ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΙ ΠΡΟΟΠΤΙΚΗ ΣΤΙΣ Α. Μ. Μ.

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Διατμηματικό Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα «Σχεδιασμός, Οργάνωση και Διαχείριση Συστημάτων Μεταφορών» ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΠΡΟΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ : ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Επιβλέπων ΤΟΥ ΦΟΙΤΗΤΗ : Διπλωματικής Εργασίας : ΕΛΕΥΘΕΡΙΑΔΗ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ Χ. ΤΑΞΙΛΤΑΡΗΣ Πολιτικού Μηχανικού Καθηγητής Α.Π.Θ. Α. Π. Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΟΚΤΩΜΒΡΙΟΣ 2007

2

3 Πρόλογος Εκ των κύριων προβλημάτων που καλείται να αντιμετωπίσει ο σύγχρονος άνθρωπος είναι το ζήτημα της προστασίας του περιβάλλοντος. Καθίσταται λοιπόν επιβεβλημένη η εφαρμογή της αρχής της αειφορείας στην αναπτυξιακή διαδικασία, με άμεσα συνεπαγόμενο και επιβαλλόμενο αποτέλεσμα την ανάληψη ενεργειών που αποσκοπούν στην μείωση των ατμοσφαιρικών εκπομπών και τη ταυτόχρονη μείωση της καταναλισκόμενης Ενέργειας. Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο κλάδος των μεταφορών συμβάλει σημαντικά στο σύνολο των εκπομπών καυσαερίων και της κατανάλωσης ενέργειας, γίνεται άμεσα αντιληπτό ότι θα πρέπει να ληφθούν μέτρα τα οποία στοχεύουν το κλάδο των μεταφορών και ειδικότερα τις οδικές μεταφορές. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στα αστικά κέντρα τα οποία αντιμετωπίζουν αυξημένα προβλήματα ρύπανσης και ποιότητας της ατμόσφαιρας, γεγονός το οποίο συνεπάγεται άμεσες και σοβαρές επιπτώσεις τόσο στην υγεία των κατοίκων, όσο και την ποιότητα της διαβίωσης τους. Οι οδικές μεταφορές είναι αυτές που ευθύνονται κύρια για την εμφάνιση του προβλήματος και προς την κατεύθυνση αυτή πρέπει να στοχεύουν τα μέτρα αντιμετώπισης. Εκτός λοιπόν από την ανάληψη δράσεων που στοχεύουν τα Ι.Χ., ιδιαίτερη μέριμνα πρέπει να ληφθεί για όλα εκείνα τα οχήματα τα οποία διανύουν καθημερινά πλήθος km, όπως Ταξί και Αστικές Μαζικές Μεταφορές (Α.Μ.Μ.) και τα οποία επιδρούν σημαντικά στην διαμόρφωση της ποιότητας της ατμόσφαιρας των πόλεων. Προς αντιμετώπιση του προβλήματος είναι δυνατό να ληφθούν και να εφαρμοσθούν μια σειρά από μέτρα. Ένα εξ αυτών που αποτελεί και θέμα της παρούσης εργασίας, αυτό της χρήσης Εναλλακτικών Μορφών Ενέργειας για τις Α.Μ.Μ. Τα εναλλακτικά καύσιμα βρίσκονται σήμερα στην επικαιρότητα, λόγω των αυξημένων κονδυλιών που διατίθενται για έρευνα καθώς και της προσπάθειας των Η.Π.Α. και της Ευρώπης για μείωση της ενεργειακής τους εξάρτησης. Στα πλαίσια λοιπόν της παρούσης εργασίας γίνεται προσπάθεια καταγραφής της υφιστάμενης κατάστασης στο χώρο των εναλλακτικών καυσίμων, καθώς και της αποτελεσματικότητας τους περιβαλλοντικής και οικονομικής. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 1

4 Περίληψη Στην παρούσα εργασία, στην προσπάθεια να τεκμηριωθεί η αναγκαιότητα χρήσης εναλλακτικών καυσίμων γίνεται εξ αρχής αναφορά στα προβλήματα διαχείρισης της ενέργειας και του περιβάλλοντος σε παγκόσμιο επίπεδο, καθώς και της συσχέτισης αυτών με την ολοένα και αυξανόμενη αστικοποίηση σε παγκόσμιο επίπεδο και των επιπτώσεων που αυτή εμφανίζει. Εν συνεχεία εξετάζουμε διεξοδικά κάθε μια εκ των πηγών ενέργειας που είναι διαθέσιμες σε ευρεία, περιορισμένη ή πειραματική μορφή. Για κάθε εναλλακτικό καύσιμο που δύναται να χρησιμοποιηθεί στις αστικές μαζικές μεταφορές (Α.Μ.Μ.) συμπεριλαμβανομένου και του συμβατικού Diesel, γίνεται μια περιγραφή των χαρακτηριστικών του, εξετάζονται διαθέσιμες εφαρμογές του και καταγράφονται τα αποτελέσματα χρήσης του αναφορικά με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και τα οικονομικά δεδομένα της εκμετάλλευσης του. Τέλος γίνεται μια προσπάθεια συγκριτικής αξιολόγησης των διαθέσιμων πηγών ενέργειας για την κίνηση των Α.Μ.Μ., με βάση αφενός τα όσα προαναφέρθηκαν, αφετέρου την ανάλυση κύκλου ζωής των εναλλακτικών καυσίμων και ερευνών που πραγματοποιήθηκαν. Τέλος στο Παράρτημα που ακολουθεί γίνεται αναφορά στους κυριότερους ατμοσφαιρικούς ρύπους, καθώς και στην τεχνολογία του συστήματος κίνησης που χρησιμοποιεί το κάθε καύσιμο.- ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 2

5 Περιεχόμενα 1. ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 1.1. Ενέργεια και Μεταφορές 1.2. Το Περιβάλλον των πόλεων και οι Α.Μ.Μ Η προοπτική των Εναλλακτικών Καυσίμων 2. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗ 2.1. Επίδραση της σύστασης του Πετρελαίου στις εκπομπές καυσαερίων Περιεκτικότητα σε θείο Μίγματα Πετρελαίου Νερού (Γαλακτώματα) 2.2. Προσπάθειες βελτίωσης των κινητήρων 2.3. Εκπομπές πετρελαιοκίνητων οχημάτων 2.4. Οικονομική δεδομένα 3. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 3.1. Εκπομπές ρύπων και κατανάλωση του κινητήρα φυσικού αερίου 3.2. Εκπομπές Θορύβου 3.3. Ασφάλεια των λεωφορείων φυσικού αερίου 3.4. Απαιτούμενες υποδομές Σταθμοί τροφοδοσίας 3.5. Στοιχεία κόστους Κόστος αγοράς Λεωφορείων Φυσικού Αερίου Κόστος λειτουργίας Λεωφορείων Φυσικού Αερίου Κόστος σταθμού τροφοδοσίας 3.6. Η Χρήση του φυσικού αερίου στα αστικά λεωφορεία Γαλλία Ιταλία Ελλάδα Ισπανία Ηνωμένο Βασίλειο Γερμανία Σουηδία ΗΠΑ Διάφορες χώρες 3.7. Συμπεράσματα για την τεχνολογία του φυσικού αερίου ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 3

6 4. ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ 4.1. Εκπομπές και κατανάλωση λεωφορείων τρόλεϊ Εκπομπές ρύπων Εκπομπές θορύβου Ενεργειακή κατανάλωση 4.2. Στοιχεία κόστους συστήματος τρόλεϊ Κόστος αγοράς λεωφορείων Κόστος συντήρησης λεωφορείων Κόστος λειτουργίας λεωφορείων Κόστος δικτύου 4.3. Συμπεράσματα για την τεχνολογία Τρόλεϊ 5. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 5.1. Βιοντήζελ Διερεύνηση του κόστους παραγωγής βιοντήζελ στην Ελλάδα Το Βιοντήζελ ως καύσιμο κίνησης 5.2. Βίο - Αιθανόλη Η Αιθανόλη ως καύσιμο κίνησης Εκπομπές ρύπων Εφαρμογές Στοιχεία κόστους Επιπτώσεις παραγωγής 5.3. Μεθανόλη Η μεθανόλη ως καύσιμο κίνησης 5.4. Βιοαέριο ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 4

7 6. ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ( FUEL CELL) 6.1. Επιλογές τροφοδοσίας με καύσιμο Το υδρογόνο ως καύσιμο κίνησης Μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου 6.2. Tο Λεωφορείο Fuel Cell Τα Λεωφορεία κελιών καυσίμου της MAN Το λεωφορείο κελιών καυσίμου με υγροποιημένο Η 2 ως καύσιμο Το λεωφορείο κελιών καυσίμου με συμπιεσμένο αέριο Η 2 ως καύσιμο Το Λεωφορείο Mercedes - Benz CITARO Το λεωφορείο Fuel Cell της ISE Ελληνικό Λεωφορείο Fuel Cell Κόστος Λεωφορείου Fuel Cell Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνολογίας Fuel Cell 7. ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Το υβριδικό Λεωφορείο Το υβριδικό λεωφορείο ORION Το υβριδικό λεωφορείο της New Flyer Το υβριδικό λεωφορείο της Mercedes- Benz Το υβριδικό λεωφορείο της ISE 7.2. Το κόστος του υβριδικού λεωφορείου 7.3. Συμπεράσματα για την τεχνολογία των υβριδικών λεωφορείων 8. ΕΥΡΩΠΑΪΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ 8.1. Το πρόγραμμα THERMIE / ENERGIE 8.2. CUTE - Clean Urban Transport for Europe 8.3. Hy Fleet CUTE 8.4. ECTOS Ecological City Transport System 8.5. JUPITER 2 Joint Urban Project in Transport Energy Reduction 8.6. ZEUS Zero and low Emission vehicles in Urban Society 8.7. CENTAUR Clean and Efficient New Transport Approach for Urban Rationalization 8.8. NGV EUROPE ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 5

8 9. ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 9.1. Σύγκριση εκπομπών ρύπων 9.2. Αξιολόγηση τεχνολογιών εναλλακτικών καυσίμων 10. ΑΝΤΙ ΕΠΙΛΟΓΟΥ 11. Βιβλιογραφία ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α : Ατμοσφαιρικοί ρύποι. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β : ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ Α. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 1. Το Φυσικό Αέριο ως καύσιμο κίνησης οχημάτων. 2. Χαρακτηριστικά κινητήρα φυσικού αερίου. Β. ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ- ΤΡΟΛΕΪ 1. Είδη συστημάτων λεωφορείων Τρόλεϊ 2. Είδη συστημάτων ηλεκτροκίνησης 2.1. Περιγραφή των συστημάτων ηλεκτροκίνησης 2.2. Σύγκριση των συστημάτων ηλεκτροκίνησης 3. Τεχνικά χαρακτηριστικά των λεωφορείων Τρόλεϊ 4. Δίκτυο υποδομής Γ. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 1. Μέθοδοι παραγωγής βιοντήζελ 2. Μέθοδοι παραγωγής Αιθανόλης 3. Μέθοδοι παραγωγής μεθανόλης Δ. FUEL CELL 1. Τρόπος λειτουργίας κυψέλης καυσίμου 2. Είδη κελιών καυσίμου Ε. ΥΒΡΙΔΙΚΑ 1. Τεχνολογία υβριδικών οχημάτων 1.1. Διάταξη και είδη υβριδικών συστημάτων κίνησης 1.2. Σχεδιασμός και λειτουργία του υβριδικού οχήματος ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 6

9 1. ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ 1.1. Ενέργεια και Μεταφορές Οι Μεταφορές αποτελούν την πλέον δυναμικά εξελισσόμενη δραστηριότητα του ανθρώπου που καταναλώνει σημαντικές ποσότητες ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο. Ειδικότερα σύμφωνα με στοιχεία του 2005 εκτιμάται ότι περίπου το 30% της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας στην Ε.Ε αναφέρεται στον Κλάδο των Μεταφορών, ενώ το μερίδιο αυτό αυξάνεται σε 32% όταν αναφερόμαστε στην Ε.Ε. 15. Στην χώρα μας δε το μερίδιο αυτό είναι ακόμη μεγαλύτερο και ανέρχεται σε 39%. 1 Άμεσα συνεπαγόμενο αποτέλεσμα είναι η αυξημένη εισφορά στην περιβαλλοντική ρύπανση, λαμβάνοντας δε υπόψη ότι το μεγαλύτερο μερίδιο του μεταφορικού έργου αναλογεί στις οδικές μεταφορές οι οποίες χρησιμοποιούν Ορυκτά Καύσιμα εύκολα διαπιστώνουμε ότι αυτές ευθύνονται για το μεγαλύτερο τμήμα της ρύπανσης που προκαλεί ο Κλάδος των Μεταφορών. Χαρακτηριστικά μπορεί να αναφερθεί ότι οι Οδικές Μεταφορές ευθύνονται για το 22,7% των συνολικών εκπομπών CO 2 σε παγκόσμιο επίπεδο. 2 Ιδιαίτερα χαρακτηριστικός είναι ο ακόλουθος Πίνακας 1 στον οποίο δίνεται η κατανάλωση της ενέργειας στις μεταφορές και η σύνθεση των καταναλισκόμενων καυσίμων στην Ελλάδα (ktoe) Τομέας μεταφορών Σύνολο τομέων % % Μεταφορές Συνόλου Μεταφορών Ενέργεια t 8067 t Υγρά t 8038 t 57 99,6 Βενζίνη Ντίζελ Υγραέριο Μαζούτ Κηροζίνη Λοιπά , Φ.Α ,1 Ηλεκτρισμός ,4 0,2 Πίνακας 1 Κατανάλωση ενέργειας Κλάδου Μεταφορών στην Ελλάδα 3 Εκτιμάται ότι παρά τις προσπάθειες για την μείωση της κατανάλωσης ενέργειας από τον κλάδο των μεταφορών από την Ε.Ε., δηλ. την πολιτική του Decoupling 1 2 Η κατανάλωση Ενέργειας στις μεταφορές στην Ελλάδα Πέτρος Κασσάπης Πρόεδρος της επιτροπής Ενέργεια & Μεταφορές του ΙΕΝΕ THE ROAD FROM KYOTO Current CO 2 and transport policies in the IEA. IEA Η κατανάλωση Ενέργειας στις μεταφορές στην Ελλάδα Πέτρος Κασσάπης Πρόεδρος της επιτροπής Ενέργεια & Μεταφορές του ΙΕΝΕ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 7

10 που αναφέρεται σε αποσύζευξη της αύξησης του μεταφορικού έργου από την οικονομική ανάπτυξη αυτό δεν δύναται να επιτευχθεί στον επιθυμητό βαθμό. Αποτέλεσμα είναι η αναμενόμενη αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας στο μεσοπρόθεσμο μέλλον, για δε την χώρα μας στον επόμενο Διάγραμμα 1 δίνεται η εκτίμηση για την τελική ζήτηση ενέργειας την επόμενη 10ετία. Πηγή: ΡΑΕ & ΕΜΠ 2002 Διάγραμμα 1 Τελική Ζήτηση ενέργειας (ktoe) στην Ελλάδα 4 Ως προαναφέρθει οι μεταφορές αποτελούν την πλέον δυναμική και εξελισσόμενη δραστηριότητα, με αποτέλεσμα να ευθύνονται για σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι οι μεταφορές στην Ευρώπη παράγουν: 60% εκπομπών CO 25% εκπομπών CO 2 >50% εκπομπών NOx Αυξημένο ποσοστό Αρωματικών και Πολυαρωματικών HC Μεγάλο ποσοστό του Θορύβου Έχοντας αυτό ως δεδομένο στο επισυναπτόμενο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α γίνεται μια ιδιαίτερη αναφορά στα είδη των αέριων ρύπων που παράγονται από τον κλάδο των μεταφορών καθώς και τις επιπτώσεις αυτών Το Περιβάλλον των πόλεων και οι Α.Μ.Μ. Από τις πλέον σημαντικές μεταβολές που συμβαίνουν σε παγκόσμια κλίμακα στην σημερινή εποχή είναι η ραγδαία αύξηση της αστυφιλίας, δηλ. της αύξησης του πληθυσμού των αστικών κέντρων και δει των μεγαλουπόλεων. Η τάση αυτή χαρακτηρίζει τις ανεπτυγμένες οικονομικά χώρες και τις αναπτυσσόμενες, χαρακτηριστικά μπορούμε να αναφέρουμε μεγαλουπόλεις όπως η Πόλη του Μεξικού, το Τόκιο, η νέα Υόρκη,το Πεκίνο, η Βομβάη κ.α. 4 Η κατανάλωση Ενέργειας στις μεταφορές στην Ελλάδα Πέτρος Κασσάπης Πρόεδρος της επιτροπής Ενέργεια & Μεταφορές του ΙΕΝΕ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 8

11 Στην Ελλάδα αντιμετωπίζουμε αντίστοιχα προβλήματα από τα μέσα του 20 ου Αιώνα και μετά. Το έντονο κύμα αστυφιλίας που σημειώθηκε εκείνη την εποχή επέφερε ως αποτέλεσμα εν αρχή την άναρχη και άμετρη ανάπτυξη του πολεοδομικού συγκροτήματος της Αθήνας,εν συνεχεία δε και των υπόλοιπων μεγάλων αστικών κέντρων όπως η Θεσσαλονίκη, η Πάτρα, η Λάρισα, το Ηράκλειο και τα Ιωάννινα. Η μεγέθυνση αυτή των μεγαλουπόλεων που πραγματοποιήθηκε εν τη απουσία οποιουδήποτε Χωροταξικού και Πολεοδομικού σχεδιασμού, είχε ως άμεσο αποτέλεσμα την ύπαρξη πλήθους προβλημάτων που σχετίζονται με τον καθορισμό του επιπέδου της ποιότητας της ζωής, όπως κυκλοφοριακά, περιβαλλοντικά. Η εμφάνιση υψηλών επιπέδων αέριας ρύπανσης η οποία δύναται να συνοδεύεται από καταστάσεις όπως το νέφος αιθαλομίχλης και το φωτοχημικό νέφος επιβαρύνει ιδιαίτερα την υγεία των κατοίκων και απαιτεί την λήψη δραστικών και αποτελεσματικών μέτρων για την αντιμετώπισή της. Εκ των πλέον αποτελεσματικών μέτρων που δύναται να προωθηθούν για την αντιμετώπιση κυκλοφοριακών και περιβαλλοντικών προβλημάτων σε κορεσμένες αστικές περιοχές είναι η ενίσχυση των μέσων Αστικής Μαζικής Μεταφοράς Α.Μ.Μ. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται αφενός η βελτίωση των κυκλοφοριακών συνθηκών διαμέσου της μείωσης των κυκλοφορούντων οχημάτων Ι.Χ., όσο και η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος των μετακινήσεων διαμέσου της μείωσης της ενεργειακής κατανάλωσης ανά μεταφερόμενο επιβάτη. Στο ακόλουθο Διάγραμμα 2 δίνονται ενδεικτικά οι καταναλώσεις ενέργειας για μετακίνηση εντός αστικής περιοχής. Διάγραμμα 2. Κατανάλωση (gr. oe) ανά επιβατοχιλιόμετρο στα Αστικά επιβατικά Μέσα Μεταφοράς 5 Έχοντας λοιπόν ως δεδομένο το πλεονέκτημα που διατηρούν τα Α.Μ.Μ. έναντι των μετακινήσεων με οχήματα Ι.Χ. στην οικονομία καυσίμων, αντιλαμβανόμαστε ότι θα πρέπει να αξιοποιήσουμε στο μέγιστο το πλεονέκτημα αυτό διαμέσου της 5 Η κατανάλωση Ενέργειας στις μεταφορές στην Ελλάδα Πέτρος Κασσάπης Πρόεδρος της επιτροπής Ενέργεια & Μεταφορές του ΙΕΝΕ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 9

12 αύξησης του μεριδίου που καταλαμβάνουν στις προτιμήσεις των κατοίκων για τις μετακινήσεις τους. Παράλληλα όμως είναι θεμιτό να ελέγξουμε και την αέρια ρύπανση που εκπέμπεται εντός του αστικού χώρου από τα Α.Μ.Μ. και τα ΤΑΞΙ, διότι μπορεί μεν να είναι εν συγκρίσει με τα Ι.Χ οχήματα πολύ λιγότερα στον αριθμό, αλλά διανύουν καθημερινά αυξημένο αριθμό km εντός της πόλης και αποτελούν σοβαρό παράγοντα ρύπανσης ως προς ορισμένους ρύπους. Στο παρακάτω Πίνακα 2 δίνεται η βαρύτητα των εκπομπών του κάθε ρύπου αναφορικά με το είδος των οχημάτων. CO HC NOx PM Συμβατικά βενζινοκίνητα ΙΧ *** *** ** * Καταλυτικά βενζινοκίνητα ΙΧ * ** * * ΤΑΞΙ * ** ** ** Λεωφορεία ** *** *** *** Ελαφρά φορτηγά * ** ** ** Βαρεία φορτηγά ** *** *** *** Δίκυκλα ** ** * * Πίνακας 2 Κλιμακωτή διαβάθμιση εκπομπής ρύπων ανά km κυκλοφορίας οχημάτων (* : χαμηλή, ** : μέτρια, *** : υψηλή) Η προοπτική των Εναλλακτικών Καυσίμων Το γεγονός ότι η χρήση οχημάτων με συμβατικό πετρελαιοκινητήρα παρουσιάζει όχι βέλτιστη ενεργειακή και περιβαλλοντική απόδοση, έχει ως αποτέλεσμα την έναρξη ενός κύκλου έρευνας για την εξεύρεση αποτελεσματικών λύσεων. Οι προσπάθειες στρέφονται προς δύο διαφορετικές κατευθύνσεις : α) Την βελτίωση των συμβατικών πετρελαιοκινητήρων, αποσκοπώντας στην μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και την μείωση των εκπομπών αέριων ρύπων ανά διανυόμενο km. β) Την εξεύρεση διαφορετικών πηγών καυσίμων τα οποία θα είναι φιλικότερα προς το περιβάλλον. Οι προσπάθειες αυτές αφορούν άμεσα τον χώρο των Α.Μ.Μ. η λειτουργία των οποίων ως προαναφέρθει επιβαρύνει ιδιαίτερα τον αστικό χώρο. Αυτό συνδυαζόμενο με το γεγονός ότι το κόστος διαχείρισης και λειτουργίας των Α.Μ.Μ. καλύπτεται από κοινωνικούς πόρους στην πλειονότητα των περιπτώσεων, καθιστά τις ΑΜΜ εκ των πλέον ελκυστικών χρηστών όλων αυτών των τεχνολογιών. Oι εναλλακτικές πηγές ενέργειας για την προώθηση των οχημάτων δύναται να διαχωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες: τις Υποκατάστατες και τις Εναλλακτικές. Τα Υποκατάστατα Καύσιμα είναι αυτά τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν από του υπάρχοντες συμβατικούς κινητήρες χωρίς ή με λίγες μετατροπές, τα δε 6 Οχήματα και ποιότητα της ατμόσφαιρας σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα Κώστας Νικολάου Δρ.Χημικός Περιβαλλοντολόγος ΟΡΘ σημειώσεις ΔΠΜΣ Πολυτεχνικής Σχολής ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 10

13 Εναλλακτικά Καύσιμα βασίζονται σε νέες τεχνολογίες και απαιτούν ιδιαίτερο κινητήριο σύστημα. Στην εποχή μας όμως έχει επικρατήσει ο όρος εναλλακτικά καύσιμα να καλύπτει και τις δύο κατηγορίες καυσίμων. Τα κυριότερα καύσιμα που χρησιμοποιούνται ευρέως ή πειραματικά σήμερα για την κίνηση των Α.Μ.Μ. είναι : Το Πετρέλαιο κίνησης Ο Ηλεκτρισμός Το Φυσικό Αέριο Τα Βιοκαύσιμα (Bio-ντίζελ, Bio-αιθανόλη, Μεθανόλη, Βιοαέριο) Το Υδρογόνο H 2 Για την κίνηση των Α.Μ.Μ. εφαρμόζεται τα τελευταία χρόνια ένα πλήθος τεχνολογικών λύσεων που αποσκοπεί στην βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής τους συμπεριφοράς κάνοντας χρήση όλων των ειδών καυσίμων που προαναφέρθηκαν. Έχουμε λοιπόν τις εξής τεχνολογίες κίνησης των αστικών λεωφορείων : Εξελιγμένα Πετρελαιοκίνητα Λεωφορεία με προηγμένες μηχανές εσωτερικής καύσης και συσκευές επεξεργασίας των καυσαερίων. Χρησιμοποιούν «καθαρό» πετρέλαιο ή πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο πετρέλαιο. Λεωφορεία Φυσικού Αερίου (CNG) που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο ως καύσιμο. Λεωφορεία Υγραερίου (LPG) που χρησιμοποιούν υγραέριο (κυρίως προπάνιο) ως καύσιμο. Ανακατασκευασμένα Λεωφορεία που είναι πετρελαιοκίνητα λεωφορεία που μετατρέπονται έτσι ώστε να χρησιμοποιούν εναλλακτικά καύσιμα, συνήθως CNG ή LPG. Λεωφορεία Αιθανόλης που χρησιμοποιούν αιθανόλη ως καύσιμο η οποία παράγεται από διάφορες γεωργικές πρώτες ύλες (ζαχαροκάλαμα, τεύτλα, καλαμπόκι). Λεωφορεία Βιοντίζελ που χρησιμοποιούν βιοντήζελ ως καύσιμο το οποίο παράγεται από διάφορες γεωργικές πρώτες ύλες (ελαιοκράμβη, σόγια, φοίνικας, ηλίανθος). Ηλεκτρικά Λεωφορεία που κινούνται με μπαταρίες οι οποίες φορτίζονται από σταθμούς τροφοδοσίας ρεύματος. Λεωφορεία Τρόλεϊ που κινούνται με ρεύμα από εναέριο δίκτυο γραμμών και εγκατεστημένο δίκτυο υποσταθμών. Υβριδικά Λεωφορεία που συνδυάζουν μια μηχανή εσωτερικής καύσης και μπαταρίες για την κίνηση τους. Λεωφορεία Κυψελών Καυσίμου που μετατρέπουν την χημική ενέργεια σε ηλεκτρική για την κίνηση τους. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 11

14 Στα επόμενα κεφάλαια θα εξετάσουμε διεξοδικά τις κατηγορίες : 1. των Πετρελαιοκίνητων, 2. του Φυσικού Αερίου, 3. των Βιοκαυσίμων, 4. του Ηλεκτρισμού, 5. των Υβριδικών και 6. των Κελιών Καυσίμου. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 12

15 2. ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΣΗ Η τεχνολογία του πετρελαίου είναι η παλιότερη χρονικά και η πλέον διαδεδομένη στο τομέα των Αστικών Λεωφορείων και των βαρέων οχημάτων. Τα βασικά πλεονεκτήματά στα οποία στηρίχθηκε η επικράτηση και καθιέρωση της έναντι της Βενζίνης είναι τα κάτωθι : Ενεργειακή απόδοση. Ο πετρελαιοκινητήρας έχει το μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από όλες τις μηχανές εσωτερικής καύσης. Το ενεργειακό περιεχόμενο του πετρελαίου είναι υψηλότερο της βενζίνης κατά 10% περίπου ανά λίτρο. Ασφάλεια. Το πετρέλαιο είναι πολύ ασφαλέστερο καύσιμο έναντι της βενζίνης ή άλλων εναλλακτικών καυσίμων. Είναι λιγότερο εκρηκτικό και εύφλεκτο (υψηλότερο σημείο ανάφλεξης) από τη βενζίνη. Αξιοπιστία και διάρκεια. Οι πετρελαιοκινητήρες έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής και είναι ιδιαίτερα αξιόπιστοι ως προς τη λειτουργία τους. Κόστος. Το πετρέλαιο έχει πολύ χαμηλό κόστος παραγωγής και είναι φθηνότερο (τιμή πώλησης) έναντι της βενζίνης και των άλλων εναλλακτικών καυσίμων. Το βασικότερο μειονέκτημα αφορά τις εκπομπές καυσαερίων των Λεωφορείων, ειδικότερα τις εκπομπές PM και NOx οι οποίες εμφανίζονται ιδιαίτερα αυξημένες. Πρέπει να επισημανθεί ότι η μείωση των σωματιδίων των πετρελαιοκινητήρων αποτελεί ζήτημα προτεραιότητας λόγω της επικινδυνότητας τους για την ανθρώπινη υγεία. Σύμφωνα με επιδημιολογικές μελέτες που διεξήχθησαν στις Η.Π.Α., το ποσοστό καρκίνων του πνεύμονα αυξήθηκε (20-89% ανάλογα της μελέτης) σε εργαζόμενους που βρίσκονταν εκτεθειμένοι συνεχώς σε εκπομπές πετρελαιοκινητήρων 7. Επόμενο είναι λοιπόν να ενταθούν οι προσπάθειες αντιμετώπισης του προβλήματος δια του περιορισμού της χρήσης του. Η τεχνολογία όμως του πετρελαίου έχει εφαρμογή πολλών δεκαετιών και καλύπτει ευρύ φάσμα της οικονομίας διεθνώς (αυτοκινητοβιομηχανίες, εταιρείες παραγωγής και διανομής πετρελαίου κλπ). Το γεγονός αυτό, συνδυαζόμενο με τη συνεχή βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς των πετρελαιοκίνητων οχημάτων, εκτιμάται ότι καθιστά αδύνατη την καθολική μετάβαση σε νέες τεχνολογίες για τα επόμενα χρόνια τουλάχιστον. Άμεσο αποτέλεσμα είναι η ένταση των προσπαθειών για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του καυσίμου ντίζελ η οποία έχει δύο κατευθύνσεις, την βελτίωση του ίδιου του καυσίμου και την βελτίωση των κινητήρων. 7 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 13

16 2.1. Επίδραση της σύστασης του Πετρελαίου στις εκπομπές καυσαερίων Η επίδραση της χημικής σύστασης του πετρελαίου στις εκπομπές ρύπων είναι σημαντική και αποτέλεσε έναν από τους πρώτους τρόπους παρέμβασης, με σκοπό την μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων. Στον ακόλουθο Πίνακα 3 δίνεται η επίδραση της αυξομείωσης των χαρακτηριστικών του πετρελαίου στις εκπομπές ΝΟx και σωματιδίων. Μεταβολή ΝΟx PM Μείωση του θείου - Σημαντική μείωση Αύξηση του αριθμού κετανίου Μικρή μείωση - Μείωση συνολικών αρωματικών Μικρή μείωση - Μείωση της πυκνότητας Μικρή μείωση - Μείωση των πολυ-αρωματικών Μικρή μείωση - Μείωση θερμοκρασίας ανάφλεξης (Τ 90 / Τ 95 ) Πολύ μικρή μείωση Πίνακας 3 Επίδραση των χαρακτηριστικών του πετρελαίου στις εκπομπές NOx και Σωματιδίων 8 Η πυκνότητα του πετρελαίου, μπορεί επίσης να επηρεάσει την ποσότητα του καυσίμου που εισάγεται και συνεπώς και το λόγο Αέρα / καυσίμου. Κατά την έγχυση το καύσιμο υπολογίζεται σύμφωνα με τον όγκο και όχι με την μάζα, συνεπώς ένα καύσιμο μεγάλης πυκνότητας περιέχει μεγαλύτερη μάζα για τον ίδιο όγκο. Προς επίτευξη των στόχων μας για βελτίωση του καυσίμου προβαίνουμε σε κατεργασία αυτού με υδρογόνο (υδρογονακατεργασία), η οποία επιφέρει μείωση της περιεκτικότητας σε θείο με ταυτόχρονη ελάττωση των αρωματικών υδρογονανθράκων, επηρεάζοντας θετικά τις εκπομπές ρύπων των πετρελαιοκινητήρων. Ειδικότερα με την υδρογονοκατεργασία επιτυγχάνεται μείωση του θείου από 300 ppm σε 50 ppm και μείωση των αρωματικών από 26% σε 4%, αποφέροντας μείωση των εκπομπών CO κατά 30%, των HC κατά 40% και των PM κατά 25% Περιεκτικότητα σε θείο Η Ευρωπαϊκή Ένωση καθόρισε με την Οδηγία 98/70/EC, σε αναλογία της οδηγίας των ορίων εκπομπών Euro των κινητήρων οχημάτων, την περιεκτικότητα του θείου για το 2005 (50ppm) ενώ με την οδηγία 2003/17/EC του Ιανουαρίου 2003 καθόρισε των μέγιστη περιεκτικότητα του πετρελαίου σε θείο στα 10 ppm για το 2009, οπότε το πετρέλαιο θα χαρακτηρίζεται «Καθαρό» Πετρέλαιο - ULSD. Τα σωματίδια θείου και οι εκπομπές SΟx, που είναι ιδιαίτερα επικίνδυνοι για την υγεία ρύποι, είναι ευθέως ανάλογοι της περιεκτικότητας του πετρελαίου σε θείο. Ο δε συσχετισμός της μείωσης της περιεκτικότητας σε θείο με αυτή των εκπομπών σωματιδίων είναι περίπου γραμμικός, δηλ. για κάθε 100 ppm μείωση, η μείωση σωματιδίων των πετρελαιοκινητήρων βαρέων οχημάτων είναι ~0,87%. Επόμενα η μείωση περιεκτικότητας του πετρελαίου σε θείο από 2000 ppm σε 50 ppm επέφερε 17% μείωση σωματιδίων τα τελευταία 20 χρόνια. - 8 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 14

17 Η παραγωγή και διάθεση πετρελαίου κίνησης με ολοένα και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε θείο, δηλ. το «Καθαρό» Πετρέλαιο, αποτελεί στόχο τόσο της Ευρωπαϊκής Ένωσης όσο και άλλων χωρών με την θεσμοθέτηση αυστηρών προδιαγραφών της ποιότητας των καυσίμων. Στον Πίνακα 4 δίνεται τα ισχύοντα και τα προτεινόμενα επίπεδα θείου στο πετρέλαιο για διάφορες χώρες Ηοng Kong, Κίνα Ιαπωνία * Σιγκαπούρη Ταϊλάνδη Ευρωπαϊκή Ένωση Η.Π.Α * υπό θεώρηση Πίνακας 4 Ισχύοντα και προτεινόμενα επίπεδα περιεκτικότητας του πετρελαίου σε θείο (ppm) 9 Ιδιαίτερη αναφορά χρήζει στην περίπτωση της Σουηδίας χώρας μέλους της Ε.Ε., η οποία έχει θεσμοθετήσει όριο <10ppm, ενώ διατίθεται προς πώληση και καύσιμο με περιεκτικότητα σε θείο 3ppm. 10 Εκτός της άμεσης επίδρασης στην υγεία, η μείωση της περιεκτικότητας επιβάλλεται διότι η τεχνολογική επίδραση του θείου στο πετρέλαιο αντιστοιχεί με αυτήν του μολύβδου και του θείου στη βενζίνη. Έτσι λοιπόν ακόμη και μικρή ποσότητα θείου εξουδετερώνει τους καταλύτες ΝΟx με τον ίδιο τρόπο που καταστρέφονται («δηλητηριάζονται») από τον μόλυβδο οι τριοδικοί καταλύτες των καταλυτικών οχημάτων. Η δε χρησιμότητά τους καταδεικνύεται εκ του γεγονότος ότι οι καταλύτες ΝΟx (ΝΟx adsorder catalyst και lean NOx catalyst) μπορούν να μειώσουν σε σημαντικό βαθμό τις εκπομπές NOx (οι καταλύτες lean NOx περίπου 20%, ενώ οι ΝΟx περίπου 70-80%). Συνεπώς, η περιεκτικότητα θείου στο πετρέλαιο στα σημερινά επίπεδα, περιορίζει την αποτελεσματικότητα χρήσης καταλυτών προς περιορισμό συμβατικών ρύπων. Εκτιμάται ότι περιεκτικότητα θείου της τάξης των 10 ppm δύναται να αυξήσει την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των οξειδωτικών καταλυτών (μείωση CO κατά 90% και μείωση των ΗC) και των «παγίδων» σωματιδίων επιφέροντας ταυτόχρονα μείωση της κατανάλωσης Μίγματα Πετρελαίου Νερού (Γαλακτώματα) Τα πετρελαϊκά γαλακτώματα είναι μίγματα πετρελαίου νερού με τυπική αναλογία % H 2 O,με την ταυτόχρονη ανάμιξη επιπλέον πρόσθετων για την βελτίωση της σταθερότητας του μίγματος. Η εφαρμογή τους δύναται να γίνει τόσο σε στόλους αστικών λεωφορείων εντός πόλεων, όσο και σε μεγάλα δομικά μηχανήματα εργοταξίων και ορυχείων Ο.π. Retrofit systems Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 15

18 Άμεσο αποτέλεσμα της προσθήκης νερού στο μίγμα είναι η μείωση της θερμοκρασίας καύσης με συνεπαγόμενο την μείωση εκπομπών NOx. Εκτιμάται 12 ότι τα γαλακτώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υποκατάστατο καύσιμο έναντι του «καθαρού» πετρελαίου. Πειράματα που έγιναν στο Ε.Μ.Π. κατέδειξαν ότι : - Η κατανάλωση καυσίμου μπορεί να είναι αυξημένη κατ όγκο έναντι του «καθαρού» πετρελαίου, αλλά μικρότερη της περιεκτικότητας σε νερό του γαλακτώματος με αποτέλεσμα να προκύπτει στο τέλος οικονομία. - Εκπομπές NOx συγκρίσιμες του καθαρού πετρελαίου - Μειωμένο ίχνος καπνού ειδικά για τα νέας κατασκευής οχήματα 2.2. Προσπάθειες βελτίωσης των κινητήρων Στα πλαίσια της προστασίας του περιβάλλοντος η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχει θεσμοθετήσει μια σειρά από προδιαγραφές εκπομπών ρύπων για τους πετρελαιοκινητήρες οι οποίες είναι γνωστές με το όρο EURO, και ανανεώνονται τακτικά επιβάλλοντας στους κατασκευαστές να πληρούν τα οχήματά τους τα όλο και πιο αυστηρά όρια μέγιστων εκπομπών. Οι τιμές των προδιαγραφών αυτών δίνονται στο ακόλουθο Πίνακα 5 και το Διάγραμμα 3. ΝΤΙΖΕΛ Πρότυπο Έτος CO HC NOx PM EURO I EURO II EURO III EURO IV EURO V EURO VI 2014? ? Πίνακας 5 Ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπών ρύπων για Βαριά Φορτηγά και Λεωφορεία (gr/kwh) Diesel-Water emulsion emission and performance evaluation in public bases D.M.Korres. Ε.Μ.Π. 9 th International Conference on Environmental Science and Technology, Ρόδος 9/ Regulatory Framework ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 16

19 Διάγραμμα 3 Τ α Ευρωπαϊκά πρότυπα εκπομπής ρύπων EURO 14 Προς επίτευξη των ανωτέρω στόχων η βιομηχανία χρησιμοποιεί διάφορες τεχνολογικές εξελίξεις όπως : Οι Καταλύτες (DOCs) : Αναφερόμαστε στους οξειδωτικούς καταλύτες, οι οποίοι καταστρέφουν τους επικινδύνους ρύπους CO και HC μετατρέποντας τους σε CO 2 και H 2 O. Επίσης μειώνουν λίγο τις εκπομπές σωματιδίων. Τα Συστήματα Ανακυκλοφορίας Καυσαερίων (EGR) : οι κινητήρες εκτρέπουν μέρος των καυσαερίων, τα οποία έχουν μικρή περιεκτικότητα σε οξυγόνο μετά την καύση πίσω στην εισαγωγή του κινητήρα, με αυτό τον τρόπο ελαττώνεται η θερμοκρασία μέσα στον κινητήρα αφού πλέον υπάρχει μικρότερη ποσότητα οξυγόνου προς καύση. Κατά συνέπεια μειώνονται τα εκπεμπόμενα NOx που σχηματίζονται υπό συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών( ένωση O2 και του N της ατμόσφαιρας). Παρά την μικρή αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου που επιβάλει η εφαρμογή της μεθόδου η συμμόρφωση με το πρότυπο EURO IV θα απαιτήσει την εγκατάσταση συστημάτων EGR. Η Επιλεκτική Καταλυτική Αναγωγή (SCR): Με την μέθοδο αυτή γίνεται χρήση ενός ειδικού καταλυτικού μετατροπέα ο οποίος επεξεργάζεται τα καυσαέρια του κινητήρα και μειώνει τις εκπομπές NOx, εν αντιθέσει με την τεχνολογία EGR που αποσκοπεί στην ελλάτωση του σχηματισμού τους. Εκτιμάται ότι η διαδικασία θα καταστεί απαραίτητη προκειμένου να υπάρξει συμμόρφωση με τα πρότυπα EURO IV και EURO V. Τα Φίλτρα Σωματιδίων (DPFs) : Φιλτράρουν και απομακρύνουν τα σωματίδια από τα καυσαέρια των οχημάτων, η αποτελεσματικότητα τους είναι αυξημένη συνήθως άνω του 90%. Τα σωματίδια συλλέγονται υπό μορφή αιθάλης η οποία εν συνεχεία απομακρύνεται με καύση προς αποφυγή δυσλειτουργίας του φίλτρου. Διακρίνονται στα Παθητικά που χρησιμοποιούν τους οξειδωτικούς καταλύτες για να μειώσουν τη θερμοκρασία οξείδωσης της αιθάλης και τα Ενεργητικά τα οποία περιοδικά αυξάνουν την θερμοκρασία στο κατάλληλο επίπεδο. Η εφαρμογή του 14 Προκλήσεις και προοπτικές υβριδικών αυτοκινήτων Μιλτιάδης Τσοσκούνογλου Διευθυντής τομέα Προστασίας Περιβάλλοντος Toyota Ελλάς. Ημερίδα «Ενέργεια και τις Μεταφορές» του ΙΕΝΕ. Αθήνα 28/3/2007. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 17

20 προτύπου EURO V από το εκτιμάται ότι θα καταστήσει επιβεβλημένη την εγκατάστασή τους. Στον ακόλουθο Πίνακα 6 δίνονται οι συσκευές μείωσης των ρύπων στους κινητήρες Diesel : Μείωση εκπομπών Συσκευή Κόστος PM NOx CO HC (τιμή 2005) Οξειδωτικοί καταλύτες DOC % % % $ Φίλτρα σωματιδίων - DPFs % $ Καταλύτες NOx - EGR 88 % % % % $ Καταλύτες απορρόφησης NOx - SCR 0-30 % % % % $ Πίνακας 6 Δεδομένα συσκευών επεξεργασίας καυσαερίων πετρελαιοκίνητων οχημάτων Εκπομπές πετρελαιοκίνητων οχημάτων Εκτός των στερεών σωματιδίων και των οξειδίων του θείου (SO 2 και SO 3 ), που έχουν σοβαρές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, αλλά και των υπόλοιπων βασικών αέριων ρύπων (NOx, CO, CO 2 και HC), υπάρχουν και άλλοι αέριοι ρύποι που πιθανολογείται ότι προκαλούν καρκινογενέσεις. Οι σημαντικότεροι από αυτούς τους ρύπους είναι το Βενζένιο (benzene), το 1,3-Βουταδιένιο (1,3-butadiene), η Φορμαλδεΰδη (formaldehyde) και η Ακεταλδεϋδη (acetaldehyde). Οι τοξικοί αυτοί ρύποι εκπέμπονται σε πολύ μικρά ποσοστά (τάξης λίγων mg ανά kwh) με τα καυσαέρια και η περιεκτικότητά τους εξαρτάται από το είδος του καυσίμου. Το φυσικό αέριο για παράδειγμα έχει πιο απλούς υδρογονάνθρακες στην σύνθεσή του που καίγονται πιο «καθαρά», ενώ το πετρέλαιο περιέχει πιο σύνθετους υδρογονάνθρακες και θείο που παράγουν περισσότερες εκπομπές αυτών των τοξικών ρύπων. Η σταδιακή αντικατάσταση των λεωφορείων προηγούμενης γενιάς με νέα EURO V & VI από το 2006 και μετά, θα επιφέρει σημαντική μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων από τις ΑΜΜ, καθιστώντας την τεχνολογία πετρελαιοκίνησης ανταγωνιστική περιβαλλοντικά των εναλλακτικών καυσίμων Οικονομικά δεδομένα Η κτήση και η συντήρηση πετρελαιοκινήτων λεωφορείων είναι η πιο φθηνή εν συγκρίσει με τα οχήματα που χρησιμοποιούν για την κίνησή τους εναλλακτικά καύσιμα. Το κόστος αυτό όμως αναμένεται να αυξηθεί σταδιακά λόγω της αναγκαιότητας προσαρμογής ειδικών διατάξεων που προαναφέρθηκαν, προκειμένου να υπάρξει συμμόρφωση με τα πρότυπα EURO V & VI. Ως ενδεικτικό κόστος κτήσης αναφέρεται ότι ο ΟΑΣΘ απέκτησε το 2003 : - Το αρθρωτό λεωφορείο EURO ΦΠΑ. - Το απλό λεωφορείο EURO ΦΠΑ. 15 Retrofit systems ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 18

21 Λαμβανομένου λοιπόν υπόψη ότι τα πετρελαιοκίνητα οχήματα παρουσιάζουν πλεονέκτημα στις εκπομπές CO 2, σε περίπτωση όχι πολύ επιβαρυμένων περιβαλλοντικά αστικών κέντρων η χρήση τους με ένα συνδυασμό ενός φίλτρου σωματιδίων και τεχνολογίας περιορισμού των εκπομπών NOx, αποτελεί μια οικονομικά αποδεκτή πρόταση. Σχετικά με το κόστος λειτουργίας, το οποίο εξαρτάται από την τιμή του καυσίμου πρέπει να αναφερθεί ότι η ραγδαία αύξηση της τιμής του πετρελαίου στα επίπεδα των $ /b, επιβαρύνει σημαντικά το λειτουργικό κόστος ανά km, και θέτει υπό μελέτη την βιωσιμότητα ανταγωνιστικών λύσεων που βασίζονται σε εναλλακτικά του πετρελαίου καύσιμα, (Βιοκαύσιμα). Πλεονέκτημα οικονομικό αποτελεί και το γεγονός ότι η ευρεία χρήση του δε προϋποθέτει σημαντικές επενδύσεις σε υποδομή και εκπαίδευση. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 19

22 3. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ Το φυσικό αέριο είναι ορυκτό καύσιμο αποτελείται από μίγμα υδρογονανθράκων με κατ ελάχιστη εκ των προδιαγραφών περιεκτικότητα σε μεθάνιο CH 4 85%. Χρησιμοποιείται με αυξητικούς ρυθμούς για την κίνηση οχημάτων και δει των αστικών λεωφορείων την τελευταία 20ετία. Στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β δίνονται τα κυριότερα χαρακτηριστικά του καυσίμου, αλλά και του κινητήριου συστήματος Φυσικού Αερίου Εκπομπές ρύπων και κατανάλωση του κινητήρα φυσικού αερίου Τα Λεωφορεία Φυσικού Αερίου πλεονεκτούν έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων διότι έχουν πολύ χαμηλότερες εκπομπές ρύπων ενώ και η κατανάλωση καυσίμου εμφανίζεται μειωμένη. Μετρήσεις που διεξήχθησαν σε πραγματικές κυκλοφοριακές συνθήκες - μετρήσεις δρόμου 16, το χρονικό διάστημα σε διάφορες Ευρωπαϊκές πόλεις, όπως οι Βρυξέλλες, η Λοζάνη, το Kortrijk και το Δουβλίνο καθώς επίσης και στο Hamilton του Καναδά κατέδειξαν σημαντική μείωση των εκπομπών ρύπων για τα λεωφορεία φυσικού αερίου σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Να σημειωθεί όμως ότι τόσο τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία όσο και τα λεωφορεία φυσικού αερίου ήταν παλαιάς τεχνολογίας (Euro 1 και 2). Ως προς την κατανάλωση καυσίμου, οι παραπάνω μετρήσεις κατέδειξαν ότι τα λεωφορεία φυσικού αερίου παρουσίασαν 20%-35% υψηλότερη κατανάλωση καυσίμου σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Αυτό οφείλεται τόσο στην τεχνολογία του κινητήρα (σπινθηριστής) όσο και στο επιπλέον βάρος του συστήματος αποθήκευσης του φυσικού αερίου 17. Σύμφωνα με την εταιρεία IVECO, ένα λεωφορείο φυσικού αερίου που ζυγίζει περίπου 700 κιλά περισσότερο από ένα αντίστοιχο συμβατικό πετρελαιοκίνητο λεωφορείο τύπου Euro 3, καταναλώνει 25% περισσότερη ενέργεια και παράγει 85% λιγότερες εκπομπές ρύπων ενώ οι συνολικές εκπομπές ανάλυσης κύκλου ζωής CO 2 είναι κατά 5% μειωμένες Γεγονός που τονίζει την σημασία των αποτελεσμάτων αφού οι περισσότερες μετρήσεις είναι εργαστηριακές με την εφαρμογή διαφόρων κύκλων οδήγησης και τα αποτελέσματά τους συνήθως αποκλίνουν σημαντικά από τα αντίστοιχα των μετρήσεων δρόμου 17 CNG Bus 18 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 20

23 Οπωσδήποτε, η ορθή συντήρηση και ο έλεγχος του συστήματος έγχυσης καυσίμου και η συντήρηση του κινητήρα αποτελεί πολύ σημαντικό περιβαλλοντικό παράγοντα. Να τονιστεί ότι από το σύνολο των λεωφορείων φυσικού αερίου που συμμετείχαν στις παραπάνω μετρήσεις, μόνο το λεωφορείο της IVECO με λ=1 και με σύστημα ελέγχου της έγχυσης καυσίμου MPI (Multi Point Fuel Injection) σε συνδυασμό με τρίοδο καταλύτη παρουσίασε πολύ χαμηλές εκπομπές και συγκρίσιμη με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία κατανάλωση καυσίμου. Συνεπώς, o συνδυασμός κινητήρα-καταλύτη είναι δυνατόν να δώσει πολύ καλά αποτελέσματα. Νεότερες μελέτες με σύγχρονα λεωφορεία φυσικού αερίου (έτος κατασκευής 2004) κατέδειξαν ακόμη μεγαλύτερη μείωση των εκπομπών ρύπων (έως 75% μείωση των NΟx και 80% μείωση PM) εν συγκρίσει με αντίστοιχα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία ενώ και η οικονομία καυσίμου ήταν βελτιωμένη κατά 4-9%. Ως προς τις εκπομπές CO 2 (ρύπος που συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου), η καύση του φυσικού αερίου ανά kwh (χωρίς το βαθμό απόδοσης του κινητήρα) δίνει 15-20% λιγότερες εκπομπές σε σχέση με το πετρέλαιο. Αυτό σημαίνει πως αν οι κινητήρες φυσικού αερίου και οι πετρελαιοκινητήρες είχαν τον ίδιο βαθμό απόδοσης, ο κινητήρας φυσικού αερίου θα είχε κατά 25% λιγότερες εκπομπές CO 2. Εξαιτίας όμως του χαμηλότερου βαθμού απόδοσης του κινητήρα φυσικού αερίου σε σχέση με τον πετρελαιοκινητήρα, οι εκπομπές CΟ 2 είναι σχεδόν ίδιες ή ελαφρώς μειωμένες, ανάλογα και με το είδος του κινητήρα (λ=1 ή λ>1). Συνεπώς, οι εκπομπές CO 2 των λεωφορείων φυσικού αερίου είναι πρακτικά σχεδόν ίδιες με τις αντίστοιχες εκπομπές των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων 19. Στον επόμενο Πίνακα 7 δίνονται συγκεντρωτικά οι αναμενόμενες μειώσεις ρύπων των λεωφορείων φυσικού αερίου, συγκριτικά με τα συμβατικά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία κατηγορίας EURO II. Fuel PM NOx CO HC GHG efficient CNG Bus % % % % + = Πίνακας 7 Εκπομπές ρύπων λεωφορείων Φ.Α. συγκριτικά με συμβατικά πετρελαιοκίνητα CNG Bus 20 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 21

24 3.2. Εκπομπές Θορύβου Πέρα από τις εκπομπές ρύπων, ένα επιπλέον θετικό χαρακτηριστικό του κινητήρα φυσικού αερίου αποτελεί η χαμηλή εκπομπή Θορύβου. Αυτό οφείλεται στην προοδευτική αύξηση της πίεσης καύσης μετά την έναυση, σε αντίθεση με τη ραγδαία αντίστοιχη αύξηση κατά την καύση σε πετρελαιοκινητήρα. Στο Seattle και στην Τacoma των HΠΑ, τα λεωφορεία φυσικού αερίου Cummins (μοντέλο 2001) κατέδειξαν, πέραν των ιδιαίτερα σημαντικών μειώσεων των εκπομπών ρύπων και της κατανάλωσης, και μείωση θορύβου 14% περίπου σε σχέση με τα συμβατικά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία 21. Στον Πίνακα 8 δίνονται τα αποτελέσματα των εκπομπών θορύβου πετρελαιοκίνητων λεωφορείων και λεωφορείων φυσικού αερίου από μετρήσεις στην πόλη Bogotá της Κολομβίας για στατικές και δυναμικές συνθήκες. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι πιο αθόρυβα, τόσο σε στατικές όσο και σε δυναμικές συνθήκες, σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Στατικές εκπομπές θορύβου (db) Δυναμικές Εσωτερικά Εξωτερικά εκπομπές Λεωφορείο θορύβου Ρελαντί Ρελαντί στροφές στροφές στροφές στροφές (db) Πετρελαίου 66,5 70,8 78,8 65,2 69,4 79,2 82,3 Φυσ. Αέριο 53,3 58,8 68,5 63,4 65,5 78,0 75,4 Πίνακας 8 Εκπομπές θορύβου για στατικές και δυναμικές συνθήκες στην πόλη Bogotá Κολομβία Ασφάλεια των λεωφορείων φυσικού αερίου Για λόγους οικονομίας χώρου, το φυσικό αέριο ως καύσιμο κίνησης οχημάτων συμπιέζεται και αποθηκεύεται σε φιάλες. H συμπίεση ανέρχεται συνήθως σε 200 bar. Στα λεωφορεία φυσικού αερίου η αποθήκευσή του γίνεται σε ειδικές φιάλες τοποθετημένες στην οροφή του λεωφορείου ( Εικόνα 1). Εικόνα 1 Αποθήκευση Φυσικού Αερίου σε φιάλες στην οροφή του λεωφορείου ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Ο.π. 23 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 22

25 Οι φιάλες κατασκευάζονται σήμερα από συνθετικά υλικά (παλιότερα ήταν χαλύβδινες), κυρίως ανθρακονήματα και ίνες γυαλιού, και δοκιμάζονται σε πίεση 600 bar (συνήθως η αντοχή τους ανέρχεται στα 1000 bar). Η υψηλή αντίσταση και η χαμηλή πυκνότητα του ανθρακονήματος μειώνει σημαντικά το βάρος και το πάχος των φιαλών. Εξαιτίας της υψηλής πίεσης του φυσικού αερίου εντός των φιαλών αποθήκευσής του, τίθεται αρκετές φορές το θέμα της ασφάλειας των λεωφορείων ειδικά σε περίπτωση ατυχημάτων. Τα διαθέσιμα στοιχεία δείχνουν ότι τα οχήματα φυσικού αερίου είναι εξίσου ασφαλή, ίσως και ασφαλέστερα, από τα συμβατικά οχήματα. Δυο είναι οι βασικοί λόγοι για την συγκεκριμένη αποτελεσματικότητα ασφάλειας που επιδεικνύουν τα οχήματα φυσικού αερίου: η κατασκευαστική αυτονομία και ακεραιότητα του συστήματος αποθήκευσης φυσικού αερίου και οι φυσικές ιδιότητες του φυσικού αερίου ως καύσιμο. Το φυσικό αέριο ως καύσιμο είναι ελαφρύτερο από τον αέρα και σε περίπτωση διαρροής διαχέεται στην ατμόσφαιρα σε αντίθεση με τα υγρά καύσιμα που προκαλούν εκτεταμένη μόλυνση του εδάφους. Ταυτόχρονα, τα οσμητικά πρόσθετα του φυσικού αερίου καθιστούν άμεσα ανιχνεύσιμη μια διαρροή. Τέλος, η καύση του φυσικού αερίου δεν προκαλεί σημαντικές ποσότητες αλδευδών και τοξικών και πτητικών ουσιών, όπως συμβαίνει με τα υγρά καύσιμα Απαιτούμενες υποδομές Σταθμοί τροφοδοσίας Το φυσικό αέριο σε αέρια φάση υπό ατμοσφαιρική πίεση έχει μικρή ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. H λύση της υγροποίησης, ειδικά για περιοχές όπου δεν υπάρχουν εγκαταστάσεις υγροποιημένου φυσικού αερίου (π.χ. Θεσσαλονίκη), είναι πρακτικά πολύ δύσκολη, αφού απαιτείται πολύ χαμηλή θερμοκρασία υγροποίησης του φυσικού αερίου γύρω στους -162 o C (-260 o F). Τα βασικά τμήματα ενός σταθμού τροφοδοσίας φυσικού αερίου είναι ένας συμπιεστής, μια μονάδα ξήρανσης, μια μονάδα υψηλής συμπίεσης (από την πίεση του δικτύου στα bar), μονάδα αποθήκευσης (μόνο για τη «γρήγορη» πλήρωση) συστήματα ελέγχου, αντλίες και σκέπαστρο. Οι δυο βασικές μέθοδοι πλήρωσης λεωφορείων φυσικού αερίου έχουν ως βασική διαφορά το χρόνος πλήρωσης του λεωφορείου 24 : Κατά την «Αργή» πλήρωση, τα λεωφορεία πληρώνονται κατά τη διάρκεια της νύχτας και η πλήρωση διαρκεί 6-8 ώρες. Στη «Γρήγορη» πλήρωση, το λεωφορείο γεμίζει σε λίγα λεπτά. Ένα μειονέκτημα της «γρήγορης» τροφοδοσίας είναι η κατά 15-20% μείωση της ποσότητας του αερίου σε σχέση με την χωρητικότητα των δοχείων αποθήκευσής του. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας του σύντομου χρόνου τροφοδοσίας οπότε η θερμοκρασία δεν μπορεί να μειωθεί κατά τη 24 Breathing Clean. Considering the switch to Natural Gas Buses. Masami Kojima, World Bank Technical Paper No ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 23

26 διάρκεια της τροφοδοσίας και συνεπώς η πίεση μειώνεται στα bar τέσσερις με πέντε ώρες μετά το τέλος της τροφοδοσίας. Οι σταθμοί ανεφοδιασμού λεωφορείων σήμερα σχεδιάζονται και κατασκευάζονται για «γρήγορη» πλήρωση, όπου ο εφοδιασμός του οχήματος γίνεται σε 3-10 λεπτά περίπου όπως και με το πετρέλαιο/βενζίνη Στοιχεία κόστους Κόστος αγοράς Λεωφορείων Φυσικού Αερίου Τα Λεωφορεία Φυσικού Αερίου έχουν υψηλότερο κόστος αγοράς από τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Το επιπλέον κόστος αφορά το σύστημα αποθήκευσης του φυσικού αερίου και το σύστημα ρύθμισης της πίεσης πριν από την τροφοδοσία του κινητήρα. Το κόστος ενός λεωφορείου φυσικού αερίου είναι ~20% υψηλότερο από το κόστος αντίστοιχου πετρελαιοκίνητου λεωφορείου. Τα επόμενα χρόνια, και μέχρι το 2010, αναμένεται οι τιμές να εξισσοροπηθούν εξαιτίας των αυξημένων απαιτήσεων, κυρίως ως προς τις εκπομπές (Εuro 4 και 5), των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων και της συνεπαγόμενης αύξησης της τιμής τους. Σύμφωνα με στοιχεία του ΟΑΣΘ, ένα πετρελαιοκίνητο απλό λεωφορείο το 2003 κόστιζε περίπου ΦΠΑ. Στην Αθήνα, τα πρώτα λεωφορεία φυσικού αερίου στοίχισαν περίπου το καθένα (τιμές 1999), δηλ. είχαν επιπλέον κόστος 45% ( ) έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Σήμερα, η διαφορά του κόστους δεν ξεπερνάει τις , με συνεχή τάση για εξομοίωση των τιμών Κόστος λειτουργίας Λεωφορείων Φυσικού Αερίου Το λειτουργικό κόστος των λεωφορείων φυσικού αερίου συνίσταται από το κόστος συντήρησης και από το κόστος καυσίμου. Το κόστος συντήρησης ενός λεωφορείου φυσικού αερίου εξαρτάται από πολλούς παράγοντες και τα δεδομένα διαφόρων εφαρμογών ποικίλουν. Σημαντικό παράγοντα αποτελεί η εμπειρία και η εξοικείωση με τη νέα τεχνολογία τόσο του προσωπικού συντήρησης όσο και των οδηγών των λεωφορείων. Το κόστος καυσίμου εξαρτάται τόσο από την κατανάλωση καυσίμου, η οποία αντίστοιχα εξαρτάται από την απόδοση του κινητήρα, όσο και από την τιμή του φυσικού αερίου. Κόστος συντήρησης Στις ΗΠΑ, η πλειοψηφία των φορέων αστικών συγκοινωνιών που έχουν λεωφορεία φυσικού αερίου δήλωσαν, σε σχετική έρευνα που έγινε το 1999, ότι το κόστος συντήρησης των λεωφορείων φυσικού αερίου (συντήρηση της κινητήρα και του συστήματος αποθήκευσης του καυσίμου) ήταν υψηλότερο από το κόστος των αντίστοιχων πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Ο φορέας Pierce Transit (Seattle, Tacoma) κατέγραψε κόστος συντήρησης υψηλότερο κατά 16% περίπου ενώ αντίθετα το SunLine Transit (Thousand Palms, Sacramento) κατέγραψε κόστος συντήρησης των λεωφορείων φυσικού αερίου χαμηλότερο από το αντίστοιχο των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων 25. Να σημειωθεί 25 MASS TRANSIT: Use of alternative fuels in transit buses GAO 1999 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 24

27 ότι τα λεωφορεία φυσικού αερίου της συγκεκριμένης έρευνας ήταν παλιότερης τεχνολογίας (έτος κατασκευής ) ή δεύτερης γενιάς, όπως χαρακτηρίζονται ενώ τα νέας γενιάς λεωφορεία φυσικού αερίου με τον ηλεκτρονικό έλεγχο της έγχυσης και την συνεχή τεχνολογική ανάπτυξη παρουσιάζουν μείωση του κόστους συντήρησης. Πολλές φορές επίσης το κόστος συντήρησης καλύπτεται αρχικά από τον κατασκευαστή και συνεπώς δεν είναι πάντα εύκολη η συλλογή δεδομένων κόστους κατά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας των οχημάτων. Στη πόλη Colmar της Γαλλίας, όπου η χρήση λεωφορείων φυσικού αερίου της Renault (Μοντέλο Agora) ξεκίνησε από το 1998, προβλήματα παρουσιάστηκαν με τα ηλεκτρικά καλώδια και τους σπινθηριστές εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας του κινητήρα. Στο Augsburg της Γερμανίας ο χρόνος αλλαγής λιπαντικών των λεωφορείων φυσικού αερίου ήταν ίδιος με αυτόν των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων (περίπου κάθε km) ενώ ο απαιτούμενος περιοδικός έλεγχος των φιαλών αποθήκευσης (κάθε 5 χρόνια) εκτιμάται εκ φορέα δημόσιων αστικών συγκοινωνιών της πόλης ότι θα παρουσιάσει δυσκολίες. Γενικά, τα λεωφορεία φυσικού αερίου απαιτούν επιπλέον εργασίες συντήρησης έναντι των συμβατικών λεωφορείων εξαιτίας κυρίως του συστήματος έναυσης που έχουν και που δεν διαθέτουν τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Το σύστημα καύσης των λεωφορείων φυσικού αερίου είναι πολυπλοκότερο των συμβατικών λεωφορείων και περιέχει περισσότερα επιμέρους στοιχεία με αποτέλεσμα το κόστος των ανταλλακτικών και των αντίστοιχων εργασιών να αυξάνει σημαντικά. Παρόλο το αυξημένο κόστος ανταλλακτικών, οι κινητήρες φυσικού αερίου είναι πιο καθαροί από τους πετρελαιοκινητήρες με αποτέλεσμα ο χρόνος αλλαγής λιπαντικών και φίλτρων να είναι μεγαλύτερος και οι απαιτούμενες ρυθμίσεις του κινητήρα λιγότερες. Στα λεωφορεία φυσικού αερίου ο απαιτούμενος χρόνος αλλαγής λιπαντικών είναι δυνατόν να είναι δυο με τρεις φορές μεγαλύτερος ενώ η φθορά των ελαστικών είναι κι αυτή μεγαλύτερη εξαιτίας του αυξημένου βάρους του οχήματος. Κόστος καυσίμου Σημαντικές διαφορές στο κόστος καυσίμου είναι δυνατόν να προκύψουν εξαιτίας της τιμής του φυσικού αερίου και της φορολογικής πολιτικής των καυσίμων που ισχύει για κάθε χώρα. Η τιμή του φυσικού αερίου διαφέρει σημαντικά ακόμη και στο εσωτερικό μιας χώρας. Αυτό οφείλεται : Στην ύπαρξη διαφόρων εταιρειών φυσικού αερίου και στην διαφοροποίηση των τιμών χρέωσης του καυσίμου, Στη συνήθη τακτική των εταιρειών φυσικού αερίου ως προς τον τρόπο χρέωσής του που εξαρτάται από την κατανάλωση (μεγαλύτερη κατανάλωση συνεπάγεται μικρότερη τιμή). Η τιμή του φυσικού αερίου αποτελεί ίσως το σημαντικότερο οικονομικό παράγοντα σε μια μελέτη σκοπιμότητας για τη μετάβαση ενός στόλου οχημάτων από το πετρέλαιο στο φυσικό αέριο. Ένας γρήγορος εμπειρικός κανόνας είναι 26 : 26 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 25

28 Αν το φυσικό αέριο είναι φθηνότερο κατά 30% του πετρελαίου ο χρόνος αποπληρωμής ενός τυπικού στόλου οχημάτων είναι 3-5 χρόνια τουλάχιστον (πιθανόν και μεγαλύτερος). Αν το φυσικό αέριο είναι φθηνότερο κατά 50% του πετρελαίου ο χρόνος αποπληρωμής ενός τυπικού στόλου οχημάτων μειώνεται σημαντικά και είναι 2-3 χρόνια περίπου. Για την Αθήνα, σύμφωνα με τα στοιχεία του 2003, η τιμή του φυσικού αερίου των αστικών λεωφορείων (0,31 / m 3 ) ανέρχονταν στο 60% περίπου της τιμής του πετρελαίου (0,5 / lt) για το ίδιο ενεργειακό περιεχόμενο, δηλ. ήταν φθηνότερο κατά 40%. Σύμφωνα με τα στοιχεία του 2006, η τιμή του φυσικού αερίου είναι 0,52 / m 3, περίπου 35% φθηνότερο από το πετρέλαιο. Με βάση τον παραπάνω γενικό κανόνα, η περίοδος αποπληρωμής των πρώτων 295 λεωφορείων της Ε.ΘΕ.Λ. εκτιμάται σε 3-5 χρόνια. Σε γενικές γραμμές, η πλειοψηφία των εφαρμογών αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου καταδεικνύουν υψηλότερο λειτουργικό κόστος έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Η διαφορά εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τεχνολογία των λεωφορείων φυσικού αερίου. Ενδεικτικά, ο φορέας Pierce Transit (Seattle, Tacoma) με λεωφορεία φυσικού αερίου (κατασκευής 2001) της εταιρείας Cummins με κινητήρα C Gas Plus 8.3 G μείωσε κατά 50% το λειτουργικό κόστος των λεωφορείων φυσικού αερίου έναντι των αντίστοιχων παλιότερης τεχνολογίας (κατασκευής 1999). Η μείωση αυτή απεικονίζεται στο Διάγραμμα 7. Διάγραμμα 4 Λειτουργικό κόστος Λεωφορείων φυσικού αερίου στις ΗΠΑ Κόστος σταθμού τροφοδοσίας Το κόστος κεφαλαίου για την κατασκευή υποδομών είναι ιδιαίτερα σημαντικό, με το μεγαλύτερο τμήμα να κατευθύνεται στην δημιουργία σταθμού τροφοδοσίας με το καύσιμο Φ.Α. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο σταθμός ανεφοδιασμού φυσικού αερίου των αστικών λεωφορείων στην Αθήνα στην περιοχή των Άνω Λιοσίων ο οποίος κατασκευάστηκε από τη Δ.ΕΠ.Α, χωρίς επιβάρυνση του φορέα αστικών 27 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 26

29 συγκοινωνιών, στοίχισε και ξεκίνησε την λειτουργία του το Είναι σταθμός τροφοδοσίας γρήγορης πλήρωσης (4-5 min χρόνος πλήρωσης). Αντίστοιχα, ο σταθμός ανεφοδιασμού φυσικού αερίου των αστικών λεωφορείων στην Αθήνα στην περιοχή της Ανθούσας στοίχισε ~ 5 εκατ (τιμές 2006) και ξεκίνησε τη λειτουργία του στις αρχές του Επιπρόσθετα, το κόστος συντήρησης του σταθμού ανεφοδιασμού είναι αυξημένο λόγω των συστημάτων υψηλής ασφάλειας Η Χρήση του φυσικού αερίου στα αστικά λεωφορεία Γαλλία Στη Γαλλία, το 2001 λειτουργούσαν περίπου αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου σε 20 πόλεις (σε σύνολο αστικών λεωφορείων). Σήμερα, ο αριθμός των αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου έχει σχεδόν διπλασιασθεί. (Εικόνα 2) και αναμένεται και περαιτέρω αύξηση, λόγω του πρωτοκόλλου συνεργασίας που υπογράφηκε τον Ιούλιο του 2005 μεταξύ δημόσιων φορέων και αυτοκινητοβιομηχανιών για διπλασιασμό των λεωφορείων φυσικού αερίου και τριπλασιασμό των απορριμματοφόρων φυσικού αερίου τα επόμενα χρόνια. Εικόνα 2 Αριθμός αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου σε διάφορες πόλεις της Γαλλίας το Τα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι της Renault (RVI) ή της Heuliez, με μηχανές Renault ή Volvo. Είναι όλα χαμηλού δαπέδου με τα δοχεία αποθήκευσης (φιάλες) του φυσικού αερίου τοποθετημένα στην κορυφή του λεωφορείου. Ο χρόνος ζωής τους είναι χρόνια και διανύουν κατά μέσο όρο km/έτος για αστικές διαδρομές Ο.π. 29 Breathing Clean. Considering the switch to Natural Gas Buses. Masami Kojima, World Bank Technical Paper No ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 27

30 Εικόνα 3 Ο Σταθμός ανεφοδιασμού των λεωφορείων με Φ.Α. στο Politiers 30 Οι περισσότεροι σταθμοί τροφοδοσίας χρησιμοποιούν το σύστημα τροφοδοσίας με αργή πλήρωση, όπου το λεωφορείο είναι συνδεδεμένο με τη μάνικα για πολλές ώρες (συνήθως κατά τη διάρκεια της νύκτας που δεν λειτουργούν τα οχήματα). Στην Εικόνα 3 φαίνεται ο σταθμός τροφοδοσίας των λεωφορείων φυσικού αερίου στην περιοχή Poitiers (10 μικρές πόλεις) που λειτουργεί στα 200 bar (20Μpa), και έχει δυνατότητα τροφοδοσίας 22 λεωφορείων Ιταλία Η Ιταλία χαρακτηρίζεται ως η «Χώρα του Φυσικού Αερίου» στην Ευρώπη εξαιτίας τόσο του μεγάλου στόλου οχημάτων φυσικού αερίου όσο και της ραγδαίας αύξησης τους τα τελευταία χρόνια. Τα δρομολογημένα αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου το 2000 ήταν μόλις 200 σε 10 πόλεις, ενώ το 2006 ο αριθμός αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου ανέρχεται σε κατανεμημένος σε πάνω από 50 πόλεις συνολικά. Το 87% των αστικών λεωφορείων που κινούνται με μη συμβατικά καύσιμα (Diesel) είναι λεωφορεία φυσικού αερίου, ενώ οι παραγγελίες για λεωφορεία φυσικού αερίου είναι πολύ περισσότερες από αυτές των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι στη Ρώμη μέχρι τα τέλη του 2007 θα λειτουργήσουν 400 λεωφορεία φυσικού αερίου 31. Να σημειωθεί ότι οι λόγοι της ραγδαίας εξέλιξης της χρήσης οχημάτων φυσικού αερίου στην Ιταλία ήταν η απόφαση των μεγάλων αυτοκινητοβιομηχανιών να διεισδύσουν δυναμικά στην αγορά του φυσικού αερίου και ταυτόχρονα η σημαντική μείωση της φορολογίας του καυσίμου. Χαρακτηριστικά αναφέρεται, η τιμή του φυσικού αερίου τον Απρίλιο του 2005 ήταν 0,7 /kg έναντι 1,25 /kg για το πετρέλαιο και 1,4 /kg για την βενζίνη Ελλάδα Στην Αθήνα σήμερα λειτουργούν 416 αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου της εταιρείας Renault σε σύνολο αστικών λεωφορείων που δρομολογούνται στην περιοχή των Αθηνών. Ο αρμόδιος συγκοινωνιακός φορέας για την δρομολόγηση των λεωφορείων είναι η Εταιρεία Θερμικών Λεωφορείων Α.Ε. (Ε.ΘΕ.Λ. Α.Ε.). 30 Ο.π ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 28

31 Τα πρώτα λεωφορεία φυσικού αερίου δρομολογήθηκαν το 2001, ενώ το 2004 παρελήφθησαν 120 λεωφορεία φυσικού αερίου νέας τεχνολογίας (δεύτερης γενιάς) με ιδιαίτερα χαμηλές εκπομπές ρύπων (μείωση 50% για τα NOx, 85% για το CO και 90% για τους υδρογονάνθρακες) και αθόρυβη σχεδόν λειτουργία (λίγοι κραδασμοί στον κινητήρα). Μέχρι τα τέλη του 2007, θα δρομολογηθούν άλλα 200 λεωφορεία φυσικού αερίου, σύμφωνα με τον ανοικτό διαγωνισμό της ΕΘΕΛ που έχει προκηρυχθεί στα μέσα του 2006 και βρίσκεται σε εξέλιξη. Σύμφωνα με τη διοίκηση της Ε.ΘΕ.Λ. Α.Ε., η εμπειρία της εταιρείας από τη λειτουργία των λεωφορείων φυσικού αερίου είναι θετική. Οπωσδήποτε, θα πρέπει να τονιστεί ότι η εφαρμογή του φυσικού αερίου στα λεωφορεία της Ε.ΘΕ.Λ. δεν έγινε μέσω κάποιου ερευνητικού προγράμματος, όπως στις περισσότερες Ευρωπαϊκές πόλεις (Nantes, Toulouse, Barcelona, Malmö, κ.ά.) και γι αυτό δεν υπάρχει κάποιο πρόγραμμα μετρήσεων εκπομπών (επιπλέον, δεν απαιτείται κάρτα καυσαερίων για τα λεωφορεία φυσικού αερίου) και ενεργειακής κατανάλωσης. Η οικονομία καυσίμου στα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι 20% περίπου σε σχέση με το πετρέλαιο κίνησης. Η μέση κατανάλωση των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων είναι 0,456 /km ενώ των λεωφορείων φυσικού αερίου είναι 0,357 /km. Αυτό οφείλεται κυρίως στην πολύ χαμηλότερη τιμή του φυσικού αερίου σε σχέση με το πετρέλαιο κίνησης. Η τιμή του φυσικού αερίου στα μέσα του 2006 ήταν 0,7 /kg ή 0,52 /m 3 (1 kg=1,326 m 3 ), και παρόλο που αυξήθηκε σημαντικά σε σχέση με το 2003 (0,32 /m 3 ) παραμένει 35% χαμηλότερη από τη μέση τιμή του πετρελαίου κίνησης που είναι περίπου 0,87 /lt ή 1,03 /kg (0,84kg/lt πυκνότητα πετρελαίου, και 1 m 3 φυσικού αερίου έχει θερμογόνο δύναμη περίπου ίση με 1 lt πετρελαίου). Η συνολική κατανάλωση των λεωφορείων φυσικού αερίου της Ε.ΘΕ.Λ. Α.Ε. για το 2004 ήταν kg ενώ για το 2005 έφτασε το 1εκατ. kg (13,5 εκατ. m 3 περίπου). Το κόστος αγοράς (κτήσης) είναι περίπου 20% αυξημένο στα λεωφορεία φυσικού αερίου ( περίπου για ένα πετρελαιοκίνητο τυπικό λεωφορείο και περίπου για ένα λεωφορείο φυσικού αερίου αντίστοιχα). Το κόστος συντήρησης είναι 25% επιπλέον για τα λεωφορεία φυσικού αερίου εξαιτίας τόσο των ακριβότερων ανταλλακτικών και των ασφαλιστικών διατάξεων του κυκλώματος αερίου όσο και των επιπλέον εργατοωρών που απαιτούνται για την συντήρησή τους (έλεγχος ασφαλιστικών βαλβίδων του κυκλώματος αερίου και υδραυλική δοκιμή φιαλών κάθε 5 χρόνια). Η υδραυλική δοκιμή των 8 φιαλών, που διαθέτει κάθε λεωφορείο φυσικού αερίου, γίνεται με οπτικό έλεγχο από ειδικευμένο συνεργείο της Ε.ΘΕ.Λ. στα νεότερης γενιάς λεωφορεία, ενώ στα πρώτα 295 λεωφορεία φυσικού αερίου ο έλεγχος υδραυλικής δοκιμής των φιαλών γίνεται σε εξειδικευμένο εξωτερικό εργαστήριο. Η ανταπόκριση του κοινού στα λεωφορεία φυσικού αερίου ήταν ιδιαίτερα θετική, ειδικά τα πρώτα χρόνια λειτουργίας τους, λόγω της καλαισθησίας τους και του χαμηλού επιπέδου θορύβου. Σύμφωνα με την διοίκηση της Ε.ΘΕ.Λ. Α.Ε., οι διοικήσεις των δήμων του λεκανοπεδίου Αττικής ζητούν επίμονα την λειτουργία λεωφορείων φυσικού αερίου στις περιοχές τους. Εκτιμάται ότι το σημαντικότερο περιβαλλοντικό πλεονέκτημα των λεωφορείων φυσικού αερίου έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων είναι κυρίως οι μηδενικές σχεδόν εκπομπές σωματιδίων (PM), ενώ εν συγκρίσει με τα σύγχρονα πετρελαιοκίνητα Euro IV οι εκπομπές ΝΟ Χ, CO και HC είναι σχεδόν στα ίδια επίπεδα. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 29

32 Στην Αθήνα λειτουργούν 2 σταθμοί τροφοδοσίας των αστικών λεωφορείων, ένας στην περιοχή των Άνω Λιοσίων και ένας στην περιοχή της Ανθούσας. Ο τελευταίος ξεκίνησε την λειτουργία του εντός του Εικόνα 4 Ο Σταθμός ανεφοδιασμού των λεωφορείων με φυσικό αέριο στα Άνω Λιόσια 32 Ο σταθμός τροφοδοσίας των λεωφορείων φυσικού αερίου στα Άνω Λιόσια στοίχισε ~ 2,6 εκατ. και παρέχει τη δυνατότητα τροφοδοσίας 36 οχημάτων την ώρα. Αντίστοιχα, ο σταθμός τροφοδοσίας στην Ανθούσα στοίχισε ~ 5 εκατ. (τιμές 2006). Το φυσικό αέριο συμπιέζεται από τα 25 bar στα 200 bar και αποθηκεύεται σε 5 δοχεία αποθήκευσης, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 4. Η ισχύς είναι 800 kw και η πλήρωση των λεωφορείων γίνεται με τη μέθοδο της «γρήγορης» πλήρωσης. Ο κάθε σταθμός τροφοδοσίας μπορεί να εξυπηρετεί 4 λεωφορεία ταυτόχρονα και η πλήρωση του κάθε λεωφορείου διαρκεί περίπου 3 λεπτά της ώρας Ισπανία Στην Ισπανία, η χρήση λεωφορείων φυσικού αερίου συνίσταται στη Βαρκελώνη, με τη λειτουργία 160 λεωφορείων φυσικού αερίου, και την Μαδρίτη με στόλο 500 λεωφορείων. Ο φορέας δημόσιων συγκοινωνιών (λεωφορείων και μετρό) ΤΜΒ (Transportes Metropolitanos de Barcelona) της Βαρκελώνης προωθεί τη χρήση φυσικού αερίου στις δημόσιες συγκοινωνίες κύρια για περιβαλλοντικούς 32 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 30

33 λόγους. Πιλοτικά, το 1995 δοκιμάστηκαν 2 λεωφορεία φυσικού αερίου με ιδιαίτερα θετικά περιβαλλοντικά αποτελέσματα. Τα πρώτα 70 τυπικά λεωφορεία φυσικού αερίου δρομολογήθηκαν μεταξύ 2001 και , ενώ εντός του 2005 εντάχθηκαν στο στόλο άλλα 90 λεωφορεία (τα 50 είναι αρθρωτά 18 μέτρων). Σύμφωνα δε με τον προγραμματισμό του φορέα, ο στόλος λεωφορείων φυσικού αερίου ανήλθε σε 250 λεωφορεία έως το τέλος του Η τροφοδοσία των λεωφορείων φυσικού αερίου γίνεται με τη μέθοδο της «γρήγορης» πλήρωσης (Εικόνα 5) ο οποίος ενώ αρχικά είχε κατασκευαστεί για τροφοδοσία 120 λεωφορείων, εν συνέχεια επεκτάθηκε προς κάλυψη των αναγκών ολόκληρου του στόλου. Εικόνα 5 Ο σταθμός ανεφοδιασμού των λεωφορείων Φ.Α. στην Βαρκελώνη 34 Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μετρήσεις, ως προς την κατανάλωση και τις εκπομπές, που διεξήχθησαν στις αρχές του 2003 (Ιαν-Μαϊ 2003) για τα 70 Euro III λεωφορεία φυσικού αερίου και στις αρχές του 2001 και 2002 για τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία (Euro I και II). Στο επόμενο Διάγραμμα 8 δίνεται η ενεργειακή κατανάλωση των λεωφορείων σε 3 λεωφορειακές γραμμές, εκ των οποίων η μια γραμμή (γραμμή 22 Sea-Mountain) αποτελείται από οδούς με κλίση ενώ οι άλλες δυο λεωφορειακές γραμμές (η 57 και η 157) αποτελούνται από επίπεδους δρόμους. 33 μέσω του MIRACLES project, 34 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 31

34 MWh/100 km 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,82 0,76 0,54 0,54 50,18 41,54 Line 57 and 157 (sea-sea) Line 22 ( sea-mountain ) Diesel CNG % Increment Διάγραμμα 5 Ενεργειακή κατανάλωση λεωφορείων Φ.Α. & πετρελαίου στην Βαρκελώνη Η ενεργειακή κατανάλωση των λεωφορείων φυσικού αερίου εν συγκρίσει με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία είναι 42% επιπλέον για τις 2 «επίπεδες» λεωφορειακές γραμμές και 50% (464 MWh) αντίστοιχα για την «ανηφορική» λεωφορειακή γραμμή. Παρά την αυξημένη ενεργειακή κατανάλωση όμως, η μείωση των συνολικών εκπομπών (σύμφωνα με τη μέθοδο COPERT) είναι : 158 kg PM, 1,2 t HC, 4,8 t CO και 7,3 t NOx Τα επίπεδα ρύπανσης ενός πετρελαιοκίνητου λεωφορείου σε σχέση με ισοδύναμο αριθμό λεωφορείων φυσικού αερίου είναι : 35 PM 8 Λεωφορεία φυσικού αερίου CO 9 Λεωφορεία φυσικού αερίου HC 14 Λεωφορεία φυσικού αερίου NOx 14 Λεωφορεία φυσικού αερίου Επιπρόσθετα, διεξήχθη έρευνα αποδοχής των λεωφορείων φυσικού αερίου εντός του 2003 σε 82 οδηγούς λεωφορείων και 348 επιβάτες. Τα αποτελέσματα της έρευνας ήταν : 7 στους 10 οδηγούς είχαν πολύ θετική άποψη για τα Λεωφορεία Φ.Α. 9 στους 10 επιβάτες είχαν πολύ θετική άποψη για τα Λεωφορεία Φ.Α. Για τους οδηγούς, οι σημαντικότεροι παράγοντες θετικής αξιολόγησης ήταν : - Μείωση των εκπομπών (93%) και μείωση του θορύβου (85%) - Μείωση των κραδασμών (87%) Για τους επιβάτες, οι σημαντικότεροι παράγοντες θετικής αξιολόγησης ήταν : - Μείωση των εκπομπών (96%) και οσμών (91%) - Μείωση των κραδασμών και του θορύβου (71%) Τα αποτελέσματα των μετρήσεων και της ιδιαίτερα θετικής αποδοχής των χρηστών οδήγησαν την ΤMB στην απόφαση επιπλέον προμηθειών λεωφορείων φυσικού αερίου. 35 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 32

35 Ηνωμένο Βασίλειο Η Βρετανική Ένωση Φυσικού Αερίου είχε προωθήσει την τελευταία δεκαετία τη χρήση φυσικού αερίου στα οχήματα με αποτέλεσμα: Συνεχείς μειώσεις στους δασμούς του φυσικού αερίου και συνεχείς αυξήσεις των δασμών των συμβατικών καυσίμων Ευνοϊκές νομοθετικές ρυθμίσεις για την εξισορρόπηση του επιπλέον κόστους των οχημάτων (25-75% ανάλογα και με την μείωση εκπομπών) Συμφωνία το 1996 για πλήρη έκπτωση του δασμού καυσίμου για τα δημόσια αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου. Επισημαίνεται ότι σχεδόν όλοι οι στόλοι αστικών λεωφορείων έχουν ιδιωτικοποιηθεί και λειτουργούν με Ιδιωτικό-οικονομικά κριτήρια. Στα τέλη του 2000 αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου λειτουργούσαν σε 4 πόλεις, στο Southampton (20 λεωφορεία), στο Northampton (6 λεωφορεία), στο Merton (6 λεωφορεία) και στο West Midlands (14 λεωφορεία). Το κόστος λειτουργίας παραμένει βασικός παράγοντας προβληματισμού και όσο δεν δημιουργείται η κατάλληλη υποδομή για να λειτουργούν τα λεωφορεία φυσικού αερίου πιο οικονομικά δεν προβλέπεται περαιτέρω επέκταση των στόλων. Στο Northampton, η προμήθεια έξι χαμηλού δαπέδου λεωφορείων φυσικού αερίου Volvo στοίχισε περίπου ενώ στο West Midlands τα ίδια λεωφορεία φυσικού αερίου στοίχισαν αντίστοιχα 2 εκατ. και αποτελούν και το μεγαλύτερο στόλο αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου στο Ηνωμένο Βασίλειο Γερμανία Το 1996 στη Γερμανία κυκλοφορούσαν 220 αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου, το οποίο αποτελούσε μόλις το 0,4% του συνολικού στόλου που ήταν αστικά λεωφορεία. Στον Πίνακα 9 δίνονται ενδεικτικά πόλεις που διαθέτουν λεωφορεία φυσικού αερίου και ο αριθμός των λεωφορείων τους για το Πόλη Αριθμός λεωφορείων Συνολικός αριθμός φυσικού αερίου λεωφορείων Augsburg Berlin Hannover Mainz Saarbrucken ΣΥΝΟΛΟ Πίνακας 9 Στόλοι αστικών λεωφορείων Φ.Α. σε πόλεις της Γερμανίας το Η πόλη του Saarbrucken έχει τα μισά λεωφορεία του στόλου της με φυσικό αέριο ενώ προβλέπεται όλος ο στόλος των αστικών λεωφορείων να αποτελείται από λεωφορεία φυσικού αερίου μέχρι το τέλος του Τα 40 είναι τύπου ΜΑΝ NL 232 ενώ τα 24 είναι νεότερου τύπου ΜΑΝ ΝG 313. Τον Απρίλιο του 1999 ξεκίνησε η λειτουργία του μεγαλύτερου ίσως σταθμού τροφοδοσίας φυσικού αερίου στην Ευρώπη (μαζί με την μελλοντική επέκτασή του), όπου ένα λεωφορείο 36 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 33

36 «γεμίζει» σε 3 λεπτά. Οι δεξαμενές αποθήκευσης (συνολικά έξι) είναι συνολικής χωρητικότητας m 3. Στη πόλη του Augsburg, όπου από τις αρχές του 1995 έχει αποφασισθεί να μετατραπεί σταδιακά και μέχρι το τέλος του 2005 όλος ο στόλος αστικών λεωφορείων σε λεωφορεία φυσικού αερίου (περίπου140 λεωφορεία) και θεωρείται ως η Γερμανική πόλη πρότυπο για τη χρήση φυσικού αερίου σε οχήματα, λειτουργούν 13 αρθρωτά λεωφορεία φυσικού αερίου (με μηχανές καύσης φτωχής σε καύσιμο μείγμα) από τον Αύγουστο του 1998 και 17 λεωφορεία φυσικού αερίου (λ=1) που λειτουργούν από το 1996 (8 αρθρωτά και 9 απλά, όλα χαμηλού δαπέδου), της εταιρείας ΜΑΝ. Τα νεότερης τεχνολογίας λεωφορεία φυσικού αερίου (με μηχανές καύσης φτωχής σε καύσιμο μείγμα) οδήγησαν σε πολύ καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με τα αντίστοιχα λεωφορεία με λ=1. Τόσο ο θόρυβος της μηχανής όσο και η θερμοκρασία καυσαερίων ήταν χαμηλότερα ενώ και η αυτονομία κίνησης ήταν 10% επιπλέον Σουηδία Στη Σουηδία το 2000 κυκλοφορούσαν 320 αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου (περιλαμβανομένων και μερικών λεωφορείων βιοαερίου). Ο μεγαλύτερος στόλος αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου είναι στην Πόλη Malmö, όπου σε σύνολο 170 λεωφορείων τα 125 είναι λεωφορεία φυσικού αερίου ενώ έχει αποφασισθεί να μην γίνει καμία περαιτέρω προμήθεια πετρελαιοκίνητων αστικών λεωφορείων. Η κατανάλωση καυσίμου για ένα πετρελαιοκίνητο λεωφορείο είναι 4,5lit ανά 10km ενώ για ένα λεωφορείο φυσικού αερίου είναι 5 m 3. Ο σταθμός τροφοδοσίας λειτουργεί με τρεις συμπιεστές δυναμικότητας 850 m 3 /h ο καθένας με τη μέθοδο της «αργής» πλήρωσης των λεωφορείων. Η τιμή του φυσικού αερίου είναι ίδια με την τιμή του πετρελαίου βάσει της Σουηδικής νομοθεσίας. Τα συμπεράσματα από την λειτουργία των λεωφορείων φυσικού αερίου στην πόλη του Malmö συνοψίζονται στον Πίνακα 10. Μειονεκτήματα Δυσκολία πρόβλεψης του κόστους συντήρησης Απαιτείται εκπαίδευση και πληροφόρηση Περιοδική επιθεώρηση των δοχείων αποθήκευσης Υψηλότερο κόστος επένδυσης Επιπρόσθετο βάρος λόγω των κυλίνδρων αποθήκευσης του αερίου Απαιτείται μεγαλύτερη γραφειοκρατική διαδικασία και εφαρμογή επιπλέον νόμων Πλεονεκτήματα Ιδιαίτερα αποδεκτό από επιβάτες και οδηγούς Σημαντική μείωση στις εκπομπές καυσαερίων (σχεδόν μηδενικές εκπομπές σωματιδίων) Μειωμένες εκπομπές CO 2 (φαινόμενο θερμοκηπίου) Μειωμένος θόρυβος μηχανής Εύκολη διαδικασία πλήρωσης και όχι κατά τη διάρκεια της ημέρας Πίνακας 10 Πίνακας συμπερασμάτων εκ της λειτουργίας λεωφορείων Φ.Α. στη πόλη Malmo ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση και διατύπωση πρότασης για τη χρήση Φυσικού Αερίου στο σύστημα των Δημοσίων Αστικών Συγκοινωνιών της περιοχής Θεσσαλονίκης Ενδιάμεση Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 34

37 ΗΠΑ Ο αριθμός αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου στις αρχές του 2006 ήταν 7.500, σύμφωνα με τα στοιχεία της APTA (American Public Transportation Association) που εκπροσωπεί 300 φορείς αστικών συγκοινωνιών με το 70% του συνόλου των λεωφορείων. Το σύνολο των αστικών λεωφορείων είναι περίπου και τα λεωφορεία φυσικού αερίου εκπροσωπούν ποσοστό 13%. Στις αρχές του 2001 ο αριθμός των αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου αποτελούσε το 9% του συνόλου των αστικών λεωφορείων ενώ το 2002 τα αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου ήταν 11,5% του συνόλου των λεωφορείων. Η διείσδυση του φυσικού αερίου στις αστικές συγκοινωνίες είναι συνεχής και αυξανόμενη στις ΗΠΑ αφού το 22% των παραγγελιών αστικών λεωφορείων αφορούν σε λεωφορεία φυσικού αερίου 38. Στον ακόλουθο Πίνακα 11 δίνεται μια συνοπτική εικόνα του αριθμού των λεωφορείων Φ.Α. στις ΗΠΑ. CNG LNG ΣΥΝΟΛΟ Άλλα* Πετρέλαιο ΣΥΝΟΛΟ Σε λειτουργία Επί παραγγελία (με συμβάσεις) Πιθανές παραγγελίες ΣΥΝΟΛΟ Πίνακας 11 Αστικά λεωφορεία Φ.Α. στις ΗΠΑ το Στις Η.Π.Α. υπάρχουν δεκάδες κατασκευαστές οχημάτων φυσικού αερίου ενώ τα χιλιάδες λεωφορεία φυσικού αερίου που λειτουργούν είναι όλων των μεγεθών από τα mini-λεωφορεία των 8 m μέχρι τα αρθρωτά λεωφορεία των 18 m. Μια έρευνα που διεξήχθη σε 42 συγκοινωνιακούς φορείς αστικών λεωφορείων στις Η.Π.Α. στα μέσα του 2001 κατέδειξε ότι η πλειοψηφία των συγκοινωνιακών φορέων ήταν ιδιαίτερα ευχαριστημένοι με την χρήση λεωφορείων φυσικού αερίου στους στόλους τους (57% των ερωτηθέντων δήλωσαν πλήρη επιτυχία της χρήσης φυσικού αερίου στα λεωφορεία). Ο μεγαλύτερος στόλος αστικών λεωφορείων υπάρχει στο Los Angeles της California με αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου, ποσοστό 88% του συνόλου των αστικών λεωφορείων της πόλης. Ενδιαφέρον παρουσιάζει και το πρόγραμμα «καθαρών» αστικών λεωφορείων της Νέας Υόρκης, το οποίο ξεκίνησε το 2000 και ολοκληρώθηκε στα τέλη του 2004 (σύνολο λεωφορεία) με προμήθεια 300 λεωφορείων φυσικού αερίου και 125 υβριδικών λεωφορείων. Ο αριθμός αυξήθηκε στα τέλη του 2006, σύμφωνα με τον σχεδιασμό και βάσει των αποτελεσμάτων του προγράμματος, έτσι λοιπόν οι αστικές συγκοινωνίες στη Νέα Υόρκη έχουν στο στόλο τους 646 λεωφορεία ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση και διατύπωση πρότασης για τη χρήση Φυσικού Αερίου στο σύστημα των Δημοσίων Αστικών Συγκοινωνιών της περιοχής Θεσσαλονίκης Ενδιάμεση Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 35

38 φυσικού αερίου και 500 υβριδικά λεωφορεία, ενώ εκτελείτε παραγγελία για την προμήθεια επιπλέον 389 υβριδικών ORION VII Διάφορες χώρες Στην Αυστραλία η χρήση του φυσικού αερίου στα αστικά λεωφορεία ξεκίνησε στα τέλη της δεκαετίας του 80 και προωθείται συνεχώς ως εναλλακτικό του πετρελαίου καύσιμο. Στο σύνολο των οχημάτων φυσικού αερίου που κυκλοφορούν στην Αυστραλία, το 50% περίπου είναι αστικά λεωφορεία. Το 2003 ο αριθμός των λεωφορείων φυσικού αερίου ήταν περίπου 850 με συνεχείς παραγγελίες. Στο Sydney, το 2004 κυκλοφορούσαν πάνω από 250 λεωφορεία φυσικού αερίου. Στη Κίνα, παρά το μεγάλο αριθμό οχημάτων φυσικού αερίου, μόλις το 5% πρόκειται για εκ κατασκευής οχήματα φυσικού αερίου. Η συντριπτική πλειοψηφία των οχημάτων φυσικού αερίου είναι είτε διπλού καυσίμου είτε ανακατασκευασμένα. Στο Διάγραμμα 9 δίνεται ο αριθμός των οχημάτων φυσικού αερίου ανά κατηγορία οχήματος για το Διάγραμμα 6 Αριθμός οχημάτων Φ.Α. ανά κατηγορία οχήματος στη Κίνα το 2006 ( x10 3 ) 40 Από το 1999, και εν όψει των Ολυμπιακών Αγώνων του 2008, το Πεκίνο μετατρέπει συνεχώς τα αστικά λεωφορεία της πόλης σε λεωφορεία φυσικού αερίου. Σήμερα, κυκλοφορούν στο Πεκίνο πάνω από αστικά λεωφορεία φυσικού αερίου ενώ μέχρι το 2008, το 90% των λεωφορείων του Πεκίνου θα έχουν μετατραπεί σε λεωφορεία φυσικού αερίου. 40 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση και διατύπωση πρότασης για τη χρήση Φυσικού Αερίου στο σύστημα των Δημοσίων Αστικών Συγκοινωνιών της περιοχής Θεσσαλονίκης Ενδιάμεση Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 36

39 3.7 Συμπεράσματα για την τεχνολογία του φυσικού αερίου Το φυσικό αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για τα αστικά λεωφορεία με πολύ θετικά αποτελέσματα. Η ολοένα και ευρύτερη εφαρμογή του φυσικού αερίου ως καύσιμο κίνησης τα τελευταία χρόνια οδήγησε τους κατασκευαστές σε σημαντικές τεχνικές βελτιώσεις (κινητήρας, σύστημα αποθήκευσης) με αποτέλεσμα τα σύγχρονα λεωφορεία φυσικού αερίου, ή αλλιώς τρίτης γενιάς λεωφορεία, να παρουσιάζουν αυξημένες αποδόσεις και μειωμένο λειτουργικό κόστος έναντι των παλιότερης τεχνολογίας αντίστοιχων λεωφορείων. Προϋπόθεση αποτελεί η χρήση καταλύτη μεθανίου από τα οχήματα που χρησιμοποιούν αποκλειστικά Φυσικό αέριο, ώστε να κατακρατούν τις υψηλές εκπομπές που έχουν τα οχήματα αυτά. Το κυριότερο πλεονέκτημα των λεωφορείων φυσικού αερίου έναντι των συμβατικών πετρελαιοκίνητων λεωφορείων είναι οι πολύ χαμηλές εκπομπές ρύπων (PM,CO,NOx,HC) και θορύβου. Ως προς τα οικονομικά δεδομένα, δεν είναι δυνατόν να προκύψουν ακριβή συμπεράσματα τόσο για το κόστος συντήρησης όσο και για το λειτουργικό κόστος αφού είναι πολλοί οι παράγοντες που διαφοροποιούν τα συγκεκριμένα κόστη. Το σίγουρο είναι ότι τα λεωφορεία φυσικού αερίου έχουν υψηλότερη ενεργειακή κατανάλωση αλλά η τιμή του φυσικού αερίου είναι χαμηλότερη του πετρελαίου (στην πλειοψηφία των χωρών) κατά 35-40% με αποτέλεσμα το κόστος καυσίμου να είναι χαμηλότερο έναντι του πετρελαίου. Σε κάθε περίπτωση, η μετάβαση εκ του πετρελαίου στο φυσικό αέριο προϋποθέτει διεξοδική εξέταση όλων των εμπλεκόμενων παραμέτρων και κυρίως των οικονομικών δεδομένων, που αφορούν τόσο στις απαιτούμενες υποδομές όσο και στο κόστος προμήθειας και λειτουργίας των οχημάτων σε μεσομακροπρόθεσμο ορίζοντα. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 37

40 4. ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Ο ηλεκτρισμός χρησιμοποιείται στα οχήματα τύπου Τρόλεϊ. Για την κίνηση τους χρησιμοποιούν ηλεκτροκινητήρα που δέχεται ενέργεια από το δίκτυο, με αποτέλεσμα την μηδενική εκπομπή ρύπων στην περιοχή κίνησης του οχήματος ιδιότητας που τα καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικά για χρήση σε κορεσμένα αστικά περιβάλλοντα. Τεχνική περιγραφή του συστήματος δίνεται στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β που επισυνάπτεται Εκπομπές και κατανάλωση λεωφορείων τρόλεϊ Εκπομπές ρύπων Τα Τρόλεϊ έχουν μηδενικές εκπομπές ρύπων κατά την κίνησή τους και αυτό αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του συστήματος τρόλεϊ έναντι των συμβατικών λεωφορείων, ιδιαίτερα για τις αστικές περιοχές. Επισημαίνεται όμως ότι η παραγωγή ρεύματος για την κίνησή τους προκαλεί περιβαλλοντική επιβάρυνση, η οποία εξαρτάται από τον τρόπο παραγωγής της πρωτογενούς ενέργειας. Στο Διάγραμμα 10 δίνονται οι συνολικές εκπομπές ρύπων για διάφορες τεχνολογίες αστικών λεωφορείων και διάφορες πηγές ενέργειας. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι, όταν η παραγωγή ρεύματος προέρχεται από υδροηλεκτρική ενέργεια, όπως για παράδειγμα στο Vancouver (Καναδάς) όπου το ηλεκτρικό ρεύμα για την κίνηση των τρόλεϊ προέρχεται από υδροηλεκτρική μονάδα, οι συνολικές εκπομπές ρύπων είναι μηδενικές. Αντίστοιχα, η καύση φυσικού αερίου για την παραγωγή ενέργειας οδηγεί μόνο σε περιορισμένες εκπομπές NOx. Σε κάθε περίπτωση, οι συνολικές εκπομπές NOx, CO και υδρογονανθράκων των τρόλεϊ (ανεξαρτήτως της πηγής ενέργειας) είναι χαμηλότερες έναντι των συμβατικών πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Ως προς τις εκπομπές σωματιδίων, όλες σχεδόν οι τεχνολογίες αστικών λεωφορείων (φυσικό αέριο, υβριδικά, τρόλεϊ) είναι καλύτερες από τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Αξίζει να τονιστεί ότι η παραγωγή ενέργειας (ρεύματος) από την καύση άνθρακα για την κίνηση των τρόλεϊ αυξάνει σημαντικά τις εκπομπές SO 2. Στο Διάγραμμα 11 δίνονται οι συνολικές εκπομπές ρύπων αστικών λεωφορείων τρόλεϊ και λεωφορείων «καθαρού» πετρελαίου για την πόλη του Vancouver για 1 εκατομ. km. Στο Vancouver η ηλεκτρική ενέργεια για την κίνηση των τρόλεϊ προέρχεται από υδροηλεκτρική μονάδα, όπως προαναφέρθηκε, και τα ετήσια οχηματό-km είναι περίπου 12 εκατομ. με 60 εκατομ. ετήσιες διαδρομές. Μια μετάβαση του συστήματος τρόλεϊ σε πετρελαιοκίνηση θα προκαλούσε σημαντική περιβαλλοντική επιβάρυνση στην περιοχή. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 38

41 Πηγή: US EPA, TransLink (1999), Edmonton Power (1993) Πηγή: Διάγραμμα 7 Συνολικές εκπομπές ρύπων ανά τύπο λεωφορείου ( gr/km) Πηγή: US EPA, TransLink (1999) Διάγραμμα 8 Συνολικές εκπομπές ρύπων αστικών λεωφορείων στο Vancouver (t/10 3 km) ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 39

42 Στον Πίνακα 12 δίνονται οι συνολικές εκπομπές ρύπων αρθρωτών τρόλεϊ σε σχέση με αντίστοιχα συμβατικά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία για την πόλη Arnhem της Ολλανδίας. Οι εκπομπές του Πίνακα περιλαμβάνουν και τις εκπομπές που προκύπτουν από την παραγωγή των καυσίμων (πετρέλαιο, ηλεκτρισμός). Στην Ολλανδία, η παραγωγή ηλεκτρισμού προέρχεται κατά 90% από την καύση φυσικών καυσίμων και γίνεται σε μονάδες συνδυασμένης καύσης (50% άνθρακας και 50% φυσικό αέριο). Ρύποι Πετρελαιοκίνητο Λεωφορείο (gr/km) Λεωφορείο Τρόλεϊ (gr/km) Μείωση συνολικών εκπομπών των Τρόλεϊ εν σχέση με Λεωφορεία Diesel NOx 18,60 1,27 93 % CO 1,90 0,06 97 % HC 1,34 <<0,1 99 % SO 2 1,44 0,62 57 % PM 0,56 0, % CO % Πίνακας 12 Εκτιμώμενες συνολικές εκπομπές αρθρωτών Τρόλεϊ & συμβατικών Λεωφορείων στη πόλη του Arnhem 42 Σε χώρες όπου άλλες πηγές ενέργειας, όπως η πυρηνική ή η υδροηλεκτρική ενέργεια, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος (π.χ. στη Σουηδία αυτές οι μορφές ενέργειας συμμετέχουν κατά 90% στην παραγωγή ρεύματος), οι εκπομπές ρύπων των λεωφορείων τρόλεϊ είναι σχεδόν μηδενικές (Διάγραμμα 8). Για λόγους σύγκρισης, υπολογίσθηκαν οι συνολικές εκπομπές των λεωφορείων τρόλεϊ του Arnhem με παραγωγή ενέργειας όπως στη Σουηδία. Τα αποτελέσματα των συγκεκριμένων υπολογισμών δίνονται στον ακόλουθο Πίνακα 16. Ρύποι Πετρελαιοκίνητο Λεωφορείο Εuro 3 (gr/km) Λεωφορείο Τρόλεϊ (gr/km) Μείωση συνολικών εκπομπών των Τρόλεϊ εν σχέση με Λεωφορεία Diesel NOx 10,4 0,1 100 % CO 1,5 0,01 99,4 % HC 0, SO PM 0,17 0,001 99,5 % CO % Πίνακας 13 εκτιμώμενες συνολικές εκπομπές ρύπων αρθρωτών Τρόλεϊ & συμβατικών Λεωφορείων για την πόλη του Arnhem 43 Σχετικά με τις εκπομπές που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, στο Διάγραμμα 12 δίνονται οι συνολικές εκπομπές που συμβάλλουν στο φαινόμενο του 42 Ο.π. 43 Ο.π ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 40

43 θερμοκηπίου (CO 2, NOx, CH 4, NMHC και CO) σε ισοδύναμο του CO 2 για διάφορες τεχνολογίες αστικών λεωφορείων. Όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα, τα λεωφορεία τρόλεϊ των οποίων η ενέργεια προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, ενώ για ενέργεια που προέρχεται από καύση καυσίμων (άνθρακας, φυσ. αέριο) οι εκπομπές του θερμοκηπίου των λεωφορείων τρόλεϊ είναι σημαντικά μειωμένες σε σχέση με τις υπόλοιπες τεχνολογίες αστικών λεωφορείων. Διάγραμμα 9 Συνολικές εκπομπές σε ισοδύναμο CO2 (gr/km) για διάφορες τεχνολογίες αστικών λεωφορείων Εκπομπές θορύβου Οι εκπομπές θορύβου των λεωφορείων τρόλεϊ είναι ιδιαίτερα χαμηλές σε σχέση και με τις υπόλοιπες τεχνολογίες αστικών λεωφορείων και δε προκαλούν επιπλέον ηχητική επιβάρυνση στις αστικές περιοχές όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα 13. Οι εκπομπές προέρχονται ουσιαστικά από τα λάστιχα και το σύστημα ψύξης του ηλεκτρικού συστήματος. Στο ρελαντί (ακινησία) τα τρόλεϊ είναι σχεδόν αθόρυβα. db Διάγραμμα 10 Εκπομπές Θορύβου διαφόρων τεχνολογιών Αστικών Λεωφορείων ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης. Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 41

44 Στην πόλη Arnhem οι μετρήσεις θορύβου λεωφορείων τρόλεϊ και σύγχρονων συμβατικών λεωφορείων έδειξαν 72 db για τα τρόλεϊ και 78 DB για τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία στην ίδια ταχύτητα. Στη Φιλαδέλφεια (ΗΠΑ) μετρήσεις θορύβου έδειξαν ότι τα επίπεδα θορύβου ενός μέσου αστικού δρόμου ήταν περίπου 60 db και η διέλευση τρόλεϊ ήταν στα ίδια επίπεδα θορύβου και σχεδόν μη διακριτή. Για τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία αντίστοιχα, όπου οι εκπομπές θορύβου είναι db υψηλότερες), κατά την επιτάχυνση του οχήματος τα ενεργειακά επίπεδα θορύβου (λογαριθμική κλίμακα) είναι μεγαλύτερα από το θόρυβο δρόμου και τη διέλευση τρόλεϊ. Αξίζει να σημειωθεί ότι η καθημερινή έκθεση σε επίπεδα άνω των 90 db προκαλεί σοβαρά προβλήματα ακοής και, όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα 13, τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία πλησιάζουν αυτά τα επίπεδα θορύβου Ενεργειακή κατανάλωση Οι ηλεκτροκινητήρες έχουν ~90% απόδοση, εν αντιθέσει με τους πετρελαιοκινητήρες των οποίων η απόδοση είναι ~40%-45% και των κινητήρων φυσικού αερίου των οποίων η απόδοση είναι ακόμη χαμηλότερη, γύρω στο 36%. Σημαντικό στοιχείο που επηρεάζει την ενεργειακή απόδοση των ηλεκτροκινητήρων είναι η δυνατότητα που έχουν να λειτουργούν και ως γεννήτριες μέσω της ανάκτησης πέδησης (regenerative braking). Στα λεωφορεία τρόλεϊ για παράδειγμα, η ανάκτηση πέδησης, δηλ. η επιστροφή ενέργειας στο δίκτυο καλωδίων για τη χρήση της από άλλα οχήματα, παρέχει συνολική εξοικονόμηση ενέργειας του συστήματος περίπου 30%-50% ανάλογα και με την πυκνότητα του δικτύου τρόλεϊ. Η μέση κατανάλωση των λεωφορείων τρόλεϊ κυμαίνεται από 2,7 kwh / km μέχρι 1,9 kwh / km ανάλογα με την τεχνολογία των λεωφορείων τρόλεϊ. Τα πλέον σύγχρονα λεωφορεία τρόλεϊ καταναλώνουν πολύ χαμηλότερη ενέργεια σε σχέση με τα παλιότερης τεχνολογίας λεωφορεία τρόλεϊ. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα παλαιάς τεχνολογίας τρόλεϊ του Vancouver που καταναλώνουν περίπου 2,7 kwh / km (στοιχεία 2000), στην Αθήνα τα λεωφορεία τρόλεϊ το 2002 είχαν μέση κατανάλωση 2,6 kwh / km (τα μισά περίπου είναι παλαιάς τεχνολογίας) ενώ στην πόλη Arnhem (Ολλανδία), όπου η πλειοψηφία των λεωφορείων είναι σύγχρονης τεχνολογίας, η μέση κατανάλωση είναι 1,95 kwh / km. Η ενεργειακή κατανάλωση των λεωφορείων τρόλεϊ είναι πολύ χαμηλότερη της ενεργειακής κατανάλωσης των συμβατικών λεωφορείων, όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα 14. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 42

45 Διάγραμμα 11 Ενεργειακή κατανάλωση (MJ/ Οχηματο-km) Τρόλεϊ και Λεωφορείων Diesel 46 Επισημαίνεται ότι οι απώλειες στις γραμμές των καλωδίων είναι περίπου 10%- 20%, το δε ενεργειακό υπόλοιπο καταναλώνεται κατά 60%-65% στον κινητήρα και κατά 20%-25% στα υπόλοιπα συστήματα (συμπιεστής, θέρμανση, φωτισμός κλπ). Συνεπώς απαιτείται περίπου 1,6 kwh κατανάλωσης του συστήματος για 1 kwh ενέργεια κίνησης χωρίς την ανάκτηση ενέργειας πέδησης. Στη περίπτωση όπου ανακτάται η ενέργεια πέδησης (επιστροφή ενέργειας στο δίκτυο), απαιτείται περίπου 1,1 kwh κατανάλωσης του συστήματος για 1 kwh ενέργεια κίνησης (ανακτώμενη). Σε σύγκριση με άλλες νέες τεχνολογίες αστικών λεωφορείων, όπως οι κυψέλες καυσίμου και τα υβριδικά, τα λεωφορεία τρόλεϊ έχουν πολλαπλάσια απόδοση, ειδικά όταν ανακτάται και η ενέργεια πέδησης όπως εύκολα διαπιστώνεται από την μελέτη του Διαγράμματος 15. Ένα σύγχρονο λεωφορείο τρόλεϊ με ανάκτηση ενέργειας πέδησης έχει 6 φορές περισσότερη ενεργειακή απόδοση από ένα λεωφορείο κυψελών καυσίμου. Συνολικά για τα λεωφορεία κυψελών καυσίμου απαιτούνται περίπου 9 kwh ενέργειας (με οποιοδήποτε τρόπο παραγωγής ενέργειας) για 1 kwh ενέργεια κίνησης στους τροχούς (θεωρώντας περίπου 4 kwh ενέργειας για την παραγωγή, συμπίεση και μεταφορά μάζας υδρογόνου ενεργειακού ισοδύναμου 1 kwh και απόδοση της μονάδας κυψέλης καυσίμου γύρω στο 50%). Διάγραμμα 12 Συνολική απόδοση των νέων τεχνολογιών κίνησης Αστικών Λεωφορείων Ο.π ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 43

46 4.2. Στοιχεία κόστους συστήματος τρόλεϊ Κόστος αγοράς λεωφορείων Τα Τρόλεϊ έχουν πολύ υψηλότερη τιμή κτήσης έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Αυτό οφείλεται αφενός στο γεγονός της μη μαζικής παραγωγής τους και των περιορισμένων εφαρμογών και αφετέρου στην υψηλή τιμή των ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συστημάτων που διαθέτουν πλέον τα σύγχρονα λεωφορεία τρόλεϊ. Οι ιδιαιτερότητες των συστημάτων τρόλεϊ για κάθε εφαρμογή οδηγεί σε ειδικές παραγγελίες λεωφορείων ανάλογα με τις απαιτήσεις του εκάστοτε πελάτη και σε συνεπαγόμενη αύξηση της τιμής τους. Εξαιτίας αυτού του γεγονότος είναι δύσκολη και η σύγκριση τιμών κτήσης των λεωφορείων τρόλεϊ. Η τιμή κτήσης ανά λεωφορείο των νέων σύγχρονων λεωφορείων τρόλεϊ της Αθήνας είναι (+ΦΠΑ) για τα απλά διαξονικά λεωφορεία και (+ΦΠΑ) για τα αρθρωτά λεωφορεία (τιμές 2001). Τα αντίστοιχα σύγχρονα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία Εuro 3 της Θεσσαλονίκης έχουν τιμή κτήσης (+ΦΠΑ) τα απλά και (+ΦΠΑ) τα αρθρωτά (τιμές 2003). Τα Τρόλεϊ είναι περίπου δυόμισυ φορές πιο ακριβά από τα συμβατικά λεωφορεία. Πρέπει όμως να τονιστεί ότι ο χρόνος ζωής των λεωφορείων τρόλεϊ είναι χρόνια περίπου έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων που έχουν χρόνο ζωής περίπου 12 χρόνια Κόστος συντήρησης λεωφορείων Τα λεωφορεία τρόλεϊ έχουν χαμηλότερο κόστος συντήρησης σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Η έλλειψη κινούμενων μερών, η μη συχνή αλλαγή λιπαντικών, η μειωμένη συντήρηση του συστήματος ψύξης καθώς και ο μεγαλύτερος χρόνος ζωής των ελαστικών (μειωμένη καταπόνηση) καθιστούν τη συντήρηση των λεωφορείων τρόλεϊ απλούστερη και οικονομικότερη έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα λεωφορεία τρόλεϊ της Αθήνας (Η.Λ.Π.Α.Π) όπου το κόστος συντήρησης των λεωφορείων για το 2002, μη περιλαμβανομένου του κόστους προσωπικού συντήρησης, ήταν 0,043 /km έναντι 0,058 /km που είναι το κόστος συντήρησης των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων της Θεσσαλονίκης. Στο κόστος συντήρησης περιλαμβάνονται το κόστος λιπαντικών, ελαστικών και ανταλλακτικών. Ως προς το κόστος προσωπικού συντήρησης, το οποίο θα πρέπει να περιλαμβάνεται στο συνολικό κόστος συντήρησης, τα δεδομένα πολλές φορές διαφοροποιούνται. Το κόστος προσωπικού συντήρησης των τρόλεϊ της Αθήνας είναι ιδιαίτερα υψηλό και εφόσον συμπεριληφθεί στο κόστος συντήρησης των λεωφορείων αυξάνει σημαντικά την τιμή του (0,624 /km) έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων του ΟΑΣΘ με αντίστοιχο κόστος συντήρησης 0,328 /km.. Επιπρόσθετα, ο μισός στόλος των τρόλεϊ έχει ανανεωθεί πρόσφατα ενώ μέχρι τα τέλη του 2004 θα ανανεωθεί πλήρως, με αποτέλεσμα να υπάρχουν μειωμένες απαιτήσεις τεχνικών συντήρησης εκτός από ορισμένες νέες ειδικότητες τεχνικών όπως ηλεκτρονικοί για τον έλεγχο των ηλεκτρονικών ισχύος και των ηλεκτρικών συστημάτων των σύγχρονων λεωφορείων. Συνεπώς δεν είναι δυνατόν να ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 44

47 προκύψουν ακριβή συμπεράσματα ως προς το κόστος συντήρησης αφού το κόστος προσωπικού, αλλά και η επιμέρους εξειδίκευση που απαιτεί κάθε τεχνολογία λεωφορείων, διαμορφώνει σε σημαντικό βαθμό το κόστος συντήρησης Κόστος λειτουργίας Λεωφορείων Το κόστος λειτουργίας συνίσταται από το κόστος καυσίμου και το κόστος συντήρησης των λεωφορείων. Το κόστος καυσίμου (ρεύματος) για τα λεωφορεία τρόλεϊ της Αθήνας ήταν 0,208 /km για το 2002, ενώ αντίστοιχα για τα λεωφορεία του ΟΑΣΘ ήταν 0,239 /km. Συνεπώς, το συνολικό κόστος λειτουργίας, μη περιλαμβανομένου του κόστους προσωπικού συντήρησης, είναι χαμηλότερο για τα λεωφορεία τρόλεϊ κατά 15% περίπου Κόστος δικτύου Το δίκτυο υποδομής του συστήματος τρόλεϊ είναι ιδιαίτερα ακριβό και το κόστος του έχει σημαντικές διακυμάνσεις ανάλογα με την πολυπλοκότητα και τις απαιτήσεις του εναέριου δικτύου γραμμών σε διασταυρώσεις και διακόπτες. Ένα σχετικά απλό εναέριο δίκτυο γραμμών χωρίς πολλές διασταυρώσεις είχε κόστος στον Καναδά το 2000 περίπου $/km ενώ αντίστοιχα για ένα πιο σύνθετο δίκτυο εναέριων γραμμών το κόστος ήταν περίπου 1 εκατ. $/km. Σύμφωνα με τα στοιχεία του ΗΛΠΑΠ, το συνολικό κόστος του δικτύου (γραμμές και υποσταθμοί) είναι περίπου /km για διπλή γραμμή δικτύου και /km για μονή γραμμή δικτύου. Το κόστος συντήρησης του δικτύου αποτελεί σημαντικό στοιχείο της λειτουργίας του συστήματος. Το κόστος συντήρησης του δικτύου του ΗΛΠΑΠ για το 2002 ήταν 0,02 /km. Εν αντιθέσει με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία, όπου το ετήσιο κόστος συντήρησης ενός αμαξοστασίου είναι σχεδόν μηδενικό, στα τρόλεϊ θα πρέπει οπωσδήποτε να συμπεριλαμβάνεται στο κόστος λειτουργίας του συστήματος και το κόστος συντήρησης του δικτύου, διότι η συντήρηση του δικτύου αποτελεί πρωταρχικής σημασίας ζήτημα για την ορθή λειτουργία των λεωφορείων. Στον ακόλουθο Πίνακα 17 δίνεται η συγκριτική ανάλυση του κόστους λειτουργίας των δυο τεχνολογιών αστικών λεωφορείων. Πόλη Συντήρηση ς λεωφορείων Κ Ο Σ Τ Η σε / km (για το 2002) Συντήρησης υποδομής Κατανάλωση ς Λειτουργίας Θεσσαλονίκη (Diesel) 0,058-0,239 0,297 Αθήνα (τρόλεϊ) 0,043 0,020 0,208 0,271 Πίνακας 14 Δεδομένα κόστους λειτουργίας Αστικών λεωφορείων Τρόλεϊ και Diesel στην Ελλάδα ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης. Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 45

48 4.3. Δίκτυα Τρόλεϊ Λόγω των περιβαλλοντικών πλεονεκτημάτων που εξασφαλίζει το σύστημα τρόλεϊ επεκτάθηκε μετά τον Β παγκόσμιο πόλεμο σε πλήθος χωρών, με ιδιαίτερη όμως ένταση στις χώρες του ανατολικού μπλοκ. Έτσι λοιπόν η κατάσταση των δικτύων το 1998 διαμορφωνόταν σύμφωνα με τα δεδομένα του ακόλουθου Πίνακα 15/ Περιοχή Αριθμός συστημάτων Τρόλεϊ (έτος 1998) Υπό κατασκευή συστήματα Δυτική Ευρώπη 46 Ανατολική Ευρώπη 58 8 Χώρες της πρώην USSR Βόρεια Αμερική 9 Νότια και Κεντρική Αμερική 10 Κίνα 25 Ανατολική Ασία 8 Δυτική Ασία 2 Αυστραλία 1 Πίνακας 15 Αριθμός συστημάτων τρόλεϊ ανά Γεωγραφική περιοχή 49 Το δε μέγεθος του στόλου στα μεγαλύτερα δίκτυα διαμορφώνονταν ως δίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα 16. Διάγραμμα 13 Αριθμός οχημάτων Τρόλεϊ σε Ευρώπη και Αμερική το Ακολουθεί η αντιπρωσοπευτική παρουσίαση των κυριότερων δικτύων : 49 Ο.π. 50 Ο.π ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 46

49 Sao Paolo (Βραζιλία) H πόλη του Sao Paolo (πληθυσμός της ευρύτερης περιοχής 17 εκατ. κάτοικοι) έχει ένα ιδιαίτερα μεγάλου μεγέθους δίκτυο λεωφορειακών γραμμών. Τα λεωφορεία δρομολογούνται από 48 ιδιωτικές εταιρείες (πετρελαιοκίνητα και τρόλεϊ) σε 800 λεωφορειακές γραμμές είναι περίπου ( εργαζόμενοι) και περίπου 2 δισεκ. επιβατοδιαδρομές γίνονται ετησίως. Το 66% των ημερήσιων μετακινήσεων εντός της πόλης γίνονται με τα λεωφορεία. Το σύστημα λεωφορείων τρόλεϊ είναι το μεγαλύτερο διεθνώς τόσο σε συνολικό μήκος όσο και σε αριθμό λεωφορείων και εξυπηρετεί περίπου 11 εκατομμύρια κατοίκους. Λειτουργούν δυο φορείς διαχείρισης του συστήματος τρόλεϊ με 480 λεωφορεία και 18 γραμμές ο ένας φορέας (εντός της πόλης) και 68 λεωφορεία και 4 γραμμές ο άλλος φορέας (εκτός πόλης). Συνολικά, το δίκτυο έχει μήκος 490 km και αποτελεί, μαζί με τα υπόλοιπα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία, τη βάση των αστικών συγκοινωνιών της πόλης Mexico City (Μεξικό) Η πόλη του Μεξικού (20 εκατ. κάτοικοι) έχει το δεύτερο μεγαλύτερο στόλο λεωφορείων τρόλεϊ παγκοσμίως με 513 λεωφορεία, μήκος δικτύου περίπου 200 km. και 17 λεωφορειακές γραμμές. Το 1990 υπήρχαν 30 γραμμές αλλά μετά την επέκταση του μετρό αρκετές γραμμές καταργήθηκαν. Η επιβατική κίνηση μειώθηκε (το 1989 μετακινήθηκαν 225 εκατομ. επιβάτες ενώ το 1993 οι επιβατοδιαδρομές ήταν μόλις 99 εκατ.) αλλά γίνονται συνεχώς επενδύσεις τα τελευταία χρόνια με την αγορά νέων λεωφορείων και την επέκταση του δικτύου. San Francisco (ΗΠΑ) Το σύστημα τρόλεϊ του San Francisco (πληθυσμός κάτοικοι) αποτελείται από 364 λεωφορεία, δίκτυο 158 km και 17 γραμμές. Το σύστημα τρόλεϊ της πόλης είναι πολύ καλό και χρησιμοποιείται ευρέως. Τα οχηματοχιλιόμετρα του τρόλεϊ την περίοδο ήταν 11,4 εκατ. Οι διαδρομές των λεωφορείων τρόλεϊ είναι το 85% των διαδρομών των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων και τα οχηματοχιλιόμετρα των τρόλεϊ είναι το 60% των οχηματοχιλιομέτρων των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Η τελευταία προμήθεια λεωφορείων τρόλεϊ ήταν το 1992 με 60 αρθρωτά λεωφορεία ενώ από το 2000 μέχρι τα τέλη του 2003 περίπου πραγματοποιήθηκε η ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 47

50 σταδιακή αντικατάσταση του υπόλοιπου στόλου με σύγχρονα αρθρωτά λεωφορεία και η μετατροπή γραμμών συμβατικών λεωφορείων σε γραμμές τρόλεϊ. Αθήνα-Πειραιάς (Ελλάδα) Το σύστημα τρόλεϊ της Αθήνας και του Πειραιά εξυπηρετεί πληθυσμό 3,6 εκατ. κατοίκων. Ο Η.Λ.Π.Α.Π. είναι ο φορέας διαχείρισης και λειτουργίας του συστήματος τρόλεϊ της Αθήνας, το οποίο είναι το μεγαλύτερο στην Δυτική Ευρώπη. Στα τέλη του 2002 λειτουργούσαν 403 λεωφορεία τρόλεϊ, σύγχρονης τεχνολογίας. Ο αριθμός των υποσταθμών του συστήματος τρόλεϊ είναι 39. Το μήκος του εναέριου δικτύου στα τέλη του 2002 ήταν 220 km (το μήκος του υπόγειου δικτύου ήταν 252 km) και οι λεωφορειακές γραμμές ήταν 24 έναντι 18 γραμμών που ήταν το 1998 και 23 γραμμών το 2001 εξαιτίας των συνεχών επεκτάσεων και μετατροπών του δικτύου. Το 2002 τα συνολικά οχηματοχιλιόμετρα ήταν 11,6 εκατ. έναντι 12,2 εκατ. που ήταν το 2001, δηλ. μείωση 5% περίπου. Περίπου το 16% των συνολικών επιβατοδιαδρομών του συστήματος αστικών συγκοινωνιών της Αθήνας γίνονται με τα τρόλεϊ. Vancouver (Καναδάς) Το σύστημα τρόλεϊ στο Vancouver (πληθυσμός 1,8 εκατ. κάτοικοι) λειτουργεί πάνω από 50 χρόνια (το 1998 γιορτάστηκε η επέτειος 50 χρόνων λειτουργίας). Αποτελείται από 244 λεωφορεία που δρομολογούνται σε 13 γραμμές. Το εναέριο δίκτυο έχει μήκος 306km και υπάρχουν 20 σταθμοί ανορθωτών (ρεύματος). Στη δεκαετία του 60 υπήρχε η πρόθεση να σταματήσει η λειτουργία του συστήματος τρόλεϊ αλλά τελικά το σύστημα συνέχισε τη λειτουργία του. Το 70% των μετακινήσεων στο κέντρο γίνονται πλήρως ή μερικώς από τα τρόλεϊ και καθημερινά επιβάτες μετακινούνται με τα τρόλεϊ. Τα τελευταία χρόνια δεν έγιναν σημαντικές αλλαγές και επεκτάσεις. Η σταδιακή ανανέωση του στόλου πραγματοποιήθηκε μεταξύ των ετών με υπερσύγχρονα λεωφορεία τρόλεϊ με την παράλληλη μείωση σε 225 λεωφορεία εξαιτίας της έναρξης λειτουργίας ενός ελαφρού σιδηρόδρομου. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 48

51 Seattle (ΗΠΑ) Η πόλη του Seattle έχει πληθυσμό κατοίκους. Το σύστημα τρόλεϊ αποτελείται από 391 λεωφορεία εκ των οποίων τα 236 είναι διπλού συστήματος (πετρελαιοκινητήρας και ηλεκτρικό σύστημα). Το συνολικό μήκος του δικτύου είναι 182km και λειτουργούν 13 γραμμές. Βουδαπέστη (Ουγγαρία) Το σύστημα τρόλεϊ της Βουδαπέστης αποτελείται από 182 λεωφορεία, έχει 69km μήκος και λειτουργούν 14 γραμμές. Το 1996 οι μετακινήσεις επιβατών ήταν 80,7 εκατ. και αποτελούσε το 6% των συνολικών μετακινήσεων με όλα τα μεταφορικά μέσα. Τα τελευταία χρόνια ο στόλος ανανεώνεται με σύγχρονα αρθρωτά λεωφορεία. Λωζάνη (Ελβετία) Ο πληθυσμός της Λωζάνης είναι κάτοικοι και παρόλο που είναι μια μικρή πόλη, ο στόλος των λεωφορείων τρόλεϊ που διαθέτει είναι 111 εκ των οποίων 95 λειτουργούν σε μόνιμη βάση. Οι επιβάτες που μετακινούνται ετησίως με τα τρόλεϊ είναι 63 εκατ. σε 11 λεωφορειακές γραμμές και σε δίκτυο μήκους 61km. Ο στόλος των λεωφορείων τρόλεϊ είναι στην πλειοψηφία του γερασμένος, με μέσο όρο ηλικίας 15 έτη. Όλα τα παλαιά λεωφορεία είναι μόνο με ηλεκτρικό σύστημα και τα 60 λεωφορεία έχουν τρέϊλερ (ρυμουλκό). Από το 2000 άρχισε σταδιακά η αντικατάστασή τους με σύγχρονα αρθρωτά λεωφορεία ενώ λειτουργούν ήδη 27 αρθρωτά λεωφορεία διπλού συστήματος. Στα περισσότερα σύγχρονα λεωφορεία αναγράφονται διαφημιστικά σλόγκαν, όπως «the new revolution in urban transport» για την προώθηση της χρήσης λεωφορείων τρόλεϊ. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 49

52 Μιλάνο (Ιταλία) Στο Μιλάνο (πληθυσμός 1,5 εκατ. κάτοικοι) το σύστημα τρόλεϊ έχει 148 λεωφορεία που δρομολογούνται σε 3 γραμμές και σε δίκτυο 40,4km. Το 1996 μετακινήθηκαν με το τρόλεϊ 47,4 εκατ. επιβάτες. Ο φορέας λειτουργίας των αστικών συγκοινωνιών είναι ενιαίος για όλα τα είδη αστικών συγκοινωνιών και διαχειρίζεται επίσης ένα εκτεταμένο δίκτυο τραμ (16 γραμμές) και πετρελαιοκίνητα λεωφορεία που δρομολογούνται σε 53 λεωφορειακές γραμμές. Το 42% των μετακινήσεων ετησίως στην πόλη γίνεται με τα μέσα μαζικής μεταφοράς και το 43% με το αυτοκίνητα. Σχεδιάζεται η επέκταση των γραμμών τρόλεϊ στα νότια και δυτικά της πόλης. Guadalajara (Μεξικό) Η πόλη Guadalajara, με πληθυσμός 4 εκατ. κατοίκους, διαθέτει ένα στόλο 145 λεωφορείων τρόλεϊ που δρομολογούνται σε 4 γραμμές. Ο στόλος των λεωφορείων δεν έχει ανανεωθεί τα τελευταία χρόνια. Brno (Τσεχία) Ο στόλος τρόλεϊ της πόλης Brno (πληθυσμός κάτοικοι) αποτελείται από 126 παλιότερης τεχνολογίας λεωφορεία (εταιρείας Skoda-μοντέλα 1996) που δρομολογούνται σε 14 γραμμές και σε ένα δίκτυο συνολικού μήκους 98 km. Lyon (Γαλλία) κατασκευαστεί και μια εφεδρική γραμμή τρόλεϊ. Η πόλη της Lyon (πληθυσμός κάτοικοι) διαθέτει έναν στόλο 115 λεωφορείων τρόλεϊ (Renault) που δρομολογούνται σε 8 γραμμές και σε ένα δίκτυο μήκους 54km. Ο μέσος όρος ηλικίας των λεωφορείων είναι περίπου 16 έτη και συνεχώς γίνονται σταδιακές ανανεώσεις του στόλου με υπερσύγχρονα λεωφορεία τρόλεϊ ενώ έχει ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 50

53 Mendoza (Αργεντινή) Ο στόλος λεωφορείων τρόλεϊ της πόλης Mendoza (πληθυσμός κάτοικοι) αποτελείται από 95 λεωφορεία. Το δίκτυο έχει μήκος 50km και υφίστανται 5 λεωφορειακές γραμμές. Τα λεωφορεία είναι παλιά αλλά αρκετά από αυτά έχουν ανακατασκευαστεί. Από το 1991 ξεκίνησε ένα πρόγραμμα περιορισμού της κίνησης των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων στο κέντρο της πόλης το οποίο οδήγησε στην κατασκευή ενός κατά μήκος της πόλης άξονα 17 km που ολοκληρώθηκε το Dayton (ΗΠΑ) Η πόλη Dayton των ΗΠΑ (πληθυσμός κάτοικοι) διαθέτει έναν στόλο 87 λεωφορείων τρόλεϊ που δρομολογούνται σε 7 γραμμές και σε δίκτυο μήκους 173 km. Το 1996 η επιβατική κίνηση των τρόλεϊ έφθασε τα 3,2 εκατ. επιβάτες και αποτέλεσε το 20% των συνολικών μετακινήσεων. Ο φορέας αστικών συγκοινωνιών (RTA) της πόλης αναπτύσσει συνεχώς το σύστημα τρόλεϊ με σκοπό να αποτελέσει τη βάση των δημόσιων αστικών μεταφορών στο άμεσο μέλλον. Για το σκοπό αυτό, και μέχρι το 2004, έχει εγκρίνει και πραγματοποιεί σταδιακά επενδύσεις για την υποδομή του συστήματος (περίπου 36 εκατ. δολάρια) και την προμήθεια 54 νέων λεωφορείων (24 εκατ. δολάρια) για την αντικατάσταση του ιδιαίτερα γερασμένου στόλου λεωφορείων τρόλεϊ (τα παλαιότερα λεωφορεία λειτουργούν από το 1977). Ταυτόχρονα, σχεδιάζονται 15 επεκτάσεις συνολικού μήκους 170km που θα λειτουργήσουν σταδιακά μέχρι το 2010 και θα εξυπηρετήσουν και νέους περιφερειακούς οικισμούς. Quito (Ecuador) Στο Quito ( κάτοικοι) το δημόσιο σύστημα αστικών συγκοινωνιών συνίσταται από λεωφορεία τρόλεϊ και miniλεωφορεία. Το σύστημα τρόλεϊ είναι σχετικά καινούργιο και λειτουργεί από τον Δεκέμβριο του Στα τέλη του 2000 η πόλη διέθετε 96 λεωφορεία τρόλεϊ (54 αρθρωτά λεωφορεία χωρητικότητας 180 επιβατών), ενώ το μήκος του δικτύου είναι 11,2km με σχεδιαζόμενη άμεση επέκτασή του. Καθημερινά μετακινούνται επιβάτες με τα τρόλεϊ ενώ έχει καταγραφεί και μέγιστο επιβατικής κίνησης με επιβάτες. Το σύστημα κατασκευάστηκε για κίνηση των λεωφορείων τρόλεϊ σε ξεχωριστές λεωφορειολωρίδες με μεγάλους σύγχρονους σταθμούς επιβίβασης (αποβάθρες) που είναι στο ίδιο επίπεδο με τα λεωφορεία τρόλεϊ, όπως φαίνεται και στο. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 51

54 Arnhem (Ολλανδία) Η πόλη Arnhem (πληθυσμός κάτοικοι) είναι η μοναδική πόλη στην Ολλανδία που έχει λεωφορεία τρόλεϊ. Το σύστημα των λεωφορείων τρόλεϊ λειτουργεί από το 1949 και είναι το βασικό μέσο της δημόσιας αστικής συγκοινωνίας (υπάρχουν και 45 πετρελαιοκίνητα λεωφορεία). Το μήκος του δικτύου είναι 50km., υπάρχουν 5 λεωφορειακές γραμμές και ο στόλος των λεωφορείων τρόλεϊ ανέρχεται στα 50 λεωφορεία. Το 60% των επιβατοδιαδρομών (17 εκατ. επιβάτες ετησίως) γίνονται με τα τρόλεϊ. Ο φορέας δημόσιων αστικών συγκοινωνιών της πόλης (Connexion) σχεδίασε και υλοποιεί ένα πρόγραμμα εκσυγχρονισμού του στόλου και επέκτασης του δικτύου με τίτλο «Trolley 2000». Οι εκτιμήσεις τους είναι με την εφαρμογή του προγράμματος η επιβατική κίνηση θα αυξηθεί κατά 16% τα επόμενα πέντε χρόνια. Τα 32 νέα χαμηλού δαπέδου αρθρωτά λεωφορεία που ήδη δρομολογούνται στην πόλη στοίχησαν 14 εκατ., σχεδόν διπλάσιο κόστος από τα αντίστοιχα αρθρωτά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Η νέα γραμμή, που θα προστεθεί στις υπάρχουσες 5 γραμμές, καθώς και η ανανέωση των καλωδίων θα κοστίσει περίπου 2,8 εκατ.. Το δίκτυο τους είναι ιδιαίτερα πυκνό και η αναδιάρθρωση του δικτύου περιλαμβάνει και την αύξηση των αποστάσεων μεταξύ των σταθμών επιβίβασης από 420 μέτρα σε 500 μέτρα. Εκτιμάται ότι οι κάτοικοι είναι διατεθειμένοι να περπατήσουν λίγο περισσότερο εφόσον η ποιότητα εξυπηρέτησης είναι αυξημένη. Τα τρόλεϊ θα αποτελούν το βασικό μέσο μεταφοράς στο κέντρο και σε κομβικά σημεία της πόλης ενώ τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία θα εξυπηρετούν συμπληρωματικές γραμμές. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην προώθηση των τρόλεϊ μέσω της διαφήμισης και μέσω της αναγραφής του συνθήματος «ARNHEM BLIJFT TROLLEY STAD NOG 50 JAAR» σε όλα τα λεωφορεία τρόλεϊ που σημαίνει ότι η πόλη του Αrnhem θα έχει τρόλεϊ για άλλα 50 χρόνια. Οι φορείς της πόλης αποκαλούν την πόλη του Arnhem «πόλη τρόλεϊ (Trolley city)» για να τονίσουν την ιδιαίτερα θετική στάση όλων στο σύστημα τρόλεϊ. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 52

55 4.3. Συμπεράσματα για την τεχνολογία Τρόλεϊ Το σύστημα Τρόλεϊ αποτελεί μια πολύ καλή πρόταση για τις αστικές συγκοινωνίες γιατί τα λεωφορεία Τρόλεϊ έχουν: Μηδενικές εκπομπές καυσαερίων Πολύ χαμηλά επίπεδα θορύβου Μεγάλη διάρκεια ζωής Χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση Χαμηλό κόστος συντήρησης Πολύ θετική αποδοχή του επιβατικού κοινού Ως προς τη θετική αποδοχή του επιβατικού κοινού, που αναφέρεται στα πλεονεκτήματα, αξίζει να σημειωθούν τα αποτελέσματα μιας έρευνας της ΚΑΠΑ Research για τα τρόλεϊ που διεξήχθη τον Ιούνιο του Οι απόψεις των ερωτηθέντων για την συγκοινωνία με τα τρόλεϊ ήταν 60% καλή ή πολύ καλή και μόλις 10,5% κακή ή πολύ κακή. Επίσης, το 49% των ερωτηθέντων πιστεύει ότι η συγκοινωνία των τρόλεϊ έχει βελτιωθεί αρκετά έως πολύ τα τελευταία 2 χρόνια και το 28% ότι έχει βελτιωθεί λίγο. Σε γενικές γραμμές, τα τρόλεϊ έχουν πολύ θετικότερη αποδοχή από το κοινό ως μέσο μεταφοράς έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων εξαιτίας της άνεσης ταξιδιού και της έλλειψης θορύβου και εκπομπών. Σε πόλεις όπου υπήρξε μετάβαση των συγκοινωνιών από το πετρέλαιο σε τρόλεϊ καταγράφηκε αύξηση της επιβατικής κίνησης κατά 10-18% περίπου. Οπωσδήποτε, το υψηλό κόστος υποδομής αλλά και το υψηλό σχετικά κόστος συντήρησης του είναι αρνητικοί παράγοντες οικονομικής αξιολόγησής του συστήματος. Επιπρόσθετα, η σημαντική εξάρτηση της ορθής λειτουργίας του συστήματος από πτώσεις τάσεις και άλλα λειτουργικά προβλήματα (καταστροφή γραμμών) ή κυκλοφοριακά δεδομένα (τροχαία ατυχήματα, εργοταξιακές παρεμβάσεις κλπ) καθώς και οι περιορισμοί αποδοτικής λειτουργίας του (επιβατικός φόρτος) αποτελούν μειονεκτήματα της τεχνολογίας τρόλεϊ. Σε κάθε περίπτωση το περιβαλλοντικό και ενεργειακό όφελος από τη χρήση τρόλεϊ είναι πολύ σημαντικό. Για τη διεξαγωγή ορθών αποτελεσμάτων, θα πρέπει να εξετάζεται και το εξωτερικό κόστος των επιπτώσεων των εκπομπών ρύπων από την οδική κυκλοφορία στην ανθρώπινη υγεία. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι, στη Καλιφόρνια των ΗΠΑ εκτιμάται ότι το εξωτερικό κόστος των επιπτώσεων των ρύπων από την οδική κυκλοφορία στην ανθρώπινη υγεία είναι περίπου $ ανά τόνο εκπομπών (HC, NOx, PM, VOC). Όλοι αυτοί οι λόγοι έχουν οδηγήσει στην χρήση συστημάτων τρόλεϊ σε περισσότερες από 350 πόλεις σε όλο τον κόσμο. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 53

56 5. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ Βιοκαύσιμα ονομάζονται τα υγρά καύσιμα που παράγονται από την βιομάζα. Τα βιοκαύσιμα λοιπόν μπορούν να παραχθούν από φυτικά έλαια τα οποία προέρχονται από ενεργειακές καλλιέργειες ή από την επεξεργασία χρησιμοποιημένων σπορέλαιων. Βασικό πλεονέκτημα που προσφέρει η χρήση τους είναι η μείωση των εκπομπών CO 2, καθώς και το γεγονός ότι είναι ανανεώσιμα εν αντιθέσει με τα ορυκτά καύσιμα, των οποίων οι συνολικές παγκοσμίως ποσότητες είναι πεπερασμένες. Η Χρήση των βιοκαυσίμων στον τομέα των Μεταφορών έχει γίνει πολύ επίκαιρη τα τελευταία χρόνια. Λόγοι που έχουν επιβάλει το έντονο αυτό ενδιαφέρον είναι : - Η συμβολή στην εξασφάλιση της ενεργειακής αυτονομίας των κρατών - Η συμβολή στην μείωση εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου CO 2 - Η τάση για αύξηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας Α.Π.Ε. - Η Προσπάθεια για ενίσχυση του αγροτικού εισοδήματος Οι αναλυτές 51 τονίζουν ότι η ζήτηση και η προσφορά για βιοκαύσιμα θα αυξηθούν με σημαντικούς ρυθμούς στο προσεχές μέλλον προκειμένου να ικανοποιηθούν οι ανάγκες των Αναπτυσσόμενων και των Ανεπτυγμένων κρατών. Η παγκόσμια λοιπόν παραγωγή αναμένεται να αυξηθεί από t το 2000, σε t το 2005 και τελικά να προσεγγίσει τα επίπεδα των t to Η Ευρωπαϊκή Επιτροπή αντιλαμβανόμενη πλήρως την σπουδαιότητα των ανωτέρω προαναφερόμενων λόγων εξέδωσε το Μάιο του 2003 την Οδηγία 2003/30/ΕΚ για την προώθηση της χρήσης και παραγωγής βιοκαυσίμων. Απαιτείται λοιπόν εκ των κρατών μελών της Ε.Ε. να θέσουν ενδεικτικούς στόχους για τη χρήση των βιοκαυσίμων αρχικά για το 2005 και εν συνεχεία έως το Ως ζητούμενος στόχος ορίζεται μερίδιο των βιοκαυσίμων επί της συνολικής ετήσιας ποσότητας ορυκτών καυσίμων που καταναλώνονται στις μεταφορές στο διάστημα σύμφωνα με τον ακόλουθο Πίνακα Βιοκαύσιμα, η νέα μορφή ενέργειας 1/12/2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 54

57 Έτος/Ελάχιστο ποσοστό ( βάσει κατανάλωσης 1998) Υποκατάσταση Κατανάλωσης βενζίνης (x 1000 t) Υποκατάσταση Κατανάλωσης πετρελαίου (x 1000 t) Συνολική Κατανάλωση Βιοκαυσίμων (x 1000 t) 2005 / 2,00 % / 2,75 % / 3,5 % / 4,25 % / 5,00 % / 5,75 % Πίνακας 16 Καθορισμένοι στόχοι παραγωγής Βιοκαυσίμων εκ της Οδηγίας 2003/30/ΕΚ 52 Επιπρόσθετα, στη Πράσινη Βίβλο για την ασφάλεια του ενεργειακού εφοδιασμού της Ευρωπαϊκής Ένωσης, προτείνεται ως μακροπρόθεσμος στόχος για τις οδικές μεταφορές η αντικατάσταση κατά 20% των συμβατικών καυσίμων με εναλλακτικά καύσιμα έως το Τα πιο ευρέος χρησιμοποιούμενα είδη βιοκαυσίμων που χρησιμοποιούνται είναι : Bio-diesel το οποίο παράγεται από βιομάζα ή φυτικά έλαια, ζωικά λίπη και μαγειρικά λάδια. Κυρίως παράγεται από σπόρους ελαιοκράμβης (Γερμανία) και ηλίανθους (Η.Π.Α, Γαλλία, Ιταλία) ενώ πολύ περιορισμένη είναι η παραγωγή του από σόγια (Η.Π.Α.) και φοίνικες (Μαλαισία). Αιθανόλη (ή βιοαιθανόλη), η οποία παράγεται από βιομάζα (π.χ. ζαχαροκάλαμα στη Βραζιλία, δημητριακά στις Η.Π.Α.) και/ή από την βιοαποικοδόμηση των αποβλήτων. Μεθανόλη (ή βιομεθανόλη) η οποία παράγεται κυρίως από το φυσικό αέριο και δευτερευόντως από τη βιομάζα και/ή από την βιοαποικοδόμηση των αποβλήτων. Βιοαέριο, το οποίο παράγεται από βιομάζα και/ή από την βιοαποικοδόμηση των αποβλήτων και μπορεί να καθαριστεί μέχρι την ποιότητα του φυσικού αερίου. Παράγωγα της Bιοαιθανόλης και της Bιομεθανόλης είναι το ΕΤΒΕ (ethyl-tetriobutyl-ether) και το ΜΤΒΕ (methyl-tetrio-butyl-ether) αντίστοιχα. Στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β δίνονται επιπλέον στοιχεία αναφορικά με την παραγωγή των Βιοκαυσίμων. Μια σημαντική διάκριση που πρέπει να γίνει ανάμεσα στα βιοκαύσιμα είναι σε αυτά της 1 ης και 2 ης γενιάς. Ειδικότερα θα έχουμε : 52 Οδηγία 2003/30/ΕΚ του Ευρωκοινοβουλίου και του Συμβουλίου για την προώθηση των Βιοκαυσίμων ή άλλων Εναλλακτικών Καυσίμων στις Μεταφορές. 8/5/ Ανακοίνωση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής στο Συμβούλιο και το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο : Χάρτης πορείας για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. SEC (2006)1719, SEC(2006) 1720, SEC(2007) 12 10/1/2007 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 55

58 Βιοκαύσιμα Πρώτης Γενιάς Είναι τα συμβατικά παραγόμενα βιοκαύσιμα που χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη τα φυτικά έλαια που προέρχονται εκ της βιομάζας ενεργειακών καλλιεργειών. Δύναται να χρησιμοποιούνται υπό χαμηλή αναλογία μαζί με τα συμβατικά καύσιμα στα περισσότερα οχήματα και να διανέμονται διαμέσου της υφιστάμενης εφοδιαστικής αλυσίδας. Ορισμένα οχήματα με κινητήρα ντίζελ είναι δυνατό να κινούνται κατά 100% με Biodiesel (B100). Βιοκαύσιμα Δεύτερης Γενιάς Μια εκ των πλέον υποσχόμενων τεχνολογιών παραγωγής βιοκαυσίμων είναι η Λιγνοκυτταρινική διεργασία, η οποία μας δίνει την δυνατότητα να μετατρέψουμε σε βιοκαύσιμα (βιοαιθανόλη) χρησιμοποιώντας ως οργανικές ύλες υπολείμματα δασικής ξυλείας ή γεωργικής παραγωγής όπως το άχυρο επιτυγχάνοντας σημαντικά μειωμένο κόστος. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι αποτελέσματα έρευνας δείχνουν ότι η παραγωγή 1lit. αιθανόλης από 6 kg άχυρο σιτηρών κοστίζει 0,18, όταν η παραγωγή 1lit. από δημητριακά (σπόρο σιταριού ή κριθαριού) κοστίζει άμεσα αποτέλεσμα είναι να καθίσταται η Εικόνα 6 Κύκλος του CO 2 παραγωγή πλήρως ανταγωνιστική αυτής του πετρελαίου 54. Άλλες τεχνολογίες είναι η παραγωγή Biodiesel Fischer Tropsch καθώς και η παραγωγή Βίο-DME (Διμεθυλεστέρας). Σύμφωνα με εκτιμήσεις που διατυπώνονται το κόστος παραγωγής δύναται να διαμορφωθεί στα επίπεδα που φαίνονται στον επόμενο Πίνακα 17: 2006 ( /lit ισοδύναμου καυσίμου ) 2010 ( /lit ισοδύναμου καυσίμου ) Bio - ethanol Ζαχαροκάλαμο BRA Αραβόσιτος USA Δημητριακά EU Biodiesel Υπολείμματα λαδιών,usa, EU Σόγια USA Ελαιοκράμβη EU Πίνακας 17 Σημερινές και προβλεπόμενες τιμές βιοκαυσίμων το Εν συνεχεία εξετάζουμε πιο διεξοδικά τα υπάρχοντα ευρέως χρησιμοποιούμενα είδη βιοκαυσίμων που προαναφέρθηκαν. 54 Ενεργειακές Kαλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Ενημερωτικό φυλλάδιο του ΚΑΠΕ Η κατανάλωση Ενέργειας στις μεταφορές στην Ελλάδα Πέτρος Κασσάπης Πρόεδρος της επιτροπής Ενέργεια & Μεταφορές του ΙΕΝΕ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 56

59 5.1. Βιοντήζελ Το Βιοντήζελ είναι εναλλακτικό του πετρελαίου καύσιμο. Είναι εστεροποιημένο φυτικό έλαιο που παράγεται από διάφορα φυτά που εμπεριέχουν έλαια όπως ελαιοκράμβη, σόγια, ηλίανθος και φοίνικας. Πολλές φορές συναντάτε ως RME (Rapeseed Methyl Ester) που είναι το προϊόν της επεξεργασίας σπόρων ελαιοκράμβης. Είναι δυνατόν να παραχθεί και από ζωικά λίπη ή μαγειρικά έλαια (καμένα λάδια) αλλά αυτές οι μέθοδοι είναι σε πολύ περιορισμένη έκταση. Η παραγωγή Βιοντήζελ στην Ευρωπαϊκή Ένωση το 2005 ήταν ~ 3,184 εκ. t με την Γερμανία (παραγωγή από σπόρους ελαιοκράμβης) να παράγει περίπου το 54% της συνολικής ποσότητας ( t), 56 ενώ η δυναμικότητα της χώρας για το 2006 ανέρχεται σε 2.7 *10 3 t, η δε της ΕΕ σε 6.9*10 3 t. Ιδιαίτερα σημαντική είναι η μέση ετήσια αύξηση της τάξης του 45% που σημείωσε η παραγωγή στην Ευρώπη το διάστημα όπως φαίνεται και εκ του Διαγράμματος 17. Πηγή : Biofuels Barometer June 2004 EUROBSERV ER Διάγραμμα 14 Παραγωγή Biodiesel στην Ευρώπη από το European Biodiesel Board ( & Κ.Α.Π.Ε. 57 Οικονομική και Περιβαλλοντική αξιολόγηση των Βιοκαυσίμων στην Ευρώπη Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 57

60 Διερεύνηση του κόστους παραγωγής Βιοντήζελ στην Ελλάδα Οι ενεργειακές καλλιέργειες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην Ελλάδα για την παραγωγή Biodiesel είναι κύρια ο Ηλίανθος και η Ελαιοκράμβη. Το συμπέρασμα αυτό εξάγεται εύκολα από την παρατήρηση των δεδομένων του ακόλουθου Πίνακα 18 όπου παρουσιάζεται η προβλεπόμενη παραγωγή από την καλλιέργεια διαφόρων φυτών. Βιοκαύσιμο Biodiesel Πρώτη ύλη Απόδοση σε προϊόν (kg/στρ.) Απόδοση σε βιοκαύσιμο (kg/στρ.) Απόδοση σε βιοκαύσιμο (lit./στρ.) Ηλίανθος- Ελαιοκράμβη Αγριαγκινάρα Βαμβάκι Σόγια Πίνακας 18 Αποδόσεις από διάφορα φυτά ανά στρέμμα σε σπόρο και καύσιμο 58 Την δυνατότητα παραγωγής βιοντήζελ στην Ελλάδα, και συγκεκριμένα στην περιοχή του Κιλκίς, έχει διερευνήσει το ερευνητικό πρόγραμμα χρηματοδοτούμενο στα πλαίσια του προγράμματος ALTENER της Ευρωπαϊκή Ένωσης. Το πρόγραμμα εκπονήθηκε από τη Τοπική Ένωση Δήμων και Κοινοτήτων του Νομού Κιλκίς σε συνεργασία με το Αυστριακό Ινστιτούτο Βιοκαυσίμων την περίοδο Σκοπός του προγράμματος ήταν η διερεύνηση της παραγωγής Biodiesel από Ηλιόσπορο, που καλλιεργείται στην περιοχή του Κιλκίς, και η προώθηση κατασκευής εργοστασίου. Τα αποτελέσματα του προγράμματος έδειξαν ότι ενώ το Ηλιέλαιο παράγει καλής ποιότητας βιοκαύσιμο, το προϊόν που παράγεται είναι αρκετά ακριβότερο σε σχέση με το συμβατικό πετρέλαιο. Ενδεικτικά, η μικρότερη δυνατή τιμή πώλησης του βιοκαυσίμου, με μηδενικό κέρδος του εργοστασίου παραγωγής, ήταν περίπου 0,43 το λίτρο (τιμή 1998). Το κόστος προμήθειας του σπόρου (αγορά, μεταφορά και αποθήκευση) ήταν περίπου το 70% της τιμής του τελικού προϊόντος. Το 25% της τιμής του προϊόντος ήταν τα έξοδα εστεροποίησης του λαδιού, μεταφορικά και λοιπά έξοδα. Το κόστος απόσταξης του λαδιού ήταν το 5% περίπου της τιμής του τελικού προϊόντος. Για το λόγο αυτό, απαιτείται μια πιο φθηνή πρώτη ύλη για να είναι ανταγωνιστική η τιμή του βιοντήζελ έναντι του πετρελαίου. Σύμφωνα με τα στοιχεία του προγράμματος, η υψηλή τιμή του ακατέργαστου ελαίου, δηλ. της πρώτης ύλης του βιοντήζελ, διαμορφώνεται σε αυτά τα επίπεδα λόγω κυρίως της χρήση του ελαίου ως τρόφιμο. Το συγκεκριμένο πρόβλημα δεν ισχύει μόνο για το Ηλιέλαιο αλλά και για το Σογιέλαιο και για την Ελαιοκράμβη, που έχουν υψηλή ελαιοπεριεκτικότητα στους σπόρους τους Ενεργειακές Kαλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Ενημερωτικό φυλλάδιο του ΚΑΠΕ Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 58

61 Σε αντίστοιχα συμπεράσματα καταλήγουν και άλλοι ερευνητές 60 θεωρώντας : Κόστος πρώτης ύλης 0.53 /lit. Κόστος βιομηχανικής επεξεργασίας 0.22 /lit. Πώληση παραπροϊόντων (πίττα + Γλυκερίνη) /lit. Κόστος Biodiesel : 0.55 /lit + Κόστος Διακίνησης + Φόροι =? Τα προηγούμενα δεδομένα κόστους παραγωγής είναι σε πλήρη αντιστοιχία με την εικόνα που αποτυπώνεται και στον υπόλοιπο κόσμο όπως καταδεικνύουν τα δεδομένα του ακόλουθου Πίνακα 19. Biodiesel production costs ($/lit. of fuel) IFP W/ Tax ($/lit. of fuel) IFP Wo/ Tax ($/lit. of fuel) USA CANADA E.U POLAND BRAZIL Πίνακας 19 Κόστος παραγωγής Biodiesel και σύγκριση με τις διεθνείς τιμές πετρελαίου με και χωρίς φόρους 61 Διαπιστώνουμε επομένως την καθοριστικής σημασίας συμβολή στην προώθηση της χρήσης biodiesel του επιπέδου φορολόγησης, κίνηση που απαιτεί πολιτική απόφαση και βούληση. Η περίπτωση χρήσης χρησιμοποιημένων ελαίων προς παραγωγή biodiesel προσφέρει χαμηλότερη τιμή πρώτης ύλης και διαμορφώνει σε οικονομικά συμφέρουσα επίπεδα την παραγωγή με βάση τα τρέχοντα φορολογικά κίνητρα. Ανασταλτικό παράγοντα όμως αποτελεί η περιορισμένη διαθεσιμότητα χρησιμοποιημένων λαδιών καθώς και ζητήματα ποιότητας του τελικά παραγόμενου προϊόντος. Με βάση λοιπόν τις υποχρεώσεις της χώρας μας έναντι της ΕΕ το 2006 στην χώρα μας λειτουργούσαν μονάδες συνολικής δυναμικότητας t, η δε αιτηθείσα προς κατανομή ποσότητα βιοκαυσίμων ανέρχονταν σε t με την τελικά κατανεμημένη ποσότητα να ανέρχεται σε t. Αξιοσημείωτο είναι επίσης το γεγονός ότι η παραγωγή βασίζεται κύρια σε εισαγόμενα φυτικά έλαια. 60 Οι νέες τάσεις για τα Bιοκαύσιμα στην E.E Tα οικονομικά δεδομένα της παραγωγής των Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Σπύρος Κυρίτσης - Ομ.Καθ. Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Οικονομική και Περιβαλλοντική αξιολόγηση των Βιοκαυσίμων στην Ευρώπη Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 59

62 Το Βιοντήζελ ως καύσιμο κίνησης Το βιοντήζελ μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως το συμβατικό πετρέλαιο κίνησης ή να αναμειχθεί με αυτό σε διαφορετικές αναλογίες για χρήση από πετρελαιοκινητήρες χωρίς ιδιαίτερες μετατροπές. Επισημαίνεται ότι οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες δύναται να λειτουργήσουν με μίγματα έως 20%, αλλά πρέπει να δοθεί προσοχή καθώς περιεκτικότητες άνω του 5% μπορούν να ακυρώσουν τις εγγυήσεις των κατασκευαστών. Η συνήθης πρακτική είναι η χρήση μίγματος B5 62 (5% biodiesel και 95% συμβατικό πετρέλαιο κίνησης), ενώ στις αστικές μεταφορές χρησιμοποιούνται και μίγματα B20 ή καθαρό biodiesel B Το ενεργειακό περιεχόμενο του βιοντήζελ είναι 8-9 % χαμηλότερο του πετρελαίου, αλλά έχει υψηλότερη πυκνότητα και καλύτερη ικανότητα ανάφλεξης. Το σύστημα αποθήκευσης του οχήματος ζυγίζει (μαζί με το καύσιμο) 15% επιπλέον για το βιοντήζελ έναντι του πετρελαίου (για την ίδια αυτονομία κίνησης), ενώ ο όγκος της δεξαμενής αυξάνεται μόνο κατά 9%. Η χρήση βιοντήζελ απαιτεί συχνότερη αλλαγή φίλτρων και καθαρισμό της δεξαμενής ενώ τα ελαστομερή και τα ελαστικά τμήματα πρέπει να είναι ιδιαίτερα ανθεκτικά και ειδικά φτιαγμένα για χρήση βιοντήζελ. Συχνά οι κατασκευαστές επισημαίνουν ότι τα ελαστικά τμήματα δεν πρέπει να έρχονται σε επαφή με καθαρό βιοντήζελ, ένα πρόβλημα που επιλύεται μερικώς με τη χρήση μειγμάτων βιοντήζελ- πετρελαίου. Η συνολική (ανάλυσης κύκλου ζωής) ενεργειακή κατανάλωση του βιοντήζελ είναι υψηλότερη του πετρελαίου. Οι δε εκπομπές CO και HC από Βιοντήζελ B20 είναι ελαφρώς χαμηλότερες του πετρελαίου, ενώ για το ΝΟx οι περισσότερες μετρήσεις κατέδειξαν υψηλότερες τιμές έναντι των αντίστοιχων του πετρελαίου. Ως προς τα σωματίδια, οι περισσότερες μετρήσεις δείχνουν μικρή μείωση των εκπομπών τους. Tα αποτελέσματα αυτά δίνονται εποπτικά στο ακόλουθο Διάγραμμα 19. Διάγραμμα 15 Ποσοστό μείωσης των εκπομπών ρύπων συναρτήσει της περιεκτικότητας του καυσίμου σε Biodiesel Επιτρέπεται εκ του Ευρωπαϊκού προτύπου EN 590 για το πετρέλαιο κίνησης. 63 Απαιτείται ικανοποίηση του Ευρωπαϊκού προτύπου ποιότητας EN Οικονομική και Περιβαλλοντική αξιολόγηση των Βιοκαυσίμων στην Ευρώπη Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 60

63 Με κατάλληλες ρυθμίσεις της μηχανής οι εκπομπές NOx είναι δυνατόν να ελλατωθούν, ενώ και οι εκπομπές σωματιδίων είναι μειωμένες ~ 45% σε σχέση με το πετρέλαιο (δεν απαιτούνται φίλτρα σωματιδίων) όταν χρησιμοποιούμε B100. Αναφορικά με τις εκπομπές CO 2 η χρήση B100 δύναται να επιφέρει μείωση των εκπομπών κατά 40-50%,η δε χρήση μίγματος B5 κατά 2-2.5% 65. Εικόνα 7 Λεωφορείο που κινείται με Biodiesel (Γερμανία) Επισημαίνεται ότι η ετερογενής παραγωγή Biodiesel, δηλ. η παραγωγή του από διαφορετικές πρώτες ύλες, σε συνδυασμό με τις υψηλές απαιτήσεις ποιότητας (για την αποφυγή προβλημάτων) καθιστούν δύσκολη την καθιέρωση προδιαγραφών του ως καύσιμο. Το κόστος παραγωγής του είναι ιδιαίτερα υψηλό και αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για την ευρεία χρήση του ως καύσιμο 66, αλλά η χρήση του προωθείται ιδιαίτερα στις ΑΜΜ στην Ευρώπη και τις ΗΠΑ διότι το biodiesel ως καύσιμο πρακτικά σχεδόν απαλλαγμένο από θείο παρουσιάζει μειωμένες εκπομπές καυσαερίων, ενώ καθιστά δυνατή την τοποθέτηση σύγχρονων συστημάτων καθαρισμού των καυσαερίων. Ακόμη όμως και χωρίς τη χρήση συστημάτων καθαρισμού των καυσαερίων (χωρίς θείο και με αποδοτικότερη καύση) οι εκπομπές από τη χρήση biodiesel είναι μειωμένες σε σχέση με το πετρέλαιο. Αξιόλογη είναι η μελέτη της περίπτωσης του φορέα αστικών μεταφορών της περιοχής King County στην Washington όπου η εταιρεία Metro Transit χρησιμοποιεί Β20 στα 640 λεωφορεία της, περιλαμβανομένων και 79 υβριδικών, εκμεταλευόμενη δε την ανοδική πορεία των τιμών του πετρελαιου προμηθεύεται το καύσιμο σε τιμή τέτοια ώστε να εξοικονομεί 34c$/gal.. 65 Καθαρά Καύσιμα και Οχήματα - Συνοπτικός οδηγός Έκδοση του Κ.Α.Π.Ε. στα πλαίσια του έργου TREATISE 66 AUTOMOTIVE FUELS FOR THE FUTURE: The search for Alternatives I.E.A 1999 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 61

64 5.2. Βίο - Αιθανόλη Η Αιθανόλη είναι εναλλακτικό της βενζίνης καύσιμο έχει παρόμοιες ιδιότητες με την μεθανόλη και παράγεται κυρίως από βιομάζα (Βίο-αιθανόλη) σε αντίθεση με την μεθανόλη που παράγεται κυρίως από το φυσικό αέριο. Η παραγωγή αιθανόλης από γεωργικές πρώτες ύλες συναντάτε σε πολλές χώρες. Η Βραζιλία και οι ΗΠΑ είναι οι μεγαλύτεροι παραγωγοί της βιοαιθανόλης ως καύσιμο μεταφορών παγκοσμίως, με την παραγωγή να ανέρχεται σε kt το 2005 και kt το 2004 αντίστοιχα. Ανερχόμενη παραγωγή παρουσιάζουν και η Κίνα με kt το 2005 και η Ε.Ε. η παραγωγική ικανότητα της οποίας ανερχόμενη σε 491 kt το 2004 δίνεται στο ακόλουθο Διάγραμμα 20. Διάγραμμα 16 Εξέλιξη της παραγωγικής ικανότητας Βιοαιθανόλης στην Ε.Ε. από το Η Αιθανόλη ως καύσιμο κίνησης Η αιθανόλη δύναται να χρησιμοποιηθεί σαν καύσιμο κίνησης με τους ακόλουθους τρόπους : Σε μείγμα καυσίμου με περιεκτικότητα 5-10% αιθανόλη 68 (συνήθως Ε10, δηλ. 10% αιθανόλη). Δεν απαιτείται τροποποίηση του κινητήρα. Σε μείγμα καυσίμου με περιεκτικότητα 85% αιθανόλη (Ε85) σε βενζινοκίνητα οχήματα όπου απαιτείται τροποποίηση του κινητήρα. Καθαρή (100% περιεκτικότητα σε αιθανόλη) για χρήση σε οχήματα που κατασκευάζονται αποκλειστικά για την κίνησή τους με αιθανόλη (π.χ. λεωφορεία στη Σουηδία). Για τη παραγωγή (επεξεργασία και μετατροπή) του ΕΤΒΕ (ethyl tertiary butyl ether) ως πρόσθετου βελτίωσης της αντικρουστικής ικανότητας του καυσίμου. Ο ΕΤΒΕ, εξαιτίας της προέλευσής του από ανανεώσιμες πρώτες ύλες (βιομάζα) προτιμάται ως πρόσθετο στο καύσιμο έναντι του ΜΤΒΕ αλλά και άλλων τοξικών στοιχείων (μόλυβδος, βενζένιο, ολεφίνες κλπ). Να σημειωθεί ότι στην Ευρώπη, η παραγωγή αιθανόλης 67 Οικονομική και Περιβαλλοντική αξιολόγηση των Βιοκαυσίμων στην Ευρώπη Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 228 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 62

65 για το 2002 ήταν περίπου τόνοι ( τόνοι στην Ισπανία, τόνοι στη Γαλλία και τόνοι στην Σουηδία) ενώ η παραγωγή ΕΤΒΕ έφτασε τους τόνους ( τόνοι στη Γαλλία και τόνοι στην Ισπανία) 69. Για τα κυψέλες καυσίμου με διπλή διεργασία (μεμβράνης ανταλλαγής ιόντων κυψέλες καυσίμου και αναμόρφωση με ατμό-steam reformingτης αιθανόλης). Η ενεργειακή πυκνότητα της αιθανόλης είναι υψηλότερη από αυτή της μεθανόλης αλλά αρκετά μικρότερη εν συγκρίσει με τα συμβατικά καύσιμα (πετρέλαιο και βενζίνη - τα 2/3 αυτής-). Στο όχημα αιθανόλης, το σύστημα αποθήκευσης του καυσίμου πρέπει να είναι 50% μεγαλύτερο και 65% περίπου βαρύτερο έναντι του οχήματος βενζίνης για την επίτευξη του ίδιου ενεργειακού περιεχομένου Εκπομπές ρύπων Η συνολική (ανάλυσης κύκλου ζωής) κατανάλωση ενέργειας της αιθανόλης (ειδικά όταν παράγεται από κυτταρικές πρώτες ύλες) είναι ιδιαίτερα υψηλή όπως διαπιστώνουμε εκ του Διαγράμματος 21. Διάγραμμα 17 Ανάλυση κύκλου ζωής εκπομπών CO2 διαφόρων καυσίμων 70 Γενικά μπορεί να αναφερθεί ότι οι συνολικές εκπομπές CO 2 είναι περίπου 15-70% χαμηλότερες των συμβατικών καυσίμων εξαιτίας της παραγωγής της από βιομάζα. Η παραγωγή αιθανόλης από ξύλο (κυτταρίνες) επιφέρει μείωση των εκπομπών των αερίων θερμοκηπίου κατά 75%, ενώ η παραγωγή αιθανόλης από καλαμπόκι έχει μόλις 15% μείωση των εκπομπών των αερίων θερμοκηπίου 71. Οι συνολικές εκπομπές CO και HC της αιθανόλης είναι υψηλότερες για βαριά πετρελαιοκίνητα οχήματα, ενώ αναφορικά με τις εκπομπές PM και NOx επιφέρει 69 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος re.org ( CADDET,1998) Ethanol Bus ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 63

66 μειώσεις της τάξης του 20-30% από το πρότυπο EURO III επιτυγχάνοντας επιδόσεις αντίστοιχες του EURO V 72. Στον επόμενο Πίνακα 21 δίνονται τα δεδομένα εκπομπών από την πόλη Skaraborg της Σουηδίας, επισημαίνεται ότι το καύσιμο που χρησιμοποιείται σε Λεωφορεία Αιθανόλης 3 ης γενιάς είναι καθαρή Βιοαιθανόλη με την προσθήκη βελτιωτικού ανάφλεξης (Beraid). Η προσθήκη αυτή είναι απαραίτητη (χαμηλός βαθμός κετανίου) ιδιαίτερα κατά την κρύα εκκίνηση του οχήματος (πολύ χαμηλές θερμοκρασίες στη Σουηδία) και τη λειτουργία του στο ρελαντί. Εύκολα διαπιστώνουμε ότι η μείωση των εκπομπών είναι ιδιαίτερα σημαντική σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Εκπομπές (g/kwh) EURO II (gr/kwh) Πετρελαιοκίνητα Λεωφορεία τεχνολογ EURO IV (gr/kwh) Λεωφορεία Αιθανόλης PM 0,15 0,7 0,02 0,04 ΝΟx 7,0 14, ,93 CO 4,0 5, ,13 HC 1,1 1, ,09 Πίνακας 20 Σύγκριση εκπομπών ρύπων λεωφορείων Diesel και Βιοαιθανόλης Εφαρμογές Στη Σουηδία, το πρώτο αστικό λεωφορείο αιθανόλης ξεκίνησε την λειτουργία του το Στις αρχές του 1999 λειτουργούσαν 382 αστικά λεωφορεία αιθανόλης σε όλη τη χώρα (Εικόνα 8) ενώ μόνο στην Στοκχόλμη λειτουργούσαν 250 λεωφορεία. Ο αριθμός αυτός αυξήθηκε σημαντικά δεδομένου ότι από τα τέλη του 2000 όλος ο στόλος αστικών λεωφορείων της Στοκχόλμης, δηλ. 300 λεωφορεία, λειτουργεί με αιθανόλη. Από την πρώτη εφαρμογή λεωφορείων αιθανόλης τη δεκαετία του 80 μέχρι τα σύγχρονα λεωφορεία αιθανόλης πραγματοποιήθηκαν σημαντικές βελτιώσεις. Τα λεωφορεία αιθανόλης πλέον έχουν πολύ καλύτερα αποτελέσματα συγκριτικά με τα σύγχρονα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία τόσο ως προς τις εκπομπές, όσο και προς την κατανάλωση καυσίμου (η μέση κατανάλωση καυσίμου είναι περίπου 0,7 lit./km). Προβλήματα που υπήρχαν με το οξικό οξύ στα καυσαέρια (έντονη μυρωδιά, ιδιαίτερα κατά την επιτάχυνση στις στάσεις των λεωφορείων) λύθηκαν με τη χρήση νέων οξειδωτικών καταλυτών ενώ και τα σύγχρονα βελτιωτικά ανάφλεξης χρησιμοποιούνται σε μικρότερες ποσότητες. Η αξιοπιστία των σύγχρονων λεωφορείων αιθανόλης είναι παρόμοια των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων, ενώ τόσο οι οδηγοί όσο και οι επιβάτες είναι ιδιαίτερα ευχαριστημένοι με τα λεωφορεία αιθανόλης Ethanol Bus re.org (CADDET,1998) & επεξεργασία δεδομένων re.org (CADDET, 1997) ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 64

67 Εικόνα 8 Αριθμός και κατανομή λεωφορείων Βιοαιθανόλης στις αρχές του Όλα τα λεωφορεία αιθανόλης που λειτουργούν στη Σουηδία είναι της εταιρείας SCANIA, και έχουν σύγχρονους οξειδωτικούς καταλύτες. Ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος λειτουργίας είναι η τιμή της αιθανόλης, η οποία είναι υψηλότερη από αυτή του πετρελαίου με αποτέλεσμα η λειτουργία των λεωφορείων αιθανόλης να κοστίζει περισσότερο από τα συμβατικά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία ( επιπλέον ετήσιο κόστος λειτουργίας ενός λεωφορείου αιθανόλης έναντι ενός πετρελαιοκίνητου λεωφορείου για το 1996). Ως προς τη συντήρηση, τα λεωφορεία αιθανόλης παρουσιάζουν μια μικρή αύξηση κόστους συντήρησης (πιο συχνές αλλαγές λαδιών και φίλτρων, καθαρισμός μπεκ κλπ) έναντι των συμβατικών λεωφορείων της τάξης των 420 ανά λεωφορείο ετησίως (στοιχεία 1997) 76. Στις Η.Π.Α. Παρά την σημαντική άνοδο της παραγωγής της τα τελευταία χρόνια, η χρήση της αιθανόλης ως καύσιμο για τις αστικές συγκοινωνίες είναι περιορισμένη με συνολικό αριθμό λεωφορείων μόλις 51 το 1999 και εφαρμόζεται σε πειραματικό στάδιο σε κάποιες πόλεις 77. Στο Σικάγο ξεκίνησε το 2000 η λειτουργία 15 αστικών λεωφορείων από το 2000 με Ε15 (15% αιθανόλη στο καύσιμο) και στη Nebraska 4 λεωφορεία ξεκίνησαν από το 2001 δοκιμές με μείγμα αιθανόλη 7,7% στο καύσιμο ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Ο.π. 77 Ethanol Bus 78 Όπως 75. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 65

68 Στο Los Angeles η εμπειρία του τοπικού φορέα συγκοινωνιών (Los Angeles County Metropolitan Transportation Authority) με τα λεωφορεία αιθανόλης δεν ήταν ιδιαίτερα θετική. Το 1995 μετέτρεψαν τα λεωφορεία μεθανόλης σε λεωφορεία αιθανόλης με βάση την εκτίμηση ότι η μηχανή έχει μεγαλύτερο χρόνο ζωής σε σχέση με την μεθανόλη. Τελικά, ο χρόνος ζωής της μηχανής αιθανόλης ήταν πολύ μικρότερος και συγκεκριμένα ο μισός σε σχέση με τη μηχανή μεθανόλης. Το 1999 μετατράπηκαν και πάλι τα λεωφορεία αιθανόλης (333 περίπου) σε πετρελαιοκίνητα λεωφορεία εξαιτίας των συνεχών βλαβών και της χαμηλής αξιοπιστίας της μηχανής Στοιχεία κόστους Επιπτώσεις παραγωγής Η παραγωγή αιθανόλης κοστίζει περισσότερο της παραγωγής βενζίνης, ανάλογα με το κόστος των πρώτων υλών, γεγονός που αποτελεί το βασικότερο λόγο για την περιορισμένη χρήση της ως καύσιμο. Αυτό προκύπτει και από τη μελέτη του επόμενου Πίνακα 22 όπου παρουσιάζονται τα κόστη παραγωγής. Ethanol production Ethanol production IFP W/tax IFP W o/tax costs (wheat) $/lit. costs (maize) $/lit. $/lit. $/lit. USA CANADA E.U POLAND Πίνακας 21 Κόστος παραγωγής Βιοαιθανόλης, συγκρινόμενο με τις διεθνείς τιμές της βενζίνης 80 Εφόσον η αιθανόλη προέρχεται από γεωργικές πρώτες ύλες (καλαμπόκι, ζαχαροκάλαμα, τεύτλα κλπ), το κόστος παραγωγής της εξαρτάται άμεσα από την ανάπτυξη και την ανταγωνιστικότητα των τιμών της βιομηχανίας τροφίμων. Το γεγονός αυτό επιφέρει ως άμεσο αποτέλεσμα την αύξηση των τιμών των τροφίμων με συνεπακόλουθα δυσμενείς συνέπειες στη δυνατότητα επαρκούς διατροφής του Τρίτου κόσμου. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι η διάθεση του 16% της αμερικάνικης παραγωγής σιτηρών για παραγωγή Βιοαιθανόλης οδήγησε σε αύξηση κατά 60% της τιμής τους από 30c/kg σε ~50c/kg, αντίστοιχες μεταβολές σημειώνονται και στις τιμές του Αραβόσιτου. Σημαντικές είναι επίσης οι επιπτώσεις στην κατανάλωση νερού, δεδομένου ότι για να καταστεί βιώσιμη οικονομικά η καλλιέργεια των ενεργειακών φυτών απαιτείται ποτιστική καλλιέργεια. Επιπλέον ανησυχία προκαλεί επίσης το φαινόμενο της εκχέρσωσης τροπικών δασών σε Βραζιλία και Πολυνησία προς εξεύρεση επιπλέον εκτάσεων για παραγωγή βιοκαυσίμων όπως η Βιοαιθανόλη. Εκτιμάται δε ότι η ευρεία εμπορική χρήση των μεθοδολογιών 2 ης γενιάς θα επέλθει μετά από 5-10 χρόνια κατ ελάχιστον. Τονίζεται ότι προσφέρεται το επιπλέον πλεονέκτημα της σταθερότητας των τιμών, ενώ η προβλεπόμενη αύξηση των διεθνών τιμών πετρελαίου αναμένεται να καταστήσουν την παραγωγή οικονομικά συμφέρουσα, όπως διαπιστώνουμε εκ του επόμενου Διαγράμματος MASS TRANSIT: Use of alternative fuels in transit buses GAO Οικονομική και Περιβαλλοντική αξιολόγηση των Βιοκαυσίμων στην Ευρώπη Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 66

69 Διάγραμμα 18 Σύγκριση των τιμών βενζίνης και αιθανόλης ως συνάρτηση της τιμής αργού πετρελαίου Μεθανόλη Η Μεθανόλη (CH 3 OH) είναι μια αλκοόλη που συνήθως παράγεται από το φυσικό αέριο αλλά μπορεί να παραχθεί και από βιομάζα (υλικά κυτταρίνης, κυρίως ξύλο). Το 78% της παγκόσμιας παραγωγής μεθανόλης προέρχεται από μεθόδους βασιζόμενες στο φυσικό αέριο. Η κατανάλωση φυσικού αερίου ως πρώτη ύλη για την παραγωγή μεθανόλης αποτελεί σήμερα το 4% της παγκόσμιας κατανάλωσης 82. Η παραγωγή και η ζήτηση μεθανόλης παγκοσμίως καθώς και η προβλεπόμενη μελλοντική ζήτηση δίνεται στον Πίνακα 23. Όπως προκύπτει και εκ των στοιχείων του Πίνακα, οι χρήσεις της μεθανόλης αποσκοπούν κυρίως στην παραγωγή ΜΤΒΕ, φορμαλδεΰδης και οξικού οξέος. Η φορμαλδεΰδη, το οξικό οξύ και τα παράγωγά τους οφείλουν την κατανάλωσή τους στην οικοδομική βιομηχανία ενώ ο ΜΤΒΕ, που περιέχει 36% μεθανόλη, είναι καύσιμο το οποίο αναμιγνυόμενο με άλλα πρόσθετα αποτελεί τα τελευταία χρόνια το 1/3 περίπου της κατανάλωσης μεθανόλης ως καύσιμης ύλης στις Η.Π.Α. Στις Η.Π.Α. παράγονται ετησίως 4,5 δισ. λίτρα μεθανόλης από τα οποία το 38% περίπου χρησιμοποιείται ως καύσιμο στις μεταφορές. 81 Οι νέες τάσεις για τα Bιοκαύσιμα στην E.E Tα οικονομικά δεδομένα της παραγωγής των Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Σπύρος Κυρίτσης - Ομ.Καθ. Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Βασάλος και Λεμονίδου, 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 67

70 Διαθέσιμη δυναμικότης Παραγωγή - Χρήση % Αξιοποίηση Ζήτηση Φορμαλδεΰδη ΜΤΒΕ Οξικό οξύ Διαλύτες Καύσιμα Λοιπά Πίνακας 22 Παγκόσμια παραγωγή και προβλεπόμενη ζήτηση μεθανόλης εις kt Η μεθανόλη ως καύσιμο κίνησης Η μεθανόλη χρησιμοποιείται ως καύσιμο κίνησης είτε ως καθαρή μεθανόλη Μ100, είτε ως Μ85 (85% μεθανόλη και 15% βενζίνη) που είναι και το πλέον συνηθισμένο. Επίσης χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΜΤΒΕ, που αποτελεί πρόσθετο της βενζίνης με πολύ καλή αντικρουστική συμπεριφορά (αύξηση κατά 20%) και το οποίο αντικαθιστά τα πρόσθετα μολύβδου. Τα τελευταία χρόνια η χρήση ΜΤΒΕ ως πρόσθετο έχει περιοριστεί πολύ στις Η.Π.Α. λόγω των σοβαρών προβλημάτων υγείας που παρουσίασαν κάτοικοι περιοχών με πρατήρια καυσίμων όπου γινόταν χρήση ΜΤΒΕ και οι δεξαμενές τους παρουσίασαν διαρροές και εισροή του ΜΤΒΕ στο πόσιμο νερό 84. Η ενεργειακή πυκνότητα της μεθανόλης είναι χαμηλή αλλά έχει υψηλό βαθμό οκτανίου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε βαρέα οχήματα (φορτηγά, λεωφορεία) αντί του πετρελαίου αλλά ο βαθμός κετανίου της μεθανόλης είναι χαμηλός και απαιτείται προσθήκη ουσιών για την ενίσχυση της ανάφλεξης. Εξαιτίας της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητάς της, τα οχήματα μεθανόλης απαιτούν πολύ μεγαλύτερη δεξαμενή αποθήκευσης (70-75% μεγαλύτερη) έναντι των αντίστοιχων οχημάτων βενζίνης, με συνεπαγόμενη αύξηση του βάρους του οχήματος. Προβλήματα επίσης υπάρχουν κατά την κρύα εκκίνηση (κατά την εξάτμιση απαιτείται τριπλάσια ενέργεια σε σχέση με την βενζίνη) ενώ ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στα υλικά των συστημάτων αποθήκευσης για την αποφυγή διάβρωσης και χημικών αντιδράσεων με την μεθανόλη. Η μεθανόλη είναι το πλέον διαδεδομένο καύσιμο που χρησιμοποιείται σε κυψέλες καυσίμου, παρόλο που θεωρητικά κάθε καύσιμο που περιέχει υδρογόνο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Η παραγωγή υδρογόνου από την μεθανόλη γίνεται Mazza, 2000 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 68

71 από έναν αναμορφωτή εγκατεστημένο πάνω στο όχημα και με παραπροϊόντα CO και CO 2. Τέλος, η συνολική (ανάλυσης κύκλου ζωής) κατανάλωση ενέργειας της μεθανόλης είναι σχετικά υψηλή, ειδικά όταν παράγεται από βιομάζα. Οι συνολικές εκπομπές HC είναι υψηλές, ειδικά για την παραγωγή μεθανόλης από φυσικό αέριο, ενώ οι συνολικές εκπομπές CO 2 της μεθανόλης από βιομάζα είναι χαμηλές 85. Το σημαντικότερο μειονέκτημα για την χρήση της μεθανόλης ως καύσιμο κίνησης είναι το υψηλό κόστος και η σημαντική διακύμανση της τιμής της. Ενδεικτικά, το 1999 η μέση τιμή της μεθανόλης στις Η.Π.Α (σε 38 πρατήρια καυσίμων στην Καλιφόρνια) ήταν 0,88-1,10 $ και η αντίστοιχη τιμή της βενζίνης ήταν 1,54 $. Το ενεργειακό περιεχόμενο της μεθανόλης είναι σχεδόν το μισό της βενζίνης οπότε προκύπτει ότι απαιτείται διπλάσια ποσότητα καυσίμου για την κάλυψη της ίδιας απόστασης 86. Δεν προβλέπεται στο άμεσο μέλλον να έχει ανταγωνιστική τιμή έναντι των συμβατικών καυσίμων εκτός κι αν υπάρξει ραγδαία αύξηση της τιμής του πετρελαίου Βιοαέριο Το Βιοαέριο είναι ένα μίγμα αερίων, κυρίως CH 4 και CO 2, το οποίο προκύπτει από την αναερόβια χώνευση απορριμμάτων όπως είναι τα οικιακά, τα βιομηχανικά, τα αγροτικά καθώς και τους βιολογικούς καθαρισμούς υγρών αποβλήτων. Με την διαδικασία εμπλουτισμού φυσικού αερίου οδηγούμαστε στο Υποκατάστατο Φυσικό Αέριο - ΥΦΑ - το οποίο δύναται να το χρησιμοποιήσω σε οχήματα ως καύσιμο κίνησης. Ο εμπλουτισμός περιλαμβάνει απομάκρυνση του CO 2 το οποίο αποτελεί το 30-45% του Βιοαερίου (έναντι μόλις <1% στο φυσικό αέριο), καθώς και άλλων αέριων προσμίξεων που περιέχονται σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις όπως το H 2 S. To Βιοαέριο λοιπόν μετατρέπετε σε φυσικό αέριο με συνέπεια τα οχήματα που το χρησιμοποιούν για την κίνηση τους να εκπέμπουν τους ίδιους ρύπους με αυτά του φυσικού αερίου. Το πλεονέκτημα όμως που προσφέρει η χρήση του έγκειται στο γεγονός ότι αποτελεί ανανεώσιμο καύσιμο και ως τέτοιο απελευθερώνει κατά την διάρκεια της καύσης του CO 2 το οποίο προηγούμενα είχε δεσμευτεί από την ατμόσφαιρα. Χρησιμοποιείται ως καύσιμο σε οχήματα στην Σουηδία, όπου το εθνικό πρότυπο καθορίζει ότι το αέριο καύσιμο πρέπει να περιέχει κατ ελάχιστο 95% CH 4. Προσφάτως άρχισε η χρήση του και στην Ελβετία σε μικρή κλίμακα. Διαπιστώνεται ότι η χρήση του (βλ. πρόγραμμα NGV Europe) για την κίνηση οχημάτων είναι περιορισμένη εν αντιθέσει με αυτή της παραγωγής ενέργειας σε μονάδες αποκεντρωμένες και μικρής ισχύος κοντά στους τόπους παραγωγής του. Πιο διαδεδομένη είναι η χρήση LPG που παράγεται από φυσικό αέριο ή πετρέλαιο, αλλά δεν είναι ανανεώσιμο. Η μεγαλύτερη εφαρμογή του είναι στην Βιέννη σε στόλο 500 λεωφορείων για διάστημα μεγαλύτερο των 30 ετών και τα πλεονεκτήματα που προσφέρονται αναφέρονται σε μειωμένες εκπομπές NOx και PM AUTOMOTIVE FUELS FOR THE FUTURE: The search for Alternatives I.E.A LPG Bus ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 69

72 6. ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ( FUEL CELL) Η κυψέλη καυσίμου είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή που ενώνει το Υδρογόνο H 2 με το O 2 με αποτέλεσμα την παραγωγή νερού H 2 O, θερμότητα και ηλεκτρισμό. Αποτελεί μια εκ των πλέον υποσχόμενων τεχνολογιών από την οποία προσδοκούμε την παραγωγή καθαρής και αποδοτικής ισχύος με πλήθος εφαρμογών, μεταξύ των οποίων και ο κλάδος των μεταφορών, και δη των αστικών μεταφορών. Το έντονο ενδιαφέρον για την τεχνολογική αυτή καινοτομία καταδεικνύεται και εκ του γεγονότος ότι η πλειοψηφία των εταιρειών κατασκευής οχημάτων συμμετέχει σε σημαντικά ερευνητικά προγράμματα για την προαγωγή της τεχνολογίας και τον περιορισμό του κόστους καθώς και του τεχνολογικού ρίσκου. Στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β δίνονται επιπλέον στοιχεία σχετικά με την παραγωγή και την τεχνολογία του συστήματος Επιλογές τροφοδοσίας με καύσιμο Το υδρογόνο είναι αέριο καύσιμο που δύναται να παραχθεί από οποιαδήποτε πρώτη ύλη που περιέχει υδρογόνο. Οι δυο βασικές μέθοδοι παραγωγής του είναι η ηλεκτρόλυση του νερού και η αναμόρφωση με ατμό ή εξαερίωση της πρώτης ύλης που περιέχει υδρογόνο Μέθοδοι παραγωγής του υδρογόνου Το φυσικό αέριο αποτελεί τη κυριότερη πρώτη ύλη για παραγωγή υδρογόνου με τη Μέθοδο της Αναμόρφωσης με ατμό κατά την οποία το φυσικό αέριο μετατρέπεται σε αέριο σύνθεσης και το CO και το CO 2 απομακρύνονται. Άλλες πρώτες ύλες μπορεί να είναι το προπάνιο και η νάφθα. Τα βαρέα έλαια (π.χ. μαζούτ), ο άνθρακας και η βιομάζα μπορούν να μετατραπούν σε υδρογόνο με εξαερίωση. Κατά την Ηλεκτρόλυση, το νερό διαχωρίζεται στα συστατικά του (H 2, O 2 ) με τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος σε έναν ηλεκτρολύτη. Στην μέθοδο αυτή, η παραγωγή ρεύματος παίζει πρωτεύοντα ρόλο στο κόστος παραγωγής, στην περιβαλλοντική συμπεριφορά και την ενεργειακή κατανάλωση της μονάδας. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από ανανεώσιμες μορφές ενέργειας, όπως η υδροηλεκτρική και η αιολική ενέργεια, για την ηλεκτρόλυση του νερού οδηγεί σε πολύ χαμηλές εκπομπές ρύπων. Αντίθετα, η παραγωγή ηλεκτρισμού από την καύση άνθρακα οδηγεί σε σχετικά υψηλές εκπομπές ρύπων. Οι συνολικές εκπομπές εξαρτώνται από τη μέθοδο παραγωγής, ενώ η συνολική ενεργειακή κατανάλωση είναι πολύ μεγαλύτερη συγκριτικά με όλα τα υπόλοιπα καύσιμα, ειδικά στο στάδιο παραγωγής του καυσίμου AUTOMOTIVE FUELS FOR THE FUTURE: The search for Alternatives I.E.A 1999 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 70

73 Το υδρογόνο ως καύσιμο κίνησης Το ενεργειακό περιεχόμενο του υδρογόνου (κατ όγκο) είναι χαμηλό (1m 3 H 2 = 0.3lit Diesel) και συνεπώς απαιτείται πολύ μεγαλύτερο σύστημα αποθήκευσης επί του οχήματος 89. Εντούτοις, έχει υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο κατά μάζα (1kg H 2 = 2.79kg Diesel) και υψηλό βαθμό οκτανίου με αποτέλεσμα η απόδοση του σε κινητήρα εσωτερικής καύσης να είναι υψηλότερη. Χρησιμοποιείται και σε κυψέλες καυσίμου (μετατροπή του σε ηλεκτρική ενέργεια), αλλά τόσο η τιμή του καυσίμου όσο και το κόστος των οχημάτων είναι ιδιαίτερα υψηλό. Η αποθήκευση του υδρογόνου στα οχήματα είναι δυνατή σε διάφορες μορφές και αποτελεί πολύ σημαντικό παράγοντα αξιολόγησής του ως καύσιμο. Τρεις βασικοί τύποι αποθήκευσης του υδρογόνου υπάρχουν, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 9. Αυτοί είναι : Υψηλής πίεσης αέριο υδρογόνο (200 bar) Απαιτείται 20 φορές μεγαλύτερος όγκος δεξαμενής και η υψηλή πίεση δημιουργεί σοβαρά προβλήματα ασφάλειας. Υγροποιημένο υδρογόνο σε 253 ο C (κρυογονική μέθοδο) με πολύ καλά μονωμένη δεξαμενή. Η δεξαμενή ζυγίζει περίπου 1,5 φορές πάνω από το βάρος αντίστοιχης δεξαμενής βενζίνης και έχει 4πλάσιο όγκο. Το βασικό πρόβλημα είναι οι απώλειες εξάτμισης. Ακόμη και με άριστη μόνωση της δεξαμενής και πίεση 5 bar, μετά από 3-4 μέρες οι απώλειες εξάτμισης είναι 1% ημερησίως. Μόνο η συνεχής χρήση του οχήματος και η τακτική πλήρωσή του μειώνει το πρόβλημα. Σε Υδρίδια, όπου το υδρογόνο είναι χημικά ενωμένο με μεταλλικά στοιχεία και απελευθερώνεται ως αέριο. Η μέθοδος δεν παρουσιάζει προβλήματα ασφάλειας (50 bar πίεση και 25 ο C) αλλά απαιτείται πολύ μεγάλο βάρος αποθήκευσης του συστήματος (20πλάσιο της δεξαμενής βενζίνης). Επιπρόσθετα, τα υδρίδια έχουν μεγάλη ευαισθησία σε ρυπογόνες ουσίες (νιτρικά και θειικά στοιχεία) και απαιτείται ενέργεια για την εξαγωγή του υδρογόνου από τα μεταλλικά στοιχεία. α β γ Εικόνα 9 Αποθήκευση υδρογόνου α. Υψηλής πίεσης αέριο β. Υγροποιημένο γ. Υδρίδια 90. Τα όρια αναφλεξιμότητας του υδρογόνου είναι ευρεία και απαιτείται πολύ χαμηλή ενέργεια ανάφλεξης. Το γεγονός αυτό καθιστά το υδρογόνο ιδιαίτερα επικίνδυνο, ειδικά σε κλειστούς χώρους. Μπορεί να καεί ακόμη και με πολύ φτωχό 89 CUTE : Detailed summary of achievements ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 71

74 μείγμα καυσίμου-αέρα και εξαιτίας της γρήγορης διάδοσης της φλόγας η καύση είναι εκρηκτική. Συνεπώς, ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στην αποθήκευση και χρήση του υδρογόνου καθώς επίσης και στις πιθανές διαρροές του καυσίμου. Προκειμένου να υπερκεραστεί το ανωτέρω αναφερόμενο πρόβλημα της επικινδυνότητας του καθαρού H 2, οδηγούμαστε στον εφοδιασμό των οχημάτων με υγρά καύσιμα τα οποία περιέχουν μεγάλο ποσοστό Υδρογόνου. Ως τέτοια θεωρούνται τα Βιοκαύσιμα ή το Φυσικό Αέριο. Η μεταφορά και διανομή των καυσίμων αυτών είναι σημαντικά πιο εύκολη και οικονομική καθώς παρουσιάζουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, σταθερότητα, δεν χρειάζονται συμπίεση, ενώ χρησιμοποιούν την υπάρχουσα υποδομή ανεφοδιασμού των οχημάτων. Προϋπόθεση για τον εφοδιασμό των οχημάτων με τα εναλλακτικά καύσιμα που προαναφέρθηκαν είναι ο εφοδιασμός των οχημάτων εκτός του συγκροτήματος fuel cell, με έναν αναμορφωτή reformer προκειμένου να εξάγουν το καθαρό H 2 από το υγρό καύσιμο. Μειονέκτημα της εγκατάστασης του είναι προσθέτουν επιπλέον κόστος, βάρος και όγκο στο όχημα, ενώ κατά την διάρκεια λειτουργίας τους εκπέμπουν αέριους ρύπους από τα αέρια παραπροϊόντα που σχηματίζονται. 91 Μια τέτοια συσκευή είναι η GH 2 (Green HydroGenerator) κατασκευής της ελληνικής εταιρείας ΕΛΒΙΟ Α.Ε. που δύναται να μετατρέψει την βιοαιθανόλη σε H 2. Στην λειτουργία της ενσωματώνει το σύνολο της παγκόσμιας τεχνολογίας αιχμής στο τομέα της κατάλυσης καθώς : 1. Λειτουργεί αθόρυβα, χωρίς να εκπέμπει κανένα απολύτως ρύπο στο περιβάλλον γεγονός που την κάνει ιδανική για προστατευμένα οικοσυστήματα. 2. Λειτουργεί εντελώς αυτόματα, χωρίς να χρειάζεται συνεχώς χειριστή, με απόλυτη ασφάλεια. 3. Δεν απαιτεί την συντήρηση που χρειάζονται τα μηχανικά συστήματα παραγωγής ενέργειας, αφού λειτουργεί περίπου όπως οι μπαταρίες. 4. Καταλαμβάνει σαράντα φορές μικρότερο όγκο από αναμορφωτές συμβατικής τεχνολογίας. 5. Μπορεί να χρησιμοποιεί από ένα φάσμα πρώτων υλών αιθανόλη, μεθάνιο LPG - αυτή με την πιο συμφέρουσα τιμή, ανά εποχή. 6. Είναι οικονομικότερη των συμβατικών συστημάτων παραγωγής ενέργειας, (πχ ηλεκτρογεννήτριες ντίζελ) συνεργαζόμενο με τα περισσότερα είδη Fuel Cell. 7. Είναι σχεδιασμένη για εύκολη εγκατάσταση και μεταφορά. 8. Χρησιμοποιώντας Βιοαιθανόλη δίνει για πρώτη φορά τη δυνατότητα για παραγωγή 100% ανανεώσιμης και φθηνής ενέργειας, αφού η αιθανόλη μπορεί να παραχθεί φθηνά και οικολογικά από ειδικά φυτά (ή από αγροτικά και οργανικά απόβλητα) στα περισσότερα σημεία του πλανήτη. 91 Το καύσιμο του αύριο ecotec.gr ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 72

75 6.2. Tο Λεωφορείο Fuel Cell Οι πρώτες εφαρμογές λεωφορείων της νέας αυτής τεχνολογίας ( ) χρησιμοποιούσαν τα φωσφορικού οξέος κυψέλες καυσίμου (PAFC), ενώ τα τελευταία χρόνια όλα τα λεωφορεία που παρουσιάστηκαν διεθνώς και λαμβάνουν μέρος σε διάφορα πιλοτικά προγράμματα χρησιμοποιούν τα μεμβράνης ανταλλαγής ιόντων κελιά καυσίμου (PEM) λόγω της μεγάλης πυκνότητας ισχύος, της γρήγορης εκκίνησης και της προοπτικής της σημαντικής μείωσης του κόστους του, εφόσον πρόκειται για μαζική παραγωγή. Το μεμονωμένο PEM κελί καυσίμου παρέχει 0,5-1 Volt τάση και συνήθως τις δέσμες κελιών καυσίμου αποτελούν 100 περίπου μεμονωμένα κελιά. Ειδικότερα τη πρωτοπορία στη συγκεκριμένη τεχνολογία κατέχει η εταιρεία Daimler-Benz η οποία : I. Το 1994 παρουσίασε το πρώτο λεωφορείο Fuel Cell. II. Εν συνεχεία το 1997 παρουσίασε το πειραματικό λεωφορείου Nebus (New Electric Bus) το οποίο είχε ως κινητήριο σύστημα 10 συστοιχίες κυψελών καυσίμου και αυτονομία 250km. III. Το 1998 η εταιρεία παρουσίασε στις ΗΠΑ το λεωφορείο P3, το οποίο συμμετείχε σε ερευνητικό πρόγραμμα στο Σικάγο (Chicago Transit Authority - CTA) και το Βανκούβερ(British Columbia Transit Authority - BCT) με στόλο 3 οχημάτων σε κάθε πόλη από το 1998 έως το IV. Το 1999 βασιζόμενη σε δεδομένα του προηγούμενου προγράμματος, η εταιρεία παρουσίασε τον απόγονο του P3 το Zebus(Zero Emission BUS - P4) το οποίο χρησιμοποιούσε κεντρικό κινητήρα Fuel Cell. Οι βελτιώσεις που προέκυψαν στο P4 Zebus λεωφορείο εν σχέση με το P3 είναι: - Μείωση του όγκου κατά 50%. - Οι δέσμες κελιών καυσίμου μειώθηκαν από 20 σε 8. - Ένας κινητήρας μόνο σε σχέση με τους 12 που είχε το P3. - Μείωση του χρόνου εκκίνησης από 45 σε 3 δευτερόλεπτα. - Σημαντική μείωση του κόστους συντήρησης (περίπου 90%). V. To 2003 παρουσίασε το λεωφορείο Mercedes Benz CITARO λεπτομερή παρουσίαση για το οποίο γίνεται εν συνεχεία. Άλλες εταιρείες οι οποίες ανέπτυξαν λεωφορεία Fuel Cell στα πλαίσια ερευνητικών πιλοτικών προγραμμάτων είναι η γερμανική MAN και η αμερικανική ISE. Εν συνεχεία περιγράφονται τα χαρακτηριστικά λεωφορείων κυψελών καυσίμου τα οποία αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο διεθνών πιλοτικών ερευνητικών προγραμμάτων. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 73

76 Τα Λεωφορεία κελιών καυσίμου της MAN Η εταιρεία ΜΑΝ σχεδίασε και κατασκεύασε, συνεργαζόμενη και με άλλες εταιρείες, δυο τύπους λεωφορείων κυψελών καυσίμου. Το ένα λεωφορείο σχεδιάστηκε για το Ευρωπαϊκό πρόγραμμα THERMIE / ENERGIE «Λεωφορείο κελιών καυσίμου για το Βερολίνο, την Κοπεγχάγη και την Λισσαβόνα» και χρησιμοποιεί ως καύσιμο υγροποιημένο υδρογόνο (LH 2 ). Το δεύτερο χρησιμοποιεί ως καύσιμο αέριο υδρογόνο (συμπιεσμένο 250 bar) και δρομολογήθηκε εντός του 2000 στη Νυρεμβέργη και την Ερλάγκεν (Γερμανία) στα πλαίσια προγράμματος που χρηματοδοτήθηκε κατά 50% από την τοπική κυβέρνηση της Βαυαρίας. Το λεωφορείο κυψελών καυσίμου με υγροποιημένο Η 2 ως καύσιμο Το λεωφορείο MAN N L223 είναι χαμηλού δαπέδου λεωφορείο που κινείται με ένα σύστημα κυψελών καυσίμου αντί μιας πετρελαιοκίνητης μηχανής. Το σύστημα τροφοδοσίας αποτελείται από 2 θερμομονωμένες φιάλες 350 lit υγροποιημένου υδρογόνου (LH 2 ) σε θερμοκρασία -253 o C. Οι φιάλες αποθήκευσης και οι διάφορες διατάξεις ασφαλείας καθώς και ένα υψηλής απόδοσης σύστημα πυκνωτών (supercaps) βρίσκονται στην οροφή του λεωφορείου. Στην Εικόνα 10 δίνεται μια τεχνική περιγραφή του συγκεκριμένου λεωφορείου της ΜΑΝ. Μονάδα ψύξης σύστημα πυκνωτών (supercaps μπαταρία) αποθήκευση LH 2 Σύστημα κελιών καυσίμου Ηλεκτροκινητήρες Εικόνα 10 Τεχνική περιγραφή Λεωφορείου Fuel Cell MAN με LH 2 ως καύσιμο 92 Το σύστημα κυψελών καυσίμου αποτελείται από 5 δέσμες των 30kW, δηλ. συνολικής μέγιστης ισχύος 150kW, ευρισκόμενο στο πίσω μέρος του λεωφορείου όπως και οι δυο ηλεκτροκινητήρες που διαθέτει. Προς παροχή της μέγιστης απαιτούμενης ισχύος κατασκευάστηκε ένα σύστημα πυκνωτών που «εκμεταλλεύεται» την ενέργεια πέδησης και την αποθηκεύοντας την (supercaps υβριδική μπαταρία) προκειμένου να «χρησιμοποιηθεί» στην επανεκκίνηση του λεωφορείου. Οι κυψέλες καυσίμου παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις πλέον ανεπτυγμένες μπαταρίες. Παρέχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα (π.χ. 250 W/kg ή 0.3 kw/l) με μικρότερες απαιτήσεις χώρου και βάρους, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό στα οχήματα και ειδικά στα λεωφορεία. Η μπαταρία των κυψελών καυσίμου δεν απαιτεί επαναφόρτιση, έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, δεν εμπεριέχει υγρούς διαβρωτικούς ηλεκτρολύτες ή κινητά μέρη και τα επιμέρους 92 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 74

77 τμήματά της δύναται να ανακυκλωθούν εύκολα αποφεύγοντας τα προβλήματα τελικής διάθεσης των μπαταριών. Αυτά τα χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου την καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστική σε εφαρμογές όπου υφίσταται ασυνεχής λειτουργία η δε ασφάλεια και αξιοπιστία αποτελούν πρώτης προτεραιότητας ζητήματα, όπως για παράδειγμα τα αστικά λεωφορεία. Αποθήκευση υγροποιημένου υδρογόνου Τα συστήματα αποθήκευσης υγροποιημένου H 2 (συγκριτικά με το αέριο) είναι πολύ πιο αποδοτικά ως προς τον όγκο και το βάρος και για αυτό είναι προτιμητέα. Δημιουργούν όμως μεγαλύτερες απαιτήσεις διότι ο συνδυασμός βέλτιστου χώρου και βάρους στο λεωφορείο με ταυτόχρονη υψηλής ποιότητας μόνωση είναι ζητήματα αντιφατικά. Σταθμός ανεφοδιασμού Η τροφοδοσία του λεωφορείου με H 2 διαρκεί μερικά min, προσδίδοντας στα λεωφορεία κελιών καυσίμου μια ημερήσια αυτονομία > 400 km ανά δεξαμενή προκειμένου να ανταπεξέλθουν σε κανονικές αστικές εφαρμογές. Για την τροφοδοσία του λεωφορείου με υγροποιημένο H 2, σχεδιάστηκε κατά την πρώτη φάση, ένας κινητός σταθμός τροφοδοσίας (Εικόνα 11), με την δεξαμενή και τις διατάξεις άντλησης να είναι προσαρτημένες σε ένα τρέϊλερ. Κινητή δεξαμενή: 6080 lit Συνολικό βάρος: 9700 kg Πίεση: Στατική 10 bar Δυναμική 2 bar Τεχνολογία τροφοδοσίας: Διαφορά πίεσης Βαθμός εξάτμισης: περίπου 1% Διαδικασία τροφοδοσίας: πάνω από 65 lit/min Εικόνα 11 Κινητός σταθμός τροφοδοσίας υγροποιημένου 93 Εν συνεχεία κατά τη δεύτερη φάση, κατασκευάστηκε ένας σταθερός σταθμός τροφοδοσίας υγροποιημένου H 2 στο Βερολίνο με δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας lit με τεχνολογία τροφοδοσίας υψηλής ασφάλειας (Εικόνα 12 ). Ο σταθμός άρχισε να λειτουργεί τον Οκτώβριο του Εικόνα 12 Ο Σταθμός ανεφοδιασμού με υγροποιημένο Η 2 στο Βερολίνο ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 75

78 Το λεωφορείο κελιών καυσίμου με συμπιεσμένο αέριο Η 2 ως καύσιμο Το λεωφορείο ΜΑΝ NL 263 είναι χαμηλού δαπέδου αστικό λεωφορείο κυψελών καυσίμου. Το σύστημα Fuel Cell παρέχει 120kW ισχύ αποτελούμενο από 4 διατάξεις κυψελών καυσίμου (640 μεμονωμένες κυψέλες καυσίμου) που λειτουργούν σε θερμοκρασία 60 o C, με κατανάλωση υδρογόνου ανερχόμενη σε 8kg/h. Το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο για την λειτουργία του λεωφορείου. Δυο ασύγχρονοι κινητήρες (μέγιστη ισχύς 2Χ75kW) συνδέονται μέσω ενός «αθροιστικού» κιβωτίου ταχυτήτων και μεταδίδουν απευθείας την κίνηση στον άξονα των τροχών. Το σύστημα αποθήκευσης του υδρογόνου αποτελείται από εννιά φιάλες συνολικής χωρητικότητας 1548 lit και μέγιστης πίεσης 250 bar. Προς μείωση του βάρους είναι κατασκευάζονται από αλουμίνιο έχοντας περίβλημα από ίνες άνθρακα. Το δε αποθηκευμένο H 2 προσδίδει αυτονομία αστικής διαδρομής 250 km Τόσο οι δεξαμενές H 2 όσο και άλλα τμήματα του λεωφορείου, όπως το σύστημα απαγωγής θερμότητας που παράγεται από τις κυψέλες καυσίμου και ο μετατροπέας ισχύος βρίσκονται στην οροφή του λεωφορείου. Στην Εικόνα 27 φαίνονται τα επιμέρους συστήματα του λεωφορείου. Αποθήκευση συμπιεσμένου υδρογόνου Ψύξη Μετατροπέας ισχύος Αντιστάσεις πέδησης Συμπυκνωτής Ηλεκτροκινητήρες 2 Χ 75 kw 4 μονάδες κελιών καυσίμου Χ 30kW Συμπιεστής Φίλτρο αέρος Εικόνα 13 Τεχνική περιγραφή του Λεωφορείου Fuel Cell της MAN με καύσιμο συμπιεσμένο H ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 76

79 Το Λεωφορείο Mercedes - Benz CITARO Το λεωφορείο Mercedes-Benz CITARO Fuel Cell της εταιρείας Εvobus θυγατρικής της Daimler Chrysler, κατασκευάστηκε το 2002 στα πλαίσια του προγράμματος CUTE και δρομολογήθηκε από το 2003 σε 10 Ευρωπαϊκές πόλεις (27+3 λεωφορεία) μέσω των Ευρωπαϊκών προγραμμάτων CUTE και ECTOS, στο Perth της Αυστραλίας δια του προγράμματος STEP (3 λεωφορεία) και σε πιλοτικό πρόγραμμα στο Πεκίνο (3 λεωφορεία) 96. Με συνολικό αριθμό 36 παραγόμενων οχημάτων αποτελεί τον μεγαλύτερο παγκόσμια στόλο λεωφορείων κυψελών καυσίμου. Εικόνα 14 Χώρες όπου χρησιμοποιείται το λεωφορείο Mercedes - Benz CITARO Fuel Cell 97 Το Λεωφορείο Mercedes-Benz CITARO Fuel Cell (Εικόνα 15), είναι χαμηλού δαπέδου λεωφορείο με μήκος 12 m, αυτονομία κίνησης km αναλόγως των κυκλοφοριακών συνθηκών, μεταφορική ικανότητα άνω των 70 επιβατών και μέγιστη ταχύτητα 80km/h. Η μονάδα κυψελών καυσίμου καθώς και το σύστημα αποθήκευσης αέριου H 2 πίεσης 350 bar, είναι της εταιρείας Xcellis, θυγατρικής της Daimler Chrysler. Η ισχύς εξόδου του συστήματος κελιών καυσίμου είναι πάνω από 200kW. Στην Εικόνα 16 απεικονίζεται Εικόνα 15 Λεωφορείο Mercedes - Benz CITARO η θέση των κυριότερων συστημάτων του λεωφορείου & CUTE : Final Report CUTE : Final Report ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 77

80 Φιάλες αποθήκευσης υδρογόνου Μονάδα τροφοδοσίας κελιών καυσίμου Κελιά καυσίμου Μονάδα κλιματισμού Κιβώτιο ταχυτήτων Ηλεκτροκινητήρας Βοηθητικά στοιχεία Εικόνα 16 Αποτύπωση των κυριότερων συστημάτων του Mercedes - Benz CITARO 98 Το σύστημα αποθήκευσης του υδρογόνου αποτελείται από εννέα υπό πίεση φιάλες ευρισκόμενες στο μπροστινό μέρος της οροφής του λεωφορείου. Η μονάδα τροφοδοσίας των κελιών καυσίμου ρυθμίζει τη ροή του υδρογόνου και του αέρα στα κελιά καυσίμου καθώς και τη ροή του ψυκτικού υγρού που ρέει μεταξύ των δεσμών κελιών καυσίμου για τη ρύθμιση της βέλτιστης θερμοκρασίας λειτουργίας του συστήματος. Η μονάδα κελιών καυσίμου αποτελείται από δυο δέσμες κελιών καυσίμου. Όλα τα συστήματα που λειτουργούν με το υδρογόνο γειτνιάζουν και βρίσκονται στην οροφή του λεωφορείου, γεγονός που αυξάνει την ασφάλεια της λειτουργίας του λεωφορείου. Ο ηλεκτροκινητήρας, ο οποίος τροφοδοτείται με ρεύμα από τον εναλλάκτη συνεχούς-εναλλασσόμενου ρεύματος, παρέχει την κινητήρια ισχύ καθώς και την ισχύ λειτουργίας όλων των βοηθητικών στοιχείων που βρίσκονται στο πίσω μέρος του λεωφορείου. Το κιβώτιο ταχυτήτων του λεωφορείου κελιών καυσίμου είναι παρόμοιο με το συμβατικό κιβώτιο ταχυτήτων. Η βασική διαφορά είναι ως προς το λόγο γραναζιών αφού η μέγιστη ροπή σε μια ηλεκτρομηχανή εμφανίζεται και σε πολύ χαμηλές στροφές (σε σχέση με τις μεσαίες και υψηλές στροφές των μηχανών εσωτερικής καύσης). Τα βοηθητικά στοιχεία είναι ίδια όπως και σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης και γι αυτό είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν στοιχεία μαζικής παραγωγής με ελάχιστες ή καθόλου τροποποιήσεις για την χρήση τους στο λεωφορείο κελιών καυσίμου. Τα βοηθητικά αυτά στοιχεία είναι οι αντλίες ψύξης και λίπανσης, ο συμπιεστής πέδησης, η αντλία υδραυλικού συστήματος διεύθυνσης (τιμόνι), ο συμπιεστής της κλιματιστικής μονάδας κ.ά. 98 Final Report ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 78

81 Λεωφορείο Fuel Cell της αμερικανικής ISE Η εταιρεία ISE κορυφαία στα συστήματα κυψελών καυσίμου στις ΗΠΑ, ξεκίνησε το 2002 έπειτα από σύμβαση με τις AC Transit και SunLine Transit ύψους 10εκ.$ την ανάπτυξη 4 υβριδικών λεωφορείων με σύστημα κυψελών καυσίμου ισχύος 120 kw. Το πρωτότυπο ολοκληρώθηκε τον Φεβρουάριο του 2003 και δρομολογήθηκε δοκιμαστικά για 6 μήνες στο Palm Desert της Καλιφόρνιας από την SunLine Transit πετυχαίνοντας ποσοστό διαθεσιμότητας ~90% και σημαντική οικονομία καυσίμων διανύοντας 7-10miles/gal ισοδυνάμου με την βενζίνη καυσίμου. Εν συνεχεία στο β εξάμηνο του 2005 παραδόθηκαν και τα υπόλοιπα 3 λεωφορεία Εικόνα 17 Λεωφορείο Fuel Cell της ISE τα οποία δρομολογήθηκαν στο Los Angeles, το Oakland και το Chula Vista της Καλιφόρνιας με μεγάλη επιτυχία 99 (Διάγραμμα 19). Διάγραμμα 19 Οικονομική και περιβαλλοντική απόδοση λεωφορείου Fuel Cell της ISE Fuel Cell Buses ISE Thundervolt TB40-FCH ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 79

82 Επιπλέον 2 υβριδικά λεωφορεία Fuel Cell παραδόθηκαν την άνοιξη του 2007 στην ευρύτερη περιοχή της Καλιφόρνιας. Παράλληλα η εταιρεία ISE θεωρώντας ότι τα υβριδικά λεωφορεία Fuel Cell αποτελούν ενδιάμεση λύση, μέχρι την ωρίμανση της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου, ανέλαβε στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος κόστους 2.9εκατ.$ που της ανατέθηκε από την Federal Transit Administration, την ευθύνη σχεδιασμού και κατασκευής ενός λεωφορείου Fuel Cell. Βάση του σχεδιασμού αποτέλεσε το πλαίσιο του συμβατικού λεωφορείου Van Hool A Ελληνικό Λεωφορείο Fuel Cell Η ελληνική εταιρεία Tropical και η ερευνητική της μονάδα που συμμετέχουν στην κοινή Ευρωπαϊκή πλατφόρμα ανάπτυξης τεχνολογιών υδρογόνου ανέλαβαν στις 5 Ιουνίου 2006 από το Υπουργείο Μεταφορών την μετακατασκευή στα πλαίσια ερευνητικού προγράμματος ενός συμβατικού diesel minibus σε Λεωφορείο υδρογόνου. Το Λεωφορείο παραδόθηκε τον Μάρτιο του 2007 και έκτοτε οι εργασίες βρίσκονται σε εξέλιξη Κόστος Λεωφορείου Fuel Cell Το κόστος ενός αστικού λεωφορείου κελιών καυσίμου είναι πρωταρχικής σημασίας ζήτημα και η μείωση του κόστους του αποτελεί έναν από τους βασικότερους ερευνητικούς στόχους διεθνώς. Πριν μερικά χρόνια, η δέσμη κελιών καυσίμου, που αποτελεί ένα μόνο μέρος του συνολικού συστήματος κελιών καυσίμου, κόστιζε περίπου /kw. To συνολικό κόστος του συστήματος κελιών καυσίμου (δέσμες κελιών καυσίμων, αναμορφωτής και διάφορα στοιχεία ελέγχου) ανερχότανε το 2000 περίπου σε 300 /kw με τάση περαιτέρω μείωσης βασιζόμενης στη μαζική παραγωγή των συστημάτων, οι οποίες αναμένονταν μετά το Οι κατασκευαστές στοχεύουν στο άμεσο μέλλον με την επίτευξη μαζικής παραγωγής, η τιμή ενός συστήματος κυψελών καυσίμου να ανέλθει ~35-50 /kw. Έτσι ώστε ένα σύστημα παραγωγής ισχύος 50 kw για ένα όχημα θα κοστίζει λιγότερο από 2.500, δηλ. αντίστοιχο κόστος με μια μηχανή εσωτερικής καύσης. Η μείωση του κόστους του συστήματος εξαρτάται κύρια από την μείωση του κόστους του καταλύτη, της μεμβράνης των PEM κυψελών καυσίμου καθώς και άλλων τμημάτων. Η εταιρεία Ballard Power Systems έχει μειώσει την τιμή της διπολικής πλάκας από 100 που ήταν πριν μερικά χρόνια σε 1 ανά πλάκα. Η DuPont αλλά και άλλοι κατασκευαστές έχουν δηλώσει ότι με την επίτευξη μαζικής παραγωγής συστημάτων κυψελών καυσίμου, οι μεμβράνες θα στοιχίζουν περίπου /m 2. Σημαντική μείωση, περίπου 93%, έχει επιτευχθεί και στην ποσότητα πλατίνας που χρησιμοποιείται για τον καταλύτη. Κάποιες έρευνες προσανατολίζονται και στην χρήση ενός μη πολύτιμου μετάλλου αντί της πλατίνας με κόστος μόλις 1% του πλατινένιου καταλύτη. 101 Ελληνικό Popular Science, Απρίλιος 2007 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 80

83 Παρόλα αυτά το κόστος του λεωφορείου Mercedes-Benz CITARO που δρομολογείται στην Ευρώπη (μέσω των προγραμμάτων CUTE και ECTOS) στοιχίζει περίπου 1,2εκατ. περιλαμβανομένων των εξόδων συντήρησης για δυο χρόνια. Σε κάθε περίπτωση, το κόστος της τεχνολογίας κελιών καυσίμου δεν είναι το σημαντικότερο ζήτημα για την ευρεία εφαρμογή της μεθόδου στα οχήματα και ιδιαίτερα στα αστικά λεωφορεία αφού αυτό αναμένεται να ξεπεραστεί μερικώς τα επόμενα χρόνια. Το ουσιαστικότερο πρόβλημα πλέον, μετά και την σημαντική και συνεχόμενη μείωση του κόστους του συστήματος κελιών καυσίμου, είναι η δημιουργία της υποδομής τροφοδοσίας (δημιουργία δικτύου πρατηρίων καυσίμου) και συντήρησης του οχήματος Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνολογίας Fuel Cell Οι μηχανές εσωτερικής καύσης των πετρελαιοκίνητων οχημάτων μετατρέπουν το 40% περίπου του ενεργειακού περιεχομένου του πετρελαίου σε μηχανική ισχύ. Όμως παρά το γεγονός ότι οι αυτοκινητοβιομηχανίες τα τελευταία χρόνια έχουν αυξήσει την απόδοση και έχουν βελτιώσει την περιβαλλοντική συμπεριφορά των οχημάτων, υπάρχει ένα όριο καλής λειτουργίας και απόδοσής τους. Οι κυψέλες καυσίμου αντίθετα, παρουσιάζουν απόδοση 40-70% της ενέργειας του καυσίμου, ενώ το μεγαλύτερό πλεονέκτημα τους είναι οι πολύ χαμηλές σχεδόν μηδενικές εκπομπές αερίων ρύπων. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι ένα όχημα κυψελών καυσίμου που τροφοδοτείται με καθαρό υδρογόνο «εκπέμπει» μόνο ατμό. Η ευελιξία επιλογής καυσίμου μεταξύ αρκετών πλούσιων σε υδρογόνο υγρών ή αερίων καυσίμων (φυσικό αέριο, υγροποιημένο προπάνιο, αιθανόλη, μεθανόλη) είναι επίσης σημαντικός παράγοντας για την περαιτέρω ανάπτυξη και εφαρμογή της τεχνολογίας κυψελών καυσίμου. Επιπλέον, η έλλειψη κινούμενων στοιχείων στις κυψέλες καυσίμου (σε σχέση με τις συμβατικές μηχανές) και η αθόρυβη ηλεκτροχημική διαδικασία παραγωγής ενέργειας καθιστούν τα οχήματα Fuel Cell πολύ πιο αθόρυβα, αξιόπιστα, ασφαλή και ευκολοσυντήρητα από τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Παρά όμως τα σημαντικά πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η νέα αυτή τεχνολογία, βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό στάδιο και γι αυτό το κόστος κτήσης ενός λεωφορείου είναι αρκετά μεγαλύτερο από το κόστος ενός πετρελαιοκίνητου λεωφορείου. Σύμφωνα όμως με τους ερευνητές και διάφορες οικονομικές αναλύσεις κύκλου ζωής, τα επόμενα χρόνια, και εφόσον οι γραμμές παραγωγής των λεωφορείων κυψελών καυσίμου προχωρήσουν σε μείωση του κόστους παραγωγής και αύξηση της αντοχής της δέσμης κυψελών καυσίμου (π.χ. φθηνότερα υλικά) το κόστος κτήσης ενός λεωφορείου Fuel Cell θα καταστεί πολύ μικρότερο από ένα πετρελαιοκίνητο λεωφορείο. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 81

84 Επίσης, θέματα όπως η μείωση βάρους και μεγέθους των διαφόρων τμημάτων ενός συστήματος παραγωγής ισχύος κυψελών καυσίμου καθώς και η αύξηση της αντοχής και αξιοπιστίας του συστήματος σε δύσκολες συνθήκες λειτουργίας και αυξημένες ανάγκες ισχύος (κλίσεις δρόμων, επιτάχυνση, εκκίνηση κ.λπ.) πρέπει να αντιμετωπισθούν για την βελτίωση της αποδοτικότητας του συστήματος. Ένας σημαντικός παράγοντας οικονομικής και περιβαλλοντικής ανάλυσης της νέας τεχνολογίας είναι η διαθεσιμότητα και η επεξεργασία του καυσίμου που χρησιμοποιείται. Η διαδικασία της επεξεργασίας καυσίμων υδρογονανθράκων (φυσικό αέριο, πετρέλαιο κ.λπ.) για την παραγωγή H 2 παράγει παρόμοιες ή και μεγαλύτερες ποσότητες CO 2 συγκριτικά με την απευθείας χρήση τους ως καύσιμα στα οχήματα. Αντιθέτως, η χρησημοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (υδροηλεκτρισμός, ηλιακή ενέργεια κ.λπ.) για την παραγωγή και διακίνηση υδρογόνου μειώνει σημαντικά τις εκπομπές θερμοκηπίου σε σχέση με την χρήση των καυσίμων υδρογονανθράκων στα οχήματα και τις εκπομπές καύσης τους. Συνεπώς, απαιτείται περαιτέρω ανάπτυξη των συστημάτων επεξεργασίας των καυσίμων υδρογονανθράκων για την παραγωγή υδρογόνου. Σε γενικές γραμμές όμως, σύμφωνα και με τις αυτοκινητοβιομηχανίες, τα οχήματα της τεχνολογίας κυψελών καυσίμου έχουν πολύ καλύτερο συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο εν σχέση με τα εσωτερικής καύσης οχήματα που χρησιμοποιούν υδρογόνο. Τέλος, η ανάπτυξη των υποδομών τροφοδοσίας, η επίλυση θεμάτων ασφάλειας και αποθήκευσης καθώς και η ενημέρωση και η παρότρυνση του κοινού για τη χρήση της νέας τεχνολογίας κρίνονται αναγκαίες ενέργειες για την εμπορευματοποίηση και ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας κυψελών καυσίμου στις μεταφορές και ειδικότερα τις ΑΜΜ Fuel Cell Bus ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 82

85 7. ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Τα υβριδικά οχήματα διαθέτουν δύο ή και περισσότερες τεχνολογίες μετατροπής ενέργειας ( συμβατικούς πετρελαιοκινητήρες, Fuel Cell, Γεννήτριες) συνδυασμένα με μια ή περισσότερες τεχνολογίες συσσώρευσης ενέργειας (καύσιμο, μπαταρίες, πυκνωτές). Ο πιο συνηθισμένος σχεδιασμός περιλαμβάνει το συνδυασμό κινητήρα εσωτερικής καύσης και ηλεκτροκινητήρα, ενώ έχουν κάνει την εμφάνισή τους και συστήματα με κινητήρα φυσικού αερίου καθώς και Fuel Cell όπως προαναφέρθηκαν στο προηγούμενο κεφάλαιο. Άμεσο κέρδος της χρησιμοποίησης τους είναι η μείωση του λειτουργικού κόστους λόγω της μειωμένης κατανάλωσης ενέργειας που παρουσιάζουν, ενώ συνεπαγόμενα σοβαρό πλεονέκτημα για τη χρησιμοποίηση τους αποτελούν και οι μειωμένες εκπομπές ρύπων. Στο ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β δίνονται επιπλέον τεχνικά χαρακτηριστικά Το υβριδικό Λεωφορείο Η χρήση υβριδικών λεωφορείων είναι περιορισμένη και βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο συγκριτικά με άλλες τεχνολογίες. Το υβριδικό αστικό λεωφορείο έχει δρομολογηθεί σε κανονικές αστικές συνθήκες μόλις τα τελευταία χρόνια με αποτέλεσμα να απαιτούνται πρόσθετα βήματα ανάπτυξης της τεχνολογίας του προκειμένου να καταστεί το όχημα ανταγωνιστικό και οικονομικά ελκυστικό. Εν συνεχεία εξετάζουμε την περίπτωση του υβριδικού λεωφορείου ORION VII, το οποίο έχει δρομολογηθεί στη Νέα Υόρκη, το Τορόντο και το San Francisco αποτελώντας και την πλέον ευρεία εφαρμογή της νέας τεχνολογίας διεθνώς καθώς και κάποια άλλα μοντέλα. Το υβριδικό λεωφορείο ORION Η χρήση των υβριδικών λεωφορείων τύπου ORION VI ξεκίνησε στα τέλη του 1998 στη Νέα Υόρκη με την πιλοτική δρομολόγηση 10 λεωφορείων. Σε γενικές γραμμές, τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την τριετή εφαρμογή τους αναφέρονταν στη σημαντική μείωση εκπομπών και την αύξηση της απόδοσης του καυσίμου εν σχέση με τα συμβατικά λεωφορεία. Ταυτόχρονα, διαπιστώθηκε το κόστος συντήρησης ήταν σημαντικά αυξημένο ως προς τα συμβατικά λεωφορεία. Περαιτέρω εξέλιξη του συγκεκριμένου λεωφορείου είναι το λεωφορείο ORION VII (Εικόνα 18), το οποίο ήδη δρομολογείται στη Νέα Υόρκη από τα μέσα του Ο συνολικός αριθμός των υβριδικών λεωφορείων της Νέας Υόρκης ανερχόταν σε 325 οχήματα στα τέλη του 2005, αναμένοντας παραλαβές επιπλέον 175 λεωφορείων το 2006 και διατηρώντας δέσμευση παραγγελίας (option) 389 επιπλέον οχημάτων για το Η δε πόλη του Τορόντο μέσω του Toronto Transit Commission έθεσε παραγγελία το 2005 για 150 λεωφορεία, διατηρώντας δέσμευση για επιπλέον 220 το Αντίστοιχα η πόλη του San Francisco έθεσε παραγγελία για 56 λεωφορεία το 2006 με δέσμευση παραγγελίας επιπλέον 56 το Orion VII Hybrid Product Information ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 83

86 Εικόνα 18 Υβριδικό Λεωφορείο ORION VII της Νέας Υόρκης 104 Η μηχανή που χρησιμοποιείται στο υβριδικό λεωφορείο ORION VII είναι μικρότερη από μια μηχανή ενός πετρελαιοκίνητου αστικού λεωφορείου, λειτουργεί σε περιορισμένο εύρος ταχυτήτων και γι αυτό καταναλώνει λιγότερο καύσιμο. Η τεχνική περιγραφή δε του υβριδικού συστήματος του λεωφορείου δίνεται στο Διάγραμμα 25. Γ : Η γεννήτρια παρέχει ρεύμα στις μπαταρίες και τον κινητήρα μέσω του συστήματος ελέγχου. Β : Η μηχανή χρησιμοποιείται για τη λειτουργία της γεννήτριας. Α : Το σύστημα ελέγχου κατευθύνει την ροή ενέργειας μέσω των δεδομένων των επιφανειών αλληλεπίδρασης και των επιμέρους στοιχείων του συστήματος. Δ : Η δέσμη μπαταριών αποθηκεύει την ισχύ της γεννήτριας καθώς επίσης και την ανακτώμενη ενέργεια πέδησης που χρησιμοποιείται από τον ηλεκτροκινητήρα σε αυξημένες απαιτήσεις ισχύος (επιτάχυνση, ανηφόρες). Ε : Ο κινητήρας χρησιμοποιεί την ισχύ για το διαφορικό και την κίνηση του οχήματος. Κατά την πέδηση, ο κινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια για την επιστροφή της ενέργειας επιβράδυνσης στο σύστημα με την επαναφόρτιση των μπαταριών και την εξοικονόμηση της τριβής πέδησης. Διάγραμμα 20 Τεχνική περιγραφή συστήματος πρόωσης υβριδικού Λεωφορείου ORION VII ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 84

87 Η λειτουργία του υβριδικού συστήματος πρόωσης περιγράφεται ως εξής: 1. Η μηχανή παρέχει κινητήρια ισχύ σε μια γεννήτρια που μεταφέρει την ισχύ μέσω του συστήματος ελέγχου της πρόωσης στον κινητήρα και φορτίζει τις μπαταρίες. Η αυτονομία του λεωφορείου περιορίζεται από την αποθηκευμένη επί του οχήματος ποσότητα καυσίμου και όχι από την ανάγκη επαναφόρτισης των μπαταριών. 2. Ο κινητήρας κινεί τους τροχούς και επαναδημιουργεί ισχύ μέσω της πέδησης. 3. Οι μπαταρίες παρέχουν συμπληρωματική ισχύ στον κινητήρα κατά την επιτάχυνση του οχήματος και την κίνησή του σε ανηφόρες. 4. Το σύστημα ελέγχου της πρόωσης διαχειρίζεται τη ροή της ισχύος σύμφωνα με τις εντολές του οδηγού και χρησιμοποιεί την ανακτημένη ενέργεια πέδησης για την επιβράδυνση του οχήματος ενώ ταυτόχρονα επαναφορτίζει τις μπαταρίες (Τα υβριδικά λεωφορεία έχουν συμβατικά φρένα). 5. Το σύστημα ολοκληρώνεται. Κατά την διάρκεια της επιτάχυνσης η ισχύς μεταφέρεται από την γεννήτρια και τη δέσμη μπαταριών στον κινητήρα, κατά την διάρκεια της διαδρομής η ισχύς μεταφέρεται από την γεννήτρια στον κινητήρα και φορτίζονται οι μπαταρίες ενώ κατά τη πέδηση ο κινητήρας λειτουργεί ως γεννήτρια μεταφέροντας ισχύ στις μπαταρίες για επαναφόρτιση. 6. Η (μικρή σχετικά) μηχανή λειτουργεί σε πιο σταθερές ταχύτητες με μεγαλύτερη εξοικονόμηση καυσίμου και μειωμένες εκπομπές. Η λειτουργία του λεωφορείου επιφέρει μείωση των εκπομπών NOx κατά 40% από τα όρια τιμών εκπομπών των ΗΠΑ του 2004, ενώ αναφορικά με τα σωματίδια έχουμε τα ίδια επίπεδα εκπομπών με τα αυστηρά όρια των ΗΠΑ του Αντίστοιχα οι συνολικές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου είναι κατά 30% χαμηλότερες. Τα μεγέθη αυτά αποτυπώνονται στο ακόλουθο Διάγραμμα 21. Διάγραμμα 21 Εκπομπές καυσαερίων Λεωφορείου ORION VII Orion VII Hybrid Product Information Orion VII Hybrid Product Information ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 85

88 Ταυτόχρονα υπολογίζεται ότι η χρήση του υβριδικού λεωφορείου ORION VII από κάποιον φορέα ΑΜΜ προσφέρει την δυνατότητα «εξοικονόμησης» σε όλη την διάρκεια της λειτουργίας του, από πλευράς εκπομπών ρύπων 4t NOx και 235t CO2, ενώ από πλευράς ενέργειας gal diesel. Το υβριδικό λεωφορείο της New Flyer Το λεωφορείο της New Flyer Industries αποτέλεσε το πρώτο αρθρωτό υβριδικό λεωφορείο στην Βόρεια Αμερική. Τα πρώτα λεωφορεία παραδόθηκαν το Μάιο του 2004 στην εταιρεία Metro County της περιοχής Ουάσιγκτον. Η συνολική παραγγελία αφορούσε 235 οχήματα. Συγκριτικές δοκιμές και μετρήσεις που έγιναν από την εταιρεία σε πιλοτικούς ιδιόκτητους στόλους υβριδικών και πετρελαιοκίνητων λεωφορείων της, το διάστημα 1/4/ /3/2006 κατέδειξαν ενδιαφέροντα συμπεράσματα τα οποία αποτυπώνονται στον ακόλουθο Πίνακα 23. Πίνακας 23 Συγκριτικά αποτελέσματα υβριδικών και πετρελαιοκίνητων Λεωφορείων 107 Αναφορικά δε με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των οχήμάτων διεξηχθησαν δικιμές σε 4 διαφορετικούς «κύκλους» - διαδρομές. Την Central Business District 14 (CBD), την Manhattan, την Orange County Transit Authority (OCTA) και μια ειδική διαδρομή που αποτελειται από ποικιλία χαράξεων στο King County (KCM). Οι μετρήσεις λοιπόν κατέδειξαν αναφορικά με την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων τα αναφερόμενα στον ακόλουθο Πίνακα 24. Πίνακας 24 Συγκριτικά αποτελέσματα υβριδικών και συμβατικών πετρελαιοκίνητων Λεωφορείων King County metro transit hybrid articulated buses: Final evaluation Results K. Chandler & K. Walkowich. National Renewable Energy Laboratory. 12/ Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 86

89 Εικόνα 19 Το αρθρωτό υβριδικό Λεωφορείο της New Flayer Industries Το υβριδικό Λεωφορείο της Mercedes - Benz Τον Μάιο του 2004 η εταιρεία παρουσίασε το καινούργιο της υβριδικό λεωφορείο το οποίο βασίζεται στο πλαίσιο της επιτυχημένης σειράς CITARO. Βασική διαφοροποίηση του νέου μοντέλου εν συγκρίσει με τα προαναφερόμενα αποτελεί η ύπαρξη 4 επιτρόχιων κινητήρων ισχύος 80kw ο καθένας, τοποθετούμενοι στο μεσαίο και οπίσθιο άξονα. Εκτιμάται ότι το μοντέλο θα πραγματοποιήσει την αρχική πιλοτική του λειτουργία το 2008, και θα τεθεί στη μαζική παραγωγή το Σύμφωνα με εκτιμήσεις της εταιρείας θα επιτευχθεί μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και των εκπομπών CO 2 κατά 20-30%. Εικόνα 20 Το υβριδικό Λεωφορείο της Mercedes - Benz ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 87

90 Το υβριδικό Λεωφορείο της ISE Εκτός από το υβριδικό λεωφορείο με κυψέλες καυσίμου που κατασκεύασε η εταιρεία ISE και για το οποίο έγινε αναφορά στο προηγούμενο κεφάλαιο, κατασκεύασε και ένα υβριδικό λεωφορείο το οποίο κάνει χρήση κινητήρα εσωτερικής καύσης με καύσιμο υδρογόνο το HHICE. Ειδικότερα η ανάπτυξη του οχήματος η οποία ολοκληρώθηκε το 2003 προήλθε από ένα κοινό πρόγραμμα με την Ford Power Products ύψους 1εκατ.$. το όχημα μετά την ολοκλήρωσή του εκτέλεσε ένα 2μηνο δοκιμαστικό πρόγραμμα στις περιοχές Winnipeg και Manitoba επιχειρώντας σε συνθήκες παγετού με θερμοκρασίες έως 30 ο C με επιτυχία. Σύμφωνα με την εταιρεία το επίπεδο των εκπομπών NOx είναι πολύ χαμηλό της τάξης των 50ppm, ενώ λόγω της απουσίας άνθρακα από το καύσιμο έχουμε μηδενικές εκπομπές CO,CO 2 και PM. Ταυτόχρονα το όχημα αποδείχθηκε το ίδιο οικονομικό με τα σύγχρονα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Διάγραμμα 22 Ενεργειακή και περιβαλλοντική συμπεριφορά του υβριδικού λεωφορείου της ISE ISE Thundervolt TB40-HICE ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 88

91 7.2. Το κόστος του υβριδικού λεωφορείου Το υβριδικό λεωφορείο είναι πιο ακριβό από ένα συμβατικό πετρελαιοκίνητο λεωφορείο (περίπου 50% ακριβότερο). Σύμφωνα με τα στοιχεία του φορέα αστικών λεωφορείων της Νέας Υόρκης (New York City Transit), το υβριδικό λεωφορείο ORION VII στοίχισε (τιμές 2000) ενώ αντίστοιχα τα CNG λεωφορεία στοίχησαν /λεωφορείο με αντίστοιχη τιμή συμβατικού πετρελαιοκίνητου λεωφορείου ~ Οπωσδήποτε, με την μελλοντική εξέλιξη της τεχνολογίας των υβριδικών οχημάτων και την μαζικότερη παραγωγή τους το κόστος κτήσης του υβριδικού λεωφορείου αναμένεται να μειωθεί. Το υψηλό κόστος κτήσης του υβριδικού λεωφορείου εν συγκρίσει με το συμβατικό, παρά το γεγονός της μικρότερης μηχανής και της απλούστερης μετάδοσης κίνησης, οφείλεται στο υψηλό κόστος των επιμέρους στοιχείων και συγκεκριμένα στο ηλεκτρονικό σύστημα ελέγχου, τη δέσμη μπαταριών και τον ηλεκτροκινητήρα. Το κόστος συντήρησης ενός υβριδικού λεωφορείου είναι αυξημένο. Εξαρτάται κυρίως από τις δυσκολίες εκμάθησης (υψηλών απαιτήσεων γνώσεις ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου) και εξοικείωσης του προσωπικού με την πρώιμη ακόμη τεχνολογία των υβριδικών οχημάτων καθώς επίσης και την πολυπλοκότητα του υβριδικού συστήματος πρόωσης. Το κόστος συντήρησης των υβριδικών λεωφορείων ORION VI την περίοδο δρομολόγησής τους στη Νέα Υόρκη ήταν περίπου 75%-150% υψηλότερο σε σχέση με τα συμβατικά λεωφορεία. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα αύξηση του συνολικού λειτουργικού κόστους κατά 45%-92% έναντι των συμβατικών λεωφορείων. Ανταποδοτικά όμως, η εξοικονόμηση καυσίμου που πετυχαίνουμε με τη χρήση υβριδικών λεωφορείων ανέρχεται έως και 50% περίπου Συμπεράσματα για τη τεχνολογία υβριδικών λεωφορείων Όπως εύκολα διαπιστώνουμε τα κύρια πλεονεκτήματα για την επιλογή υβριδικών λεωφορείων έγκειται στην θετική περιβαλλοντική συμπεριφορά τους, καθώς και την οικονομία καυσίμου που επιτυγχάνουν. Τέλος, είναι ιδιαίτερα θετικό ως προς την συνολική οικονομική ανάλυση της εφαρμογής των υβριδικών λεωφορείων στις αστικές συγκοινωνίες το γεγονός ότι η λειτουργία τους δεν απαιτεί νέες εγκαταστάσεις τροφοδοσίας καυσίμου ή σημαντικές μετατροπές των σταθμών τροφοδοσίας (όπως για παράδειγμα τα λεωφορεία φυσικού αερίου). Παρόλα αυτά δεν έχουν γνωρίσει ευρεία διάδοση και μόνο ορισμένοι φορείς ΑΜΜ διαθέτουν μεγάλους στόλους υβριδικών λεωφορείων, οι προαναφερόμενοι στην Β. Αμερική και στην Ευρώπη μόνο η πόλη του Λονδίνου η οποία αποφάσισε το 2006 την δημιουργία στόλου 500 υβριδικών οχημάτων στα πλαίσια του συνόλου 111 Hybrid transit buses. Are they really Green? ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 89

92 των λεωφορείων που διαχειρίζεται και ανέρχονται σε 8000 λεωφορεία και παρέλαβε τα πρώτα διώροφα υβριδικά οχήματα τον Μάρτιο του Παρόλα αυτά υπάρχουν σοβαρές αμφιβολίες για το μέγεθος των πλεονεκτημάτων που προσφέρουν και αυτό διότι οι μετρήσεις εκπομπών ρύπων διεξάγονται με τρόπο ο οποίος αφήνει αμφιβολίες για την αξιοπιστία τους. Ειδικότερα λόγω έλλειψης κατάλληλων μεθόδων για την μέτρηση των ρύπων χρησιμοποιούνται οι διατάξεις μέτρησης των συμβατικών πετρελαιοκίνητων οχημάτων και επιφέρεται τεχνητή μείωση αυτών κατά 25% (στη Καλιφόρνια) 112. Αντίστοιχα στην εξοικονόμηση καυσίμου ενώ η γενική εντύπωση είναι ότι υπάρχει μείωση της κατανάλωσης από 10-50%, μετρήσεις του National Renewable Energy Laboratory (NREL) στις ΗΠΑ καταδεικνύουν αύξηση αυτής κατά 25-50%. Παράλληλα μετρήσεις από το Connecticut Department of Transportation δείχνουν μείωση της κατανάλωσης κατά 35% ως προς τα συμβατικά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία, αλλά μόνο κατά 10% ως συγκρίσιμα τεχνολογικά οχήματα (ίδιας Γενιάς). Διατυπώνεται η εντύπωση ότι το μέλλον των υβριδικών λεωφορείων δεν θα είναι εύκολο κύρια γιατί υπάρχει μεγάλη τεχνολογική εξέλιξη των πετρελαιοκίνητων η οποία δύναται να εξαλείψει τα μειονεκτήματά τους με μικρότερο κόστος, ενώ μακροπρόθεσμα ωριμάζουν άλλες τεχνολογίες. 112 Hybrid transit buses. Are they really Green? ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 90

93 8. ΕΥΡΩΠΑΪΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ Η Ευρωπαϊκή Ένωση προωθεί και χρηματοδοτεί την χρήση εναλλακτικών καυσίμων για τις αστικές συγκοινωνίες αποσκοπώντας στο περιορισμό των εκπομπών αερίων ρύπων. Οι πλέον υποσχόμενες μορφές ενέργειας είναι τα Βιοκαύσιμα σε βραχύ-μεσοπρόθεσμη προοπτική, το Φυσικό Αέριο σε μέσομακροπρόθεσμη προοπτική και το υδρογόνο στο μακροπρόθεσμο μέλλον. Εν συνεχεία αναφέρονται ορισμένα εκ των ευρωπαϊκών προγραμμάτων που αναπτύχθηκαν προκειμένου να υποβοηθήσουν την εφαρμογή των εναλλακτικών καυσίμων στις Α.Μ.Μ Το πρόγραμμα THERMIE / ENERGIE Η Ευρωπαϊκή Ένωση, διαμέσου του προγράμματος THERMIE/ENERGIE, συγχρηματοδοτεί ένα πρόγραμμα ανάπτυξης και επίδειξης του λεωφορείου Fuel Cell σε τρεις Ευρωπαϊκές πόλεις και συγκεκριμένα στο Βερολίνο, τη Λισαβόνα και την Κοπεγχάγη. Στο πρόγραμμα μετέχουν φορείς δημόσιων συγκοινωνιών και κατασκευαστικές εταιρείες. Το σχεδιαζόμενο πρότυπο λεωφορείο κελιών καυσίμου χρησιμοποιεί υγροποιημένο H 2. και δεν εκπέμπει αέριους ρύπους παρά μόνο ατμό. Στο πρώτο στάδιο του προγράμματος το πρότυπο λεωφορείο κελιών καυσίμου δρομολογήθηκε σε καθημερινή βάση και στις τρεις πόλεις για ένα έτος συνολικά και κάτω από διαφορετικές κλιματολογικές και υψομετρικές συνθήκες. Το λεωφορείο εξοπλίστηκε με συστήματα καταγραφής πληροφοριών και ενσωματώθηκε πλήρως στην καθημερινή δρομολόγηση του στόλου λεωφορείων με σκοπό την εξαγωγή αποτελεσμάτων και οικονομικών δεδομένων σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας με στόχο την δημιουργία ενός δυναμικού μοντέλου του λεωφορείου και υποσυστημάτων. Τα δεδομένα καταγραφής συνεισέφεραν σε περαιτέρω ανάπτυξη της ενεργειακής συμπεριφοράς του πρότυπου λεωφορείου τόσο για διαφορετικές πόλεις όσο και για διαφορετικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, η προσομοίωση θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη το κατά πόσο η ανακτώμενη ενέργεια πέδησης είναι συνάρτηση των τοπογραφικών συνθηκών. Οικονομικά δεδομένα όπως η αξιοπιστία του οχήματος, η τροφοδοσία και η κατανάλωση συλλέχθηκαν στην διάρκεια της φάσης παρακολούθησης αποσκοπώντας στην επαλήθευση βιωσιμότητας της νέας τεχνολογίας. Τέλος, ένα πρόγραμμα μετρήσεων εκπομπών αερίων ρύπων κατέδειξε ότι με την εισαγωγή της νέας τεχνολογίας κελιών καυσίμου υπάρχουν σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη με μειώσεις εκπομπών κατά 100%. Επιπρόσθετα, με κονδύλια του προγράμματος κατασκευάστηκε στο Βερολίνο (Οκτώβριος 2002) ένας σταθμός τροφοδοσίας υγροποιημένου υδρογόνου με δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας lit. Με βάση την τεχνική και οικονομική σκοπιμότητα του συγκεκριμένου προγράμματος εφαρμογής μέσο-μακροπρόθεσμα για τις αστικές συγκοινωνίες, ένα μεγάλο ποσοστό του στόλου λεωφορείων των συμμετεχόντων φορέων πρόκειται να ανανεωθεί. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 91

94 8.2. CUTE - Clean Urban Transport for Europe Η Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδότησε με 18,5 εκ το πρόγραμμα CUTE για την προώθηση της χρήσης υδρογόνου στις δημόσιες αστικές συγκοινωνίες 9 ευρωπαϊκών πόλεων, και συγκεκριμένα των πόλεων : Άμστερνταμ (Ολλανδία), Βαρκελώνης (Ισπανία), Αμβούργου (Γερμανία), Λονδίνου (Ηνωμένο Βασίλειο), Λουξεμβούργου (Λουξεμβούργο), Μαδρίτης (Ισπανία), Πόρτο (Πορτογαλία), Στοκχόλμης (Σουηδία), Στουτγκάρδης (Γερμανία). Στο πρόγραμμα συμμετέχουν δημόσιοι φορείς συγκοινωνιών, κατασκευαστικές εταιρείες και εταιρείες εμπορίας καυσίμων. Οι συγκεκριμένες πόλεις αποσκοπούν στο να καταδείξουν ότι το H 2 αποτελεί αποδοτική και ιδιαίτερα φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας. Για την εφαρμογή του προγράμματος 27 Mercedes-Benz CITARO Fuel Cell (πρόκειται για το μεγαλύτερο στόλο Λεωφορείων κυψελών καυσίμου παγκοσμίως) δρομολογήθηκαν στις συγκεκριμένες πόλεις με σκοπό να αποδείξουν ότι μηδενικές εκπομπές αερίων ρύπων δύναται να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας το προτεινόμενο σύστημα αστικής δημόσιας συγκοινωνίας. Τα λεωφορεία χρησιμοποιούνται ως συμβατικά λεωφορεία στις ίδιες αστικές γραμμές και με το ίδιο πρόγραμμα δρομολογίων ώστε να συγκριθούν με τα συμβατικά λεωφορεία σε ότι αφορά στη λειτουργία και το κόστος τους. Θα εξεταστούν οι επιδόσεις τους σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας όπως στο ζεστό κλίμα της Ισπανίας, στις χαμηλές θερμοκρασίες της Νορβηγίας, σε επίπεδα μέρη αλλά και σε μεγάλης κλίσης περιοχές όπως η Στουτγκάρδη. Το πρόγραμμα ξεκίνησε στις αρχές του 2002 με το πρώτο λεωφορείο κυψελών καυσίμου να παραδίδεται στην Μαδρίτη εντός του 2003 ενώ έως το τέλος του 2003 όλος ο στόλος λειτουργούσε κανονικά. Το πρόγραμμα ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του Οι συγκοινωνιακοί φορείς των λεωφορείων ανέλαβαν την κατασκευή ενός σταθμού τροφοδοσίας υδρογόνου σε κάθε πόλη. Οι δε εταιρείες καυσίμων που συμμετέχουν στο πρόγραμμα, είναι υπεύθυνες για την κατασκευή υποδομής των πρατηρίων ενώ κάποια από αυτά θα τα λειτουργούν οι ίδιες οι εταιρείες με σκοπό την διεξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων και την απόκτηση εμπειρίας στην χρήση εναλλακτικών καυσίμων. Η παραγωγή του υδρογόνου θα γίνει με διαφορετικές μεθόδους για την αποδοτικότερη σύγκρισή τους και την εφαρμογή της βέλτιστης μεθοδολογίας ανάλογα και με τις πολιτικές προτεραιότητες των συμμετεχόντων πόλεων CUTE : Final Report ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 92

95 8. 3. ECTOS Ecological City Transport System Το πρόγραμμα ECTOS 114 είναι παρόμοιο με το πρόγραμμα CUTE και έχει σκοπό την πιλοτική εφαρμογή του λεωφορείου κυψελών καυσίμου στο Ρέκγιαβικ της Ισλανδίας και την μερική ανανέωση του στόλου λεωφορείων στις δημόσιες συγκοινωνίες. Το πρόγραμμα ξεκίνησε τον Μάρτιο του 2001 και η εισαγωγή των 3 λεωφορείων κυψελών καυσίμου στο στόλο πραγματοποιήθηκε εντός του 2003, αφού προηγούμενα ολοκληρώθηκε η απαιτούμενη υποδομή (σταθμός τροφοδοσίας), η μεθοδολογία παρακολούθησης των αποτελεσμάτων καθώς και η δημιουργία καναλιών επικοινωνίας με το κοινό (οδηγούς λεωφορείων, επιβάτες, πολιτικούς κ.λπ.) για την πληροφόρηση και επιμόρφωσή του ως προς το υδρογόνο και τα χαμηλών εκπομπών καύσιμα. Οι κύριοι στόχοι της έρευνας αφορούν σε διερεύνηση κοινωνικό-οικονομικών και περιβαλλοντικών παραγόντων για την αλλαγή της ενεργειακής βάσης μιας μοντέρνας αστικής κοινωνίας. Η κυβέρνηση της Ισλανδίας έχει ανακοινώσει ότι στόχος της στο άμεσο μέλλον είναι η μετατροπή της Ισλανδίας σε μια κοινωνία υδρογόνου. Η επιλογή του Ρέγιαβικ έγινε γιατί: Είναι μια μικρής κλίμακας αναπτυσσομένη κοινωνία όπου η εφαρμογή μικρών προγραμμάτων έχουν μεγαλύτερη επίδραση σε σχέση με μεγάλες πόλεις (τα 3 πρότυπα λεωφορεία αποτελούν το 4% του συνολικού στόλου λεωφορείων). Η Ισλανδία έχει πρόσφατα μεταβεί στη χρήση εναλλακτικών μορφών ενέργειας. Η μετατροπή του συστήματος θέρμανσης από το πετρέλαιο στη γεωθερμία έγινε σταδιακά από το 1940 μέχρι το 1975 και η γνώση των θετικών και αρνητικών θεμάτων από την αλλαγή αυτή έγινε πλήρως κατανοητή. Η Ισλανδία έχει την σπάνια δυνατότητα να εφαρμόσει το πρόγραμμα με την παραγωγή υδρογόνου με μηδενικές εκπομπές CO 2 χρησιμοποιώντας τις γεωθερμικές αεροτουρμπίνες και την υδροηλεκτρική ενέργεια. Η εφαρμογή θα λάβει χώρα κάτω από διάφορες κλιματολογικές και τοπογραφικές συνθήκες ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 93

96 8.4. Hy Fleet CUTE Το πρόγραμμα διαδέχθηκε το πρόγραμμα CUTE, και αναφέρεται στην συνέχιση της επιχειρησιακής λειτουργίας των 27 Λεωφορείων Fuel Cell σε 7 Ευρωπαϊκές πόλεις για 3 επιπλέον έτη μέχρι το Η διαφοροποίηση έγκειται στο ότι η πόλη του Αμβούργου διαχειρίζεται τώρα στόλο 9 λεωφορείων Mercedes-Benz CITARO Fuel Cell, αναλαμβάνοντας την διαχείριση των οχημάτων των πόλεων του Πόρτο και της Στουτγκάρδης 115. Εικόνα 21 Ο Στόλος των 9 λεωφορείων Mercedes - Benz CITARO Fuel Cell στο Αμβούργο JUPITER 2 Joint Urban Project in Transport Energy Reduction To πρόγραμμα JUPITER 2 συγχρηματοδοτήθηκε εκ της Ευρωπαϊκής Ένωσης διαμέσου του προγράμματος JOULE-THERMIE με 8,5εκατ. (συνολικός προϋπολογισμός 43εκατ. ). Στο πρόγραμμα συμμετείχαν δήμοι και δημόσιοι φορείς συγκοινωνιών από επτά πόλεις και συγκεκριμένα τις πόλεις : - Aalborg (Δανία), - Bilbao (Ισπανία), - Φλωρεντία (Ιταλία), - Gent (Βέλγιο), - Merseyside (Ηνωμένο Βασίλειο), - Heidelberg (Γερμανία) - Nantes (Γαλλία). Το πρόγραμμα ξεκίνησε το 1997, ολοκληρώθηκε τον Φεβρουάριο του 2000 και απετέλεσε συνέχεια του Jupiter-1 (διάρκεια ) Οι κύριοι άξονες διερεύνησης των θεμάτων αστικής συγκοινωνίας ήταν: 1. Οχήματα και Εναλλακτικά καύσιμα 2. Καινοτόμα συστήματα βελτιστοποίησης της χρήσης των συγκοινωνιακών υποδομών 3. Αστικός σχεδιασμός και προβλεπόμενη συγκοινωνιακή υποδομή CUTE : Detailed summary of achievements ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 94

97 Ως προς τη χρήση λεωφορείων εναλλακτικών καυσίμων, κατά την αρχή του προγράμματος διεξήχθησαν εκτεταμένες έρευνες για τον καθορισμό των πλέον αποδοτικών τεχνολογιών οχημάτων και καυσίμων ως προς τις επιμέρους τοπικές συνθήκες. Οι έρευνες αφορούσαν δοκιμές και βιβλιογραφική ανασκόπηση ως προς τη χρήση βιολογικών καυσίμων, χρήση LPG (Liquified Petrol Gas), τα υβριδικά λεωφορεία, τα ηλεκτρικά (με μπαταρία) λεωφορεία κ.λπ. Οι εφαρμογές αφορούσαν στην προμήθεια και λειτουργία διαφόρων λεωφορείων σε διάφορες πόλεις. Κατά την διάρκεια του προγράμματος, οι συμμετέχοντες φορείς επένδυσαν και ανέπτυξαν έναν στόλο 100 περίπου νέων λεωφορείων και 20 άλλων οχημάτων που κινούνται με εναλλακτικά καύσιμα. Ταυτόχρονα εξετάστηκαν διάφορα μοντέλα ρύθμισης της συγκοινωνίας, τεχνολογίες τηλεματικής, ενοποίηση των εμπορικών και οικιστικών λειτουργιών κλπ, με σκοπό την δημιουργία ολοκληρωμένων συγκοινωνιακών συστημάτων. Τα συνολικά αποτελέσματα του προγράμματος, από την εφαρμογή των διαφόρων συστημάτων και στις 7 πόλεις, ήταν: Σημαντική αλλαγή του τρόπου μετακίνησης στις περισσότερες πόλεις με μέση μείωση της χρήσης του αυτοκινήτου περίπου 4,5% σε συνδυασμό με μια μέση αύξηση της χρήσης των δημόσιων αστικών συγκοινωνιών της τάξης του 12%. Εξοικονόμηση ενέργειας γύρω στο 7%. Τα αποτελέσματα ήταν καλύτερα στις πόλεις όπου οι περιορισμοί στην κίνηση συνδυάστηκαν με πακέτα μέτρων. Μείωση του CO 2 κατά 4% σε επίπεδο εφαρμογής και αναμενόμενη μείωση 7% με την ευρεία εφαρμογή των μέτρων. Μείωση κατά 20% των σωματιδίων. Οικονομικό-κοινωνική επίδραση: μείωση του θορύβου και της αέριας ρύπανσης καθώς επίσης και βελτίωση της οδικής ασφάλειας και μείωση της αισθητικής και οπτικής όχλησης. Η πόλη Aalborg (4 η μεγαλύτερη πόλη της Δανίας με πληθυσμό κατ.) προμηθεύτηκε 2 υβριδικά λεωφορεία, όταν από τον Ιανουάριο του 1997 λειτουργούσαν ήδη 5 υβριδικά λεωφορεία (χρηματοδότηση μέσω του Jupiter-1). Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των υβριδικών λεωφορείων ήταν 12 m μήκος με δυο εναλλασσόμενου ρεύματος κινητήρες των 75 kw ο καθένας και 10 μπαταρίες Ni- Cd τάσης 400 V. H μείωση των εκπομπών ήταν ιδιαίτερα σημαντική (88% για τα NOx, 69% για τους VOC, 30% για το CO και 100% περίπου για τα TPM) αλλά η κατανάλωση αυξήθηκε σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία από 15,25 MJ/km σε 23,86 ΜJ/km. Από την αρχική εφαρμογή λειτουργίας των υβριδικών λεωφορείων μέχρι το 2000 αποκτήθηκε αρκετή εμπειρία και έγιναν διάφορες τεχνικές αλλαγές για την καλύτερη λειτουργία των υβριδικών λεωφορείων και την επίτευξη παρόμοιας αξιοπιστίας με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Τα αρχικά προβλήματα με την εξάτμιση λύθηκαν σε ικανοποιητικό βαθμό ενώ και τα προβλήματα με τον εναλλάκτη ξεπεράστηκαν με την παύση της λειτουργίας του συστήματος ανάκτησης της ενέργειας πέδησης, που όμως είχε αρνητικές επιπτώσεις στη κατανάλωση καυσίμου. Σε κάθε περίπτωση, η σημαντική μείωση των εκπομπών, ιδιαίτερα στο κέντρο της πόλης, κρίθηκε ως το μεγαλύτερο όφελος. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 95

98 Η πόλη Bilbao (πληθυσμός κάτοικοι) λειτούργησε 2 λεωφορεία CNG, η πόλη Nantes (πληθυσμός κάτοικοι) προμηθεύτηκε 3 λεωφορεία CNG για τη δρομολόγησή τους σε γραμμή που εξυπηρετεί κυρίως το κέντρο (το 2000 το 10% του συνολικού στόλου αστικών λεωφορείων ήταν λεωφορεία CNG με την προοπτική να φθάσουν το 50% στα τέλη του 2003) ενώ η Gent (πληθυσμός κάτοικοι) προμηθεύτηκε νέα χαμηλού δαπέδου τραμ και αρθρωτά πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Στη Φλωρεντία ( κάτοικοι) όπου η χρήση του αυτοκινήτου (1 αυτοκίνητο ανά 1,5 κατοίκους) αποτελεί τον σημαντικότερο παράγοντα αέριας ρύπανσης και κυκλοφοριακής συμφόρησης, η οποία εντείνεται με την τουριστική κίνηση καθ όλη τη διάρκεια του έτους, τα μέτρα που εφαρμόστηκαν αφορούσαν στην ανάπτυξη 2 λεωοφορειολωρίδων, την επέκταση του στόλου των λεωφορείων CNG από 14 σε 45 συνολικά λεωφορεία CNG, δημιουργία δικτύου ηλεκτρικών mini λεωφορείων για την εξυπηρέτηση του ιστορικού κέντρου της πόλης (Εικόνα 22), συνεργασίαμετεπιβίβαση όλων των αστικών και περιαστικών μέσων (τραμ, λεωφορεία, μίνι λεωφορεία) και ανάπτυξη πρότυπου συστήματος πληροφόρησης των επιβατών. Εικόνα 22 Mini Λεωφορείο στο Ιστορικό κέντρο της Φλωρεντίας 117 Στη Merseyside (3 περιοχές με συνολικό πληθυσμό 1,4 εκατ. Κατ.) η εφαρμογή δικτύου μίνι ηλεκτρικών λεωφορείων χαμηλού δαπέδου (οι αστικές υπηρεσίες κατοχυρώθηκαν με την ονομασία SMARTeco, προκειμένου να δοθεί έμφαση στη χρήση φιλικών προς το περιβάλλον οχημάτων) είχε μεγάλη αποδοχή τόσο από τους χρήστες, όσο και από μη χρήστες του δικτύου και τα ηλεκτρικά μίνι λεωφορεία ήταν ιδιαίτερα αξιόπιστα με ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης. Το SMARTeco στο προάστιο Southport (πληθυσμός κάτοικοι) περιλαμβάνει μια σειρά από μέτρα όπως την αντικατάσταση λεωφορείων με χαμηλού δαπέδου λεωφορεία αυξημένης χωρητικότητας, τη δρομολόγηση 4 λεωφορείων CNG σε δυο γραμμές, την εφαρμογή πραγματικού χρόνου συστήματος πληροφόρησης επιβατών στις στάσεις και στα λεωφορεία κ.ά. 117 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 96

99 8. 5. ZEUS Zero and low Emission vehicles in Urban Society Το πρόγραμμα ZEUS είναι πρόγραμμα επίδειξης που συγχρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του προγράμματος THERMIE για την προώθηση μηδενικών ή χαμηλών εκπομπών οχημάτων σε διάφορες Ευρωπαϊκές πόλεις και συγκεκριμένα την Αθήνα/Μαρούσι (Ελλάδα), τη Βρέμη (Γερμανία), την Κοπεγχάγη (Δανία) το Ελσίνκι (Φιλανδία), το Λονδίνο (Ηνωμένο Βασίλειο), το Coventry (Ηνωμένο Βασίλειο), το Παλέρμο (Ιταλία), τη Στοκχόλμη (Σουηδία) και το Λουξεμβούργο. Το πρόγραμμα ξεκίνησε στα τέλη του 1996 και ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του Βασικός σκοπός του προγράμματος ήταν να ξεπεραστούν τα εμπόδια ανάπτυξης της αγοράς μηδενικών και χαμηλών εκπομπών οχημάτων και αφορούν στο υψηλό κόστος αγοράς, στην έλλειψη υποδομής τροφοδοσίας και συντήρησης και στην έλλειψη ικανοποιητικών κινήτρων για την προώθηση της πρώιμης αυτής αγοράς. Για τον σκοπό αυτό, οι παραπάνω πόλεις προμηθεύτηκαν και λειτούργησαν έναν στόλο μηδενικών και χαμηλών εκπομπών οχημάτων της τάξης των 1200 και άνω οχημάτων (και 600 ποδηλάτων πόλης). Στον Πίνακα 25 δίνεται ο αριθμός και το είδος των οχημάτων που λειτούργησαν στο πρόγραμμα καθώς επίσης και τα εναλλακτικά καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν. Επιπρόσθετα, στο πρόγραμμα διερευνήθηκαν κίνητρα και πρωτοβουλίες για την χρήση αποδοτικότερων ενεργειακά συγκοινωνιών και εφαρμόστηκαν συστήματα τηλεματικής και ενδοδιακίνησης μεταξύ των διαφόρων συγκοινωνιακών μέσων (αυτοκίνητα, λεωφορεία, τρένα). Καύσιμο Ι.Χ. & μικρά φορτηγά Φορτηγά Μεγάλα φορτηγά Λεωφορεία Βαριά φορτηγά & ειδικά οχήματα ΣΥΝΟΛΟ Ηλεκτρισμός Ηλεκτρ./Υβριδικά CNG Βιοαέριο LPG RME (biodiesel) Αιθανόλη ΣΥΝΟΛΟ Πίνακας 25 Αριθμός και είδος Λεωφορείων του Ευρωπαϊκού προγράμματος ZEUS 118 Ως προς τα αστικά δημόσια λεωφορεία, τα εναλλακτικά καύσιμα που χρησιμοποιήθηκαν στις διάφορες πόλεις ήταν: RME (RapeMethylEster) σε 35 λεωφορεία στο Λουξεμβούργο CNG (Compressed Natural Gas) σε 5 λεωφορεία στην Αθήνα (Μαρούσι), σε 8 λεωφορεία στο Παλέρμο και σε 11 λεωφορεία στο Ελσίνκι. 118 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 97

100 LPG (Liquefied Petroleum Gas) σε 5 λεωφορεία στο Ελσίνκι. Ηλεκτρικά/υβριδικά σε 2 λεωφορεία στη Βρέμη με πετρέλαιο και σε 6 λεωφορεία στην Στοκχόλμη με αιθανόλη. Η εφαρμογή των παραπάνω εναλλακτικών καυσίμων έγινε κύρια με σκοπό την διερεύνηση της συμπεριφοράς τους σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας των οχημάτων σε μεγάλης κλίμακας δοκιμές και όχι την διεξαγωγή συμπερασμάτων για την επιλογή του «καλύτερου καυσίμου». Στην πόλη του Λουξεμβούργου (~ κάτ.) λειτουργούσαν 10 λεωφορεία RMΕ από τις αρχές του 1995, ενώ μέσω του προγράμματος ZEUS ο φορέας αστικών συγκοινωνιών της πόλης προμηθεύτηκε άλλα 35 RME λεωφορεία. Η επιλογή για τη χρήση biodiesel στα λεωφορεία έγινε γιατί αφενός είναι μια τοπική ανανεώσιμη πηγή ενέργειας (από σπόρους ελαιοκράμβης) και αφετέρου είναι βιοδιασπόμενο καύσιμο. Ως προς την κατανάλωση καυσίμου, το biodiesel κατέδειξε υψηλότερη κατανάλωση 6-8% σε σχέση με το πετρέλαιο, γεγονός που σημαίνει επιπρόσθετο κόστος καυσίμου για κάθε λεωφορείο ετησίως (Το biodiesel κοστίζει περίπου 0,08 / λίτρο περισσότερο από το πετρέλαιο). Στην πόλη του Ελσίνκι (πληθυσμός κάτ.), πέντε λεωφορεία πετρελαίου ανακατασκευάστηκαν σε λεωφορεία LPG. Είναι αξιοσημείωτο ότι το κόστος ανακατασκευής για το κάθε λεωφορείο μειωνόταν διαχρονικά με βάση την αποκτηθείσα εμπειρία. Το πρώτο λεωφορείο που ανακατασκευάστηκε σε LPG έγινε πριν την έναρξη του προγράμματος και στοίχισε ενώ η ανακατασκευή των επόμενων λεωφορείων στοίχισε (2ο με 5ο) και το 6ο λεωφορείο στοίχισε Στα μελλοντικά σχέδια του φορέα αστικών συγκοινωνιών είναι η μετατροπή κι άλλων πετρελαιοκίνητων λεωφορείων σε λεωφορεία LPG με εκτιμώμενο κόστος περίπου /λεωφορείο. Στη Στοκχόλμη (πληθυσμός 1,2εκατ. Κάτ.) έγινε μετατροπή των πετρελαιοκίνητων μηχανών 6 υβριδικών λεωφορείων (γεννήτρια 50 kw και μπαταρίες 100 kw) έτσι ώστε να χρησιμοποιούν αιθανόλη (Ε85). Το πρώτο υβριδικό λεωφορείο με αιθανόλη ξεκίνησε την λειτουργία του το Σεπτέμβριο του 1998 και μια από τις σημαντικότερες δυσκολίες στην μετατροπή από πετρέλαιο σε αιθανόλη ήταν η προμήθεια του κατάλληλου εξοπλισμού (αντλίες, φίλτρα, καταιονηστήρες κ.ά.). Το Δεκέμβριο του 1998 τέσσερα υβριδικά λεωφορεία ήταν πλήρως εξοπλισμένα και ξεκίνησαν την λειτουργία τους με τη χρήση αιθανόλης ενώ τα υπόλοιπα δυο λεωφορεία λειτούργησαν στο τέλος του προγράμματος. Κατά τη διάρκεια των πειραματικών εφαρμογών, αρκετοί επιβάτες παραπονέθηκαν για τον θόρυβο κατά τη διάρκεια παραμονής στις στάσεις λεωφορείων. Οι περισσότερες ατέλειες προέκυψαν από την πολύ υψηλή θερμοκρασία του τμήματος της μηχανής ή εξαιτίας της υπερφόρτωσης που είχε ως αποτέλεσμα την επαναλειτουργία του υβριδικού συστήματος. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 98

101 8.7. CENTAUR Clean and Efficient New Transport Approach for Urban Rationalization Η Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδοτεί, μέσω του ENERGIE, το πρόγραμμα CENTAUR που έχει ως στόχο την διερεύνηση μιας ριζικής αλλαγής της χρήσης του αυτοκινήτου ως μέσο αστικής μεταφοράς σε πιο ήπιες περιβαλλοντικά μορφές αστικών μεταφορών. Το κόστος των επιλέξιμων δαπανών του προγράμματος είναι περίπου 9 εκατ. και η Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδοτεί το 40% ενώ το υπόλοιπο 60% καλύπτεται από τους τοπικούς συμμετέχοντες φορείς 119. Στο πρόγραμμα συμμετέχουν εννέα Ευρωπαϊκές πόλεις και συγκεκριμένα : - η Βαρκελώνη - το Las Palmas (Ισπανία), - το Bristol (Ηνωμένο Βασίλειο), - το Δουβλίνο (Ιρλανδία), - η Bologna - η Νάπολη (Ιταλία), - η Toulouse (Γαλλία), - το Graz (Αυστρία) - το Leipzig (Γερμανία). Το πρόγραμμα ξεκίνησε (υπογραφή σύμβασης) τον Απρίλιο του 1997 και είχε διάρκεια 26 μήνες ενώ συμμετείχαν 36 συνολικά φορείς με το 2/3 περίπου να είναι δημόσιοι φορείς (δήμοι και φορείς αστικών συγκοινωνιών). Το πρόγραμμα σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε σε 3 επίπεδα: 1. Τεχνολογίες αποδοτικότερων αστικών λεωφορείων και χρήση εναλλακτικών καυσίμων, π.χ. υβριδικά, CNG, LPG και ηλεκτρικά λεωφορεία. 2. Συστήματα και απαιτούμενος εξοπλισμός για τη διαχείριση της κινητικότητας των επιβατών στις αστικές συγκοινωνίες, και 3. Ανάπτυξη της στρατηγικής και του αστικού σχεδιασμού για την εγκατάσταση της απαιτούμενης υποδομής. Η ορθολογικοποίηση του συστήματος αστικών μεταφορών απαιτούσε αναβάθμιση των οχημάτων, των υπηρεσιών και των επιπέδων προγραμματισμού έτσι ώστε οι διάφορες φιλικές προς το περιβάλλον μέθοδοι αστικών μεταφορών να είναι αποδοτικές και ελκυστικές. Ταυτόχρονα, εισήχθησαν καινοτόμες τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας και φιλικές προς το περιβάλλον. Ως προς την χρήση εναλλακτικών καυσίμων στα αστικά λεωφορεία, διεξήχθησαν διάφορα προγράμματα εφαρμογών που αφορούσαν το βιοαέριο (Bristol και Graz), τον ηλεκτρισμό (Νάπολη και Bristol), τα υβριδικά λεωφορεία (Bologna και Leipzig) και τα βιολογικά καύσιμα (Graz). Τα τελικά αποτελέσματα του προγράμματος ήταν μια ευρείας κλίμακας εφαρμογή και εκτίμηση μέτρων στις αστικές συγκοινωνίες. Η εξοικονόμηση ενέργειας ήταν 280 GJ/έτος ενώ η μείωση των συνολικών εκπομπών ήταν για το CO 2 6,8 t/έτος, για το CO 392 t/έτος, για τους HC 51 t/έτος, για τα NOx 41,2 t/έτος και για τα PM 3,7 t/έτος ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 99

102 Η συμβολή των διαφόρων μέτρων συνοψίζεται στα παρακάτω αποτελέσματα: Εφαρμογή 9 διαφορετικών τεχνολογιών «καθαρών» οχημάτων περιλαμβάνοντας το φυσικό αέριο, τον ηλεκτρισμό, τα υβριδικά οχήματα (πετρέλαιο/ηλεκτρισμός) και βιολογικά καύσιμα. Το 20% της εξοικονόμησης ενέργειας (κατά τον πρώτο χρόνο εφαρμογής) προέρχεται από τη χρήση αυτών των οχημάτων ενώ η μείωση των εκπομπών ήταν ακόμη σημαντικότερη. Ένα ολοκληρωμένο σχέδιο ανάπτυξης οφείλει να περιλαμβάνει στο πακέτο μέτρων τα οχήματα, τα διάφορα συστήματα και την υποδομή. Τα υβριδικά οχήματα, παρά το υψηλό αρχικό κόστος αγοράς, έδειξαν ότι έχουν χαμηλότερο κόστος λειτουργίας, υψηλότερη διαθεσιμότητα ως προς τη συντήρηση τους και ήταν πιο κατάλληλα για τα περισσότερα αστικά δίκτυα. Τα ηλεκτρικά λεωφορεία αποδείχθηκαν ιδιαίτερα φιλικά προς το περιβάλλον, και παρά το γεγονός ότι δεν συνεισφέρουν στη μείωση του συνολικού κύκλου ζωής των εκπομπών, μπορούν να συνεισφέρουν σημαντικά στην ποιότητα αέρα των κέντρων των πόλεων και ειδικότερα των ιστορικών περιοχών των κέντρων. Η εξοικονόμηση ενέργειας από τα ολοκληρωμένα πακέτα μέτρων ήταν μεγαλύτερη σε περιοχές όπου εφαρμόστηκε και μια πολιτική περιορισμού της κίνησης των αυτοκινήτων (κυρίως στα κέντρα των πόλεων). Το πιο αποδοτικό μέτρο βελτίωσης της εξυπηρέτησης των αστικών λεωφορείων (μεγαλύτερη ταχύτητα) ήταν η εφαρμογή λεωφορειοδρόμων. Στη Bologna ( κάτ.) η λειτουργία 4 υβριδικών λεωφορείων στο κέντρο της πόλης ήταν ιδιαίτερα θετική τόσο ως προς τις εκπομπές και τον θόρυβο όσο και ως προς την εξοικονόμηση ενέργειας η οποία καταγράφηκε για κατανάλωση πάνω από 6,8 MJ ανά km. Το βασικότερο πλεονέκτημα του υβριδικού λεωφορείου σε σχέση με το ηλεκτρικό λεωφορείο (λειτουργία 10 μίνι ηλεκτρικών λεωφορείων στη πόλη από το 1995) είναι η μεγαλύτερη αυτονομία κίνησης που παρέχει. Στο ηλεκτρικό λεωφορείο απαιτείται φόρτωση κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ στο υβριδικό λεωφορείο επαναφορτίζονται οι μπαταρίες κατά την διάρκεια της κίνησής του με πετρέλαιο. Τα μειονεκτήματα εντοπίστηκαν στο υψηλό κόστος αγοράς και στην έλλειψη ανάλογης εμπειρίας στη χρήση των υβριδικών λεωφορείων. Στη Νάπολη (1,5 εκατ. Κάτ.) είναι η τρίτη μεγαλύτερη πόλη της Ιταλίας) λειτούργησαν 10 μίνι ηλεκτρικά λεωφορεία για την εξυπηρέτηση του ιστορικού κέντρου της πόλης ενώ στο Leipzig ( κάτ.) λειτούργησε μια γραμμή εξυπηρέτησης του κέντρου της πόλης με υβριδικά λεωφορεία (με πετρέλαιο). Τα υβριδικά λεωφορεία είχαν κατανάλωση 15-25% λιγότερη σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 100

103 8.8. NGV EUROPE Dublin Poitiers Velsen Amstelveen Mechelen Gent Colmar Göteborg Haarlem Brussels Koblenz Ixelles Rome Eslöv Augsburg Εικόνα 23 Πόλεις που σεμετέχουν στο πρόγραμμα NGV europe Το πρόγραμμα NGV Europe (Natural Gas Vehicles for European Cities and their Integration with Urban Traffic Management) είναι πρόγραμμα επίδειξης άνω των 300 οχημάτων φυσικού αερίου. Το πρόγραμμα υλοποιήθηκε σε 7 χώρες μέλη της Ευρωπαϊκής Ένωσης (Βέλγιο, Γερμανία, Γαλλία, Ιρλανδία, Ιταλία, Σουηδία και Ολλανδία) ενώ τα οχήματα που προμηθεύτηκαν οι διάφοροι φορείς μέσω του προγράμματος και δρομολογούνται σε 14 Ευρωπαϊκές πόλεις (Εικόνα 36) είναι συμβατικά απλά και αρθρωτά αστικά λεωφορεία, ταξί, απορριμματοφόρε, φορτηγά και διάφορα άλλα μεταφορικά οχήματα. Στο πρόγραμμα συμμετείχαν οι δήμοι των 14 πόλεων και πάνω από 25 κατασκευαστικές εταιρείες και εταιρείες καυσίμων. Η έναρξη του προγράμματος έγινε το Σεπτέμβριο του 1997 (διάρκεια 3 χρόνια) ενώ η δρομολόγηση των περισσότερων οχημάτων ξεκίνησε εντός του Το πρόγραμμα αποτελεί την πρώτη μεγάλης κλίμακας ευρωπαϊκή εφαρμογή του Βιοαερίου σε νέας τεχνολογίας εργοστασιακά ελαφριά και βαρέα οχήματα (όχι μετατρεπόμενα οχήματα). Με την διενέργεια προγράμματος μετρήσεων εκπομπών, τόσο με τη χρήση εργαστηριακών μεθόδων όσο και μετρήσεων κατά τη διάρκεια της όδευσης, παρέχεται η δυνατότητα δημιουργίας αξιόπιστων συγκρίσιμων δεδομένων εκπομπών. Βασικός στόχος της μακροπρόθεσμης εφαρμογής της τεχνολογίας Βιοαερίου είναι η αύξηση της αποδοχής της από το επιβατικό κοινό, η απόκτηση σημαντικής διαχειριστικής εμπειρίας και η διαμόρφωση προτάσεων για τα είδη οχημάτων φυσικού αερίου και τα διαχειριστικά συστήματα που είναι τα πλέον βέλτιστα σε σχέση με τις κυκλοφοριακές συνθήκες και υποδομές. Σύμφωνα με τους φορείς του προγράμματος, αναμένεται ότι γύρω στους τόνοι πετρελαίου κίνησης θα αντικαθίστανται από το φυσικό αέριο κάθε χρόνο με αποτέλεσμα μια σημαντική μείωση των εκπομπών και συγκεκριμένα t/έτος CO 2, 162 t/έτος NOx, 63,3 t/έτος CO και 37 t/έτος σωματίδια ενώ η μείωση του θορύβου αντίστοιχα αναμένεται γύρω στα 7-10 db. Η τεχνολογία της χρήσης του Βιοαερίου σε αστικά λεωφορεία εφαρμόστηκε στις πόλεις : - Augsburg (Γερμανία) 13 αρθρωτά λεωφορεία (Εικόνα 37), - Colmar - 6 απλά και 1 αρθρωτό λεωφορείο (Γαλλία) - Politiers - 22 λεωφορεία (Γαλλία), - Dublin - 1 λεωφορείο (Ιρλανδία) - Ρώμη - 40 λεωφορεία (Ιταλία). ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 101

104 Οι συγκεκριμένες πόλεις είναι πρωτοπόρες και αποτέλεσαν πρότυπο για τις χώρες τους ως προς τη χρήση ικανοποιητικού αριθμού οχημάτων φυσικού αερίου στις αστικές μεταφορές. Ταυτόχρονα, χρηματοδοτήθηκαν διάφορες πόλεις για την εγκατάσταση σταθμών τροφοδοσίας φυσικού αερίου. Στην πόλη Augsburg της Γερμανίας ( κάτ.) λειτουργούσαν από το 1996 λεωφορεία φυσικού αερίου (8 αρθρωτά και 9 απλά) ισχύος 170kW και μηχανής καύσης με λ=1. Τα νέα αρθρωτά λεωφορεία χαμηλού δαπέδου έχουν μηχανή καύσης φτωχής σε καύσιμο μείγμα ισχύος 228 kw. Μέχρι το 2005, οπότε και εκτιμάται ότι ο στόλος Εικόνα 24 Αρθρωτό λεωφορείο Φυσικού Αερίου στο Augsburg αστικών λεωφορείων φυσικού αερίου θα είναι περίπου 100 λεωφορεία, η μείωση των εκπομπών θα είναι σημαντική (Πίνακας 26). Τα αποτελέσματα των νέων αρθρωτών λεωφορείων ως προς την κατανάλωση καυσίμου ήταν ίδια σε σχέση με τα λεωφορεία φυσικού αερίου με λ=1 ενώ η κατανάλωση λαδιών ήταν χαμηλότερη κατά 15% στα νέα λεωφορεία με μηχανή καύσης φτωχή σε καύσιμο μείγμα. Σε σχέση με τα Euro I πετρελαιοκίνητα λεωφορεία, τα λεωφορεία φυσικού αερίου με μηχανή καύσης φτωχή σε καύσιμο μείγμα έχουν κατά 29% αυξημένη κατανάλωση και κατά 25% μειωμένη κατανάλωση λαδιών Αριθμός αρθρωτών λεωφορείων φυσικού αερίου Αριθμός απλών λεωφορείων φυσικού αερίου Μείωση εκπομπών CO (t/έτος) Μείωση εκπομπών NO x (t/έτος) Μείωση εκπομπών HC (t/έτος) Μείωση εκπομπών σωματιδίων (t/έτος) Πίνακας 26 Ετήσια μείωση εκπομπών και μελλοντικές εκτιμήσεις για το Augsburg 120 Στην πόλη Colmar (πληθυσμός κάτοικοι) τα πρώτα απλά λεωφορεία φυσικού αερίου ξεκίνησαν την λειτουργία τους το 1998 ενώ ένα αρθρωτό λεωφορείο φυσικού αερίου (το οποίο ήταν και το πρώτο αρθρωτό λεωφορείο της Γαλλίας) ξεκίνησε την λειτουργία του στις αρχές του 1999 (όλα της εταιρείας Renault-μοντέλο AGORA). Απώτερος στόχος του δημόσιου φορέα συγκοινωνιών της πόλης είναι η πλήρη μετατροπή του στόλου αστικών λεωφορείων (σύνολο 36 λεωφορείων) σε λεωφορεία φυσικού αερίου. 120 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 102

105 Οι μετρήσεις κατανάλωσης των απλών λεωφορείων (περίοδος 1998-αρχές 1999 και πεδίο μέτρησης km με km) έδειξαν σχετικά μεγάλες τιμές με μέσο όρο περίπου 70,8 Nm 3 ανά 100km (1,6 φορές περισσότερο από το πετρέλαιο) ενώ το αρθρωτό λεωφορείο (με πεδίο μέτρησης km περίπου) έδειξε κατανάλωση 78,65 Nm 3 ανά 100km. Ως αποτέλεσμα ήταν να γίνουν κάποιες μετατροπές από την RVI (π.χ. αλλαγές στροφών του κιβώτιου ταχυτήτων) για την μείωση της κατανάλωσης σε 60 Nm 3 ανά 100 km. Το κόστος καυσίμου ήταν, παρά την αυξημένη κατανάλωση των λεωφορείων φυσικού αερίου, χαμηλότερο σε σχέση με το πετρέλαιο λόγω των μειωμένων τιμών (και φόρων) του φυσικού αερίου. Συγκεκριμένα, την περίοδο το κόστος καυσίμου, περιλαμβανομένων των φόρων, προέκυψε 140 γαλ. φράγκα ανά 100 km για το φυσικό αέριο σε σχέση με το πετρέλαιο που ήταν περίπου 160 γαλ. φράγκα ανά 100 km. Παρατηρήθηκαν κάποια προβλήματα με τα ηλεκτρικά καλώδια και τα μπουζί εξαιτίας της υψηλής θερμοκρασίας της μηχανής. Αμέσως μετά την ανάφλεξη σε χαμηλές θερμοκρασίες ( -8 C) ήταν απαραίτητη μια αναμονή λεπτά πριν την κανονική λειτουργία. Ως προς τις εκπομπές αερίων ρύπων, στον Πίνακα 27 δίνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που διεξήχθησαν από την RVI κατά την τρίτη περίοδο του προγράμματος. NΟχ (g/kwh) HC (g/kwh) CO (g/kwh) Diesel Μηχανή Euro Diesel Μηχανή Euro Μηχανή φυσικού αερίου (Renault) με οξειδωτικό καταλύτη Σωματίδια (g/kwh) 4 >0.3 >0.1 <0.08 Πίνακας 27 Μετρήσεις εκπομπών Λεωφορείων από την Renault για το πρόγραμμα NGVeurope την περίοδο 11/1998-3/ Ο σταθμός τροφοδοσίας των λεωφορείων με φυσικό αέριο ξεκίνησε τον Μάρτιο του 1998 και με τους δυο τρόπους πλήρωσης, αργή και γρήγορη πλήρωση. Η αργή πλήρωση λειτουργεί τις βραδινές ώρες, μετά τις 8.00 μμ (πλήρωση 3 λεωφορείων σε μια ώρα) ενώ η γρήγορη πλήρωση λαμβάνει χώρα από τις 7.20 το πρωί μέχρι τις 8.00 το βράδι (~15min για την πλήρωση ενός λεωφορείου). Στην περιφέρεια Poitiers της Γαλλίας (πληθυσμός κάτοικοι και 10 πόλεις περιλαμβανομένης και της Poitiers) το συνολικό δίκτυο λεωφορείων έχει μέγεθος 368 km, με 22 γραμμές και 759 στάσεις λεωφορείων. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου λειτουργούν στο κέντρο της πόλης Poitiers σε δυο λεωφορειακές γραμμές, μια σύντομη (4,5km) και μια γραμμή που συνδέει το κέντρο με την περιοχή του Πανεπιστημίου (9,5km). Στον Πίνακα 28 δίνονται στοιχεία καταναλώσεων όλων των λεωφορείων ανά μήνα ξεκινώντας από τον Φεβρουάριο του Η μέση κατανάλωση για τα λεωφορεία φυσικού αερίου που προέκυψε ήταν 56 Nm 3 ανά 100km ενώ καταγράφηκαν διαφοροποιήσεις μεταξύ των μηνών που οφείλονται στον αριθμό των επιβατών, τις κυκλοφοριακές συνθήκες (κυκλοφοριακός φόρτος), την εξωτερική θερμοκρασία και την ποιότητα του φυσικού αερίου. 121 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 103

106 Συνολική κατανάλωση / μήνα km / λεωφορείο / μήνα Μέση κατανάλωση φυσ. αερίου Nm 3 /100 km Μάρτιος , Απρίλιος , Μάιος , Ιούνιος , Ιούλιος , Αύγουστ , Σεπτέμβρ , Οκτώμβ , Νοέμβρ , Δεκέμβρ , ΣΥΝΟΛΟ , km / λεωφορείο φυσ. αερίου / μήνα Πίνακας 28 Στοιχεία καταναλώσεων Λεωφορείων Φυσικού Αερίου στο Poitiers το Οι διαφοροποιήσεις στην ποιότητα του φυσικού αερίου είναι γενικά ένας από τους λόγους για τις διαφοροποιήσεις στην κατανάλωση. Παρά το γεγονός αυτό, η οποιαδήποτε σχέση ποιότητας αερίου και κατανάλωσής του είναι δύσκολο να διευκρινισθεί, όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα 23 ενώ και όλοι οι άλλοι παράγοντες (αριθμός επιβατών, κυκλοφοριακός φόρτος κλπ) δυσκολεύουν ακόμη περισσότερο την αποσαφήνιση αυτής της σχέσης. Τέλος, δεν έχει αποσαφηνισθεί αν ενδείκνυται να χρησιμοποιείται ως μονάδα μέτρησης το Νm 3 ή η θερμιδική ισχύ. 59, ,00 11,8 57,00 11,6 56,00 11,4 55,00 11,2 54,00 53,00 Consommation en m3 par 100 km Pouvoir calorifique en kwh par m3 Linéaire (Pouvoir calorifique en kwh par m3) Linéaire (Consommation en m3 par 100 km) 11 52,00 mars-99 avr-99 mai-99 juin-99 juil-99 août-99 sept-99 oct-99 nov-99 déc-99 10,8 Διάγραμμα 23 Επίδραση της ποιότητας του Φυσικού Αερίου στην κατανάλωση καυσίμου Ο.π. 123 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 104

107 Από οικονομικής απόψεως, και συγκεκριμένα ως προς το κόστος καυσίμου (περιλαμβανομένων κόστους για συντήρηση και ηλεκτροκίνηση των συμπιεστών), το φυσικό αέριο είναι οικονομικότερο έναντι του πετρελαίου με βάση και τις τιμές τους (Διάγραμμα 24). Η οικονομική εξισσορόπηση μεταξύ των καυσίμων επήλθε με μηνιαία κατανάλωση φυσικού αερίου της τάξης των Νm 3, δηλ. λειτουργία 16 λεωφορείων με πάνω από km/μήνα F 900 F 800 F 700 F 600 F 500 F 400 F NGV fuel cost /100 km Gasoil fuel cost/100 km 300 F 200 F 100 F - F janv-98 févr-98 mars-98 avr-98 mai-98 juin-98 juil-98 août-98 sept-98 oct-98 nov-98 déc-98 janv-99 févr-99 mars-99 avr-99 mai-99 juin-99 juil-99 août-99 sept-99 oct-99 nov-99 déc-99 Διάγραμμα 24 Συγκριτικά στοιχεία κόστους καυσίμου για τα αστικά λεωφορεία στο Poiters το Η σύγκλιση αυτή οφείλεται στους ακόλουθους παράγοντες: Αύξηση τιμής του πετρελαίου την περίοδο με ταυτόχρονη αύξηση και της φορολόγησής του. Η φορολόγηση του φυσικού αερίου για χρήση του σε αστικά λεωφορεία μειώθηκε την αντίστοιχη περίοδο (φοροαπαλλαγή για Νm 3 /έτος/λεωφορείο με ετήσια κατανάλωση Νm 3 που σημαίνει Fr/Νm 3 /λεωφορείο/έτος = 500 ). Ταυτόχρονα, διεξήχθη μέτρηση ως προς την επάρκεια του συστήματος αποθήκευσης (φιάλες) φυσικού αερίου στο λεωφορείο με σκοπό να καθοριστεί ο βέλτιστος αριθμός φιαλών προς κάλυψη μιας ημέρας δρομολόγησης. Οι δυο τύποι λεωφορείων που λειτουργούν έχουν 7 (Heuliez GX 317) και 9 (RVI Agora) φιάλες των 125lit αντίστοιχα. Με τις 7 φιάλες φυσικού αερίου το λεωφορείο διένυσε 397km για 22,5h χωρίς επαναπλήρωση. Με βάση το γεγονός ότι η μέση απόσταση δρομολόγησης ενός λεωφορείου είναι 220 με 250km, οι 7 φιάλες επαρκούν ενώ ταυτόχρονα με την μείωση του αριθμού των φιαλών επέρχεται οικονομία Fr ανά λεωφορείο. Τέλος, η εμπειρία κατέδειξε ότι είναι δυνατή η οδήγηση μέχρι την πλήρη εκκένωση των φιαλών, παρά το γεγονός ότι αναμένονταν δυσλειτουργίες με πτώση πίεσης στα bars, κάτι που δεν παρατηρήθηκε. 124 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 105

108 9. ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ Προκειμένου να αποκτήσουμε μια συνολική θεώρηση των επιπτώσεων και των ωφελειών που θα αποκτήσουμε εκ της χρήσης καθενός διαφορετικού καυσίμου απαιτείται, μια ολοκληρωμένη ανάλυση η οποία περιλαμβάνει, εκτός των εκπομπών των οχημάτων, τις εκπομπές και την ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή και επεξεργασία της εξεταζόμενης ποσότητας καυσίμων. Η ανάλυση αυτή ονομάζεται Ανάλυση Κύκλου Ζωής(ΑΚΖ). Σύμφωνα λοιπόν με μελέτη που έγινε βασιζόμενη στα Ευρωπαϊκά δεδομένα από τις εταιρείες πετρελαιοειδών υπό το συντονισμό της General Motors, η μελέτη διαχωρίζεται σε τρία βασικά τμήματα : Well to Tank : Εξετάζει την κατανάλωση ενέργειας ή τις εκπομπές ρύπων που απαιτούνται για την παραγωγή του καυσίμου, την επεξεργασία του και την μεταφορά του μέχρι και τη δεξαμενή καυσίμων του οχήματος στο οποίο και θα καταναλωθεί. Tank to Wheel : Αναφέρεται στην κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές ρύπων κατά την διάρκεια της χρήσης του καυσίμου για την κίνηση του οχήματος. Απαιτείται επομένως η εκτίμηση των παραμέτρων του οχήματος και των αποδόσεων του καυσίμου Well to Whell : Στην φάση αυτή εξετάζουμε την συνολική κατανάλωση ενέργειας ή τις εκπομπές ρύπων του καυσίμου από την στιγμή της παραγωγής του μέχρι την φάση της κατανάλωσης επί του οχήματος. Πρόεικεται δηλαδή στην ουσία για την ενοποίηση των δύο προηγούμενων τμημάτων της ΑΚΖ που προαναφέρθηκαν. Οι τεχνολογίες που ελήφθησαν υπόψη για την Tank to Wheel ανάλυση σε συνδυασμό με τα αντίστοιχα καύσιμα δίνονται στο κάτωθι Πίνακα 29. Τα δε αποτελέσματά της στο Διάγραμμα 25. Πίνακας 29 Εξεταζόμενες τεχνολογίες οχημάτων συνδυαζόμενες με ποικιλία καυσίμων της Well to Wheel ανάλυσης ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 106

109 Διάγραμμα 25 Ενεργειακή κατανάλωση καυσίμων της Well to Tank Ανάλυσης 126 Στο επόμενο Διάγραμμα 26 δίνεται η συνολική ενεργειακή κατανάλωση των επιλεγμένων μεθόδων και τεχνολογιών οχημάτων. Διάγραμμα 26 Συνολική ενεργειακή κατανάλωση διαφόρων καυσίμων και τεχνολογιών της Well to Wheel ανάλυσης Ο.π. 127 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 107

110 Εν συνεχεία δίνονται στο επόμενο Διάγραμμα 27 οι συνολικές εκπομπές CO 2 για διαφορετικά καύσιμα. Διάγραμμα 27 Συνολικές εκπομπές CO2 διαφορετικών καυσίμων της Well to Wheel ανάλυσης 128 Από την μελέτη των ανωτέρω παρατιθέμενων διαγραμμάτων συμπεραίνουμε ότι η ενεργειακή κατανάλωση της παραγωγής και διάθεσης, δηλ. η Well-to-Tank ανάλυση, των συμβατικών καυσίμων και του φυσικού αερίου είναι χαμηλότερη έναντι όλων των υπολοίπων καυσίμων. Αντίστοιχα η συνολική ενεργειακή κατανάλωση του φυσικού αερίου είναι λίγο υψηλότερη του πετρελαίου, ενώ την μικρότερη συνολική ενεργειακή κατανάλωση έχει η τεχνολογία των κελιών καυσίμου (FC) με χρήση συμπιεσμένου αέριου υδρογόνου (CGH 2 ) που προέρχεται από αιολική ενέργεια-ηλεκτρισμό. Παρόμοια συνολική ενεργειακή κατανάλωση δίνει και η τεχνολογία των κελιών καυσίμου με χρήση συμπιεσμένου αέριου υδρογόνου που προέρχεται από το φυσικό αέριο αλλά οι συνολικές εκπομπές CO 2 είναι κατά 30% περίπου μειωμένες έναντι του πετρελαίου. Τέλος, είναι φανερό ότι με τη χρήση βιοκαυσίμων, όπως για παράδειγμα η αιθανόλη, μειώνονται κατά πολύ οι συνολικές εκπομπές CO 2 έναντι των συμβατικών καυσίμων. Ελάχιστες έως μηδενικές είναι οι συνολικές εκπομπές CO 2 από τη χρήση συμπιεσμένου αέριου υδρογόνου (CGH 2 ), που παράγεται από εξαέρωση της βιομάζας και από ηλεκτρόλυση του νερού με ρεύμα που προέρχεται από αιολική ενέργεια, σε κελιά καυσίμου (FC). 128 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 108

111 9.1. Σύγκριση εκπομπών ρύπων Αξίζει να αναφερθούν τα αποτελέσματα μιας μελέτης της ΙΕΑ (International Energy Agency) για τις εκπομπές ανάλυσης κύκλου ζωής βαρέων οχημάτων με βάση τα Ευρωπαϊκά πρότυπα δίνονται στον Πίνακα 30. Οι εκπομπές των εναλλακτικών καυσίμων (προπάνιο, φυσικό αέριο, αιθανόλη, βιοντήζελ) δίνονται ως ποσοστό των εκπομπών των πετρελαιοκινητήρων, ενώ στην τελευταία γραμμή του Πίνακα δίνονται οι απόλυτες τιμές εκπομπών από το πετρέλαιο σε gr/km. Καύσιμο ΝΟx CO HC PM CO 2 Πετρέλαιο LPG-προπάνιο Φυσικό αέριο Αιθανόλη (κυταρρίνες) Αιθανόλη (σάκχαρα) Βιοντήζελ Πετρέλαιο (gr/km) 1,4-16,7 0,6-4,3 1,1-1,8 1, Πίνακας 30 Συνολικές εκπομπές βαρέων οχημάτων από χρήση εναλλακτικών καυσίμων συναρτήσει των εκπομπών πετρελαίου για τα Ευρωπαϊκά δεδομένα 129 Επιπρόσθετα, στον Πίνακα 31 δίνονται τα αποτελέσματα μελέτης ΑΚΖ των εκπομπών διαφόρων καυσίμων για αστικά λεωφορεία που έγινε στην Αυστραλία (το 2000) με δεδομένα που αναφέρονται στην τοπική κοινωνία. Για καύσιμα που δε είναι διατίθενται στην Αυστραλιανή αγορά, όπως το ULSD ή άλλα καύσιμα, τα δεδομένα προέκυψαν από πιλοτικές ή άλλες εφαρμογές διεθνώς. Οι συμβολισμοί που χρησιμοποιούνται στο πίνακα είναι οι εξής : LSD=χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο πετρέλαιο, ULSD=πολύ χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο πετρέλαιο, LPG=προπάνιο, GNG=φυσικό αέριο, LNG=υγροποιημένο φυσικό αέριο, Ε95=Μείγμα 5%πετρέλαιο & 95%αιθανόλη, Β20=Μείγμα 80%πετρέλαιο & 20%βιοντήζελ, Β100=Βιοντήζελ 100% Καύσιμο ΝΟx CO ΝΜVOC PM CO 2 CH 4 Πετρέλαιο 16,10 5,61 3,10 0, ,71 LSD 15,90 5,06 2,51 0, ,71 ULSD 15,60 5,30 2,61 0, ,74 LPG 6,33 3,57 1,87 0, ,76 CNG 10,50 0,75 3,03 0, ,76 LNG 34,10 11,90 5,29 0, ,77 E95 8,17 16,60 5,33 0, ,21 B20 24,70 7,29 2,69 0, ,48 B100 19,90 11,20 2,86 1, ,22 Πίνακας 31 Συνολικές εκπομπές αστικών Λεωφορείων εκ της χρήσης εναλλακτικών καυσίμων στην Αυστραλία ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 109

112 Τέλος αναφέρουμε ένα επιπλέον πρόγραμμα εργαστηριακών μετρήσεων της ενεργειακής απόδοσης και των εκπομπών υβριδικών λεωφορείων και λεωφορείων φυσικού αερίου σε σχέση με σύγχρονα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία έλαβε χώρα το 1999 στις ΗΠΑ. Τα στοιχεία των καυσίμων που δοκιμάστηκαν (πετρέλαιο περιεκτικότητας σε θείο 300 ppm, πετρέλαιο χαμηλή περιεκτικότητας σε θείο 20 ppm, συνθετικό πετρέλαιο με σχεδόν μηδενική περιεκτικότητα σε θείο και φυσικό αέριο) Κάθε λεωφορείο εξοπλίστηκε με συσκευή επεξεργασίας των καυσαερίων (αιθαλοπαγίδα για τα υβριδικά, οξειδωτικό καταλύτη για τα συμβατικά λεωφορεία Οι μετρήσεις εκπομπών και κατανάλωσης καυσίμου (οικονομία καυσίμου) έλαβαν χώρα για έξι διαφορετικούς κύκλους αστικής οδήγησης με μέσες ταχύτητες 3-17 miles/h (4,8-27,2km/h) και 4-18 στάσεις ανά μίλι. Η εφαρμογή πολλών και διαφορετικών κύκλων οδήγησης κρίθηκε σκόπιμη διότι η κατανάλωση και οι εκπομπές εξαρτώνται σε σημαντικό βαθμό από τις συνθήκες οδήγησης (επιτάχυνση-επιβράδυνση, λειτουργία στο ρελαντί, απόσταση φρεναρίσματος κ.ά.) και ο συνήθης προτεινόμενος κύκλος οδήγησης CBD (Central Business District), που εφαρμόζεται για μετρήσεις των αστικών λεωφορείων, δεν ανταποκρίνεται συχνά στις πραγματικές διαδρομές μεγάλων πόλεων, όπως για παράδειγμα στη Νέα Υόρκη όπου παρατηρούνται μικρότερες μέσες ταχύτητες (12,6 miles/h μέση ταχύτητα προσομοιώνει ο CBD κύκλος οδήγησης συγκριτικά με τον ΝΥ Bus κύκλο οδήγησης που προσομοιώνει αντίστοιχα 3,7 miles/h). Στο Διάγραμμα 28 δίνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων των εκπομπών και της οικονομίας καυσίμου όπως προέκυψαν από τον κύκλο οδήγησης ΝΥ Βus για όλα τα εξεταζόμενα λεωφορεία. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 110

113 Διάγραμμα 28 Αποτελέσματα μετρήσεων εκπομπών αστικών Λεωφορείων με το κύκλο οδήγησης NY Bus ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 111

114 Σημειώνεται τέλος ότι διεθνώς εξετάζονται συνεχώς μέθοδοι αύξησης της απόδοσης των εναλλακτικών καυσίμων, ενώ νέες τεχνολογίες οχημάτων όπως τα κυψέλες καυσίμου εμφανίζουν τα πρώτα θετικά αποτελέσματα. Εκτιμάται ότι στο μέλλον (σε μακροπρόθεσμο ορίζοντα ετών), τα εναλλακτικά καύσιμα και οι νέες εξελισσόμενες τεχνολογίες θα καταλαμβάνουν σημαντικό τμήμα της αγοράς καυσίμων. Σε κάθε περίπτωση συμπεραίνουμε το φυσικό αέριο αποτελεί σήμερα τη βέλτιστη εναλλακτική του πετρελαίου λύση Αξιολόγηση τεχνολογιών εναλλακτικών καυσίμων Η αξιολόγηση των εναλλακτικών καυσίμων που χρησιμοποιούνται σε αστικά λεωφορεία καθώς επίσης και οι αντίστοιχες τεχνολογίες, εφαρμοζόμενες ή εξελισσόμενες, περιλαμβάνει πολλές παραμέτρους. Οι βασικότερες από αυτές αφορούν κυρίως στην ενεργειακή και περιβαλλοντική απόδοση των τεχνολογιών ενώ ιδιαίτερη σημασία έχει και η διαμόρφωση των οικονομικών μεγεθών. Εν συνεχεία, συνοψίζονται τα χαρακτηριστικά των εναλλακτικών καυσίμων και τεχνολογιών, με βάση την ανάλυση των προηγηθέντων κεφαλαίων, και επιχειρείται ποιοτική και ποσοτική σύγκρισή τους. Παράμετροι Φυσικό Κελιά Πετρέλαιο Τρόλεϊ Υβριδικά Αέριο καυσίμου Τεχνολογίες Εκπομπές καυσαερίων * * * * * * * * (*) * * * Θόρυβος * * * * * * * * (*) * * (*) Ενεργειακή απόδοση συστήματος/κινητήρα * * * * * * * * (*) * * (*) Ενεργειακή κατανάλωση * * * * * * * * * * (*) Κόστος συντήρησης συστήματος * * * * * * * * * (*) * Τιμή οχήματος * * * * * (*) * (*) * * * Ώριμη Τεχνολογία/Εμπειρία * * * * * * * * * * (*) * * * * = καλύτερη, * = χειρότερη Πίνακας 32 Ποιοτική σύγκριση τεχνολογιών εναλλακτικών καυσίμων και του Diesel 132 Σύμφωνα δε με τα στοιχεία του Πίνακα 33, τα οποία προκύπτουν με βάση τα αποτελέσματα που προαναφέρθηκαν στα επιμέρους κεφάλαια, γίνεται αντιληπτό ότι σε αρκετές περιπτώσεις τα αποτελέσματα δεν ταυτίζονται και υπάρχουν σημαντικές αποκλίσεις σε ότι αφορά τα οικονομικά δεδομένα (κόστος συντήρησης, λειτουργίας κλπ). Η ποσοστιαία μεταβολή και η σχετική σύγκριση απεικονίζει αποτελέσματα πρόσφατων εφαρμογών με νεότερης γενιάς αστικά λεωφορεία (τρόλεϊ, φυσικού αερίου και συμβατικά), στα οποία η περιβαλλοντική και ενεργειακή τους απόδοση είναι βελτιωμένη σε σχέση με παλαιότερου τύπου αντίστοιχα λεωφορεία. 132 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 112

115 Παράμετροι Πετρέλαιο Φυσικό Κελιά Τρόλεϊ Υβριδικά (Εuro 3) Αέριο καυσίμου Τεχνολογίες Εκπομπές καυσαερίων Συνολικές εκπομπές CO Θόρυβος Ενεργειακή απόδοση συστήματος/κινητήρα Ενεργειακή κατανάλωση Κόστος συντήρησης συστήματος/οχήματος Τιμή οχήματος για τα Ελληνικά δεδομένα (1,07kgCO 2 /kwh) 2 Για παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο Πίνακας 33 Σύγκριση εναλλακτικών τεχνολογιών και πετρελαίου 133 Στο Διάγραμμα 29 συγκρίνονται οι εναλλακτικές τεχνολογίες αστικών λεωφορείων με την τεχνολογία του πετρελαίου Euro 3 (βάση αναφοράς Πετρέλαιο = 100), ενώ στο διάγραμμα 30 γίνεται ίδιου τύπου σύγκριση για τις εκπομπές ρύπων Πετρέλαιο (Εuro 3) Καθαρό Πετρέλαιο (Εuro 4) Φυσικό Αέριο Τρόλεϊ Υβριδικά Κελλία καυσίμου Εκπομπές καυσαερίων Ενεργειακή κατανάλωση Κόστος συντήρησης Συνολικές Εκπομπές CO2 Διάγραμμα 29 Σύγκριση τεχνολογιών εναλλακτικών καυσίμων θεωρώντας ως βάση το πετρέλαιο (Diesel =100) ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 113

116 CO2 250 CO 200 NOx 150 THC 100 PM 50 Ενεργειακή κατανάλωση 0 Πετρέλαιο (Εuro 3) Φυσικό Αέριο Ε95 (κυτταρίνη) Βιοντήζελ Β100 Βιοντήζελ Β20 Διάγραμμα 30 Σύγκριση συνολικών εκπομπών ρύπων των τεχνολογιών εναλλακτικών καυσίμων θεωρώντας ως βάση το πετρέλαιο (Diesel=100) 135 Από την μελέτη των στοιχείων που αποτυπώνονται στους πίνακες και τα διαγράμματα που παρατέθηκαν μπορούμε βάσιμα να συμπεράνουμε ότι : Όλες οι εναλλακτικές τεχνολογίες αστικών λεωφορείων έχουν πολύ καλή έως άριστη περιβαλλοντική απόδοση σε τοπικό επίπεδο (αστικά κέντρα). Τα τρόλεϊ και τα λεωφορεία κελίων καυσίμου έχουν σχεδόν μηδενικές εκπομπές καυσαερίων ενώ τα λεωφορεία φυσικού αερίου έχουν 80-90% περίπου χαμηλότερες εκπομπές σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Μειωμένες κατά 60%περίπου είναι και οι εκπομπές των υβριδικών λεωφορείων, ενώ η χρήση των λεωφορείων Euro 4 με χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο πετρέλαιο μειώνει κατά 30% περίπου τις εκπομπές καυσαερίων. Οι συνολικές εκπομπές CO 2 (παραγωγή-διακίνηση καυσίμου και κίνηση λεωφορείων) των περισσοτέρων εναλλακτικών τεχνολογιών είναι χαμηλότερες σε σχέση με την τεχνολογία του πετρελαίου. Η παραγωγή ενέργειας (ρεύματος) από την καύση λιγνίτη (π.χ. Ελλάδα) για την κίνηση των τρόλεϊ δίνει ιδιαίτερα υψηλές εκπομπές CO 2. Σύμφωνα με τα Ελληνικά δεδομένα, όπου για την παραγωγή μιας kwh εκπέμπονται 1,07 kg CO 2, η χρήση των τρόλεϊ επιφέρει αύξηση περίπου 50% στις συνολικές εκπομπές CO 2. Τη χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση έχουν τα λεωφορεία τρόλεϊ (περίπου 50% της αντίστοιχης του πετρελαίου) ενώ και οι νέες εξελισσόμενες τεχνολογίες έχουν χαμηλότερη ενεργειακή κατανάλωση έναντι του πετρελαίου. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου έχουν 20-25% περίπου υψηλότερη ενεργειακή κατανάλωση έναντι των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. 135 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 114

117 Το κόστος συντήρησης είναι υψηλό για τις εναλλακτικές τεχνολογίες. Συγκεκριμένα, το κόστος συντήρησης των υβριδικών και των λεωφορείων κελιών καυσίμου είναι αυξημένο κατά 50-70% περίπου έναντι του αντίστοιχου κόστους των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Να σημειωθεί ότι οι νέες τεχνολογίες έχουν πολύ περιορισμένη εφαρμογή και δεν είναι διαθέσιμος ικανός αριθμός δεδομένων του κόστους συντήρησης. Τα τρόλεϊ παρουσιάζουν αύξηση του κόστους συντήρησης κατά 30% περίπου εξαιτίας του υψηλού κόστους συντήρησης του δικτύου τρόλεϊ. Τα σύγχρονα λεωφορεία φυσικού αερίου έχουν μια αύξηση 10-20% περίπου σε σχέση με τα συμβατικά λεωφορεία, που οφείλεται στο υψηλότερο κόστος ανταλλακτικών του οχήματος. Όλες οι εναλλακτικές τεχνολογίες αστικών λεωφορείων έχουν χαμηλότερα επίπεδα (εξωτερικού) θορύβου σε σχέση με τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Τα πλέον αθόρυβα λεωφορεία είναι τα τρόλεϊ με 25% περίπου χαμηλότερες εκπομπές θορύβου σε σχέση με τα συμβατικά λεωφορεία. Η ενεργειακή απόδοση των εναλλακτικών τεχνολογιών αστικών λεωφορείων είναι στην πλειοψηφία τους υψηλότερη της απόδοσης των συμβατικών λεωφορείων. Ο ηλεκτροκινητήρας των τρόλεϊ έχει 90% περίπου απόδοση έναντι του πετρελαιοκινητήρα (40-45% βαθμός απόδοσης) και του κινητήρα φυσικού αερίου (36-38% βαθμός απόδοσης). Τα κελιά καυσίμου έχουν 50-65% περίπου βαθμό απόδοσης, δηλ. 40% αυξημένο σε σχέση με τον πετρελαιοκινητήρα. Επιπρόσθετα, στα τρόλεϊ και στα υβριδικά, σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας επιτυγχάνεται με την ανάκτηση της ενέργειας πέδησης (εξοικονόμηση ενέργειας περίπου 30-40%). Ως προς το κόστος κτήσης (αγοράς) του λεωφορείου, τα πετρελαιοκίνητα έχουν το χαμηλότερο κόστος κτήσης. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι 20% περίπου ακριβότερα ενώ τα τρόλεϊ είναι 2.5 φορές περίπου ακριβότερα έναντι των συμβατικών λεωφορείων. Τα λεωφορεία κελίων καυσίμου έχουν σχεδόν απαγορευτική τιμή αγοράς και δεν αναμένεται στο άμεσο μέλλον να προσεγγίσουν την τιμή των συμβατικών πετρελαιοκίνητων λεωφορείων. Σε ότι αφορά στη χρήση βιοκαυσίμων στα αστικά λεωφορεία, οι εφαρμογές διεθνώς είναι περιορισμένες και ετερογενείς (χρήση διαφόρων μειγμάτων, Β20, Ε95, Ε10 κλπ) με αποτέλεσμα την αδυναμία σύγκρισής τους και την διεξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων ως προς τα οικονομικά και ενεργειακά δεδομένα. Για παράδειγμα, η χρήση μείγματος αιθανόλης Ε10 δεν αυξάνει το κόστος κτήσης του οχήματος αφού δεν απαιτείται τροποποίηση του κινητήρα σε αντίθεση με τη χρήση καθαρής αιθανόλης (Ε95) όπου το κόστος κτήσης είναι ιδιαίτερα αυξημένο (το όχημα κατασκευάζεται αποκλειστικά για τη χρήση αιθανόλης). ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 115

118 Το βασικό βέβαια χαρακτηριστικό των βιοκαυσίμων είναι η υψηλή τιμή παραγωγής. Οι διαφορετικής προέλευσης γεωργικές πρώτες ύλες των βιοκαυσίμων διαφοροποιούν σημαντικά τόσο το κόστος καυσίμου (και συνεπώς και το λειτουργικό κόστος) όσο και την ενεργειακή κατανάλωση για την παραγωγή του καυσίμου. Στην πλειοψηφία τους, τα βιοκαύσιμα έχουν πολύ υψηλότερο κόστος παραγωγής του καυσίμου έναντι του πετρελαίου, με συνεπαγόμενο αποτέλεσμα την πολύ χαμηλή διαθεσιμότητά τους, σε σχέση τόσο με το πετρέλαιο όσο και με τα υπόλοιπα εναλλακτικά καύσιμα. Οπωσδήποτε, μια σύγκριση των οικονομικών δεδομένων (κόστος συντήρησης, κόστος καυσίμου, λειτουργικό κόστος) των εναλλακτικών καυσίμων με το πετρέλαιο θα περιείχε σημαντικούς παράγοντες αβεβαιότητας και μεγάλες διακυμάνσεις στις τιμές. Σε γενικές γραμμές πάντως, από τη χρήση βιοκαυσίμων (αιθανόλη και βιοντήζελ) στα αστικά λεωφορεία προκύπτει ότι : Η τιμή καυσίμου είναι % αυξημένη έναντι του πετρελαίου. Το κόστος συντήρησης είναι αυξημένο κατά 5-20% έναντι του πετρελαίου. Η συνολική ενεργειακή κατανάλωση (ανάλυσης κύκλου ζωής) είναι % υψηλότερη του πετρελαίου. Σε αντίθεση με τα οικονομικά δεδομένα, μια περιβαλλοντική σύγκριση της χρήσης βιοκαυσίμων στα αστικά λεωφορεία σε σχέση με το πετρέλαιο και άλλα εναλλακτικά καύσιμα παρουσιάζεται στον Πίνακα 34. Τα στοιχεία του Πίνακα αφορούν σε συνολικές εκπομπές ρύπων (ανάλυσης κύκλου ζωής) της χρήσης εναλλακτικών καυσίμων σε αστικά λεωφορεία. Για το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο δίνεται εύρος τιμών ενώ για τα βιοκαύσιμα δίνονται οι απόλυτες διαθέσιμες τιμές. Ρύποι Πετρέλαιο Φυσικό Ε95 Βιοντήζελ Βιοντήζελ Εναλλακτικά (ΕURO 3) Αέριο (κυτταρίνη) Β100 Β20 Καύσιμα CO CO 4,6-6,8 0,8-4,6 16,6 11,2 7,3 NOx 16,1-21,5 8,4-10,5 8,2 19,9 24,7 THC (CH 4, N 2 O & NMVOC) 3,8-4,6 6-10,5 5,5 3,5 3,3 PM 0,4-0,6 0,06-0,09 0,4 1,4 0,6 Πίνακας 34 Συνολικές εκπομπές ρύπων εναλλακτικών τεχνολογιών καυσίμων (gr/km) ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 116

119 Στον Πίνακα 35 δίνεται η σχετική μεταβολή των συνολικών εκπομπών ρύπων των εναλλακτικών καυσίμων ως προς τις εκπομπές του πετρελαίου καθώς και η συνολική ενεργειακή κατανάλωση (βάση αναφοράς Diesel=100 Ρύποι, Κατανάλωση Πετρέλαιο (ΕURO 3) Φυσικό Αέριο Ε95 (κυτταρίνη) Βιοντήζελ Β100 Βιοντήζελ Β20 Εναλλακτικά Καύσιμα CO CO NOx THC (CH 4, N 2 O και NMVOC) PM Συνολική κατανάλωση ενεργειακή Πίνακας 35 Σύγκριση συνολικών εκπομπών & συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης εκ της χρήσεως εναλλακτικών καυσίμων σε αστικά λεωφορεία ( βάση αναφοράς Diesel =100) 137 Από τα παρατιθέμενα λοιπόν στοιχεία προκύπτει ότι το φυσικό αέριο υπερτερεί έναντι των βιοκαυσίμων, πετυχαίνοντας χαμηλότερες συνολικές εκπομπές ρύπων καθώς και χαμηλότερη συνολική ενεργειακή κατανάλωση. 137 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 117

120 10. ΑΝΤΙ ΕΠΙΛΟΓΟΥ Tα διαφορετικής τεχνολογίας λεωφορεία παρουσιάζουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, και η επιλογή εναπόκειται στην ταύτιση των απαιτήσεων και των οικονομικών δυνατοτήτων του χρήστη με τα προσφερόμενα χαρακτηριστικά του κάθε συστήματος. Στον ακόλουθο Πίνακα 36 γίνεται μια σύνοψη των δυνατοτήτων όλων των προσφερόμενων σήμερα συστημάτων. Λεωφορείο / Καύσιμο Βασικά πλεονεκτήματα Βασικά μειονεκτήματα Εξελιγμένα πετρελαιοκ. λεωφορεία / ULSD Χαμηλότερες εκπομπές NOx, PM, CO και HC Υψηλότερο αρχικό κόστος και κόστος καυσίμου. Χαμηλότερες εκπομπές NOx, PM Υψηλότερο αρχικό κόστος. Λεωφορεία φυσικού και CO. Χαμηλότερη αυτονομία κίνησης. αερίου / φυσικό αέριο Χαμηλότερο κόστος καυσίμου. Υψηλότερες εκπομπές μεθανίου. Λεωφορεία LPG / προπάνιο Ανακατασκευασμένα λεωφορεία / φυσικό αέριο ή υγραέριο Λεωφορεία Αιθανόλης / αιθανόλη Λεωφορεία Βιοντήζελ / βιοντήζελ Ηλεκτρικά λεωφορεία Λεωφορεία Τρόλεϊ Χαμηλότερες εκπομπές NOx, PM και CO. Χαμηλότερο κόστος καυσίμου. Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μηχανής. Μειωμένες εκπομπές (για ορθές ανακατασκευές). Μειωμένο κόστος καυσίμου. Χαμηλότερες εκπομπές NOx, και PM. Τα ανανεώσιμα καύσιμα οδηγούν σε μειωμένες εκπομπές θερμοκηπίου και σε αυτονομία ως προς τη διακίνηση πετρελαίου (εισαγωγές). Μείωση των εκπομπών θερμοκηπίου και αυτονομία ως προς τη διακίνηση πετρελαίου. Χαμηλότερες ΑΚΖ εκπομπές NOx, PM, HC, CO και εκπομπές θερμοκηπίου. Μηδενικές εκπομπές καυσαερίων. Δυνατότητα χρήσης ανανεώσιμης ενέργειας για την παραγωγή ρεύματος. Ανάκτηση κινητικής ενέργειας μέσω της πέδησης. Μηδενικές εκπομπές καυσαερίων. Χαμηλότερες ΑΚΖ εκπομπές Δυνατότητα χρήσης ανανεώσιμης ενέργειας για την παραγωγή Υψηλότερο αρχικό κόστος. Λιγότερο ανεπτυγμένη υποδομή τροφοδοσίας. Μειωμένη εμπειρία λειτουργίας και συντήρησης. Χαμηλότερη αυτονομία κίνησης. Πιθανά τεχνικά προβλήματα και αυξημένες εκπομπές σε μη καλής ποιότητας νακατασκευές. Μειωμένη αυτονομία κίνησης. Υψηλότερο αρχικό κόστος. Χαμηλότερη τεχνική αξιοπιστία. Μειωμένη εμπειρία λειτουργίας και συντήρησης. Μεγαλύτερος όγκος καυσίμου. Ενδεχόμενα προβλήματα υποδομής τροφοδοσίας καυσίμου. Αβεβαιότητα της τιμής του καυσίμου (μεγάλη εξάρτηση από τη γεωργία). Υψηλότερο αρχικό κόστος Υψηλότερο κόστος παραγωγής του καυσίμου (σημαντική εξάρτηση από τη γεωργία). Πολύ υψηλότερο αρχικό κόστος. Χαμηλότερη αυτονομία κίνησης. Αυξημένο βάρος οχήματος. Μειωμένη εμπειρία λειτουργίας και συντήρησης. Ενδεχόμενα προβλήματα με τις εκπομπές από την παραγωγή ηλεκτρισμού (στις τοπικές κοινωνίες) Υψηλότερες ΑΚΖ εκπομπές SΟx. Υψηλότερο αρχικό κόστος. Υψηλότερο κόστος υποδομής και υψηλό κόστος συντήρησης του δικτύου. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 118

121 Υβριδικά λεωφορεία Λεωφορεία κυψελών καυσίμου / H 2 ρεύματος. Μεγάλος χρόνος ζωής. Χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου και μειωμένες εκπομπές. Δυνατότητα για μηδενικές εκπομπές. Ανάκτηση κινητικής ενέργειας μέσω της πέδησης. Η δυνατότητα χρήσης ανανεώσιμης ενέργειας και η υψηλή ενεργειακή απόδοση οδηγούν σε μείωση ΑΚΖ εκπομπών. Μηδενικές εκπομπές καυσαερίων. Οπτική υποβάθμιση από την εγκατάσταση του εναέριου δικτύου γραμμών. Πολύ υψηλότερο αρχικό κόστος Αυξημένο βάρος και συνεπώς επιπρόσθετες ενεργειακές ανάγκες. Τα δυο διαφορετικά συστήματα έχουν αυξημένες ανάγκες συντήρησης. Μειωμένη εμπειρία λειτουργίας και συντήρησης. Πολύ υψηλό αρχικό κόστος και κόστος λειτουργίας. Μη ανεπτυγμένη υποδομή τροφοδοσίας. Είναι σε πολύ πρώϊμο στάδιο έρευνας και ανάπτυξης. Πίνακας 36 Καταγραφή των προσφερόμενων δυνατοτήτων του κάθε συστήματος κίνησης 138 ΕΝ κατακλείδι μπορεί να υποστηριχθεί ότι οι πλέον εφαρμοζόμενες τεχνολογίες με πολύ θετικά αποτελέσματα ως προς τη μείωση των εκπομπών ρύπων, είναι η τεχνολογία του φυσικού αερίου και του τρόλεϊ. Οι υπόλοιπες παρουσιάζουν περιορισμένη εφαρμογή διεθνώς, γεγονός που οφείλεται σε σημαντικά μειονεκτήματα τους, κυρίως ως προς : τη διαθεσιμότητα καυσίμου τη τιμή καυσίμου, και το κόστος οχήματος Ενδεικτικά οι νέες εξελισσόμενες τεχνολογίες υβριδικών λεωφορείων και των λεωφορείων κελιών καυσίμου, παρά την πολύ καλή περιβαλλοντική τους απόδοση, παρουσιάζουν αυξημένο κόστος οχήματος έναντι του πετρελαίου και του φυσικού αερίου. Το γεγονός αυτό καθιστά σχεδόν απαγορευτική τη χρήση τους σε μεγάλου μεγέθους στόλους οχημάτων και δεν αναμένεται μεσοπρόθεσμα ευρεία εφαρμογή τους στις αστικές συγκοινωνίες. Αντίστοιχα, τα βιοκαύσιμα που προέρχονται από γεωργικές πρώτες ύλες (ζαχαροκάλαμα, τεύτλα, ελαιοκράμβη, σόγια κλπ) και απαιτούν δέσμευση γεωργικών εκτάσεων για την παραγωγή τους, ανταγωνίζονται διατροφικά γεωργικά προϊόντα με συνεπαγόμενο αποτέλεσμα την πρόκληση αντιδράσεων εκ μέρους πλήθους κοινωνικών φορέων με πιο σημαντική αυτή του ίδιου του ΟΗΕ Main advantages and disadvantages of different systems ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 119

122 Βιβλιογραφία 1. TCRP Report 38. Guidebook for Evaluating, Selecting and Implementing fuel choices for Transit Bus Operating.Transportation Research Board MASS TRANSIT: Use of alternative fuels in transit buses GAO AUTOMOTIVE FUELS FOR THE FUTURE: The search for Alternatives I.E.A Alternative Fuels for Transit Buses: Final result from the national renewable energy laboratory vehicle evaluation program THE ROAD FROM KYOTO Current CO 2 and transport policies in the IEA. IEA Advanced Diesel Bus CNG Bus 8. Electric Bus 9. Ethanol Bus LPG Bus Fuel Cell Bus Hybrid Bus Regulatory Framework Applicability and Test Cycles Retrofit systems Main advantages and disadvantages of different systems Breathing Clean. Considering the switch to Natural Gas Buses. Masami Kojima, World Bank Technical Paper No CUTE : Final Report CUTE : Detailed summary of achievements King County metro transit hybrid articulated buses: Final evaluation Results K. Chandler & K. Walkowich. National Renewable Energy Laboratory. 12/ Orion VII Hybrid Product Information First GM Hybrid Transit Buses go to work Hybrid transit buses. Are they really Green? London plans hybrid bus fleet to cut carbon emissions. The Guardian 26/10/ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 120

123 Ενεργειακές πολιτικές των χωρών της IEA : ΕΛΛΑΔΑ IEA Ενέργεια, Περιβάλλον & Επιχειρηματικότητα Προτάσεις για τον ενεργειακό τομέα στον ελληνικό χώρο. Εθνικό Κέντρο Περιβάλλοντος και Αειφόρου Ανάπτυξης - Νοέμβριος Συγχρηματοδοτικό πρόγραμμα «Ευφυής ενέργεια για την Ευρώπη». Από en.html 31. ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Σύνοψη Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Ερευνητικό πρόγραμμα Διερεύνηση και διατύπωση πρότασης για τη χρήση Φυσικού Αερίου στο σύστημα των Δημοσίων Αστικών Συγκοινωνιών της περιοχής Θεσσαλονίκης Ενδιάμεση Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Η κατανάλωση Ενέργειας στις μεταφορές στην Ελλάδα Πέτρος Κασσάπης Πρόεδρος της επιτροπής Ενέργεια & Μεταφορές του ΙΕΝΕ Η Γεωλογική διάσταση: τελειώνει τι πετρέλαιο; Μιλτιάδης Τσοσκούνογλου Διευθυντής τομέα Προστασίας Περιβάλλοντος Toyota Ελλάς. ΕΒΕΑ 21/9/ Διύλιση & Εμπορία σε περιβάλλον υψηλών τιμών και νέων προδιαγραφών Πάνος Καβουλάκος Διευθύνων Σύμβουλος ΕΛ.ΠΕ. Ημερίδα ΙΕΝΕ «Πετρέλαιο και οικονομία» Αθήνα 6/6/ HELLASTAT: Χονδρικό εμπόριο καυσίμων Μελέτη Ιούνιος Δις $ για ρύπους Άρθρο του Κώστα Σαρρή ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ 20/5/ Ενεργειακές Kαλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Ενημερωτικό φυλλάδιο του ΚΑΠΕ Ενεργειακές καλλιέργειες στην Ελλάδα Redestos Agrotechnology group- Bios Agrosystems S.A. Διημερίδα για τα Βιοκαύσιμα του ΤΕΕ/ΤΚΜ Θεσ/νίκη 3-4 Νοεμβρίου Βιοκαύσιμα Παναγιώτης Γεωργόπουλος - Μηχανολόγος Μηχ/κος ΕΚΕΤΑ/ Ι.ΜΕΤ. Ημερίδα «Ενέργεια και τις Μεταφορές» του ΙΕΝΕ. Αθήνα 28/3/ Βιοκαύσιμα και περιβάλλον σε όλο τον κύκλο ζωής Dr.Αγερίδης Γιώργος Μηχανολόγος Μηχ/κος & Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος, υπεύθυνη Βιομάζας του ΚΑΠΕ. Διημερίδα για τα Βιοκαύσιμα του ΤΕΕ/ΤΚΜ Θεσ/νίκη 3-4 Νοεμβρίου Ζητήματα της αγοράς των υγρών βιοκαυσίμων στην Ελλάδα Dr. Γιώργος Παρσένος Μηχανολόγος Μηχ/κος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/2006 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 121

124 43. Μια ολοκληρωμένη πρόταση στα υγρά Βιοκαύσιμα από το Σπόρο στο Βιοντίζελ AGROINVEST Α.Ε.Β.Ε. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Οικονομική και Περιβαλλοντική αξιολόγηση των Βιοκαυσίμων στην Ευρώπη Μυρσίνη Χρήστου Γεωπόνος. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Οικονομική ανάλυση της παραγωγής και διάθεσης υγρών βιοκαυσίμων Νίκος Λιάπης - Διευθυντής Εκμετάλλευσης ΕΛΙΝΟΙΛ Α.Ε. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Οι νέες τάσεις για τα Bιοκαύσιμα στην E.E Tα οικονομικά δεδομένα της παραγωγής των Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Σπύρος Κυρίτσης - Ομ.Καθ. Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Επιλογή αλυσίδας παραγωγής υγρών Βιοκαυσίμων στην Ελλάδα μέσω μεθοδολογίας Πολυκτιτηριακής Υποστήριξης Αποφάσεων Μ.Σταματιάδου, Δ. Γιαννόπουλος, Γ.Παρσένος, Μ.Φουντη ΕΜΠ, Εργαστήριο Ετερογενών Μειγμάτων & Συστημάτων Καύσης. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Bιοντίζελ Ενημερωτικό φυλλάδιο Περιφέρειας Κρήτης Ενεργειακό Κέντρο 49. Βιοενέργεια: το μέλλον Περιοδικό ECOTEC Τεύχος Ιουνίου Ενεργειακές καλλιέργειες Βασίλειος Λυχναράς Γεωπόνος Οικονομολόγος ΚΑΠΕ. Περιοδικό ECOTEC Τεύχος Ιουνίου Βιοκαύσιμα, η νέα μορφή ενέργειας kathimerini.gr 1/12/ Τα Βιοκαύσιμα κατακτούν Ιταλία και Αφρική ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ 24/4/ Θα αυξήσει τις τιμές των Tροφίμων η ανάπτυξη των Bιοκαυσίμων ΝΑΥΤΕΜΠΟΡΙΚΗ 14/5/ Η ανάπτυξη των Βιοκαυσίμων θα οδηγήσει στα ύψη το πετρέλαιο, προειδοποιεί ο ΟΠΕΚ in.gr 6/6/ Tο στοίχημα του εναλλακτικού καυσίμου Nτίζελ ΝΑΥΤΕΜΠΟΡΙΚΗ - WALL STREET JOURNAL 4/5/ ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ: Υπερδιπλάσια παραγωγή αναμένεται ως το 2012 ΝΑΥΤΕΜΠΟΡΙΚΗ 10/7/ Τα Βιοκαύσιμα δεν είναι πανάκεια για το θερμοκήπιο kathimerini.gr - REUTERS 10/8/ Αργεί η διάδοση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας kathimerini.gr με στοιχεία του AP 12/9/ Νεροβόρα η παραγωγή Bιοκαυσίμων ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ 20/8/ Το ράλι των χωραφιών ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ 3/06/ Φλερτ ΕΕ- Βραζιλίας με φόντο τα βιοκαύσιμα ΗΜΕΡΗΣΙΑ 5/7/2007. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 122

125 62. Η εξέλιξη των καυσίμων και των Προτύπων Εκπομπών Ρύπων από Συμβατικούς Κινητήρες Οχημάτων Δημήτριος Κορρές - Χημικός Μηχ/κός. Ημερίδα «Ενέργεια και τις Μεταφορές» του ΙΕΝΕ. Αθήνα 28/3/ Προκλήσεις και προοπτικές υβριδικών αυτοκινήτων Μιλτιάδης Τσοσκούνογλου Διευθυντής τομέα Προστασίας Περιβάλλοντος Toyota Ελλάς. Ημερίδα «Ενέργεια και τις Μεταφορές» του ΙΕΝΕ. Αθήνα 28/3/ Χρήση Εναλλακτικών & λοιπών Καυσίμων στην κίνηση οχημάτων Παναγιώτης Λυμπερόπουλος Υ.ΜΕ.Τ. Ημερίδα του ΙΕΝΕ για τα υγρά Βιοκαύσιμα. Αθήνα 22/6/ Παρουσίαση του έργου TREATISE Μ. Ζαρκαδούλα - επιστημονικός υπεύθυνος. Ημερίδα του ΚΑΠΕ «Μεταφορές& Αειφορία» Αθήνα 28/6/ Καθαρά Καύσιμα και Οχήματα - Συνοπτικός οδηγός Έκδοση του ΚΑΠΕ στα πλαίσια του έργου TREATISE 67. Ανακοίνωση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής : Στρατηγική της Ε.Ε. για τα Bιοκαύσιμα SEC(2006)142-8/2/ Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο : Σχέδιο Έκθεσης Dan Jergensen προώθηση Kαθαρών Oχημάτων Oδικών Mεταφορών (PE v01-00) 19/5/ Ανακοίνωση της Ευρωπαϊκής Επιτροπής στο Συμβούλιο και το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο : Χάρτης πορείας για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. SEC (2006)1719, SEC(2006) 1720, SEC(2007) 12 10/1/ Αυξάνονται οι πωλήσεις υβριδικών οχημάτων στις Η.Π.Α. kathimerini.gr.18/9/ Τα υβριδικά αυτοκίνητα μπαίνουν στη ζωή μας Capital.gr. 8/8/ Λεωφορείο που θα εκπέμπει μηδέν καυσαέρια ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ 3/6/ Η Πράσινη συμμαχία των γιγάντων ecotec.gr 74. Mercedes Citaro Fuel Cell : Το μέλλον τώρα» Βασίλης Δαραμούσκας ecotec.gr 75. Irisbus CNG : To «δελφινάκι» της Αθήνας Χ.Κ. Λαζαρόπουλος ecotec.gr 76. Environment Ιστοσελίδα της Irisbus IVECO 77. ZERO : καθαρό και ευέλικτο όχημα πόλης ecotec.gr 78. VAN με σύστημα καύσης φυσικού αερίου ecotec.gr 79. H απόλυτη λύση για λιγότερους ρύπους Κ. Κοντοδήμας ecotec.gr - Περιοδικό Car& Track 80. Καθαρά.καυσαέρια Κ.Κοντοδήμας ecotec.gr -Περιοδικό Car& Track 81. Tα Πράσινα Φορτηγά Κ.Κοντοδήμας ecotec.gr- Περιοδικό Car& Track 82. SCANIA Presents the bus of the future: world premiere for Scania s ethanol hybrid bus. Ιστοσελίδα της SCANIA. 15/5/ Το καύσιμο του αύριο ecotec.gr ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 123

126 84. Tα Bιοκαύσιμα και οι προϋποθέσεις για την Aειφόρο Eνεργειακή & Oικονομική ανάπτυξη της χώρας μας Γ. Ηλιόπουλου-Χημικού Μηχ/κού. energia.gr 85. Εναλλακτικά και Ανανεώσιμα καύσιμα ecotec.gr 86. Απολογιστική έκθεση , Τμήμα Αυτοκινήτων και Εξωτερικών Καύσεων» 87. Μεταφορές : Η Επιτροπή προτείνει προώθηση της χρήσης εναλλακτικών καυσίμων,αρχίζοντας από τα Βιοκαύσιμα IP/01/ /11/ Οδηγία 2003/30/ΕΚ του Ευρωκοινοβουλίου και του Συμβουλίου για την προώθηση των Βιοκαυσίμων ή άλλων Εναλλακτικών Καυσίμων στις Μεταφορές. 8/5/ Προσοχή στα βιοκαύσιμα. Andrew Bounds. ΗΜΕΡΗΣΙΑ 27/4/ Ευκαιρίες και κίνδυνοι των βιοκαυσίμων. Kathimerini.gr. 5/7/ Η τεχνολογία του H 2 στις μεταφορές Π. Λυμπερόπουλος Υ.ΜΕ.Τ Ημερίδα του ΙΕΝΕ «Ενέργεια και Μεταφορές». 28/3/ Μεταφορές και Περιβάλλον Θωμάς Γ. Χόνδρος. 1 η Έκθεση Επαγγελματικού Αυτοκινήτου. Αθήνα Οκτώβριος Αιωρούμενα σωματίδια.- Ένα μεγάλο πρόβλημα των Αστικών Κέντρων. Παναγιώτης Τσώνης- Ωκεανογράφος. Econews.gr 94. Οχήματα και ποιότητα της ατμόσφαιρας σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα Κώστας Νικολάου Δρ.Χημικός Περιβαλλοντολόγος ΟΡΘ σημειώσεις ΔΠΜΣ Πολυτεχνικής Σχολής 95. Diesel-Water emulsion emission and performance evaluation in public bases D.M.Korres. Ε.Μ.Π. 9 th International Conference on Environmental Science and Technology, Ρόδος 9/2005. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 124

127 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 125

128 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 1

129 1. Ατμοσφαιρικοί ρύποι Εξετάζουμε λοιπόν τους κάτωθι 8 αναφερόμενους Αέριους Ρύπους: ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ Τα οξείδια του άνθρακα εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα από την καύση κάθε είδους οργανικής ύλης. Όταν η καύση πραγματοποιείται με ανεπάρκεια αέρα (δηλ. συνεπαγόμενα και με ανεπάρκεια O 2 ) τότε αυξάνονται οι εκπομπές του Μονοξειδίου του Άνθρακα CO, ενώ αντιθέτως όταν η καύση γίνεται με περίσσεια αέρα τότε αυξάνονται οι εκπομπές του Διοξειδίου του Άνθρακα CO 2. Τα βενζινοκίνητα οχήματα λειτουργούν με έλλειψη αέρα και γι αυτό εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες CO,ενώ το αντίθετο συμβαίνει στους πετρελαιοκίνητα οχήματα. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι το πρόβλημα της έντασης του Φαινομένου του Θερμοκηπίου δηλ. της Υπερθέρμανσης του Πλανήτη άρχισε να δημιουργείται με την συνεχή διαχρονική αύξηση των εκπομπών του CO 2. Το αέριο αυτό ευθύνεται για το 50% περίπου του προβλήματος, ενώ για το υπόλοιπο ποσοστό ευθύνονται αθροιστικά ρύποι όπως το Μεθάνιο CH 4, οι Χλωροφθοράνθρακες CFCs, το Υποξείδιο του Αζώτου N 2 O και το Όζον O ΟΞΕΙΔΙΑ ΤΟΥ ΑΖΏΤΟΥ Τα οξείδια του αζώτου που συναντάμε στην ατμόσφαιρα είναι το μονοξείδιο NO, το διοξείδιο NO 2, το υποξείδιο N 2 O και το πεντοξέιδιο του αζώτου N 2 O 5. Εξ αυτών την μεγαλύτερη σημασία για την ατμόσφαιρα των αστικών περιοχών έχουν το NO και το NO 2. Το NO είναι ο πρωτογενής ρύπος που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα απ όλες τις διαδικασίες καύσης και ιδίως από τα οχήματα. Εκπεμπόμενο στην ατμόσφαιρα αντιδρά με οξειδωτικά π.χ. O 3 και μετατρέπεται σε NO 2, και γι αυτό χαρακτηρίζεται δευτερογενής ρύπος. Το NO 2 με την παρουσία του ηλιακού φωτός διασπάται (φωτοχημικά) και συμμετέχει σε μια σειρά φωτοχημικών αντιδράσεων ιδίως με τους υδρογονάνθρακες, παράγοντας νέους ρύπους και δημιουργώντας το Φωτοχημικό Νέφος. Γι αυτό το λόγο, το NO2 αποτελεί έναν από τους δείκτες ύπαρξης του φωτοχημικού νέφους. Ταυτόχρονα το NO 2 συμμετέχει και σε αντιδράσεις σχηματισμού νιτρικού οξέος στην ατμόσφαιρα, που οδηγούν στην δημιουργία του φαινομένου της Όξινης Βροχής. 1 Οχήματα και ποιότητα της ατμόσφαιρας σε τοπική και παγκόσμια κλίμακα Κώστας Νικολάου Δρ.Χημικός Περιβαλλοντολόγος ΟΡΘ σημειώσεις ΔΠΜΣ Πολυτεχνικής Σχολής ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 2

130 1.3. ΕΝΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΘΕΙΟΥ Οι κυριότερες ενώσεις του θείου στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον είναι το διοξείδιο του θείου SO 2, το τριοξείδιο του θείου SO 3 και το υδρόθειο H 2 S. Η προέλευση των ρύπων αυτών είναι κύρια οι βιομηχανίες, στο αστικό όμως περιβάλλον η συμμετοχή των πετρελαιοκίνητων οχημάτων είναι σημαντική, ειδικά για το SO 2 που αποτελεί και το σημαντικότερο θειούχο ρύπο. Το SO 2 εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα κατά την καύση του πετρελαίου και οφείλει την δημιουργία του στην περιεκτικότητα του καυσίμου σε θείο. Ταυτόχρονα συμμετέχει μαζί με τα NOx σε αντιδράσεις σχηματισμού Θεϊκού και Νιτρικού οξέος στην ατμόσφαιρα, που οδηγούν τελικά στη δημιουργία Όξινης Βροχής ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ Η αστική ατμόσφαιρα περιέχει σωματίδια φυσικής και ανθρωπογενούς προέλευσης, σε στερεή και υγρή μορφή, με μέγεθος το οποίο κυμαίνεται από το επίπεδο του μορίου (nm) έως στάχτη (mm) και μέση συγκέντρωση μg/m 3. συγκριτικά αναφέρεται ότι η διάμετρος της ανθρώπινης τρίχας είναι περίπου 70μm. Η πηγή τους δύναται να είναι τοπική ή απομακρυσμένη με αέρια μεταφορά τους και η διάρκεια ζωής τους μικρή, καθώς καθιζάνουν και απορροφώνται εκ του εδάφους. Τα αστικά αιωρούμενα σωματίδια παράγονται από τις Καύσεις των Οχημάτων καθώς και την Θέρμανση και την Βιομηχανία. Η ατελής καύση που συντελείτε στους θαλάμους καύσης των κινητήρων προκαλεί την δημιουργία σωματιδίων. Αναφέρεται ότι τα ντιζελοκίνητα οχήματα εκπέμπουν σχεδόν το διπλάσιο αριθμό σωματιδίων από τα βενζινοκίνητα, με μέγεθος κοντά στα 0.1μ,τα οποία είναι κύρια υδρογονάνθρακες και σωματίδια αιθάλης, ουσιαστικά σωματίδια ελεύθερου άνθρακα και εμπεριέχουν θείο σε αναλογία με την συγκέντρωση αυτού στο καύσιμο. Επισημαίνεται ακόμη το γεγονός ότι κατά την κυκλοφορία των οχημάτων σημειώνεται επαναιώρηση των καθιζόμενων σωματιδίων και επαναφορά στην ατμόσφαιρα. 2 Τα Αιωρούμενα Σωματίδια στην ατμόσφαιρα διακρίνονται συνήθως σε δύο κατηγορίες με βάση το μέγεθος και τις ιδιότητες τους: Τα Ολικά Αιωρούμενα Στερεά (TSP- Total Suspended Particulates), που αναφέρονται στο σύνολο των σωματιδίων ανεξαρτήτως του μεγέθους τους. Τα Εισπνεύσιμα Σωματίδια (IPs- Inspirable Particulates),που είναι τα μικρού μεγέθους σωματίδια τα οποία έχουν την ιδιότητα να εισέρχονται στους πνεύμονες. Τα IPs με την σειρά τους διακρίνονται επίσης σε δύο κατηγορίες : τα PM 10 που έχουν αεροδυναμική διάμετρο μικρότερη από 10mm και τα PM 2,5 με διάμετρο μικρότερη από 2,5 mm. Η προηγούμενη ταξινόμηση των αιωρούμενων σωματιδίων είναι μεγάλης σημασίας, διότι τα σωματίδια είναι μεν ρύποι τα ίδια, αλλά ταυτόχρονα έχουν την 2 Αιωρούμενα σωματίδια.- Ένα μεγάλο πρόβλημα των Αστικών Κέντρων. Παναγιώτης Τσώνης- Ωκεανογράφος. Econews.gr ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 3

131 ιδιότητα να απορροφούν άλλους ρύπους όπως π.χ. μέταλλα, οργανικές ενώσεις δημιουργώντας συνεργιστικά φαινόμενα με επιπτώσεις μεγαλύτερες εκ του αθροίσματος των μεμονωμένων ρύπων. Χαρακτηριστικά αξίζει να αναφερθεί ότι το μεγαλύτερο ποσοστό των καρκινογόνων πολυαρωματικών ενώσεων εις την ατμόσφαιρα είναι προσροφημένο στα PM 10. Τα Αιωρούμενα Σωματίδια μαζί με το SO 2, όταν εκπέμπονται σε μεγάλες ποσότητες σε μια περιοχή και ταυτόχρονα επικρατούν μετερεολογικές συνθήκες άπνοιας και Θερμοκρασιακής Αναστροφής, τότε οι συγκεντρώσεις τους στην ατμόσφαιρα αυξάνονται με αποτέλεσμα την δημιουργία του Νέφους Αιθαλομίχλης. Άμεση συνέπεια του νέφους αυτής της κατηγορίας είναι η μείωση της ορατότητας, καθώς και οι επιβάρυνση της υγείας των ανθρώπων διότι η μακροχρόνια εισπνοή των σωματιδίων προκαλεί Πνευμονοκοκιάσεις, Άσθμα και Καρκινογένεση ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ Οι Υδρογονάνθρακες HC ανήκουν στους οργανικούς ρύπους και ειδικότερα στην κατηγορία των Πτητικών Οργανικών Ενώσεων VOC. Έχουν παρατηρηθεί χιλιάδες διαφορετικοί HC στην ατμόσφαιρα κύρια των αστικών περιοχών προερχόμενοι από τα οχήματα. Η σημασία τους είναι μεγάλη διότι συμμετέχουν ως πρωτογενείς ρύποι σε χημικές αντιδράσεις στην ατμόσφαιρα συμβάλλοντας καθοριστικά στην δημιουργία του φωτοχημικού νέφους. Η εφαρμογή των Τριοδικών Καταλυτικών Μετατροπέων στα βενζινοκίνητα οχήματα επέφερε την διαχρονική τους μείωση στην ατμόσφαιρα των πόλεων. Όμως η ταυτόχρονη ανάγκη για την χρήση βενζίνης χωρίς μόλυβδο οδήγησε επίσης στην αύξηση των αρωματικών οργανικών ενώσεων στο καύσιμο προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα του. Αυτό με την σειρά του επέφερε ως αποτέλεσμα : α) την αύξηση των εκπομπών αρωματικών υδρογονανθράκων στην ατμόσφαιρα και κυρίως ΒΤΧ (Βενζόλιο Τολουόλιο Ξυλένιο). β) την αύξηση των εκπομπών πολυαρωματικών υδρογονανθράκων ΠΑΥ. Διαπιστώνουμε επομένως αφενός μια μείωση των HC συνολικά στην ατμόσφαιρα,αφετέρου όμως την αύξηση των συγκεντρώσεων ορισμένων ειδών όπως τα ΒΤΧ και ΠΑΥ τα οποία είναι ιδιαίτερα καρκινογόνα. Η ιδιαίτερη σημασία των ΠΑΥ για την ατμοσφαιρική ρύπανση συνδέεται επίσης με το γεγονός ότι είναι προσροφημένοι κατά 70-90% στα εισπνεύσιμα σωματίδια PM 10. σημαντικό είναι επίσης να αναφερθεί το ότι, ενώ η ποσότητα των ΠΑΥ στις εκπομπές βενζινοκίνητων οχημάτων είναι μεγαλύτερη εν συγκρίσει με τα πετρελαιοκίνητα,οι εκπομπές των τελευταίων εμφανίζονται ως πιο καρκινογόνες, διότι σχηματίζονται νίτρο-παυ εξαιτίας αντίδρασης των ΠΑΥ με τα NOx οι εκπομπές των οποίων είναι μεγαλύτερες στα πετρελαιοκίνητα οχήματα. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 4

132 1.6. ΌΖΟΝ Το όζον Ο 3 είναι ένας δευτερογενής ρύπος που σχηματίζεται στην ατμόσφαιρα από μια σειρά φωτοχημικών αντιδράσεων στις οποίες συμμετέχουν πρωτογενείς ρύποι όπως οι HC, CO, NOx. Το Ο 3 με την σειρά του μετέχει επίσης σε μια σειρά φωτοχημικών αντιδράσεων στην ατμόσφαιρα σχηματίζοντας νέους ρύπους και θεωρείται ένας από τους χαρακτηριστικούς δείκτες ύπαρξης φωτοχημικού νέφους. Επισημαίνεται ότι η εξάρτηση του σχηματισμού Ο 3 από την παρουσία πρωτογενών ρύπων καθώς και των κατάλληλων συνθηκών για την δημιουργία φωτοχημικών αντιδράσεων οδηγεί σε σημαντικά διαφορετικές χρονικές διακυμάνσεις από αυτές των άλλων ρύπων ΜΕΤΑΛΛΑ Τα μέταλλα στο αστικό περιβάλλον βρίσκονται συνήθως σε σωματίδια και προέρχονται από τις βιομηχανικές παραγωγικές διαδικασίες ή από τα καύσιμα όπου υπάρχουν σε μικρές ποσότητες. Χαρακτηρίζονται δε ως Βαρέα ή Τοξικά μέταλλα. Το πλέον διαδεδομένο μέταλλο ως ρύπος είναι ο Μόλυβδος Pb,του οποίου οι συγκεντρώσεις στις αστικές περιοχές οφείλονται κύρια στα βενζινοκίνητα οχήματα παλιάς τεχνολογίας 1.8. ΧΛΩΡΟΦΘΟΡΑΝΘΡΑΚΕΣ Οι χλωροφθοράνθρακες CFC είναι ρύποι που ανήκουν στην κατηγορία των οργανικών ενώσεων. Οι εκπομπές τους στην ατμόσφαιρα οφείλονται κύρια στην χρήση τους στα μηχανήματα ψύξης και τα σπρέι. Η ρυπογόνος δράση τους συνίσταται στο γεγονός ότι εκπεμπόμενοι στην Κατώτερη Ατμόσφαιρα είναι εξαιρετικά σταθεροί και έχουν ένα πολύ μεγάλο χρόνο παραμονής ~100 ετών. Ανερχόμενοι όμως στην Στρατόσφαιρα μπορούν να καταστραφούν από την ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία απελευθερώνοντας άτομα χλωρίου τα οποία χαρακτηρίζονται από την μεγάλη τους δραστικότητα. οι αντιδράσεις αυτές στις οποίες το χλώριο συμμετέχει οδηγούν στην μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο το φαινόμενο της Τρύπας του Όζοντος. Το ανωτέρω αναφερόμενο πρόβλημα οδήγησε τελικά στην υποκατάσταση των CFC από άλλες ουσίες όπως οι υδροφθοράνθρακες HFC και οι υδροχλωροφθοράνθρακες HCFC που θεωρούνται λιγότερο δραστικές ενώσεις. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 5

133 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 6

134 Α. ΦΥΣΙΚΟ ΑΕΡΙΟ 1. Το Φυσικό Αέριο ως καύσιμο κίνησης οχημάτων H απόδοση μιας μηχανής εσωτερικής καύσης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου καυσίμου, τα οποία είναι συνάρτηση των συστατικών του. Το Φ.Α. είναι άχρωμο και εκ φύσεως άοσμο, για να γίνεται αισθητό λόγω οσμής προστίθενται οσμητικές ουσίες (κυρίως μερκαπτάνες). H δομή του μεθανίου είναι ιδιαίτερα απλή και σταθερή σε σύγκριση με τους σχετικά σύνθετους υδρογονάνθρακες των συμβατικών καυσίμων. Το μεθάνιο είναι δύσκολο να οξειδωθεί, καθ' ότι έχει μεγάλη ενέργεια ενεργοποίησης και κατ' αναλογία υψηλή θερμοκρασία αυτανάφλεξης όπως διαπιστώνεται εκ του Διαγράμματος 1. Διάγραμμα 1 Θερμοκρασία αυτανάφλεξης χαρακτηριστικών υδρογονανθράκων 3 Λόγω της δυσκολίας οξείδωσης το μεθάνιο έχει ιδιαίτερα χαμηλή φωτοχημική ενεργοποίηση, δηλ αμελητέα επίδραση στη δημιουργία νέφους και γι' αυτό το μεθάνιο δεν συμπεριλαμβάνεται στους συνήθεις υδρογονάνθρακες (NMHC - Non methane Hydrocarbons) για τους οποίους τίθεται όριο εκπομπών. Ως αποτέλεσμα της συμπαγούς δομής του βασικού συστατικού του, το φυσικό αέριο έχει μεγάλο αριθμό οκτανίου και μικρό αριθμό κετανίου. Οι κύριες ιδιότητες των αερίων καυσίμων που επηρεάζουν την καύση είναι: 1. η Θερμογόνος δύναμη, 2. η Σχετική πυκνότητα ως προς τον αέρα και 3. ο Δείκτης Wobbe. 1. Στον Πίνακα 1 δίνεται μια σύγκριση της Κατώτερης Θερμογόνου δύναμης διαφόρων καυσίμων. Για τα αέρια καύσιμα η θερμογόνος δύναμη δίνεται συνήθως σε kwh/m 3 ή MJ/m 3. Να σημειωθεί ότι 1 m 3 φυσικού αερίου έχει θερμογόνο δύναμη περίπου ίση με 1 lit πετρελαίου. 3 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 7

135 H Ανώτερη Θερμογόνος δύναμη του φυσικού αερίου H s είναι κατά 11% μεγαλύτερη από την κατώτερη: H s = 11,3 kwh/m 3. H i Πετρέλαιο Προπάνιο Βουτάνιο Μεθάνιο Πίνακας 1 Σύγκριση κατώτερων θερμογόνων δυνάμεων διαφόρων καυσίμων 4 2. H σχετική πυκνότητα του φυσικού αερίου d (d = ρ αέριο /ρ αέρας ) κυμαίνεται μεταξύ 0,55 έως 0,70, δηλ. το φυσικό αέριο διαχέεται προς τα άνω με την άνωση σε περίπτωση διαρροής. Γι αυτό για λόγους ασφαλείας θα πρέπει στους χώρους εγκατάστασης των οχημάτων να εξασφαλίζεται επαρκής αερισμός. 3. H ταξινόμηση των αέριων καυσίμων σε οικογένειες και ομάδες με βάση το ευρωπαϊκό πρότυπο EΛOT EN 437 γίνεται με τη βοήθεια ενός χαρακτηριστικού μεγέθους, του ανώτερου Δείκτη Wobbe W s = H s. d O δείκτης Wobbe, επειδή η σχετική πυκνότητα d είναι αδιάστατη, έχει τις ίδιες μονάδες μέτρησης με τη θερμογόνο δύναμη: kwh/m 3, MJ/m 3. Ο δείκτης Wobbe είναι ενδεικτικός του θερμικού φορτίου (ενέργεια) σε σχέση με τη μάζα του. Στον Πίνακα 2 δίνεται η ταξινόμηση των αέριων καυσίμων με βάση το ευρωπαϊκό πρότυπο EΛOT EN 437 σε οικογένειες και ομάδες. Tο φυσικό αέριο που εισάγεται στην Ελλάδα ανήκει στην 2η οικογένεια, ομάδα H. Δείκτης Wobbe 1η οικογένεια (φωταέρια) ομάδα a 22,4 24,8 2 η οικογένεια (φυσικά αέρια) ομάδα H 45,7 54,7 ομάδα L 39,1 44,8 ομάδα E 40,9 54,7 3η οικογένεια (υγραέρια) ομάδα B/P 72,9 87,3 ομάδα P 72,9 76,8 ομάδα B 81,8 87,3 Φυσικό Αέριο ομάδας H kj/kg kwh/kg 11,666 12,875 12,694 13,89 12,9 kwh/n m 3 10 kwh/lt 26,0 34,3 9,965 10,2 Πίνακας 2 Ταξινόμηση Φυσικού αερίου με βάση το πρότυπο ΕΛΟΤ EN H ελάχιστη ποσότητα αέρα για να καεί 1 m 3 φυσικού αερίου είναι περίπου L min 10 m 3 /m 3, η δε ελάχιστη συνολική ποσότητα καυσαερίων από την καύση 1 m 3 φυσικού αερίου είναι περίπου V min,σ 11 m 3 /m 3. H αντίστοιχη ελάχιστη ποσότητα ξηρών καυσαερίων V min,ξ (χωρίς τους υδρατμούς) από την καύση φυσικού αερίου είναι περίπου V min,ξ 9 m 3 /m Πασπαλάς, 1999 & Ο.π. Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 8

136 2. Χαρακτηριστικά του κινητήρα φυσικού αερίου Το είδος του κινητήρα καθορίζει και το βαθμό απόδοσης του σε πλήρες και μερικό φορτίο. Οι τύποι κινητήρων φυσικού αερίου που χρησιμοποιούνται στα λεωφορεία είναι βασικά δυο: Στοιχειομετρική καύση (λ=1) με τρίοδο καταλύτη για τον περιορισμό των NOx, CO και HC. Λειτουργία με φτωχό καύσιμο μίγμα (λ>1) σε συνδυασμό με οξειδωτικό καταλύτη για τον περιορισμό των CO και HC. Για την αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης του κινητήρα προτιμάται η λειτουργία με λ=1,4 έως 1,6. Οι απώλειες στραγγαλισμού στο σύστημα εισαγωγής ελαττώνονται, ο κινητήρας λειτουργεί με υψηλότερο βαθμό συμπίεσης και οι εκπομπές των οξειδίων του αζώτου περιορίζονται, όπως φαίνεται και στο Διάγραμμα 2, όπου απεικονίζεται η σχέση του λ με τις συγκεντρώσεις NOx και την απόδοση του κινητήρα. Οι εκπομπές NOx και η απόδοση του κινητήρα είναι στο μέγιστο για λ=1,2. Για λ=1,5 οι εκπομπές NOx είναι σε αποδεκτό επίπεδο και η θερμική απόδοση του κινητήρα είναι περίπου ίδια με την θερμική απόδοση ενός κινητήρα στοιχειομετρικής καύσης, δηλ 36%. Διάγραμμα 2 Συσχέτιση αριθμού λ με τις εκπομπές NOx και την απόδοση κινητήρα 6 Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα ενός κινητήρα φτωχού σε καύσιμο μίγμα σε σχέση με τον κινητήρα στοιχειομετρικής καύσης είναι η χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου, το χαμηλό θερμικό φορτίο (παρόμοιο με ενός πετρελαιοκινητήρα) που οδηγεί σε λιγότερη καταπόνηση τον κινητήρα (αύξηση χρόνου ζωής, μικρότερο 6 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 9

137 κόστος συντήρησης κλπ) και η χρήση υπερσυμπιεστή που οδηγεί σε μεγαλύτερη ισχύ εξόδου. Η αναλογία φυσικού αερίου-αέρα ρυθμίζεται με την έγχυση της κατάλληλης ποσότητας καυσίμου που ελέγχεται ηλεκτρονικά ανάλογα με το μέγεθος του κινητήρα. Η αναλογία αυτή ορίζει και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα και κυρίως τις εκπομπές ρύπων βλ. Διάγραμμα 3. Διάγραμμα 1 Επίδραση του λόγου λ (Αέρας/καύσιμο) στις εκπομπές ρύπων για κινητήρες Φ.Α. 7 Kατά τη στοιχειομετρική καύση (λ=1) αναπτύσσεται υψηλή θερμοκρασία με αποτέλεσμα την αυξημένη δημιουργία οξειδίων του αζώτου. Kατά τη λειτουργία του κινητήρα με φτωχό μίγμα (αυξημένο λ) ελαττώνονται δραστικά οι εκπομπές NOx και του CO (μπορεί να οξειδωθεί περαιτέρω σε CO 2 ). H ελάττωση του θερμικού φορτίου του κινητήρα επιτρέπει την αύξηση της σχέσης συμπίεσης του κινητήρα, ώστε να αυξηθεί ο θερμικός βαθμός απόδοσής του. 3. Μύθοι και πραγματικότητες για το φυσικό αέριο στα λεωφορεία 7 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 10

138 «Μύθος» Οι εκπομπές των σωματιδίων (PM) είναι παρόμοιες με αυτές των συμβατικών λεωφορείων Τα λεωφορεία φυσικού αερίου εκπέμπουν περισσότερα λεπτόκοκκα σωματίδια Οι εκπομπές αερίων θερμοκηπίου είναι περισσότερες λόγω των εκπομπών μεθανίου, που είναι 20 φορές πιο ισχυρό από το CO 2 Τα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι ακριβότερα από τα πετρελαιοκίνητα λεωφορεία Τα προηγμένα συστήματα ελέγχου των εκπομπών των πετρελαιοκίνητων μηχανών είναι καλύτερα από τα λεωφορεία φυσικού αερίου Η ευρεία διαθεσιμότητα του πετρελαίου χαμηλής περικτικότητας σε θείο και η ανάπτυξη των υβριδικών συστημάτων θα εξαλείψουν τα οφέλη των λεωφορείων φυσικού αερίου Οι φιάλες φυσικού αερίου των λεωφορείων εκρήγνυνται εύκολα Τα λεωφορεία φυσικού αερίου δεν είναι ασφαλή. Τα αμαξοστάσια συντήρησης και οι σταθμοί τροφοδοσίας του φυσικού αερίου είναι πιο επικίνδυνοι από τα αντίστοιχα του πετρελαίου Η τεχνολογία των υβριδικών λεωφορείων θα απαξιώσει τα λεωφορεία φυσικού αερίου Οι μηχανές φυσικού αερίου είναι πολύ ακριβές για να χρησιμοποιηθούν στα υβριδικά. Η επισκευή των πετρελαιοκίνητων λεωφορείων είναι ευκολότερη απ αυτή των λεωφορείων Πραγματικότητα Η μείωση στις εκπομπές σωματιδίων φθάνει το 97% Τα αποτελέσματα πρόσφατων μελετών είναι αντιφατικά. Γενικά, παρά τη μείωση κατά 97% της συνολικής μάζας των σωματιδίων, το μέγεθος τους είναι μικρότερο. Με βάση το συνολικό κύκλο ζωής του πετρελαίου και του φυσικού αερίου (παραγωγή καυσίμων), οι συνολικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου είναι παρόμοιες. Το επιπλέον κόστος είναι 10-20% (ανάλογα με τον τύπο) αλλά εξισορροπείται από την μειωμένη τιμή του φυσικού αερίου ως καύσιμο σε σχέση με την τιμή του πετρελαίου. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου, λόγω της φύσης της καύσης του φυσικού αερίου, εκπέμπουν πολύ λιγότερες εκπομπές PM και τοξικά ακόμη και από τα βελτιωμένης τεχνολογίας πετρελαιοκίνητα λεωφορεία. Ως προς τις εκπομπές ρύπων τα αποτελέσματα υβριδικών λεωφορείων και λεωφορείων φυσικού αερίου ήταν παρόμοια ενώ τα NOx ήταν υψηλότερα στα υβριδικά. Το καύσιμο αλλά κυρίως η τεχνολογία είναι ακριβή. Δεν είναι αληθές. Υπάρχει μεγάλη ασφάλεια ακόμη και σε περίπωση σύγκρουσης. Δεν είναι αληθές. Υπάρχει επιπλέον εξοπλισμός ασφαλείας (ανιχνευτές αερίου κ.ά.) και δεν υπάρχει κίνδυνος ούτε από πυρκαγιά ούτε από έκρηξη. Δεν είναι αληθές. Χρησιμοποιούνται διαφορετικά μέτρα ασφαλείας για το φυσικό αέριο από ότι για το πετρέλαιο αφού και τα δυο είναι εύφλεκτα καύσιμα. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι πιο «καθαρά» και πιο φθηνά απ τα υβριδικά. Οι μηχανές φυσικού αερίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα υβδριδικά όπως οι μηχανές πετρελαίου με παρόμοιες μειώσεις στην κατανάλωση καυσίμου. Παρά το γεγονός ότι οι φιάλες φυσικού αερίου είναι ακριβές, για τα υβδριδικά λεωφορεία απαιτούνται λιγότερες. Σε μια συνολική ανάλυση κύκλου ζωής (και με βάση ότι το φυσικό αέριο είναι πιο φθηνό από το πετρέλαιο χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο) το κόστος των υβδριδικών λεωφορείων φυσικού αερίου είναι ανταγωνιστικό σε σχέση με αυτό των υβριδικών λεωφορείων πετρελαίου. Είναι θέμα εκπαίδευσης. Άλλωστε και τα προηγμένης τεχνολογίας συστήματα κίνησης των πετρελαιοκίνητων ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 11

139 φυσικού αερίου και δεν απατείται ιδιαίτερη εκπαίδευση του προσωπικού Η συντήρηση των λεωφορείων φυσικού αερίου είναι πιο ακριβή. Τα λεωφορεία φυσικού αερίου έχουν μεγαλύτερο βάρος και συνεπώς μεγαλύτερη φθορά για τα ελαστικά, τα φρένα και άλλα συστήματα. λεωφορείων με τα συστήματα ελέγχου των εκπομπών είναι ιδιαίτερα σύνθετα και απαιτούν εκπαίδευση και επιπλέον εξοπλισμό. Είναι εν μέρει αληθές. Οι μηχανές φυσικού αερίου χρειάζονται μπουζί κ.ά. για την ανάφλεξη σε αντίθεση με τις μηχανές πετρελαίου αλλά έχουν διπλάσιο σχεδόν χρόνο αλλαγής λαδιών και φίλτρων (πιο καθαρή καύση). Τα λεωφορεία φυσικού αερίου είναι πιο βαριά (παρά τη συνεχή εξέλιξη ως προς τα υλικά των φιαλών αποθήκευσης για την ελαχιστοποίηση του βάρους τους) αλλά τα υβριδικά είναι ακόμη πιο βαριά. Σημαντικότερο ρόλο για τις φθορές παίζουν οι συνθήκες οδήγησης (κακή οδήγηση) και η κατάσταση των δρόμων (ποιότητα οδοστρώματος). ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 12

140 Β. ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ - ΤΡΟΛΕΪ 1. Είδη συστημάτων λεωφορείων Τρόλεϊ Τα Απλού Συστήματος λεωφορεία τρόλεϊ (παλιότερης τεχνολογίας) τροφοδοτούνται με ενέργεια από τις εναέριες γραμμές ρεύματος μέσω των συλλεκτών ρεύματος που βρίσκονται στην οροφή του λεωφορείου. Η τάση του δικτύου είναι συνήθως 600 V DC ή 750 V DC. Τα σύγχρονα απλού συστήματος λεωφορεία τρόλεϊ είναι εφοδιασμένα και με μια μπαταρία έτσι ώστε να εξυπηρετούνται σε περίπτωση πτώσης τάσης ή αποσύνδεσης του λεωφορείου με το δίκτυο. Μια απεικόνιση των βασικών τμημάτων ενός τυπικού λεωφορείου τρόλεϊ δίνεται στην Εικόνα 1. Εικόνα 1 Απεικόνιση των τμημάτων απλού λεωφορείου Τρόλεϊ 8 Τα Διπλού Συστήματος λεωφορεία τρόλεϊ λειτουργούν όπως τα υβριδικά λεωφορεία. Είναι εφοδιασμένα με μια μηχανή εσωτερικής καύσης η οποία κινεί μια γεννήτρια και αυτή με τη σειρά της φορτίζει την/ις μπαταρία/ες. Το ρεύμα των μπαταριών τροφοδοτεί έναν εναλλάκτη και στη συνέχεια τον κινητήρα για τη μετάδοση της κίνησης στους τροχούς. Μια απεικόνιση των βασικών τμημάτων ενός λεωφορείου τρόλεϊ διπλού συστήματος δίνεται στην ακόλουθη Εικόνα 2. Εικόνα 1 Απεικόνιση των τμημάτων λεωφορείου διπλού συστήματος Τρόλεϊ 9 Η αυτονομία τροφοδοσίας των διπλού συστήματος λεωφορείων τρόλεϊ δίνει τη δυνατότητα χρήσης του λεωφορείου ως τρόλεϊ εντός της πόλης (στο κέντρο) και ως απλό πετρελαιοκίνητο εκτός του κέντρου της πόλης όπου πλέον δεν απαιτείται εναέριο δίκτυο σύνδεσης. Ταυτόχρονα, δεν εμποδίζεται η κίνηση του οχήματος από διάφορα κυκλοφοριακά εμπόδια (οδικά ατυχήματα, ανακατασκευές οδών κλπ). 8 Ο.π. 9 Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 13

141 2. Είδη συστημάτων ηλεκτροκίνησης 2.1. Περιγραφή των συστημάτων ηλεκτροκίνησης Η θέση του ηλεκτροκινητήρα εντός του οχήματος διαφοροποιείται έτσι ώστε να υφίστανται δυο βασικοί τύποι ηλεκτροκίνησης που χρησιμοποιούνται τόσο στα λεωφορεία τρόλεϊ όσο και στα υβριδικά λεωφορεία: Κινητήρες στους τροχούς Κινητήρας/ες στο σασί (πλαίσιο στήριξης) Το σύστημα των κινητήρων στους τροχούς αντικαθιστά όλα τα μηχανικά μέρη. Οι κινητήρες είναι απευθείας συνδεδεμένοι με τους τροχούς και δεν απαιτείται άξονας με μειωτήρα και μηχανικό διαφορικό.. Οι κινητήρες φυσικά περιστρέφονται με την ταχύτητα των τροχών. Η συγκεκριμένη ηλεκτροκίνηση (χωρίς βαθμίδες) παρέχει μεγάλη άνεση στους επιβάτες αφού δεν υφίστανται κραδασμοί. Στην Εικόνα 3 δίνεται η σχηματική απεικόνιση της ηλεκτροκίνησης με τους κινητήρες στους τροχούς. Εικόνα 3 Απεικόνιση του συστήματος ηλεκτροκίνησης με τους κινητήρες στους τροχούς 10 Σε αντίθεση με το παραπάνω σύστημα, το σύστημα κίνησης με τον κινητήρα τοποθετημένο στο σασί (πλαίσιο στήριξης) περιλαμβάνει τον πίσω άξονα κίνησης των τροχών, το μειωτήρα και το διαφορικό και είναι το πλέον εφαρμοζόμενο σύστημα (Εικόνα 4). Στον άξονα συνδέεται ένας κινητήρας ή δυο ίδιοι κινητήρες μέσω ενός κιβώτιου ταχυτήτων. Εικόνα 4 Απεικόνιση τής ηλεκτροκίνησης με κινητήρα στο Σασί ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 14

142 2.2. Σύγκριση των συστημάτων ηλεκτροκίνησης Το σύστημα με τους κινητήρες στους τροχούς είναι το βέλτιστο ως προς τη λειτουργία χαμηλού δαπέδου λεωφορείων τρόλεϊ. Με τον κινητήρα στο σασί είναι πολύ δύσκολη η λειτουργία ενός πλήρως χαμηλού δαπέδου (εντελώς επίπεδο, χωρίς μηχανισμό ανύψωσης) λεωφορείου τρόλεϊ. Σε σχέση με τη διάρκεια ζωής και την απαιτούμενη συντήρηση των συστημάτων ηλεκτροκίνησης, οι σημαντικότεροι παράγοντες είναι η απόδοση του υφιστάμενου συστήματος ψύξης καθώς επίσης και η πολυπλοκότητα των μηχανικών και των κινούμενων μερών του συστήματος. Στο σύστημα κινητήρων στους τροχούς, η έλλειψη μηχανικών μερών (μειωτήρας, διαφορικό, πίσω άξονας) μειώνει σημαντικά τις διαδικασίες συντήρησης καθώς και το αντίστοιχο κόστος τους. Οι πλέον εφαρμοζόμενοι ηλεκτροκινητήρες σε λεωφορεία τρόλεϊ παλιότερης τεχνολογίας είναι οι DC με θυρίστορς, οι οποίοι είναι υψηλής αντοχής και ιδιαίτερα απλοί στον έλεγχο και τη συντήρησή τους. Το βασικό πρόβλημα που έχουν είναι η συχνή συντήρησή τους εξαιτίας του συστήματος ψύξης τους. Σε αντίθεση με τους PC κινητήρες, οι σύγχρονοι AC και PM κινητήρες δεν έχουν απαιτήσεις συχνής συντήρησης. Τέλος, οι σύγχρονοι κινητήρες ΑC ελέγχονται με ηλεκτρονικά ισχύος, έχουν μεγαλύτερη απόδοση σε μερικό φορτίο, καλύτερη ρύθμιση της ταχύτητας και χρησιμοποιούνται πλέον στα σύγχρονα λεωφορεία τρόλεϊ. Η επιλογή του συστήματος κίνησης και του ηλεκτροκινητήρα είναι συνδυασμός του κόστους αγοράς, του κόστους συντήρησης και της απόδοσης του κινητήρα. Το σύστημα ηλεκτροκίνησης με κινητήρες στους τροχούς και η χρήση σύγχρονων AC ή PM ηλεκτροκινητήρων έχει υψηλότερο κόστος σε σχέση με το σύστημα ηλεκτροκίνησης με κινητήρα στο σασί και συμβατικό DC ηλεκτροκινητήρα, αλλά έχει μειωμένο κόστος συντήρησης, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και πολύ καλύτερη απόδοση και λειτουργία. Ο παραδοσιακός σχεδιασμός των λεωφορείων γίνεται προσθέτοντας το σασί στο μηχανισμό κίνησης ενώ με τη νέα τεχνολογία το όχημα σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ως συμπαγές και διάφορα τμήματα προστίθενται με μεγάλη ευκολία στο πλαίσιο. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να προωθηθούν νέες σχεδιαστικές τάσεις, όπως για παράδειγμα τη στήριξη των θέσεων των επιβατών στα ιδιαίτερα γερά τοιχώματα του πλαισίου και όχι στο δάπεδο του λεωφορείου με σκοπό την εξοικονόμιση χώρου και τον ευκολότερο καθαρισμό του δαπέδου. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 15

143 3. Τεχνικά χαρακτηριστικά των λεωφορείων Τρόλεϊ Οι τύποι λεωφορείων τρόλεϊ που χρησιμοποιούνται είναι: Απλά διαξονικά λεωφορεία Αρθρωτά τριαξονικά λεωφορεία Χαμηλού δαπέδου διαξονικά λεωφορεία Χαμηλού δαπέδου τριαξονικά λεωφορεία Υπάρχουν αρκετές κατασκευαστικές εταιρείες λεωφορείων τρόλεϊ (Νeoplan, Skoda, Van Hool, Ansaldo Breda, Irisbus) και διαφορετικής τεχνολογίας οχήματα. Τα τελευταία χρόνια όλες σχεδόν οι εταιρείες κατασκευάζουν χαμηλού δαπέδου απλά και αρθρωτά λεωφορεία. Τα σύγχρονα λεωφορεία τρόλεϊ, που δρομολογούνται στην Αθήνα από το 1999, είναι της εταιρείας Neoplan (Type Ν6014) με αμάξωμα από την εταιρεία ΕΛΒΟ και ηλεκτρικό σύστημα από την εταιρεία KIEPE. Είναι διαξονικα χαμηλού δαπέδου λεωφορεία και τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους αναφέρονται στον Πίνακα 3. Στην Εικόνα 5 δίνεται η σχηματική απεικόνιση του λεωφορείου. Εικόνα 5 Απεικόνιση του Τρόλεϊ Neoplan N6014 της Αθήνας ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 16

144 Τύπος λεωφορείου Neoplan Ν 6014/3 Μήκος (mm) Πλάτος (mm) Ύψος (mm) Βάρος οχήματος (απόβαρο) (kg) Συνολικό βάρος οχήματος (kg) Αριθμός επιβατών 95 συνολικά (25 θέσεις) (4 όρθ. επιβάτ/m 2 ) Τάση γραμμής DC 600 V (+25%, -30%) Μέγιστη ταχύτητα (χλμ/ώρα) 65 Επιτάχυνση εκκίνησης (m/s 2 ) 1,5 Επιβράδυνση πέδησης (m/s 2 ) 1,3 Σχέση μετάδοσης 11,26:1 Κινητήρας / τύπος Αερόψυκτος 3-phase ασύγχρονος / 7 ML 3550/4 Ονομαστική ισχύς (kw) 210 Ονομαστική τάση (V) 420 Ονομαστικό ρεύμα (Α) 351 Ταχύτητα (rpm, στροφές) Διαστάσεις (μήκος/πλάτος/ύψος) 763 / 510 / 433 mm Βάρος (kg) 585 Εναλλάκτης κινητήρα / τύπος IGBT παλμικός εναλλάκτης (direct pulse)/dpu 403 Τάση εισόδου DC 600 V (+20%, -30%) Ισχύς εξόδου (kw) Σχεδιασμός Ψύξη 250 (kva) Λειτουργία απευθείας στη γραμμή Αερόψυκτο σύστημα Βάρος (kg) 80 Θέση Στην οροφή του οχήματος στον κλωβό DGG 105 Χαρακτηριστικά IGBT τεχνολογία, ενεργοποίηση από τη θέση του οδηγού μέσω οπτικού σήματος Πετρελαιοκινητήρας / τύπος 4 κύλινδρος / ΒF 4L 1011 Ισχύς εξόδου (kw) 54 Γεννήτρια Ισχύς εξόδου (kw) Μονάδα τροφοδοσίας(on board) Χαρακτηριστικά 50 kw (680 V) στις rpm (αυτόματη μείωση ταχύτ. στις 1500 rpm κατά την ακινησία του οχήματος) 3 AC 400/230 V, 50 Hz, 14 kva - DC 24 V, 220 A Θέση Στην οροφή του οχήματος στον κλωβό DGG 105 Βάρος (kg) 280 Πίνακας 3 Τεχνικά χαρακτηριστικά Τρόλεϊ Neoplan N 6014 της Αθήνας ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 17

145 Οι σύγχρονοι συλλέκτες ρεύματος είναι πνευματικού συστήματος (Εικόνα 6) για ευκολία στο ανεβοκατέβασμα των κεραιών και στη σύνδεση-αποσύνδεση με το δίκτυο καλωδίων. Ο οδηγός έχει τη δυνατότητα μέσω ενός πλήκτρου να χαμηλώνει τις κεραίες επάνω στη οροφή του οχήματος και να συνεχίζει π.χ. με πετρελαιοκίνηση. Εικόνα 6 Σύγχρονοι συλλέκτες ρεύματος Τρόλεϊ πνευματικού τύπου 12 Τα υπερσύγχρονα απλά λεωφορεία τρόλεϊ Cristalis της εταιρείας Irisbus απεικονίζονται στην Εικόνα 7. Το σύστημα ηλεκτροκίνησης είναι με κινητήρες στους τροχούς. Εικόνα 7 Το Τρόλεϊ Cristalis της εταιρείας Irisbus ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος Ο.π. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 18

146 4. Δίκτυο υποδομής Το δίκτυο υποδομής περιλαμβάνει : - το Εναέριο Δίκτυο καλωδίων, - τους Υποσταθμούς και - τους Στύλους (ή ροζέτες). Το εναέριο δίκτυο καλωδίων που απαιτείται για την κίνηση των λεωφορείων τρόλεϊ αποτελεί ένα από τα βασικότερα μειονεκτήματα του συστήματος αφού προκαλεί οπτική όχληση. Το σύστημα καλωδίων αποτελείται από δυο σειρές καλωδίων με μια ενδιάμεση απόστασή τους 0,6 0,7 μέτρα, διατομής 107 mm 2 και βάρους 950 περίπου κιλά ανά χλμ. Τα καλώδια τοποθετούνται 5 μέτρα περίπου πάνω από την επιφάνεια οδήγησης. Οι υποσταθμοί/ανορθωτές ρεύματος τοποθετούνται περίπου κάθε 400 μέτρα δικτύου (για ιδιαίτερα μεγάλα συστήματα τρόλεϊ) και η δυναμικότητα και ο αριθμός τους είναι ανάλογος με τον αριθμό οχημάτων και την απαιτούμενη ισχύ κάθε γραμμής (τομέα). Ένας τυπικός υποσταθμός 2,5 MW καταλαμβάνει έναν χώρο περίπου 105 m 2. Οι υποσταθμοί συνδέονται μεταξύ τους μέσω υπόγειου δικτύου καλωδίων. Οι περισσότερες γραμμές τρόλεϊ συνήθως χρησιμοποιούν και παράλληλους σταθμούς τροφοδοσίας για την αύξηση της ισχύος του ρεύματος των καλωδίων, οι οποίοι είναι είτε υπόγειοι είτε εναέριοι. Η τάση ρεύματος είναι συνήθως 600 V (στα περισσότερα συστήματα τρόλεϊ), ενώ όσο μεγαλύτερη είναι η τάση του δικτύου (π.χ. 750 V) τόσο μικρότερος αριθμός υποσταθμών απαιτείται. Οι στύλοι στηρίζουν τα καλώδια του εναέριου δικτύου είτε με τεντωμένα καλώδια μεταξύ αντικρινών ζευγών είτε με προεξέχοντες βραχίονες στήριξης. Οι στύλοι τοποθετούνται περίπου κάθε μέτρα κατά μήκος του οδικού άξονα και πάνω στο πεζοδρόμιο. Για ευθείς δρόμους με διπλής κατεύθυνσης «ελαστικού» τύπου εναέριο δίκτυο, οι στύλοι τοποθετούνται περίπου ανά 60 μέτρα. Πολλές φορές για μείωση της οπτικής όχλησης αλλά κυρίως για μείωση του κόστους υποδομής, στηρίζονται τα καλώδια σε τοίχους κτιρίων (ροζέτες). ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 19

147 Γ. ΒΙΟΚΑΥΣΙΜΑ 1. Μέθοδοι παραγωγής βιοντήζελ Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για παραγωγή εστέρα (Εστεροποίηση) από λάδια και λίπη : Με βασικό καταλύτη trans εστεροποίηση του ελαίου με αλκοόλη Απευθείας κατάλυση με οξύ εστεροποίηση του ελαίου με μεθανόλη Μετατροπή ελαίου σε λιπαρά οξέα και κατόπιν σε αλκυλοεστέρες με οξειδωτική κατάλυση Η πρώτη μέθοδος (Εικόνα 8), είναι και η πλέον συνηθισμένη, είναι η πιο οικονομική γιατί : - Απαιτεί χαμηλή θερμοκρασία (150 F) και πίεση (20 psi) - Παρέχει υψηλό ποσοστό μετατροπής (98%) και ελάχιστο χρόνο αντίδρασης - Δεν μεσολαβούν ενδιάμεσα στάδια και μετατρέπει απευθείας τον αλκυλοεστέρα σε μεθυλεστέρα - Δεν απαιτούνται ιδιαίτερα υλικά κατασκευής της μονάδας Εικόνα 8 Παραγωγή μεθυλεστέρα από λάδια με Trans εστεροποίηση με αλκοόλη 14 Στο Διάγραμμα 4 δίνεται το βασικό διάγραμμα ροής της διαδικασίας παραγωγής βιοντήζελ. Το έλαιο αντιδρά με μια αλκοόλη (συνήθως μεθανόλη) με την παρουσία καταλύτη για την παραγωγή γλυκερίνης (δευτερεύον προϊόν για τη φαρμακοβιομηχανία και τη βιομηχανία καλλυντικών) και μεθυλεστέρα ή βιοντήζελ. Η αλκοόλη προστίθεται σε περίσσεια για να διευκολύνει τη γρήγορη μετατροπή και ανακτάται για επαναχρησιμοποίηση. Ο καταλύτης που συνήθως χρησιμοποιείται είναι καυστικό νάτριο ή καυστικό κάλιο που αναμιγνύεται με την αλκοόλη. Διάγραμμα 2 Διάγραμμα ροής παραγωγής Biodiesel ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 20

148 2. Μέθοδοι παραγωγής Αιθανόλης Η παραγωγή της αιθανόλης από γεωργικές πρώτες ύλες που περιέχουν λιγνίνες, κυτταρίνες, άμυλο ή σάκχαρα μπορεί να γίνει με απλές χημικές και βιομηχανικές μετατροπές. Παρά το γεγονός ότι βιομηχανικές μονάδες παραγωγής αιθανόλης από κυτταρίνες (κυρίως ξύλο, βιοκαύσιμα 2 ης γενιάς) δεν υπάρχουν σε ευρεία κλίμακα, η παραγωγή αιθανόλης από σακχαρούχες και αμυλούχες γεωργικές ύλες έχει αρκετές εφαρμογές. Για την παραγωγή της μπορεί να χρημοποιηθεί μια ποικιλία φυτών ανάλογα με τις ιδιαίτερες συνθήκες του κάθε τόπου παραγωγής. Έτσι λοιπόν στη Βραζιλία χρησιμοποιείται το ζαχαροκάλαμο, στη Γαλλία τα τεύλα και στις Η.Π.Α. το καλαμπόκι. Στον ακόλουθο Πίνακα 4 δίνονται οι αποδόσεις παραγωγής για διαφορετικές ενεργειακές καλλιέργειες. Βιοαιθα νόλη Πρώτη ύλη Απόδοση σε Απόδοση σε Απόδοση σε προϊόν (kg/στρ.) προϊόν (kg/στρ.) βιοκαύσιμο(lit./στρ.) Σιτάρι Αραβόσιτος Τεύλα Γλυκό Σόργο Πίνακας 4 Αποδόσεις από διάφορα φυτά σε σπόρο Βιοαιθανόλης ανά στρέμμα 16 Εφόσον η πρώτη ύλη είναι πλούσια σε σάκχαρα, η παραγωγή της αιθανόλης βασίζεται στη ζύμωση των σακχάρων με μύκητες και στη συνέχεια στην απόσταξη της παραγόμενης αιθανόλης. Η χρήση αμυλούχων πρώτων υλών προϋποθέτει υδρόλυση του αμύλου σε σάκχαρα και στη συνέχεια ζύμωση των σακχάρων σε αιθανόλη (οινόπνευμα). Στην Ελλάδα δεν υπάρχει ακόμη βιομηχανική μονάδα παραγωγής αιθανόλης από γεωργικές πρώτες ύλες. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί η εκπόνηση ερευνητικού προγράμματος με τίτλο «Αξιοποίηση του χαρουπιού για την παραγωγή Βιοαιθανόλης» από το Ενεργειακό Κέντρο Περιφέρειας Κρήτης το οποίο χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του προγράμματος ΑLTENER και ολοκληρώθηκε στα τέλη του Σκοπός του προγράμματος ήταν η διερεύνηση της παραγωγής βιοκαυσίμων, και συγκεκριμένα αιθανόλης, από το χαρούπι στην Κρήτη, όπου παράγονται σημαντικές ποσότητες χαρουπιού (περίπου t το 1998 και 10 εγκαταστάσεις). Ως πρώτη ύλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ψίχα του χαρουπιού, η οποία προκύπτει μετά από άλεση του καρπού και διαχωρισμό των σπόρων. Σήμερα στην Κρήτη η ψίχα του χαρουπιού, η οποία έχει περιεκτικότητα σακχάρων 30-45% κ.β. (γλυκόζη, φρουκτόζη και σουκρόζη), χρησιμοποιείται κυρίως ως ζωοτροφή ενώ οι σπόροι, οι οποίοι περιέχουν γαλακτομανάνες, οδηγούνται σε εργοστάσιο επεξεργασίας στην Αττική για την παραγωγή διαφόρων προϊόντων στις βιομηχανίες. Η τιμή του καρπού του χαρουπιού στην Κρήτη είναι περίπου 0,2 /kg, ενώ του σπόρου που έχει πολύ μεγαλύτερη αξία κυμαίνεται μεταξύ 0,9-1,5 /kg. 15 Ο.π 16 Ενεργειακές καλλιέργειες για την παραγωγή υγρών και στερεών Bιοκαυσίμων στην Ελλάδα Ενημερωτικό φυλλάδιο του Κ.Α.Π.Ε ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 21

149 Παράλληλα το 2005 αποφασίστηκε κατ ελάχιστο 2 εκ των 5 εργοστασίων της Ελληνικής Βιομηχανίας Ζάχαρης (Ε.Β.Ζ.) να μετατραπούν σε μονάδες παραγωγής βιοαιθανόλης με πρώτη ύλη τα Τεύλα ή το Γλυκό Σόργο. Στο τέλος του 2007 αναμένεται να αναδειχθεί ο Ιδιώτης συνεργάτης της Ε.Β.Ζ. προκειμένου να αρχίσει η υλοποίηση του προγράμματος με κόστος περί τα 120εκατ.. ανά εργοστάσιο 3. Μέθοδοι παραγωγής μεθανόλης Η παραγωγή μεθανόλης από το φυσικό αέριο γίνεται σε δυο στάδια. Στο πρώτο στάδιο γίνεται αναμόρφωση με ατμό (steam reforming) για την παραγωγή του αερίου σύνθεσης και μετατροπή του αερίου σύνθεσης για την απαιτούμενη αναλογία CO/H 2. CH 4 + H 2 O CO + 3H 2, CO + H 2 O CO 2 + H 2 Στο δεύτερο στάδιο και μετά τον καθαρισμό του, τα οξείδια του άνθρακα (CO 2 και CO) και το υδρογόνο αντιδρούν καταλυτικά (αντιδραστήρες σταθερής κλίνης ή ρευστοστερεάς κλίνης) για την παραγωγή μεθανόλης CΟ + 2H 2 CH 3 ΟΗ, CO 2 + 3H 2 CH 3 ΟΗ + H 2 Ο Όπως προαναφέρθηκε, οι μεγαλύτερες ποσότητες μεθανόλης παράγονται από την επεξεργασία του φυσικού αερίου εξαιτίας κυρίως της χαμηλής τιμής του και της ποικιλίας των διαφόρων τεχνικών παραγωγής του αερίου σύνθεσης. Η παραγωγή Μεθανόλης από βιομάζα είναι τεχνολογικά δυνατή αλλά δεν είναι ακόμη εφικτή η εμπορευματοποίησή της στην αγορά καυσίμων. Στο Διάγραμμα 5 απεικονίζεται η διαδικασία παραγωγής μεθανόλης από βιομάζα και οργανικά απορρίμματα. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 22

150 Διάγραμμα 3 Διάγραμμα παραγωγής Μεθανόλης από Βιομάζα 17 Τα οργανικά απορρίμματα όπως επίσης και τα απορρίμματα ξύλου είναι κατάλληλες πρώτες ύλες για την παραγωγή μεθανόλης εξαιτίας της διαθεσιμότητάς τους (μεγάλες ποσότητες). Ειδικά τα απορρίμματα ξύλου είναι πολύ οικονομικότερη λύση σε σχέση με τα ξύλα που συλλέγονται από τα δάση και έχουν αυξημένο κόστος παραγωγής (καλλιέργεια, μεταφορά). Τα στάδια παραγωγής της μεθανόλης από βιομάζα είναι η παραγωγή αερίου σύνθεσης και η επεξεργασία του για την παραγωγή μεθανόλης. Οι πρώτες ύλες κατ αρχήν αλέθονται και ξηραίνονται. Το αέριο σύνθεσης προκύπτει μερικώς από την οξείδωση της βιομάζας και μερικώς από την αναμόρφωση με ατμό (πυρόλυση). Η παραγωγή υδρογόνου προκύπτει με ηλεκτρόλυση. Η δυναμικότητα του συστήματος ηλεκτρόλυσης εκτιμάται έτσι ώστε να τροφοδοτείται με οξυγόνο η μονάδα εξαέρωσης. Η επεξεργασία του αερίου σύνθεσης στη συνέχεια είναι παρόμοια με αυτή της παραγωγής μεθανόλης από φυσικό αέριο ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος ΙΕΑ, 1999 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 23

151 Δ. FUEL CELL 1. Τρόπος λειτουργίας κυψέλης καυσίμου Μια κυψέλη καυσίμου αποτελείται από μια άνοδο και μια κάθοδο, με έναν ηλεκτρολύτη ανάμεσα τους, ο οποίος έχει την ασυνίθηστη ιδιότητα να επιτρέπει στα θετικά φορτισμένα ιόντα να περνούν, ενώ δε συμβαίνει το ίδιο για τα ουδέτερα μόρια και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η άνοδος μιας κυψέλης καυσίμου τροφοδοτείται με μόρια H 2, όπου ένας καταλύτης συνήθως πλατίνα χωρίζει το κάθε μόριο σε δύο θετικά ιόντα H+ και δυο ηλεκτρόνια. Τα ιόντα H+ περνούν από τον ηλεκτρολύτη για να ενωθούν με τα μόρια του οξυγόνου O 2 στην κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια παραμένουν μπλοκαρισμένα. Τα ηλεκτρόνια με την σειρά τους τρέχουν διαμέσου ενός εξωτερικού κυκλώματος από την άνοδο στην κάθοδο, επανενώνονται με τα ιόντα H 2 και τα μόρια O 2 προς το σχηματισμό του νερού. Η συνεχής αυτή κίνηση των ηλεκτρονίων μέσω του εξωτερικού κυκλώματος είναι που παράγει το συνεχές ρεύμα που τροφοδοτεί τον ηλεκτροκινητήρα που φέρουν όλα τα οχήματα που χρησιμοποιούν για την προώθηση τους Fuel Cell. Βασική διαφορά ενός κελιού καυσίμου Εικόνα 9 Λειτουργία του κελιού καυσίμου και μιας μπαταρίας αποτελεί το ότι το καύσιμο H 2 και τα οξείδια O 2 δεν είναι ενσωματωμένα τμήματα του κελιού, αλλά τροφοδοτούν το κελί ωσάν να παρέχουν εξωτερική ισχύ ενώ τα παραγόμενα απόβλητα απομακρύνονται συνεχώς. Τονίζεται επίσης ότι κάθε κελί καυσίμου δύναται να παράγει ~0.7Volt και γι αυτό οι κυψέλες συνδέονται μεταξύ σε αριθμούς τέτοιους ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή παραγόμενη τάση. 2 Είδη κελιών καυσίμου Ο ηλεκτρολύτης παίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία του κελιού καυσίμου και την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος γιατί απαγορεύει την διέλευση αρνητικών ιόντων ή άλλων ουσιών από την άνοδο στην κάθοδο. Υπάρχουν διαφορετικά είδη κελίων καυσίμου που λειτουργούν κάτω από διαφορετικές θερμοκρασίες και η βασική τους διαφορά είναι το είδος του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται. Με βάση τον ηλεκτρολύτη επιλέγεται τόσο το υλικό των ηλεκτροδίων όσο και το είδος του καυσίμου. Μερικά κελιά καυσίμου χρησιμοποιούν καθαρό υδρογόνο και γι αυτό απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός όπως ο αναμορφωτής για τον καθαρισμό του καυσίμου ενώ άλλα κελιά καυσίμου δεν απαιτούν καθαρό υδρογόνο αλλά λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Οι πλέον διαδεδομένοι τύποι κελιών καυσίμου είναι : I. Τα αλκαλικά (AFC), ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 24

152 II. Τα τηγμένου ανθρακικού άλατος (Molten Carbonate - MCFC), III. Τα φωσφορικού οξέος (Phosphoric Acid - PAFC), IV. Τα στερεού οξειδίου (Solid Oxide - SOFC) και V. Τα μεμβράνης ανταλλαγής ιόντων (Proton Exchange Mebrane - PEM). Τα δυο τελευταία είναι γνωστά και ως στερεά πολυμερή κελιά καυσίμου (SPFC). Τα Αλκαλικά ήταν τα πρώτα κελιά καυσίμου που χρησιμοποιήθηκαν για τις μεταφορές (Εικόνα 10). Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν για διαστημικές (διαστημόπλοιο Αpollo) και στρατιωτικές (υποβρύχια) εφαρμογές και άνοιξαν ουσιαστικά το δρόμο για την εφαρμογή της τεχνολογίας των κελιών καυσίμου. Χρησιμοποιούν καθαρό υδρογόνο, έχουν απόδοση 70% περίπου, δεν έχουν πρόβλημα κρύας εκκίνησης και λειτουργούν σε θερμοκρασία C. Ροή Ηλεκτρονίων Η 2 Ο 2 Άνοδος Ηλεκτρολύτης Κάθοδος Ο ηλεκτρολύτης του είναι συνήθως διάλυμα Εικόνα 10 Αλκαλικά κελιά καυσίμου υδροξειδίου του καλίου (ΚΟΗ). Τόσο το γεγονός ότι απαιτούν καθαρό υδρογόνο όσο και το υψηλό κόστος των ηλεκτροδίων από πλατίνα που έχουν, καθιστούν την ευρεία εφαρμογή τους αντιοικονομική. Η 2 Ο Ιόντα Υδροξυλίου Τα Τηγμένου ανθρακικού άλατος κελιά καυσίμου έχουν υψηλής θερμοκρασίας ενώσεις ανθρακικών αλάτων (συνήθως μαγνήσιο και CO 3 ) ως ηλεκτρολύτες. Η απόδοσή τους είναι 60-80% και λειτουργούν σε θερμοκρασία C. Τα ηλεκτρόδια είναι σχετικά φθηνά (νικέλιο) αλλά η υψηλή θερμοκρασία δημιουργεί περιορισμούς και προβλήματα ασφαλείας στη χρήση τους. Τα Στερεού οξειδίου κελιά καυσίμου χρησιμοποιούν σκληρές, κεραμικές ενώσεις μεταλλικών οξειδίων (συνήθως κάλσιο ή ζιργκόνιο και O 2 ) σαν ηλεκτρολύτες (Εικόνα 11). Η απόδοσή τους είναι 60% περίπου και λειτουργούν σε ιδιαίτερα υψηλή θερμοκρασία ( C). Σ αυτή τη θερμοκρασία δεν απαιτείται αναμόρφωση του καυσίμου και συνεπώς και ακριβοί καταλύτες ενώ η απαγόμενη θερμότητα μπορεί να ανακυκλωθεί για την παραγωγή επιπλέον ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτού του τύπου τα κελιά καυσίμου είναι σε στάδιο ανάπτυξης ακόμη και η υψηλή θερμοκρασία που απαιτούν δημιουργεί περιορισμό στην εφαρμογή τους Ροή Ηλεκτρονίων Η 2 Ο Η 2 Άνοδος Ιόντα Οξυγόνου Ηλεκτρολύτης Κάθοδος Ο 2 Εικόνα 11 Κελιού καυσίμου στερεού οξειδίου ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 25

153 Τα Φωσφορικού οξέος κελιά καυσίμου χρησιμοποιούν φωσφορικό οξύ ως ηλεκτρολύτες. Έχουν απόδοση 40-80%, θερμοκρασία λειτουργίας C, παραγόμενη ισχύ πάνω από 200kW και τα ηλεκτρόδια είναι από πλατίνα. Επιδέχονται 1,5% περίπου συγκεντρώσεις CO και γι αυτό διευρύνεται και το φάσμα των καυσίμων που είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν. Αν χρησιμοποιείται βενζίνη για καύσιμο πρέπει να απομακρυνθεί το θείο. Τα φωσφορικού οξέος κελιά καυσίμου είναι τα πλέον διαδεδομένα για χαμηλής ισχύος και πυκνότητας ρεύμα. Λόγω του βάρους τους, του κόστους και της πολύ αργής εκκίνησης λειτουργίας τους δεν ενδείκνυνται για αυτοκίνητα αλλά για βαρέα μεταφορικά οχήματα και τρένα. Τα Μεμβράνης ανταλλαγής ιόντων κελιά καυσίμου PEM (Εικόνα 12) έχουν ένα πολυμερές ως ηλεκτρολύτη σε σχήμα λεπτής και διαπερατής μεμβράνης (ένα δέκατο του χιλιοστού περίπου). Η απόδοσή τους είναι 40-50% και η θερμοκρασία λειτουργίας είναι 80 0 C περίπου με ισχύ kW. Ο στερεός και εύκαμπτος ηλεκτρολύτης δεν βυθίζεται (όπως οι υγροί ηλεκτρολύτες) και δεν σπάει. Η χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας τους και η γρήγορη εκκίνησή τους τα κάνει ιδιαίτερα εύχρηστα για τα οχήματα. Μειονεκτήματά τους είναι το υψηλό κόστος του πλατινένιου καταλύτη και από τις δυο πλευρές της μεμβράνης-ηλεκτρολύτη, η Ροή Ηλεκτρονίων Η 2 Ο 2 Άνοδο Ιόντα Υδρογόνου Ηλεκτρολύτης Κάθοδος επεξεργασία του νερού που παράγεται και το γεγονός ότι το καύσιμο (υδρογόνο) πρέπει να είναι καθαρό 19. Η 2 Ο Εικόνα 12 Κελιά καυσίμου με Μεμβράνη ανταλλαγής ιόντων 19 ΣΑΣΘ ΑΠΘ. Διερεύνηση Εναλλακτικών Πηγών Ενέργειας και Τεχνολογιών για την βελτίωση της ενεργειακής και περιβαλλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος Δημόσιων Αστικών Επιβατικών Μεταφορών στη περιοχή Θεσσαλονίκης Τελική Έκθεση. Υπεύθυνος Γ.Π. Σακελλαρόπουλος. Δεκέμβριος 2003 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 26

154 Ε. ΥΒΡΙΔΙΚΑ 1. Η τεχνολογία των υβριδικών οχημάτων 1.1. Διάταξη και είδη υβριδικών συστημάτων κίνησης Δυο ειδών διατάξεις υβριδικών συστημάτων πρόωσης υπάρχουν (Εικόνα 13 ) : 1. η Διάταξη εν σειρά 2. η Παράλληλη Διάταξη Σε μια Εν σειρά διάταξη υβριδικού συστήματος πρόωσης, μια μικρή μηχανή εσωτερικής καύσης παρέχει ρεύμα στον εναλλάκτη ρεύματος μέσω μίας γεννήτριας. Το ρεύμα αποθηκεύεται στις μπαταρίες ή οδηγείται στον ηλεκτροκινητήρα που κινεί τους τροχούς. Το όχημα μπορεί να λειτουργεί με μηδενικές εκπομπές και όταν οι μπαταρίες εξαντλούνται (μέχρι ένα συγκεκριμένο επίπεδο) η μηχανή επαναλειτουργεί και τις επαναφορτίζει. Μηχανή Γεννήτρια Κιβώτιο ταχυτήτων Μηχανή Κιβώτιο ταχυτήτων Μπαταρία Εναλλάκτης ρεύματος Κινητήρας/Γεννήτρια Μπαταρία Εναλλάκτης ρεύματος Εικόνα 13 Διατάξεις υβριδικού συστήματος. Εν σειρά και εν Παραλλήλο 20 Κινητήρας/Γεννήτρια Η Παράλληλη διάταξη ενός υβριδικού συστήματος πρόωσης έχει δυο διόδους ισχύος, έτσι ώστε είτε η μηχανή της υβριδικής μονάδας ισχύος είτε το ηλεκτρικό σύστημα πρόωσης ή και τα δύο να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παράγουν την κινητήρια ισχύ. Το ηλεκτρικό σύστημα πρόωσης από μόνο του μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μικρές διαδρομές. Για μεγάλες διαδρομές, η μηχανή παρέχει την αρχική ισχύ στο όχημα, ενώ ο ηλεκτροκινητήρας βοηθάει σε καταστάσεις αυξημένης απαιτούμενης ισχύος (επιτάχυνση, ανηφόρα) Σχεδιασμός και λειτουργία του υβριδικού οχήματος Στα υβριδικά οχήματα η διπλή διάταξη των μονάδων ισχύος παρέχει τη δυνατότητα στο όχημα να κινείται άνετα, είτε με όλη την ηλεκτρική ισχύ ή με την ισχύ της μηχανής, είτε με τον συνδυασμό των δυο μονάδων. Ένα υβριδικό όχημα μεγάλης αυτονομίας κίνησης είναι ουσιαστικά ένα ηλεκτρικό όχημα με ένα επί του οχήματος επαναφορτιζόμενο σύστημα. Αυτή η δυνατότητα παρέχει μεγαλύτερη αυτονομία κίνησης όταν εξαντλούνται οι μπαταρίες. Η μηχανή ενός υβριδικού οχήματος είναι συνήθως αρκετά μικρότερη από μια μηχανή ενός παρόμοιου συμβατικού οχήματος με συνεπαγόμενη μείωση του βάρους και της κατανάλωσης καυσίμου. Ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου 20 DOE, 1999 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 27

155 επιλέγουν την πλέον αποδοτική λειτουργία του οχήματος σε διαφορετικές συνθήκες κίνησης. Επιπρόσθετα, η μερική ανάκτηση της ενέργειας πέδησης συμβάλλει στην εξοικονόμηση καυσίμου με τελικό αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός υβριδικού οχήματος με εξοικονόμηση καυσίμου σχεδόν 100% σε σχέση με τα συμβατικά οχήματα που κινούνται μόνο με πετρέλαιο/βενζίνη 21. Διάγραμμα 14 Στάδια κίνησης και λειτουργία του κινητήριου συστήματος υβριδικού οχήματος Στο ανώτερο επίπεδο σχεδιασμού ενός υβριδικού οχήματος περιλαμβάνονται συσσωρευτές υψηλής ισχύος, ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής απόδοσης ισχύος και υψηλής απόδοσης καυσίμου μηχανές χαμηλών εκπομπών. Παρόλα αυτά, τα παρακάτω ζητήματα είναι ιδιαίτερα σημαντικά στον βέλτιστο σχεδιασμό και λειτουργία του υβριδικού οχήματος: Υψηλής ενεργειακής απόδοσης μπαταρίες δεν είναι ακόμη διαθέσιμες. Οι μπαταρίες θα πρέπει να είναι θερμικά ελεγχόμενες, με μεγάλη ειδική ισχύ, μεγάλη διάρκεια ζωής και ανταγωνιστικές ως προς το κόστος. Συχνές εκκινήσεις και παύσεις της λειτουργίας της μηχανής απαιτούν πιο σύνθετη διαχείριση ηλεκτρικής ενέργειας για τα συστήματα πρόωσης και τα άλλα βοηθητικά συστήματα, όπως ο κλιματισμός και το υδραυλικό σύστημα διεύθυνσης (τιμόνι). Για το λόγο αυτό απαιτείται εξελιγμένο σύστημα ελέγχου. Το μέγεθος, το βάρος και το κόστος των ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος θα πρέπει να μειωθούν. Απαιτείται αύξηση της ενεργειακής απόδοσης της μονάδας ισχύος της μηχανής σε συνδυασμό με τον περιορισμό των εκπομπών. Εφαρμογή εξελιγμένων μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης και ανάλυσης των συστημάτων πρόωσης (δυναμική και στατική κατάσταση) FTA, DOE, 1999 ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Α.Π.Θ. 28