ŞEHİR İÇİ TOPLU TAŞIMA ARAÇLARININ ELEKTRİKLENDİRİLMESİ PLANLAMASI Levent AKSOY, Yavuz GÜNALAY, Burak KÜÇÜK, Gülnihal AKAN, Samet GÜRSEV Toplu taşıma otobüs hatlarının elektriklendirilmeye uygunluğunun araştırılması ve seçimi.
Elektrikli Taşıt Tanımları Şarjlı pillerde saklı kimyasal enerjiyi kullanarak elektrik motorlarıyla hareket edenlere Battery Electric Vehicle (BEV ) yani Pilli Elektrikli Taşıt, Elektrik motorlarının yanı sıra içten yanmalı motorları (ICE) olan araçlara hibrid denir. ICE motorlarında veya yakıt hücrelerinde hidrojen kullananlara Hidrojenli Araç (HV) denir. Herhangi bir elektrik kaynağından çalışan araçlara elektrikli araç denir (EV).
BEV Tarihçe 1840 Yılından önce de elektrikli otomobiller mevcuttu. 1900 Yılından önce 100 km/sa lik hız rekorunu bir elektrikli araç kırmıştır. 20. Yy başında elektrikli araçların satışı bir süre içten yanmalıları geçmiştir. 1930 den sonra tamamen kaybolmuşlardır. Transistörün icadıyla yeniden canlanmıştır.
BEV Teknolojisi BEV ı oluşturan parçalar içerisinde: Elektrik motorları yüzyıldan fazla süredir yaygın olarak kullanılmaktadır. Kontrol sistemleri transistörün icadından sonra çok gelişmiştir. Enerjiyi saklayan piller ise bilgisayarlar, cep telefonları vb. taşınır cihazlar sayesinde son 20 yılda ilerleme kaydetmiştir.
BEV Teknolojisi 2
Teknik Yapı Elektrikli araçların 3 temel bölümü vardır: a) Hareket sistemi; b) Elektrik (enerji) üretimi; c) Kontrol ünitesi. Hareket sistemi elektrik motoru ve aksamından oluşur. Motorun yerleşim sistemi ve cinsi farklılıklar gösterir. Elektrik araçta üretilir (hibrid) veya pillerde saklanır. Kontrol ünitesi güç elektroniği parçalarından ve gömülü (embedded) yazılımdan oluşur. Elektrik üretimi ve motor birbirlerinden bağımsız parçalardır.
Hibrid Sistemler Hibrid teknolojiler pil ömürlerinin yetersizliği ve maliyetlerinin yüksekliği nedeniyle ve günümüz akaryakıt sistemlerine uyum sağlaması için yaklaşık 20 yıl önce ortaya atılmıştır. Paralel hibrid sistemlerde elektrik ve içten yanmalı motorlar karmaşık mekanik sistemlerle birbirlerine bağlanmıştır. Seri hibrid sistemlerde içten yanmalı motorlar bir jeneratörü çalıştırır, jeneratörün ürettiği elektrik motorlara güç verir. Her iki tip hibrid sistem ekstra parçalar sebebiyle maliyetlidir ve daha çok bakım gerektirir.
Saf Elektrikli Araçlar Saf elektrikli araçlar enerjilerini taşıdıkları pillerden alırlar. Piller içten yanmalı araçların yakıt depolarına karşılık gelir. Pil sayısı toplam enerji ihtiyacına ve çekilecek güce (anlık) bağlıdır. Piller oldukça maliyetlidir. Elektrikli araçların tasarlanmasında en kritik karar pillerin cinsinin ve sayısının belirlenmesidir.
BEV - ICE Karşılaştırması BEV ler daha az sayıda mekanik parçadan oluşurlar; daha güvenilirdirler ve daha az bakım gerektirirler. Elektrik motorları aynı güçteki içten yanmalı motorlardan daha yüksek tork üretirler. Elektrik motorları çok daha verimlidir. Kimyasal enerjiyi saklamak ve aktarmak açısından benzin pompası (5000 KW) ve deposu (1000 MJ) açık ara liderdir. Her iki teknoloji de (EV ve ICE) yaygın olarak kullanılmaktadır.
Diğer Elektrikli Taşıtlar
İlk Üretim BEV ler Toyota RAV 4 Motor: 50 KW (115 KW 2. nesil) Pil: 27 KWh ( 42 KWh 2. nesil) Menzil: 130 160 km Nissan Altra EV Motor: 62 KW Menzil:190 km GM EV 1 Motor: 100 KW / Pil 26 KWh Menzil: 160 220 km
Mevcut Üretim BEV ler Renault Fluence ZE Motor: 70 KW / Pil: 22 KWh Menzil: 185 km Renault Zoe Motor: 65 KW / Pil: 22 KWh Menzil: 100 210 km Tesla Model S Motor: 225 310 KW / Pil: 65 85 KWh Menzil: 335 425 km
BEV de Son Nokta İki kişilik Tesla Roadster ın 400 km menzili vardır ve 0-100 km/sa hızlanması 4 sn dir. Satış fiyatı: 100,000 USD Eliica saatte 370 km hız yapabilmektedir. Maliyeti 300,000 USD
Ağır Elektrikli Taşıtlar Elektrikli Otobüs Çin, Japonya, G. Kore, İtalya, İspanya, Finlandiya ve Kanada da muhtelif elektrikli otobüs uygulamaları mevcuttur. Bunların yanı sıra troleybüsler hala kullanılmaktadır. Elektrikli Kamyon Muhtelif büyüklükteki elektrikli kamyonlar üretilmiştir. 3,5 Tondan 250 ton kapasiteye kadar elektrikli veya hibrid kamyon mevcuttur. Düşük hızlı (20 km/h) ancak yüksek kapasiteli (30 t) çekiciler de düşük enerji tüketimlerleri (1,2 KWh/km) sebebiyle kullanılmaktadır.
Gerekçe 1 Taşıtlarda elektrikli motorların kullanılması verimi artırmaktadır. Mevcut otomobil motorlarının tam kapasite ile çalışma durumundaki verimi %45 in altındadır. Kuyudan tekerleğe (Well-to-wheel) verimlilik çok daha düşüktür. Fosil yakıtla çalışan gaz türbini ile üretilen elektriğin hareketlendirdiği otomobillerin verimi %45 in üzerindedir. Bu karşılaştırmaya düşük verimli devirlerde kullanım, fren kayıpları ve boşa çalışmalar dahil edilmemiştir.
Gerekçe 2 Kullanılan enerji yenilenir kaynaklardan elde edilir. Hidroelektrik, güneş, rüzgar, dalga gibi kaynaklardan elektrik üretimi teknolojik olarak mümkündür. Uranyumlu nükleer fizyon enerjisinin bugün için atık sorunu mevcuttur. Bu sorun Toryum fizyonu ile aşılabilir. Bu yüzyılın ikinci yarısından itibaren nükleer füzyon un da kullanılmasıyla fosil yakıtlar tamamen terkedilecektir. Hidrojen Yakıt Hücresi teknolojisi ile uyumludur.
Elektrikli Araçlarda Verim Elektrik motoru daha verimli olmasının yanı sıra ek tasarruf sağlar. Yavaşlamada enerji geri alınır (rejeneratif). Düşük devirlerde içten yanmalı motorların verimi daha da düşerken, elektrik motorlarınınki aynıdır. Tıkalı trafikte rölanti kayıpları yoktur. Yan sistemler için ayrıca elektrik üretimine gerek yoktur. Ağırlıkları daha azdır. Torkun yüksek olmasından dolayı, düşük güçte daha yüksek çekiş sağlar.
Hibrid Otomobiller Hibrid otomobiller bahsi geçen verim artışlarını kısmen sağlarlar. Yapıları karmaşıktır ve daha ağırdırlar. Pillerin yetersiz oluşlarından dolayı ara çözüm olarak sunulmuşlardır. Hibrid in hemen arkasından plug-in hibrid cihazlar tasarlanmıştır. Bunların elektrikli menzilleri 100 km civarındadır.
Neden Elektriğe Geçilmiyor Pil teknolojisi yetersiz. Şarj süreleri çok uzun. Benzin almak 5 dk iken otomobili şarj etmek saatler sürebiliyor. Menzil çok kısa. Bir depo yakıt ile en az 500 km yol alırken, bir şarj ile 150-200 km yol gidilebiliyor. Piller pahalı. Piller otomobillerin maliyetine en az 10,000 dolar daha eklemektedirler (500 USD/KWh). Isınma, yanma, bozulma sorunları vardır. Özellikle Li-ion piller ısındıklarında kendilerinden yanabiliyor veya patlayabiliyor.
Neden Elektrik Araç? Neden elektrikli araç yerine ne zaman elektrikli araç sorusunu sormak daha doğru bir yaklaşımdır. Elektrikli araçlarda çözülmesi gereken tek sorun elektrik saklama yönteminin iyileştirilmesidir. Pillerin iyileştirilmesi halinde elektrikli araçlar hemen yaygınlaşacaktır.
Neden Bugün Geçmiyoruz? Teknolojik ilerleme üstel fonksiyoları takip eder (a x ). Uzun bir süre yatay gider, sonradan hızla yükselir. Pil üzerine yapılan çalışmalar yıllardır devam ediyor. Şu an dönüm noktasındayız. Pil teknolojisinin hızla ilerleyecektir. Bugün belki maliyetlidir, ancak önümüzdeki birkaç yıl içerisinde ekonomik hale gelecektir.
Yakıt Hücresi / Yakıt Pilleri Oldukça verimsizdirler. LPG den elektrik üretmek yerine motorda yakmak çok daha verimlidir. Hidrolizle elektrik kullanarak hidrojen üretmek ve bunu tekrardan yakıt pilinde elektrik içın kullanmak... Çok fazla sayıda adım. Büyük ve pahalıdır. Yakıt pili teknolojisi günümüz pil teknolojilerinin çok gerisindedir. Egzotik birkaç uygulama dışında uygun değildir.
Yeni Nesil Piller Nano teknoloji kullanılarak yeni nesil şarjlı piller keşfedilmiştir. Li-ion pillerin emniyet zaafları yoktur. Bunlar yüksek hızlarda şarj ve deşarj edilebilmektedir. Normal şarj süresi: 1-1,5 saat Hızlı şarj süresi: 10 dk
Hızlı Şarjlı Piller Şarj Süresi 10 dk. (%80 kapasite). Şarj süresi <5dk. (%50 kapasite) Piller keşfedilmiş ve test edilmektedir. Yalnızca ticari hale dönüştürülmesi gerekmektedir. Önümüzdeki birkaç yıl içerisinde fiyatları hızla düşecektir.
Bugün Ne Yapabiliriz? Bireylere elektrikli otomobil satışı için seri üretilen modellerin fiyatlarının, şarj sürelerinin ve menzillerinin içten yanmalılara yakın olmalıdır. Dönüşüm 10-15 dakika şarj ile 500 km yol gidebilen bir taşıtı aynı fiyata alırsak mümkündür. Öte yandan Yönetilebilir Filolar a elektrik uygulanabilir.
Yönetilebilir Filo Şahsa ait özel araçlardan oluşmamaktadır. Bir kuruluşa aittir veya bir kuruluşun kontrolü altında çalışmaktadır. Araçta istenen değişikliklerin uygulanması ve belirlenen kurallara uyulması için yaptırım imkanı vardır. Uygulama desteği verilmesi imkanı vardır.
Örnekler Belediye otobüsleri Halk otobüsleri Hatlı minibüsler Sarı dolmuşlar Sarı taksiler Okul servisleri Şirket servisleri Hatları belirli diğer taşıtlar
Toplam Tasarruf İstanbul da otobüs - minibüs benzeri 40,000 taşıt vardır. Ortalama 250 km yol yaparlar. Elektrikli bir taşıt sağlayacağı her 4 kwh/km tasarruf için yılda 4kwh x 250 x 40,000 x 250 gün = min 1 TWh tasarruf sağlanır Toplam 1.000.000.000 USD Taşıt başına 25.000 USD
Örnek Çözümler Belediye otobüslerinin menzilleri ve duraklarda bekleme sürelerine göre seçilen hatlarda uygulama yapılabilir. Son duraklarda şarj edilir. Hatlı dolmuş ve minibüslerden yine menzil ve sarj sürelerine göre seçilen hatlara uygulanır. Son duraklarda şarj imkanı verilir. Okul ve şirket servislerine bekleme noktalarında şarj ediecek şekilde uygulanabilir. Sarı Taksi lere pil teknolojisi daha ilerledikten sonra uygulanır. Benzin istasyonlarında şarj imkanı sağlanır.
BEV Araç Tasarımı BEV araç tasarlarken yalnızca aracın motor gücü değil, aracın kullanım tarzına bağlı olarak (menzil, sürat, hava sıcaklığı, yokuşlar,...) pil sayısının belirlenmesi gerekmektedir. Bu ise her müşterinin, dolayısıyla her bir aracın ayrı bir er uygulama olarak ele alınmasını gerktirmektedir. Tasarımın doğru yapılması müşteri memnuniyetini ve dolayısıyla ticari başarıyı beraberinde getirecektir.
Hidrojen Hidrojen politik anlamda ilgi çeken bir teknolojidir. Petrolün tükenmesi halinde kullanılması amaçlamıştır. Pillerin bu oranda güçleneceğinin tahmin edilmediği bir zamanda ortaya atılmıştır. Atık olarak sadece su buharı oluşması çevrecilerin romantik anlamda bağlanmasına yol açmıştır. Hidrojen üretimi, saklanması, taşınması ve kullanılması zor bir maddedir. Tüm süreç (üretim-taşıma-saklama-tahrik) oldukça verimsizdir. Ekonomik anlamda petrol ile baş etmesi neredeyse imkansızdır. Bu sebepler uygulanmasını mümkün kılmamaktadır.
BEV Hidrojen Karşılaştırması Pil teknolojileri mevcut halleriyle dahi petrolün yerine geçebilir. Pil teknolojilerinin daha da gelişmesyle çok kısa sürede yaygın kullanım bulacaktır. Bu sürenin en çok 5 yıl olacağını tahmin ediyoruz. BEV ler hidrojenli araçlara göre çok daha az karmaşık düşük maliyetlidir. Maliyetin BEV ler lehine daha da açılması beklenmektedir. Beklenenin aksine hidrojen teknolojisinde büyük ilerleme kaydedilmesi durumunda BEV lerin yalnızca pilleri hidrojen hücreleriyle değiştirilebilecektir.
Otomobil Motor Teknolojilerinin Karşılaştırılması Teknoloji Avantajları Dezavantajları Petrol İçten Yanmalı Yüz yıldan uzun süredir kullanılmaktadır. Hidrojen İçten Yanmalı 1970 li yıllarda petrol krizinden dolayı alternatif olarak ortaya atılmış ve - Yerleşik teknoloji - Artan motor verimliliği - Kullanım noktasında çevre etkisinin çok düşük olması - Yüksek yakıt maliyeti - Yüksek bakım maliyeti - Olumsuz çevre etkisi - Hidrojenin üretimi için elektrik gereksinimi - Hidrojenin saklanması ve taşınmasındaki güçlükler - Hacmen düşük enerji yoğunluğu - Toplam verimin çok düşük olması Hidrojen Yakıt Hücresi Elektrik motoru için gerekli elektriğin üretimi hidrojenli yakıt hücreleri tarafından sağlanmaktadır. - Kullanım noktasında çevre etkisinin çok düşük olması - Hidrojenin üretimi için elektrik gereksinimi - Hidrojenin saklanması ve taşınmasındaki güçlükler - Hacmen düşük enerji yoğunluğu - Toplam verimin çok düşük olması Kablolu Elektrikli Yüksek verimli elektrik motorları gerekli enerjiyi elektrik hatlarından almaktadır. Hibrit Elektrikli Petrol motorunun verimsiz olduğu bölgeler için elektrik motoru desteği sağlanmıştır. Pilli Elektrikli Gücünü pilden alan elektrik motoruyla çalışmaktadır. - Elektrik motorunun yüksek gücü ve verimi - Elektrik hatlarına bağlantısı olmadan çalışması mümkün değildir. - Petrol motora göre artan verim (ancak marjinal iyleşme) - Pilli elektrikli motora göre düşük maliyet - Yüksek motor verimi - Kullanım noktasında çevre etkisinin çok düşük olması - Elektriğin üretimine bağlı olarak toplam çevre etkisinin düşük ya da sıfıra yakın olması - Düşük yakıt maliyeti - Düşük bakım maliyeti - Elektrik motorunun küçük boyutu sebebiyle tasarım esnekliği. - Karmaşık sistem - Artan bakım maliyeti - Petrol motora göre artan maliyet - Potansiyel yüksek başlangıç maliyeti - Düşük menzil - Uzun şarj süresi
Pil Teknolojilerinin Karşılaştırılması Teknoloji Avantajları Dezavantajları Şarjlı Piller Muhtelif kimyalara sahip (NiCd, NiMh, Li-ion, ) şarj edilebilir piller Değiştirilebilir Piller Pilin boşalması durumunda pilin tamamı robotik yöntemlerle değiştirilmektedir. - Yerleşik teknoloji - Artan motor verimliliği - Çok hızlı depo doldurma. - Pilin sahipliğinin enerji şirketinde olması sebebiyle sorumluluk azaltma - Yüksek yakıt maliyeti - Yüksek bakım maliyeti - Olumsuz çevre etkisi - Muhtemelen birbirleriyle uyumsuz tedarikçiler - Pil tam boşalmadan değişiklik yapılması - Muhtemel hizmet maliyeti Yakıt Hücresi Elektrik motoru için gerekli elektriğin üretimi yakıt hücreleri tarafından sağlanmaktadır. - Petrol yakıtı alımına benzer yöntemlerin kullanılması - Düşük verim - Sorunlu operasyon - Yüksek maliyet Elektrolitik Sıvı Değişimli Piller Pillerin içindeki enerjiyi sağlayan kimyasal elektrolitik maddenin yenilenmesi yöntemidir. - Hızlı depo doldurma - Sınırsız menzil - Mevcut pil teknolojileri buna uygun değildir.
Hatların Elektriklendirilmesi Hat Uzunluk Topoğrafya Pil ihtiyacı / Maliyeti Şarj Durumu 17 / 16 / 16D Pendik-Kadıköy KM-40 Maltepe Metro FB / ER / GZ Ring Bağdat Caddesi 30 km Düz 80 KWh / 40.000 USD Son duraklarda 30 dk. Operasyonel olarak fizibil değil. 8 km Yokuş Yaklaşık 300 m rakım farkı. 40KWh / 20.000 USD (yokuş için 20 KWh kapasite) 10 / 12 / 14 km Düz 30 KWh / 15.000 USD 40 KWh / 20.000 USD Maltepe Merkez de 5-10 dk, Marmara Eğ. Köyü nde 15 dk. Kadıköy çıkışlı ringler. Kadıköy de 10 dk şarj imkânı mevcut. 4 Bostancı Kadıköy 8 km Düz 20 KWh / 10.000 USD 40 KWh / 20.000 USD Kadıköy de 5 dk, Bostancı da 10 dk şarj ile tek tönlü; veya; Bostancı da 15 dk şarj ile ring seferi mümkündür. Alternatif Pendik Bostancı sahil yolu hattı önerisi 20 km Düz 50 KWh / 25.000 USD Bostancı ve Pendik te pil değişimi ile.
16 Kadıköy Pendik Hattı
16D Kadıköy Pendik Hattı
17 Kadıköy Pendik Hattı
FB1 / FB2 Kadıköy Fenerbahçe
GZ 1 / GZ 2 Kadıköy Göztepe
ER 1 / ER 2 Kadıköy Erenköy
KM40 Maltepe Üniversite Hattı
Maliyet Karşılaştırması Maliyet Kalemi ICE EV Yakıt 100 20-50 Sürücü Ücretleri 100 100 Lastik 100 100 Amortisman + Faiz 100 120-200 Bakım (Parça) 100 60 Bakım (İşçilik) 100 60 Motor Yağı 100 10 Diğer (EV maliyetleri, pil harici ) 100 100 Diğer (Pil maliyetleri) 0 1000
Yrd.Doç.Dr. Levent Aksoy Yrd.Doç.Dr. Levent Aksoy, Boğaziçi Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü nden mezun olmuş, Bilkent Üniversitesi İşletme Yüksek Lisans Programı nın ardından City University of New York da Ekonomi dalında doktora çalışmalarını tamamlamıştır. New York City College ve Baruch College da, İstanbul Yeditepe Üniversitesi nde öğretim üyeliği görevi almıştır. Bahçeşehir Üniversitesi nde Mühendislik Fakültesi nde Teknoloji Yönetimi ve Bilim-Teknoloji-Toplum üzerine dersler vermiştir. Turknet Information Services in kurucusu olup Turkcell A.Ş. de Yeni İş Geliştirme Müdürü, Birleşik Oksijen Sanayi de Bilişim Teknolojileri Müdürü ve ABC Medya Ajansı nda On-line Projeler Koordinatörü olarak görev almıştır. Halen Maltepe Üniversitesi Uluslararası Ticaret ve Lojistik Yönetimi Bölümü nde öğretim üyesidir. İletişim Bilgileri E-posta: leventaksoy@maltepe.edu.tr