بخشی از مقاله
امکان سنجی استفاده از دوچرخه الکتریکی بعنوان یک جایگزین حمل ونقل خصوصی
چکیده:
پیچیدگی جوامع امروزی و تعدد امور روزمره شهروندان بویژه در کلانشهرها، طبعا تمایل هر فرد بسوی شیوههای جدید حملونقلی که بتواند بازه گسترده تری از کارها را شامل گردد را در بردارد. در این میان شیوه ای که باعث ایجاد صرفه جویی در مسیر طی شده گردد و یا باعث ایجاد کمترین تغییر شیوه را در طی سیر مزبور گردد، و نیز تا حد امکان جابجایی در آن بصورت درب به درب انجام شود، مسلما مورد استقبال قرار میگیرد. بنابراین با توجه به میانگین فواصل سفرهای کاری، آموزشی، خرید و... بنظر میرسد که بتوان از دوچرخه بعنوان یک شیوه حملونقل مطمئن، اقتصادی و پاک نام برد. اما استفاده از این شیوه و گسترش کاربرد آن مستلزم فراهم نمودن شرایطی است که ممکن است موجب عدم پذیرش آن از سوی برخی کاربران شود. مهمترین مشکلات برای استفاده از دوچرخه، عدم تمایل به استفاده از آن بدلیل عدم وجود خطوط ویژه و نیز توان فیزیکی بیشتر برای استفاده و عدم راحتی برای طی مسافت در مقایسه با وسایل نقلیه موتوری نظیر وسایل نقلیه شخصی و راه چارهای که هم بتواند کمترین هزینه را همچنان حمل ونقل عمومی همگانی به کاربران تحمیل کند و در عین حال حملونقل درب به درب را انجام داده و نیز باعث افزایش آلاینده های جوی نگردد، استفاده از دوچرخه الکتریکی یا E-Bike است. در این تحقیق با معرفی این وسیله نقلیه و ویژگیهای فنی آن، پارامترهای موثر و نیز امکانسنجی جایگزینی آن با وسایل نقلیه شخصی در مسافت های کوتاه تا متوسط شهری از نقطه نظرهای مختلف، سعی میشود تجربیات موفق در این زمینه برای الگوبرداری آن در داخل کشور بررسی گردد.
واژههای کلیدی: دوچرخه الکتریکی، حملونقل خصوصی، حمل ونقل درب به درب، امکانسنجی
۱- پیش زمینه
دوچرخه های برقی یا الکتریکی شیوه جدید حمل و نقل است که تلفیق مزاید زیست محیطی و بهداشتی پدیده ای جدید است که می تواند برای جامعه بسیار مفید باشد. طبق شواهد و اسناد موجود در قانون ایمنی وسایل موتوری دوچرخه های الکتریکی می توانند تا حدود ۵۰۰ وات انرژی الکتریکی داشته اشند و از این طریق بصورت قانونی مشابهت با دوچرخه های با نیروهای انرژی انسانی .(Canada Gazette 650-659). All Alls استفاده از دو چرخه در مقایسه با دیگر شیوه های حمل و نقل، از دیدگاه انرژی، دسترسی، محدوه حرکت و مسافت، حمل و نقل درب به درب، سرعت و آلودگیهای زیست محیطی یکی از موثرترین و به صرفهترین شیوههای حمل و نقل میباشد. بعنوان مثال، برای طی مسافت یک کیلومتر توسط دوچرخه، ۵ الی ۱۵ وات ساعت (W-fl) انرژی لازم است در حالیکه برای طی همین مسافت به حدود ۲۰-۱۵ (W-fl) انرژی توسط پیادهروی، ۴۰-۳۰ (W-h) انرژی توسط قطار و بیش از ۴۰۰ (W-fl) انرژی با استفاده از وسیله نقلیه تک سرنشین انرژی لازم است. همچنین، طبق تحقیقات [ BOuWIman تاثیر زیست محیطی استفاده از دوچرخه الکتریکی به میزان قابل توجهی از دیگر وسایل حمل و نقل همچون خودرو، اتوبوس و دیگر شیوههای مرسوم حمل و نقل عمومی کمتر است. استفاده از دوچرخه الکتریکی برای افرادی که قابلیت استفاده از دوچرخه هایی با نیروی رانش ماهیچه را دارا هستند مزیت به سزایی را ایجاد نمی کند. استفاده از نیروی باطری و انرژی الکتریکی برای افرادی که قابلیت استفاده از نیروی ماهیچه ای برای حرکت دوچرخه را دارند مورد بحث است زیرا در این صورت هزینه های زیست محیطی استفاده از دوچرخه افزایش مییابد (با این وجود تنها راه بررسی توجیه استفاده از دوچرخه های الکتریکی در مقابل دوچرخه های معمولی مقایسه تحلیلی چرخه عمر کامل این دو نوع دو چرخه است).
۲۔دید گاہ انرژی محور
۲ - ۱ - مفروضات
مفروضات متعددی می توان برای ساده سازی مقایسه چرخه عمر مدنظر قرارداد.این فرض می تواند این باشد که دوچرخه الکتریکی و دوچرخه معمولی مصرف انرژی یکسانی در هر کیلومتر دارند این ساده سازی منطقی است زیرا دوچرخه های الکتریکی اغلب شکل آیرودینامیکی یکسانی در مقایسه با دو چرخه های معمولی دارند و اضافه وزن ناشی از موتورها و باطری در مقایسه با وزن ناخالص دو چرخه ناچیز است.به جهت اینکه مقاومت هوا تا حد خیلی زیادی جلوی انرژی دو چرخههای الکتریکی را می گیرد نمی توان تصور نمود که افراد دوچرخه های الکتریکی سرعت بیشتری نسبت به دو چرخه های غیرالکتریکی داشته باشند. اما از آنجا که در استفاده از انرژی الکتریکی محدودیت سرعت ۳۲ کیلومتر در ساعت وجود دارد. (برابر با سرعت متوسط یک دوچرخه سوار حرفه ای) می توان با تقریب و تخمین اولیه از این فاکتور صرف نظر نمود.
در این مقایسه تنها مواد مصرفی هر دو شیوه مدنظر قرار می گیرد. دو چرخه های الکتریکی اجزاء مشابهی در مقایسه با دوچرخه های معمولی دارند. تنها موتور، کنترل کننده موتور، مجموعه باطری ها و شارژر باطریها اجزائی اضافه شده هستند. بنابراین هزینه تولید اولیه دوچرخه های الکتریکی در مقایسه با دوچرخه های معمولی بالاتر است. هر چند میتوان موتور، هدایتگر موتور و شارژر را بدون درنظر گرفتن هزینه تعمیر و نگهداری با چرخه عمر طولانی مدت (در حد بی نهایت در مقایسه با دیگر اجزاء) در نظر گرفت. بنابراین در دو چرخه های الکتریکی بغیر از هزینه اولیه تولید هزینه های زیست محیطی ناچیز است. تنها جزئی که احتیاج به جایگزین دارد، مجموعه باطری است که در تمامی محاسبات مدنظر قرار می گیرد.
در این تحقیق اثرات ثانویه نیز در نظر گرفته نمی شوند برای مثال صرفه جوئی های منافع ناشی از سلامت و هزینه های فعالیت بدنی مدنظر قرار گرفته نمی شود یا هزینههای تحمیل شده بواسطه دفع باطری و آلایندگی های ایجاد شده مدنظر قرار نمی گیرد. محاسبات مربوط به مورد اول امری پیچیده می باشد در حالیکه مورد دوم با توجه به اینکه عمل دفع آلاینده ها موردی معمول است را می توان مدنظر قرارداد.
تحت این مفروضات، تحلیل چرخه طول عمر از طریق یک مقایسه نسبتا ساده مصرف انرژی صورت می پذیرد کافی است بدانیم چه میزان انرژی اولیه لازم است تا مقدار انرژی غذا برای تولید مقدار مشخصی انرژی ماهیچه ای تولید شود. این انرژی سپس با انرژی اولیه مورد نیاز برای تولید میزان کار مشابه از طریق استفاده از موتور و باطری مقایسه می شود. انرژی اولیه یعنی هرگونه منبع انرژی تولید شده توسط انسان مثل انرژی الکتریکی یا انرژی حاصل از سوزاندن سوختهای فسیلی. بنابراین مثلا انرژی خورشیدی استفاده شده برای تولید محصولات در این زمره قرار نمی گیرند. در این مقایسه واحد انرژی اولیه، انرژی باطریها و انرژی غذا از این به بعد بترتیب مگاژول، وات - ساعت و کیلو کالری خواهند بود.
لازم به ذکر است هر مگاژول برابر با یک میلیون ژول، هر کیلو کالری برابر با ۴۲۰۰ ژول و هر ولت ساعت برابر با ۳۶۰۰ ژول می باشد.
۲ - ۲ - انرژی تولید غذا
صنایع غذایی یکی اصلی ترین استفاده کنندگان انرژی در جوامع غربی می باشند. در مطالعه جامع انجام شده توسط انجمن ملی صنایع غذایی کانادا (CAEEDAC) حدود ۱۱٪ از کل مصرف انرژی کانادا توسط بخش صنایع غذایی صورت می پذیرد. این میزان شامل انرژی مستقیم استفاده شده توسط صنعت کشاورزی و یعنی انرژی مورد استفاده برای تولید کود، سموم و ماشینآلات کشاورزی و همچنین انرژی استفاده شده برای بسته بندی، عمل آوری و حمل و نقل مواد غذائی و نهایتاً انرژی استفاده شده برای پخت و پز مواد غذایی میباشد. این انرژی بصورت سرانه ۵۶ مگاژول یا ۱۳۴۰۰ کیلو کالری در روز می باشد (منبع: CAEEDAC36). از طرف دیگر میزان کالری متوسط استفاده شده توسط یک فرد در طول زندگانی تقریباً ۲۰۰۰ کیلو کالری در روز میباشد بدین صورت می توان کارایی صنعت تولید مواد غذایی در کانادا را محاسبه نمود که میزان ۲ به ۱۳/۴ میباشد. بنابراین به ازاء هر یک کالری مصرفی به عنوان انرژی تولید شده از طریق مصرف غذایی، تقریباً ۷ کالری صرف تولید آن شده است. این میزان بهرهوری یعنی ۱:۷ مشابه مواردی که قبلاً توسط افرادی همچون گونتر (Gutner) که عدد ۱۷ را برای سوئد و همچنین آمریکا ۱:۱۱، و همچنین میزان متوسط مربوط به جوامع غربی ۱:۹/۵ (منبع) ارائه نموده اند، می باشد.
۲ - ۳ - کارائی متابولیک
کارائی متابولیک انسان بر روی دوچرخه بسیار خوب است. مطالعات کالری سنجی نشان داده است که یک ورزشکار دارای آمادگی جسمانی خوب و تمرین مناسب بازدهی ۲۲ تا ۲۶ درصد بسته به شرایط دارد. این بدان معنی است که به ازاء هر یک کالری انرژی مکانیکی استفاده شده برای رانش دوچرخه، ۴ کالری انرژی مواد غذایی مورد استفاده واقع می شود. با ترکیب کارایی متابولیک و کارایی تولید مواد غذایی می توان به یک رقم خالصی برای کارایی نیروی انسانی رسید:
به بیان دیگر، بطور متوسط به ازاء هر واحد انرژی مکانیکی تولید شده برای رانش دو چرخه ۲۸ واحد انرژی اولیه (یعنی سوختهای فسیلی) مصرف شده است.
۲ - ۴ - کارایی باطریها
منبع تولید انرژی رانش دوچرخه الکتریکی باطریهای قابل شارژ می باشند. در حال حاضر ۴ نوع باطری ازلحاظ شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرنده باطری اسید سرب (PbA) که بسیار متداول تر است و همچنین باطریهای نیکل - کادمیوم (Nicad) (که به ندرت از آنها استفاده می شود) و نیکل متال - هیدرید (NiMH) و یون لیتیوم (Li-ion)، دو مورد اخیر که جدیداً به بازار مصرفی شده است پیشرفتهای به سزایی در صنعت تولید دوچرخه الکتریکی را باعث شده اند.
انتخاب باطری با توجه به تمرکز انرژی بیشتر در نوع لیتیوم و NiMH و هزینه پائین تر نوع اسید سرب و طول می شود. بنابراین چرخه انرژی هر کدام از این چهار نوع باطری بصورت جداگانه مورد بررسی قرار می گیرد.
یافتن اطلاعات جامع مربوط به کل انرژی مورد نیاز برای تولید باطری های قابل شارژ دشوار است. کامل ترین تحلیل موجود مربوط به Rydh میباشد که نتایج آن در جدول ۱ آورده شده است.
در جدول ۲ هزینه انرژی برای انتقال باطریها برپایه چگالی انرژی آنها با فرض مسافت حمل ۱۰.۰۰۰ کیلومتر (تایوان به ونکوور) و کارایی حمل بارهوایی ۲۰ مگاژول در تن (F۹ydh) آورده شده است. همانطور که مشاهده می شود انرژی استفاده شده برای حمل تقریباً مساوی با کل انرژی تولیدی میباشد. در حالیکه برای باطری نوع سرب اسید انرژی کل ۷ برابر انرژی تولید میباشد.
انتخاب باطری با توجه به تمرکز انرژی بیشتر در نوع لیتیوم و NiMH و هزینه پائین تر نوع اسید سرب و طول می شود. بنابراین چرخه انرژی هر کدام از این چهار نوع باطری بصورت جداگانه مورد بررسی قرار می گیرد.
یافتن اطلاعات جامع مربوط به کل انرژی مورد نیاز برای تولید باطری های قابل شارژ دشوار است. کامل ترین تحلیل موجود مربوط به Rydh میباشد که نتایج آن در جدول ۱ آورده شده است.
در این جدول میزان انرژی اولیه مورد نیاز برای تولید یک وات - ساعت ذخیره باطری برحسب مگاژول آورده شده است.
در این اعداد s ارقام حمل s نقل مواد خام به کارخانه تولید کننده و همچنیر هزینههای حمل ونقل محصول اغلب باطریهای وسط کشورهای چین یا تایوان تولید شده و توسط حمل و نقل هوایی به آمریکای شمالی منتقل می شوند. در جدول ۲ هزینه انرژی برای انتقال باطریها برپایه چگالی انرژی آنها با فرض مسافت حمل ۱۰.۰۰۰ کیلومتر (تایوان به ونکوور) و کارایی حمل بارهوایی ۲۰ گاژول در تن (F۹ydh) آورده شده است. همانطور که مشاهده می شود انرژی استفاده شده برای حمل تقریباً مساوی با کل انرژی تولیدی میباشد. در حالیکه برای باطری نوع سرب اسید انرژی کل ۷ برابر انرژی تولید میباشد.
چرخه طول عمر باطری
میزان کل انرژی ای که می توان از یک باطری استخراج نمود برابر است با ظرفیت آن برحسب وات - ساعت ضربدر تعداد کل چرخه های شارژ و تخلیه قابل انجام توسط آن. کل انرژی مکانیکی قابل ارائه به دوچرخه برابر است با میزان کل انرژی قابل استخراج باطری ضربدر بازدهی موتور.
کل انرژی مصرف شده توسط مجموعه باطریها طی فرآیند شارژ مجدد بالاتر از انرژی قابل ارائه به موتور است و این بدلیل افت بازدهی در حین تبدیل است.
مقادیر دو مورد اخیر در دو دستور آخر جدول ۳ گنجانده شده است. میزان چرخههای قابل استفاده باطریها از طریق نظرات کاربران و نیز تحقیقات آزمایشاهی بدست آمده است.
کارایی شارژ نسبت انرژی خروجی باطری هنگام استفاده به حالت ایده آل ۱۰۰٪ است. کاراترین نوع باطری در این خصوص لیتیوم است در حالیکه دیگر موارد دارای واکنش های ثانویه ای هستند که میزان قابل توجهی انرژی را در چرخه اتلاف می نماید.
از تمامی این اطلاعات برای محاسبه نسبت ورودی انرژی و خروجی آن در یک دوچرخه الکتریکی استفاده می شود. روند محاسبه شامل تقسیم انرژی خروجی در جدول ۳ بر مجموع انرژی ورودی و انرژی حمل ذکر شده در جدول ۲ و انرژی تولید ذکر شده در جدول ۱ می باشد. این نسبت برای هر نوع باتری با مقدار از قبل محاسبه شده هزینه انرژی دو چرخه معمولی در شکل ۱ مقایسه شده است.
این نمودار نشان میدهد که بهینه ترین نوع باطری از لحاظ بازدهی انرژی باطری لیتیوم-یون میباشد زیرا وزن کمتری داشته و هزینههای حمل کمتری را ایجاد می نماید، هزینه تولید کمتری دارد و کارایی شارژ بالایی دارد.
باطریهای نیکل کادمیوم پس از آن قرار می گیرند زیرا تعداد بالای چرخه های شارژ هزینه های بالای تولید و حمل و نقل را جبران می نماید. باطریهای نوع سرب اسید بدترین نوع هستند زیرا برای هر مگاژول خروجی مکانیکی نیاز به ۱۷ مگاژول انرژی اولیه دارند و هزینه حمل بالایی بدلیل وزن زیاد دارا هستند. با این وجود باطریهای نوع سرب اسید به میزان یک سوم نسبت به انرژی مصرفی نیروی انسانی انرژی کمتری مصرف می نمایند. اعداد و ارقام بالا با فرض حالات متوسط یا معمولی بدست آمده است. مثلاً یک دوچرخه سوار می تواند با مصرف مواد غذایی محلی و بدون فرآوری کارخانه ای رکاب بزند. در این حالت نرخ انرژی اولیه به کالری های مواد غذایی نزدیک تر است یعنی حالت ۱ به ۱ با درنظرگیری کارایی متابولیک ۲۵٪ کارایی انرژی انسانی به حالت ۱ به ۴ افزایش پیدا می کند. که کمی بهتر از بازدهی باطری لیتیوم یون است. تحقیق مشابهی برای شناسایی میزان انرژی دریافتی هنگام شارژ برای باطریهای مختلف انجام شده و نتایج انرژی مصرفی یک چرخه سوار مقایسه شده است. نتیجه در شکل ۲ آورده شده است.
در این نمودار مشاهده می شود حالت بهینه در دو چرخه معمولی و دو چرخه الکتریکی دارای وضعیت مشابهی می باشند. همانطور که مشاهده می شود. باطری NiMH بیشترین ورودی انرژی را داراست در حالیکه باطریهای نوع سرب اسید و نیکل کادمیوم و لیتیوم یون تقریباً میزان یکسانی از انرژی را برای شارژ نیاز دارند.
۳- دیدگاه سیستم محور
در این بخش از تحقیق سعی شده است که مقایسه ای بین سیستم یا مد دوچرخه الکتریکی، و سایر مدها بر اساس معیارهای مختلف نظیر بازه s انعطاف حرکت و سرویس دهی، دسترسی، سرعت و آلاینده های زیست محیطی بویژه آلاینده های هوا صورت گیرد. برای درک بهتر این مساله، مقایسه طبق دو نمونه مطالعاتی که در چین و هلند انجام شده است ارائه خواهد شد.
۳ - ۱ - تحقیق چین
تحقیق انجام شده در چین، رشد شگرف دوچرخه های الکتریکی و مقایسه ای بین این مد و مدهای دیگر نظیر دوچرخه های سنتی، حمل و نقل عمومی و خودروهای شخصی بر اساس معیارهایی چون ایمنی و حفظ محیط زیست، را نشان می دهد. این پژوهش همچنین منافع دوچرخه های الکتریکی در مورد عواملی مانند افزایش محدوده حرکت، دسترسی به فرصتهایی ناشی از سرعت و مسافت کاربرد را بررسی کرده است. دوچرخه های الکتریکی، دارای بهره وری انرژی بیشتر و آلاینده های هوای کمتر در هر کیلومتر به ازای هر سفر در مقایسه با سایر مدها، می باشند. استفاده از این سیستم با جایگزینی با سفرهای انجام شده توسط خودروها، بهبود ایمنی در شهرهای چین را در برداشته است. در مقایسه با برخی مشکلات محتمل ناشی از این نوع دوچرخه ها همچون آلودگی اسیدی باتری های آنها، مزایای زیاد آنها کیے می تواند بعنوان یک استراتژی برای حمل s نقل yb آینده محسودا گردد، برای وسیله که با هر بار شارژ می تواند ۴۰ تا ۵۰ کیلومتر مسافت را بدون آلودگی هوا طی کند، قابل تامل است.
نتایج استفاده از دوچرخه های الکتریکی طبق معیارهای فوق، که توسط 1999 Chiu & TZeng و 2006.JamerSOn & Benjamin 2004: Weinert , Me et al انجام شده است در ادامه ارائه می گردد. در انتهای دهه ۹۰ تا سال ۲۰۰۵ حدود ۱۰ میلیون دو چرخه در سطح چین فروخته شده است که مقداری از آنها شامل نخست دوچرخه های الکتریکی معمولی (BSEB) و نوع دوم دوچرخه های الکتریکی شبیه به اسکوتر(SSEB) میباشند.
برخی از شهرها در چین دارای محدودیت های قانونی در مورد استفاده از دوچرخه های الکتریکی هستند. برخی قانون گذاران فکر می کنند آنها سریعتر از آن هستند که در خطوط دوچرخه سواری بکار گرفته شوند و برخی دیگر آنها را بسیار کند برای عبور در ترافیک عادی می دانند. قسمت اول این تحقیق در مورد ویژگی های کاربر و رفتار انتخاب مد دوچرخه الکتریکی در دو شهر شانگهای و کانمینگ شرح می دهد. بخش دوم در مورد نتایج آنالیز چرخه زیست محیطی انجام شده بر روی دوچرخه های عادی، الکتریکی و اتوبوس های عمومی بحث می کند. در ادامه آنها نیز اثرات ایمنی و دسترسی
بررسی می گردد. سرفصل انتهایی نیز در مورد مفاهیم پایداری این مد و راههای مناسب برای توسعه سیاست های مرتبط با آنرا تحلیلی را ارائه می دهد.
۱-۳ -۱ ویژگیهای کاربران دوچرخه الکتریکی
٪۵۲ .الکتریکی موجود نباشد ۵۰٪ افراد به اتویوس عمومی شیفت پیدا هي کنند اگر
۱-۳ - ۲ آثار زیست محیطی
بدون آلودگی هوا، اما مرتبط با منابع تولید برق است که در چین بیشتر نیروگاهها از نوع ذغالسنگی هستند. سربی بین مدهای ذکر شده یعنی دو نوع دوچرخه الکتریکی، دوچرخه معمولی و اتوبوس صورت می گیرد.
۳ - ۱ - ۳ نتایج مطالعات
خروجی های مشخص شده معیارهای اشاره شده در فوق در سطح چین و بخصوص شهرهای شانگهای و کانمینگ به شرح زیر می باشد:
