ΕΛΕΥΘΕΡΟ ΒΗΜΑ FORUM ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ 2009 Αίθουσα ΙΙΙ «Μεταφορικά Μέσα: Ενεργειακές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις σε Παγκόσµιο, Ευρωπαϊκό και Εθνικό επίπεδο προοπτικές ανάπτυξης ηλεκτροκίνητων µέσων µεταφοράς» Αθανάσιος Ν. Σαφάκας Καθηγητής Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πανεπιστηµίου Πατρών
ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΕΣΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ
Μεταφορές = το σύνολο των διαφόρων τρόπων διακίνησης προσώπων ή πραγµάτων από τόπο σε τόπο. Οι συνθήκες ζωής του ανθρώπου επηρεάζονταν ανέκαθεν δραµατικά από την ευκολία και την ταχύτητα, µε τις οποίες µεταφέρει τον εαυτό του και τα αγαθά του από κάποιο σηµείο της γήινης επιφάνειας σε άλλο. Οι µεταφορές αποτελούν µεγάλη διαχρονική αξία για την οικονοµική και κοινωνική ανάπτυξη της ανθρωπότητας. Η επίτευξη των στόχων στις µεταφορές είναι άρρηκτα συνδεδεµένη µε την κατανάλωση ενέργειας. Όµως η παραγωγή µεταφορικού έργου συνεπάγεται: Παραγωγή βλαπτικών ουσιών για τον άνθρωπο και γενικά για το κλίµα και τη ζωή επάνω στη γη. Κύρια αιτία για τις εκποµπές ρύπων: Η χρήση των ορυκτών καυσίµων στις µηχανές εσωτερικής καύσης. Οι επιπτώσεις στο περιβάλλον από τη χρήση του πετρελαίου στα διάφορα µεταφορικά µέσα αυξάνονται µε ταχείς ρυθµούς ακολουθώντας τη µεγάλη αύξηση του αριθµού των πάσης φύσεως οχηµάτων. Άµεση λήψη δραστικών µέτρων για την αναστροφή της κατάστασης σε δύο κατευθύνσεις: - Βελτιώσεις στην υφιστάµενη τεχνολογία. - Προώθηση νέων τεχνολογιών µε σκοπό την απεξάρτηση από το πετρέλαιο και τη χρήση «καθαρών» πηγών ενέργειας. Η άντληση ενέργειας από κάθε «καθαρή» πηγή και η µετατροπή της σε κινητική ενέργεια µε σκοπό την κίνηση των µεταφορικών µέσων επιτυγχάνεται µέσω της ηλεκτροκίνησης. Πώς µπορεί να αποθηκευθεί η ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται η ηλεκτρική κινητήρια µηχανή; Είναι το δύσκολο ερώτηµα, αλλά µε τις εξελίξεις στην έρευνα και στην τεχνολογία δηµιουργούνται θετικές απαντήσεις. Αποµένει η λήψη δραστικών αποφάσεων από τους ασκούντες θεσµική και οικονοµική εξουσία. Εξέλιξη των µεταφορικών µέσων:
Από τα πρωτόγονα µεταφορικά µέσα, 5000 π.χ., φθάσαµε στα υπέροχα σύγχρονα οδικά, σιδηροδροµικά, πλωτά και εναέρια µέσα. Η ταχύτητα, η άνεση και η εµβέλεια των µεταφορικών µέσων βρίσκονται σήµερα σε εντυπωσιακό επίπεδο. - Σε µερικές ώρες µε το αεροπλάνο διανύονται τεράστιες αποστάσεις µε ταχύτητα 1000 km/h. - Τα τραίνα έχουν ξεπεράσει τα 500 km/h. - Τα πλοία µεταφέρουν χιλιάδες επιβατών και εκατοντάδες φορτηγών και επιβατικών αυτοκινήτων µε άνεση και ασφάλεια (πλωτές πόλεις). - Τα οδικά οχήµατα αποκτούν καλύτερες επιδόσεις, πληθαίνουν και γίνονται κτήµα ολοένα και περισσότερων χρηστών, χαρίζοντας άνεση, ασφάλεια και υψηλές ταχύτητες. Για διάστηµα περίπου 120 ετών η καύση του πετρελαίου µέσω των µηχανών εσωτερικής καύσεως δηµιούργησε θαυµάσια αποτελέσµατα στην οικονοµική και κοινωνική ανάπτυξη της ανθρωπότητας συµβάλλοντας τα µέγιστα στη βελτίωση της ποιότητας της ζωής µέσω της παραγωγής µεταφορικού έργου. Σήµερα όµως αναδεικνύονται τεράστια προβλήµατα από τη χρήση των ορυκτών καυσίµων στις µεταφορές: Εξάντληση των αποθεµάτων Παραγωγή ρυπογόνων ουσιών Εξάρτηση από µια µόνο ενεργειακή πηγή Τα κινητήρια συστήµατα βασισµένα στις ΜΕΚ δεν έχουν τη δυνατότητα εκµετάλλευσης της ενέργειας κατά τις καταστάσεις πέδησής τους. υνατότητες απεξάρτησης από το πετρέλαιο; Πλήρης ηλεκτροκίνηση των µεταφορικών µέσων σταθερής τροχιάς (σιδηρόδροµοι κ.λ.π.) Ηλεκτροκίνηση στα οδικά µεταφορικά µέσα: - Υβριδικά αυτοκίνητα - Αµιγώς ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα Η τεχνολογία των ηλεκτρικών κινητηρίων συστηµάτων (ηλεκτρικός κινητήρας, ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος, ηλεκτρονικά συστήµατα ελέγχου, ηλεκτροχηµικοί συσσωρευτές, ηλεκτροχηµικοί µετατροπείς Fuel Cells) βρίσκεται σήµερα σε τέτοιο επίπεδο, ώστε να διατίθενται προϊόντα τελικής µορφής για άµεση χρήση στην αυτοκίνηση. Τα νέα υλικά συµβάλλουν στην κατασκευή ελαφρών και ανθεκτικών οχηµάτων. Προβλήµατα υπάρχουν στους ηλεκτροχηµικούς συσσωρευτές (µπαταρίες), αλλά οι εξελίξεις στην αύξηση της ενεργειακής χωρητικότητας και στη σµίκρυνση του χρόνου φόρτισης είναι εντυπωσιακές.
Η ηλεκτρική ενέργεια µπορεί να παραχθεί από ανανεώσιµες πηγές ενέργειας: - Υδατοπτώσεις - Αιολικά πάρκα - Φωτοβολταϊκά πάρκα - Γεωθερµία - Βιολογικά καύσιµα - Θαλάσσιες κυµατώσεις Άµεση χρήση της παραγόµενης ηλεκτρικής ενέργειας Άµεση αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε συσσωρευτές Έµµεση αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας => ηλεκτρόλυση => δηµιουργία υδρογόνου => χρήση σε κελιά καυσίµου => δηµιουργία πηγών ηλεκτρικής τάσης => ηλεκτροκίνηση οχηµάτων. Η βασική δοµή ενός ηλεκτροκινητήριου συστήµατος περιλαµβάνει το συσσωρευτή, τον ηλεκτρονικό µετατροπέα ισχύος και τον ηλεκτρονικό κινητήρα. Σχ.1 Βασική δοµή του συστήµατος κίνησης ενός ηλεκτρικού οχήµατος Η επανάσταση στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα επιτευχθεί µε την ολοκλήρωση της πυρηνικής σύντηξης. Οι ρυθµοί εξέλιξης της τεχνολογίας (ITER κ.λ.π.) εδραιώνουν την πεποίθηση, ότι περί το 2050 θα έχουν δηµιουργηθεί σταθµοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας µε βάση την πυρηνική σύντηξη. Σήµερα αναπτύσσεται µε εντυπωσιακούς ρυθµούς η τεχνολογία υβριδικής κίνησης (συνδυασµός συστηµάτων κίνησης µε µηχανή εσωτερικής καύσεως και ηλεκτρική µηχανή):
Ο βαθµός υβριδοποίησης αυξάνεται (αύξηση της ισχύος του ηλεκτρικού κινητηρίου συστήµατος). Φόρτιση των µπαταριών των υβριδικών οχηµάτων από το ηλεκτρικό δίκτυο (plug-in) Αύξηση των αµιγώς ηλεκτρικών οχηµάτων Γενική δοµή υβριδικού οχήµατος : Σχ.2 Βασική δοµή του συστήµατος κίνησης ενός υβριδικού οχήµατος Ο ενεργειακός βαθµός απόδοσης των ηλεκτροκίνητων συστηµάτων είναι µεγαλύτερος του 80%, ενώ στα συστήµατα µε µηχανή εσωτερικής καύσεως ανέρχεται στο 25%. Σχ.3 Ολικός βαθµός απόδοσης κατά τη µετατροπή πρωτογενής ενέργειας σε κινητική ενέργεια για ένα αυτοκίνητο πόλης.
Πηγή : Electric & Hybrid Vehicle Technology 95. Ο στόλος των µεταφορικών µέσων σε παγκόσµιο επίπεδο: αυτοκίνητα (επιβατικά, λεωφορεία, φορτηγά) στον κόσµο: 1970 : 216.608.470 1985 : 484.000.000 1996 : 671.358.000 2009 : 900.000.000 2030 : 1.200.000.000 Στις 25 χώρες της Ευρωπαϊκής Ένωσης (EU25): Το 2004 αντιστοιχούσαν 472 αυτοκίνητα σε 1000 κατοίκους. Στην Ελλάδα: Το 2004 αντιστοιχούσαν 348 αυτοκίνητα ανά 1000 κατοίκους. Στις ΗΠΑ: Το 2005 ήταν δηλωµένα ως «highway vehicles» 241.721.000 οχήµατα. Σιδηροδροµικές µεταφορές στον κόσµο: Το 2008, κατ εκτίµηση, οι µηχανές έλξεως ήταν της τάξεως των 200.000. Από αυτές περίπου 50% ήταν ντηζελοκίνητες. Πλωτά µεταφορικά µέσα στον κόσµο: 2009 : 55.000 πλοία (επιβατικά, φορτηγά, ειδικών σκοπών) 2007 : 35.000 εµπορικά πλοία χωρητικότητας άνω των 1000 τόννων 2002 : 1240 πολεµικά πλοία (χωρίς πλοία ειδικών σκοπών) 2004 : 4.000.000 αλιευτικά σκάφη Με εξαίρεση τα υποβρύχια όλα τα πλωτά µέσα.κινούνται µε ΜΕΚ. Εναέρια µεταφορικά µέσα σε παγκόσµιο επίπεδο: 2002 : Σύµφωνα µε τον Οργανισµό FAA (Federal Aviation Administration) τα εγγεγραµµένα αεροσκάφη στα µητρώα ήταν 273.870 µονάδες. Ο αριθµός των στρατιωτικών αεροσκαφών είναι δύσκολο να προσδιοριστεί. Οι εκτιµήσεις συγκλίνουν σε έναν συνολικό αριθµό αεροσκαφών στον πλανήτη της τάξεως µεταξύ 1 και 3 εκατοµµυρίων. Όλα τα αεροσκάφη κινούνται µε µηχανές, των οποίων η λειτουργία βασίζεται στην καύση υγρών καυσίµων. Αυτοκίνητα, πλοία και αεροπλάνα αποτελούν κινητές πηγές εκποµπής ρύπων στην ατµόσφαιρα.
Κινητές ρυπογόνες πηγές και εκπεµπόµενοι ρύποι: Πίνακας Ι: Κινητές ρυπογόνες πηγές και οι εκπεµπόµενοι ρύποι Πίνακας Ι: Κινητές ρυπογόνες πηγές και οι εκπεµπόµενοι ρύποι
Ενδεικτικός πίνακας πηγών ρύπων και ετήσιες ποσότητες εκποµπών (ΗΠΑ δεκαετία του 90): Πίνακας ΙΙ: Οι κυριότερες πηγές ρύπων και οι αντίστοιχες ετήσιες ποσότητες κατά τη δεκαετία του 90 στις ΗΠΑ Συγκριτικός πίνακας εκπεµπόµενων ρύπων κατά την καύση τυπικών καυσίµων: Πίνακας ΙΙΙ: Ποσότητες ρύπων (g/kg) κατά την καύση τυπικών καυσίµων
Συγκριτικοί πίνακες εκποµπής ρύπων βενζινο (- πετρελαιο) κίνητων και ηλεκτροκίνητων οχηµάτων (κατά µέσο όρο) σε µία Ευρωπαϊκή πόλη από επιστηµονική µελέτη το 1993 στη Γερµανία: n n Σχ.4. Σύγκριση εκποµπών µεταξύ τριών διαφορετικών κινητηρίων συστηµάτων [16] Τοπικές εκποµπές ρύπων κατά την κυκλοφορία σε Ευρωπαϊκή πόλη Εκποµπές CO 2 κατά την κυκλοφορία σε Ευρωπαϊκή πόλη λαµβάνοντας υπόψη τις εκποµπές κατά την ηλεκτροπαραγωγή Ποσοστιαία κατανοµή της παγκόσµιας πρωτογενούς ενεργειακής κατανάλωσης το έτος 2002:
Παγκόσµια κατανάλωση πετρελαίου το έτος 2002 κατά τοµέα χρήσης: Μεταφορές επιβατών µε τα διάφορα µεταφορικά µέσα το έτος 2000:
Χρονική αύξηση του µηχανοκίνητου στόλου οχηµάτων κατά την περίοδο 1940 2002: Μεταφορές αγαθών κατά το έτος 2000 στις πιο αναπτυγµένες κοινωνίες του πλανήτη:
Ενεργειακή κατανάλωση για τις συνολικές µεταφορές το έτος 2001 ανά κλάδο µεταφορών: ραστηριότητες στο Πανεπιστήµιο Πατρών σχετικά µε το σχεδιασµό, τη µελέτη και την κατασκευή πειραµατικών ηλεκτροκίνητων οχηµάτων. Το ηλεκτροκίνητο όχηµα ELECTRA, µετατροπή ενός FIAT-Fiorino, (κατασκευάστηκε στο πλαίσιο του Προγράµµατος STRIDE- ECVET, 1991-1993, από το Πανεπιστήµιο Πατρών, ΕΜΠ, ΚΑΠΕ, ΓΕΡΜΑΝΟΣ, TEOCAR και PROTEC).
Το ηλεκτροκίνητο όχηµα «ΕΡΜΗΣ», αντλεί ενέργεια από τον ήλιο και φορτίζει τις µπαταρίες, (κατασκευάστηκε από Καθηγητές και Φοιτητές τριών Εργαστηρίων στο Πανεπιστήµιο Πατρών και συµµετείχε στο ράλλυ ηλιακών οχηµάτων «Φαέθων 2004». Υβριδικό όχηµα, µετατροπή ενός FIAT-Panda, (κατασκευάστηκε στα πλαίσια ιπλωµατικών Εργασιών στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών).
Το ηλεκτροκίνητο σκάφος «ΠΡΩΤΕΥΣ», (κατασκευάστηκε στα πλαίσια ιπλωµατικής Εργασίας στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών. Το ηλεκτροκίνητο σκάφος «ΠΡΩΤΕΥΣ», (κατασκευάστηκε στα πλαίσια ιπλωµατικής Εργασίας στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών.
Υβριδικό όχηµα, µετατροπή ενός Chevrolet, (κατασκευάστηκε στα πλαίσια ιπλωµατικών Εργασιών στο Εργαστήριο Ηλεκτροµηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστηµίου Πατρών). Ακολουθούν εικόνες από ηλεκτροκίνητα οχήµατα σε διεθνές επίπεδο Το υβριδικό αυτοκίνητο Prius Toyota (παράγεται µαζικά) Το ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο CitySTROMer-Volkswagen (πρότυπο) Κινητήριο σύστηµα ηλεκτροκίνητου αυτοκινήτου, General Motors-Ovonic Battery Co. Κινητήρας και γρανάζια υποβιβασµού σε ενιαία µορφή, GM-Ovonic
Το ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο EV1, General Motors, (πρότυπο) Ηλεκτροκίνητο όχηµα για µεταφορές της Deutsche Post AG, (χρήση) Το ηλεκτροκίνητο λεωφορείο,cobus 200 EL, Contrac GmbH, (χρήση) Ηλεκτροκίνητο δίκυκλο όχηµα, (χρήση) Ηλεκτρο-κίνητο ποδήλατο, (χρήση) Το ηλεκτροκίνητο όχηµα ΚΑΖ του Ιαπωνικού Πανεπιστηµίου Keio, (πρότυπο) Ηλεκτρική παροχή για τη φόρτιση των συσσωρευτών ηλεκτρικού οχήµατος, (πρότυπο) Φόρτιση µπαταριών από φωτοβολταϊκή γεννήτρια, (πρότυπο)
Ηλεκτροκίνητο λεωφορείο µε κυψέλες καυσίµου (fuel cells) στον Καναδά. Ενδεικτικές εφαρµογές σε αυτοκίνητα που χρησιµοποιούν FC: Ford TH!NK FCV DaimlerChrysler Necar 4 DaimlerChrysler Jeep Commander FCV Honda FCX V3 Mazda Premacy FC-EV Nissan Xterra FCV Συµπεράσµατα: α. Η ανθρωπότητα για να διατηρήσει το σηµερινό επίπεδο ζωής και να δηµιουργήσει συνθήκες αναβάθµισης όλων των ανθρώπων του πλανήτη χρειάζεται µεγάλα ποσά ενέργειας. β. Η χρήση του πετρελαίου για την παραγωγή µεταφορικού έργου προκαλεί τεράστια περιβαλλοντικά προβλήµατα. γ. Η στροφή προς τα «καθαρά» οχήµατα και τη χρήση όλων των «καθαρών» µορφών ενέργειας είναι µονόδροµος!
Ευχαριστώ για την προσοχή σας!