Προσομοίωση ενεργειακής συμπεριφοράς ηλεκτροκίνητων οχημάτων και επιπτώσεις στο περιβάλλον

Abstract

This Doctoral Thesis deals with the energy behavior of electric vehicles during on-road use and explores their overall environmental impact. The investigation of Thesis objects initiates from the fact that electric vehicles have beneficial effects on the urban environment, as they relieve it due to non-direct emissions during operation. However, taking into account the primary emissions from electricity production and car manufacturing, there is the necessity to analyze the total environmental footprint of vehicles in their complete life cycle (Life Cycle Analysis - LCA). The Thesis focuses on the systematic evaluation of the effect of traffic conditions on the electric vehicles’ energy consumption. It studies the various road environments, focuses on conditions such as traffic congestion and free flow, but also approaches the relative effect of certain traffic measures. The first part of the Thesis includes a study of the energy consumption of battery electric vehicles and internal combustion engine vehicles (Petrol, Diesel) (for comparison purposes), over 100 driving cycles, and identified the effects of a range of traffic conditions on the energy consumption of engines. The energy consumption estimates performed are suitable for generalizing the energy efficiency of vehicles at the macroscopic level of traffic, since they use the average speed as an explanatory variable, based on several standardized driving cycles. The model used was developed in the AMESIM simulation platform and belongs to the category of instantaneous, power-based models. The case of battery electric buses was then examined. It was studied how traffic conditions affect the energy efficiency of these buses and a function was developed that estimates their energy consumption using mesoscopic traffic variables. The mentioned function is defined between macroscopic and microscopic approaches already applied in the field of transportation, responding to the need for accuracy in estimations and simplicity of use. To develop this function, a detailed kinematic analysis was first performed over several driving cycles to understand the potential that different traffic variables have in expressing the consumption of electric buses. The results showed that the best statistical measures appear for a relationship linking consumption with variables related to the number and duration of stops. Τhe model was applied to evaluate traffic conditions in real cities (Athens, Hong Kong). The Thesis then dealt with the evaluation of the overall traffic-related footprint of electric vehicles (i.e. emphasizing the influence of traffic) and proposed a new method for performing these environmental assessments on traffic flows. The method, taking advantage of its special characteristics, quantified the emissions from a specific road network, taking into account the exact traffic situation, in terms of conditions and the number of vehicles on the network. The importance of different traffic conditions in the life-cycle effects of fleets is thus addressed in a larger dimension than in standard LCAs. For the purpose of the work (which concerns the identification of the environmental footprint of entire traffic flows) a case study was carried out for two typical European cities (Zurich and Thessaloniki), in part of their urban network.

H παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται το ζήτημα της ενεργειακής συμπεριφοράς των ηλεκτρικών οχημάτων κατά τη χρήση τους, και διερευνά τις συνολικές περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις. Η διερεύνηση του αντικειμένου της Διατριβής ξεκινά από το δεδομένο ότι τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν ευεργετικά αποτελέσματα στο αστικό περιβάλλον, καθώς το ανακουφίζουν, λόγω της μη άμεσης εκπομπής ρύπων. Λαμβάνοντας όμως υπόψη τις πρωτογενείς εκπομπές από την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας και την κατασκευή των οχημάτων προκύπτει η ανάγκη της ανάλυσης του συνολικού περιβαλλοντικού αποτυπώματος των οχημάτων στον κύκλο ζωής τους (Ανάλυση Κύκλου Ζωής - ΑΚΖ). Η Διατριβή δίνει βάρος στη συστηματική αξιολόγηση της επίδρασης που έχουν οι κυκλοφοριακές συνθήκες στην κατανάλωση ενέργειας των ηλεκτρικών οχημάτων. Μελετά τα διάφορα οδικά περιβάλλοντα, εστιάζει σε συνθήκες όπως η κυκλοφοριακή συμφόρηση και η ελεύθερη ροή, προσεγγίζει όμως και τη σχετική επίδραση ορισμένων κυκλοφοριακών μέτρων. Μελετήθηκε κατά πρώτον η κατανάλωση ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία και οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης (συμβατικών: Βενζίνη, Ντίζελ), σε περισσότερους από 100 κύκλους οδήγησης και εντοπίσθηκαν οι επιπτώσεις μιας σειράς κυκλοφοριακών συνθηκών στην κατανάλωση ενέργειας των κινητήρων. Οι εκτιμήσεις της κατανάλωσης ενέργειας που πραγματοποιήθηκαν είναι κατάλληλες για τη γενίκευση της ενεργειακής απόδοσης των οχημάτων στο μακροσκοπικό επίπεδο της κυκλοφορίας, δεδομένου ότι χρησιμοποιούν τη μέση ταχύτητα ως επεξηγηματική μεταβλητή, στη βάση πολλών τυποποιημένων κύκλων οδήγησης. Το μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε αναπτύχθηκε στην πλατφόρμα προσομοίωσης AMESIM και ανήκει στην κατηγορία των στιγμιαίων, με βάση την ισχύ, προτύπων. Εξετάσθηκε, στη συνέχεια, η περίπτωση των ηλεκτρικών λεωφορείων με μπαταρία. Μελετήθηκε πώς οι συνθήκες κυκλοφορίας επηρεάζουν την ενεργειακή απόδοση των λεωφορείων αυτών και αναπτύχθηκε μια συνάρτηση που εκτιμά την κατανάλωση της ενέργειάς τους χρησιμοποιώντας μεσοσκοπικές μεταβλητές κυκλοφορίας. Η εν λόγω συνάρτηση προσδιορίζεται μεταξύ μακροσκοπικών και μικροσκοπικών προσεγγίσεων που έχουν ήδη εφαρμοσθεί στον τομέα των μεταφορών, καλύπτοντας την ανάγκη για ακρίβεια στις εκτιμήσεις και απλότητα στη χρήση. Για την ανάπτυξη αυτής της συνάρτησης, διεξήχθη αρχικά μια λεπτομερής κινηματική ανάλυση σε πολλούς κύκλους οδήγησης για να κατανοηθεί η δυνατότητα που έχουν διαφορετικές μεταβλητές κυκλοφορίας στην έκφραση της κατανάλωσης των ηλεκτρικών λεωφορείων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι καλύτερες στατιστικές μετρήσεις εμφανίζονται για μια σχέση που συνδέει την κατανάλωση με μεταβλητές που σχετίζονται με τον αριθμό και τη διάρκεια των στάσεων. To μοντέλo εφαρμόστηκε για την αξιολόγηση των κυκλοφοριακών συνθηκών σε πραγματικές πόλεις (Αθήνα, Χονγκ-Κονγκ). Η Διατριβή πραγματεύτηκε κατόπιν την αξιολόγηση του συνολικού αποτυπώματος των ηλεκτρικών οχημάτων που σχετίζεται με την κυκλοφορία των στόλων των οχημάτων (δίνοντας δηλαδή έμφαση στην επιρροή της κυκλοφορίας), προτείνοντας μια νέα μέθοδο για την πραγματοποίηση αυτών των περιβαλλοντικών αξιολογήσεων σε κυκλοφοριακές ροές. Η μέθοδος ποσοτικοποιεί τις εκπομπές από ένα συγκεκριμένο οδικό δίκτυο, λαμβάνοντας υπόψη την ακριβή κατάσταση της κυκλοφορίας, ως προς τις συνθήκες και τον αριθμό των οχημάτων. Η σημασία των διαφόρων συνθηκών κυκλοφορίας στις επιπτώσεις του κύκλου ζωής των στόλων αντιμετωπίζεται έτσι σε μεγαλύτερη διάσταση, απ’ ό,τι στις τυπικές ΑΚΖ. Για το σκοπό της εργασίας (που αφορά την αναγνώριση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος ολόκληρων κυκλοφοριακών ροών,) πραγματοποιήθηκε μελέτη περίπτωσης για δύο τυπικές ευρωπαϊκές πόλεις (Ζυρίχη και Θεσσαλονίκη), σε μέρος του αστικού τους δικτύου.