Σημαντικά στοιχεία από την μελέτη των εκπομπών ρύπων με την εξέλιξη της τεχνολογίας ανακαλύπτει κανείς διαβάζοντας την διπλωματική εργασία του Αλεξανδράκη Χρήστου από το τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης στο Πολυτεχνείο Κρήτης όπου εξετάζεται η συνεχόμενη και αυξανόμενη μόλυνση του περιβάλλοντος εξαιτίας των μηχανοκίνητων οχημάτων.
Στην εισαγωγή περιλαμβάνεται μια ανάλυση για τους ρύπους που εκπέμπουν τα οχήματα και το ποσοστό υπευθυνότητάς τους στη μόλυνση του περιβάλλοντος. Στη συνέχεια γίνεται μία ανάλυση των ρύπων των οχημάτων που χρησιμοποιούν βενζίνη, πετρέλαιο καθώς και των ηλεκτροκινητήρων και πραγματοποιείται μία σύγκριση των παραγόμενων ρύπων σε αυτούς τους κινητήρες.
Στη συνέχεια γίνεται μια εμβάθυνση στη μακροπρόθεσμη ρύπανση του περιβάλλοντος λόγω των μπαταριών (λόγω της ανακύκλωσής τους) όπου τίθεται και το ερώτημα αν τελικά η παραγωγή μπαταριών επιβαρύνει περισσότερο το περιβάλλον από ότι νομίζουμε.
Επίσης γίνεται και εκτίμηση μέσω ανάλυσης ολικού κόστους κύκλου ζωής της μπαταρίας καθώς και των παραγόμενων ρύπων. Τέλος πραγματοποιείται και μια αναφορά στην καύση υδρογόνου για την παραγωγή κίνησης, αν είναι εφικτό να εισαχθεί αυτή η εναλλακτική μορφή πηγής ενέργειας και τι δυσκολίες θα είχε.
Οι ρύποι στα ηλεκτροκίνητα
Η μεγάλη ζήτηση ορυκτών καυσίμων στις διεθνείς αγορές, σε συνδυασμό με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκαλούνται από τον αυξημένο αριθμό οχημάτων εσωτερικής καύσης, έχει οδηγήσει στην έρευνα και την ανάπτυξη μπαταριών που χρησιμοποιούνται για ηλεκτρικά οχήματα. Αυτά τα οχήματα αντιπροσωπεύουν μια εναλλακτική λύση για τις οδικές μεταφορές καθώς φαίνονται πολλά υποσχόμενα στο κομμάτι της μείωσης της ατμοσφαιρική ρύπανσης με τη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου καθώς επίσης και της ηχορύπανσης.
Δύο από τα φλέγοντα ζητήματα που απασχολούν την παγκόσμια κοινότητα είναι, η αντιμετώπιση της αυξανόμενης ζήτησης ενέργειας και η μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα. Τα ορυκτά καύσιμα ήταν μέχρι στιγμής η κύρια πηγή παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά αυτό φαίνεται να μην αποτελεί πλέον την καλύτερη επιλογή, όχι μόνο για οικονομικούς αλλά και για περιβαλλοντικούς και τεχνικούς λόγους. Οι μεταφορές αντιπροσωπεύουν αυτή τη στιγμή, περίπου το ένα τέταρτο της παγκόσμιας χρήσης ενέργειας και των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου με τα τρία τέταρτα αυτών να προέρχονται από τις οδικές μεταφορές. Σε αντίθεση με τα συμβατικά οχήματα τα οποία βασίζονται στην καύση ορυκτών καυσίμων, τα ηλεκτρικά οχήματα (EVs) χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια, και μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) για την αποθήκευση της. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα ηλεκτρικά οχήματα να μην έχουν άμεσες εκπομπές. Ωστόσο, υπάρχουν έμμεσες εκπομπές οι οποίες οφείλονται στην παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας, και αναλόγως με τις πηγές ενέργειας, αυτές μπορεί να είναι σημαντικές. Είναι εμφανές ότι τα ηλεκτρικά οχήματα τείνουν να μειώσουν τις εκπομπές των αερίων του θερμοκηπίου αλλά απαιτείται μια μελέτη του κύκλου ζωής τους ώστε να υπάρχει πλήρης γνώση επί του θέματος.
Με σκοπό να εκτιμηθούν οι εκπομπές των ρύπων κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων μελετήθηκαν η παραγωγή και η χρήση τεσσάρων κατηγοριών οχημάτων. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν αναφέρονται σε μοντέλα που έχουν παραχθεί από το 2010 και μετά.
Τα αποτελέσματα που συγκεντρώθηκαν, αφορούν δύο μικρά αυτοκίνητα (τμήμα Α), τέσσερα μεσαία αυτοκίνητα (τμήμα C), τέσσερα μεγάλα αυτοκίνητα (τμήμα D) και ένα πολυτελές αυτοκίνητο (τμήμα F). Ως διάρκεια ζωής έχουμε υποθέσει τα 12 χρόνια με ετήσια διανυόμενη απόσταση 15.000 km και συνολική διανυόμενη τα 180.000 km.
Από το παραπάνω διάγραμμα είναι κατανοητό ότι όσο μικρότερο είναι το ηλεκτρικό όχημα, έχει κατ΄επέκταση μικρότερη μπαταρία και παράγονται λιγότεροι ρύποι για την παραγωγή τόσο της μπαταρίας όσο και του οχήματος γενικότερα. Επίσης παρατηρούμε ότι το στάδιο παραγωγής των ηλεκτρικών οχημάτων είναι πιο επιβλαβές από αυτά των αντίστοιχων συμβατικών. Το μεγαλύτερο μέρος των ρύπων τόσο στα ηλεκτρικά όσο και στα συμβατικά προέρχεται από τη χρήση των οχημάτων. Αυτό μπορεί να γίνεται είτε άμεσα, με την καύση του καυσίμου στην περίπτωση των συμβατικών, είτε έμμεσα μέσω της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην περίπτωση των ηλεκτρικών.
Εκτιμάται ότι η φάση της χρήσης είναι υπεύθυνη για το 55%-65% των συνολικών εκπομπών του κύκλου ζωής. Όσο αφορά τη σύγκριση ίδιων κατηγοριών, τα ηλεκτρικά οχήματα είχαν 20%-27% χαμηλότερες εκπομπές ρύπων από τα αντίστοιχα συμβατικά. Η συμβολή της μπαταρίας κυμαίνεται μεταξύ 14%-23% των συνολικών εκπομπών σε ότι αφορά την επεξεργασία του τέλους του κύκλου ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων και 13%-22% στο συνολικό αντίκτυπο του κύκλου ζωής.
Οι εκπομπές του κύκλου ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων επηρεάζονται σημαντικά από τον τρόπο με τον οποίο παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη φόρτισή τους.
Η φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων με ηλεκτρική ενέργεια, η οποία προέρχεται από την καύση άνθρακα κάνει τα ηλεκτρικά οχήματα να έχουν 12%-31% υψηλότερες εκπομπές ρύπων, σε σχέση με τα αντίστοιχα συμβατικά. Σε αντίθεση με τον άνθρακα, τα ηλεκτρικά οχήματα των οποίων η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από φυσικό αέριο έχουν 12%-21% χαμηλότερες εκπομπές στον κύκλο ζωής τους από τα αντίστοιχα συμβατικά.
Σε σύγκριση με τα συμβατικά οχήματα οι εκπομπές του κύκλου ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων των οποίων η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από αιολική ενέργεια είναι 66%-70% χαμηλότερη.
Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι αποτελεί καθοριστικό παράγοντα στις εκπομπές ρύπων των ηλεκτρικών οχημάτων, κυρίως κατά τη διάρκειά της χρήσης τους ο τρόπος ή και το καύσιμο με το οποίο παράγεται η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση της μπαταρίας των συγκεκριμένων οχημάτων.
Ανάλυση κόστους κύκλου ζωής των μπαταριών
Έχει παρατηρηθεί ραγδαία μείωση σ΄ ότι αφορά το κόστος των μπαταριών στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Το 2008 η τιμή της κιλοβατώρας ήταν 1.000 δολάρια ενώ το 2012 η τιμή της είχε πέσει στα 485 δολάρια για τους κορυφαίους κατασκευαστές. Αντλώντας πληροφορίες από διάφορους κατασκευαστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων, είχε υπολογιστεί ότι το μέσο κόστος ανά κιλοβατώρα το 2014 είχε φτάσει τα 300 δολάρια για τους κορυφαίους κατασκευαστές, γεγονός το οποίο προωθούσε την αγορά και τη χρήση ηλεκτρικών οχημάτων. Παρόλα αυτά υπάρχουν ενδείξεις αύξησης αυτής της τιμής καθώς οι προμήθειες λιθίου και άλλων πρώτων υλών δε μπορούν να συμβαδίσουν με την αυξανόμενη ζήτηση.
Σύμφωνα με το Bloomberg NEF, οι παγκόσμιες πωλήσεις ηλεκτρικών αυτοκινήτων εκτιμάται ότι έφτασαν τα 5,6 εκατομμύρια οχήματα το 2021 από 3,1 εκατομμύρια το 2020, χάρη στις ραγδαίες πωλήσεις στην Κίνα. Περαιτέρω αύξηση της ζήτησης το 2022 θα σημαίνει έλλειμμα λιθίου φέτος, καθώς η χρήση του υλικού ξεπερνά την παραγωγή και εξαντλεί τα αποθέματα, σύμφωνα με έκθεση του Δεκεμβρίου από την S&P Global. Οι τιμές των μπαταριών ποικίλουν ανάλογα με το μέγεθος και τη χωρητικότητά τους. Οι μεγαλύτερης χωρητικότητας μπαταρίες κοστίζουν περισσότερο, αλλά προσφέρουν μεγαλύτερη αυτονομία. Ένα μίνι ηλεκτρικό αυτοκίνητο αποτελείται από μπαταρία χωρητικότητας περίπου 17 kWh, η οποία προσφέρει αυτονομία 133 km, ενώ αντίστοιχα ένα μεγάλο ηλεκτρικό αυτοκίνητο αποτελείται από μπαταρία 60 kWh, με αυτονομία 317 km. Η Tesla Motors έχει κατασκευάσει ακόμα μεγαλύτερες μπαταρίες με χωρητικότητα 75, 90 ακόμα και 100 kWh, αυξάνοντας έτσι ακόμα περισσότερο την αυτονομία.
Το κόστος κατασκευής ενός ηλεκτρικού οχήματος διαφέρει από ένα αντίστοιχο όχημα με μηχανή εσωτερικής καύσης. Το κόστος της μπαταρίας καταλαμβάνει μεγάλο μέρος του συνολικού κόστους του οχήματος, καθώς αυτό μπορεί να φτάσει μέχρι και το ένα τρίτο του συνολικού κόστους.
Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο με μπαταρία 50 kWh είναι εμφανές ότι το 2020 είναι αρκετά πιο ακριβό από το αντίστοιχο συμβατικό, αλλά μέχρι το 2030 η πτώση των τιμών των μπαταριών οδηγεί σε μία διαφορά της τάξης μόλις του 9%. Ένα ηλεκτρικό όχημα με αυτονομία 200 km μπορεί να διανύσει μία συνολική απόσταση 200.000 km, πριν το τέλος της ζωής της μπαταρίας του. Αυτό μπορεί να υπολογιστεί κατά προσέγγιση πριν το όχημα διανύσει τα χιλιόμετρα αυτά, από τον αριθμό κύκλων της μπαταρίας. Αυτός ο αριθμός αναφέρεται στο μέγιστο αριθμό φορτίσεων που μπορεί να αντέξει η μπαταρία προτού η δύναμή της πέσει στο 80%.
Μπαταρίες ιόντων λιθίου
Πρόκειται για τις πλέον διαδεδομένες μπαταρίες, οι οποίες κυριαρχούν στην αγορά των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Σε σύγκριση με άλλες μπαταρίες, χαρακτηρίζονται από υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, υψηλή πυκνότητα ισχύος, μεγάλη διάρκεια ζωής καθώς επίσης είναι και φιλικές προς το περιβάλλον. Εκτός από τα ηλεκτρικά οχήματα χρησιμοποιούνται επίσης, στα κινητά μας τηλέφωνα, στους φορητούς υπολογιστές καθώς επίσης και στην αποθήκευση δικτύου. Οι μπαταρίες αυτές λειτουργούν εντός κάποιων συγκεκριμένων ορίων όσο αφορά τα επίπεδα θερμοκρασίας, το ρυθμό φόρτισης και της τάσης. Η υπέρβαση αυτών των ορίων μπορεί να οδηγήσει σε ταχεία εξασθένηση της απόδοσης της μπαταρίας καθώς ακόμη και σε προβλήματα ασφάλειας.
Η αποθηκευτική τους ικανότητα έχει αυξηθεί 3,4 φορές σε σχέση με πριν. Το 1991 μία μπαταρία μπορούσε να λάβει 200 Wh ανά λίτρο μπαταρίας, ενώ σήμερα μπορεί να λάβει έως και 700 Wh. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι μπαταρίες να γίνονται πιο μικρές και κατ΄επέκταση πιο ελαφριές, καθιστώντας τις έτσι πιο συμβατές και ταυτόχρονα πιο οικονομικές για τις μεταφορές εξαιτίας του λιγότερου βάρους που θα υπάρχει στο όχημα.
Το υδρογόνο ως ένα εναλλακτικό καύσιμο για τη μετάδοση κίνησης
Το υδρογόνο έχει προσελκύσει τα τελευταία χρόνια μεγάλη προσοχή ως προτιμώμενος φορέας ενέργειας, εξαιτίας κάποιων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων από τα οποία διέπεται. Είναι ένα ελαφρύ, άοσμο, άχρωμο, μη τοξικό αέριο και αποτελεί το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Έχει επίσης ενεργειακή απόδοση της τάξης του 120 MJ/kg, η οποία είναι περίπου 2,75 φορές υψηλότερη σε σχέση με τα καύσιμα των υδρογονανθράκων. Το υδρογόνο έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει περίπου 2,6 φορές περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μάζας απ΄ ότι η βενζίνη, αλλά εξαιτίας της χαμηλής του ογκομετρικής πυκνότητας, καταλαμβάνει περίπου 4 φορές περισσότερο όγκο από τη βενζίνη για να αποθηκεύσει την ίδια ενέργεια.
Το φυσικό αέριο αποτελεί την κύρια πηγή παραγωγής υδρογόνου με ποσοστό 48% του συνολικού μεριδίου, ενώ ακολουθεί το πετρέλαιο με 30%, ο άνθρακας με 18% και η ηλεκτρόλυση με μόλις 4%. Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου, όπως η πυρηνική ενέργεια για παράδειγμα, η οποία δε χρησιμοποιεί καθόλου άνθρακα. Παρόλα αυτά, χρειάζεται να γίνει εξόρυξη και επεξεργασία ουρανίου, γεγονός που γεννάει σοβαρές περιβαλλοντικές και υγειονομικές ανησυχίες, καθιστώντας αυτή τη μέθοδο έτσι ως μη προτιμητέα.
Ο τομέας των μεταφορών αποτελεί ένα από τους βασικότερους παράγοντες εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2), οι οποίες προέρχονται από την καύση ορυκτών καυσίμων.
Η παγκόσμια κλιματική αλλαγή λόγω των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα (CO2) αποτελεί ένα περιβαλλοντικό πρόβλημα ύψιστης σημασίας, το οποίο έχει κληθεί ο άνθρωπος να φέρει εις πέρας. Τα οχήματα τα οποία κινούνται με υδρογόνο χαρακτηρίζονται από μηδενικές εκπομπές κατά τη διάρκεια της χρήσης, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση ή ακόμα και στην εξάλειψη των εκπομπών CO2 καθώς και άλλων αερίων του θερμοκηπίου τα οποία προέρχονται από τις οδικές μεταφορές. Όσο αφορά το κόστος, το συμβατικό παραγόμενο αέριο υδρογόνο είναι περίπου 2 φορές πιο ακριβό από το φυσικό αέριο και το πετρέλαιο και περίπου 3 φορές πιο ακριβό από τον άνθρακα.
Ένας κινητήρας ο οποίος χρησιμοποιεί υδρογόνο ως καύσιμο, χρησιμοποιεί κυψέλες καυσίμου. Εντός του κινητήρα πραγματοποιείται οξείδωση του υδρογόνου και το αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης είναι η απελευθέρωση ηλεκτρικής ενέργειας, υδρατμών και αζώτου. Σε γενικότερες γραμμές τα οχήματα που χρησιμοποιούν υδρογόνο χαρακτηρίζονται τόσα από μειονεκτήματα όσο και από πλεονεκτήματα. Όσο αφορά τα πλεονεκτήματα, οι κινητήρες καυσίμου υδρογόνου είναι φιλικοί προς το περιβάλλον και ως προς τις εκπομπές και ως προς το θέμα ηχορύπανσης καθώς χαρακτηρίζονται από αθόρυβη λειτουργία κινητήρα. Για την ανάφλεξη του υδρογόνου, αυτό πρέπει να βρίσκεται σε αέρια κατάσταση πράγμα το οποίο δεν είναι τόσο πρακτικό. Επίσης το υδρογόνο είναι πολύ εύφλεκτο, γεγονός το οποίο καθιστά αρκετά δύσκολη τη μεταφορά του και κατ΄ επέκταση την αποθήκευσή του. Τέλος, εξαιτίας της εύκολης ανάφλεξής του, ένα ατύχημα με ένα όχημα το οποίο χρησιμοποιεί υδρογόνο ως καύσιμο θα δημιουργούσε μία μεγάλη έκρηξη γεγονός το οποίο θα έθετε σε κίνδυνο αρκετές ζωές. Το υδρογόνο είναι μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική μορφή καυσίμου για τη μετάδοση κίνησης η οποία συνοδεύεται από πλεονεκτήματα καθώς και μειονεκτήματα. Η εξέλιξη και η πρόοδος της τεχνολογίας μένει να δείξει αν το υδρογόνο θα συμβάλει στην επίτευξη των «πράσινων» μεταφορών…
ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ:
