Alternativní pohony v dopravě Technická, ekologická a sociální analýza

Energie 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

Zdroje energie 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)

Využití elastické energie 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 m3 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.

Využití mechanické energie 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 50-60 km/h Poslední vývoj v 80-tých letech. Hlavní nevýhody gyroskopický moment namáhání ložisek bezpečnostní problémy (téměř nadzvuková obvodová rychlost setrvačníku)

Hustota energie 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?

Tepelné motory Maximální teoretická účinnost  = (T2-T1)/T2 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 NOx, 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)

Elektrické motory 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 Nd2Fe14B 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 0 - 20 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.

Hustota výkonu 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.

Kolik výkonu je zapotřebí 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

Typy akumulátorů NiCd 1,2 V 50 1000 25 Levné, široký teplotní interval Hustota energie (Wh/kg) Počet nabíjecích cyklů Vybíjení (%/měsíc) Výhody Nevýhody NiCd 1,2 V 50 1000 25 Levné, široký teplotní interval Jedovaté, paměťový efekt NiMH 1,2V 70 700 15 Vyšší kapacita, nejedovaté Citlivé na vysoké teploty, dražší Li-Ion 3,6V Až 150 500 10 Rychlé nabití, bez paměťového efektu Drahé, citlivé na přehřátí a přebití Li-Pol 3,7V Až 180 Velmi lehké, tvarovatelné Pb 2V 20 Levné No comment Hustota energie organických paliv cca 5-10 kWh/kg

Nadějné trendy u akumulátorů Hustota energie (Wh/kg) Počet nabíjecích cyklů Vybíjení (%/měsíc) Výhody Nevýhody Super kondenzátor Až 10 1000000 0.01 Až 10 kW/kg, účinnost 98%, sekundové nabití „Nízká“ kapacita, ale překotný vývoj Li-Air 5200(!) 2,9 V ? 4Li+O2 = 2Li2O Teorie, vývoj 3D elektrody různé materiály >500

Internetové zdroje prodejců Chemistry Voltage  Energy Density  Working Temp.  Cycle Life  Safety Cost based on cycle life x wh of SLA LiFePO4 3.2V >120 wh/kg  -0-60 °C  >2000 Safe 0.15-0.25  lower than SLA Lead acid 2.0V > 35wh/kg  -20 - 40°C >200 1 NiCd 1.2V > 40wh/kg  -20 - 50 °C >1000 0.7 NiMH  >80 wh/kg  >500 1.2-1.4 LiMnxNiyCozO2 3.7V >160 wh/kg  -20 - 40 °C better than LiCo 1.5-2.0 LiCoO2 >200 wh/kg  -20 - 60 °C  > 500 Unsafe w/o PCM

Superkondenzátory 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.

Vodíkové články 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 5 - 20 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)

Well to Wheel analýza (WtW) 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).

Historie elektromobilů Profesor Sibrandus Stratingh z Groningen (Holandsko) navrhl malý elektromobil postavený jeho asistentem Christopherem Beckerem již v roce 1835. 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

Hybridní pohon Hlavní výhody elektromobilů Nevýhody 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%

Paralelní koncepce hybridního pohonu 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.

Sériová koncepce hybridního pohonu Pro hybridní pohony je důležitější výkonová hustota než hustota energie! Superkondenzátory – bezkonkurenční 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

Chevrolet Volt 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

Th!ink City 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

Toyota Prius 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

Honda Civic Hybrid 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

BYD F6DM Plug-in Electric Hybrid 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

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

Nissan Leaf - 2010 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

Hybridní vozidla 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.

Proč dávno masově nejezdí? 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.

Vývoj světových cen ropy 2003-2005

Scénář zdrojů fosilních paliv z roku 2004

Potřebné množství el. energie pro elektromobily Průměrný os. automobil/elektromobil 10 000 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 - 1 500 GWh 2 mil. osobních elektromobilů - 3 000 GWh 3 mil. osobních elektromobilů - 4 500 GWh 4 mil. osobních elektromobilů - 6 000 GWh 5 mil. osobních elektromobilů - 7 500 GWh V roce 2009 byla výroba el. energie 82 250 GWh, tj. při 5 mil. os. vozidlech by spotřeba vzrostla na cca 90 000 GWh (přibližně o 10 % oproti roku 2009).