Mesoscale modeling of the impacts of congestion and ITS measures on vehicle energy consumption and greenhouse gas emissions over urban road networks

Abstract

Η υπερθέρμανση του πλανήτη και η συνεπαγόμενη κλιματική αλλαγή είναι από τα μεγαλύτερα προβλήματα της σημερινής εποχής, κυρίως λόγω των αερίων του θερμοκηπίου (GHG) που παράγονται κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων. Στην Ευρώπη, ο τομέας των μεταφορών είναι υπεύθυνος σχεδόν για το 25% των συνολικών ανθρωπογενών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, το 72% των οποίων οφείλεται στις οδικές μεταφορές. Εκτός από το προαναφερθέν παγκόσμιο πρόβλημα, οι οδικές μεταφορές αποτελούν μείζον πρόβλημα λόγω και των επιπτώσεών τους στην ποιότητα του αέρα στις αστικές περιοχές. Σε αυτό το πλαίσιο, μεγάλο μέρος της προσπάθειας για τη μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου και των λοιπών ρύπων έχει επικεντρωθεί στον τομέα των οδικών μεταφορών. Για τον σκοπό αυτό, έχουν προταθεί διάφορα μέτρα, όπως η μετάβαση σε καθαρότερα μέσα μεταφοράς, βελτιωμένες τεχνολογίες οχημάτων, η χρήση ευφυών συστημάτων μεταφοράς (ITS), καθώς και άλλα.Για την επιτυχή προσομοίωση συμβατικών και ITS μέτρων απαιτείται ένας συνδυασμός των μοντέλων κυκλοφορίας και των μοντέλων εκπομπών ρύπων. Ο συνδυασμός αυτός μπορεί να γίνει σε διάφορα επίπεδα με βάση την απαιτούμενη λεπτομέρεια, η οποία εξαρτάται από τον στόχο της προσομοίωσης και από άλλους περιορισμούς, όπως η διαθεσιμότητα δεδομένων και οι χρονικοί υπολογιστικοί περιορισμοί. Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι να παρουσιάσει νέες μεθόδους και εργαλεία που μπορούν να ενσωματωθούν σε μοντέλα εκπομπών μέσης ταχύτητας για τη βελτίωση του υπολογισμού της κατανάλωσης καυσίμου, του CO2 και άλλων εκπομπών ρύπων στα αστικά οδικά δίκτυα. Οι νέες μέθοδοι, οι οποίες περιλαμβάνουν τη μοντελοποίηση της κυκλοφορίας και των εκπομπών σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες, μπορούν να επιτρέψουν μια αξιόπιστη εκτίμηση των επιπτώσεων των συμβατικών, ITS και άλλων προηγμένων συστημάτων ελέγχου της κυκλοφορίας. Η πρώτη από αυτές τις νέες μεθόδους είναι μια μεθοδολογία μεσοκλίμακας – μέσης ταχύτητας «από κάτω προς τα πάνω» (bottom-up), που ενσωματώθηκε σε ένα εργαλείο ονόματι COPERT Micro. Το COPERT Micro είναι ένα εργαλείο που αναπτύχθηκε σε Excel/VBA και υπολογίζει τις εκπομπές ρύπων από οχήματα σε αστικές περιοχές. Εισάγοντας τα απαραίτητα δεδομένα οδικής κυκλοφορίας, μπορεί να υπολογίσει τις εκπομπές θερμών καυσαερίων σε υψηλότερη χωρική ανάλυση (επίπεδο συνδέσμου κυκλοφορίας – traffic link level) σε σύγκριση με τα υπάρχοντα μοντέλα μέσης ταχύτητας. Ο πυρήνας της μεθοδολογίας του βασίζεται στους συντελεστές εκπομπών του COPERT 4. Το COPERT Micro μπορεί να υπολογίσει τις εκπομπές από μια ποικιλία ρύπων και αερίων του θερμοκηπίου, ενώ η βάση δεδομένων του περιέχει συντελεστές εκπομπών για 230 διαφορετικές κατηγορίες οχημάτων. Το COPERT Micro μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απογραφή των ρύπων σε διάφορα γεωγραφικά/χωρικά επίπεδα (π.χ. μεμονωμένοι δρόμοι, συνοικίες ή ολόκληρη πόλη). Το λογισμικό μπορεί να αποκαλύψει τα τοπικά σημεία μέγιστων εκπομπών (hot spots) σε ένα συγκεκριμένο οδικό δίκτυο, ενώ ταυτόχρονα μπορεί να υπολογίσει τις ωριαίες και ημερήσιες εκπομπές ρύπων, κάτι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση των αλλαγών τους εντός δεδομένου χρονικού πλαισίου. Επιπλέον, μπορεί να αξιοποιηθεί σε διάφορα σενάρια που διερευνούν τις επιπτώσεις περιβαλλοντολογικών μέτρων στις εκπομπές ρύπων που παράγονται σε μια συγκεκριμένη περιοχή από τις οδικές μεταφορές. Το COPERT Micro έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχημένα σε διάφορες απογραφές ρύπων τόσο σε τοπικό, όσο και σε επίπεδο πόλης, οδηγώντας στα παρακάτω συμπεράσματα: • Στον Δήμο Πυλαίας – Χορτιάτη (στοιχεία 2011), η ημερήσια κατανάλωση καυσίμου υπολογίστηκε κοντά στους 37,5 τόνους, από τους οποίους το 82,60% ήταν βενζίνη, το 17,35% ντίζελ και μόλις το 0,05% υγραέριο. Στην περιοχή αυτή, περίπου 118 τόνοι CO2 εκπέμπονται ημερησίως στην ατμόσφαιρα, εκ των οποίων το 91,65% προέρχεται από ιδιωτικά και το υπόλοιπο από δημόσια οχήματα. • Η κατασκευή ενός νέου δρόμου στην περιοχή Braće Jerković του Βελιγραδίου (στοιχεία 2010) θα ήταν επωφελής όσον αφορά τις ημερήσιες εκπομπές, καθώς θα μπορούσε να οδηγήσει σε μείωση από 7% ως 10%, ανάλογα με τον εξεταζόμενο ρύπο. • Το 2020 η Αθήνα αναμένεται να έχει χαμηλότερες εκπομπές ρύπων από τις οδικές μεταφορές σε σύγκριση με το 2010 (μείωση έως και 33% ανάλογα με τον ρύπο), λόγω της στροφής προς «καθαρότερες» τεχνολογίες οχημάτων (Euro 5 και Euro 6). Μια πιθανή εφαρμογή ζώνης χαμηλών εκπομπών θα λειτουργούσε ευεργετικά για την πόλη, καθώς θα οδηγούσε σε περαιτέρω μείωση των εκπομπών. • Παρατηρήθηκε μείωση κατά 10% των μέσων ετήσιων εκπομπών μεταξύ 2012 και 2013 στην περίπτωση της Θεσσαλονίκης, γεγονός που υποδηλώνει τη μειωμένη κυκλοφορία οχημάτων στην πόλη λόγω της οικονομικής κρίσης. • Ο κατά κεφαλήν δείκτης εκπομπών CO2 για την Αθήνα και τη Θεσσαλονίκη βρέθηκε 632 και 796 kg αντίστοιχα, όντας σχετικά χαμηλότερος από τις μέσες παγκόσμιες τιμές, αν και αυτή η ποιοτική σύγκριση αναφερόταν σε διαφορετικά έτη (2010 για την Αθήνα και 2014 για τη Θεσσαλονίκη). Τα επιβατικά και δευτερευόντως τα ελαφρά οχήματα ήταν οι κατηγορίες οχημάτων που συνέβαλαν κατά κόρον στις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και στις δύο πόλεις. Τα δίκυκλα οχήματα, από την άλλη πλευρά, είχαν σημαντική συνεισφορά στις εκπομπές CH4.Παρά τα υποσχόμενα αποτελέσματα από την εφαρμογή της νέας bottom-up μεθοδολογίας μεσοκλίμακας – μέσης ταχύτητας σε πολυάριθμα παραδείγματα απογραφής ρύπων, προέκυψαν αρκετά ερωτήματα που έπρεπε να εξεταστούν περαιτέρω. Πιο συγκεκριμένα: Υπάρχει κάποια μεθοδολογία προσομοίωσης των εκπομπών ψυχρής εκκίνησης των οχημάτων που μπορεί να εφαρμοστεί σε εργαλεία μεσοκλίμακας όπως το COPERT Micro; Πώς θα μπορούσαν να βελτιωθούν τα μοντέλα κυκλοφορίας και εκπομπών ρύπων, ώστε να μπορούν να υπολογίσουν τον αντίκτυπο των μέτρων ITS τόσο στην κατανάλωση καυσίμου/ενέργειας, όσο και στις εκπομπές ρύπων από τις οδικές μεταφορές;Υπάρχει ένα ελάχιστο όριο μήκους δρόμου, κάτω από το οποίο η προσέγγιση της μέσης ταχύτητας δεν υπολογίζει με ακρίβεια την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων;Υπάρχει κάποιο συγκεκριμένο εύρος συμφόρησης, εκτός του οποίου η προσέγγιση της μέσης ταχύτητας δεν μπορεί να εκτιμήσει σωστά την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων; Εάν υπάρχει τέτοιο εύρος, τι μπορεί να γίνει για τη διόρθωση των συντελεστών εκπομπών, ώστε να μπορούν να εφαρμοστούν σε οποιοδήποτε επίπεδο κυκλοφοριακής συμφόρησης; Για να δοθεί μια απάντηση στο πρώτο ερώτημα, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία μεσοκλίμακας «από πάνω προς τα κάτω» (top-down) με βάση την έρευνα που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του έργου ARTEMIS. Μία από τις αρμοδιότητες του έργου ARTEMIS ήταν η ανάπτυξη ενός βελτιωμένου εμπειρικού μοντέλου για τον υπολογισμό των εκπομπών ψυχρής εκκίνησης από τα επιβατικά οχήματα, λαμβάνοντας υπόψη παραμέτρους όπως ο ρύπος, ο τύπος του οχήματος και οι συνθήκες οδήγησης. Χρησιμοποιώντας όλα τα διαθέσιμα δεδομένα στην Ευρώπη, αναπτύχθηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα για τον υπολογισμό των εκπομπών ψυχρής εκκίνησης ανάλογα με τον τύπο των δεδομένων που έχει στη διάθεσή του ο χρήστης. Το πρώτο από τα τρία μοντέλα του έργου ARTEMIS, το οποίο υπολογίζει τις εκπομπές ψυχρής εκκίνησης των ρύπων CO, NOx, VOC και CO2 από επιβατικά οχήματα, ενσωματώθηκε στο COPERT Micro. Το συγκεκριμένο μοντέλο υπολογίζει τις εκπομπές ψυχρής εκκίνησης ανά εκκίνηση για έναν συγκεκριμένο τύπο οχήματος και έναν δεδομένο ρύπο/αέριο του θερμοκηπίου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, της μέσης ταχύτητας του οχήματος κατά τη διάρκεια της ψυχρής περιόδου, της διανυθείσας απόστασης και του χρόνου στάθμευσης. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας πραγματοποιήθηκε στη μητροπολιτική περιοχή της Αθήνας (δεδομένα 2010), καταλήγοντας στα ακόλουθα: Οι εκπομπές ψυχρής εκκίνησης συμβάλλουν σημαντικά στις εκπομπές CO και VOC από τις οδικές μεταφορές (45% και 44% αντίστοιχα), ενώ οι επιπτώσεις τους στις συνολικές ημερήσιες εκπομπές NOx και CO2 είναι σχετικά μικρότερες (21% και 7%). Σε συγκεκριμένα τμήματα δρόμου, τα οποία συνήθως ανήκουν στις κύριες λεωφόρους της πόλης, η συμβολή των εκπομπών ψυχρής εκκίνησης είναι επικρατέστερη (μερικές φορές μεγαλύτερη από 50%, όπως στην περίπτωση του CO), επηρεάζοντας σημαντικά την ποιότητα του αέρα τοπικά. Στα οδικά δίκτυα πρέπει να εφαρμοστούν συγκεκριμένες μεθοδολογίες κατανομής των εκπομπών ψυχρής εκκίνησης, ώστε να λαμβάνεται υπόψη η επίδρασή τους, ιδίως στα τοπικά σημεία που παρουσιάζουν υψηλές τιμές (hot spots). Για την αξιολόγηση των επιπτώσεων των ITS μέτρων αναπτύχθηκε μια νέα μεθοδολογία που συνδυάζει αποτελεσματικά ένα βελτιωμένο κυκλοφοριακό μοντέλο προσομοίωσης της συμπεριφοράς των οχημάτων σε επίπεδο δρόμου (AIMSUN) με ένα λεπτομερές μοντέλο οχήματος που υπολογίζει στιγμιαίες εκπομπές (AVL CRUISE), εκτιμώντας έτσι την επίδραση τόσο της λειτουργίας όσο και της απόδοσης του οχήματος. Το κυκλοφοριακό αυτό μοντέλο χρησιμοποιεί μια βελτιωμένη μαθηματική συνάρτηση που προσομοιώνει τον τρόπο με τον οποίο ένα όχημα ακολουθεί το προπορευόμενό του όχημα στο δρόμο. Η συνάρτηση αυτή βαθμονομήθηκε με τέτοιο τρόπο, ώστε να αναπαράγει τις μετρημένες τιμές προφίλ οδήγησης από έναν αστικό δρόμο στο Τορίνο της Ιταλίας, όπου λειτουργεί ένα σύστημα ελέγχου της αστικής κυκλοφορίας (UTC).Η παραπάνω μεθοδολογία εφαρμόστηκε για τη μελέτη της επίδρασης της κυκλοφοριακής συμφόρησης στην κατανάλωση καυσίμου της κατηγορίας επιβατικών οχημάτων ντίζελ <1,4 l Euro 5. Οι συνθήκες ελεύθερης ροής και οι συνθήκες συμφόρησης οδήγησαν σε διαφορές κατανάλωσης −25,8% και 20,9%, αντίστοιχα, σε σχέση με τις κανονικές συνθήκες. Το COPERT 5 προέβλεψε αρκετά καλά την κατανάλωση καυσίμου στις συνθήκες κυκλοφοριακής συμφόρησης, όχι όμως και στις συνθήκες ελεύθερης ροής. Ένα start-stop σύστημα μπορεί να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου κατά 6% και 11,9% υπό κανονικές συνθήκες και συνθήκες κυκλοφοριακής συμφόρησης αντίστοιχα. Χρησιμοποιώντας την ίδια προσέγγιση, διαπιστώθηκε πως το UTC σύστημα έχει θετικό αντίκτυπο στις εκπομπές CO2, 8,1% και 4,5% για κανονικές και συνθήκες συμφόρησης αντίστοιχα, λαμβάνοντας υπόψη τον στόλο οχημάτων του Τορίνο για το έτος 2013. Συνολικά, η συγκεκριμένη μελέτη στο Τορίνο απέδειξε ότι ο συνδυασμός λεπτομερών και επικυρωμένων μοντέλων μικρο-κυκλοφορίας και εκπομπών αποτελεί έναν ισχυρό συνδυασμό για τη μελέτη των επιπτώσεων της κυκλοφοριακής συμφόρησης και των συστημάτων μετάδοσης κίνησης στην κατανάλωση καυσίμου και στις εκπομπές GHG των οχημάτων που κινούνται εντός αστικών οδικών δικτύων. Για να εξεταστούν τα όρια της εφαρμογής της προσέγγισης μέσης ταχύτητας, εκτελέστηκε ένα πείραμα σε δύο τοποθεσίες που παρακολουθούνταν από το έργο ICT-Emissions. Η πρώτη βρισκόταν στη Μαδρίτη (αστικός αυτοκινητόδρομος M30) και η δεύτερη στο Τορίνο (αστικός δρόμος Corso Lecce). Η κατανάλωση καυσίμου από τις συγκεκριμένες τοποθεσίες υπολογίστηκε σε επίπεδο macro με το COPERT (προσέγγιση μέσης ταχύτητας) και σε επίπεδο micro με το AVL CRUISE (προφίλ ταχύτητας πραγματικών οχημάτων ανά δευτερόλεπτο). Στη συνέχεια, οι τιμές του COPERT συγκρίθηκαν με τις τιμές του AVL CRUISE και εξάχθηκαν κάποια συμπεράσματα για την εφαρμογή της προσέγγισης μέσης ταχύτητας. Στις περισσότερες από τις καταστάσεις οδήγησης που εξετάστηκαν προέκυψε ικανοποιητική συμφωνία μεταξύ των σχετικών διαφορών κατανάλωσης καυσίμου ανάμεσα στο COPERT και στο AVL CRUISE, σε σχέση με μια κατάσταση αναφοράς. Ωστόσο, η συμφωνία αυτή μειωνόταν κατά τη μετάβαση σε συνθήκες υψηλής κυκλοφοριακής συμφόρησης και σε μικρά οδικά τμήματα. Ως γενικός κανόνας, η αξιοπιστία του COPERT αυξάνεται, καθώς το μήκος του δρόμου αυξάνεται πάνω από τα 400 μ και το επίπεδο κυκλοφοριακής συμφόρησης πέφτει κάτω από το 80%. Εάν μικρότερα οδικά τμήματα πρέπει να μοντελοποιηθούν σε επίπεδο macro, τότε θα ήταν ασφαλέστερο να ενοποιηθούν σε μεγαλύτερα. Επιπλέον, ειδικές διορθώσεις θα ήταν απαραίτητες, όταν το επίπεδο κυκλοφοριακής συμφόρησης υπερβαίνει περίπου το 80%. Στην τελευταία περίπτωση, ο υπολογισμός της κατανάλωσης καυσίμου των μοντέλων μέσης ταχύτητας βελτιώθηκε χάρη στην προαναφερθείσα μεθοδολογία μικρο-προσομοίωσης, προκειμένου να αναπτυχθούν νέες συναρτήσεις μέσης ταχύτητας – κατανάλωσης καυσίμου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από ένα μοντέλο μέσης ταχύτητας (COPERT). Η μεθοδολογία για την ανάπτυξη των νέων συναρτήσεων περιελάμβανε αρκετές διαδικασίες στατιστικής ανάλυσης, αντλώντας δεδομένα από τα μοντέλα εκπομπών micro και macro, καθώς και μεθοδολογίες προσαρμογής καμπυλών. Η ολοκληρωμένη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε έναν δρόμο στο Τορίνο χρησιμοποιώντας δύο επικυρωμένα μοντέλα επιβατικών οχημάτων κατηγορίας Euro 5. Εξετάστηκαν τρεις συνθήκες κυκλοφορίας: κυκλοφορία ελεύθερης ροής, κανονική κυκλοφορία και κυκλοφοριακή συμφόρηση. Αναπτύχθηκαν νέες συναρτήσεις μέσης ταχύτητας – κατανάλωσης καυσίμου για τις συνθήκες ελεύθερης ροής και τις συνθήκες κυκλοφοριακής συμφόρησης, οι οποίες υπολόγισαν επιτυχώς τις διαφορές στην κατανάλωση καυσίμου όταν ένα όχημα μετακινείται από κανονικές σε άλλες συνθήκες. Η σύγκριση με τα δεδομένα της βιβλιογραφίας έδειξε ότι οι συνθήκες συμφόρησης που εξετάστηκαν σε αυτήν τη μελέτη ήταν αντιπροσωπευτικές των τυπικών συνθηκών αστικής κυκλοφορίας, ενώ αυτό δεν συνέβαινε για τις συνθήκες ελεύθερης ροής. Τα αποτελέσματα έδειξαν επίσης ότι υπό συνθήκες συμφόρησης η κατανάλωση καυσίμου μπορεί να αυξηθεί περισσότερο από 18% σε ορισμένες περιπτώσεις, αποδεικνύοντας με αυτό τον τρόπο την ανάγκη της ενσωμάτωσης παρόμοιων αλγορίθμων συμφόρησης σε μοντέλα εκπομπών μέσης ταχύτητας. Επιπλέον, εάν δεν είναι διαθέσιμη μια πιο αναλυτική μέθοδος υπολογισμού, οι τυπικές συναρτήσεις του COPERT θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της κατανάλωσης καυσίμου υπό συνθήκες κυκλοφοριακής συμφόρησης.