Közlekedési rendszerbe integrált alternatív járműhajtások

Pézsa Nikolett, dr. Ailer Piroska, Trencséni Balázs, dr. Palkovics László

 Absztrakt

A globálisan jelentkező problémák, úgymint a széndioxid emisszió, az energiafüggőség és az olajkészletek kimerülése az összes érintett szektort ―és így a közlekedési szektort is ― alternatív megoldások keresésére ösztönzi. Az egyes alternatívák közötti választás bonyolult szempontrendszer alapján történik. Cikkünk célja egy olyan integrált szemléletű modell bemutatása, amely alkalmas arra, hogy az alternatívák értékelési szempontjait összekapcsolja, és íly módon segítséged nyújt adott feltételekre a legoptimálisabb megoldás megtalálásában.

Abstract

Global problems such as carbon dioxide emission, energy dependency and the depletion of oil reserves urge for alternative solutions in all affected sectors and therefore also in the transport sector. The choice among the alternatives is made according to a complex system of aspects. This paper aims at introducing an integrated model, which is capable of combining the evaluation aspects of the different alternatives and by this means it helps to find the most optimal solution for the given conditions.

1 Alternatív megoldások alkalmazásának szükségszerűsége a közlekedésben

A klímaváltozás, az energiafüggőség és a kimerülő olajkészletek összetett problémaköre az összes fosszilis energiát felhasználó szektort ―és így a közlekedési szektort is―alternatív megoldások keresésére sarkallja.

Napjainkban a közlekedési szektor felelős a globális – energiafelhasználással összefüggő – CO₂ kibocsátás egynegyedéért, és a közlekedési szektornak a legnagyobb a kőolajtól való függősége is (98%).  A járműállomány prognosztizált növekedése a széndioxid emisszió további növekedését vonja maga után, valamint a szektor kőolajtól való függőségét is csak tovább növeli. A jelenlegi 900 milliós járműállomány több, mint 2 milliárdra való növekedése várható 2050-re, mellyel párhuzamosan a széndioxid emisszió elérheti a 2-3 gigatonnát. [1][2]

A mobilitás iránti igény is növekszik. A legnagyobb igény a fejlődő országokban, úgymint India és Kína várható, ahol főként az egyéni közlekedés növekszik nagy sebességgel, mivel a gyors népességnövekedés, a gazdasági, és társadalmi fejlődés meglehetősen nagy mobilitás iránti igényt teremt. [2]

A fenntartható fejlődéshez hasonlóan definiálható a fenntartható mobilitás is. Míg az elmúlt évtizedekben a fenntarthatóságon belül leginkább a gazdasági hatás jelentette a fenntarthatóságot, addig ma egyre inkább erősödik a társadalmi és a környezetvédelmi tényezők térnyerése. Egyre többen látják be, hogy nem lehet a környezetünket a végtelenségig kihasználni.

Mindazonáltal nincs mobilitás energia nélkül, a mobilitást „tüzelőanyaggal kell ellátni”. A közlekedési szektor számára nagy kihívást jelent, hogy a növekvő mobilitási igényeket a szektor levegőszennyezésre, klímaváltozásra és társadalomra gyakorolt hatásának figyelembe vételével kell kielégítenie. A közlekedési szektorban olyan megoldásokat kell tehát találni, amelyek a legkevésbé terhelik a környezetet, és megfelelnek a társadalmi igényeknek. [2]

Mindezt olyan módon kell elérni, hogy az gazdaságilag is kedvező legyen, mert a költségcsökkentés minden szinten – úgymint a gyártók, az üzemeltetők és a társadalom szintjén is – cél.

 

1.1 Alternatív megoldások

Az alternatív megoldások keresésekor többszintű megközelítést érdemes alkalmazni, kihangsúlyozva, hogy az egyes megközelítési módok szinergikus hatásúak. Cikkünkben mégis az alternatív tüzelőanyag és hajtásrendszerek alkalmazásának témakörére fókuszálunk.

A többszintű megközelítés szintjei:

• ·         a hagyományos hajtáslánc és elemeinek optimalizációja;

• ·         járműcsoport szabályozás (forgalomszabályozás, járműkövetés, flotta menedzsment);

• ·         alternatív tüzelőanyagok, hajtásrendszerek és az energia rekuperáció bevezetése.

 A hagyományos hajtáslánc és elemeinek optimalizációja

Ismert, hogy a tüzelőanyag fűtőértékének 70-75%-a veszteségként jelentkezik. Ezért a belsőégésű motorok gyártói, fejlesztői a veszteségek csökkentése, a tüzelőanyag-fogyasztás és emissziós jellemzők javítása érdekében számos újítást vezettek be, vagy módosítottak a motorok keverékképzésén, égési folyamatain, töltetcseréjén és súrlódási tulajdonságain. Néhány ismert példa: a közvetlen befecskendezés, a termo-management és a feltöltés, turbófeltöltés mindegyike a veszteségek csökkentésére ad lehetőséget.

1. ábra: A hagyományos hajtáslánc elemeinek optimalizációs lehetőségei

Járműcsoport szabályozás

A járműcsoport szabályozása feltételezi az intelligens rendszerek alkalmazását. A rendszer részét képezik az intelligens jármű (IVS: Intelligent Vehicle System), az ITS1 (Intelligent Transport System 1), illetve az ITS2 (Intelligent Transport System 2) alrendszerek.

Az intelligens jármű rendszerek gyári rendszerek, használatuk lehet kötelező vagy opcionális, fő funkciójuk a járműbiztonság növelése.

Az ITS1 rendszerek lehetnek gyárilag vagy utólagosan beépített rendszerek, használatuk lehet kötelező vagy opcionális, fő funkciójuk pedig az információ átadása. A gyakorlatban ez a járművek egymással, illetve GPS- szel való kommunikációját jelenti.

Az ITS2 rendszerek szintén lehetnek gyárilag vagy utólagosan beépítettek, csak speciális flottáknál alkalmazhatók, használatuk az optimalizációt gazdasági szempontból célozza meg. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a járművek egy központtal is kommunikálnak, így például forgalmi dugók esetén egy másik útszakaszra irányíthatók át a járművek.

Alternatív tüzelőanyagok és hajtásrendszerek

Belsőégésű motorok alternatív tüzelőanyagai lehetnek:

• ·         a bioetanol

• ·         a biodízel

• ·         az LPG

• ·         a CNG (Compressed Natural Gas, sűrített földgáz)

• ·         a hidrogén

Mindegyik tüzelőanyagnak léteznek előnyei és hátrányai.

A biotüzelőanyagok alkalmazásakor mindig felmerül az etikai kérdés, hogy szabad-e tüzelőanyag előállításra felhasználni élelmiszernövényeket, amikor a világ egy részét éhínség sújtja. Ez a vita a második generációs biotüzelőanyagok megjelenésével látszólag feloldódott, hiszen ezek esetében a kiindulási nyersanyag nem élelmiszernövény. Azonban második generációs nyersanyagból kiinduló üzemi szintű biotüzelőanyag termelés Magyarországon még nincs.

Az LPG és a CNG alternatív tüzelőanyagnak minősül, de nem megújuló energiaforrás. Járművek tüzelőanyagaként való alkalmazásuk azonban környezetvédelmi előnyökkel jár, hiszen károsanyag kibocsátásuk kedvezőbb a hagyományos fosszilis tüzelőanyagokénál (benzin, gázolaj). A CNG üzemű buszok bevezetésével például jelentősen javítottak egy-egy nagyváros levegőminőségén (Tokyo, Delhi).

A szakemberek véleménye megegyezik abban, hogy a távoli jövőben az általános tüzelőanyag feladatát a hidrogén látja majd el, arról azonban megoszlanak a vélemények, hogy a megfelelő infrastruktúra hogyan és mikorra alakulhat ki. [3]

Alternatív üzemmód lehet:

• ·         a hibridhajtás

• ·         az elektromos hajtás

• ·         és a tüzelőanyag cella

Több járműgyártó is megjelent már hibridhajtású járműveivel a piacon. Az elektromos hajtás és a tüzelőanyag cella térhódítása a jövőben várható.

A hibridhajtású járművek előnye leginkább városi forgalmi viszonyok között mutatkozik meg a kedvező fogyasztással és károsanyag kibocsátással.

Jelenleg az elektromos hajtás elterjedésének kerékkötője az akkumulátorok kis teljesítménye, amely befolyásolja a jármű hatótávolságát.

2 Alternatív megoldások értékelésének szempontrendszere

Az egyes alternatívák közötti választás bonyolult, összetett szempontrendszer alapján történik. A 2. ábra nyújt összefoglaló képet a fejlesztési korlátokról.

2. ábra: Az alternatív megoldások fejlesztési korlátai [4]

 A hibrid és CNG üzemű járművek például jó alternatív megoldásnak bizonyulnak városi közlekedési viszonyokat feltételezve, azonban országúti szakaszokon már nem mutatnak fel előnyöket. A hibrid járművek fogyasztása városi körülmények között kedvezőbb, országúton azonban már elveszik ez az előny. A CNG üzemű járművek gazdaságos üzemeltetésből származó előnyüket Magyarországon szintén elveszítik országúti viszonyok között, legfőképp azért, mert a CNG töltőállomás hálózat kiépítettsége messze elmarad a hagyományos tüzelőanyagok tankolására alkalmas töltőállomás hálózat kiépítettségétől. A töltőállomás hálózat nem megfelelő kiépítettsége nagyobb súlyzófaktorral szerepelhet egyéni járműfelhasználóknál mint flotta üzemeltetőknél, hiszen utóbbiak számára egy saját töltőállomás üzemeltetése nem jelent problémát.

Az egyes alternatívák megítélésénél fontos az életciklus szemlélet, amely egy integrált megközelítés és magába foglalja egy termék összes előállítási lépésének környezetvédelmi és gazdasági hatását. Két kategóriának van kiemelkedő jelentősége: a fosszilis energia felhasználás és az üvegházhatású gáz kibocsátás. Az életciklus elemzés egy speciális ― a járművekre vonatkoztatott― változata a well-to-wheel analízis, amely végigköveti a tüzelőanyag útját az előállítástól kezdve a járműben történő felhasználásig.  Az egyes alternatívák well-to-wheel CO₂ kibocsátásáról ad átfogó képet a 3. ábra.

 3. ábra: Az egyes alternatívák well-to-wheel CO₂ kibocsátásának összehasonlítása

 Az egyes alternatív módok elterjedésének határt szab a gazdaságosság, vagyis csak akkor várható egyre nagyobb számban való megjelenésük, ha egyértelmű gazdasági előnyöket képesek felmutatni.

3 Integrált modell ― A közlekedésben résztvevő flotta integrált műszaki és gazdasági modellje

Az általunk kidolgozott integrált szemléletű modell alkalmas arra, hogy az egyes alternatív tüzelőanyagok és hajtásrendszerek értékelési szempontjait összekapcsolja, és ily módon adott feltételekre a legoptimálisabb megoldás megtalálásában segítséget nyújtson. A modell felépítését a 4. ábra szemlélteti.

4. ábra: A vizsgálati módszertan részei

A vizsgálati módszer részét képezi a motor, a forgalom valamint a jármű modellezése. A forgalmi viszonyok hatást gyakorolnak a vizsgált jármű mozgására, dinamikájára, és a jármű dinamikai tulajdonságai visszahatnak a forgalmi viszonyokra. A kombinált jármű és motor modellel a károsanyag kibocsátásokat tudjuk megbecsülni. A modell alkalmazásának eredményeként megkapjuk a különböző emissziós értékeket: a nitrogén-oxidok, a szénhidrogén, a szénmonoxid és a részecske emissziót, valamint a fogyasztást és az ezzel arányos széndioxid emissziót is.

Az emissziós értékek ismerete fontos egy alternatív megoldásra történő váltásnál, azonban az alternatívát csak akkor fogják választani, hogyha az gazdaságilag megtérül. Ezért a vizsgálati módszertan részét képezi egy üzleti modell is, amely figyelembe veszi egyrészről a politikai/társadalmi, másrészről a gazdasági hatásokat.

A forgalom-szimuláció a forgalom-számlálási és irányítási adatokból nyert, a forgalom időbeli eloszlását jellemző sűrűségfüggvényből határozza meg egy adott jármű adott időszakra számított legvalószínűbb sebességprofilját. Ebből a jármű mozgatásához, vagy fékezéséhez szükséges teljesítményigény meghatározható. Első közelítésben a teljesítményigény alapján vonhatunk le következtetést az alkalmazható alternatívákra.

 

5. ábra: A forgalom szimuláció eredményeként kapott sebességprofilból számított teljesítményigény

A motormodell leírja a belsőégésű motor folyamatait.

A modell magában foglalja a motor minden egyes részének – a szívórendszer, a keverékképző rendszer, a hengergeometria, a szelepvezérlés, a turbulens égésmodell és a kipufogó rendszer – áramlástani, hőtani és mechanikai egyenleteit. A motor belső folyamatainak számítási eredményeiként előállnak a motor karakterisztikái: teljesítmény-, fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás és emissziós jellegmezők.

A járműmodell figyelembe veszi a jármű felépítményre ható ellenállásokat, leírja annak a hossz-és keresztirányú dinamikáját.

A járműmodellből végeredményben meg tudjuk határozni, hogy adott hosszúságú út adott sebességgel történő megtétele mennyi energiát igényel (6. ábra)

 

6. ábra: A jármű modellezés eredményeként kapott energia igény

Az összetett műszaki modellből (amely magában foglalja a forgalom, a belsőégésű motor és a jármű szimulációit) megkapjuk a jármű emissziós és fogyasztási értékeit.

A gazdasági modellel határozhatók meg a költségek és a megtérülés. Hiába rendelkezik egy alternatíva nagyon kedvező emissziós tulajdonságokkal: ha az gazdasági előnyként nem jelenik meg, akkor racionális piaci szereplőktől nem várható az adott alternatíva melletti döntés meghozatala.

A gazdasági modell figyelembe veszi a fő költségtényezőket. Az üzleti modell részletes ismertetésére egy korábbi cikkünkben tértünk ki. [5]

Az üzleti modellel meghatározhatók az egyes alternatív járművek beszerzésekor várható megtérülési idők, továbbá érzékenységvizsgálatot végezve információt kapunk arról, hogy milyen feltételek mellett térülne meg az alternatív járműbe való beruházás. Ez fontos információ lehet a döntéshozók számára, mert így képet kaphatnak arról, hogy milyen ösztönző intézkedésekkel segíthetik elő az alternatív járművek elterjedését.

Az üzleti modell továbbá alkalmas arra is, hogy a közlekedés okozta externális költségeket kifejezze. A modell ezen részének részletes leírásával egy előző cikkben foglalkoztunk. [4]

Az általunk kidolgozott vizsgálati módszertan tehát alkalmas arra, hogy műszaki és gazdasági szempontokat is figyelembe véve segítse a döntéshozatalt egy alternatív jármű kiválasztásakor.

3.1 A modell alkalmazásával kapott eredmények

A fenti modellezési eljárással a mai körülmények között vizsgáltuk a budapesti közlekedési viszonyokat, feltételezve, hogy a megfelelő alternatíva kiválasztása elsősorban zárt járműflotta üzemeltetők számára történik.

A legmegfelelőbb megoldás – a jelenlegi viszonyokat feltételezve – a hibrid és a CNG üzemű jármű, kedvező károsanyag és fogyasztási értékeiknek, valamint gazdaságosságuknak köszönhetően. Az alternatív járműbe való beruházás megtérülése így 3-5 év alatt várható.

Általánosságban az állapítható meg, hogy rövidtávon a gáz és biotüzelőanyagoknak, középtávon a hibrid-elektromos és a vegyes hibrid hajtásnak, hosszútávon pedig a villamos és a hidrogén hajtásnak van létjogosultsága.

4. Összefoglalás

A közlekedési szektorban az alternatív megoldások keresését egyrészről sürgetik a globális problémák mérséklésére való törekvések. Másrészről azonban az jelent hajtóerőt, hogy a társadalmi, gazdasági fejlődésnek azon a fokán állunk, amely alkalmassá tesz minket arra, hogy már most alternatív megoldásokban gondolkodjunk, még mielőtt az olajtartalékok kifogynának. A „kőkorszaknak sem azért lett vége, mert elfogyott a kő” (Sheikh Zaki Yamani, volt szaúd-arábiai olaj miniszter) gondolatmenetet folytatva az olajtartalékok sem fogynak ki máról holnapra, azonban egyre inkább társadalmi igényként jelentkezik az új, fenntarthatóbb technológiák iránti igény.

Olya integrált műszaki és gazdasági modellt dolgoztunk ki, amely alkalmas arra, hogy segítse az alternatív jármű kiválasztását. Fontos kihangsúlyozni, hogy az egyes alternatívák közül egyik sem egy minden szempontból optimális megoldás. Minden egyes alternatív jármű csak az adott feltételekre, adott körülmények között vizsgálva lehet a legjobb; különböző feladatokra, eltérő viszonyokat feltételezve más megoldások lehetnek a legmegfelelőbbek.

5 Felhasznált Irodalom

[1] R. Quadrielli, S. Peterson: The energy-climate challenge: Recent trends in CO₂ emissions from fuel combustion, Energy Policy 35 (2007) pp5938-5952

[2] K. Döhmel, Future Mobility from a Fuels Perspective, 29. Internationales Wiener Motorensymposium 2008

[3] I. Emőd, , Z.Tölgyesi, , M. Zöldy: Alternatív Járműhajtások, Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, 2006

[4] B. Trencséni, Zs. Stukovszky: Alternatív tüzelőanyagok és hajtásrendszerek követelményei és értékelése üzleti modell alapján, A Jövő Járműve 2010 1-2. szám.

[5] N. Pézsa, B. Trencséni: Alternatív jármű tüzelőanyagok elterjedésének üzleti modellje, A Jövő Járműve 2009 1-2. szám.

 

 

 

 

 

Ajánló

Autótechnika

• A JÖVÕ MOBILITÁSA ELÕADÁSSOROZAT
• Suttogó fékbetétek: Akusztikai tesztek a fokozott fékezési
• VÁSÁRIDÕ

Szakkönyvek