Toplu ulaşımda enerji verimliliği ve emisyon azaltımı
Ulaşım sektörü, dünyada verimsiz enerji tüketiminin en yaygın olduğu alanların başında geliyor. Ulaşım sektöründe tüketilen enerji, toplam tüketimin içinde % 20 gibi çok önemli bir oran tutarken, içten yanmalı motorların hâkimiyetindeki bu sektörde enerjinin verimli kullanıldığını söylemek ise imkansız.
Özellikle yoğun şehir trafiğinde çalışan minibüs, otobüs, kamyon gibi taşıtlar yüksek oranda CO2, NOx, CO, hidrokarbon ve diğer partiküllerle, sınırlı bir bölge içerisinde yoğun hava kirliliği yaratmaktadır. Ulaşım sektörünün enerji tüketimi ve emisyon artışlarına olumsuz etkileri şehirlerin kalabalıklaşmasıyla ve yoğunlaşan şehir trafiğiyle her geçen gün daha da artmaktadır. Dünya nüfusu arttıkça, şehirlerin nüfusu kırsal kesime göre bu artıştan daha çok etkileniyor. 2008 yılında dünyada şehirlerde yaşayan nüfus ilk defa dünya nüfusunun yarısından fazlasını oluşturdu ve bu tarihten itibaren de kentsel nüfusun kırsal nüfusa oranla daha hızlı artış göstermeye devam edeceği öngörülüyor. 2050 yılında ise bu oranın 70/30 şeklinde olması söz konusu. Türkiye’de ise şehir nüfusu ile kentsel nüfus şimdiden 70/30 oranlarında bulunuyor. Bu tablo, yüzölçümü olarak sadece dünyanın % 1’ini kaplayan şehirler için daha çok hava kirliliği ve daha yoğun enerji tüketimi anlamına geliyor.
Bu nedenle son birkaç yıldır hızlanan bir trendle tüm otomotiv endüstrisi rotasını hibrid veya elektrikli taşıt üretimine çevirdi. İçinde bulunduğumuz yıllar, 100 yılı aşkın tarihi olan otomotiv endüstrisinin topyekun yaşadığı bir devrime sahne olmaktadır.
Hibrid ve elektrikli taşıtlar genel olarak aşağıdaki 4 kategori altında incelenebilir:
HEV = Hybrid Electric Vehicle (Hibrid Elektrikli Taşıtlar): İki farklı enerji kaynağının bir arada kullanıldığı taşıtlar. (Örneğin dizel motor ile akü)
PHEV = Plug-In Hybrid Electric Vehicle (Şarjlı Hibrid Elektrikli Taşıtlar): Şebeke bağlantısı yapılarak şarj edilebilen hibrid elektrikli taşıtlar.
BEV (EV) = Battery-Electric Vehicle (Elektrikli Taşıtlar): Enerji kaynağı olarak sadece akü kullanan elektrikli taşıtlar. Bu taşıtlar harici bir kaynak tarafından şarj edilmelidir.
FCV = Fuel Cell Vehicle (Yakıt Hücreli Elektrikli Taşıtlar): Enerji kaynağı olarak yakıt hücresi kullanan elektrikli taşıtlar. Bu taşıtların bünyesindeki yakıt hücresi elektrik enerjisini hidrojenden üretmektedir.
Hibrid Elektrikli Taşıtlar
Hibrid taşıtlar, ulaşımda günümüzün en akılcı çözümlerinin başında geliyor. Hibrid taşıtlar, mevcut İçten Yanmalı Motorlu (İYM’li) taşıtların tüm avantajlarını korurken, kayıp enerjileri geri kazanabilmeleri nedeniyle ortalama % 30 - % 50 aralığında yakıt tasarrufu sağlayabiliyor. Hibrid taşıtlar, dizel veya CNG yakıtlı taşıtlara bir alternatif değil, onları tamamlayan bir teknoloji. Depoya konulan yakıt ne olursa olsun, yakıtın ısıya dönüşen veya yanmadan atılan kısmini geri kazanıp tekrar tekerleklere aktarmayı amaçlayan hibrid tahrik sistemi hem benzinli, hem dizel hem de CNG’li taşıtlarda kullanıma uygun. Hibrid taşıtların elektrik şebekesine bağlanarak şarj edilmesine gerek olmadığı için, menzil konusunda da aynı makineye sahip dizel ve CNG’li taşıtlardan daha uzun bir mesafe sağlıyor.
“Hibrid taşıtların tasarrufu nereden geliyor?” sorusunun birden fazla cevabı var. Birincisi ve en önemlisi frenleme enerjisi geri kazanımı. Elektrik motoruyla tahrik edilen hibrid taşıtlar, bir enerji depolama sistemine sahiptirler. Bu sistem genellikle Lityum bazlı akü grubu veya ultrakapasitör olur. İçten yanmalı motorlu (İYM’li) taşıtlarda fren yapıldığında, aracın hareket halindeyken sahip olduğu kinetik enerji, fren balatalarında ısınarak havaya karışır ve bu ciddi oranda bir kayıptır. Bir başka ifadeyle benzin veya dizel yakarak elde edilen enerjinin bir kısmı balataların ısınması için harcanmaktadır. Hibrid bir taşıtta ise elektrik motorlarının generatör olarak çalışmasıyla frenleme enerjisi ısıya dönüşmeden sisteme geri kazandırılır ve bir sonraki kullanım için depolanır.
Birkaç farklı hibrid taşıt konsepti olmasına rağmen, hepsinde ana prensip, frenleme enerjisini geri kazanmak ve İYM’yi ihtiyaç olmadığı zamanlarda devre dışı bırakmaktır.
Şarj edilebilen hibrid taşıtların, yukarıda sayılan tüm özelliklere ek olarak bir diğer avantajı da bu taşıtların ucuz şebeke enerjisini de yakıt olarak kullanabilmesidir.
Seri Hibrid mi, Paralel Hibrid mi?
Hibrid taşıt teknolojilerinde dünyada öne çıkan iki yapı tipi mevcut: Seri veya paralel hibrid sistemler.
Paralel Hibrid Sistemler, geleneksel içten yanmalı motorlu taşıtlarınkine benzeyen bir yapıdadır. Bunlarda İYM’yle şanzımanın arasına akuple edilen bir elektrik motor/generatörü bulunur. Aracın frenlemesi esnasında, frenleme enerjisi bu ünite tarafından geri kazanılır ve akülere / ultrakapsitörlere depolanır. Depolanmış enerji olduğu sürece taşıt elektrik motorunu aracın hareketi için de kullanabilir. Ancak elektrik motorunun boyutu, toplam tahrik gücünün en fazla % 15-20’si kadar olduğu için geri kazanım da bu oranda sınırlı kalacaktır. Bu yüzden sık dur-kalk yapan şehir içi trafiğinde yüksek oranda enerji tasarrufu yapamazlar.
Seri hibrid sistemlerde ise tahrik gücünün tamamı tekerleklere direk bağlı elektrik motorları tarafından sağlanır. İYM ise enerji üretimi amacıyla kullanılır. Bu sistemlerde frenleme enerjisinin büyük kısmı elektrik motoru/generatörü üzerinden geri kazanılabilir. Ayrıca İYM boyutu aracın tahrik gücünden tamamen bağımsızdır ve böylece daha büyük aküler ve sadece menzil arttırıcı olarak kullanılan daha küçük İYM’ler ile çok daha düşük emisyonlu taşıtlar üretmek mümkündür.
Günümüzde özellikle şehir dışında yüksek hızlarda uzun süreler çalışan kamyonlarda paralel sistem kullanılırken, şehir içi minibüs, otobüs ve kamyonlarda, çöp kamyonlarında, elektrikli otomobillerde, lastik tekerlekli vinçlerde ve deniz taşıtlarında daha çok seri hibrid sistem kullanılmaktadır.
Hibrid Şehir Otobüsleriyle Düşük Emisyon ve Yakıt Tasarrufu
Hibrid teknolojisi, özellikle şehir içi otobüslerde oldukça yaygın bir kullanıma sahip. Günün çok büyük bir kısmını yoğun şehir trafiğinde geçiren otobüsler, sık dur-kalk periyotları nedeniyle yüksek yakıt tüketim maliyetleriyle çalışıyorlar. Hibrid otobüs kullanımı, enerji verimliliği konusunda dünyada en aktif uygulamaların olduğu ABD’de oldukça yaygın. Otobüs taşımacılığının Türkiye gibi yaygın olduğu bir ülke olan ABD’de büyük şehirlerde kullanılan binlerce hibrid otobüs onlarca yıldır hizmet veriyor. Avrupa’da son dönemin önemli örneklerinden biri ise Londra. Dünyanın önemli metropollerinden olan Londra, şehir içi otobüs taşımacılığını sadece hibrid otobüslerle sağlama kararını yıllar önce verdi. Klasik kırmızı çift katlı Londra otobüslerinin hibrid yeni nesil modellerinden 8 adedi 2011 senesinde filoya katıldı. Bu yeni nesil çift katlı otobüsler hizmete alınmadan önce Millbrook test sürüş merkezinde test edildi ve 11.6mpg gibi etkileyici yakıt tüketim verisi elde edildi. Bu, normal hibrid bir otobüsün 8.6mpg değerine göre yaklaşık % 35, dizel otobüsün 5.8mpg değerine göre yaklaşık % 50 daha üstün.
Geçtiğimiz yıl Avrupa’da çeşitli markaların yüzlerce hibrid ve tam elektrikli otobüsünün satışı gerçekleştirildi ve önemli metropollerde kullanımına başlandı.
Elektrikli Taşıtlar
Şehir içinde çalışan minibüs, otobüs ve kamyonlar için günümüzde dizel yakıta alternatif olarak görülen doğalgazın yanında dikkate değer bir diğer seçenek de elektrik enerjisi. Elektrikle çalışan otobüsler, dizel olanlara kıyasla yaklaşık onda bir oranında olan yakıt maliyetiyle dikkat çekiyor, bunun yanında sessiz, titreşimsiz konforlu bir seyahat ve egzoz emisyonundan arındırılmış şehirler vaat ediyor.
Elektrikli toplu taşımada en yeni örneklerden biri olan Viyana şehri, son dönemde otobüs filosuna elektrikli taşıtlar katarak enerji maliyetlerini düşürme ve emisyon azaltımı konusunda önemli bir adım attı. Belediyenin toplu ulaşım kurumu Wiener Linien’in işletmesi altında ElectriCitybusse adı verilen elektrikli taşıt filosunun ilk aracı eylül ayında işletmeye alındı. Toplam 12 adet elektrikli otobüsün tamamı 2013 yazına kadar işletmeye girmiş olacak ve böylece şehir merkezindeki iki hatta sadece elektrikli otobüsler çalışacak. ElectriCitybusse otobüsleri İtalyan Rampini firması tarafından Siemens desteğiyle üretiliyor. Elektrikli otobüslerin aküleri geceleri elektrik enerjisinin en ekonomik olduğu zaman şarj ediliyor, ancak hattın başında ve sonunda 15 dakikalık hızlı şarjlar yapabilecek şarj sistemi de taşıtlara monte edilmiş durumda. Böylece daha düşük akü kapasitesi ile alım maliyetinin düşürülmesi amaçlanmış. Zamanla şehrin diğer hatlarında da kullanılmaya başlanması hedeflenen yeni otobüsler, tek şarjla 150 kilometre boyunca yol alabiliyor.
Neden Elektrikli Otobüsler?
Elektrikli otobüslerin düşük işletme maliyetinin birkaç sebebi var. Bunlardan en öne çıkanları;
•Enerji kaynağı olan şebeke elektriğinin birim fiyatının dizel ve CNG’ye oranla çok daha düşük olması,
•Otobüsün şehir içindeki seyri esnasında yaptığı her frende kayıp olan enerjiyi geri kazanıp depolaması,
•Otobüsün sıkışık trafikte veya yolcu indirme bindirme esnasında yaptığı duraklamalarda hiç enerji tüketmemesi.
Bunun dışında bir diğer önemli enerji tasarrufu noktası da yüksek motor ve sistem verimliliğinden kaynaklanmaktadır. Sıradan bir elektrik motoru, içten yanmalı bir motora göre çok daha verimli olsa da bu karşılaştırmayı adil yapmak için enerjiyi üretim noktasından tüketim noktasına kadar hesaplamak gerekir. Bir dizel veya benzinli motorun yakıttan-tekerleğe verimi motor, şanzıman ve aktarma organları çarpımıyla % 20’lerdeyken elektrikli bir aracın yakıttan-tekerleğe verimi, yenilenebilir enerji üretim tesisinde üretilen enerjinin iletilmesine, akünün şarj edilmesine, aküden de aracın elektrik motoru ve güç elektroniği üzerinden tekerlere kadar % 70’lerin üzerindedir.
Sonuç olarak dizel motorlu otobüsler 100 km’de ortalama 30-40 litre yakıt tüketirken, yukarıda sayılan özelliklerinden dolayı elektrik motorlu otobüslerin enerji maliyeti 100 km’de ortalama 5-6 litre dizel eşdeğeri olabilmektedir.
Çöp Kamyonu ve İş Makinesi Uygulamaları
İş makineleri ağır şartlar altında aşırı yüklenmelere maruz kalarak çalıştıkları için yüksek oranda yakıt tüketimi ve gürültü değerlerine sahiptirler, ayrıca bu aşırı yüklenmeler mekanik yıpranma, dolayısıyla bakım maliyetini de beraberinde getirir.
İş makinelerinde dizel motor, sadece aracın sevkini sağlamakla kalmaz, aynı zamanda aracın çeşitli fonksiyonları için gerekli tahrik gücünü de sağlar. Tabi ki bu motor her iki fonksiyon için de optimum bir çalışma sergileyemez. Bu optimizasyon, dişli kutuları, hidrolik pompalar gibi bakım gerektiren ve verim kaybettiren ara sistemlerle sağlanır. İş makinelerinin yapısı ve kullanım amacına göre birçok tipte hibrid veya elektrikli sistemlerle çeşitli faydalar sağlanabilir
Hibrid bir iş makinesinde ise dizel motordan elde edilen enerji direk veya elektrik enerji depoları (Lityum bazlı aküler veya ultrakapasitörler) üzerinden gerekli fonksiyonlara aktarılarak, aracın kimi zamanlar dizel motorunu tamamen kapatıp iş görebilmesi sağlanır. Bu uygulama bir taşıt tipi için enerji tasarrufu anlamına gelirken, bir diğeri için sessiz çalışma, emisyon azaltımı veya bir uygulama için bu avantajların tümü demektir.
Örneğin hibrid bir çöp kamyonunun hem tekerlek tahriki hem de üstyapı elemanları elektrik enerjisiyle beslenip, taşıt çöp toplarken tamamen elektrik enerjisiyle sessiz çalışması sağlanmıştır. Taşıt çöp boşaltma alanına şehir dışına çıktığında dizel makinesini tekrar devreye sokmaktadır. Bu sisteme sahip Amerika ve Avrupa’da yıllardır çalışan uygulamalar sessizlik ve emisyon azaltımı yanında yüksek oranda enerji tasarrufu sağlamaktadır.
Siemens ELFA Elektrik Tahrik Sistemleri
Siemens’in elektrikli tren, tramvay, troleybüs tahrik sistemlerinde 130 yılı aşkın geçmişi ve tecrübesiyle geliştirilen ELFA Elektrik Tahrik Sistemleri’nin ilk ticari otobüs uygulamaları 1990’lı yılların başında kullanılmaya başlandı ve ilk uygulamaların birçoğu bugün halen toplu ulaşımda çalışmakta. Bugüne kadar dünya çapında Amerika’dan İngiltere’ye, Çin’den Brezilya’ya onlarca ülkedeki otobüs üreticileri tarafından tercih edilen ELFA Elektrik Tahrik Sistemleri, 1990’lı yılların başında piyasaya sunuldu ve ilk uygulamalara MAN firmasıyla başlandı. Seri üretim uygulamalarına ise 1999’da Mercedes firması ile başlandı ve CITO modelinden 600 adedin üzerinde üretildi. Bugüne kadar da dünya çapında birçok farklı marka ve model taşıt üreticisiyle gerçekleştirilen 3000’in üzerindeki taşıtın birçoğu halen ticari olarak çalışmaktadır. ELFA Sisteminin başlıca özelliği modüllerden oluşması ve farklı uygulamaları mümkün kılması. Bu esneklik ile ELFA modülleri kullanarak hibrid taşıt, tam elektrikli taşıt, dizel-elektrik taşıt veya hidrojen yakıt hücreli taşıt üretmek mümkün. Kullanılacak içten yanmalı motor, yakıt hücresi, akü veya ultrakapasitör gibi ekipmanların tipi veya markası ne olursa olsun Siemens ELFA Sistemi hepsine adapte edilebiliyor.
Türkiye, otobüs üretimi anlamında bölgesinde tam bir merkez konumunda bulunuyor. Türkiye’de kendi markasıyla üretim yapan en az 5 büyük yerli üreticinin yanında Avrupa ve Uzakdoğu kökenli dünya markalarının da üretimleriyle yaklaşık 10 üretim tesisinden bahsedilebilir. Ulaşım tarafında ise, raylı ulaşımın yetersizliği, özellikle 50’li yıllardan sonra gerçekleşen hızlı ve plansız kentleşme ile şehir içi neredeyse tüm ulaşım otobüs ve minibüslerle gerçekleştiriliyor. Türkiye ulaşımda otobüs kullanımında 6 otobüs/1000 kişi oranıyla Rusya ve Çin’in ardından dünyada üçüncü sırada. Bu durumda, şehir içi ulaşımda yüksek oranda enerji kaybı olduğu ve bunun çok büyük bir kısmının akılcı çözümlerle kazanılabileceği ifade edilebilir.
- Bu yazı, “4. Ulusal Enerji Verimliliği Forumu ve Fuarı 2013”, “Bildiriler Kitabı”ndan alınmıştır.
