Elektrikli Taşıtların Enerji ve CO2 Dengesi Üzerindeki ...challenge.tubitak.gov.tr/assets/2019-egitim---elektrikli-tasitlarin-enerji-ve-co2... · Elektrikli Taşıtların Enerji

Elektrikli Taşıtların Enerji ve CO2

Dengesi Üzerindeki Etkileri

Prof. Dr. Metin Ergenemanİ.T.ÜNisan 2019

Gebze, TÜSSİDE

İçindekiler

Yol taşıtlarının seyir şartlarına bağlı olarak enerji tüketimi.

Enerji tüketimi ve emisyonların hesabında kullanılan seyir çevrimleri.

Yol taşıtlarında enerji ekonomisi.

Elektrikli ve konvansiyonel araçların menzil kapasitesi ve enerji depolama maliyetleri.

Taşıtların CO2 emisyonları üzerindeki etkileri.

Elektrikli araçların CO2 emisyonları yönünden durumları

Elektrikli araçların gelişme ve yayılma projeksiyonu1/2



Konvansiyonel Taşıtın (İYM tahrikli) Yakıt Tüketimi

Elektrikli Taşıtın Enerji Tüketimi

(W : Nm/s)

Moment – Devir Sayısı Diyagramı


N C v f m g v m g Sin v m vdv

dtt a w a

1

2

3 . . . . . . . . .

𝐸𝑒 = ∆𝑡𝑁𝑒

𝜂𝑒= ∆𝑡

𝑁𝑡

𝜂𝑡 𝜂𝑒= 𝐹𝑡 x v (J)


Önceki Standart Avrupa Seyir Çevrimi


Yeni Standart Avrupa Seyir Çevrimi (WLTP)


Özel Seyir Çevrimleri

Istanbul Driving Cycle (IDC)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000

Time[s]

Sp

ee

d [

km

/h]


Gerçek Yol Seyir Çevrimleri

Yol taşıtlarında enerji ekonomisi

Konvansiyonel İYM tahrikli Taşıtlar


Hibrid Taşıtlar

Paralel hibrid


Hibrid Taşıtlar

Seri hibrid


Elektrikli Taşıt (Tesla)


Hibrid Çalışma Bölgeleri


Elektrikli ve konvansiyonel araçların menzil kapasitesi ve enerji depolama maliyetleri.

Ülkeler Çapında CO2 Emisyonu Çalışmaları (IPCC* Metodolojisi)

Sektörler bazında CO2 emisyonunda ülkelerin durumu (IPCC emisyon envanteri çalışmaları) Ulaştırma

Karayolları Ulusal Havacılık Demiryolu Denizcilik

CO2 emisyonunda ulaştırmanın payı Projeksiyonlar, Eğilimler

* Intergovermental Panel on Climate Change

Taşıtların CO2 emisyonu üzerindeki etkileri.


Hidrokarbon Yakıt Tüketimi ile CO2 Emisyonu Arasındaki İlişki

Benzin veya Diesel yakıtı için (yaklaşık)

1 kg yakıt 3,18 kg CO2 veya

1 Tj yakıt 19.000 kg C 70.000 kg CO2


Ülkelerin toplam ve kişi başı CO2 üretimleri


Dünya Karayolu Taşımacılığından Kaynaklanan CO2 Üretimi(toplam yanmadan kaynaklananın %)


Ülkeler Karayolu Taşımacılığından Kaynaklanan CO2 Üretimi(toplam yanmadan kaynaklananın %)


Karayolu Taşımacılığı CO2 Emisyonu

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018

Yılllar

Em

isy

on

(M

to

n) Binek (benzin)

Binek (Diesel)

Binek (LPG)

Kamyon

Kamyonet

Minibüs

Otobüs

Motosiklet

TOPLAM

Türkiye Karayolu Taşımacılığından Kaynaklanan CO2 Üretimi


Karayolu CO2 Emisyonunda Ülkelerin Durumu (%)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

ABD

Kanad

a

Avust

ralya

Japo

nya

ABİsveç

İngiltere

Fran

sa

Alman

ya

İtalya

Yunan

ista

n

Porte

kiz

İspanya

Türkiye

Enerji Sektörü Emisyonlarında Ulaştırmanın payı (2004)

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

CO2 CH4 N2O NOX CO NMVOC SO2

Emisyonlar

Ula

ştı

rma

nın

Pa

yı (%

)

Taşıtların CO2 ve diğer emisyonlar üzerindeki etkileri.

Elektrikli araçların CO2 emisyonu üzerindeki etkileri.

Dünya Elektrik Üretiminden Kaynaklanan CO2 Emisyonu(toplam yanmadan kaynaklananın %)


Ülkeler Elektrik Üretiminden Kaynaklanan CO2 Emisyonu(toplam yanmadan kaynaklananın %)


ABD Elektrik Üretiminden Kaynaklanan CO2 Emisyonu


Elektrik Üretiminde Rüzgar ve Güneş Enerjisinin Payı

[Renewables 2011 – Global Status Report – REN21].

Wikipedia Wikipedia


Ülkelerin Elektrik Üretiminde Kullanılan Günlük Kaynaklar11 Nisan 2019, Elektrik Üretimi CO2 Emisyon Faktörü

Almanya - 351 g/kWh, %45 Yenilenebilir Fransa - 57 g/kWh, % 23 Yenilenebilir

https://www.electricitymap.org


Ülkelerin Elektrik Üretiminde Kullanılan Günlük Kaynaklar11 Nisan 2019, Elektrik Üretimi CO2 Emisyon Faktörü

Türkiye - 319 g/kWh, %58 Yenilenebilir

%30 kömürden, %43 kapasite kullanımı, 820 gCO2eş / kwWh

%43 hidrolik, %44 kapasite kullanımı, 24 gCO2eş / kwWh

%12 Doğalgaz, %12 kapasite kullanımı, 490gCO2eş / kwWh

https://www.electricitymap.org


Elektrik Üretimi CO2 Emisyon Faktörleri

Avrupa (ACEA), Japonya (JAMA) ve Kore (KAMA)

Otomobil Üreticileri Birliği tarafından üretilen araçlarda,

hedeflenen ortalama filo değeri

2008 140 [gCO2 /km] ACEA

2009 JAMA ve KAMA

2012 120 [gCO2 /km] ACEA (AB Regulasyonu)

2020 95 [gCO2 /km]* ACEA (AB Regulasyonu)

Burada Hibrit taşıtlar yoğun bir şekilde devreye sokularak yakıt ekonomisinde ortalama %20 kadar bir artış sağlanacaktır

* 3.6 litre/100 km


Frenleme Enerjisini Geri Kazanma

0

20

40

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

V [

km

/h]

t [s]

Avrupa şehir içi çevrimi

-40000

-20000

0

20000

40000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

P [

W]

t [s]

güç seyri

-2000,00

-1000,00

0,00

1000,00

2000,00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

MT

[Nm

]

t [s]

tekerlek momenti seyri


Frenleme enerjisinin geri kazanılması


Frenleme enerjisinin geri kazanılması


Elektrik motoru büyüklüğü ile motor verimi arasındaki ilişki

Yüksek kısa süreli moment sağlayan küçük motor (40-50 kW) optimum görünmektedir.


Ülke

Emisyon

Faktörü

(g-CO2 / kWh)

Araç CO2

Emisyonu

(g-CO2 / km)

ABD 630

Elektrik üretiminden kaynaklanan

CO2’nin %80’i kömürden, %20’si

ise Doğalgaz’dan gelmektedir.(2009 NIR raporu, 2007 envanteri)

126

İtalya 460

Elektrik üretiminden kaynaklanan

CO2’nin %28’i kömürden, %46’sı

ise Doğalgaz’dan gelmektedir.(2009 NIR raporu, 2007 envanteri)

92

Almanya 400

Toplam enerjisinin %65’den

fazlasını fosil yakıtlardan, %

7’sini yenilenebilir kaynaklardan

ve %27’sini nükleer enerjiden

sağlamaktadır. (2009 NIR raporu, 2007

envanteri, germany 2007)

80

İngiltere 430 (ref.Low Carbon Vehicle report) 86

Türkiye 530

Enerji sektörü CO2 üretiminin

%34’ü elektrik üretiminden(2006 NIR raporu, 2004 envanteri)

106

Fransa 125 (Fransa elektriğinin %75’ini

nükleer enerjiden üretmektedir.

25

-Bugünkü kullanılan birincil enerji kaynaklarına göre elektrik üretimi

ve taşıt CO2 emisyon faktörleri


Elektrikli araçların gelişme ve yayılma projeksiyonu

Bataryalar

Hibrit taşıtta batarya büyüklüğü ile yakıt ekonomisi arasındaki ilişki


Batarya tipleri ve özellikleri

Batarya Ömürleri ve Maliyetleri ($/kWsaat)


Batarya teknolojisindeki gelişmeler sonucunda projeksiyonların hemen

hemen tümü elektrikli taşıtların, maliyet ve menzilleri açısından

problemlerini yenerek, 2020 ötesinde yayılmaya başlayacağını

göstermektedir.Çeşitli Danışmanlık ve Finans

Kuruluşlarının HEV,PHEV ve EV

toplamı için Pazar Payı Beklentileri


Hafif Ticari Taşıtların (LDV) teknoloji çeşidine bağlı olarak satış senaryoları


Menzili Uzatılmış Elektrikli Taşıt

Hibrit Elektrikli Taşıtlar, eğer yüksek bir yakıt ekonomisi sağlayacaklarsa,

pahalılaşmakta ve karmaşık bir mekaniğe ve kontrol sistemine ihtiyaç göstermektedir.

Şarj edilebilir Menzili Uzatılmış Tam Elektrikli Taşıt hem oldukça basit bir yapıya

sahip olmaları hem de gerek elektrik motorunun gerekse İçten Yanmalı Motorun ayrı

ayrı kontrol edilebilmeleri açısından daha basit bir kontrol sistemine ihtiyaç

göstermektedir.

Her ne kadar birçok sürücünün günlük yol ihtiyacı 100-150 km civarında ise de, taşıt

sahipleri aynı zamanda şehirler arası yolculuk da yapabilmeyi istemektedir.

Menzili Uzatılmış Tam Elektrikli Taşıtların, en azından geçiş dönmemi için, bu talebi

karşılama şansı bulunmaktadır

Burada IYM ve EM’nin seçimi kilit bir rol oynamaktadır.



Bataryalar

Bugünkü mevcut batarya kapasiteleri ile 300-350 km menzile ve yeterli

performansa sahip elektrikli araç üretmek mümkün gözükmektedir.

150 km menzil kullanıcıların %90’nının üstünde bir bölümünün günlük

ihtiyacını karşılamaktadır.

Tam elektrikli taşıtların kullanım alanını genişleterek yıllık üretim

miktarlarını arttırmak ve aynı zamanda alt yapının oluşturulmasına ortam

hazırlamak için Menzili Uzatılmış Elektrikli Taşıtlar (Extended Range

Electric Vehicle).

Bazı yerli ve yabancı firmalar bu üretimi yapmaya başlamıştır.

Üretim maliyetleri yüksek kalacağı için bu firmalar çeşitli teşvikler ve alt

yapı (şarj istasyonları vb.) talep etmektedir.

Elektrikli taşıtlar seyirleri sırasında zararlı bir gaz emisyonunu (CO2 dahil)

bizzat yaymamakla birlikte elektrik üretiminde kullanılan birincil enerji

türüne bağlı olarak bu emisyonlar elektrik üretimi sırasında yayılır.


ElektrikliAraçların Yayılma Projeksiyonu

www.pwc.com.tr



Yakın Vade (2025’e kadar): Gelişmeye devam.- Yeni anot katot malzemeleri,- Yeni elektrolitler- Paketlemede iyileşme, gelişmiş kontrol

Orta vade: Gelişmede durgunluk

Uzun vade (2030 +): Gelişmede sıçrama- Gelişmiş elektrolitler (Li-Air, Li-S vb.)



Yakın vadede (2025’e kadar)

Mevcut teknoloji Lityum-İyon bataryalar kullanılmaya devam edecek. Kapasiteleri yaklaşık %7’lik bir hızla gelişecek. Bu daha ziyade katot ve anot malzemelerindeki ve paketlemedeki

gelişmeler ile sağlanacak. Son sıralardaki gelişmeler katot malzemesine düşük miktarlarda diğer

metallerin (genellikle “Kobalt”) katılası ile elde edilmiştir.

2025 yılından sonra ise Li-Ion bataryalarda maliyet ve performans açısından ileri bir adım açılacağı (Li-Air veya Li-Solid gibi) düşünülmektedir.

Güncel Li-Ion bataryaların özgül enerji kapasiteleri 150 Wh/g, özgül güçleri 3 kW/kg olup, maliyetleri, paketleme dahil 200 $/kWh’dır.

Hücre bazında paketlemesiz maliyetin ise, önümüzdeki 10 sene içinde, 100 $/kWh’nin altına, içten yanmalı motorla rekabet seviyesine, gelmesi pek beklenmemektedir.


SONUÇ

Elektrikli araçların bir handikabı da, CO2 yönünden getireceği avantajların

elektrik üretim faktörlerine, dolayısıyla büyük ölçüde yine fosil yakıt kullanım

oranına olan bağlılığıdır.

Özellikle 2020’li yıllarda yaklaşık 20-25 kW elektrik motorlu, şarjlı (plug-in)

tam hibrid ve kuru kavramalı otomatik vites kutusu kullanılması ile CO2

üretiminin 60 g-CO2/km (depodan-tekere) olabileceği dikkate alındığında,

konvansiyonel tahrikle rekabette, elektrik üretim faktörlerinin oynayacağı

rolün önemi anlaşılabilir.


SONUÇ

Analiz için kullanışlı parametreler ise kaynaktan–depoya ve depodan–tekere verimidir.

Bugün için, şehir içi gerçek yakıt tüketimi 7 litre/100 km olan bir benzin motorlu araç için enerji tüketimi 231 MJ/100 km’dir.

Bu ise, benzinin yanmasından kaynaklanan emisyon 72 g-CO2/MJ kabul edilirse,

CO2 emisyonu kaynaktan-tekere 206 g-CO2/km’ye, depodan-tekere ise 134 g-CO2/km’ye karşılık gelmektedir.


SONUÇ

Elektrikli araç halinde ise, depodan-tekere CO2 üretimi sıfır,

kaynaktan-depoya verimi sadece üretiminden kaynaklanan CO2 Emisyonu Faktörü içindedir.

Elektrikli araç için ortalama olarak geçerli depodan-tekere enerji tüketimi 0,2 kWh/km

(batarya şarj, deşarj ve elektrik motoru verimleri vb. dikkate alınarak)

farklı ülkeler için farklı araç CO2 emisyonları ortaya çıkacaktır.

örneğin ABD için 126 g-CO2/km, İtalya için 92 g-CO2/km


SONUÇ

Bu analizlerden çıkarılabilecek sonuç, elektrik üretiminin bileşenlerinin taşıt CO2

üretimindeki belirleyiciliğinin önemidir.

Ancak rüzgar ve güneş gibi kaynaklardan giderek artan oranlarda elektrik elde edilmesi ve tam elektrikli taşıtların yaygınlaşması durumunda

ortalama CO2 üretimlerinin 50-60 g-CO2/km ve altına kadar inmesi beklenebilir.


SONUÇ

Sonuç olarak elektrikle tahrikte eğer, dünya ortalaması olarak, 95 g-CO2/km’nin altına inilecekse,

elektrik üretim faktörünün yaklaşık 450 g-CO2/kWh’nın altına inmesi, bunun için de, yenilenebilir enerjiden elektrik üretimi payının en az %36’yı bulması gerekmektedir.

Eğer gelecekte nükleer enerji payının sıfır olacağını ve hidrolik enerji payının % 16 [Renewables 2011 – Global Status Report – REN21] civarında olduğunu düşünecek olursak

rüzgâr ve güneş enerjisi kullanım oranının, dünya ortalaması olarak, en az %20’ibulması gerekecektir.

Bunun da, mevcut gelişme eğilimine göre, 2020 yılını oldukça aşacağı söylenebilir.


SONUÇ

Elektrikli araçların yayılmasının önündeki handikaplar

Yüksek batarya maliyeti ve sınırlı batarya ömrü

Düşük menzil kapasitesi Yüksek batarya ağırlıkları Yoğun şarj istasyonu talebi Hızlı şarj tekniği

Bu problemlerin çözülümü teknolojik olarak mümkün olmakla birlikte alıcının talebi olarak konvansiyonel araç fiyatına bu istekleri karşılayan araç üretiminin başlaması ve yayılması, bu günkü projeksiyonlara göre 2030 yılından itibaren olacak.


SONUÇ

Ancak şu söylenebilir ki,

Yenilenebilir enerji kullanımının artmasına paralel olarak elektrikli araçların CO2 üretiminin azalması yönündeki katkıları çok efektif olacaktır.

challenge.tubitak.gov.tr

[email protected]

TEŞEKKÜRLER

TÜBİTAK Efficiency Challenge Elektrikli Araç Yarışları Eğitim Programı, 13-14 Nisan 2019, Gebze

challenge.tubitak.gov.tr

mailto:[email protected]

Documents

Elektrikli Taşıtların Enerji ve CO2 Dengesi Üzerindeki ...challenge.tubitak.gov.tr/assets/2019-egitim---elektrikli-tasitlarin-enerji-ve-co2... · Elektrikli Taşıtların Enerji