Fakulta dopravní Ústav dopravní telematiky

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta dopravní MĚSTSKÁ MOBILITA ELEKTROMOBILY KONGRES CO2 PRAHA - MÁNES Zdeněk Votruba votruba@lss.fd.cvut.cz zdevo@ieee.org

2 Hlavní diskusní témata / poděkování a) Role mobility v městském organizmu b) Spotřeba energie a vliv na životní prostředí c) Elektromobily a inteligentní vozidla d) Infrastruktura, telematika e) Ekonomika, externality f) Sdílená mobilita g) Vývojové scénáře pro města budoucnosti - příklady. Poděkování: Srdečně děkuji za poskytnutí podkladů i za cenné diskuse kolegům a přátelům: Ing. Zuzana Bělinová, PhD., doc. Ing. Martin Leso, PhD.; prof. Ing. Mirko Novák, DrSc.; doc. Ing. Zdeněk Říha, PhD.; Ing. Jindřich Sadil, PhD.; Ing. Jakub Slavík, MBA; Ing. Milan Sliacký; Ing. Jaromír Tobiška; prof. Ing. Tomáš Zelinka, CSc.

3 Začlenění: Město / region - Smart City 1. Aby se tam dobře žilo zdraví, bezpečí, čistota, kultura, estetický dojem, pohoda..; smysluplně žitý čas, 2. Chytré komponenty budovy; infrastruktura; správa; energetické sítě; mobilita; lékařská péče; bezpečnost; zásobování, atd. musí do sebe zapadat (systém). 3. Práce / podnikání / zaměstnání 4. Významná je informatická vrstva (ICT v dopravě - Telematika; v energetice; ve správě a řízení; při řešení krizí ) IoT 5. Udržitelnost časový horizont měst: století, tisíciletí

4 Koncept Smart City Vymezení podle IBM:

5 Ad a) Role mobility v městském organismu Zdánlivě samozřejmá: Dopravit člověka nebo věc (M,E,I) v správném čase na správné místo s vysokou účinností a tak, aby nedošlo k omezení / narušení procesů města nebo k nepříznivému vlivu na celek nebo komponenty města (vč. lidí), a to ani v budoucnu. Platí to pro každého člověka, každou přepravovanou věc, každý proces a každou komponentu. V jazyce systémového inženýrství je městská mobilita jedním z klíčových homeostatických procesů. Možná dekompozice městské mobility: i. Veřejná (MHD) ii. Individuální iii. Nákladní iv. Městské služby Mobilita čerpá zdroje města: místo, čas, energii, pracovní síly, finance.

6 Ad b) Spotřeba energie a další faktory ovlivňující životní prostředí Městská mobilita degraduje (spotřebovává; termalizuje) energii. Podíl této degradované energie v průběhu historie roste. PROČ? Druh energie a způsob její transformace jsou důležitými faktory při hodnocení zátěže města. Další důležité faktory zátěže městskou mobilitou jsou: (okupovaný) prostor (ztracený) čas ztráty na životech a zdraví psychická zátěž finanční náročnost Údržba, odpad a jeho zpracování urbanistický / estetický faktor

7 Ad b) Spotřeba energie a vliv na životní prostředí Některé pojmy Na mobilitu se vynakládá zhruba 1/3 energetické spotřeby. Čistotu mobility určujeme v první řadě podle čistoty energie, která se při ní spotřebuje (degraduje), včetně její části, vynaložené na produkci, údržbu resp. recyklaci zdrojů, vozidel a infrastruktury. Udržitelná energie (SE) energie, která plní potřeby současnosti, aniž by znehodnocovala možnosti budoucích generací Obnovitelná energie (RE) obnoví se během času, který odpovídá lidskému životu + nezpůsobuje dlouhodobé poškození životního prostředí Zelená energie (GE) := udržitelná energie, která může být získávána, generována a užívána bez významných (?) negativních vlivů na životní prostředí. Pojem čisté energie ( čisté mobility) má ještě mlhavější ( fuzzy ) definici než dost neurčité definice předchozí. Smysl má spíše komparativní. Např. energie uvolněná spalováním plynu je zpravidla čistší, než energie uvolněná spalováním uhlí, i když ani jedna z nich není obnovitelná, zelená, ani udržitelná. Energie z větrníků bývá vnímána jako čistá, udržitelná, až zelená, je ale otázka, jak korektně jsme započítali impakty jejich výroby, provozu a zařazení většinou potřebných energetických zásobníků.

8 Produkce a využití energie - Vliv na životní prostředí 5,6 Využití energie má v současnosti velmi nepříznivý vliv na životní prostředí lokálně a patrně i globálně Principiálně tomu tak nemusí být, jelikož celkový globální příkon lidské populace je v současnosti na úrovni 1.5*10 13 W, zatímco Slunce dodává 1.73*10 17 W, tedy o 4 řády více. Znamená to, že pouhá desetina promile energie v celkové energetické bilanci Země způsobuje vážné globální zatížení životního prostředí. Je tedy co zlepšovat! Charakter udržitelného zdroje přisuzujeme energii solární a jejím derivátům (vodní a větrná energie). Ostatní energetické zdroje dlouhodobě (měřítko století) udržitelné nejsou. Jaderná fúze, která má potenciál udržitelné energie, je již 60 let ve fázi výzkumu.

9 Ad b) Spotřeba energie a vliv na životní prostředí Členění energií pro dopravu 6 Druhy energie, použité (degradované) v dopravě se člení do 2 základních tříd:. 1. Energie, využitá k pohybu, dále dělená na složky: zřídlo nádrž Nádrž kolo 2. Energie, vynaložená na produkci, údržbu resp. recyklaci zdrojů, vozidel a infrastruktury. Další členění je podle místa impaktů do prostředí:. a) Lokální b) Spojité (globální) Podle možnosti uskladnění:. i. Bez možnosti uskladnění ii. Uskladnitelná staticky iii. Uskladnitelná ve vozidle Z hlediska mobility jsou velmi důležité: Stabilita / pohotovost / volatilita použité energie hustota energie (objemová J/m 3 i hmotnostní J/kg ) hustota výkonu (objemová W/m 3 i hmotnostní W/kg )

10 Ad b) Spotřeba energie a vliv na životní prostředí Dostupné hustoty (chemické) energie (DoE U.S.A) Czech Technical University in Prague - Faculty of Transportation Sciences Department of Control and Telematics

11 Ad b) Spotřeba energie a lokální vliv na životní prostředí města Generace tepla Hluk, vibrace Úniky / likvidace maziv Elektromagnetické rušení Při použití spalovacího motoru navíc: i. CO 2 nebo vodní pára ii. NO x, přízemní O 3 iii. SO x iv. Částice a aerosoly _ (např. PM 10, 2.5, 1 - nanočástice) v. Chemické produkty nedokonalého spalování (CO, benzo(a)pyren..) 9, 10 vi. Úniky paliv (metan a vyšší uhlovodíky) Co z toho nám ve městě vadí a proč?

12 Ad b) Spotřeba energie minimalizace dopadů na životní prostředí ve městě 1) Vyloučit zbytečnou mobilitu: (i.) telecommuting (ii.) urbanistická řešení. Příklady / diskuse 2) Zvyšovat energetickou účinnost. Univerzální přístup, v některých případech naráží na fyzikální meze (tepelné stroje - spalovací motory) Rekuperace. Příklady. 3) Priorita integrované městské mobility s významnou složkou MHD 4) Cílevědomý (strategický) rozvoj infrastruktury 5) Telematika 6) Větší podíl elektrické trakce E / I mobilita (V případě nezelených zdrojů el. energie jde do jisté míry o přesun impaktů mimo město.) 7) Cyklistická a pěší doprava

13 Ad b) Minimalizace dalších faktorů zátěže města mobilitou Z ostatních faktorů zátěže města mobilitou jsou kvantitativně objektivně vyjádřitelné, byť nesnadno měřitelné: (ztracený) čas (okupovaný) prostor. Další humánní faktory, např.: ztráty na životech a zdraví, psychická zátěž, estetický vjem se kvantifikují a objektivizují obtížně. Finanční náročnost má jednoduché kvantitativní vyjádření, mnohdy je však sporné, zda je tato veličina objektivní. Minimalizace integrální zátěže města mobilitou předpokládá kvalitní práci s externalitami.

14 Ad c) Elektromobily a inteligentní vozidla Miniaturní funkční modely elektromobilu jsou doloženy v roce 1834 třemi vynálezci (Ányos Jedlik; Sibrandus Stratingh;Thomas Davenport) Cca od roku 1859 se objevují vozy ve skutečné velikosti. Uveďme si jeden z Křižíkových elektromobilů (1995). * Do první světové války bylo postavení elektromobilů a vozidel se spalovacími motory rovnocenné. * Poté až do současnosti dominují automobily se spalovacími motory (ICE). V období se ukázalo, že městská mobilita vyžaduje do budoucna alespoň lokálně čistou alternativu. Tou může být elektromobil

15 Ad c) Elektromobily a inteligentní vozidla Úspěšné zavedení provozu bez řidiče v metru a jeho ověření na železnici Pokroky v senzorice, regulaci, (neuro) kybernetice a umělé inteligenci v prvních dvou desetiletích 21. století dávají šanci na podstatném zmírnění závislosti mobility na lidském faktoru. Proč je to důležité? Dosavadní experimenty jsou úspěšné, na druhé straně ukazují, že zbývá vyřešit ještě mnoho problémů v oblastech vědy, techniky i společnosti. Podrobnější analýzy pak ukazují, že elektrická vozidla (ať už v závislé, nebo nezávislé trakci) jsou zvláště vhodná pro tento účel. Proto je trendem fúze e mobility a inteligentní mobility

16 Ad c) Elektromobily a inteligentní vozidla, vztahy Vozidlo Automatické tř. 5 SAE robotické - autonomní - bez řidiče (robotic - autonomous - driverless) Automatické (automated) Propojené (connected)

17 Inteligentní (automated, assisted) vozidlo SAE 2014 (od 2016 platí i v USA): Třída (level) 0: Vozidlo neřídí automatický systém, ale výlučně řidič. Mohou být zařazeny varovací (warning) subsytémy. Třída (level) 1: Řidič musí být schopen kdykoliv řídit. Automaticky mohou probíhat i složitější řídicí funkce, jako: LKA (Line Keeping Assistence); ACC (Adaptive Cruise Control); APA (fully automated parking assistance). Třída (level) 2: Řidič musí zasáhnout, když automatický systém selhává. Automat řídí, zrychluje i brzdí. Při zásahu řidiče se deaktivuje. (Pre-Crash?) Třída (level) 3: V definovaném prostředí (freeway) se řidič nemusí věnovat řízení, musí být ale schopen převzít řízení, když je to nutné. Třída (level) 4: Automat řídí vždy s výjimkou nebezpečného prostředí (např. nebezpečné počasí). Řidič smí používat automat jen tehdy, když prostředí je bezpečné v takovém případě se nevěnuje řízení. Třída (level) 5: Člověk zadává cíl(e) a aktivuje systém. Automat řídí do libovolného legálního cíle. Řidič neexistuje.

18 Emergentní charakteristiky tř. 5 Tř.5. SAE je techniky, technology i výrobci automobilů oprávněně chápána jako jeden ze stupňů spíše plynulého vývoje. Na druhé straně se objevuje nová kvalita (systémové mluvíme o emergenci) hlavně v úrovni společenských, (legislativních, etických) systémů i byznysu. To vyžaduje adaptaci příslušných systémů, nebo zabránění toho, aby se tento kvalitativně odlišný prvek realizoval.

19 Subjekty, jichž se změny týkají Emergence znamená kvalitativní změnu. Impakty se týkají v prvé řadě těchto subjektů: Řidič Vlastník vozidla Výrobce Energetika Město / region Správce infrastruktury Regulátor trhu administrativa regionu / státu Justice ; Zákonodárce A jejich relací Je tedy naivní očekávat hladké a rychlé přijetí

20 Vídeňská úmluva 1968 ČLÁNEK 8: Řidiči par. 1. Každé vozidlo v pohybu nebo každá souprava vozidel musí mít řidiče. par. 2. Doporučuje se, aby národní zákonodárství stanovilo, že nákladní, tažná a jezdecká zvířata, a s případnou výjimkou v oblastech zvláště označených při vjezdu, zvířata jednotlivá nebo ve stádech, musí mít řidiče. par. 3. Každý řidič musí mít potřebné tělesné a duševní vlastnosti a být v potřebném stavu tělesném a duševním pro řízení. par. 4. Každý řidič vozidla poháněného motorickou silou musí mít potřebné znalosti a způsobilost k řízení vozidla; toto ustanovení však nebrání výcviku v řízení podle národního zákonodárství. par. 5. Každý řidič musí neustále ovládat vozidlo nebo mít možnost vést zvířata.

21 Ad c) Elektromobily a inteligentní vozidla - Impulzy k rozvoji Vlády vyspělých zemí i vedení EU reflektovaly situaci, příležitosti i rizika a rozhodly nenechat rozvoj e/i mobility na samovývoji vědy, techniky a průmyslu (business as usually) ale pokusit se urychlit jej podpůrnými opatřeními. Jako příklad si uveďme motivaci německé vlády (2009): V 1 se charakterizují tyto motivy ke změně: 1. Ochrana klimatu, hlavně redukce emisí CO Nižší závislost na ropě 3. Šance pro domácí průmysl 4. Ochrana prostředí ve městech 5. Integrace vozidel do energetické struktury (smart grids) 6. Cesta k integrované multimodální dopravě (včetně faktoru bezpečnosti) 1 German Federal Government s National Electromobility Development Plan August 2009

22 Ad c) e - i vozidla - impulzy k rozvoji v ČR Také v ČR byla vypracována řada dokumentů, z nichž za významný považuji např. Národní akční plán čisté mobility, který schválila vláda ČR v listopadu Materiál obsahuje cenné karty projektů, v nichž se prezentují v stručné formě jednotlivá podpůrná opatření. Dva faktory tohoto materiálu považuji za sporné: Narušená tržní neutralita jednotlivých podpůrných opatření Tzv. Technologická neutralita, DISKUSE Nicméně jedná se o materiál, k němuž se došlo konsensensuálně a měl by být náležitě využit. Za neméně důležité považuji integrované akce v rámci programů Industry 4 a Smart City a deklarovanou podporu rozvoje technického a přírodovědného vzdělání.

23 Ad c) Slabiny / výzvy inteligentní e-mobility 1) Zásobníky energie (akumulátory, superkapacitory) nízká objemová i hmotnostní hustota energie i (u aku) výkonu Cena (u aku 7 p. a. zlom 2022 na 150 USD / kwh) spolehlivost / životnost / bezpečnost / vliv teploty 2) Nabíjení čas a integrace do energetické sítě (smart grids) 3) Bezpečnost a spolehlivost informatických systémů a informatického prostředí (IoT); algoritmy, AI, senzory 4) Nutnost re - designu dopravních systémů! 4) Společenské a politické aspekty i-mobility 5) Rámec: vzdělání a výcvik / recyklace / normy / legislativa 6) Trh: obchodní modely / diversifikace aplikací 7) Frustrace z nerealistických očekávání

24 Dílčí příklad: Zásobníky energie - dlouhodobé automatické funkční testování př. laboratoř ČVUT FD ; Ing. J.Sadil, PhD. 3 Cykly / metacykly Výsledky př. 120,00 100,00 Proud 150 A, hloubka vybíjení Proud 135 A, hloubka vybíjení Proud 150 A, hloubka vybíjení 10%, různá napětí 80,00 Umax. Proud 135 A, hloubka 50% vybíjení 50%, teplota okolí cca 5 C Kapacita (%) 60,00 Proud 135 A, hloubka vybíjení Akumulátor LiFeYPO4 90Ah 10% Akumulátor LiFeYPO4 100Ah teplota pouzdra 32 Akumulátor LiFeYPO4 90Ah 40,00 C teplota pouzdra 27 Samovybíjení po 1,5 roce C 20,00 0, Počet cyklů přepočteno na plné cykly

25 Ad d) Infrastruktura, telematika (ITS) Triviální sdělení: Městská mobilita vyžaduje přiměřenou infrastrukturu. I když jádra historických měst na ni kladou značná omezení, některé její vlastnosti jsou v dnešní době povinné např. existence plnohodnotného vnějšího městského okruhu, anebo nezávislost jednotlivých módů. V městské mobilitě je v zvyšující se míře nutné, aby nejen vozidla, ale i infrastruktura byly inteligentní. To reflektují např. propojené systémy c2c a c2i a pokročilé řídicí systémy s preferencí MHD. Různé dopravní módy pak musí být integrovány v komplexní adaptivní systémy. To je náplní oboru dopravní telematiky. Zdaleka ne vše je uspokojivě vyřešeno (telekomunikační prostředí pro c2c a c2i, (multi)senzorika, příslušné algoritmy a problemy big data ).

26 Telematika (ITS) 11 Systémový obor, který se zabývá tvorbou a účinným využitím informačního prostředí (informatika / CS + Telekomunikace) pro realizaci homeostatických procesů nadsystému. (území - města, regionu) TELEKOMUNIKACE telekomunikační sítě a protokoly inteligentní telekomunikační prostředí multifunkční telekomunikační sítě INFORMATIKA softwarové inženýrství databázové systémy a technologie zpracování dat optimalizace datových toků TELEMATIKA distribuované databáze redukce informací, znalostní společnost telematické služby a protokoly řízení sítě a telematických služeb organizace, architektura, číselníky

27 Telematika (ITS) 2

28 Inteligentní (automated, assisted) dopravní systém 2

29 Ad d) Infrastruktura, telematika (ITS) Idealizovaně si další vývoj můžeme zachytit takto 2 :

30 Ad e) Ekonomika, externality Máme li zodpovědně provádět transformaci městské mobility směrem k potřebám města budoucnosti, potřebujeme kvantitativně vyhodnocovat vektor různorodých parametrů projektů. Např.: Jaká jsou náklady projektu (vč. realizace, provozu i budoucí recyklace)? Jaký je dopad realizace na město jako celek (ovlivnění procesů)? Jaké jsou dopady na životní prostředí lokálně i v širším okolí a v čase? Jak vyhodnotíme ztrátu / úsporu času všech zúčastněných obyvatel? Jak měřit jejich ztráty na životech a zdraví? Jak zachytit stress? A návazně: Jak tento stress ovlivní život obyvatel? Jak zachytit neudržitelnost, vlivy na podnikání, nebo i estetický vjem?... Ale také: Jaké budou tyto parametry, když nebudeme dělat nic? Musíme tedy být schopni kvantitativně a pokud možno objektivně vyhodnotit komplexní ekonomii projektů včetně externalit v čase. V tomto směru považuji za nutné rozvíjet metodiky i vědecké přístupy, i pravidla správy města (polis), protože stávající praxe je nevyhovující.

31 Ad f) Sdílená mobilita podrobněji další přednáška Město, přeplněné parkujícími vozidly s průměrným využitím pod 0,1 nemůžeme považovat za chytré (okupace prostoru). Proto je přirozené podporovat byznys - modely, technická řešení i systémová opatření, která sdílenou mobilitu podpoří. Vlastnictví vozidla ve městě je málokdy ekonomicky / časově výhodné už v současnosti a postupně ztrácí i charakter společenské prestiže. Za předpokladu budoucí kvalitní integrované MHD a úspěšného zavedení autonomních (robotických) vozidel (SAE tř.5) pro individuální dopravu a městské služby se stane vlastnictví vozidla pro většinu obyvatel nepotřebným. Je tedy evidentní, že podíl sdílené mobility ve městech poroste.

32 Ad g) Vývojové scénáře pro města budoucnosti - příklady 1. Již jsme zmínili scénáře urbanistických řešení omezujících horizontální mobilitu a posilujících práci doma (telecommuting). Přesto, že se jedná o řešení teoreticky velmi přínosná, zdá se, že je společnost ve velkém nepřijme. PROČ? 2. Sdílenou mobilitu jsme už také uvedli, její rozvojový potenciál je značný. 3. Scénář posílení role železnice v městské mobilitě má podstatný rozvojový potenciál. Předpokládá ale zavedení autonomních lehkých drážních vozidel na inteligentní infrastruktuře, event. též tzv. vlakotramvaje. To zlepší dynamiku jízdy a zkrátí intervaly. Možná jsou i hybridní řešení. V současnosti tento přístup naráží na nesouhlas ze strany našich drážních autorit. Proto uvádím na dalším obrázku příklady od sousedů.

33 Ad g) Lehká železnice, vlakotramvaj 4

34 Ad g) Vývojové scénáře pro města budoucnosti e- mobilita městských služeb 7 Oblast městských služeb je různorodá (zásobování, policie, svoz odpadu, stavební a řemeslná činnost, pošta, údržba ) a zajímavá tím, že již v současnosti většinou vykazuje ekonomickou návratnost a lepší uživatelské parametry při přechodu na e-mobilitu PROČ?

35 Ad g) Vývojové scénáře pro města budoucnosti e- busy 7 Zavádění e - busů všech možných typů se v současnosti setkává se střídavými výsledky. Špatné jsou zpravidla tehdy, když je pojato jako jednoduchá náhrada vozidel s pohonem ICE. Dobré bývají tehdy, když jde o propracované projekty, v nichž se uplatní specifika elektrické trakce. Uvádím dobrý příklad supercapové autobusové linky v Sofii.

36 Příklad: Spotřeba energie u autobusů a emise CO 2 7

37 Několik otázek k zamyšlení - místo závěrů: Postupné zavádění inteligentní e mobility ve městě se stává samozřejmostí, mimo jiné i proto, že k němu neexistuje rovnocenná alternativa. Proto místo závěrů uvádím několik různorodých netriviálních otázek a těším se na diskusi: 1. Proč se vodíková vozidla koncipují téměř výlučně jako elektomobily s palivovými články a proč se skoro neuvažuje využití spalovacích motorů na vodík? 2. Lze dospět postupným vývojem přes automatizovaná vozidla tříd SAE 1-4 k vozidlu třídy 5? 3. Lze ve velkém zavádět 3D městskou mobilitu? 4. Je Vídeňská úmluva zásadní překážkou zavedení autonomních vozidel? Je nutno čekat, až se právníci dohodnou na její modifikaci? 5. Musí autonomní vozidlo (nebo i pre-crash systém, t.j. tř.2-3) řešit etické problémy? 6. Jak a jak dlouho budou autonomní propojená vozidla koexistovat s klasickými vozidly? 7. Je prioritní bezpečnost, nebo spolehlivost vozidla resp. dopravního systému? 8. Jaké jsou limity hustoty energie a výkonu u supercapů?

38 Reference 1 German Federal Government s National Electromobility Development Plan, Aug Tobiška, J.: Technologie senzorických sítí a akčních členů Studie k státní doktorské zkoušce Sadil, J.: priv. comm. 4 Leso, M. priv. Comm. 5 Abbott, D.: Keeping the Energy Debate Clean: How Do We Supply the World s Energy Needs? Proceedings of the IEEE Vol. 98, No. 1, January Duchoň, B.,et al : Studie budoucího rozvoje dopravy v české republice ČVUT, Fakulta dopravní. 7 Slavík,J.: E-mobilita v MHD,; 8 Lowel, D.M., et al: Comparison of Clean Diesel Buses to CNG Buses, NYCT Study 9 Gamble, J.F. et al: Lung Cancer and Diesel exhaust: an updated critical review J.Crit. Rev. Toxicol Oberdorster, G., Significance of Particle Parameters J. Inhal. Toxicology 1996; 8,Suppl: Bělinová, Z.: Přednášky z dopravní telematiky, CVUT, FD

39 Rychle a propojeně vpřed s Pavlem Kantorkem! Děkuji Vám za pozornost.