Ekologia w transporcie drogowym w Europie

Transport, podobnie jak i inne strefy działalności człowieka, podlega ciągłym zmianom ze względu na nieustanny rozwój gospodarczy. Z początku skupiano się na ekonomicznych aspektach transportu. Najistotniejsze pytanie odnosiło się do możliwości jak najszybszego i najtańszego przemieszczania ładunku z miejsca A do miejsca B. Dzięki rewolucji przemysłowej XVIII-XIX wieku i rozwojowi technologicznemu pojawiły się w Europie i na świecie różne środki transportu, pozwalające przemieszczać się coraz szybciej i coraz dalej. Człowiek usprawnił sposoby poruszania się, przystosowując do przewozów najdoskonalsze źródła energii, rozbudowując infrastrukturę oraz adaptując miasta do stale powiększającego się ruchu przewozowego.

Autor artykułu: Łukasz Łukomski

Transport stał się dziedziną oferującą społeczności ludzkiej szeroki wachlarz usług pod względem ekonomicznym jak i społecznym. Sprawnie działająca, nowoczesna i zaspokajająca popyt infrastruktura stanowi o sile rozwijającej się gospodarki. Rozwój transportu wpływa na poprawę dostępności regionów i rynków pracy, zmniejsza uciążliwości spowodowane kongestią transportową, obniża koszty eksploatacji środków transportu i skraca czas podróży. Wszystko to przekłada się na korzyści ekonomiczne, konkurencyjność, wzrost produktywności przedsiębiorstw i regionów oraz korzyści społeczne. Transport jest zaangażowany we wszystkie role funkcjonowania gospodarki.

Negatywny wpływ transportu

Rozwój transportu drogowego w Europie jak i na całym świecie niesie za sobą również negatywne skutki, a w szczególności emisję zanieczyszczeń z silników spalinowych pojazdów drogowych do atmosfery, gleby i wody. Wzrost wydatków na inwestycje drogowe, rozrost oferowanych usług przewozowych i wzrastające natężenie ruchu, zagrażają środowisku naturalnemu. Przyczynia się on również do trwałego zniekształcenia krajobrazu oraz dewastacji roślinności. Ponadto negatywnie wpływają na zdrowie ludzi mieszkających w pobliżu głównych ciągów komunikacyjnych w regionach wysoko rozwiniętych. Zanieczyszczenia atmosfery, będące początkowo problemem lokalnym, przerodziły się w zagrożenie globalne, powodujące zmiany klimatyczne.

Na globalne zmiany klimatu wpływa między innymi wzrastające stężenie CO₂, N₂O, CH₄ i H₂S,  będące skutkiem spalania paliw kopalnych, wiąże się z tym „efekt cieplarniany”, prowadzący do wzrostu temperatury na świecie.

Polityka Unii Europejskiej

Polityka transportowa Unii Europejskiej próbuje od wielu lat poszukiwać narzędzi służących do zmniejszania negatywnych wpływów transportu na środowisko. Chodzi tu głównie o wypracowanie kompromisu pomiędzy priorytetami ekologicznymi, gospodarczymi i społecznymi. „ Białe księgi ” Unii Europejskiej zawierają wieloletnie plany działania, określające główne kierunki, szczegółowe cele i instrumenty oraz ogólne harmonogramy realizacji traktatowych ustaleń dotyczących sektora transportowego. W trzecim wydaniu „Białej  księgi” z  marca 2011 roku, za jeden z głównych celów polityki transportowej uznano promocje rozwoju technologicznego, co miało by skutkować dalszym ograniczeniem negatywnego wpływu transportu na środowisko.

Zaplanowano wiele zadań, których realizacja miałaby nastąpić  do 2050 r. Były to m.in.:

• ograniczenie przez transport emisji CO₂ o 60% w porównaniu z poziomem z 1990 r.,
• przeniesienie 50% przewozów wykonywanych przez transport drogowy na inne gałęzie
• wyeliminowanie z centrów miast samochodów o napędzie konwencjonalnym.

Aby powyższe cele osiągnąć konieczne będzie stosowanie innowacji technologicznych w konstruowaniu pojazdów transportowych.

W nawiązaniu do „Białej księgi”, Komisja Europejska opublikowała 24 stycznia 2013 r. inicjatywę dotyczącą czystej energii dla transportu. Zaprezentowano strategię, mającą w przyszłości uniezależnić transport europejski od paliw płynnych i zastąpić ich paliwami alternatywnymi, takimi jak np.: energia elektryczna i wodór. Podkreślono, że transport jest odpowiedzialny za emisję 25% CO₂, będąc w 94% uzależniony od paliw płynnych. Ponadto Energy Saving Trust podaje że udział procentowy samochodów w zanieczyszczeniu atmosfery stanowi ogółem 30%, a w dużych miastach nawet 70-90%. Koncepcje zrównoważonego rozwoju europejskiego rynku zakłóca bardzo duży udział transportu samochodowego, który to wywiera najbardziej szkodliwy wpływ na środowisko naturalne. By zachować w rozwoju rynku równowagę potrzebna jest interwencja w jego funkcjonowanie. Miałoby to polegać na przesunięciu części popytu z transportu drogowego na transport kolejowy, żeglugę morską i śródlądową. W tym przypadku unijna polityka transportowa opierałyby się m.in. na unowocześnianiu konstrukcji pojazdów ciężarowych i wprowadzaniu kolejnych norm Euro w zakresie czystości spalin.

Transport drogowy

Jednakże transport drogowy w kilku ważnych kwestiach góruje nad wszystkimi innymi gałęziami, m.in. w kwestii elastyczności, ogólnodostępności, indywidualności, dostawą door-to-door, najlepszą dostępnością przestrzenną, bardzo korzystną ofertą z punktu widzenia czasu przewozu i specjalistycznym taborem przystosowanym do przewozu ładunków o różnorodnej podatności. Te wszystkie zalety są niezwykle ważne dla przedsiębiorstw przewozowych, e-commerce (Allegro, Amazon, Empik, Zalando) i serwisów aukcji transportowych takich jak np.: Clicktrans.pl. W przypadku tych branży transport drogowy jest koniecznością. Jest on obecnie najszybszym i najbardziej niezawodnym sposobem przewozu wybieranym przez firmy, które działają w obrębie kraju bądź też importują/eksportują towar z państw na terenie Unii Europejskiej.

Wadą tej gałęzi transportu może być np.: zajmowanie dużej przestrzeni aglomeracyjnej, wysokie koszty utrzymania pojazdów, niebezpieczeństwo wypadków, degradacja środowiska i emisja kancerogennych związków do atmosfery. Nie należy również zapominać o emisji hałasu i wibracji przez pojazdy drogowe. Zagrożenie to niepokojąco rośnie, zwłaszcza w dużych miastach w pobliżu obwodnic oraz głównych ciągów komunikacyjnych w centrum. Hałas i drgania są generowane przez toczenie się kół i w głównej mierze przez silniki spalinowe pojazdów. Motoryzacja jest olbrzymim konsumentem energii i obecnie prawie całkowicie zależy od ropy naftowej. Walcząc z zanieczyszczeniem, potrzeba wielokierunkowych i skoordynowanych działań, polegających miedzy innymi na rozbudowaniu świadomości proekologicznej u pracowników transportu, eliminacji pustych przebiegów oraz opracowaniu rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, które pozwolą uchronić środowisko naturalne przed dewastacją.

Ekologiczne rozwiązania

Wodór jako paliwo

Jednym z takich rozwiązań konstrukcyjnych może być pojazd drogowy zasilany wodorem. Ten ekologiczny pierwiastek występujący na Ziemi w ilościach prawie nieskończonych (składnik wody), może zasilać pojazdy wyposażone w specjalną konstrukcje na dwa sposoby: jako paliwo, które ulega spalaniu w komorze silnika lub może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytworzenia energii elektrycznej napędzającej silnik elektryczny. Wodór jako paliwo alternatywne jest przyjazny środowisku i tworzony przez elektrolizę wodnych roztworów zasad i kwasów z gazu ziemnego oraz ropy naftowej. Energia w ogniwach wytwarza się podczas reakcji chemicznej przy udziale wodoru i tlenu. Jedyną emisja uboczną całego procesu jest woda oraz śladowe ilości NO_x, bez udziału dwutlenku węgla (CO₂). Zasięg jedynego seryjnie produkowanego pojazdu tego typu – Toyota Mirai, to około 550 kilometrów i koszt 57 tyś. dolarów w Stanach Zjednoczonych. Nie mniej jednak taka konstrukcja posiada istotne wady np.: duże koszty produkcji podzespołów, energochłonność pozyskiwania wodoru, skomplikowana technologia wytwarzania energii elektrycznej oraz niedogodności w codziennej eksploatacji. Największym wyzwaniem przed jakim stoi teraz technologia wodorowa to przede wszystkim brakująca infrastruktura stacji, które byśmy mogli odwiedzić w razie potrzeby bez obaw o znalezienie się w obszarze „poza zasięgiem’’. W grę nie wchodzi ładowanie baterii pojazdu z domowego gniazda, gdyż nie ma ich na pokładzie w porównaniu do samochodu elektrycznego.

Elektryczny samochód

Złotym środkiem pomiędzy skomplikowaną technologią a wygodą eksploatacji może być pojazd drogowy w pełni elektryczny (zero-emisyjny). Sytuacja na rynku motoryzacyjnym zaczyna powoli ulegać zmianie. Silniki spalinowe są obecnie tak dopracowane, że trudno ulepszyć w nich cokolwiek więcej, aby dokonać znaczącego wzrostu wydajności. Należy tutaj wspomnieć że większość nowoczesnych silników spalinowych pojazdów drogowych, wykorzystuje około 50% energii chemicznej paliwa (pozostałe 50% energii marnuje się tarcie i emisje ciepła), zaś silniki elektryczne posiadają sprawność na poziomie 90%. Obecnie paliwo dla samochodów spalinowych jest coraz droższe, więc coraz bardziej ekonomicznie uzasadnione staje się stosowanie samochodów elektrycznych. Energia elektryczna, potrzebna do ich zasilania, może być wytwarzana z dowolnych paliw kopalnych, biomasy, a także ze źródeł odnawialnych (np. energia wiatru). Natomiast silniki spalinowe potrzebują paliw ropopochodnych (benzyna, olej napędowy, LPG). Ponadto samochody spalinowe muszą radzić sobie z coraz ostrzejszymi normami związany z emisją spalin narzucanymi przez Unię Europejską.

Pojazdy elektryczne cechuje prostota konstrukcji. Indukcyjne silniki elektryczne są umieszczone między kołami pojazdu, w zależności od sposobu napędu (przód/tył/AWD). Ponadto posiadają one mniejszą masę niż spalinowe, łatwiej nimi sterować i monitorować ich pracę (nie wymagają tak wielu czujników). Pakiet akumulatorów jest ukryty w podłodze nadwozia i stanowi konstrukcje nośną, która nadaję dodatkowej sztywności pojazdowi. Nie ma tam elementów z tradycjonalnego zespołu napędowego takich jak silnik spalinowy, skrzynia biegów wchodząca w głąb kabiny i wał napędowy lecący przez całą długość pojazdu do tylnego mostu. Kluczowe znaczenie przy popularyzacji pojazdów elektrycznych ma rozwój technologiczny urządzeń do akumulacji energii elektrycznej – akumulatorów, w tym przypadku najbardziej popularnych litowo-jonowych.

W stałej ofercie światowych producentów samochodów od kilku lat znajduje się już przynajmniej jeden pojazd w pełni elektryczny lub hybrydowy. Przełom w technologii ekologicznych pojazdów zapowiedziała w 2008 roku Tesla Motors, prezentując swój pierwszy pojazd – Tesla Roadster, o zasięgu 350 kilometrów. Przedsiębiorstwo zostało założone przez  Elon’a Musk’a (PayPal, SpaceX), ze skromną ideą: „by kompletnie zmienić świat”. Cele jakie przyświecały mu przy jej tworzeniu to głównie zakończenie dominacji korporacji paliwowych na rynku energetyki i motoryzacji. Tesla produkuje elektryczne samochody przeznaczone na rynek masowy, oferując tym samym korzyści środowiskowe za cenę, którą ludzie będą w stanie zapłacić.

Szczególny rozkwit technologii samochodów elektrycznych zaczął się w 2012 r. w Stanach Zjednoczonych, kiedy to ruszyła produkcja Tesla Model S – pierwszego masowo produkowanego samochodu osobowego klasy wyższej-średniej przez koncern Tesla Motors. Prawdziwe szaleństwo na elektryczny samochód zaczęło się 31 marca 2016 r., kiedy to przedstawiony został Model 3 – sedan klasy średniej, który to miał trafić do szerszego grona odbiorców za cenę 35 tys. dolarów amerykańskich. Pojazd ten cechuje minimalny zasięg około 350 kilometrów, zdumiewający współczynnik oporu powietrza Cx =0,21 oraz lekka aluminiowa konstrukcja. Do 19 kwietnia, chęć zakupu wyraziło ponad 400 tys. ludzi, wpłacając depozyt w wysokości 1000 dolarów, pomimo że do tej pory nie jeździli nim nawet przedstawiciele prasy, a dostawy do klientów planowane są na późny 2017 rok.

Rys 1. Rozmieszczenie poszczególnych zespołów napędowych w samochodzie elektrycznym i wodorowym.

W górnej części sposoby dystrybucji energii do pojazdów.

Koncepcja samochodu dostawczego na przykładzie Volkswagen Transporter Furgon T4 z napędem elektrycznym.

 

Volkswagen Transporter jest jednym z najpopularniejszych samochodów dostawczych. Produkowany od 65 lat, sprzedał się w sumie 12 milionów sztuk egzemplarzy na całym świecie. Wraz z rozwojem gospodarczym, wzrosło również zapotrzebowanie na pojazdy dostawcze typy van. W moim założeniu pojazd ten będzie posiadał klasyczny układ elektryczny, czyli połączenie silnika indukcyjnego z akumulatorami wysokonapięciowymi. Główne zmiany względem modelem produkcyjnym:

• Silnik – produkcji Tesla Motors z modelu „S”. Będzie posiadał silnik elektryczny indukcyjny prądu przemiennego, trójfazowy, o mocy XX [kW], mieszczony w przedniej osi w miejsce montażu silnika spalinowego z modeli produkcyjnych, akie umiejscowienie, pozwoli zyskać dodatkową przestrzeń ładunkową w przedniej części pojazdu. W modelu z napędem na obie osie, druga jednostka napędowa jest umieszczona w tylnej osi).
• Akumulatory – litowo-jonowe o pojemności 85 [kWh], zawierające łącznie 7104 baterii w 16 modułach, ważąc przy 540 kg. Całkowity zasięg przy napędzie FWD to około 600 km, a przy AWD ponad 400 km, w zależności od wielu czynników, m.in.: sposobu prowadzenia, temperatury zewnętrznej i obciążenia przez ładunek.
• Pozostałe: Wbudowany zasilacz umożliwiający ładowanie prądem bezpośrednio z sieci, opcjonalne panele słoneczne umieszczone na dachu, odzysk energii z hamowania.

 

Specyfikacja pojazdu:

 

Vw Transporter T4
Moc [KM]/[kW]	259/193
Zasięg [km]	~600
Zużycie energii elek. [kWh/100km]	19
Przyspieszenie 0–100km/h [s]	Brak danych.
Długość [mm]	5290
Szerokość [mm]	1904
Rozstaw osi [mm]	3400
Pojemność ładunkowa [m3]	2459

Tabela 1.

 

Szkic koncepcyjny:

 

Rys 2. Schemat elementów elektrycznego zespołu napędowego pojazdu koncepcyjnego.

„Elektryki” posiadaj m.in.: zasięg wystarczający na dzienny przebieg w pracy, zachowują swoją założoną ładowność dzięki umiejscowieniu pakietu baterii w podłodze, są tanie w eksploatacji (koszt przejechania 100km wynosiłby 15zł), oraz nie uwalniają szkodliwych substancji do atmosfery. Powyższe rozwiązania konstrukcyjne udowadniają że możliwe jest stworzenie pojazdu łączącego ekologie i zalety samochodu napędzanego paliwem kopalnym. Wyzwaniem dla tego typu pojazdu było by zapewnienie możliwości szybkiego ładowania. W Polsce koło wrocławskiego odcinka autostrady A4 powstała dotychczas jedyna stacja szybkiego ładowania pojazdów Tesla, tzw: „Supercharger”, która potrafi „zatankować” akumulatory o zasięgu 400 kilometrów do 100% poniżej 80 minut.

Wszystkie zaprezentowane przykłady oraz przytoczone argumenty mówią jedno – świat zmienia się na naszych oczach, a wraz z nim podejście konsumentów i wielkich koncernów motoryzacyjnych do problemu degradacji środowiska. W najbliższych latach możemy spodziewać się znacznego pojawienia się pojazdów o napędzie niekonwencjonalnym na rynku i będzie to punkt zwrotny historii. Po rozbudowaniu infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych może okazać się, że staną się on najbardziej ekonomicznie uzasadnionym środkiem transportu i wyprą bezpowrotnie samochody spalinowe.

Bibliografia:

Literatura:

1. Jan Gronowicz, Ochrona środowiska w transporcie lądowym, Wydanie pierwsze, Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Poznań-Radom 2003, ISBN83-72-04-313-2.
2. Grażyna Jastrzębska, Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Wydanie drugie zmienione, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009, ISBN 978-83-204-3557-3.
3. Janusz Radziejowski, Grażyna Niesyto, Janusz Jeziorski, Integracja europejska a ochrona środowiska, Fundacja Rozwój SGGW, Warszawa 2012, ISBN 83-7274-046-1.
4. Roma Strulak-Wójcikiewicz, Modelowanie wpływu inwestycji w infrastrukturę transportu na środowisko naturalne, Wydawnictwo PPH ZAPOL, Szczecin 2014, ISBN 978-83-7518-6680.

Strony internetowe:

1. http://ec.europa.eu/transport/themes/strategies/2011_white_paper_en.htm
2. https://www.teslamotors.com/en_GB/models?redirect=no
3. https://www.teslamotors.com/en_GB/supercharger
4. http://samochodyelektryczne.org/kategorie/display_right1.htm
5. https://www.toyota.pl/new-cars/mirai/index.json