![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
به سوی برقیسازی حمل و نقل بار: یک مدل طراحی شبکه برای ارزیابی پذیرش بزرگراههای الکترونیکی
توسعه نوآوریهای تکنولوژیکی جدید برای وسایل نقلیه سازگار با محیط زیست همراه با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر برای کاهش اثرات زیستمحیطی حمل و نقل بار ضروری است. در این زمینه، این مقاله به بررسی فرصتهای پیادهسازی سیستم بزرگراه الکترونیکی، یک فناوری جدید جدید که برای تأمین کامیونهای هیبریدی جدید طراحی شده است، میپردازد. این فناوری از وسایل نقلیه سنگین زنجیرهای بالاسری استفاده میکند که انرژی الکتریکی خود را از خطوط برق بالاسری از طریق یک پانتوگراف که در بالای کامیون قرار دارد، تأمین میکنند. یک مدل جدید طراحی شبکه برقرسانی چند هدفه دو سطحی (BM-NED) برای ارزیابی مزایا و فرصتهای زیستمحیطی اتخاذ بزرگراههای الکترونیکی، با توجه به منابع محدود بودجه برای برقرسانی به زیرساختهای جادهای، پیشنهاد شده است. با این حال، پیادهسازی بزرگراههای الکترونیکی نیازمند همکاری بین منافع ذینفعان دولتی و خصوصی است. سطح بالایی اهداف متعددی را با هدف به حداقل رساندن کل هزینه سفر، هزینههای زیرساختی و زیستمحیطی و به حداکثر رساندن میانگین تراکم ترافیک کامیونهای هیبریدی OC در قوسهای الکتریکی در نظر میگیرد، در حالی که سطح پایینتر مدل تخصیص ترافیک است. الگوریتمهای ژنتیک چندهدفه نخبهگرا به عنوان یک رویکرد راهحل برای بهینهسازی چندهدفه استفاده میشوند و جبهه پارتو راهحلهای غیرغالب تولید شدهاند. نتایج مدل، که بر روی بخشی از یک شبکه بزرگراه در منطقه ونتو در ایتالیا آزمایش شده است، نشان میدهد که پیادهسازی سیستم بزرگراه الکترونیکی میتواند منجر به کاهش متوسط انتشار حدود 66٪ با در نظر گرفتن تمام راهحلهای بهینه پارتو شود. علاوه بر این، یک تحلیل حساسیت با دادن وزنهای مختلف به توابع هدف انجام شده است که میتواند مبنایی برای تصمیمگیرندگان در مورد پذیرش این فناوری جدید باشد.
مقدمه
بخش حمل و نقل بیشترین سهم را در انتشار گازهای گلخانهای اروپا دارد. حمل و نقل جادهای با تقریباً 70٪ از کل انتشار گازهای گلخانهای حمل و نقل، بزرگترین عامل است (EEA، 2023). از سال 2017، وسایل نقلیه سبک و سنگین به ترتیب حدود 15٪ و 5٪ از کل انتشار دی اکسید کربن (CO2) در اروپا را تولید کردهاند (EC، 2021). برای غلبه بر این کاستیها، مقررات جدید اتحادیه اروپا اهداف انتشار CO2 خودروهای سبک و سنگین را به ترتیب 15٪ و بیش از 30٪ کاهش از سال 2025 تا 2030 تعیین کرده است. تنها در سال 2023، مقررات اتحادیه اروپا برای کاهش انتشار CO2 خودروهای سنگین تا 90٪ تا سال 2040 در نظر گرفته شده است، با اهداف میانی 45٪ برای سال 2030 و 65٪ برای سال 2035 (EC، 2023). اجرای این اهداف، به سمت یک سیستم حمل و نقل بدون انتشار گازهای گلخانهای، گسترش وسایل نقلیه سازگار با محیط زیست را تشویق کرد، عمدتاً به این دلیل که بیشترین میزان انتشار گازهای گلخانهای در حمل و نقل از وسایل نقلیه موتور احتراق داخلی (ICE) ناشی میشود. فناوریهای هیبریدی برای کامیونهای سنگین، چه از نظر نسبت قدرت به وزن، سطح برد و هزینه باتری، عملکرد چرخه عمر یا امکان استفاده از فناوریهای مختلف انتقال قدرت در حمل و نقل جادهای بار، جایگزین معتبری برای کامیونهای دیزلی معمولی هستند (یان و همکاران، 2021). در حالی که به دلیل مدت زمان باتری فعلی، خودروهای الکتریکی (EV) در مسافتهای طی شده، استقلال محدودی از خود نشان میدهند، ترکیب ICE با موتور الکتریکی در فناوری خودروهای هیبریدی، امکان غلبه بر این مشکلات را عمدتاً از طریق بهرهوری بهتر انرژی و بازیابی انرژی در مسافتهای کوتاه و طولانی فراهم کرد (ژوانگ و همکاران، 2020). این موارد از طریق استقرار زیرساختهای شارژ و مشوقهایی برای خرید وسایل نقلیه بدون انتشار گازهای گلخانهای، توسط مقامات دولتی به طور گسترده پشتیبانی شدهاند. علاوه بر این، مطالعهی انجام شده توسط نیستادت و بیورنوولد در سال ۲۰۱۹ تخمین زد که خودروهای بدون آلایندگی میتوانند در سال ۲۰۳۰ به رشد پایدار سهم بازار خودروها تا ۲۳ درصد کمک کنند.
برای دستیابی به این اهداف، برخی مطالعات، کاربرد سیستم جاده الکتریکی (ERS) و به ویژه عملکرد وسایل نقلیه مجهز به منبع تغذیه مداوم برق را هنگام رانندگی در بخشهای جادهای برقدار مورد تجزیه و تحلیل قرار دادهاند (جلیکا و همکاران، ۲۰۱۸؛ تالجگارد و همکاران، ۲۰۱۷). تفاوتهای بین رویکردهای ERS به دلیل انتقال برق از شبکه برق به وسایل نقلیه است: ۱) منبع تغذیه رسانا از طریق سیمهای زنجیرهای هوایی (ERS زنجیرهای هوایی)؛ ۲) منبع تغذیه رسانا از طریق ریل برقی در جاده؛ ۳) منبع تغذیه القایی بدون تماس فیزیکی از طریق کویلهای برقی در جاده. رویکردهای مختلف ERS از نظر ارزیابی هزینه و استقلال وسایل نقلیه، تغییراتی را نشان دادهاند، اما آنچه برای همه مشترک است، وجود منابع نیروی محرکه اضافی است زیرا ممکن است برخی از بخشهای جاده برای برقرسانی امکان پذیر/مناسب نباشند. از آنجایی که منبع تغذیه رسانا در جاده ممکن است به دلیل الزامات ایمنی و نگهداری زیرساختها، آسیبپذیری بیشتری نشان دهد، ERS زنجیرهای بالای سر، که به اصطلاح سیستم “بزرگراه الکترونیکی” نامیده میشود، به نظر میرسد یک راه حل کارآمدتر باشد (شولت و نی، ۲۰۱۸). در سیستم بزرگراه الکترونیکی، کامیونهای هیبریدی زنجیرهای بالای سر (OC) جریان را از طریق یک پانتوگراف فعال که در بالای وسیله نقلیه قرار دارد، از سیمهای بالای سر دریافت میکنند و امکان اتصال/قطع خودکار از سیمهای بالای سر را فراهم میکنند. ویژگی اصلی پانتوگراف، اطمینان از اتصال/قطع خودکار ایمن و انتقال برق از سیمهای بالای سر هنگام رانندگی یا سبقت گرفتن در بخش الکتریکی است. علاوه بر هزینههای بالای سرمایهگذاری، کامیونهای هیبریدی OC با منبع تغذیه پویا در سیستم بزرگراه الکترونیکی با یک باتری با اندازه کوچکتر کار میکنند که فرصتهایی را برای کاربردهای مختلف در حمل و نقل بار مانند حمل و نقل برای مسافتهای تا ۵۰ کیلومتر فراهم میکند (زیمنس، ۲۰۱۸). مطمئناً، فناوریهای ERS برای برقی کردن بخشهایی با جریان ترافیک بالاتر طراحی شدهاند که آنها را از نظر زیستمحیطی مناسبتر میکند. در عین حال، ثابت شده است که وسایل نقلیهای که با نیروی محرکه الکتریکی در حین حرکت در بخشهای بزرگراه الکترونیکی کار میکنند، به کاهش مصرف سوخت و انتشار CO2 کمک میکنند. به عنوان مثال، استفاده از ERS در پنج جاده سوئد با بالاترین جریان ترافیک منجر به کاهش 20 درصدی انتشار CO2 شد (جلیکا و همکاران، 2018). بر این اساس، مطالعه موردی که توسط تالژگارد و همکاران (2019) تجزیه و تحلیل شد، نشان داد که برقی کردن تمام جادهها در نروژ و سوئد میتواند تا 70 درصد از انتشار CO2 از تمام جریانهای ترافیک سنگین را پوشش دهد. همچنین، طبق مطالعهای که توسط پلوتز و همکاران پیشنهاد شده است. (2018)، ناوگانی متشکل از 60000 کامیون سنگین (65٪ بخش محرک الکتریکی و 35٪ دیزل) با 190 گرم CO2 معادل بر کیلووات ساعت (با در نظر گرفتن سناریوی مرجع برای سال 2030) میتواند منجر به صرفهجویی 37 تن CO2 در سال در هر وسیله نقلیه در انتشار گازهای گلخانهای شود. علاوه بر این، کیو و همکاران (2022) با در نظر گرفتن محدوده تخمینی هزینه رانندگی (یعنی قیمت فروش برق در نقطه سربهسر) برای کامیونهای هیبریدی OC از 0.242 تا 0.666 دلار در کیلومتر، چشمانداز خوبی از انتشار گازهای گلخانهای و انرژی بزرگراههای الکترونیکی پیشبینی کردند.
تا آنجا که ما میدانیم، اکثر کارهای مرتبط با بزرگراههای الکترونیکی با تمرکز بر جنبههای مربوط به نفوذ بازار OC و اندازه باتری، تولید تقاضای انرژی، پیکربندی و ابعاد پستهای کششی و غیره انجام شدهاند. این مقاله یک مدل طراحی شبکه دو سطحی (NDM) چند هدفه جدید برای ارزیابی پذیرش سیستم بزرگراه الکترونیکی با در نظر گرفتن منافع مقامات دولتی و شرکتهای حمل و نقل ارائه میدهد. سطح بالایی مدل شامل توابع هدف چندگانه، یعنی کمینهسازی کل هزینه سفر، کل هزینههای مورد نیاز برای گسترش ظرفیت قوسهای برقی، هزینههای زیستمحیطی، هزینههای برقیسازی و بیشینهسازی میانگین تراکم ترافیک کامیونهای هیبریدی OC در قوسهای برقی است، در حالی که سطح پایینتر مدل تخصیص ترافیک است. در نتیجه، متغیرهای تصمیم مسئله بهینهسازی چند هدفه به مجموعه لینکهایی که باید برقی شوند و همچنین مکانیابی بهینه پستهای کششی اشاره دارند. انتخاب لینکهایی که قرار است در کاربرد سیستم بزرگراه الکترونیکی (eHighway) برقی شوند، منوط به محدودیتهای بودجه است. علاوه بر این، مدل پیشنهادی به گسترش ظرفیت نیز میپردازد که به عنوان یک بهبود بالقوه برای لینکهای برقی در نظر گرفته شده است. به این ترتیب، افزایش ظرفیت زیرمجموعهای از قوسهای برقی، انعطافپذیری سیستم بزرگراه الکترونیکی را در رابطه با افزایش احتمالی تقاضای کامیونهای هیبریدی OC و همچنین امکان بهبود شرایط جریان ترافیک تضمین میکند. برای ارزیابی تأثیر سیستم بزرگراه الکترونیکی، مدل پیشنهادی بر روی بخشی از شبکه بزرگراه در منطقه ونتو در ایتالیا آزمایش شده است. الگوریتم ژنتیک چند هدفه نخبهگرا به عنوان رویکرد راهحل استفاده میشود و با اعمال وزنهای مرتبط با هر هدف، تجزیه و تحلیل حساسیت انجام میشود. به این ترتیب، مدل پیشنهادی میتواند برای تصمیمگیرندگان در تعیین بهترین مصالحه در ارزیابی فرصتهای اجرای بزرگراههای الکترونیکی مفید باشد.
ساختار این کار به شرح زیر است. بخش 2 به بررسی مطالعات تحقیقاتی در مورد کاربرد سیستم بزرگراه الکترونیکی و طراحی شبکه برقرسانی میپردازد، در حالی که نمای کلی سیستم بزرگراه الکترونیکی در بخش 3 شرح داده شده است. شرح مسئله و همچنین فرمول ریاضی مدل پیشنهادی در بخش 4 نشان داده شده است. بخش 5 نتایج، تحلیل حساسیت اعمال مدل پیشنهادی به یک مطالعه موردی در مقیاس واقعی و همچنین بحث را گزارش میدهد. نتیجهگیری و پیشرفتهای بیشتر در بخشهای 6 گزارش شده است.(منبع).