Exercicis de mobilitat sostenible — Tecnologia i Digitalització 4t ESO

És una manera de desplaçar-se de persones i mercaderies que cobreix les necessitats d'accés amb el mínim impacte ambiental, social i econòmic: poca contaminació, poc soroll, poca energia, poc espai i seguretat per a tothom.
Mesures: 1) carrils bici segurs i prioritat per als vianants; 2) un transport públic freqüent, ràpid i connectat; 3) zones de baixes emissions i aparcament dissuasori a les rodalies.
El perquè: no es tracta de moure's menys, sinó de fer-ho amb els mitjans que contaminen menys i ocupen menys espai.

Ordre: bicicleta, tren elèctric, autobús, cotxe amb 1 ocupant.
Per a 10 km: bicicleta 0,0 kg; tren 0,3 kg; autobús 0,7 kg; cotxe 1,5 kg de CO₂.
El perquè: el cotxe amb un sol ocupant emet cinc vegades més que el tren per passatger. Les emissions per passatger depenen molt de l'ocupació del vehicle.

A peu: $\tfrac{6}{5} = 1{,}2$ h = 72 min. Bicicleta: $\tfrac{6}{15} = 0{,}4$ h = 24 min.
Autobús: $\tfrac{6}{18} = 0{,}333$ h = 20 min, més 8 min d'espera = 28 min.
La bicicleta és la més ràpida en aquest cas. A les ciutats, per distàncies curtes, la bici sol guanyar el cotxe un cop comptats el trànsit i l'aparcament.

(a) amb 2; (b) amb 1; (c) amb 3; (d) amb 4.
El perquè: només es crema combustible a (a) i (d); a (b) i (c) la conversió d'energia és elèctrica.
Error típic: pensar que «sense emissions» vol dir sense impacte; ja ho veurem amb la fabricació i l'electricitat.

És combinar diversos mitjans de transport en un mateix viatge.
Exemple: anar amb bicicleta fins a l'estació i agafar el tren fins a la feina, amb la bicicleta plegable o aparcada a l'estació.
Avantatge: cada mitjà fa la part on és més eficient (la bici per als primers quilòmetres, el tren per al tram llarg), i s'evita el cotxe i l'aparcament al centre.

Cotxe: 5 $\tfrac{m}{1}$ persona = 5,0 m per persona. Autobús: $\tfrac{12}{60} = 0{,}2$ m per persona.
Raó: 25 vegades més espai el cotxe amb un sol ocupant.
Aquest és un dels arguments per prioritzar el transport públic en ciutats amb poc espai.

En frenar, el motor elèctric funciona com a generador: converteix part de l'energia cinètica del vehicle en electricitat i la guarda a la bateria, en lloc de dissipar-la com a calor en els frens.
És més útil en trajectes urbans, amb moltes frenades i aturades, i en baixades llargues; en autopista, a velocitat constant, hi ha poques ocasions de recuperar energia.

Bateria: emmagatzema l'energia en corrent continu.
Inversor: converteix el corrent continu de la bateria en corrent altern per al motor i en regula la potència.
Motor elèctric: transforma l'energia elèctrica en moviment (i, en frenar, en genera).
Carregador: converteix el corrent altern de la xarxa en continu per carregar la bateria.

100 km / 15 kWh = 6,67 km per kWh.
Autonomia = 60 kWh · 6,67 km/kWh = 400 km.
El perquè: el consum en kWh/100 km i l'autonomia són dues maneres de dir el mateix; com menys consum, més autonomia amb la mateixa bateria.

És cert que no emet gasos pel tub d'escapament, cosa que millora l'aire de la ciutat.
No té en compte les emissions de fabricació (sobretot de la bateria) ni les de generar l'electricitat: si és de centrals de gas o de carbó, hi ha emissions en una altra banda; si és renovable, són molt baixes. Tampoc elimina el soroll de rodolament, el desgast de pneumàtics i frens, ni l'ocupació d'espai.
Cal valorar tot el cicle de vida.

Elèctric: 17 · 0,25 = 4,25 kg/100 km = 42,5 g/km.
Gasolina: 6,5 · 2,3 = 14,95 kg/100 km = 149,5 g/km.
Reducció = (1 − $\tfrac{42{,}5}{149{,}5}$) · 100 = 72 %.
Aquest càlcul depèn de la xarxa elèctrica de cada país: com més renovable, més gran la reducció.

Energia a la bateria: 0,7 · 60 = 42 kWh.
Corrent altern: de la xarxa en calen 42 / 0,9 = 46,7 kWh; t = 46,7 / 11 = 4,24 h (uns 255 min).
Ràpid: t = 42 / (100 · 0,95) = 0,44 h (uns 27 min).
Ús: el de casa o de la feina, mentre el cotxe està aparcat moltes hores; el ràpid, en viatges llargs. A la pràctica la potència baixa en acostar-se al 80 %.

Condicions suaus: $\tfrac{60}{15}$ · 100 = 400 km.
Hivern: 15 · 1,25 = 18,75 kWh/100 km; autonomia = 320 km.
120 km/h: $\tfrac{60}{21}$ · 100 = 286 km.
A l'hivern, amb 320 km d'autonomia, 300 km és massa just (i no hauries d'arribar amb la bateria a zero): cal una parada per carregar.

Separats: 4 · 30 = 120 km. Compartint: 30 + 6 = 36 km.
Estalvi: 84 km, o sigui 10,08 kg de CO₂ al dia (14,40 kg contra 4,32 kg).
Altres beneficis: menys trànsit, menys aparcament i menys cost per persona.

Cotxe: $\tfrac{130}{1{,}2} = 108$ g per passatger i km.
Autobús amb 12: 1.300 / 12 = 108 g; amb 60: 1.300 / 60 = 21,7 g.
Amb 1.300 / 108,3 = 12 passatgers l'autobús empata amb el cotxe; el mínim perquè contamini menys és 13 passatgers.
Un autobús gairebé buit no és sostenible; per això la freqüència i la ruta s'han de dimensionar bé.

Cotxe: 6,5 L/100 km · 9,0 kWh/L = 0,585 kWh/km; entre 1,2 passatgers: 0,487 kWh per passatger i km.
Tren: 0,06 kWh per passatger i km.
Raó = 0,487 / 0,06 = 8,1: el tren és unes 8 vegades més eficient.
Hi influeixen l'ocupació, el rendiment del motor i l'ús de rails (poca fricció), a més de comparar energia final i no primària.

A peu: r = 5 · 0,25 = 1,25 km; A = π · $1{,}25^{2}$ = 4,9 km².
Bici: r = 15 · 0,25 = 3,75 km; A = π · $3{,}75^{2}$ = 44,2 km².
Raó d'àrees = 9: amb bicicleta s'abasten nou vegades més serveis, perquè la superfície creix com el quadrat del radi.
Per això la bici és una peça clau en el model de ciutat de proximitat.

Bateria: 0,90 · 0,95 · 0,90 = 0,769, o sigui 77 %.
Hidrogen: 0,70 · 0,90 · 0,50 · 0,90 = 0,284, o sigui 28 %.
Raó = 0,769 / 0,284 = 2,7: l'hidrogen necessita unes 2,7 vegades més electricitat.
L'hidrogen té sentit en aplicacions on la bateria és poc pràctica (camions, vaixells, indústria), però no és la millor opció per al cotxe urbà.

Vehicles afectats: 0,15 · 100.000 = 15 000.
Distància: 15 000 · 10 = 150 000 km.
Emissió evitada: 150 000 km · (0,30 − 0,05) g/km = 37 500 g = 37,5 kg al dia.
Menys NO_x redueix problemes respiratoris i cardiovasculars, sobretot en nens i gent gran.

Metro: $\tfrac{60}{3} = 20$ trens/h; capacitat per tren = 6 · 150 = 900; total = 18 000 persones/h.
Carril: 1.800 · 1,2 = 2160 persones/h.
Raó = 18 $\tfrac{000}{2160} = 8{,}3$: el metro mou unes 8 vegades més persones que un carril de carretera.
Per això, en els corredors amb molta demanda, el transport massiu és insubstituïble.

Diferència d'emissió en ús = 149,5 − 42,5 = 107 g/km.
Quilòmetres = 4.500 kg / 0,107 kg/km = 42 056 km.
Amb 15.000 km/any: 2,8 anys per compensar l'emissió de la bateria.
A partir d'aleshores l'elèctric és clarament millor. Els valors reals depenen del país i de la bateria, però el patró és aquest: el cotxe elèctric comença amb un «deute» de CO₂ que paga rodant.

renovable (0,05 kg/kWh): 0,17 kWh/km · 0,05 = 8,5 g/km; equilibri = 4.500 / (0,1495 − 0,0085) = 31 915 km.
mix actual (0,25 kg/kWh): 0,17 kWh/km · 0,25 = 42,5 g/km; equilibri = 4.500 / (0,1495 − 0,0425) = 42 056 km.
carbó (0,60 kg/kWh): 0,17 kWh/km · 0,60 = 102,0 g/km; equilibri = 4.500 / (0,1495 − 0,1020) = 94 737 km.
Conclusió: amb electricitat renovable l'equilibri arriba molt aviat; amb carbó triga molt més. La transició energètica i la mobilitat elèctrica s'han de fer alhora.
Només amb una xarxa de més de 0,88 kg CO₂/kWh (0,1495 / 0,17) l'elèctric deixaria de compensar.

Tots alhora: 100.000 · 7 kW = 700 000 kW = 700 MW.
Repartida en 8 h: energia total = 100.000 · 10 = 1 000 000 kWh = 1.000 MWh; potència = 1.000 / 8 = 125 MW.
Un cotxe a 7 kW triga 1,43 h (uns 86 min).
Conclusió: la càrrega intel·ligent redueix la punta unes 5,6 vegades i aprofita les hores de baixa demanda i molta producció renovable (vent de nit), sense haver d'augmentar tant la xarxa.

Energia = 10.000 · 30 kWh = 300 000 kWh = 300 MWh.
Demanda = 100.000 · 0,3 kW = 30 000 kW = 30 MW.
Durada = 300 / 30 = 10 h. Amb un rendiment del 85 %: 255 MWh i 8,5 h.
Les bateries dels cotxes poden actuar com a emmagatzematge distribuït per a la xarxa, si el propietari ho accepta i es limita el desgast de la bateria.

v = 50 / 3,6 = 13,89 m/s; E_c = ½ · 1.500 · 13,89² = 144 676 J = 0,0402 kWh.
Recuperat per frenada: 0,6 · 0,0402 = 0,0241 kWh; en 12 aturades: 0,289 kWh.
Consum de la ruta: 17 · 10 / 100 = 1,7 kWh. Percentatge = 17 %.
En realitat sol ser una mica menys per les pèrdues, però en ciutat la regeneració fa baixar notablement el consum. Per això els vehicles elèctrics són especialment eficients en tràfic urbà.

90 km/h (25,0 m/s): F = 231 N; P = 5,78 kW; energia = 0,064 kWh/km, o sigui 6,4 kWh/100 km.
120 km/h (33,3 m/s): F = 411 N; P = 13,69 kW; energia = 0,114 kWh/km, o sigui 11,4 kWh/100 km.
L'augment de l'energia per km és $(\tfrac{120}{90})^{2}$ = 1,78 vegades, un 78 % més, i el de la potència $(\tfrac{120}{90})^{3}$ = 2,37 vegades.
Implicació: baixar la velocitat a l'autopista és una de les maneres més eficaces d'augmentar l'autonomia.

Cotxe: $\tfrac{7}{25}$ h = 16,8 min + 8 = 24,8 min. Bici elèctrica: $\tfrac{7}{20}$ h = 21 min. Bici: $\tfrac{7}{15}$ h = 28 min.
Transport públic: $\tfrac{7}{16}$ h = 26,2 min + 6 + 5 + 5 = 42,2 min.
Ordre: bici elèctrica (21), cotxe (25), bici (28), transport públic (42).
Amb 15 min de cua, el cotxe passa a 40 min: queda darrere de les dues bicicletes i gairebé iguala el transport públic (42 min).
Moral: la competitivitat dels mitjans sostenibles depèn de l'estat del trànsit, de l'espera i de com es connecta l'últim tram.

Abans: cotxe = 200.000 · 0,50 · 6 · 120 g = 72,0 t; transport públic = 200.000 · 0,20 · 6 · 40 g = 9,6 t; total = 81,6 t.
Després: cotxe = 50,4 t; transport públic = 14,4 t; total = 64,8 t.
Reducció = $\tfrac{(81{,}6 - 64{,}8)}{81{,}6} = 21$ %.
Observa que el transport públic emet més en el nou escenari, però el canvi compensa perquè s'ha tret molta gent del cotxe.

Hores d'ús que cobreixen: 1.000 · 6 = 6000 h; cada cotxe privat n'usa 1, així que substitueixen 6000 cotxes privats.
Balanç net = 6000 − 1000 = 5000 vehicles menys.
Superfície = 5000 · 12 = 60 000 $\text{m}^{2}$ = 6 hectàrees.
Aquest espai es pot recuperar per a carrils bici, arbres o places. En la pràctica, el balanç depèn de si la gent renuncia a tenir cotxe i de com es reparteixen les hores.

Alumnes en cotxe: 0,45 · 400 = 180; cotxes = 180 / 1,3 = 138.
Després: 60 alumnes; cotxes = 46. Es redueixen 92 cotxes.
Cada cotxe fa 2 · 2,5 = 5 km: estalvi diari = 92 · 5 · 120 g = 55,2 kg. Al curs: 55,2 · 180 = 9936 kg ≈ 9,9 t.
Accions: 1) camins escolars segurs amb «bus a peu» acompanyats per adults; 2) aparcaments segurs per a bicicletes i monopatins, i una zona de baixada de cotxes a uns 300 m de l'escola.
Efectes addicionals: menys trànsit i millor aire davant la porta, i més activitat física dels alumnes.