Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Technická, ekologická a sociální analýza.  Energie jako fyzikální veličina a její druhy  Zákony zachování  Dopravní prostředek jako konvertor jiných.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Technická, ekologická a sociální analýza.  Energie jako fyzikální veličina a její druhy  Zákony zachování  Dopravní prostředek jako konvertor jiných."— Transkript prezentace:

1 Technická, ekologická a sociální analýza

2  Energie jako fyzikální veličina a její druhy  Zákony zachování  Dopravní prostředek jako konvertor jiných druhů energie na makrokinetickou  V případě tepelných motorů změna neuspořádané formy energie na uspořádanou  Účinnost konverze  Ekologické hledisko konverze

3  Čerpání energie z prostředí během pohybu ◦ Trolejová vozidla ◦ Sluneční pohon ◦ Plachetnice ◦ Lanovky  Přeprava zásoby energie ◦ Mechanická (gyrobus, elastická energie) ◦ Chemická (obvykle oxidace uhlíkatých paliv – lavinová reakce, neúplná přeprava energie) ◦ Elektrická (akumulátory, kapacitory, supravodiče) ◦ Jaderná (námořní doprava, kosmické sondy)

4  Nízká hustota energie v deformovaném kovu, únava materiálu. Hračky.  Elastická energie ve stlačeném plynu má větší rozmezí pracovních hodnot (omezení tlakem zkapalnění).  Pohon stlačeným vzduchem byl v historii několikrát využit v tramvajích, autobusech apod.  Princip přeměny elastické energie pomocí tepelného cyklu – MDI motor (Guy Négre).  Nádrže ze skelných vláken na 90 m 3 vzduchu, stlačeného na 30 MPa. Venkovní vzduch se ve válci adiabaticky stlačuje na teplotu 400  C. Do zahřátého vzduch se elektronicky vstřikuje stlačený vzduch z nádrží s teplotou prostředí. Rozpínání stlačeného vzduchu, který vstupuje do válce, tlačí na píst a vykonává mechanickou práci.  Patentovaná mechanická složená ojnice, která dovolí pístu setrvat déle v horní úvrati pro dokonalejší ohřátí vstřikovaného vzduchu.  Deklaruje se výkon 35kW s dojezdem až 200km při rychlosti 50 km/h.  Zjednodušená termodynamická analýza principu pohonu zpochybňuje možnost uvedeného dojezdu (Charlesův zákon). Předváděné prototypy měly ve skutečnosti dojezd 10 km. Podivný způsob získávání investorů a barnumská reklama celý projekt značně znevěrohodňují.

5  Výroba gyrobusů v 50-tých letech. Setrvačník 1,5t, 3000 ot/min  Elektromotor roztočil setrvačník cca za 3 min.  Dojezd cca 6-8 km. Na zastávkách přípojné sběrače pro napájení.  Cestovní rychlost km/h  Poslední vývoj v 80-tých letech.  Hlavní nevýhody  gyroskopický moment  namáhání ložisek  bezpečnostní problémy (téměř nadzvuková obvodová rychlost setrvačníku)

6  Pro přepravu energie je důležitá veličina hmotnostní hustoty energie – množství přeměnitelné energie uchovatelné v hmotnostní jednotce media (palivo, baterie...)  Jednotka J/kg, resp. Wh/kg (=3600J/kg) ◦ Dřevo 15MJ/kg ◦ Uhlí 25MJ/Kg ◦ Nafta 35MJ/kg ◦ Nejlepší lithiový článek cca 700kJ/kg  1,5 řádu mezi naftou a akumulátorem jako kompenzace obnovitelnost-neobnovitelnost?

7 Maximální teoretická účinnost  = (T 2 -T 1 )/T 2 Spalovací proces mimo pracovní prostor ◦ Parní stroj (složitý, ztráty při transportu pracovního media, nízká účinnost 10%) ◦ Turbíny (nutné vysoké teploty spalování, tepelná zátěž materiálů, vysoký podíl NO x, účinnost až 40%) ◦ Stirlingův - Holcnerův motor  Spalovací motor s vnitřním spalováním ◦ Zážehové (dvoutaktní, čtyřtaktní, Wankelův) ◦ Vznětové (účinnost až 35%, vyšší tepelné namáhání)  Reaktivní ◦ Proudové (nižší účinnost, hlučné, spolehlivé) ◦ Náporové (vývojová fáze) ◦ Raketové (pevná paliva, tekutá paliva, iontové)

8 Vysoká účinnost, ekologicky čisté, dnes patrně nejperspektivnější  Stejnosměrné – střídavé  Synchronní – asynchronní  Rotor s permanentním magnetem – elektromagnetem  Lineární (maglev)  Problémy s jiskřením a opotřebením stykacích ploch řeší synchronní motor s permanentním magnetem. Nevýhodné konstantní otáčky.  Moderní motory s permanentním magnetem ze slitin vzácných zemin na bázi samaria a kobaltu. Dnes nejsilnější slitiny Nd 2 Fe 14 B galvanizované Zn nebo Ni. Unesou více než tisícinásobek vlastní váhy, velmi lehké, možnost zabudování přímo do kol vozidla.  Rotační magnetické pole řízené mikroprocesorovým systémem umožňuje proměnné otáčky tis/min.  Účinnost 90% i více (účinnost spalovacích motorů včetně ztrát na převodech 30%)  Odpadá nutnost převodového mechanizmu. Zabudování motorů do kol je z hlediska odpružení poněkud diskutabilní.

9  Ukazatel množství dlouhodobého výkonu vztažený na jednotku hmotnosti.  Vztahuje se nejen na zásobník energie, ale na celou pohonnou soustavu (výkon spalovacího motoru roste s počtem válců, objemem ap.)  Principiálně nelze energetickou kapacitu čerpat libovolným způsobem. Rychlejší čerpání – vyšší výkon obvykle vyžaduje vyšší hmotnost i v případě, že je celková kapacita soustavy stejná.  Akumulátory typicky nejsou schopny dodávat vysoké hodnoty proudů – nutnost paralelního uspořádání.  Špičkový výkon vyžaduje jiné principy než dlouhodobý výkon – hybridní uspořádání nemusí být přechodové, ale naopak cílové řešení.

10  Pro rozmezí povolené rychlosti je postačující dlouhodobý výkon 35 kW  V městském provozu dokonce jen 10 kW  Potřeby akcelerace zejména v městském provozu řeší např. hybridní pohon  Pro rychlost nad 120 km/h roste odpor prostředí s třetí mocninou rychlosti

11 AkumulátorHustota energie (Wh/kg) Počet nabíjecích cyklů Vybíjení (%/měsíc) VýhodyNevýhody NiCd 1,2 V Levné, široký teplotní interval Jedovaté, paměťový efekt NiMH 1,2V Vyšší kapacita, nejedovaté Citlivé na vysoké teploty, dražší Li-Ion 3,6VAž Rychlé nabití, bez paměťového efektu Drahé, citlivé na přehřátí a přebití Li-Pol 3,7VAž Velmi lehké, tvarovatelné Drahé, citlivé na přehřátí a přebití Pb 2V LevnéNo comment Hustota energie organických paliv cca 5-10 kWh/kg

12 AkumulátorHustota energie (Wh/kg) Počet nabíjecích cyklů Vybíjení (%/měsíc) VýhodyNevýhody Super kondenzátor Až Až 10 kW/kg, účinnost 98%, sekundové nabití „Nízká“ kapacita, ale překotný vývoj Li-Air5200(!) 2,9 V ?? 4Li+O 2 = 2Li 2 O Teorie, vývoj 3D elektrody různé materiály >500

13 ChemistryVoltage Energy Density Working Temp. Cycle Life Safety Cost based on cycle life x wh of SLA LiFePO 4 3.2V>120 wh/kg °C >2000Safe lower than SLA Lead acid2.0V> 35wh/kg °C>200Safe1 NiCd1.2V> 40wh/kg °C>1000Safe0.7 NiMH1.2V >80 wh/kg °C >500Safe LiMn x Ni y Co z O 2 3.7V>160 wh/kg °C >500 better than LiCo LiCoO 2 3.7V>200 wh/kg °C > 500 Unsafe w/o PCM

14  Ultrakapacitory, superkapacitory  Princip založen na zvýšení povrchu elektrod pomocí porézního uhlíku. V současnosti jsou již komerčně dostupné.  Obrovská kapacita desítek faradů.  Keramický princip texaské firmy EEStor dosahuje dokonce hustotu energie 350Wh/kg, tj. mnohonásobně vyšší než lithiové baterie. Jejich EESU (52kWh, 150 kg) založená na speciálně slinutém prášku barya a titanu s vysokou permitivitou mělo přijít na trh v roce 2008 a rychle vytlačit baterie.  V současnosti prý technologii koupila Lockheed-Martin a monopolně ji hodlá používat pro armádní účely.  KDYBY vše, co tvrdí media, byla pravda, budou od příštího roku jezdit elektromobily s dojezdem 500 km za zlomek ceny dnešních paliv. Zajímavé, že uvedené informace je schopna šířit např. i CNN bez dalších komentářů.

15  Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělá a bezpečná zařízení.  Jejich komerčnímu rozšíření braní prozatím jejich velmi vysoká cena daná stupněm vývoje, převážně kusovou výrobou a v neposlední řadě cenou použitých materiálů.  U nízkoteplotních palivových článku je to především cena fluorovaných membrán a platiny  U vysokoteplotních cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozivnímu prostředí.  Průmyslový palivový článek potřebuje být pro správnou činnost chlazen.  Životnost palivových článků je u současných produktů garantována na tis. hodin ( 5000 hodin = automobil - 2 hodiny jízdy denně, 365 dní v roce, 7 let).  Hustota výkonu se u nejjednoduššího PEM palivového článku pohybuje nad hranicí 0,125 kW/kg (8kg/kW nepřetržitého výkonu)

16  Účinnost pohonu respektuje celý výrobní proces paliva včetně těžby, zpracování i distribuce  Následně celkovou účinnost vozidla zahrnující ztráty v motoru, převodovém zařízení i všech ostatních systémech nezbytných pro provoz vozidla.  Součin dílčích účinností  Ztráty ve výrobě a distribuci paliva - Well to Tank analýza (WtT)  Ztráty ve vozidle - Tank to Wheel analýza (TtW).

17  Profesor Sibrandus Stratingh z Groningen (Holandsko) navrhl malý elektromobil postavený jeho asistentem Christopherem Beckerem již v roce  Do roku 1900 držely elektromobily všechny rychlostní a dálkové rekordy. Camille Jenatzy překonává hranici 100 km/h 29. dubna 1899 v elektromobilu doutníkového tvaru.  Bateriové elektromobily v USA od Anthony Electric, Baker, Detroit, Edison, Studebaker, aj. dominovaly na počátku 20. staletí. Vzhledem k technologickým nedostatkům (neexistence polovodičové technologie) měly max. rychlost kolem 32 km/h a byly úspěšně prodávány jako městská vozítka horní třídě. Později prosluly jako dámské vozy, neboť byly jednodušeji řiditelné a nevyžadovaly natočení motoru klikou. Reklama na elektromobil z r. 1912

18  Hlavní výhody elektromobilů ◦ účinnost motoru, jednoduchá konstrukce, využití kinetické energie jedoucího vozidla pro rekuperaci energie  Nevýhody ◦ nízká hustota energie (krátký dojezd), drahé akumulátory, obtížné a pomalé dobíjení  Výhody klasického pohonu se spalovacími motory ◦ dlouhý dojezd, snadné doplňování energie  Hybridní pohon - spojení výhodných vlastnosti obou koncepcí ◦ podstatně lehčí než elektromobil, vyšší instalovaný výkon, který je plně využitelný pro akcelerace. Při rovnoměrném pohybu pracuje spalovací motor v režimu s maximální tepelnou účinností a koncepce hybridního pohonu umožňuje rekuperaci energie při brzdění motorem ◦ úspora paliva v městském provozu až o 50%

19 Paralelně k hnacímu motoru je přes soustavu spojek připojen elektrický motorgenerátor. Vhodnou momentovou charakteristikou elektrického motoru lze zaručit dostatečný moment celého soustrojí na kolech vozidla v celém rozsahu uvažovaných rychlostí. Převodová skříň může být velmi jednoduchá a základní převod by měl odpovídat nejpravděpodobnější předpokládané rychlosti vozu a současně i takové poloze pracovního bodu pro spalovací motor, kdy má nejvyšší termodynamickou účinnost. Toyota Prius, Lexus H aj.

20 Spalovací motor (ICE – Internal Combustion Engine) pevně spojený s generátorem. Má jen dva stavy: zapnuto – vypnuto. Je provozován zásadně v oblasti své nejvyšší termodynamické účinnosti a jeho výkon je navržen tak, aby zajišťoval střední hodnotu nutného výkonu pro požadovanou ustálenou rychlost vozidla. Pohonná náprava nebo nápravy vozidla jsou pevně spojeny s jedním nebo několika trakčními elektromotory. Vhodná akumulátorová baterie, která zajišťuje veškeré požadované výkonové špičky v obou směrech při akceleraci i regenerativním brzdění. Protože motorgenerátor není pevně spojen s hnací nápravou, lze celý pohonný systém vozidla navrhnout modulárně a návrh jeho umístění na vozidle je mnohem volnější oproti paralelní koncepci. Příklad: GM Volt Pro hybridní pohony je důležitější výkonová hustota než hustota energie! Superkondenzátory – bezkonkurenční

21  E-Flex technologie, de facto sériový hybridní pohon  Li-ion akumulátor, 180 kg, dojezd 60km, životnost 10 let  Výkon elektromotoru 120kW  Dobíjení 110V po dobu 6,5 hodin  Navíc litrový tříválec 50kW pro dobíjení nebo turbodiesel nebo modul pro palivové články (E-flex technologie)  0 - 5l/100km  Cena 30 tis. USD  Nesmyslné spojení sportovních vlastností s úspornou technologií, předpokládaný prodej od 2011

22  Komerční elektromobil  Norská firma, vlastnil Ford  Trojfázový asynchronní motor  Výkon 30 kW, dojezd 180 – 200 km (E-mod)  Baterie NiCd (hmotnost), plánované Li-ion  Cena cca 20 tis. USD bez baterií. Některé evropské státy (Fr) dotují nákup až 5 tis. USD  Pronájem baterií 200 USD/měsíc (drahé, ale zajímavé vzhledem k ceně baterií)  Nabití z nuly na plnou kapacitu: 10 hodin  Příliš vysoká cena, starší technologie

23  Spalovací motor 1,5l, 57kW,110Nm  Elektromotor synchronní s permanentním magnetem 50kW, 400Nm  Akumulátor NiMH, 200V, 21kW  Kombinovaný výkon 82kW  Spotřeba 5l/100km prakticky nezávisí na typu provozu  Cena 22 tis. USD

24  Paralelní hybrid  Spalovací motor 1,3l, 70kW, 123 NM  Elektromotor 15kW, 103Nm  Spotřeba 5,2 l bez ohledu na typ provozu  Převodovka CVT s plynule měnitelným převodem  Cena 24 tis. USD

25  Čínská firma BYD produkující zejména akumulátory do mobilních telefonů (patrně v současnosti největší na světě)  Nová technologie lithium iron phosphate (LiFePo)  Hybridní vozidlo s akumulátorem 20kWh a špičkovým výkonem 120kW má deklarovaný dojezd 90km. Po vyčerpání kapacity je k dispozici paralelní spalovací motor.  Předpokládaná cena 6 tis. USD

26 Max. rychlost 130 km/h Dojezd 150 km Baterie Li-Ion 16kWh (330V, 240 kg) 4-místný, moderní konstrukce

27 Dojezd 160 km, Max. rychlost ~144 km/h, lithium-iontová (AESC) bat. Kapacita / výkon baterie: 24 kWh / přes 90 kW Motor: synchronní střídavý elektromotor s rychlou odezvou 80 kW / 280 Nm

28  V drtivé většině nesmyslně předimenzované výkonově i výbavou.  Snaha o zdůvodnění vyšší ceny, která není kompenzována ekonomickým hlediskem úspory paliva.  Hybridní technologie v třídách SUV (Chrysler, Dodge, Lexus, Ford...)  Obvyklý efekt – neklesne spotřeba, ale vzroste krátkodobý výkon.  Vysoká popularita technologie zejména v USA, „závody“ v počtu ujeté vzdálenosti bez použití spalovacího agregátu, přestavby na delší dojezd (přidané akumulátory a nabíjecí adaptéry z el. sítě, tzv. „Plug-in hybrid“)  Vysoká popularita chystaného modelu GM Volt a vysoké prodeje modelu Prius.  Snížení hmotnosti vozidla pro kompenzaci hmotnosti akumulátoru použitím uhlíkatých vláken – až 1/3 původní hmotnosti (studie Toyota 1/x).  Kombinace hybridní technologie „plug-in“ s využitím alespoň podpůrných superkondenzátorů má již dnes vysokou naději na komerční úspěch a nelze ji ignorovat.  S vysokou pravděpodobností lze očekávat další vývoj akumulátorové a ultrakapacitorové technologie, která celý proces dále urychlí.

29  Reklamní adorace nových technologií nejsou zdaleka pravdivé. Přísliby umožňují získání dotací, grantů, zájmu medií.  Mediální informace jsou záměrně nadsazené pro zvýšení atraktivity a prodejnosti.  Ve skutečnosti by však podpora, která je poskytována naftové infrastruktuře, umožnila již dnes masové používání alternativních pohonů.  Tichá rezistence ze strany zainteresovaných stačí na tlumení drahého vývoje. Opadnutí zájmu o fosilní paliva by přinesl velké sociální problémy nejen zemím s patřičným přírodním bohatstvím.  Velké automobilky se snaží držet status quo, v němž dominují. Změna je riskantní a může znamenat pokles vlivu.  Malé firmy nemají finanční prostředky na vývoj a zejména na doprovodnou infrastrukturu, bez níž je vyvinutý prototyp neprodejný.  Na internetu je k dispozici mnoho analýz, které se zabývají cíleným utlumením vývoje slibných technologií.  Elektrická síť není dimenzována na prudký nárůst spotřeby (noční nabíjení vozidel „ze zásuvky“).  Alternativní pohony sice šetří životní prostředí a neobnovitelné zdroje, avšak energeticky jsou také náročné. Na druhé straně je výroba energie centrálním způsobem vždy efektivnější.

30

31

32  Průměrný os. automobil/elektromobil km/rok  Při průměrné spotřebě včetně ztrát při nabíjení apod. 15 kWh/100 km bude potřeba 1500 kWh= 1,5 MWh na elektromobil/rok  Při 1 mil. osobních elektromobilů GWh  2 mil. osobních elektromobilů GWh  3 mil. osobních elektromobilů GWh  4 mil. osobních elektromobilů GWh  5 mil. osobních elektromobilů GWh  V roce 2009 byla výroba el. energie GWh, tj. při 5 mil. os. vozidlech by spotřeba vzrostla na cca GWh (přibližně o 10 % oproti roku 2009).

33


Stáhnout ppt "Technická, ekologická a sociální analýza.  Energie jako fyzikální veličina a její druhy  Zákony zachování  Dopravní prostředek jako konvertor jiných."

Podobné prezentace


Reklamy Google