České vysoké učení technické v Praze Fakulta dopravní Udržitelná doprava ve městech Zdeněk Votruba votruba@lss.fd.cvut.cz zdevo@ieee.org KONFERENCE INTELIGENTNÍ BUDOVY BRNO 2014-04-23
Koncept Smart City Co znamená chytrý Smart v tomto kontextu? 1. Významná je: Informatická vrstva (ICT v dopravě Telematika / ITS) Sdělování a řízení v městském organismu a jeho komponentách Kybernetika Homeostaze Udržitelnost Komplexní systém 2. aby se tam lidem dobře žilo zdraví, bezpečí, čistota, kultura, estetický dojem, pohoda, smysluplně žitý čas, 3.Chytré komponenty budovy; infrastruktura; energetické sítě, doprava 4.Motto 2: Urban mobility is one of the toughest challenges that cities face today as existing mobility systems are close to breakdown.
Jak to vidí investoři?
Udržitelná doprava / energie a příbuzné pojmy Na dopravu (lidí, zboží, informace) se vynakládá více než 1/3 energetické spotřeby lidstva. Odpovídající průměrný příkon je cca 5 TW.(ČR: 10 GW) Vlastnosti dopravy určujeme podle čistoty energie, která se spotřebuje (transformuje / degraduje) v celém jejím životním cyklu. Udržitelná energie (SE) energie, která plní potřeby současnosti, aniž by znehodnocovala možnosti budoucích generací Obnovitelná energie 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 (i krátkodobých) negativních vlivů na životní prostředí. Pojem čisté energie ( čisté dopravy) nemá hard definici ani na úrovni předchozích definic. 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. Srovnávají se dopady na životní prostředí a zdraví. Kvantifikace těchto dopadů je zatížena neurčitostí resp. neznalostí.
Doprava je komplexní systém To není vynález kola ale dominantní charakteristika. Proč? 1.Doprava / přeprava plní základní (homeostatickou) funkci v městě 2.Relace, vazby, interakce provázanost - jsou podstatně významnější, než samy systémové prvky. Rozhodují o efektech. 3.Vyšším systémem je město / region 4.Spolupracujícími, často těsně integrovanými systémy jsou sítě energetické, telekomunikační a informatické systémy, systémy rozvodu vody, svozu / recyklace odpadů,.. v další řadě i vše to, co zahrnujeme do správy a krizového řízení 5.Spolehlivost a bezpečnost též více závisejí na relacích, než na vlastnostech prvků 6.Komplexní systém nelze zvládnout hrubou silou, má svá specifika, např. rozmazanou evidenci (L.( Zadeh), nebo emergence 7.Funkce systému hodnotíme časem, spotřebou zdrojů, efektivitou, bezpečností, spolehlivostí, robustností, citlivostí na změny okolí, udržitelností a dopady na prostředí.
Metriky systému městské dopravy Čas (zprostředkovaně: rychlost / pohotovost / návaznost dopravních módů / zácpy - kongesce) Dopravní / přepravní výkon Náročnost na zdroje (energie, zabraný městský prostor, lidské zdroje...) Cena (vč. externalit, přepočtených investičních a recyklačních nákladů) Spolehlivost / robustnost / mimořádné události Bezpečnost (úmrtí, úrazy) Vliv na lidské zdraví fyzické i psychické Vliv na prostředí města (budovy, parky, památky...) Jaký je současný stav? Je udržitelný?
Udržitelnost / příklady - Závislost na ropě - ceny BRENT
Udržitelnost příklady - Závislost na ropě prospekce
Udržitelnost příklady Plyn jako substituent ropy Zemní plyn (dominantně CH 4 ) se stává substitucí ropy. Lze očekávat podobný průběh, jako u ropy s posunem cca 30-40 let. Spalovací motory na stlačený zemní plyn CNG zatěžují prostředí podobně jako diesel 8-10. Motory na CNG / LNG mají oproti dieselům nižší účinnost aplikace v extravilánu (kamiony, dálkové busy, osobní automobily) Těžba (břidlicového) zemního plynu přináší značnou environmentální zátěž (únik metanu, znečistění vody). Bioplyn může mít jen doplňkový vliv Stacionární spalovací motory na plyn jsou účinnější a mají nižší dopady na prostředí lokální elektrárny, kogenerační jednotky Zemní plyn i bioplyn se relativně dobře skladují v stacionárních podzemních skladech Jak zemní plyn, bioplyn, tak i vodík (v roli přenašeče energie) mohou být relativně čistě využity v palivových článcích.
Udržitelnost příklady vliv na lidské zdraví ve městě Městská doprava na bázi uhlovodíkových paliv generuje tyto emise: aromatické uhlovodíky; CO; NO x ; přízemní O 3 ; foto - smog SO x PM; aerosoly; nanočástice; hluk a vibrace; stres (např. ze ztráty času ) CO 2
Východiska - obecná 1) Vyloučit zbytečnou dopravu (telecommuting, budovy+ +urbanistická řešení) 2) Zvýšit zastoupení pěší a cyklistické dopravy (urbanistická řešení) 3) Posílit podíl veřejné dopravy (metro, vlak, tram., bus; taxi) a zvýšit její priority!?! 4) Zdokonalit řízení dopravy na úrovních vozidel i infrastruktury (v2v; v2i; asistenční systémy; robotické systémy; vyladění módů; adaptivní řízení) 5) Zvyšovat účinnost využití energie v dopravě 6) Minimalizovat lokální dopady na lidské zdraví
Východiska technologie 1. Racionální strategické řízení města + urbanistický rozvoj 2. Nasazení ICT (Telematika, ITS, AI; senzorické / aktorové sítě; asistenční systémy; vozidla / systémy bez řidiče) SMART Cyklus obměny technologií 3 Moorovy cykly (6 let) Co přináší? 3. Elektromobilita (včetně posílení závislé elektrické trakce a plug-inhybridů) na úrovních: bus, fleetová vozidla; vozidla městských služeb, taxi; příměstská železniční doprava; lodní doprava. Řešení je to již pro současnost. Lokálně je téměř bezemisní. Potřebná je podpora rozvoje nabíjecí infrastruktury a preferencí v parkování, dostupu do centra apod. Cyklus obměny 10 15let. Co přináší? 4. Elektromobilita v individuální dopravě 2020 - diskuse 5. Synergie ICT / Elektromobilita Smart Grids Smart buildings 6. Vhodné využití CNG / LNG? (doprava v extravilánu; kogenerace; zásobníky energie) diskuse 7. Vyhlídky vodíkové technologie diskuse
Slabiny městské elektromobility (2013) 1. cena akumulátorů / superkapacitorů (10) trend (ve stupnici 1 nejmenší až 10 největší): -10 p.a. 2. dojezd (2) bus / (5) osobní automobil trend + 15 p.a. 3. životnost akumulátorů (2) trend + 10 p.a. 4. energetická hustota (2) trend + 7 p.a. 5. síť nabíjecích stanic pro individuální dopravu (2) trend + 25 p.a. Závěr: Při zachování těchto (konzervativních) trendů poklesne za 10 let cena aku na 1/3; dojezd se zvýší 4x; životnost vzroste 2.6x; energetická hustota se zvýší 2x a hustota sítě vzroste 9 x, tedy všechny faktory s výjimkou hustoty sítě nabíjecích stanic přestávají být slabinami podpora budování sítě dobíjecích stanic
Přednosti městské elektromobility 1. Minimalizace lokálních vlivů na lidské zdraví (10) 2. Bezpečnost (2) 3. Energetická účinnost (3) 4. Synergie s ICT Informatickou vrstvou Smart City a zprostředkovaně s Smart budovami a Smart sítěmi lepší řízení kvalitativní změny v městské dopravě (7) 5. Dynamika (2) 6. Udržitelnost při postupném přechodu generace elektrické energie na udržitelné resp. zelené zdroje (5)
Poznáváte je?
Reference 1 German Federal Government s National Electromobility Development Plan, Aug. 2009 2 A.D.Little future lab.: Future of Urban Mobility 2.0. Jan 2014 3 Votruba Z. :Procesní a zdrojová analýza silniční elektrické dopravy Konference Elektromobilita v silniční dopravě a 21. století, Fakulta dopravní ČVUT, 7 dubna 2010. 4 Jørgensen,J. M., et al: EcoGrid EU - A prototype for European Smart Grids Detroit 2011 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 2010 6 Duchoň, B.,et al : Studie budoucího rozvoje dopravy v české republice ČVUT, Fakulta dopravní. 7 Slavík,J.: E-mobilita v MHD, studie srpen 2013; www.proelektrotechniky.cz 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. 2012 549-98 10 Oberdorster, G., Significance of Particle Parameters J. Inhal. Toxicology 1996; 8,Suppl: 73-89
Přílohy
Globalní energetická rovnováha vstupy 5 Sluneční radiace, vstupující do atmosféry 173 PW. (99.97%, 340 W m 2 ) Tok energie ze slunce je v globálním měřítku velmi stabilní, kolísání během cyklů sluneční aktivity je cca 0.1% Z toho: Větrná energie ( 0.01% 72 TW) Vodní (řeky) ( 0.001% 7 TW) Geotermální energie ( 45 TW; 0.08 W m 2 ) Přílivová energie ( 3 TW; 0.0059 W m 2 ) Potřeba lidstva: 15 TW Ztrátové teplo ze spalování fosilních paliv (0.007%, 13 TW; 0.025 W m 2 )
Členění energií pro dopravu Druhy energie, použité (degradované) v dopravě se člení do 2 základních tříd: př. 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: - př. a)lokální b)spojité (globální) podle možnosti uskladnění: př. 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)
Dostupné hustoty (chemické) energie (DoE) Czech Technical University in Prague - Faculty of Transportation Sciences Department of Control and Telematics
Slabiny / výzvy EM (2009) 1 1) Zásobníky energie (akumulátory, superkapacitory) nízká objemová i hmotnostní hustota energie i výkonu cena spolehlivost / životnost / bezpečnost / vliv teploty čas dobíjení 2) Integrace do sítě (smart grids) 3) Rámec: vzdělání a výcvik / recyklace / normy / legislativa 4) Trh: obchodní modely / diversifikace aplikací / řízení vstupu na trh 5) Mezinárodní pozice: v EU / rozvinuté země / nové ekonomiky / rozvojové země 6) Frustrace z nerealistických očekávání
Ad 1. stav EM (2013) 1. cena uložení energie - problém zůstává; pokles ceny sleduje předpoklady s výhradou 2. nízká objemová i hmotnostní hustota energie i výkonu problém zůstává; současné hodnoty cca 350 Wh/kg = 1,25 MJ/kg 1/15 hustoty energie v nádrži s ropnými palivy; zlepšování (2000 2010) 5 ročně ( t.j. dvojnásobek za 15 let) Náprava: intenzívní výzkum! (Li vzduch; Al vzduch; superkapacitory - grafen ) disk. 1.i 2. nezpůsobují již v současnosti zásadní aplikační obtíže ve městech / aglomeracích 3. spolehlivost / životnost / bezpečnost / vliv teploty - - zlepšení vyšší stupeň osvojení technologií diskuse 4. čas dobíjení a způsoby dobíjení - podstatné zlepšení
Příklad: Spotřeba energie u autobusů a emise CO 2 7 s laskavým svolením autora