Ulaşımda
-Demiryollarında Enerji Verimliliği:
1--Yolcu
Ulaştırma Modlarına Göre Türkiye’de Yurtiçi Taşımacılık:
Karayolu………………%95
Demiryolu……………..%2,8
Havayolu……………...%1.7
1.1--AB’de
ise:
Karayolu………………%44.5
Demiryolu……………..%9.6
Havayolu……………...%6.6
2—Kayıplar:
2.1-- Trafo merkezlerinden araçlara enerjinin
iletildiği katener sistemleri ve dönüş iletkenlerindeki kayıplar ise ortalama
olarak %4 civarındadır.
2.2-- Trafo merkezlerinde trenlerin işletimini
sağlayan cer trafoları sıcak yedekli olarak çalıştırılmaktadır. Güvenlik ve
hizmetin sürekliliği bakımından tercih edilen bu durum, Hindistan
Demiryollarındaki ölçümlerde trafonun sıcak çalıştırılmasının, trafonun toplam
kaybının %33’ne denk geldiği tespit edilmiştir.Sıcak yedekli olarak çalıştırılan cer trafolarının soğuk
yedekli kullanılması için fizibilite çalışmalarının yapılması gerekmektedir.
2.2.1--Ayrıca geleneksel trafo yerine süper iletken
trafolar kullanıldığında enerji tüketimini trafo için %90, trenin toplam enerji
tüketimi için %30 azalmaktadır. Cer için harcanan enerjinin yaklaşık %3’ü trafo
merkezlerinde dönüşüm ve transmisyon sırasında kaybedilir
3-- Tren kütlesindeki %10 oranında bir artış, araç
enerji tüketimini %6-8 oranında arttırmaktadır
3.1--Ağırlığı azaltarak enerji tasarrufu yapabilmek
için alüminyum-paslanmaz çelik teknolojisinden, çelik çerçeve
konstriksüyonundan ve sandviç
konstriksüyonundan
faydalanılabilir.
4-- Aerodinamik sürtünme gibi viskoz karakterde
sayılır fakat hızın küpü ile doğru orantılıdır.
4.1--Fakat kent içinde kullanılan raylı sistem
taşımacılığında aerodinamik sürtünmenin etkisi yok denecek kadar azdır.
5-- Cer ve yardımcı konverterin soğutulması için
merkezileştirilmiş soğutma sistemlerinin kullanımının hem araç kütlesini
azaltacağı hem de sistem verimini arttıracağı öngörülmektedir.
6--Araçların stand by konumunda kalmalarıyla her yıl
1,3 GWh enerjinin kurtarıldığı gözlemlenmiştir.
6.1--Hannover’da bulunan ulaşım uzmanı ÜSTRA
düzenlemelerle enerji tüketimini düşürmenin mümkün olduğunu göstermiştir. Düşük
sıcaklıklarda tüm gece araçlar stand by modunda bırakılmıştır.
6.2--Sonuçta araçlarda bulunan ısıtıcı sitemler tüm
gece boyunca açık kalmıştır. Yüksek sıcaklıklarda ise araçlar tamamen
kapatılmıştır.
7--Tasarım kriterlerine göre trafo ile araç
arasındaki gerilim düşümü en_fazla %30 olmalıdır. Teorik olarak 750 V yerine
1500 V kullanılırsa gerilim düşümü yarı yarıya azalmakta ve trafolar arası
mesafe 4 katına çıkabilmektedir. 750 V için tipik trafolar arası mesafe 1,5 km
iken 1500 V için bu değer 6 km. olabilmektedir.
7.1--İstanbul’un Anadolu yakasında yapılması
planlanan Üsküdar - Ümraniye metro hattının cer gücü besleme sisteminin ön
boyutlandırılması gerçekleştirilmiş ve bu hatta ilişkin veriler ile yapılan
çalışmada besleme sisteminin 750 V DC yerine 1500 V DC seçilmesi durumunda elde
edilecek tasarrufun %10 mertebelerinde olacağı belirlenmiştir
7.2--Benzer şekilde, Kadıköy - Kartal metro hattına
ilişkin veriler ile yapılan çalışmada da 2025 yılı işletme şartlarında yıllık
tasarrufun 12,5 Milyon kWh olarak gerçekleşeceği bulunmuştur.
7.3--İBB yeni metro hatlarında 1500 V DC besleme
seviyesinin kullanılmasını kararlaştırmış ve Kadıköy-Kartal,
Kirazlı-Başakşehir-Olimpiyat, Üsküdar-Ümraniye-Çekmeköy hatlarında 1500 V DC
sisteminin kurulmasını istemiştir.
8--DC gerilim ile beslenen çift hatlı sistemlerde
her iki yola ait katener sistemleri yalıtkan kablolar ile
paralellenebilmektedir.
8.1--Paralelleme kablolarının sıklığının enerji
tüketimi üzerine etkisi araştırılmış ve sonuçları [23] sunulmuştur. Çalışmada,
TM’ler arasında yapılacak 1 veya 2 adet paralelleme ile %2,5 civarında,
paralelleme noktalarının arttırılması ile %5’e kadar enerji tasarrufu
sağlanabileceği gösterilmiştir.
8.2--Paralellemenin başlıca avantajları:Enerji
kayıplarını azaltır.-Akım bölüşümünü arttırarak sistemin rahatlamasını sağlar.
8.3-- Yoğun tren işletmeciliğinin yapıldığı
sistemlerde yapılacak sık paralelleme ile enerji tüketimi %5 seviyelerinde
azaltılabilmektedir.
9-- Araçlar tükettiği enerjinin yaklaşık %40’nı
frenleme sırasında üretebilmektedir. Fakat bu %40’lık frenleme enerjisi ancak
bir tren frenleme yaparken ve diğer trende ivmelenme yapması ve aynı zamanda bu
iki trenin 1 km’lik bir alanda bulunması ile mümkündür .
9.1--Frenleme sırasında geri kazanılacak enerji her
raylı sistemi kendine özgü şartlarına ve elektrifikasyon altyapısına bağlı
olmakla birlikte, uygulamada %10 oranları seviyesinde veya daha düşük
değerlerde kalmaktadır.
9.2--Rejeneratif frenleme sistemi ile geri kazanılan
faydalı enerji, kalkmak üzere olan başka bir aracın kullanması için enerjiyi
hatta geri verir.
9.2.1--Elektrik güç kaynağı tersinir kapasitede
tasarlanmamışsa, frenlemeden dolayı katenerde yükselen gerilim, araç çatısına
yerleştirilmiş rezistanslarda harcanır
10-- Enerji etkin sürüş, raylı sistem
işletmeciliğinde enerji tasarrufu için en umut vadeden stratejidir. Bunun için
treni kullanan kişilere verimli sürüş eğitimleri verilmeli ve DAS hayata
geçirilmelidir.
10.1--DAS (elektronik sürücü uyarı sistemleri) bu
alanda kullanılabilir. Sürücüler süzülme uygulaması konusunda eğitilmelidir.
Araçların spesifik tüketimi azaltılabilir.
10.2-- Enerji etkin sürüş ile ilgili dünyada yapılan
çalışmalarda tüm trafik tipleri için %10 tasarruf potansiyeli öngörülmüştür.
10.3--Enerji ölçerler, simülasyon ile üretilen
tüketim verilerinden çok daha güvenilir enerji tüketim verisi sağlarlar, bu
yüzden enerji tasarruf tedbirlerini ortaya çıkarmak için de iyi bir
vasıtadırlar.
11--Yapılan çalışmalar göstermektedir ki, teorik
olarak, hatta kullanılan toplam enerjinin tren işletme sıklığına bağlı olarak
yaklaşık %40’ı frenleme enerjisinin geri kazanımından sağlanabilir
11.1--Bu açığa çıkan frenleme enerjisi hatta bulunan
diğer trenler tarafından kullanılır veya frenleme dirençlerinde yakılarak
harcanır.
12--Enerji depolama teknolojileri aracılığı ile
işletme maliyetlerine ilişkin önemli ölçüde enerji tasarrufu
gerçekleştirilebileceği düşünülmektedir. Birkaç enerji depolama sisteminin
yerleştirilmesi ile bir depolama sisteminin senede 340.000 kWh enerji tasarrufu
yaptığı gözlemlenmiştir.
12.1--Enerji depolama sistemleri-Enerji depolama
sistemleri, güç talebi düşükken depolama ile güç talebi fazla iken de deşarj
olma yolu ile kullanıcıya bir esneklik sağlamaktadır. Enerji depolama
elemanları araç üstü veya hat boyunda istasyon olarak uygun bir yere monte
edilebilir.
12.1.1--Bununla birlikte hat iletkenlerindeki
kayıplar eğer düşük katener voltajlı sistemlerde ise (600 V veya 750 V) enerji
depolama sistemleri daha verimli olacaktır.
12.1.2-- Sistem eğer araçların direk birbirleri
arasındaki enerji alışverişlerini sağlayacaksa depolama sisteminin boyutu
küçülmektedir
12.1.3--Bataryalar (Akümülatörler)-çok yüksek
bir enerji yoğunluğuna sahiptirler. Ancak, düşük güç yoğunluğundan dolayı şarj olma süreleri
yüksektir. Demiryolu taşımacılığı uygulamalarını göz önünde bulundurduğumuzda
günümüz bataryaları, volan ve süperkapasitörlerin gerisinde kalmıştır.
12.2—Ultrakapasitörler-Frenleme enerjisinin geri
kazanılmasında olduğu gibi, trenlerin ivmelenme anında ve eğim çıkışlarında da
güç desteği sağlamak için birincil enerji kaynağı olarak geliştirilmektedirler.
12.2.1--Çift katmanlı kapasitörler diğer
kapasitörlere nazaran çok yüksek bir enerji yoğunluğu için
geliştirilmişlerdir.Bunlardan seçilecek olan ultrakapasitöre bazı simülasyon
çalışmaları yapıldıktan sonra karar verilir
12.2.3--Süperkapasitörlerin yükü arttırdığı bir
gerçektir fakat yapılan bir çalışmada yükü arttırmasına rağmen yine de enerji
tasarrufu sağladığı görülmüştür. Bu değer kullanılan ultrakapasitör çeşidine ve
kişi sayısına bağlı olarak %23 ila %26 değerleri arasında değişmektedir
12.2.4--Çift katmanlı kapasitörler DC trafoya step
-up/step- down konvertörle bağlıdır. Bu konvertör aynı zamanda gerilim
sabitleyici rol oynar . Süperkapasitörler kontrol amaçlı bir ek donanıma
ihtiyaç duyarlar.
12.2.5--Bu kontrol ünitesi pik güç noktalarını
tespit ederek daha fazla gücü trene verir, gerilimi sabit tutar ve ne zaman
şarj ve deşarj olacağını süperkapasitöre bildirir.
12.2.6--Düşük yük zamanlarında iki tren arasında
depolama sistemi düşük akımda şarj olur. Yüksek yükte ise kontrol ünitesi
kullanılan gerilim seviyesine göre eşik seviyeyi fark eder. Bu eşik seviyesinin
altında deşarj olarak sistemin geriliminin sabit kalmasını sağlar.
12.3--(Volan)-Flywheel, dönen kütle üzerine
temellenen bir elektromekanik enerji depolama sistemidirr.Flywheel sistemleri
yüksek enerji ve yüksek güç yoğunluğuna sahip karakteristiktedirler ve bu durum
bunları demiryolu araçları için frenleme enerjisinin depolanmasında çekici bir
teknoloji haline getirmiştir.
12.3.1--Ultrakapasitörlerle kıyaslandığında da
onlara göre daha uzun bir çevrim ve kullanım ömrüne sahiptirler. Şarj ve deşarj
olma süresi bakımından Ultrakapasitörler ile Bataryalar arasında bir yerdedir.
%90’dan fazla verimliliği vardır.
12.3.2--Piyasada var olan volanların yatırım
maliyetleri oldukça yüksektir. Bir araştırmaya göre bunların amortisman
süreleri 17-30 yıl olarak hesaplanmıştır.
12.4—Tren üstü enerji depolama sistemi
uygulamalarında sadece elektrokimyasal piller ve süper kapasitörler pratik bir
uygulama alanına sahiptir. Elektrokimyasal piller ve süper kapasitörlerin
birbirlerine göre artıları eksileri de olsa süper kapasitörler gücün pik
yaptığı noktalarını karşılamada daha elverişlidir.
12.4.1--Araç üstü enerji depolama İçin ilk çözüm
Bombardier Ulaşım tarafından Manheim’de bir prototip araçta yapılmıştır.
Prototip modern bir hafif raylı araçtır ve depolama cihazı enerji içeriği 1kWh
ve ağırlığı 450 kg olan süperkapasitörler kümesidir. Önemli dezavantajları
trenin ağırlığını yaklaşık %2 yükseltmesi, ek yere ve çift yönlü yükselticiye
konvertör ve yüksek maliyete ihtiyaç duymasıdır.
12.4.2--Bu sisteme Bombardier firması
tarafından MİTRAC ismi
verilmiştir. Bu sistemin
enerji depolaması dışında da birçok avantajı da mevcuttur. (enerji
verimliliği, ivmeleme sırasında pik güç ihtiyacını karşılama, altyapı
kayıplarını düşürme ve gerilim stabilizasyonu)
12.5--İstasyon tipi enerji depolanma sistemlerinin
kurulumları hat boyunca gerilim düşümlerinin fazla olduğu ve çekilen net gücün
fazla olduğu yerlerde olmalıdır.
12.5.1--Depolanan enerji aynı veya farklı trenlerde
kullanılabilir. Enerji tasarrufundan başka istasyon tipi depolama, zamanla güç
talebini yumuşak bir şekle sokar ve katener geriliminde sabitleyici bir etki
yapar.
12.5.2--Bununla birlikte yatırım maliyetleri de
yüksektir. Bu yüzden ölçü olarak sistemdeki önemli noktalar belirlenerek
kullanımı buralarla sınırlandırılabilir.
12.6--Araç üstü enerji depolama da hat kayıpları
düşer ve gerilim stabilizasyonu sağlanır.
12.6.1--Ayrıca İstasyon tipi enerji depolama
sistemlerinin maliyeti, diğer sisteme göre oldukça yüksektir.
12.6.2--İstasyon tipi enerji depolama sistemlerinden
alınan verimin yüksek olması için trafik yoğunluğunun az olduğu yerlerde
kullanılması gerekir
13--Teorik bir bakış noktası ile enerji tüketimi
açısından en verimli seyir; düşük hızda ve aradaki duruşların olmadığı bir
seyirdir. Verimli bir sürüş yöntemiyle enerji tüketimin ortalama bir sürüşe
göre %12 düşebileceği yapılan çalışmalarda gözlemlenmiştir.
13.1--Hesaplanmış bir hız profili ile bir sonraki
istasyona %10’luk küçük bir zaman uzamasıyla bile %25’lik bir enerji kazancı
olabilmektedir.
13.2--Yokuş aşağı olan yerlerde %45-50’lik bir
enerji tasarrufu mümkündür.
13.3--Zaman öncelikli sürüş yerine enerji tüketimini
minimize edecek şekilde sürüş/kontrol teknikleri geliştirilmeye
çalışılmaktadır. En basit şekli ile tren maksimum hızda belli bir sürede
gittikten sonra boşta çalışma rejimine alınmakta ve araç karşı kuvvetlerin
etkisinde yavaşlamaya bırakılmaktadır.
13.3.1--Maksimum hız limitlerinin, inşaat
limitlerinin altına çekilmesi de önerilen yöntemlerden biridir. Bu yöntemlerle
elde edilecek enerji tasarrufunun en fazla %15 civarında olacağı
belirtilmektedir.
14—Karbondioksit
Emisyonları:
1--Motorinin litre başına ürettiği CO2 miktarı 2,65
kg/lt’dir.
2--
Elektrik Üretim Şekillerine Göre kg/MWh Cinsinden CO2 Salınım
Miktarları-CRIEPI, Japon göre:
Kömür……………..990
Gaz………………..653
Solar PV…………..59
Nükleer……………21
Rüzgar…………….37
Hidroelektrik……….18
3-- İETT Kullanılarak Yapılan Ulaşımda Kişi Başına
Düşen CO2 Miktarı-257,5 gr
4—Kaynağa
göre raylı sistemlerde kişi başına CO2 Miktarı-gr:
Kömür……………..12.9 gr
Gaz………………..0.9
Nükleer……………0.08
Rüzgar…………….0.2
Hidroelektrik……….0.04
4.1-- Raylı sistem kullanımı her durumda CO2 salımı
açısından oldukça düşük değerdedir. Çünkü tercih edilen yakıt tipi kömür dahi
olsa kişi başına düşen CO2 miktarı 244,6 gr azalmaktadır.
15--Tramvay ve Şehir içi Otobüs Yolcu Taşıma
Şekillerinin Enerji Verimliliği Açısından Kıyaslanması-Yapılan maliyet
analizleri sonucunda tramvay için kişi başı maliyet 1,71 kuruş iken bu değer
şehir içi otobüs için 7,49 kuruştur, yani 4,38 katıdır. (Alt yapı üst yapı
maliyetleri inşaat mühendisliğinin alanına girmesi sebebiyle hesaba dâhil
edilememiştir.)
15.1- SimuX simülasyon programı kullanılarak yapılan
çalışmada eğim değerinin -%5’den %5’e çıkması durumunda yani eğimdeki %10’luk
artışta enerji tüketimi değeri 18,62 kat arttığı görülmüştür. Rejeneratif
frenleme enerjisinin etkisinin ise test eğim değerlerinde %14-15 gibi bir
kazanç sağladığı hesaplanmıştır.
15.2--Eğimin %3-6 olduğu bir yolda katenerin cer
gücü besleme sistemine uzaklığına ve direncine bağlı olarak trafo merkezindeki
kayıpların %2 ila %10,4 arasında değiştiği gözlemlenmiştir
Kaynak:Rayli Sistemlerde Enerji Verimliliği-Mine
Sertsöz-Kocaeli 2012-Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü-Elektrik
Mühendisliği Anabilim Dali-Yüksek Lisans Tezi