία των υπερπυκνωτών υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτροκίνητα οχήματα, HEV και AEV. Οι τύποι αυτοί είναι, οι ηλεκτρικοί πυκνωτές διπλού στρώματος (EDLC) άνθρακα / άνθρακα, οι ψευδο-πυκνωτές και οι υβριδικοί πυκνωτές. Η μεταξύ τους διαφορά έγκειται στην μηχανισμό αποθήκευσης καθώς και στο υλικό του ηλεκτροδίου που χρησιμοποιείται. Η πυκνότητα ισχύος και των τριών τύπων είναι σχεδόν ίδια και κυμαίνεται γύρω στα kw/kg για απόδοση παλμών 95%, με τον τύπο EDLC να υπερέχει ελαφρώς έναντι των άλλων δύο τύπων υπερπυκνωτών. Η ενεργειακή πυκνότητα μάζας του υπερπυκνωτή ELDC, είναι χαμηλότερη κατά 5-7 Wh/kg, ενώ στους άλλους δύο τύπους κυμαίνεται κατά Wh/kg. Το χαρακτηριστικό που κάνει τον υπερπυκνωτή να ξεχωρίζει από όλες τις άλλες διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας, είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής που μπορεί να φθάσει και τα 40 χρόνια. [59] Χαρακτηριστικές διαφορές μεταξύ μπαταρίας και υπερπυκνωτή Οι μπαταρίες αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια, καθώς απελευθερώνεται από τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα σε ένα κύκλωμα ηλεκτροχημικών στοιχείων. Για παράδειγμα, στην επαναφορτιζόμενη μπαταρία ιόντων λιθίου (εικόνα 5-11), τα ιόντα λιθίου μετακινούνται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, δημιουργώντας μία ροή ηλεκτρονίων (ηλεκτρική ενέργεια). Κατά τον κύκλο της αποφόρτισης, το λίθιο που βρίσκεται στην άνοδο, ιονίζεται και ωθείται στον ηλεκτρολύτη. Στη συνέχεια, τα ιόντα λιθίου κινούνται μέσα από το πορώδες πλαστικό διαχωριστικό με οπές ατομικού μεγέθους και εισέρχονται στην κάθοδο. Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από την άνοδο. Έτσι δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα και μεταφέρεται στο εξωτερικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Κατά τον κύκλο της φόρτισης, τα ιόντα λιθίου πηγαίνουν από την κάθοδο στην άνοδο μέσω του διαχωριστή. Δεδομένου ότι αυτή είναι μία αμφίδρομη χημική αντίδραση, η μπαταρία μπορεί να επαναφορτιστεί. Η διαδικασία φόρτισης και αποφόρτισης στις μπαταρίες είναι μια αργή διαδικασία και μπορεί με την πάροδο του χρόνου να υποβαθμίσει τις χημικές ενώσεις στο εσωτερικό της μπαταρίας. [66] 97

109 Εικόνα Διαδικασία φόρτισης αποφόρτισης στην μπαταρία Li-ion (πηγή: Ως αποτέλεσμα, οι μπαταρίες εμφανίζουν μετά από χρήση χαμηλή πυκνότητα ισχύος και χάνουν την ικανότητά τους να διατηρούν την ενέργεια σε όλη τη διάρκεια της ζωής τους, εξαιτίας των αυτών καταστροφών. Οι υπερπυκνωτές, χρησιμοποιούν έναν διαφορετικό μηχανισμό αποθήκευσης. Στους υπερπυκνωτές, η ενέργεια αποθηκεύεται ηλεκτροστατικά στην επιφάνεια του υλικού, και δεν περιλαμβάνει χημικές αντιδράσεις. Δεδομένης της αρχής λειτουργία τους, οι υπερπυκνωτές μπορεί να φορτιστούν πάρα πολύ γρήγορα, παρέχοντας στο ηλεκτρικό όχημα υψηλή πυκνότητα ισχύος. Αυτό δίνει το συγκριτικό πλεονέκτημα στο ηλεκτρικό όχημα να πετύχει έναν μεγαλύτερο ρυθμό επιτάχυνσης και μεγαλύτερη ταχύτητα χρησιμοποιώντας υπερπυκνωτή. Επίσης, οι υπερπυκνωτές μπορούν να πραγματοποιήσουν εκατομμύρια κύκλους φόρτισης - αποφόρτισης, χωρίς να μειώνεται η δυνατότητα αποθήκευσης με την πάροδο του χρόνου. [59] Το βασικό μειονέκτημα των υπερπυκνωτών, είναι η χαμηλή ενεργειακή τους πυκνότητα, πράγμα που σημαίνει ότι το ποσό της ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί στους υπερπυκνωτές ανά μονάδα βάρους είναι πολύ μικρό, άρα μικρότερη αυτονομία σε σύγκριση με τις μπαταρίες. Όμως, ο συνδυασμός των τεχνολογιών της μπαταρίας λιθίου και των υπερπυκνωτών είναι σε θέση να δώσει λύσει στα τεχνικά προβλήματα που εμποδίζουν την εξέλιξη του ηλεκτρικού οχήματος. Κατά το στάδιο της φόρτισης από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας παρεμβαίνουν οι υπερπυκνωτές για τη γρήγορη μεταφορά και αποθήκευση στις μπαταρίες Li-ion, που πλεονεκτούν ως προς την ενεργειακή πυκνότητα. 98

110 Σχήμα Σχέση ενεργειακής πυκνότητας & πυκνότητας της ισχύος των τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας (πηγή: US Defence Logistics Agency) Αποθήκευση ενέργειας με σφόνδυλο (βολάν) Η διάταξη αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο, στηρίζεται στην επιτάχυνση ενός ρότορα (βολάν) σε εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα, διατηρώντας την κινητική ενέργεια στο σύστημα με τη μορφή της περιστροφικής κίνησης. Η τεχνολογία του σφονδύλου προσεγγίζει την αποθήκευση ενέργειας με δύο μορφές, είτε παρέχοντας στον άξονα εξόδου κινητική ενέργεια μέσω της περιστροφής του, είτε παρέχοντας στην έξοδό του κατευθείαν ηλεκτρική ενέργεια. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ότι ο ενεργειακός βαθμός απόδοσης από το σύστημα πέδησης στον σφόνδυλο είναι 70%, όπου έχουμε διπλή μετατροπή ενέργειας, από το σύστημα πέδησης σε ηλεκτρική και στη συνέχεια μηχανική στο σφόνδυλο. Ο μηχανικός βαθμός απόδοσης του σφονδύλου ανέρχεται στο 97%, ενώ στην περίπτωση που χρησιμοποιηθούν μαγνητικά έδρανα και κενό ο ολικός βαθμός απόδοσης του σφονδύλου φθάνει έως το 85%. [65] Προς το παρόν, ερευνητικά εργαστηριακά κέντρα (Power Center at Austin and So, Power R&D, Ashman Technology, Lawrence Livermore National Laboratory-LLNL), έχουν αναπτύξει σφονδύλους υψηλής ταχύτητας κατάλληλους για εφαρμογή στα ηλεκτρικά οχήματα. Αναφορικά με τα χαρακτηριστικά του σφονδύλων, η ενεργειακή πυκνότητα μάζας κυμαίνεται από Wh/kg και η πυκνότητα ισχύος μεταξύ 2-10 kw/kg. [73] 99

111 Εικόνα Πρωτότυπος σφόνδυλος της LLNL Εικόνα Τα μέρη του σφονδύλου σε τομή (πηγή: Για παράδειγμα, η LLNL κατασκεύασε ένα πρότυπο σφόνδυλο με διάμετρο 20 cm και 30 cm ύψος, όπου περιστρέφεται στις rpm, με χωρητικότητα 100 kwh και ισχύ 100 kw (εικόνα 5-12). Ο σφόνδυλος, σε σύγκριση με τους υπερπυκνωτές, έχει υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και πυκνότητα ισχύος. Ο σφόνδυλος επίσης, έχει άμεση αντίδραση σε παροχή ισχύος για μικρό χρονικό διάστημα, επομένως μπορεί να ανταποκριθεί αποτελεσματικά κατά την χρονική στιγμή της επιτάχυνσης του ηλεκτρικού οχήματος. Όμως το θέμα της ασφάλειας και της γυροσκοπικής δύναμης που αναπτύσσεται κατά τη λειτουργία, αποτελούν τα μειονεκτήματά του. Ωστόσο, η μεγάλη διάρκεια ζωής του (που ξεπερνά τα 15 χρόνια χωρίς να μειώνεται η ικανότητα φόρτισης), η ελάχιστη συντήρηση που χρειάζεται και η ικανοποιητική λειτουργία σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, καθιστά τον σφόνδυλο ιδανική περίπτωση για την εφαρμογή του στα ηλεκτρικά οχήματα ως αποθήκη ενέργειας, προκαλώντας ελάχιστη περιβαλλοντική επιβάρυνση. Στο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο στα οχήματα, έχει επικεντρωθεί το ενδιαφέρον της έρευνας, προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση των οχημάτων. Το 2013 η εταιρεία Volvo, ανακοίνωσε τη χρησιμοποίηση ενός συστήματος με σφόνδυλο, προσαρμοσμένο στον πίσω άξονα του μοντέλου της S60 sedan (εικόνα 5-14). Ο σφόνδυλος περιστρέφεται με την ενέργεια πέδησης έως στις r.p.m. Η ενέργεια του σφονδύλου τροφοδοτεί το όχημα με ένα ειδικό σύστημα μετάδοσης, πετυχαίνοντας μείωση στην κατανάλωση του καυσίμου κατά 25%. [59] 100

112 Εικόνα Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο της Volvo S60 (πηγή: 7/Volvo-S60-Flywheel-KERS-Prototype2.jpg) Εικόνα Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο της Williams (πηγή: Το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο, σχεδιάζεται να τοποθετηθεί στα μέσα 2016 σε 500 αστικά λεωφορεία του Λονδίνου, έτσι ώστε ένα μεγάλο μέρος της ενέργειας που απαιτείται για να κινηθεί ένα λεωφορείο, να παράγεται από τον σφόνδυλο (εικόνα 5-15). Εκτιμάται από τις αρμόδιες αρχές ότι η χρήση της διάταξης του σφονδύλου στα αστικά λεωφορεία θα επιτύχει μείωση στη ρύπανση κατά 50% με 75% και ταυτόχρονη μείωση θορύβου Αποθηκευμένη ενέργεια υδρογόνου Όπως έχει αναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο, το υδρογονοκίνητο όχημα αποθηκεύει το υδρογόνο σε ειδικές δεξαμενές που φέρει στο αμάξωμά του. Η χημική του ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική είτε καίγοντας το υδρογόνο σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης υδρογόνου ή αντιδρώντας με το οξυγόνο σε μία ηλεκτροχημική διάταξη κυψελών καυσίμου όπου παράγεται ηλεκτρική ενέργεια. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα που παρουσιάζει το υδρογόνο είναι η μικρή κατά όγκο ενέργεια που διαθέτει. Υπολογίζεται, ότι για να αποθηκευτεί μια ισοδύναμη ποσότητα υδρογόνου σε κανονικές συνθήκες απαιτείται 800 φορές μεγαλύτερη δεξαμενή από μία τυπική δεξαμενή καυσίμου βενζίνης. Υπάρχουν τρεις τρόποι αποθήκευσης του υδρογόνου στα υβριδικά-ηλεκτρικά οχήματα: 1. Με τη μορφή συμπιεσμένου αερίου σε δεξαμενές υψηλής πίεσης (350 και 700 bar) 2. Ως κρυογονικό υγρό σε κρυογονικές δεξαμενές (-253ºC) 3. Ως απορροφημένο ή προσροφημένο αέριο από κάποιο στερεό, υπό ειδικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Το υδρογόνο μπορεί να προσροφηθεί με τρεις μεθόδους: 101

113 Εικόνα Νανοσωλήνες άνθρακα για αποθήκευση υδρογόνου με τη μέθοδο της προσρόφησης Εικόνα Προσρόφηση του υδρογόνου σε νανοσωλήνες άνθρακα (πηγή: 1. Σε υδρίδια μετάλλου. Κάθε ένωση μετάλλου ή κράματος με το υδρογόνο ονομάζεται υδρίδιο. Κάτω από συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης, το υδρογόνο απορροφάται στην κρυσταλλική δομή των μετάλλων. Όμως η αντίδραση αυτή είναι αναστρέψιμη και το υδρογόνο απελευθερώνεται καθώς το υδρίδιο θερμαίνεται. 2. Σε νανοσωλήνες άνθρακα, όπου κάτω από συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας, το υδρογόνο προσροφάται από τον άνθρακα στους μικροσωλήνες του που έχουν διάμετρο 1-2μm. Το αποτέλεσμα αποθήκευσης που επιτυγχάνεται, είναι σχεδόν ισοδύναμο με την πυκνότητα αποθήκευσης υγρού υδρογόνου (εικόνα 5-16). 3. Σε στερεά μορφή, καθώς το υδρογόνο που βρίσκεται εγκλωβισμένο στο εσωτερικό των υδριδίων μετάλλου, ψύχεται και στερεοποιείται. Η απελευθέρωση του υδρογόνου γίνεται καθώς θερμαίνεται το υδρίδιο. Είναι η πιο ασφαλής μέθοδος, διότι το υδρίδιο έχει την ιδιότητα να προσροφά και να απελευθερώνει το υδρογόνο κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Η μικρή προσρόφηση του υδρογόνου που φθάνει μόλις το 8% κατά βάρος ακόμα και στην περίπτωση των πιο αποτελεσματικών υδριδίων, έχει ως αποτέλεσμα το μεγάλο συνολικό βάρος των υδριδίων αποθήκευσης υδρογόνου (εικόνα 5-17). Σήμερα λέγεται ότι, η τεχνολογία αποθήκευσης υδρογόνου έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο, και δεν υπάρχει ουσιαστικό εμπόδιο ως προς την ασφάλεια χρήσης του. Ωστόσο, το πρόβλημα παραμένει στην παραγωγή του υδρογόνου, όπου δεν μπορεί επιτευχθεί η παραγωγή του με αποδοτικές μεθόδους. Προς το παρόν, το υδρογόνο παράγεται σχετικά εύκολα με την ηλεκτρόλυση του νερού. Ακόμη και όταν κατά την ηλεκτρολυτική παραγωγή του χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια που παρέχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η κατανάλωση της πρωτογενούς ενέργειας στις κυψέλες καυσίμου ανέρχεται κατά πολύ περισσότερο από την κατανάλωση των BEVs. [59] 102

114 Μία πολλά υποσχόμενη μέθοδος παραγωγής υδρογόνου, είναι η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού. Η διάσπαση του νερού για την παραγωγή καυσίμου υδρογόνου, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, δεδομένου ότι το νερό αποτελεί μια ανέξοδη ανανεώσιμη πηγή. Η φωτοκατάλυση, είναι μια διαδικασία τεχνητής φωτοσύνθεσης. Για τη διάσπαση του νερού στα συστατικά του, το υδρογόνο και το οξυγόνο, χρησιμοποιείται ένα φωτοηλεκτροχημικό στοιχείο που ενεργοποιείται είτε από τεχνητό, είτε από φυσικό φως. Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού είναι μία απλή διαδικασία, όπου με τη χρήση μιας σκόνης σε διάλυμα και με το φως του ήλιου, παράγεται το υδρογόνο από το νερό, προσφέροντας μια καθαρή και ανανεώσιμη ενέργεια, πλήρως απαλλαγμένη από τα αέρια του θερμοκηπίου Μονάδες παραγωγής ενέργειας στα EVs Η ιδέα της ενσωμάτωση μιας μονάδας παραγωγής ενέργειας στα οχήματα δεν είναι καινούργια. Προς το παρόν, είναι μία υποσχόμενη μέθοδος για την επέκταση της αυτονομίας των οχημάτων. Μετά την αντικατάσταση της δεξαμενής καυσίμου από την μπαταρία, άνοιξε ο δρόμος για την κατασκευή καινοτόμων διατάξεων παραγωγής ενέργειας στα οχήματα με σκοπό την επαναφόρτισή της ή την απευθείας τροφοδοσία των βοηθητικών εξαρτημάτων που καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν αρκετοί τύποι τέτοιων διατάξεων που θα τους περιγράψουμε στη συνέχεια. i) Φωτοβολταϊκά κελιά (Photovoltaic cell) Εδώ και 20 χρόνια, ξεκίνησε στα οχήματα η εφαρμογή της ηλιακής ενέργειας ή των φωτοβολταϊκών κελιών ως βοηθητική πηγή ενέργειας. Τουλάχιστον σε αυτή την περίοδο, η εφαρμογή των ηλιακών στοιχείων δε θεωρήθηκε απαραίτητη στα συμβατικά αυτοκίνητα για την τροφοδότηση των βοηθητικών συστημάτων τους. Ο στόχος των αυτοκινητοβιομηχανιών για αύξηση της άνεσης των επιβατών στα οχήματα επανέρχεται στις μέρες μας. Τα ηλιακά πάνελ σχεδιάζονται και πάλι προσεκτικά, με σκοπό την κάλυψη των αναγκών ηλεκτρικής Εικόνα ΤΟΥΟΤΑ Prius με φωτοβολταϊκά κελιά στην οροφή Εικόνα Λεπτομέρεια οροφής στο ΤΟΥΟΤΑ Prius 103

115 ενέργειας των συστημάτων αερισμού, κ.α. Από το 2010, η ηλιακή οροφή χρησιμοποιείται στα μοντέλα TOYOTA Prius, Audi 8, Mazda 929 και Aptera 2 (εικόνες 5-18 & 5-19). Έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, επτά διαφορετικές τεχνολογίες στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών κελιών και λόγω της εισόδου των κατασκευαστικών εταιρειών της Κίνας, το κόστος τους έχει μειωθεί έως και 40%. Προς το παρόν, οι πιο διαδεδομένοι τύποι φωτοβολταϊκών κελιών είναι του κρυσταλλικού πυριτίου (Crystalline Silicon) και του λεπτού υμενίου (Thin Film). Ο τύπος του κρυσταλλικού πυριτίου έχει συνολική απόδοση γύρω στο 15-20% με μέγιστη απόδοση υπό ιδανικές συνθήκες 30%. Το κόστος του είναι πολύ υψηλό σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά λεπτού υμενίου. Η απόδοση των φωτοβολταϊκών λεπτού υμενίου κυμαίνεται γύρω στο 6-11% με μέγιστη απόδοση το 21% σε σπάνιες συνθήκες. Η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων για τη χρήση ηλιακής ενέργειας στα οχήματα, παραμένει πρόκληση για τους κατασκευαστές λόγω του περιορισμένου χώρου και της μικρής ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχουν. Πολλοί κατασκευαστές, πιστεύουν ότι σύντομα η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την τροφοδότηση των βοηθητικών διατάξεων των οχημάτων θα προέρχεται πλήρως από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία. Στην προσπάθειά τους να φιλοξενήσουν τα ηλιακά πάνελ, μεγιστοποιούν τις επιφάνειες και βελτιώνουν τους αλγόριθμους στα συστήματα ελέγχου των οχημάτων. Μέχρι τώρα, τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά αφού ο βαθμός απόδοσης των βοηθητικών διατάξεων έχει βελτιωθεί έως 60%. [59] ii) Θερμοηλεκτρική γεννήτρια (Thermo Electric Generator- TEG) Η θερμοηλεκτρική γεννήτρια (TEG) είναι μία διάταξη όπου μετατρέπει την θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική. Επειδή η θερμοδυναμική τους απόδοση μέχρι πρόσφατα ήταν αρκετά χαμηλή, η συγκεκριμένη τεχνολογία θεωρήθηκε ακατάλληλη για εφαρμογές στην αυτοκίνηση. Ωστόσο, η πρόοδος στον τομέα της έρευνας υλικών έχει οδηγήσει σε καινοτόμες εφαρμογές βελτιώνοντας την απόδοση τόσο των συμβατικών όσο και των ηλεκτρικών οχημάτων. Η ανεύρεση τρόπων ανάκτησης της χαμένης θερμικής ενέργειας που εμπεριέχεται στα Εικόνα Seebeck Effect Εικόνα Μοντέλο της BMW με TEG 104

116 καυσαέρια της εξαγωγής, αποτελεί έναν από τους μεγαλύτερους στόχους των κατασκευαστών οι οποίοι διερευνούν την τεχνολογία του μέλλοντος. Οι κατασκευαστές έχουν δημιουργήσει πρωτότυπα οχήματα εφοδιασμένα με θερμοηλεκτρική γεννήτρια όπου υπολογίζουν μία μείωση στην κατανάλωση του καυσίμου από 1 έως και 4% ανάλογα με τον τύπο του οχήματος. Η τεχνολογία στηρίζεται στην αρχή του θερμοηλεκτρικού φαινομένου, γνωστό και ως «Seebeck Effect», σύμφωνα με την οποία εμφανίζεται μία ηλεκτρική τάση μεταξύ δύο θερμοηλεκτρικών ημιαγωγών, εάν βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες (εικόνα 5-20). [59] Το πρώτο σύστημα θερμοηλεκτρικής γεννήτριας σε όχημα παρουσιάστηκε το 2008 από την BMW. Η ενσωμάτωση της TEG στο σύστημα εξαγωγής για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος, παρήγαγε μέγιστη ισχύ 200W, σχετικά χαμηλή ως προς την απόδοση ισχύος του κινητήρα (εικόνα 5-21). Όμως η τεχνολογία των νέων υλικών και βελτίωσε στο βάρος και το μέγεθος των TEG οδήγησε σε ραγδαίες νέες εξελίξεις, έτσι ώστε η τελευταία γενιά των TEG που είναι εγκατεστημένες στην εξαγωγή, παράγει ηλεκτρική ισχύ 600 W, ενώ σύντομα θα επιτευχθεί ο στόχος παραγωγής 1000W. Στη συνέχεια, το 2009, το BMW Group παρουσίασε μία εναλλακτική εξέλιξη αυτού του προγράμματος. Αντί να την τοποθετήσουν στο σύστημα εξαγωγής, οι μηχανικοί αποφάσισαν να ενσωματώσουν την TEG στο ψυγείο του συστήματος ανακύκλωσης καυσαερίων. Με αυτή τη διάταξη, οι δοκιμές έδειξαν ότι μπορούν να παραχθούν 250 W ενώ παράλληλα μειώνονται οι εκπομπές CO 2 και η κατανάλωση κατά 2%.[74] iii) Ανάκτηση ενέργειας από την πέδηση (regenerative braking) Όταν το όχημα κινείται αποκτά λόγω της ταχύτητάς του κινητική ενέργεια. Όταν αναγκάζεται να επιβραδύνει ή και να ακινητοποιηθεί, χρησιμοποιεί το σύστημα πέδησης που η αρχή λειτουργίας του στηρίζεται στην ανάπτυξη αντίθετων δυνάμεων τριβής, μετατρέποντας την κινητική ενέργεια σε θερμότητα που στη συνέχεια χάνεται στο περιβάλλον. Αυτήν την χαμένη ποσότητα της κινητικής ενέργειας αξιοποιεί το σύστημα ανάκτησης ενέργειας πέδησης και την επιστρέφει στο σύστημα αποθήκευσης ενέργειας του οχήματος. Προς το παρόν υπάρχουν τέσσερις τρόποι όπου το σύστημα ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση μπορεί να εκμεταλλευτεί την χαμένη κινητική του ενέργεια. Ο πρώτος τρόπος είναι να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια από μία γεννήτρια-κινητήρα και να αποθηκευτεί κατευθείαν στην μπαταρία. Ο δεύτερος τρόπος είναι να αποθηκευτεί ως υδραυλική ενέργεια με τη βοήθεια αεραντλίας σε ένα αεροφυλάκιο με τη μορφή συμπιεσμένου αέρα. Ο επόμενος τρόπος είναι να αποθηκευτεί σε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας με σφόνδυλο, διατηρώντας την κινητική ενέργεια. Ο τελευταίος τρόπος αποθήκευσης της ενέργειας που ανακτάται από την πέδηση είναι με τη μορφή δυναμικής ενέργειας σε ένα ελατήριο. Στον 105

117 πίνακα 5-4 φαίνονται οι διαφορετικοί τρόποι ανάκτησης της ενέργειας πέδησης με τα χαρακτηριστικά τους. Το σύστημα ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση λειτουργεί αναλογικά και ταυτόχρονα με την τριβή του συστήματος πέδησης, καθώς το όχημα ξεκινά την επιβράδυνσή του. Αυτό γιατί, το σύστημα ανάκτησης ενέργειας πέδησης δεν αποκτά άμεσα αρκετή ενέργεια για να αντιδράσει και να επιβραδύνει όχημα. Για τη βελτίωση της λειτουργίας του συστήματος, εξετάζονται οι εξής παράγοντες: η ικανότητα ή το μέγεθος της ηλεκτρικής γεννήτριας, η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας και των υπερπυκνωτών, ο σχεδιασμός του ηλεκτρικού κυκλώματος και η συμπεριφορά κατά την οδήγηση. Σήμερα η ενέργεια που παράγεται από το σύστημα ανάκτηση πέδησης, είναι μόνο κατάλληλα για οχήματα με συστήματα αποθήκευσης ενέργειας υψηλής χωρητικότητας, όπου συμπεριλαμβάνονται τα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα. Αυτό λόγω του γεγονότος ότι οι ηλεκτρογεννήτριες παράγουν πολύ υψηλή ισχύ κατά την στιγμή της πέδησης που μπορεί να φθάσει και τα 60 kw. Παράδειγμα, το μοντέλο της Mazda i-eloop είναι συμβατικής τεχνολογίας και με σύστημα ανάκτησης ενέργειας πέδησης, και επιτυγχάνει μείωση της κατανάλωσης καυσίμου έως 10%, αποθηκεύοντας την ηλεκτρική ενέργεια που παράγει το σύστημα σε πυκνωτές για τη φόρτιση της μπαταρίας στη συνέχεια. [59] Πίνακας 5-4. Μέθοδοι αποθήκευσης ανάκτησης ενέργειας από πέδηση (πηγή: [59] προσαρμοσμένος) Μορφή ενέργειας αποθήκευσης Ηλεκτρική ενέργεια Μετατροπέας ενέργειας Ηλεκτρογεννήτρια παράγει ρεύμα και αποθηκεύεται στην μπαταρία Απόδοση ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση Παράδειγμα εφαρμογής Βελτίωση στην κατανάλωση καυσίμου 50% HEV, AEV 20% Δυναμική Αεραντλία συμπιέζει >70% Φορτηγά, 40-50% πίεση αέρα ατμοσφαιρικό αέρα και τον λεωφορεία αποθηκεύει στα αεροφυλάκια Κινητική ενέργεια Περιστροφή συστήματος σφονδύλου >70% Formula 1 43% Δυναμική Σπειροειδές ελατήριο τρένα 5% ενέργεια 106

118 Τα περισσότερα συμβατικά οχήματα χρησιμοποιούν τον συμπιεσμένο αέρα και τον σφόνδυλο. Η ενέργεια του συμπιεσμένου αέρα φεύγοντας από το αεροφυλάκιο μετατρέπεται μέσω αντλίας σε μηχανική για να υποβοηθήσει το όχημα κατά την αύξηση φορτίου. Τα κινητικά συστήματα ανάκτησης ενέργειας (Kinetic Energy Recovery System- KERS), που χρησιμοποιούνται ήδη σε αγωνιστικά αυτοκίνητα (Formula One), υπόσχονται σε συνδυασμό με το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω σφονδύλου να βελτιώσουν το σύστημα ανάκτησης ενέργειας από την πέδηση, ώστε να δημιουργήσουν μία διάταξη μικρού μεγέθους και υψηλής πυκνότητας ισχύος Επιλογές εξοικονόμησης ενέργειας στα ηλεκτρικά οχήματα Ένα εξίσου σημαντικό θέμα είναι η ενέργεια που καταναλώνεται από τις βοηθητικές διατάξεις και τα εξαρτήματα στα ηλεκτρικά οχήματα, γιατί μειώνει το συνολικό βαθμό απόδοσης επηρεάζοντας τις επιδόσεις τους. Σε γενικές γραμμές, ένα συμβατικό όχημα με κινητήρα εσωτερικής καύσης, εκμεταλλεύεται περίπου το 15% της ολικής ενέργειας για την κίνησή του. Ένας σημαντικός λόγος είναι η περισσότερη κατανάλωση ενέργειας των συμβατικών οχημάτων στις βοηθητικές τους λειτουργίες, σε σχέση με τα ηλεκτρικά οχήματα. Παρόλο που οι κατασκευαστές των ηλεκτρικών οχημάτων επικεντρώνονται περισσότερο στην αύξηση της αυτονομίας και στη βελτίωση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, το ζήτημα της εξοικονόμησης ηλεκτρικής ενέργειας από τις βοηθητικές διατάξεις παραμένει γι αυτούς μία πρόκληση. Τα βοηθητικά συστήματα του οχήματος που καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια είναι το ηλεκτρικό σύστημα διεύθυνσης, το ηλεκτρικό σύστημα πέδησης, το σύστημα κλιματισμού, τα φώτα οδήγησης, το ραδιοακουστικό σύστημα, το σύστημα πλοήγησης κ.λ.π. Η νέα τεχνολογία έχει οδηγηθεί από τις καινοτόμες εφευρέσεις σε αυξημένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας σε σχέση με το παρελθόν, όπως για παράδειγμα το ρυθμιζόμενο σύστημα ταχυτήτων στο κλιματιστικό σύστημα, τα ηλεκτρονικά ισχύος του συστήματος διεύθυνσης. Για να ανταπεξέλθουν τα ηλεκτρικά οχήματα στην απαίτηση για αύξηση του ηλεκτρικού φορτίου, η τάση λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος μετατράπηκε από τα 12V στα 42V. Στα πλεονεκτήματα της νέας τεχνολογίας συμπεριλαμβάνονται ο υψηλότερος βαθμός απόδοσης, η μείωση του κατασκευαστικού και λειτουργικού κόστους των συσκευών και η μείωση της συνολικής εγκαταστημένης ισχύος λόγω της ενσωμάτωσης των μηχανικών και υδραυλικών συστημάτων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης, η υιοθέτηση συσκευών χαμηλής κατανάλωσης στα νεότερα ηλεκτρικά οχήματα, όπως για παράδειγμα οι λαμπτήρες LED (Light Emitting Device), συνέβαλαν περαιτέρω στην αύξηση του βαθμού απόδοσής των. [59] 107

119 5.4.9 Τεχνολογίες φόρτισης των ηλεκτροκίνητων οχημάτων Εκτός από το πρόβλημα της χωρητικότητας των μπαταριών, η φόρτισή τους αποτελεί μία ακόμη πρόκληση στην ηλεκτροκίνηση, ιδιαίτερα στα PHEV και EV. Η χρονική διάρκεια φόρτισης παραμένει ένα ζήτημα ιδιαίτερα στις μπαταρίες με μεγάλη χωρητικότητα όπως επίσης και η εύρεση σταθμού για τη φόρτιση. Η ανάπτυξη ενός δικτύου σταθμών φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, θα μπορούσε να δράσει καταλυτικά στην διείσδυσή τους στη αγορά της αυτοκίνησης. Υπάρχουν δύο τύποι φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, η φόρτιση με επαγωγή και η φόρτιση με επαφή (εικόνα 5-22). Ο πρώτος τύπος φόρτισης με επαγωγή, γίνεται χωρίς επαφή και η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται ασύρματα μέσω μαγνητικού πεδίου. Αυτή η μέθοδος έχει το πλεονέκτημα της ανθεκτικότερης και ασφαλέστερης σύνδεσης, καθώς και της αυξημένης συμβατότητας και αντοχής των τμημάτων που μετέχουν στην μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Παρόλο που η επαγωγική φόρτιση παρέχει ευκολίες στους οδηγούς, η μέθοδος δεν έχει υψηλά επίπεδα απόδοσης που σημαίνει ότι μεταξύ των άλλων απαιτείται και μεγαλύτερος χρόνος για την φόρτιση. Αυτή η τεχνολογία απαιτεί προσεκτικές εκτιμήσεις ως προς το εύρος των συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται καθώς δημιουργούνται δυνάμεις αυτεπαγωγής με ταυτόχρονη παραγωγή ανεπιθύμητης θερμότητας. Επίσης, το κόστος των εγκαταστάσεων είναι αυξημένο λόγω της πολυπλοκότητας των διατάξεων επαγωγής. Εικόνα Φόρτιση με επαφή και με επαγωγή (πηγή: 108

120 Ο δεύτερος τρόπος φόρτισης με επαφή, είναι μία συμβατική μέθοδος φόρτισης όπου η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας μεταφέρεται μέσω μεταλλικού αγωγού (καλωδίου) από τον φορτιστή στο όχημα. Κατά τον σχεδιασμό των εξαρτημάτων που μετέχουν στην μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει να δοθεί προσοχή τόσο στο θέμα της ασφάλειας όσο και της αντοχή τους. Η μέθοδος φόρτισης με επαφή, είναι η πιο διαδεδομένη και έχει δύο τύπους φόρτισης, φόρτιση στο όχημα (on- board) και φόρτιση εκτός οχήματος (off-board) από εξωτερικό σύστημα ταχείας φόρτισης (ultra-fast). Στην μέθοδο on-board, η φόρτιση γίνεται στο εσωτερικό του οχήματος μέσω του φορτιστή που διαθέτει το όχημα. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για φόρτιση των οχημάτων κατά τις νυχτερινές ώρες σε χώρους στάθμευσης κατοικιών καθώς και σε χώρους στάθμευσης σε χώρους εργασίας κατά την διάρκεια της ημέρας. Πρέπει να τονιστεί ότι ο βαθμός απόδοσης του φορτιστή παίζει σημαντικό ρόλο στην συνολική απόδοση του ηλεκτροκίνητου οχήματος. Στην μέθοδο offboard, η φόρτιση γίνεται μέσω εξωτερικού ταχυφορτιστή συνεχούς ρεύματος που παρακάμπτει τον φορτιστή του οχήματος, κάτι παρόμοιο με τον εφοδιασμό συμβατικών οχημάτων στα πρατήρια υγρών καυσίμων κατά μήκος των οδικών αξόνων. Οι υποδομές φόρτισης, μπορεί να διαιρεθούν σε τρία επίπεδα: i. Στο πρώτο επίπεδο, περιλαμβάνονται οι υποδομές φόρτισης που συναντώνται στις ιδιόκτητες κατοικίες. Η φόρτιση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων επιλέγεται να γίνεται κατά τις νυχτερινές ώρες, κάνοντας χρήση του φθηνότερου τιμολογίου και αποφεύγοντας το σημείο υπερφόρτωσης του δικτύου που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η φόρτιση στις κατοικίες πραγματοποιείται με δύο τύπους (τύπος 1 και 2), όπου διαφέρουν ως προς τις διατάξεις ασφαλείας. Μια πλήρης επαναφόρτιση άδειας μπαταρίας από μια συνηθισμένη μονοφασική παροχή (16A, 3,3 kw), όπως αυτές που υπάρχουν στις περισσότερες οικιακές ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, μπορεί να διαρκέσει από 6 έως 8 ώρες, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του καλωδίου, της συσκευής φόρτισης και της μπαταρίας ii. Το δεύτερο επίπεδο αναφέρεται στις υποδομές φόρτισης που βρίσκονται σε δημόσιους χώρους, π.χ. σε πεζοδρόμια, σε πολυκαταστήματα, σε οργανωμένους χώρους στάθμευσης, σε χώρους εργασίας κ.λ.π. Οι υποδομές έχουν ενσωματώσει ευφυή συστήματα χρέωσης φόρτισης και πληρωμής. iii. Το τρίτο επίπεδο περιλαμβάνει τη διαδικασία της ταχείας φόρτισης (ultra-fast) με χρήση ειδικής τεχνολογίας εκτός οχήματος (off-board μέθοδος). Οι σταθμοί αυτοί βρίσκονται σε αυτοκινητόδρομους και παρέχουν φόρτιση σε λιγότερο από 20min. Οι συσκευές ταχυφόρτισης είναι αυτόνομες και παρέχουν συνεχές ρεύμα υψηλής έντασης κατευθείαν την μπαταρία παρακάμπτοντας τον φορτιστή του οχήματος. Στην περίπτωση που το όχημα διαθέτει ενσωματωμένο ταχυφορτιστή, μπορεί να τροφοδοτηθεί με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) με ισχύ έως 44kW. Οι ταχυφορτιστές διαθέτουν σύστημα επικοινωνίας με το ηλεκτρικό όχημα, ώστε να ρυθμίζεται αναλόγως η ένταση της φόρτισης χωρίς να καταπονούνται τα 109

121 στοιχεία της μπαταρίας. Μια επαναφόρτιση σε ποσοστό 85% - 90% της μπαταρίας διαρκεί από 20 έως 30min ανάλογα και με την εξωτερική θερμοκρασία. Προϋπόθεση της ταχυφόρτισης είναι η ύπαρξη αντίστοιχης δυνατότητας του οχήματος, ενώ στις περιπτώσεις των ταχυφορτιστών συνεχούς ρεύματος το καλώδιο με το αντίστοιχο βύσμα είναι πάντοτε ενσωματωμένα στη συσκευή ταχυφόρτισης. [57] [59] Υπάρχουν δύο βασικά πρότυπα βύσματος και συστήματος ταχυφόρτισης με συνεχές ρεύμα. Το πρότυπο CHAdeMO (CHArge de MOve), το οποίο έχει υιοθετηθεί από τις αυτοκινητοβιομηχανίες Mitsubishi, Nissan, Peugeot, και Citroen και χρησιμοποιεί διαφορετικό ρευματοδέκτη στο αυτοκίνητο από αυτόν που διαθέτει για τη φόρτιση με εναλλασσόμενο ρεύμα. Το πρότυπο CCS (Combo) που υιοθετήθηκε από τις αυτοκινητοβιομηχανίες Mercedes,Volkswagen, Audi, Porsche, BMW, Ford, Chevrolet και χρησιμοποιεί τον ίδιο ρευματοδέκτη για τη φόρτιση με συνεχές και εναλλασσόμενο ρεύμα. Έχει προταθεί στο πλαίσιο της ψήφισης της οδηγίας της Ε.Ε. για την ανάπτυξη υποδομών εναλλακτικών καυσίμων, οι σταθμοί ταχυφόρτισης που θα εγκαθίστανται στην Ε.Ε. να είναι εφοδιασμένοι τουλάχιστον με το πρότυπο CCS, έτσι ώστε να είναι δυνατή η ταχυφόρτιση με το πρότυπο CHAdeMO ή με εναλλασσόμενο ρεύμα (εικόνα 5-23). Στον πίνακα 5-5 περιγράφονται οι κατηγορίες και οι τεχνολογίες που είναι διαθέσιμες για την φόρτιση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Εικόνα Σταθμός ταχυφόρτισης με δύο συστήματα (πηγή: 110

122 Πίνακας 5-5. Κατηγορίες και διαθέσιμες τεχνολογίες φόρτισης ηλεκτροκίνητων οχημάτων (πηγή: [59] προσαρμοσμένος) κατηγορία on-board off-board Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Χρόνος φόρτισης επίπεδο 1 επίπεδο 2 επίπεδο 3 κατοικίες δημόσιοι χώροι σταθμοί φόρτισης (ultra-fast) Τύπος 1 Τύπος 2 Τύπος 3 Τύπος 4 Μονοφασικό ρεύμα 220Vac, 3kW 16A τριφασικό ρεύμα 380Vac 11kW 16A Μονοφασικό ρεύμα 240Vac 32A 7kW τριφασικό ρεύμα 380Vac 32A 24kW τριφασικό ρεύμα 380Vac 63A 43kW Συνεχές ρεύμα Vdc A 50-87kW 6-8 ώρες 2-3 ώρες 4-5 ώρες 1-2 ώρες λεπτά <20 λεπτά ασφάλεια Προστασία από υπερφόρτωση Βασική προστασία από υπερφόρτωση και ηλεκτροπληξία Βασική προστασία με ελέγχου σύστημα τυποποίηση NF-C IEC IEC60309 IEC IEC ακροδέκτης συμβατικός συμβατικός ειδικός (multi pin) Βασική προστασία με σύστημα ελέγχου IEC IEC συνεχούς ρεύματος Σύγχρονοι σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων Έντονο παρουσιάζεται το ενδιαφέρον από τους κατασκευαστές για την ανάπτυξη αυτόνομων σταθμών ταχυφόρτισης χρησιμοποιώντας συνεχές ρεύμα. Οι αυτόνομοι ταχυφορτιστές τοποθετούνται με ευκολία και δεν απαιτούν αυξημένες υποδομές εναλλασσόμενου ρεύματος για την παροχή μεγάλης ηλεκτρικής ισχύος. Επίσης, παρέχουν τη δυνατότητα χρήσης φωτοβολταϊκών συστημάτων για τη φόρτιση του εξωτερικού συστήματος συσσωρευτών, ώστε να υπάρχει πλήρης αυτονομία του σταθμού φόρτισης όσον αφορά την τοποθέτηση του. Έχουν αναπτυχθεί ήδη πρωτοποριακά σχέδια για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας στους χώρους στάθμευσης, συνδυάζοντας την ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία με την τροφοδοσία των σταθμών ταχυφόρτισης. Συνηθίζεται τα φωτοβολταϊκά στοιχεία να τοποθετούνται ως στέγαστρα στους χώρους στάθμευσης, ασφαλίζοντας τα οχήματα και από τις καιρικές συνθήκες (ήλιο, βροχή, χιόνι). Το αρχιτεκτονικό γραφείο Geotectura σε συνεργασία με τον αρχιτέκτονα Stephane Malka, έχει επινοήσει στο Ισραήλ, έναν σταθμό ανεφοδιασμού «πράσινης βενζίνης» (εικόνα 5-24), όπου η ηλιακή ενέργεια συλλέγεται από τα φωτοβολταϊκά πάνελ που είναι τοποθετημένα στη στέγη και τα οχήματα σταθμεύουν κάτω από το πανέμορφο θόλο του μπροστά στους 111

123 Εικόνα Geotectura s σταθμός «πράσινης Βενζίνης» (πηγή: solar-powered-charging-stations-ev-commutescompletely-green.html) Εικόνα Ηλιακός σταθμός φόρτισης EV της Honda (πηγή: πόλους επαναφόρτισης. Οι χώροι εξυπηρέτησης, καταστήματα και καφέ, βρίσκονται στον υπόγειο χώρο. Σε περιοχές με επαρκή ταχύτητα ανέμου, θα μπορούσε να τοποθετηθούν στην οροφή και ανεμογεννήτριες. Στην εικόνα 5-25, φαίνεται ο σταθμός φόρτισης που έχει τοποθετήσει η Honda σε δημόσιο χώρο, όπου εκτός από τα ηλεκτρικά οχήματα προορίζεται και για τα ηλεκτρικά δίκυκλα της πόλης. Το «ηλιακό δάσος» του αρχιτέκτονα Neville Mars, είναι μια από τις πιο καινοτόμες και έξυπνες ιδέες των τελευταίων ετών. Αποτελεί μία διαφορετική προσέγγιση στους παραδοσιακούς χώρους στάθμευσης, με στόχο την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας εντός αστικών περιοχών. Όπως φαίνεται στην εικόνα 5-26, οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν τη μορφή μεγάλων φύλλων ενός «ηλιακού δέντρου» όπου ακολουθούν την κίνηση του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας, απορροφώντας τη μέγιστη δυνατή ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας. Το ηλεκτρικό όχημα σταθμεύει δίπλα στον κορμό του δέντρου όπου βρίσκεται ο φορτιστής του ηλιακού δέντρου. Επιπλέον, οι ηλιακοί συλλέκτες δημιουργούν ένα σκιερό θόλο, προστατεύοντας τα οχήματα από τον δυνατό ήλιο του καλοκαιριού. Το σύστημα αλλαγής μπαταρίας (battery swapping) που προωθεί η κατασκευάστρια εταιρεία σταθμών φόρτισης ηλεκτροκίνητων οχημάτων Better Place, έχει αποσπάσει την προσοχή και το ενδιαφέρον των επιχειρηματιών. Ο σταθμός φόρτισης Better Place με αλλαγή της μπαταρίας, θα μπορούσε να περιγραφεί ως ένας συνδυασμός αυτοματοποιημένου πλυντηρίου αυτοκινήτων και ενός πρατηρίου καυσίμων που διαθέτει γρήγορη αλλαγή λιπαντικών (εικόνα 5-27). 112

124 Εικόνα 5-26 Το «ηλιακό δάσος» του Neville Mars (πηγή: Ο σύγχρονος σταθμός φόρτισης μπορεί να αντικαταστήσει την μπαταρία ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου μέσα σε λίγα λεπτά, χωρίς να χρειαστεί ο οδηγός του οχήματος να βγει από το όχημα. Για την επιτυχία αυτού του συστήματος, απαιτείται από την τεχνολογία της μπαταρίας και των ηλεκτρικών οχημάτων αυστηρή τυποποίηση, ώστε η αντικατάσταση της μπαταρίας να είναι εφικτή σε οποιοδήποτε όχημα. Παρόλα αυτά, το σύστημα ανεφοδιασμού με αντικατάσταση της μπαταρίας, προς το παρόν δεν είναι εύκολο να υιοθετηθεί λόγω του μεγάλου όγκου και βάρους της μπαταρίας που χρησιμοποιείται στα σημερινά ηλεκτρικά οχήματα. Επίσης, για την αυτόματη αντικατάσταση της μπαταρίας, τα οχήματα πρέπει να διαθέτουν ειδικό σχεδιασμό από τον κατασκευαστή τους, ώστε εκτός από την εύκολη διαδικασία αλλαγής της μπαταρίας, να πληρείται και η ασφάλεια του οχήματος. [63] Πρέπει να τονιστεί ότι το σύστημα ανεφοδιασμού με αλλαγή μπαταρίας προβλέπεται να επιφέρει επιπτώσεις στο περιβάλλον, λόγω του μεγάλου αριθμού μπαταριών απαιτούνται για τη λειτουργία αυτού του συστήματος. Επιπλέον, οι μπαταρίες είναι αναγκασμένες να λειτουργούν σε συνθήκες συχνής φόρτισης με αποτέλεσμα τη μείωση της διάρκειας ζωής των. Αναμφισβήτητα, οι υποδομές φόρτισης για τα ηλεκτροκίνητα οχήματα, σχετίζονται με την ανάπτυξη της χρήσης των ηλεκτρικών οχημάτων. Οι περισσότεροι σταθμοί φόρτισης 113

125 Εικόνα5-27. Σταθμός φόρτισης Better Place με αλλαγή της μπαταρίας ( απομακρύνουν το άγχος της απόστασης αυτονομίας και ενθαρρύνουν τη χρήση του. Από την άλλη πλευρά, η αύξηση της απαίτησης για χρήση ηλεκτρικής ενέργειας από τα ηλεκτροκίνητα οχήματα θα δημιουργήσει προβλήματα στα δίκτυα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας ιδιαίτερα στα σημεία αιχμής. Η λύση θα πρέπει να δοθεί από την ανάπτυξη ενός έξυπνου δικτύου όπου οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θα παίξουν το σημαντικότερο ρόλο. 5.5 Διασύνδεση των ηλεκτρικών οχημάτων με το έξυπνο δίκτυο Μέχρι σήμερα, δεν υπάρχει ουσιαστική διασύνδεση μεταξύ του τομέα των μεταφορών και του δικτύου της ηλεκτρικής ενέργειας, αφού ο παγκόσμιος στόλος των οχημάτων χρησιμοποιεί σε ποσοστό 96% τα ορυκτά καύσιμα, κυρίως τη βενζίνη και το πετρέλαιο. Ωστόσο, με την ευρεία υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης, η κατάσταση στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας αναμένεται να επιβαρυνθεί, ιδιαίτερα κατά της ώρες αιχμής, από την πρόσθετη κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας. Για την εξισορρόπηση των φορτίων αιχμής, προτείνεται η τεχνολογία Vehicle-To-Grid, V2G (οχημάτων-προς-δίκτυο), όπου δύναται στα ηλεκτρικά οχήματα η επιλογή να επιστρέψουν στο δίκτυο την ηλεκτρική ενέργεια που διαθέτουν. Παράλληλα με την ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης, δημιουργούνται πολλές ευκαιρίες για την ανάπτυξη ενός έξυπνου δικτύου που θα μετριάσει τις αναμενόμενες επιπτώσεις. Τέλος, η ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, θα ενισχύσει σημαντικά την αξιοπιστία του. [57] Έξυπνο δίκτυο ενέργειας Το έξυπνο δίκτυο είναι ένα εκσυγχρονισμένο ηλεκτρικό δίκτυο που χρησιμοποιεί υπολογιστή και σε συνεργασία με συστήματα αυτοματισμού ελέγχου και ενός τηλεχειριστήριου, συμβάλει στη βελτίωση της αξιοπιστίας, της αποτελεσματικότητας και της βιωσιμότητας της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Η ένταξη των τεχνολογιών πληροφορίας και επικοινωνίας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, στοχεύει στην αποδοτικότερη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας από 114

126 Σχήμα Η διασύνδεση στο έξυπνο δίκτυο (πηγή: Renewable and Sustainable Energy Reviews, fig.6, V49 pp ) [57] τους καταναλωτές. Τα διάφορα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα του συστήματος συνδέονται μεταξύ τους και με την αμφίδρομη επικοινωνία των ενεργειακών διαδρομών, παρέχουν μεγαλύτερη λειτουργικότητα και αποδοτικότητα (σχήμα 5-11). Για την απόκτηση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, τοποθετούνται αισθητήρες και έξυπνοι μετρητές ελέγχου σε όλο το έξυπνο δίκτυο. Εκτός από τη συλλογή πληροφοριών, για την εποπτεία και τη βελτιστοποίηση των συνολικών εργασιών των διασυνδεδεμένων στοιχείων, το έξυπνο δίκτυο χρησιμοποιεί αυτόνομο και ευφυή έλεγχο παρακολούθησης. Ένα από τα χαρακτηριστικά του έξυπνου δικτύου είναι ότι οι καταναλωτές μπορούν να συμμετέχουν ενεργά στη λειτουργία του δικτύου. Οι καταναλωτές, μέσα από τα προηγμένα συστήματα μέτρησης, μπορούν να έχουν πρόσβαση σε πληροφορίες σχετικά με τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας και των χρηματικών κινήτρων σε πραγματικό χρόνο. Οι καταναλωτές μπορούν να αποφασίζουν με βάση τις προτιμήσεις τους για τη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουν και με την αλλαγή του τρόπου χρήσης της να βοηθήσουν στην εξισορρόπηση της προσφοράς και ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, το έξυπνο δίκτυο έχει τη δυνατότητα να κατανέμει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε πολλές αυτόνομες τοπικές μονάδες, παρέχοντας καλύτερη αξιοπιστία στη μείωση του κινδύνου από φυσικές καταστροφές. Στην περίπτωση που εμφανιστεί κάποιο πρόβλημα, το έξυπνο δίκτυο θα λάβει άμεσα διορθωτικά μέτρα για την αποκατάστασή του. Υπάρχουν πολυάριθμα προγράμματα έξυπνων δικτύων που έχουν υλοποιηθεί σε όλο τον κόσμο. Αναφορικά με την έκθεση της Παγκόσμιας Ομοσπονδίας Έξυπνων Δικτύων, μερικά από τα σημαντικότερα έργα είναι το Smart Grid Smart City στην Αυστραλία, Οντάριο Smart 115

127 Metering Initiative στον Καναδά, Low Carbon London στη Μεγάλη Βρετανία, και το Houston s Smart Grid στις Ηνωμένες Πολιτείες. Πίνακας 5-6. Σύγκριση του συμβατικού με το έξυπνο δίκτυο (πηγή: [57] προσαρμοσμένος) Χαρακτηριστικά δικτύου Συμβατικό δίκτυο Έξυπνο δίκτυο ενέργειας ενέργειας Επικοινωνία Μονής κατεύθυνσης Αμφίδρομη Παρακολούθηση και έλεγχος Με εγχειρίδιο (manual) Αυτόνομα με ευφυή συστήματα Ένταξη των έξυπνων Περιορισμένη Σε όλο το δίκτυο αισθητήρων και μετρητών συμμετοχή των καταναλωτών Παθητική Ενεργή Παραγωγή ενέργειας Συγκεντρωτική Κατανεμημένη Αποκατάσταση βλάβης Με εγχειρίδιο (manual) Αυτόματα από μόνο του Ο πίνακας 5-6 παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά του έξυπνου δικτύου σε σύγκριση με το συμβατικό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Τεχνολογία «Όχημα-προς-δίκτυο» (Vehicle-To- Grid, V2G) Η τεχνολογική εφαρμογή «όχημα-προς-δίκτυο» (V2G) απαιτεί κατάλληλη υποδομή στο ηλεκτρικό δίκτυο, ώστε να εξασφαλίζεται η αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και της μπαταρίας του ηλεκτρικού οχήματος. Το ηλεκτρικό όχημα κάθε φορά που το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας του είναι χαμηλό, συνδέεται με το ηλεκτρικό δίκτυο για να παραλάβει και να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια. Κατά τη λειτουργία V2G στο έξυπνο δίκτυο, το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας παρακολουθείται συνεχώς και όταν κρίνεται αποδοτικό, η ηλεκτρική ενέργεια επιτρέπεται να επιστραφεί. Με την σωστή διαχείριση της εφαρμογής V2G ενός μεγάλου στόλου ηλεκτροκίνητων οχημάτων, επιτυγχάνονται σημαντικά οφέλη, τόσο για την αντιμετώπιση των φορτίων αιχμής του δικτύου όσο και οικονομικά οφέλη για τους ιδιοκτήτες των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Η πρόοδος της τεχνολογίας V2G πραγματοποιήθηκε σταδιακά. Η τεχνολογία V2G μονής κατεύθυνσης, από το δίκτυο στο όχημα, αποτελεί το αρχικό στάδιο της εφαρμογής της τεχνολογίας V2G όπου μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση των υφιστάμενων τυποποιημένων φορτιστών. Επιπλέον, η υλοποίηση της τεχνολογίας V2G μονής κατεύθυνσης γίνεται χωρίς να υποβαθμίσει την μπαταρία. Η τεχνολογία V2G διαχειρίζεται τη διαδικασία φόρτισης του ηλεκτροκίνητου οχήματος ελέγχοντας τον ρυθμό φόρτισης με βάση τον ενεργειακό προγραμματισμό ή το σύστημα κινήτρων που παρέχεται στους καταναλωτές. Η εισαγωγή μιας πολιτικής για τον προγραμματισμό της κατανάλωσης της ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί 116

128 βασική κινητήρια δύναμη για την υιοθέτηση της τεχνολογίας V2G μονής κατεύθυνσης. Οι ιδιοκτήτες ανταμείβονται με κίνητρα όταν φορτίζουν τα οχήματά τους κατά τη διάρκεια εκτός αιχμής φορτίου και με όριο φόρτισης κατά τη διάρκεια της ώρας αιχμής. Με αυτή την στρατηγική, εξαλείφονται τα φορτία λόγω των ηλεκτροκίνητων οχημάτων κατά τις περιόδους αιχμής, εξομαλύνεται το επίπεδο του προφίλ ηλεκτρικού φορτίου στο δίκτυο με όφελος την αποτροπή της μερικής καταστροφής του δικτύου. Ως εκ τούτου, με την εφαρμογή της τεχνολογίας V2G μονής κατεύθυνσης, μπορούν να επιτύχουν αμοιβαία οφέλη για τους ιδιοκτήτες των ηλεκτροκίνητων οχημάτων και για το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Το επόμενο στάδιο της εξέλιξης V2G αποτελεί η τεχνολογία αμφίδρομης επικοινωνίας. Με την ανάπτυξη των φορτιστών αμφίδρομης κατεύθυνσης στα ηλεκτροκίνητα οχήματα, επιτρέπεται η επικοινωνία και η ανταλλαγή ηλεκτρικής ενέργειας με δύο τρόπους, από το δίκτυο στο όχημα και από το όχημα στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Λόγω της σημαντικότητας της εφαρμογής, ο όρος V2G αντιπροσωπεύει αποκλειστικά σήμερα την τεχνολογία αμφίδρομης επικοινωνίας V2G. Η τεχνολογία αμφίδρομης επικοινωνίας V2G ταξινομείται σε διάφορες κατηγορίες, όπως από το «όχημα-στο-σπίτι» (Vehicle-To-Home, V2H), από το «όχημα-σε-όχημα» (Vehicle-To- Vehicle, V2V) και τέλος από το «όχημα-προςδίκτυο» (Vehicle-To- Grid, V2G). Η τεχνολογία από το «όχημα-στο-σπίτι» (Vehicle-To-Home, V2H), έχει τη μικρότερη έκταση ανάμεσα στις άλλες κατηγορίες δεδομένου ότι η εφαρμογή της περιορίζεται εντός του οικιακού αυτοματοποιημένου δικτύου (σχήμα 5-12). Σε ένα τέτοιο δίκτυο το ηλεκτρικό όχημα μπορεί να λειτουργήσει ως αποθήκη ενέργειας και να υποστηρίξει, για παράδειγμα, την οικιακή μονάδα φωτοβολταϊκών στοιχείων που τροφοδοτεί τις οικιακές ηλεκτρικές συσκευές, όταν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλή. Η τεχνολογία V2H σε συνεργασία με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που είναι κατανεμημένες στο έξυπνο δίκτυο είναι σε θέση να δημιουργήσει ένα ασφαλές, ενεργειακά αποδοτικό και φιλικό προς το περιβάλλον σύστημα. Στο πλαίσιο ενός ευρύτερου στόλου ηλεκτροκίνητων οχημάτων, όπως για παράδειγμα οι χώροι στάθμευσης εμπορικών κέντρων, η τεχνολογία από «όχημα-σε-όχημα» (Vehicle-To- Vehicle, V2V), επιτρέπει την ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. Ο ρόλος του συλλέκτη (aggregator) είναι σημαντικός για τον έλεγχο και τη διαχείριση της ανταλλαγής ηλεκτρικής ενέργειας όλων των ηλεκτροκίνητων οχημάτων που συνδέονται στο σύστημα V2V. Καθώς με την τεχνολογία V2G, τα ηλεκτρικά οχήματα μεταφέρουν ενέργεια από το ηλεκτρικό δίκτυο για την φόρτισή τους, άλλα ηλεκτροκίνητα οχήματα μεταφέρουν ηλεκτρική ενέργεια από τις μπαταρίες τους προς το δίκτυο. Με τον κατάλληλο έλεγχο βελτιστοποίησης και διαχείρισης του συστήματος, η τεχνολογία V2G μπορεί να επιφέρει σημαντικά οφέλη στο διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό δίκτυο. 117

129 Σχήμα Τεχνολογίες V2H, V2V και V2G σε δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας με ενσωματωμένες τις ΑΠΕ (Renewable and Sustainable Energy Reviews, fig.7 V49 pp ) [57] Η τεχνολογία V2G μπορεί να επιφέρει διάφορα οφέλη για το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της σωστής διαχείρισης και ελέγχου του συστήματος. Ωστόσο, ο μεγάλος στόλος των διασυνδεδεμένων ηλεκτροκίνητων οχημάτων έχει ως αποτέλεσμα την αβεβαιότητα ως προς την ισχύ του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και ως εκ τούτου επιφέρει διαφοροποιήσεις στα επίπεδα φόρτισης των μπαταριών. Για τη διαχείριση του μεγάλου στόλου ηλεκτροκίνητων οχημάτων, χρησιμοποιείται μία μονάδα τεχνικής βελτιστοποίησης για τον προγραμματισμό και τον έλεγχο της ροής ενέργειας μεταξύ των οχημάτων και του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κατασκευαστές υποστηρίζουν ότι η τεχνολογία V2G μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους ιδιοκτήτες ως μία μονάδα εκμετάλλευσης που μπορεί να επιφέρει κέρδη εάν χρησιμοποιηθεί σε σωστές συνθήκες. Παρόλα αυτά, υπάρχουν λόγοι που οι ιδιοκτήτες παραμένουν διστακτικοί. Ο σημαντικότερος λόγος είναι ότι με την επιστροφή της ηλεκτρικής ενέργειας από την μπαταρία στο δίκτυο, αυξάνεται η συχνότητα των κύκλων φόρτισης και αποφόρτισης της μπαταρίας και ως εκ τούτου μειώνεται η διάρκεια ζωής της. Επίσης, οι μπαταρίες είναι σχετικά μη αποδοτικός τρόπος αποθήκευσης της ενέργειας, γιατί εμφανίζονται σημαντικές απώλειες, έχουν υψηλό κόστος αγοράς, χαμηλή χωρητικότητα με αποτέλεσμα ο μικρός στόλος των ηλεκτροκίνητων οχημάτων που διαθέτουν την τεχνολογία V2G να μην επιθυμεί την σύνδεση του με το δίκτυο. [56] 118

130 Συνεπώς, η τεχνολογία V2G τουλάχιστον προς το παρόν φαίνεται να γίνεται περιορισμένη χρήση λόγω του μεγάλου κόστους της μπαταρίας που πλησιάζει στο μισό του ολικού κόστους αγοράς ενός ηλεκτρικού οχήματος. Η ανάγκη για την επίλυση του προβλήματος, ώθησε τους επενδυτές στην αναζήτηση εναλλακτικών επιχειρηματικών μοντέλων, ώστε να αρθεί η διστακτικότητα των ιδιοκτητών στη χρήση της τεχνολογίας V2G. Η «μίσθωση της μπαταρίας» είναι ένα από τα επιχειρηματικά μοντέλα όπου ο κατασκευαστής δεσμεύεται για ένα χρονικό διάστημα να αντικαταστήσει την μπαταρία του ηλεκτρικού οχήματος στην περίπτωση που η απόδοσή της δεν είναι κρίνεται ικανοποιητική, σύμφωνα με τις σχετικές προδιαγραφές. Με τον τρόπο αυτό, επιλύεται το πρόβλημα της υποτίμησης της αξίας του ηλεκτρικού οχήματος σε συνάρτηση με το χρόνο καθώς επίσης αποκτάται και το πλεονέκτημα της εκμετάλλευσης κάθε τεχνολογικής αναβάθμισης στον τομέα της μπαταρίας.[60] Στον πίνακα 5-7 παρουσιάζονται τα συγκριτικά χαρακτηριστικά των τεχνολογιών μονής και αμφίδρομης κατεύθυνσης ηλεκτρικής ενέργειας (V2G). Η εφαρμογή της τεχνολογίας V2G σε ένα έξυπνο δίκτυο είναι δυνατόν να φέρει πολλές υπηρεσίες, οι οποίες είναι επωφελείς για τη λειτουργία του δικτύου. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι, η εφαρμογή της τεχνολογίας V2G στο σύστημα έξυπνου δικτύου διευκολύνει την ενσωμάτωση των διάσπαρτων κατανεμημένων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ώστε τελικά η κατανάλωση ενέργειας των ηλεκτροκίνητων οχημάτων να προέρχεται από καθαρή και απόλυτα φιλική προς το περιβάλλον ενέργεια. 119

131 Πίνακας 5-7. Σύγκριση τεχνολογιών μονής και αμφίδρομη κατεύθυνσης V2G.(πηγή: [57] προσαρμοσμένος) Τύπος V2G Περιγραφή Υπηρεσίες Οφέλη Μειονεκτήματα μονής η τεχνολογία μονής βοηθητικές α) ελαχιστοποίηση Περιορισμένες κατεύθυνσης κατεύθυνσης V2G, υπηρεσίες- των απωλειών διαθέσιμες ελέγχει τον ρυθμό εξισορρόπηση ισχύος υπηρεσίες φόρτισης της φορτίου β) μεγιστοποίηση ενέργειας σε μία κέρδους και κατεύθυνση από το ελαχιστοποίηση του δίκτυο στο όχημα. κόστους λειτουργίας Βασίζεται στον δ) ελαχιστοποίηση προγραμματισμό των εκπομπών κατανάλωσης ενέργειας και στο σύστημα κινήτρων αμφίδρομη η τεχνολογία α) βοηθητικές α) ελαχιστοποίηση α) υποβάθμιση της κατεύθυνση αμφίδρομης V2G υπηρεσίες - των απωλειών μπαταρίας αναφέρεται στη εξισορρόπηση ισχύος β) απαίτηση για διπλή ροή φορτίου β) μεγιστοποίηση υποδομές υψηλού ηλεκτρικής ενέργειας β) υποστήριξη της κέρδους και κόστους μεταξύ EV και ενεργού ισχύος σε ελαχιστοποίηση του γ) εμπόδια από ηλεκτρικού δικτύου φορτία αιχμής κόστους λειτουργίας κοινωνικές ομάδες με απώτερο σκοπό γ) υποστήριξη για δ) ελαχιστοποίηση στις εγκαταστάσεις τα κοινά οφέλη την ενσωμάτωση των εκπομπών ΑΠΕ των ανανεώσιμων ε) πρόληψη από πηγών ενέργειας υπερφόρτωση στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας στ) βελτίωση του προφίλ του φορτίου ζ) ρύθμιση επίπεδου τάσης η) μεγιστοποίηση παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές 120

132 5.6 Επιπτώσεις από την ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων Μία προσέγγιση στην επίλυση του προβλήματος της κλιματικής αλλαγής στον τομέα των μεταφορών είναι η υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης. Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν αναγνωριστεί ως το κλειδί της τεχνολογίας για τη μετάβαση της μείωσης των εκπομπών των αερίων ρύπων και της απεξάρτησης των ορυκτών καυσίμων. Για την υποστήριξη των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, τα τελευταία χρόνια έχουν εφαρμοστεί διάφορες πολιτικές που έχουν επιφέρει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η συνεχής βελτίωση του ηλεκτρικού οχήματος στο σύστημα μετάδοσης ισχύος, στην τεχνολογία της μπαταρίας και του φορτιστή έχουν συμβάλει περαιτέρω στην ευρύτερη υιοθέτησή του. Εκτός από τα περιβαλλοντικά και οικονομικά οφέλη από την είσοδό τους στην αυτοκίνηση, αρχίζουν να διαφαίνονται οι αρνητικές επιπτώσεις στην υφιστάμενη λειτουργία του δικτύου λόγω της φόρτισής τους. Για τη διερεύνηση των επιπτώσεων της ανάπτυξης των ηλεκτρικών οχημάτων έχουν ήδη ξεκινήσει εκτεταμένες έρευνες, με έμφαση τον οικονομικό αντίκτυπο, τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και τις επιπτώσεις στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Οικονομικός αντίκτυπος Ο οικονομικός αντίκτυπος της ανάπτυξης των ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να αξιολογηθεί από δύο οπτικές γωνίες, από τη πλευρά του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και την πλευρά του κόστος ιδιοκτησίας. Το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει να παρέχει πρόσθετα φορτία όταν τα ηλεκτρικά οχήματα είναι συνδεδεμένα για να φορτιστούν. Για την αντιμετώπιση αυτών των πρόσθετων φορτίων, το κόστος του συστήματος θα αυξηθεί λόγω της αύξησης των καυσίμων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, κατά τη διάρκεια της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε όλο το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας δημιουργούνται πρόσθετες απώλειες ενέργειας (αύξηση εντροπίας). Παρόλα αυτά, η κατάσταση αυτή μπορεί να διαφοροποιηθεί με τη σωστή διαχείριση της φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων. Η ελεγχόμενη φόρτιση μπορεί να μειώσει σημαντικά το κόστος του συστήματος με εξοικονόμηση έως και 60%. Η μείωση του κόστους είναι ακόμη μεγαλύτερη με την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, δίνοντας έμφαση στην αιολική ενέργεια. [57] [58] [62] Από τη πλευρά του κόστους ιδιοκτησίας των ιδιοκτητών, το ηλεκτρικό όχημα έχει χαμηλό λειτουργικό κόστος λόγω της χρήσης του αποδοτικού ηλεκτροκινητήρα με βαθμό πάνω από 90%. Το υψηλότερο αρχικό κόστος αγοράς σε σχέση με το συμβατικό όχημα που διαθέτει κινητήρα εσωτερικής καύσης, οφείλεται στην μπαταρία του. Η «περίοδος αποπληρωμής του ηλεκτρικού οχήματος» είναι ο οικονομικός όρος που εισάγεται για να εκτιμηθεί η χρονική διάρκεια που απαιτείται για την απόσβεση του κόστους επένδυσης ενός ηλεκτρικού 121

133 οχήματος. Προς το παρόν, οι σχετικές έρευνες που έχουν διεξαχθεί με κύκλο ιδιοκτησίας πέντε έτη, ετήσια μετακίνηση km, δείχνουν υψηλότερο κόστος ιδιοκτησίας. Για την διείσδυση της ηλεκτροκίνησης είναι αναγκαία η ελάφρυνση του κόστους αγοράς, όπου θα πρέπει να επιδοτείται τουλάχιστον η διαφορά κόστους συγκρίνοντας με ένα αντίστοιχο συμβατικό όχημα. [60] Με την πρώτη ματιά, ο οικονομικός αντίκτυπος από την ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης, τόσο στους ιδιοκτήτες όσο και στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι θετικός. Από τη μία πλευρά, το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να προσαρμοστεί ώστε να αυξήσει την ενεργό ισχύ του για να παρέχει την επιπλέον ζήτηση φορτίου των ηλεκτρικών οχημάτων. Από την άλλη πλευρά, οι ιδιοκτήτες ηλεκτρικών οχημάτων πρέπει να επωμιστούν, τουλάχιστον προς το παρόν, το υψηλό αρχικό κόστος αγοράς συμβάλλοντας στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. [57] Περιβαλλοντική επίπτωση Τα ηλεκτρικά οχήματα φέρεται να είναι «πράσινα» και φιλικά προς το περιβάλλον δεδομένου ότι έχουν μηδενικές εκπομπές ρύπων. Ωστόσο, η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας προκειμένου να τροφοδοτήσει το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, παράγει εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Για τη σύγκριση του επίπεδου των εκπομπών των ηλεκτροκίνητων οχημάτων με τα συμβατικά οχήματα, χρησιμοποιείται η τεχνική ανάλυσης εκπομπών από την «πηγή στους τροχούς» (Well-To-Wheels-WΤW). Δηλαδή, λαμβάνονται υπόψη οι εκπομπές καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής του οχήματος, η οποία περιλαμβάνει την ενέργεια και τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του οχήματος, καθώς επίσης και τις άμεσες εκπομπές ρύπων κατά την εξαγωγή των καυσαερίων. [57] Πολλές έρευνες έχουν δείξει ότι το πλεονέκτημα των ηλεκτροκίνητων οχημάτων στο θέμα των αέριων ρύπων, διαφοροποιείται και εξαρτάται από το είδος του καυσίμου που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Εκτιμάται ότι, μία θερμοηλεκτρική μονάδα όπου χρησιμοποιεί για καύσιμη ύλη το κάρβουνο (ανθρακίτη -hard coal), παράγει περίπου gco 2 e/mj που ισοδυναμεί με gco 2 e/km όταν καταναλώνεται από ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Όταν χρησιμοποιείται η τεχνολογία IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), το αποτέλεσμα είναι ελαφρώς καλύτερο και παράγονται 280 gco 2 e/mj που ισοδυναμούν με 130 gco 2 e/km. Το φυσικό αέριο έχει μεγαλύτερο εύρος διακύμανσης και εξαρτάται από τη χώρα παραγωγής. [63] Οι περισσότερες νέες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φυσικού αερίου στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη χρησιμοποιούν την προηγμένη τεχνολογία (NGCC) που επιτρέπει τη βελτίωση της αποδοτικότητας των καυσίμων του φυσικού αερίου στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, εκπέμποντας τα μικρότερα ποσά CO 2. Υπολογίζεται ότι μία 122

134 τέτοια μονάδα παράγει 150 gco 2 e/mj που ισοδυναμεί με 80 gco 2 e/km. Πρέπει να σημειωθεί, ότι δεν είναι καθόλου ασήμαντη η συμμετοχή του CO 2 κατά την εξόρυξη των ορυκτών καυσίμων, γεγονός που ανεβάζει το ποσό κατά 5-10%. Επίσης, το μείγμα ηλεκτροπαραγωγής μεταβάλλεται με την περιοχή, την εποχή ακόμα και με την ώρα κατά τη διάρκεια της ημέρας. [63] Σε γενικές γραμμές, ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορεί να έχει το οικολογικό πλεονέκτημα, όταν φορτίζεται με ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από θερμοηλεκτρικό εργοστάσιο που εκπέμπει από 500 έως 600 gco 2 /kwh. Η απόδοση λειτουργίας με βάση τον κύκλο ζωής βελτιώνεται σημαντικά, όταν η φόρτιση του ηλεκτρικού οχήματος γίνεται με ηλεκτρικό ρεύμα που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.[61] Αναφορικά με την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα των εργοστασίων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην χώρα μας, σύμφωνα με τα στοιχεία του αρμόδιου Υπουργείου Περιβάλλοντος (2012), ο μέσος συντελεστής του Ελληνικού μείγματος ηλεκτροπαραγωγής ισούται με 833,6 gco 2 /kwh. [60] Επίσης, περιβαλλοντικό ζήτημα εγείρεται κατά το στάδιο κατασκευής των μπαταριών όπου εμφανίζεται αυξημένη δυναμική οξίνισης συνδεόμενη με τις διεργασίες τήξης των μετάλλων (Cu, Ni, Co) που χρησιμοποιούνται ως βασικά στοιχεία στην κατασκευή των μπαταριών, όλων των τύπων. Παράλληλα, το γεγονός ότι μόνο το 50-70% των υλικών που συνθέτουν τη μπαταρία μπορεί να επαναχρησιμοποιηθούν ή να οδηγηθούν στην ανακύκλωση, αποτελεί αποθαρρυντικό παράγοντα των ιδιοκτητών για την μετέπειτα εκμετάλλευση της μπαταρίας. Συνεπώς, η περιβαλλοντική επίπτωση ηλεκτρικών οχημάτων συμβαδίζει με την υψηλή περιβαλλοντική επιβάρυνση των υλικών που συνθέτουν την μπαταρία. Ως εκ τούτου, τα μικρά ηλεκτρικά οχήματα έχουν μικρότερη περιβαλλοντική επιβάρυνση, λόγω του γεγονότος ότι χρησιμοποιούν μπαταρία μικρότερου μεγέθους σε σχέση με τα μεγαλύτερα. [61] Επιπτώσεις στους δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων εγείρει ανησυχίες σχετικά με την επίδρασή τους στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη διαδικασία της φόρτισης. Η διασύνδεση του στόλου των ηλεκτρικών οχημάτων στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, μπορεί να εισάγει αρνητικές επιπτώσεις στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, όπως είναι το προφίλ του φορτίου, οι απώλειες του συστήματος, η πτώση τάσης, η ανισορροπία φάσεων, η αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, ο εξοπλισμός υπερφόρτωσης καθώς και ζητήματα σταθερότητας. i) Το προφίλ του φορτίου. Η ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης θα επηρεάσει το προφίλ του φορτίου του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας με επιπλέον φορτία από τα ηλεκτρικά οχήματα που πρόκειται να συνδεθούν με δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας για να πραγματοποιήσουν την 123

135 φόρτιση. Η τάση αυτή της φόρτισης κατά τη διάρκεια περιόδων αιχμής φορτίου, εμφανίζεται επειδή οι ιδιοκτήτες ηλεκτρικών οχημάτων τείνουν να ξεκινήσουν τη φόρτισή τους καθώς φθάνουν στην κατοικία μετά την εργασία τους. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος μπορούν να εφαρμοστούν λύσεις, όπως η εφαρμογή του συστήματος χαμηλής τιμολόγησης κατά τις βραδινές ώρες που δεν παρουσιάζεται ιδιαίτερη αιχμή φορτίου καθώς και με κατάλληλες διαχειριστικές στρατηγικές φόρτισης. ii) Απώλειες του συστήματος. Η φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων απαιτεί τεράστια ισχύ που πρέπει να μεταβιβάσει από τις μονάδες παραγωγής ενέργειας στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτή η μετάδοση της ισχύος προκαλεί περισσότερες απώλειες του συστήματος σε όλες τις συνιστώσες του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας. Το ζήτημα αυτό εγείρει ανησυχίες των παραγωγών ηλεκτρισμού, καθώς θα πρέπει να αναλάβουν τις πρόσθετες απώλειες του συστήματος που οφείλονται στη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων. Προκειμένου να μειωθούν οι επιπτώσεις των απωλειών του συστήματος, προτείνεται η συντονισμένη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων. iii) Ανισορροπία φάσεων. Η αργή φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων στις κατοικίες, μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ανισορροπία στις φάσεις του ηλεκτρικού δικτύου αν η φόρτιση δεν κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλες τις τρεις φάσεις της ηλεκτρικής παροχής. Αρκετές έρευνες έχουν διεξαχθεί για να μελετήσουν τις επιπτώσεις της φόρτισης των ηλεκτροκίνητων οχημάτων ως προς την πτώση τάσης, την απόκλισης τάσης και την ασυμμετρία της φάσης, όπου αναδεικνύονται σημαντικές επιπτώσεις. Ωστόσο, με την κατάλληλη διαχείριση του φορτίου μπορεί να αποτραπεί το πρόβλημα της ανισορροπίας των φάσεων λόγω της αργής φόρτισης των οχημάτων με την κατανομή των φορτίων από την ομοιόμορφη φόρτιση σε όλες τις τρεις φάσεις. iv) Σταθερότητα του συστήματος. Σταθερότητα του συστήματος τροφοδοσίας ορίζεται ως η ικανότητα ενός ηλεκτρικού δικτύου να προσαρμόσει τη λειτουργία του σε σταθερή κατάσταση μετά από την εμφάνιση μιας μόνιμης ή παροδικής διαταραχής. Σε ένα δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας η σταθερότητά του είναι εξαιρετικά σημαντική για την αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Δεδομένου ότι η φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων πρόκειται να επιβαρύνει το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας με σημαντικό φορτίο, οι επιπτώσεις ως προς τη σταθερότητα του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι ακόμα άγνωστες και πρέπει να διερευνηθούν. [57] Επιπτώσεις στον κύκλο εργασιών της αυτοκίνησης Η ηλεκτροκίνηση, ως μια νέα τεχνολογία, απαιτεί την ανάπτυξη ενός δικού της συστήματος για την υποστήριξή της στον ανταγωνιστικό χώρο της αυτοκίνησης. Είναι απολύτως λογικό, το δικό της σύστημα να αμφισβητεί παλαιότερα επιχειρηματικά μοντέλα και να επιχειρείται η 124

136 προσπάθεια είτε να τα βελτιώσει είτε να τα αντικαταστήσει. Για παράδειγμα, οι υποδομές ανεφοδιασμού των συμβατικών οχημάτων με υγρά καύσιμα δεν μπορεί να υποστηρίξουν τον ανεφοδιασμό των ηλεκτροκίνητων οχημάτων με ηλεκτρική ενέργεια. Τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα που πρόκειται να αναπτυχθούν, θα πρέπει να θέσουν τα θεμέλια του συστήματος που θα συμβάλουν στην περαιτέρω αποδοχή των ηλεκτροκίνητων οχημάτων. [55] Η παροχή των «υπηρεσιών ηλεκτροκίνησης κοινής χρήσης» (Car2Go, Autolib ), που εφαρμόστηκε σε μεγάλα αστικά κέντρα, έλαβε την αποδοχή των πολιτών ακόμη και των κατασκευαστών. Η υπηρεσία αυτή θα μπορούσε να υποστηρίξει σημαντικά τη διείσδυση της ηλεκτροκίνησης τουλάχιστον στις μεγαλουπόλεις, βελτιώνοντας την ποιότητα της ατμόσφαιρας. Κάθε πρόκληση που προκύπτει από την αποδοχή μίας νέας τεχνολογίας, αποτελεί και μια ευκαιρία για τη δημιουργία νέων επιχειρηματικών μοντέλων σε όλο το εύρος του πεδίου που αναπτύσσεται. Ως εκ τούτου, η ευρύτερη υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης, εισάγει ένα νέο κύκλο εργασιών στο χώρο της αυτοκίνησης. Η αυξανόμενη ζήτηση πρώτων υλών, όπως χαλκού, λιθίου και άλλων σπάνιων γαιών για την κατασκευή της μπαταρίας, θα δημιουργήσει την ανάγκη ανάπτυξης νέων επιχειρήσεων ανακύκλωσης των εξαρτημάτων προερχόμενα από ηλεκτρικά οχήματα, καθώς οι τιμές των πρώτων υλών λόγω της ζήτησης θα αυξηθούν. Ταυτόχρονα, θα χρειαστούν νέες επενδύσεις στην παραγωγή των ηλεκτρικών οχημάτων καθώς και για την παραγωγή του καινούργιου εξοπλισμού που θα απαιτηθεί κατά την μαζική παραγωγή τους. Αρνητικές αναμένονται οι εξελίξεις στο χώρο των υπηρεσιών συντήρησης, εξαιτίας της ελάχιστης συντήρησης που απαιτούν τα BEVs σε σχέση με τα συμβατικά και τα υβριδικά οχήματα. Στο χρηματοοικονομικό κύκλο υπηρεσιών, η χρηματοδοτική μίσθωση μπαταρίας (Leasing), αναμένεται να ξεχωρίσει ανάμεσα στα προϊόντα υπηρεσιών που πρόκειται να αναπτυχθούν από την διείσδυση της ηλεκτροκίνησης. Προκειμένου να μειωθεί το εμπόδιο της υψηλής τιμή αγοράς των EVs από τους υποψήφιους αγοραστές, οι κατασκευαστές προτείνουν την μίσθωση της μπαταρίας, ξεχωριστά από την αγορά του EV. Το πρόσθετο όφελος για τους καταναλωτές είναι ότι μπορούν να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες όταν χρειάζεται και να εξαλειφθεί η ανησυχία τους ως προς την ανθεκτικότητα και την μακροπρόθεσμη απόδοσή τους. Ένας κρίσιμος και καταλυτικός παράγοντας στη διείσδυση της ηλεκτροκίνησης, είναι η βελτίωση των υποδομών φόρτισης. Οι κατασκευαστικές εταιρείες ενδιαφέρονται να δραστηριοποιηθούν με διάφορους τρόπους και να διεισδύσουν με νέα επιχειρηματικά μοντέλα στην αναδυόμενη αγορά της ηλεκτροκίνησης. Ανάπτυξη λογισμικού πλοήγησης και εφαρμογές που σχετίζονται με τις υποδομές φόρτισης. Εφόσον οι υποδομές φόρτισης για τα ηλεκτροκίνητα οχήματα δεν είναι ακόμα ευρέως διαθέσιμες, οι οδηγοί θα πρέπει να εντοπίσουν όχι μόνο τη θέση του 125

137 πλησιέστερου σταθμού φόρτισης, αλλά και τον τύπο του σταθμού που διαθέτει φορτιστές συμβατούς με το όχημά τους. Ανάπτυξη υπηρεσιών πληρωμής φόρτισης. Για την πληρωμή χρέωσης της ηλεκτρικής ενέργειας στο σταθμό φόρτισης των ηλεκτρικών οχημάτων, είναι συχνά απαραίτητος ένας πιστωτικός λογαριασμός παροχής υπηρεσιών. Η υπηρεσία αυτή παρέχει στους ιδιοκτήτες, μέσω του συστήματος ταυτοποίησης με ραδιοσυχνότητες RFID (Radio Frequency Identification ), να χρεώνεται αυτόματα στον λογαριασμό του για την ηλεκτρική ενέργεια φόρτισης, καθώς ο κωδικός του αναγνωρίζεται αυτόματα από το σύστημα. Ανάπτυξη υπηρεσιών πώλησης συσκευών φόρτισης. Υπάρχει μια αυξητική τάση στην ανάπτυξη των εταιρειών που προτίθενται να εγκαταστήσουν σταθμούς φόρτισης σε ιδιωτικούς χώρους, όπως οικίες, γραφεία. Αναλαμβάνουν επίσης και τη συντήρηση των εγκαταστάσεων. Ανάπτυξη εταιρειών υποδομών φόρτισης. Όπως συμβαίνει με την κατασκευή πρατηρίων υγρών καυσίμων, θα μπορούσε να υπάρχουν επιχειρήσεις που δραστηριοποιούνται στην κατασκευή σταθμών φόρτισης ηλεκτροκίνητων οχημάτων, με ταχυφορτιστές συνεχούς ρεύματος. Ως εναλλακτική λύση για γρήγορη επαναφόρτιση των οχημάτων στους σταθμούς φόρτισης σε ελάχιστο χρόνο, θα μπορούσε να υιοθετηθεί η αλλαγή της μπαταρίας (battery swapping), μέσω μίας αυτοματοποιημένης διάταξης. [55] 126

138 6 ο Κεφάλαιο Που βρισκόμαστε σήμερα Εισαγωγή Στο τέλος του 2013, το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο και το Συμβούλιο της Ευρωπαϊκής Ένωσης κατέληξαν σε συμφωνία σχετικά με δύο προτάσεις κανονιστικών ρυθμίσεων όπου θα εφαρμόζουν υποχρεωτικά από το 2020 στόχους εκπομπών CO 2 για τα νέα επιβατηγά αυτοκίνητα και τα ελαφριά επαγγελματικά οχήματα στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Σύμφωνα με τα πρότυπα επιδόσεων εκπομπών, το ανώτατο όριο για τα επιβατικά αυτοκίνητα είναι 95 gco 2 /km, με σταδιακή προσαρμογή 95% οχημάτων το 2020 και με 100% συμμόρφωση το Για τα ελαφριά επαγγελματικά οχήματα το αντίστοιχο όριο είναι 147 gco 2 /km ως το τέλος του Οι στόχοι μείωσης των εκπομπών CO 2 της Ε.Ε. από τις μεταφορές είναι αρκετά φιλόδοξοι σε σχέση με τις ΗΠΑ, την Κίνα και την Ιαπωνία (σχήμα 6-1). Συγκεκριμένα, στα αντίστοιχα πρότυπα επιδόσεων εκπομπών CO 2 της Ιαπωνίας, ο στόχος για το 2020 ορίστηκε στα 105 gco 2 /km, από τα 125 gco 2 /km που ορίστηκαν για το 2015, ενώ στην Κίνα από τα 167 gco 2 /km που έχουν οριστεί ως στόχος για το 2015 θα πρέπει μειωθεί στα 117gCO 2 /km το Στις ΗΠΑ ορίστηκε ο στόχος των 93 gco 2 /km έως το τέλος του 2025, εκτιμώντας ότι το 2020 θα επιτευχθεί μείωση στα 121 gco 2 /km. Ωστόσο, ο στόχος του 2020 που τέθηκε από την Ε.Ε. εκτιμάται ότι θα επιτευχθεί Σχήμα 6-1. Οι στόχοι μείωσης των εκπομπών CO2 στην Ευρώπη, ΗΠΑ, Ιαπωνία και Κίνα έως το 2025 (πηγή: ICCT; Press search, McKinsey) [55] 127

139 νωρίτερα, ίσως στο τέλος του Ο μετα-στόχος που προτείνει η Ε.Ε. για το 2025 είναι το όριο των gco 2 / km. 6.1 Πως αποτυπώνεται η σημερινή κατάσταση στην τεχνολογία πρόωσης οχημάτων Η μεγάλη πλειοψηφία των νέων αυτοκινήτων στην Ευρώπη, σύμφωνα με τις τελευταίες ταξινομήσεις (2013), χρησιμοποιούν κινητήρες εσωτερικής καύσης με τους πετρελαιοκινητήρες να έχουν το προβάδισμα σε ποσοστό 53%. Η κατάσταση αυτή διαφέρει στις άλλες μεγάλες αγορές, όπως στις ΗΠΑ, στην Κίνα και στην Ιαπωνία, όπου κυριαρχεί ο βενζινοκινητήρας. Μόνο στην Ινδία το 50% του μεριδίου των οχημάτων, ανήκει στους πετρελαιοκινητήρες. Το ποσοστό της αγοράς των ηλεκτροκίνητων οχημάτων (HEV, BEV) στην Ευρώπη, διατηρήθηκε αυξητικό και έφθασε στο επίπεδο του 1,4% επί του συνολικού αριθμού των πωλήσεων το 2013 (σχήμα 6-2). Στις μόνες Ευρωπαϊκές χώρες που υποχώρησε το ποσοστό πωλήσεων, είναι στην Ολλανδία και στην Γαλλία. Στην Νορβηγία (εκτός ΕΕ), οι ενδείξεις για την αύξηση της ηλεκτροκίνησης παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Το ποσοστό των πωλήσεων στα ηλεκτροκίνητα οχήματα αυξήθηκε κατά 5,8% το 2013, ενώ το πρώτο εξάμηνο του 2014 παρουσίασε αλματώδη αύξηση 14,6%. Το γεγονός αυτό, χαρακτηρίζει την Νορβηγία ως την πρώτη χώρα παγκοσμίως στην υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης. Στην Ιαπωνία, το 20% όλων των πωλήσεων ανήκει στα HEV, ενώ το 3% της αγοράς των ΗΠΑ ανήκει στα ηλεκτροκίνητα οχήματα. Στην Ευρώπη, τα PHEV και BEV κατέχουν μόνο το 0,4% του στόλου των οχημάτων, χωρίς να υπάρχουν αξιοσημείωτες διαφορές μεταξύ των μελών κρατών της ΕΕ. [25] Ως προς την επίτευξη του στόχου των 130 gco 2 /km που έχει θέσει η ΕΕ για το 2015, όλες οι αυτοκινητοβιομηχανίες των κρατών μελών έχουν πετύχει το στόχο τους σχεδόν δύο χρόνια σχήμα 6-2. Πωλήσεις ηλεκτροκίνητων οχημάτων (πηγή: ICCT, European Vehicle Market Statistics 2014) [25] Σχήμα 6-3. Επίτευξη του στόχου των 130 gco 2 /km στην ΕΕ. (πηγή: ICCT, European Vehicle Market Statistics 2014) [25] 128

140 Σχήμα 6-4. Επίτευξη του στόχου των 130gCO 2 /km από τις Ευρωπαϊκές αυτοκινητοβιομηχανίες (πηγή: ICCT, European Vehicle Market Statistics 2014) [25] Σχήμα 6-5. Εκπομπές σε gco 2 /km από τις τεχνολογίες των επιβατικών οχημάτων (πηγή: ICCT, European Vehicle Market Statistics 2014) [25] πριν, με εξαίρεση τη Γερμανίας που βρίσκονται πάνω από το στόχο στο μέσο επίπεδο των 135 gco 2 /km (σχήματα 6-3 & 6-4). [25] Ενώ οι μέσες εκπομπές CO 2 έχουν μειωθεί για όλες οι τεχνολογίες κινητήρων, η μείωση των εκπομπών για τα βενζινοκίνητα οχήματα ήταν ιδιαίτερα σημαντική από τα επίπεδα του Τα ηλεκτροκίνητα οχήματα (HEV και BEV), φαίνεται το 2013 να εμφανίζουν το χαμηλότερο επίπεδο εκπομπών που ανέρχεται στα 92 gco 2 /km (σχήμα 6-5). 6.2 Η επίτευξη του στόχου για το 2020 Αναμφισβήτητα, ο στόχος που έχει τεθεί από την ΕΕ για περαιτέρω μείωση των εκπομπών στα 95 gco 2 /km έως το 2020, θεωρείται «ασφυκτικός» Αυτοκινητοβιομηχανίες (Original Equipment Manufacturers,OEM s), ιδιαίτερα για τις Ευρωπαϊκές. Ωστόσο, αποτελεί γι αυτές πρόκληση προς την κατεύθυνση της βελτιστοποίησης των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Η απόσταση των σημερινών εκπομπών από τους στόχους του 2020 διαφέρει στις αυτοκινητοβιομηχανίες, όπου απαιτείται κατά μέσο όρο μείωση εκπομπών του στόλου τους κατά 28%. Στο σχήμα 6-6 φαίνεται η μείωση των εκπομπών του CO 2 που είναι αναγκασμένες να πραγματοποιήσουν οι κυριότερες αυτοκινητοβιομηχανίες ώστε να πετύχουν τον στόχο του Αρχικά διαφαίνεται ότι για την επίτευξη των στόχων μείωσης των εκπομπών μετά το 2020 θα απαιτηθεί κάποιας μορφής ηλεκτροκίνησης. [55] Ωστόσο, ορισμένες αυτοκινητοβιομηχανίες κινούνται εντατικά προς την επίτευξη του επόμενου στόχου και παρουσίασαν ήδη στην αγορά μοντέλα με κατανάλωση λιγότερη από τα 3,8/100km που αντιστοιχούν σε εκπομπές 95 gco 2 /km (σχήμα 6-7). [25] 129

141 Σχήμα 6-6. Η μείωση των εκπομπών που πρέπει να επιτύχουν οι αυτοκινητοβιομηχανίες έως το (πηγή: European Commission; Press search) [55] Ομοίως με τις εκπομπές του CO 2, «ασφυκτική» είναι η ρύθμιση των εκπομπών NOx στην οδηγία του 2008 της Ε.Ε. που αφορά την ποιότητα του αέρα. Τα μεγάλα αστικά κέντρα, που έχουν την πρωτιά στην ατμοσφαιρική ρύπανση, απειλούνται με πρόστιμα από την Ε.Ε. εάν δεν προχωρήσουν σε μέτρα βελτίωσης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Ως εκ τούτου, η ηλεκτροκίνηση στα αστικά κέντρα προωθείται ως μέτρο βελτίωσης της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα από τις κυβερνήσεις των χωρών μελών της Ε.Ε.. Μια άλλη ώθηση για την ανάπτυξη της ηλεκτροκίνησης από τις κυβερνήσεις των περισσότερων μεγάλων Σχήμα 6-7. Επιλεγμένα μοντέλα με εκπομπές μικρότερες των 130 gco 2 /km (πηγή: ICCT, European Vehicle Market Statistics 2014) [25] 130

142 ευρωπαϊκών χωρών προέρχεται από την επιθυμία τους για μεγαλύτερη ενεργειακή ανεξαρτησία και μια μεταστροφή του τομέα των μεταφορών ώστε να χρησιμοποιεί όσο το δυνατόν λιγότερο το πετρέλαιο. Τέλος, επίσης σημαντικό είναι το γεγονός ότι οι κυβερνήσεις των χωρών με τις μεγαλύτερες αυτοκινητοβιομηχανίες, έχουν ως προτεραιότητα την ανάπτυξη της τεχνολογίας των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, με στόχο να διατηρήσουν την «αλυσίδα της τεχνολογίας» σε υψηλά επίπεδα στη χώρα τους. [55] Για την επίτευξη των στόχων μείωσης των εκπομπών, την ενεργειακή ανεξαρτησία και την πρωτοπορία της τεχνολογίας, τα τελευταία χρόνια πολλές κυβερνήσεις στην Ευρώπη έχουν θέσει στόχους για τον αριθμό των ηλεκτρικών αυτοκινήτων που θα κυκλοφορήσουν στη χώρα τους. Η Ε.Ε. έχει θέσει ως γενικό στόχο της, το 2020 ο αριθμός των ηλεκτρικών αυτοκινήτων που θα κυκλοφορούν στους δρόμους της, να ανέρχεται σε Οι στόχοι και τα χρονοδιαγράμματα ποικίλλουν ευρέως από χώρα μέλος της ΕΕ.Ειδικότερα, η Γαλλία, έχει θέσει τον στόχο των 2 εκατομμυρίων ηλεκτρικών αυτοκινήτων μέχρι το 2020, η Γερμανία στοχεύει σε ένα εκατομμύριο μέχρι το Η Ολλανδία έχει θέσει στόχο το 2020 να κυκλοφορούν στους δρόμους της ηλεκτρικά αυτοκίνητα, υιοθετώντας μια αρκετά φιλόδοξη κλίμακα ώστε μόλις πέντε χρόνια αργότερα, το 2025, να κυκλοφορούν στους δρόμους της ένα εκατομμύριο ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Παρόλα αυτά, οι στόχοι αυτοί παραμένουν φιλόδοξοι και μπορεί να είναι δύσκολο να επιτευχθούν στις περισσότερες χώρες. Ωστόσο, σηματοδοτείται από τις εθνικές κυβερνήσεις η ισχυρή δέσμευση και παράλληλα η στήριξη για την υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης σε μεγάλη κλίμακα. [55] 6.3 Κίνητρα για την προώθηση των ηλεκτροκίνητων οχημάτων Πολλές ευρωπαϊκές κυβερνήσεις (π.χ., η Νορβηγία, η Δανία, η Ολλανδία, η Γαλλία, το Ηνωμένο Βασίλειο), καθώς και πόλεις όπως το Όσλο, το Άμστερνταμ, το Παρίσι και το Λονδίνο, παρέχουν οικονομικά κίνητρα στους πολίτες, το καθένα με το δικό του σύστημα, για να επιλέξουν το ηλεκτρικό αυτοκίνητο (πίνακας 6-1). Η Νορβηγία παρέχει το πιο γενναιόδωρο σύστημα κινήτρων, προσφέροντας ένα ευρύ πακέτο των παροχών σ αυτούς που προτιμούν να αγοράσουν ηλεκτρικό αυτοκίνητο αντί για συμβατικό με κινητήρα εσωτερικής καύσης. Οι ιδιοκτήτες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων απαλλάσσονται από τον φόρο αγοράς, τον Φ.Π.Α., τα τέλη διοδίων, το τέλος ταξινόμησης καθώς και από τα ετήσια τέλη κυκλοφορίας. Η Δανία απαλλάσσει τους ιδιοκτήτες από το τέλος ταξινόμησης και του παρέχει «πράσινη» φορολογική απαλλαγή, ενώ η Γαλλία παρέχει ασφάλιστρα στο πλαίσιο του συστήματος «Bonus-Malus» καθώς και «Super-Bonus» για την αγορά ενός «πράσινου» οχήματος με την απόσυρση ενός παλιού με κινητήρα εσωτερικής καύσης. Το Ηνωμένο Βασίλειο παρέχει στους αγοραστές ένα ασφάλιστρο αξίας GPB , με βάση την τιμή αγοράς, για όλα τα οχήματα που εκπέμπουν λιγότερο από 75 gco 2 /km. 131

143 Πίνακας 6-1. Κίνητρα υιοθέτησης ηλεκτροκίνησης από τις Ευρωπαϊκές μεγαλουπόλεις (πηγή: [55] προσαρμοσμένος) κίνητρα υιοθέτησης ηλεκτροκίνησης Επιδότηση Άμστερνταμ 5.000/10.000/ επιβατικά/ταξί/φορτηγά Παρίσι Εφάπαξ για ασφάλιστρα Πλεονεκτήματα ηλεκτρικών αυτοκινήτων 4 πάρκινγκ με δωρεάν φόρτιση Εξαίρεση από το τέλος ταξινόμησης και των ετήσιων τελών κυκλοφορίας Μείωση κόστους διοδίων και πάρκινγκ Δωρεάν χώρος στάθμευσης, απαλλαγή τέλους ταξινόμησης, πρόσβαση σε λωρίδες λεωφορείου Υπηρεσίες ηλεκτροκίνησης κοινής χρήσης Ξεκίνησε η Car2Go το 2011, με 300 οχήματα (135 km εύρος) Ξεκίνησε η Autolib το 2011, με αυτοκίνητα υπηρεσία διαμοιρασμού e- scooter (2011) Βαρκελώνη 25% στην τιμή αγοράς (έως ) Μέχρι και 75% μείωση των τελών κυκλοφορίας Δωρεάν πάρκινγκ σε οργανωμένες περιοχές Δωρεάν φόρτιση από σταθμούς στο δρόμο, σε ξενοδοχεία και στα πανεπιστήμια (για ηλεκτρικά ποδήλατα) Ξεκίνησε το 2013 με την Μαδρίτη, 23 οχήματα (200 χιλιόμετρα εύρος) υπηρεσία διαμοιρασμού e- scooter (2013) Λονδίνο 25% στην τιμή αγοράς (έως 5.000GBP) Απαλλαγή από το τέλος κυκλοφοριακής συμφόρησης και των τελών κυκλοφορίας Ξεκίνησε club E- Car το 2013 ( χιλιομέτρων εύρος) Όσλο Εξαιρούνται από τον ΦΠΑ Εξαίρεση από όλα τα τέλη του οχήματος, συμπεριλαμβανομένων των ετήσιων τελών κυκλοφορίας. Απαλλαγή τελών στάθμευσης και διοδίων. Πρόσβαση σε λωρίδες λεωφορείων και ταξί Ξεκίνησε το

144 Οι κυβερνήσεις, και ως επί το πλείστον οι Αρχές Αυτοδιοίκησης των μεγαλουπόλεων, επιχειρώντας να δώσουν κίνητρα για την υιοθέτηση της ηλεκτροκίνησης, παρέχουν επί πλέον προνόμια όπως τη χρήση ειδικών λωρίδων οδήγησης για ηλεκτροκίνητα οχήματα, δωρεάν χώρο στάθμευσης, καθώς και απαλλαγή από τέλη διοδίων. Για παράδειγμα, στο Παρίσι, ο ιδιοκτήτης ηλεκτρικού οχήματος απολαμβάνει μειωμένα διόδια και τέλη στάθμευσης, ενώ στο Όσλο παρέχεται η δυνατότητα στα ηλεκτροκίνητα οχήματα να κυκλοφορούν στις γραμμές των λεωφορείων και των ταξί. [55] 6.4 Πωλήσεις Οχημάτων ανά τεχνολογία κινητήρων στην Ευρώπη έως το 2030 Η πρόβλεψη για τις πωλήσεις των διαφόρων τεχνολογιών πρόωσης οχημάτων σε ποσοστό επί των συνολικών πωλήσεων έως το 2030, βασίζεται στα εξής τρία σενάρια: 1 ο σενάριο: Επιβάλλεται πολύ αυστηρή μείωση των εκπομπών στα 10 gco 2 /km για το 2050, καθώς ο τομέας των μεταφορών ευθύνεται περισσότερο από όλους τους τομείς που εκπέμπουν CO 2 για την απόκλιση του στόχου της παγκόσμιας αύξησης της θερμοκρασίας των 2 ο C. 2 ο σενάριο: Απαιτείται δραστική μείωση των εκπομπών στα 40 gco 2 /km για το Το σενάριο αυτό προβλέπει τη συνέχιση ολοένα πιο περιοριστικών προδιαγραφών στα πρότυπα εκπομπών. 3 ο σενάριο: Μείωση των εκπομπών στα 95 gco 2 /km το Αυτό θα σήμαινε ότι οι ρυθμίσεις των κανονισμών των προτύπων εκπομπών από το 2020 και εφεξής, δεν θα πάρουν αυστηρότερα χαρακτηριστικά όσον αφορά τις εκπομπές του CO 2. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις, ο ευρωπαϊκός στόλος των αυτοκινήτων το 2020 θα ανέρχεται στα , έναντι των που ήταν το 2010 σημειώνοντας αύξηση περίπου Σχήμα 6-8. Πωλήσεις οχημάτων έως το 2030 στην Ευρώπη, με βάση τα τρία σενάρια. Προσαρμοσμένος (πηγή: McKinsey Boost! Powertrain KIP) [55] 133

145 27%. Στην επόμενη δεκαετία, ο ευρωπαϊκός στόλος αυξάνεται με μικρότερους ρυθμούς ώστε στο τέλος του 2030 ο αντίστοιχος αριθμός θα είναι [55] Με βάση το 1 ο σενάριο, η επιτακτική ανάγκη για την μείωση των εκπομπών, προωθεί την αμιγώς ηλεκτροκίνηση, περιορίζοντας το ποσοστό των συμβατικών οχημάτων στο 59% στο 2020 και ακόμα περισσότερο σε ποσοστό 14% το 2030 (σχήμα 6-8). Οι αυτοκινητοβιομηχανίες στρέφονται σε ηλεκτροκίνητα οχήματα μηδενικών εκπομπών, στα BEVs και FCEVs με μερίδιο 21% και 11% αντίστοιχα έως το Μεγάλο μερίδιο του στόλου θα κατέχουν τα HEVs (25%) και τα REEVs (30%). Το 2 ο σενάριο, προβλέπει περισσότερο στην υιοθέτηση της υβριδικής τεχνολογίας 3 ης γενιάς,(οχήματα μαζικής παραγωγής με χρήση ηλεκτροκινητήρα και κινητήρα εσωτερικής καύσης), περιορίζοντας τα αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα σε ποσοστό 18% (EV και FCEV). Τα συμβατικά οχήματα θα κατέχουν το ένα τρίτο περίπου του μεριδίου του ευρωπαϊκού στόλου (ποσοστό 29%) Το μέλλον των FCEVs σύμφωνα με το 3 ο σενάριο θεωρείται αβέβαιο, μη μπορώντας να ανταγωνιστεί τους άλλους τύπους κινητήρων λόγω του υψηλού κόστους αγοράς. Στην περίπτωση λοιπόν που δεν θα υπάρξουν σημαντικές αλλαγές στις ρυθμίσεις των κανονισμών, για το 2030 προβλέπεται να επικρατήσουν στην κυκλοφορία των δρόμων κατά βάση τα συμβατικά (ποσοστό 52%), να ακολουθήσουν τα HEVs (ποσοστό 36%) και τα REEVs (ποσοστό 8%). Συνοψίζοντας, αναμένεται η υιοθέτηση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων σε μεγάλη κλίμακα, η οποία θα αλλάξει το τοπίο του ανταγωνισμού στο χώρο του αυτοκινήτου. Αναμένεται μέχρι το 2020, οι βελτιστοποιημένοι κινητήρες εσωτερικής καύσης, να εξακολουθούν να κυριαρχούν στην Ευρώπη, αλλά προς το 2030, οι ηλεκτροκινητήρες θα αρχίσουν να παίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στην Ευρώπη όσο και τον κόσμο, με αποτέλεσμα να διαφοροποιήσουν το στόλο των οχημάτων. [55] 6.5 Τα σχέδια των αυτοκινητοβιομηχανιών Σε γενικές γραμμές, το πόσο γρήγορα θα αυξηθούν τα ηλεκτρικά-υβριδικά οχήματα και τι ποσοστό επί του ολικού στόλου των οχημάτων θα κατέχουν στο μέλλον, θα εξαρτηθεί από την εξέλιξη της τιμής του πετρελαίου (πιο συγκεκριμένα, οι τιμές των καυσίμων στην Ευρώπη), το ρυθμιστικό περιβάλλον και τις υποδομές. Ωστόσο, το πιθανότερο είναι ότι μακροπρόθεσμα τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα κατέχουν ένα σημαντικό και ουσιαστικό μέρος της καθημερινής μας ζωής. Σχεδόν όλες οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες, προκειμένου να αντιμετωπίσουν την αβεβαιότητα της εξέλιξης της αγοράς, έχουν υιοθετήσει μια στρατηγική που περιλαμβάνει την εισαγωγή πολλαπλών συστημάτων και τύπων κινητήρων (σχήμα 6-9). Η βασική διαφορά μεταξύ τους είναι ο ενθουσιασμός με τον οποίο προσεγγίζουν διαφορετικά συστήματα 134

146 ηλεκτροκίνησης. Έως το 2016, οι βιομηχανίες εστιάζονται κυρίως στην παραγωγή BEVs και PHEVs, με την εκτίμηση να κυκλοφορήσουν 46 και 79 μοντέλα αντίστοιχα. Μόλις 3 FCEVs και 2 REEVs αναμένεται να εισέλθουν στην παραγωγή σε αυτό το χρονικό διάστημα, χωρίς να αποκλείεται να αλλάξει μακροπρόθεσμα. Η πλειοψηφία των αυτοκινητοβιομηχανιών, προς το παρόν, έχει προσανατολιστεί και επενδύει στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου. Η NISSAN, για παράδειγμα, υιοθέτησε έγκαιρα μεγάλες επενδύσεις στα BEVs κατασκευάζοντας το μοντέλο LEAF και βλέπει την κατηγορία των FCΕVs ως κάτι για το μεσοπρόθεσμο ή μακροπρόθεσμο μέλλον. Σχήμα 6-9. Τα σχέδια των κατασκευαστών αυτοκινήτων έως το 2016 (πηγή:ihs Automotive DRIVEN BY Polk) [55] 135