ALTERNATIVNÍ PALIVA A ZDROJE ENERGIE PRO VOZIDLA

Proč ? neustále zmenšující se zásoby ropy ochrana životního prostředí využití zemědělské půdy k pěstování energetických rostlin možnost využití odpadů snaha o snížení provozních nákladů

Způsoby řešení: Alternativní paliva pro stávající pohonné jednotky Nové zdroje trakční energie pro vozidla

Struktura spotřeby ropy Evropa USA Doprava Domácnosti Chemie Průmysl Výroba elektrické energie Ostatní

Zásady pro komplexní posouzení alternativního paliva, resp. pohonu energetické nároky pro splnění hlavního výstupu materiálové nároky pro splnění hlavního výstupu, s rozlišením recyklovatelných a nerecyklovatelných materiálů – recyklace má zpětnou vazbu na předchozí bod, obvykle zvyšuje energetické nároky vedlejší (nezamýšlené) emise škodlivých látek a energií

vedlejší následky se zpětnou vazbou do jiných akcí (např vedlejší následky se zpětnou vazbou do jiných akcí (např. zvýšení hmotnosti vozidla po použití alternativního paliva s jeho vlivem na výsledné parametry vozidla).

Dílčí akce výroba vozidla (včetně jeho pohonného agregátu a zásobníku zdroje energie), a to včetně výroby materiálů a polotovarů údržba vozidla (včetně jeho pohonného agregátu a zásobníku zdroje energie) během technického života likvidace nebo recyklace opotřebených dílů a provozních hmot

likvidace a recyklace celého vozidla po ukončení technického života výroba zdroje energie z primárního zdroje (dříve obvyklá pouhá těžba a rafinace uhlovodíkového paliva nahrazena např. jeho chemickým přetvořením s různými nároky na zdroj další energie i zatížení životního prostředí (sledování všech vstupů a výstupů); pro elektrickou energii nutno posoudit výrobu samotnou i rozvod; pro plynná paliva nutno vzít v úvahu nároky na případnou výrobu – generátorové plyny, vodík, dále stlačování, případně zkapalňování atd.)

uvolnění zdroje energie ze zásobníku na vozidle, případně jeho chemická konverze; stabilita zásoby v čase (důležité zejména u zkapalněných plynů a elektrochemických akumulátorů) transformace zdroje energie na vstupní energii pro převodné ústrojí (mechanická práce, elektrická energie); u hybridních systémů se může vyskytnout několik paralelních větví

transformace energie v převodném ústrojí na mechanickou práci hnacího členu vozidla (kola,…); využití přebytků pro případnou akumulaci, kryjící následující nedostatek zdroje využití mechanické práce na přemístění vozidla v daném čase a její případná recyklace (závislost na hmotnosti vozidla; akumulace kinetické energie při brždění, atd.)

Rozdělení alternativních paliv, resp. pohonů PLYNY CNG (Compressed Natural Gas) – stlačený zemní plyn LNG (Liquified Natural Gas) – zkapalněný zemní plyn LPG (Liquified Petroleum Gas) – zkapalněný ropný plyn Vodík Bioplyn

KAPALINY Alkoholy (metanol, etanol, isopropanol, terc. butanol aj.) Ethery (MTBE, ETBE, TAME, DIPE, TAEE) MEŘO (metylester řepkového oleje), případně bionafta POHONY Elektrická energie (baterie, palivové články) Hybridní pohon (kombinace dvou či několika zdrojů energie pro pohon) Ostatní (různorodé termické cykly)

Hmotnostní a objemové hledisko

Charakteristika paliv z hlediska požadavků spalovacích motorů velká výhřevnost (množství získaného tepla z jednotky objemu nebo hmotnosti paliva) malý obsah nespalitelných podílů (mohou způsobovat problémy při spalování, zhoršovat ekologické účinky motoru atd.) dobrá zápalnost a vhodná teplota bodu zápalu, respektive samovznícení schopnost tvořit zápalnou směs i při nízké teplotě

schopnost hoření bez abnormálních vzestupů tlaku (u zážehových motorů pozvolné spalování bez klepání, v případě vznětových motorů nízká prodleva vznícení) při spalování vytvářet co nejmenší množství zdraví škodlivých látek nekorozívnost (vlivy na části palivového okruhu) necitlivost na okolní vlivy (vzdušného kyslíku, slunečního záření apod.)

nízká fyziologická agresivita čistota – mechanická i chemická dostupnost velkého množství při nízkých výrobních nákladech jednoduchá skladovatelnost a bezpečná přeprava

Vlastnosti alternativních paliv - plyny

Vlastnosti alternativních paliv – kapaliny (zážehové motory)

Vlastnosti alternativních paliv – kapaliny (vznětové motory)

Vlastnosti klasických paliv

ZEMNÍ PLYN nejen fosilní palivo, ale je součástí přirozených pochodů v přírodě v zásadě dva druhy: - naftový - karbonský současná světová spotřeba 2 350 mld. m3 ročně ověřené zásoby 160 000 mld. m3 odhad až 400 000 mld. m3 tzn. zásoby vystačí až do roku 2090 (při 5.5 násobku dnešní spotřeby)

Zemní plyn - složení Rusko

Zemní plyn - vlastnosti

Motory spalující zemní plyn Vznětové motory a) s minimální zapalovací dávkou b) se zvýšenou zapalovací dávkou c) konverze na zážehový motor 2. Zážehové motory a) spalující pouze zemní plyn b) dvoupalivový zážehový motor

Strategie tvorby směsi zážehového motoru (NG) stechiometrická směs – nejčastěji u dvoupalivových motorů výhoda: nízká produkce škodlivin ve spalinách nevýhody: nižší účinnost, vysoká teplota spalin

Strategie tvorby směsi zážehového motoru (NG) chudá koncepce (λ=1,5 – 1,6) – pro přeplňované motory výhody: vyšší celková účinnost, dosahuje vyšší střední efektivní tlaky nevýhody: finanční náročnost přestavby (vznikají nejčastěji konverzí vznětového motoru na zážehový), složitá redukce některých škodlivin ve výfukových plynech

Způsoby uchování zemního plynu ve vozidle Varianta CNG – stlačený zemní plyn na 20 až 22 MPa (zmenšení objemu asi 200x) Varianta LNG – zkapalněný zemní plyn (ochlazení na -160 až -162 °C, přičemž objem se zmenší asi 570x)

Porovnání CNG a LNG vysoká energetická náročnost LNG v porovnání s CNG CNG umožňuje menší dosah než LNG při stejné kapacitě nádrže krátká doba zádrže u LNG (max. 2 týdny) palivo LNG obsahuje menší množství nežádoucích příměsí než CNG vyšší náklady na pořízení palivové aparatury LNG a vyšší náklady na zkapalnění zemního plynu možnost využití výparného tepla pro chladírenské vozy (klimatizaci) u LNG

Schéma palivového okruhu motoru poháněného CNG

Hodnocení zemního plynu jako paliva Výhody: Ekologické výhody (vyplývá ze složení) Ekonomická výhodnost (2-3x nižší prov. náklady) Provozní výhody (karbon, olej aj.) Bezpečnost (lehčí než vzduch) Jednoduchost distribuce plynu

Nevýhody: Nedostatečná infrastruktura (?) Vyšší náklady (přestavba vozidla, plnicí stanice) Zhoršení stávajícího komfortu (zavazadelník) Opravy (bezpečnost práce, kvalifikace)

Výsledky zkoušení vozidla poháněného CNG Renault Megane Combi 1.6 16V Systém: Landi Renzo (vstřikování CNG)

Ropné plyny Pro pohon vozidel jsou uchovávány v kapalné formě – LPG (Liquified Petroleum Gas). Složení: propan butan (ostatní složky lze zanedbat) Pozn. O LPG nelze hovořit jako o alternativním palivu budoucnosti.

Vlastnosti ropných plynů (LPG)

1 – plnicí hubice, 2 – potrubí dálkového plnění, 3 – průchodka odvětrávací hadice, 4 – přepínač plyn/benzin, 5 – potrubí přívodu LPG od nádrže k výparníku, 6 – připojení hadic chladicí kapaliny, 7 – směšovač, 8 – hadice od výparníku ke směšovači, 9 – vstřikovací trysky benzinu, 10 – elektromagnetický ventil, 11 – výparník (reduktor), 12 – odpojovač vstřikování, 13 – relé odpojení ECU, 14 – řídicí jednotka motoru, 15 – elektromagnetický ventil LPG, 16 – řídicí jednotka plynového zařízení, 17 – tlaková nádrž LPG, 18 – odvětrávání nádrže, 19 – konektor TPS (signál snímače polohy škrticí klapky), 20 – čistič vzduchu, 21 – konektor impulsů zapalování

Hodnocení LPG Výhody: - výhřevnost a OČ - emise škodlivin - ekonomičnost Nevýhody: - Vyšší náklady (přestavba vozidla, plnicí stanice) - Zhoršení stávajícího komfortu (zavazadelník) - Opravy (bezpečnost práce, kvalifikace) - Parkování v zastřeš. objektech

Výsledky zkoušení vozidel poháněného LPG Opel Astra Caravan 1.6 16V Digitální vstřikování plynu AG-Autogas

Spalovací motor poháněný vodíkem Od 30. let minulého století Nelze směs tvořit před spalovacím prostorem (zášlehy, vzplanutí…) Přímý vefuk do válce Zážeh za HU Vysoká komprese, chudá směs Z pohledu alternativních paliv neperspektivní (NOx…)

Bioplyn Mikrobiální rozklad organické hmoty bez přístupu kyslíku (metanogenní kvašení) Fáze vzniku: Hydrolýza – přeměna polymolekulárních organických látek na nižší monomery, Acidogeneze - přeměna jednoduchých organických sloučenin na mastné kyseliny (působením acidogenních bakterií), Acetogeneze - hlavním produktem je kyselina octová, Metanogeneze – tvorba metanu a oxidu uhličitého (působením metanogenních bakterií).

Bioplyn 60 až 70 % - metan, zbytek CO2 a inerty Nižší výhřevnost – 21 až 24 MJ/m3 Pro pohon vozidel se dále zušlechťuje sušením, čištěním a kaloricky se zhodnocení.

Kapalná paliva - Alkoholy Uhlovodíky se skupinou OH Alkoholy nižšího řádu mají obdobné vlastnosti jako ropná paliva Vysoká antidetonační odolnost Nižší výhřevnost Nevhodné vlastnosti směsného paliva – separace frakcí (voda)

Alkoholy Metanol (methylalkohol, karbinol, dřevný líh ) se vyrábí z fosilních paliv – ropy, zemního plynu, uhlí nebo z biomasy – suchou destilací dřevní hmoty (výroba dřevěného uhlí). Je toxický!!! Etanol (ethylalkohol, alkohol, líh ) vzniká kvašením surovin obsahujících cukry, celulózu či škrob (kvasinky rodu Sacharomyces). Etanol vyráběný z biomasy se označuje jako bioetanol. V EU je maximální množství ve směsném palivu 5% vol., avšak ve státech se značným podílem zemědělství činí objem etanolu až 22% (Brazílie – program Proalcool, USA - Gasohol).

Alkoholy Výhody: Nižší produkce PM Lepší plnění válců vlivem výparného tepla Vyšší rychlost spalování Nevýhody: Vyšší obsah CO a CHx ve spalinách Tvorba aldehydů Metanol je vysoce toxický a agresivní k některým materiálům (pryž, hliník, plasty)

Kapalná paliva - Ethery Vyrábějí se dehydratací alkoholů Nepoužívají se jako samostatné palivo, ale jsou součástí klasických paliv, protože nahrazují dříve používaný tetraetylolovo jako antidetonátoru. Nejčastěji používané ethery pro výrobu paliv: MTBE (methyl –terc. butylether) ETBE (ethyl –terc. butylether) TAME (methyl –terc. amylether) DIPE (diisopropyl ether) TAEE (terc. amyl ethyl ether)

Ethery Spalováním benzínu s přídavkem etherů dochází k poklesu PAH ve výfukových plynech

Kapalná alternativní paliva pro vznětové motory Metylestery mastných kyselin: MEŘO (metylester řepkového oleje) MESO (metylester slunečnicového oleje) MEUO (metylester upotřebeného oleje) Bionafta I. a II. generace – samostatná přednáška Doc. Ondráčka

Ostatní zdroje energie pro vozidla Solární automobily Setrvačníkové pohony Expanze plynů (vzduch, dusík) Nemají v podstatě žádný strategický význam pro automobilovou dopravu.

Palivové články Na základě elektrochemických procesů dochází k přímé přeměně vnitřní energie paliva na energii elektrickou 1839 - Sir William Grove Na rozdíl od baterií (prim. a sekundární články) nejsou aktivní chemické látky součástí anody a katody, ale jsou k nim průběžně přiváděny zvnějšku. Obě elektrody působí výlučně jako katalyzátor chemických přeměn, během činnosti článku se téměř neopotřebovávají a jejich chemické složení se nemění.

Palivové články Palivové články se dělí podle elektrolytu: Alkalické články (AFC's - alkaline fuel cells), v nichž je elektrolytem zpravidla zředěný hydroxid draselný KOH Články s tuhými polymery (PEMFC's - proton exchange membrane fuel cells ), v nichž je elektrolytem tuhý organický polymer, (varianta DMFC’s – viz níže) Články s kyselinou fosforečnou (PAFC's - phosphoric acid fuel cells), jejichž elektrolytem je jmenovaná kyselina (HPO3)

Palivové články Články s roztavenými uhličitany (MCFC's - molten carbonate fuel cells), v nichž je elektrolyt tvořen směsí roztavených uhličitanů Články s tuhými oxidy (SOFC's - solid oxide fuel cells), kde elektrolytem jsou oxidy vybraných kovů.

Palivové články Alkalický článek (AFC)

Palivové články Články s tuhými polymery (PEMFC)

Palivové články Články s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Palivové články Články s roztavenými uhličitany (MCFC)

Palivové články Články s tuhými oxidy (SOFC)

Hodnocení palivových článků Výhody: vysoká účinnost nízké opotřebení vysoká životnost (někteří výrobci udávají až desetitisíce hodin) nepřítomnost pohyblivých částí a z toho vyplývající tichý chod schopnost snášet i značná přetížení (krátkodobě až stovky procent)

Nevýhody: nutnost kontinuálně odstraňovat zplodiny chemických reakcí, jejichž množství závisí na velikosti odebíraného proudu (u článků H2-O2 jde o odčerpávání vody či vodní páry, u jiných článků o produkty oxidace) udržování optimální teploty a tlaku aktivních médií (např. u alkalických článků nesmí pracovní teplota přesáhnout 110° C, čehož se dociluje cirkulací elektrolytu přes výměník tepla s chladičem) uvedení do provozu (může trvat několik minut a článek se na provozní teplotu ohřívá buď proudem, který sám za studena dodává, nebo teplem z vnějšího zdroje)

Energetický systém s palivovým článkem

Experimentální vozidlo HydroGen 1 (na bázi Opel Zafira), 200 palivových článků, trvalý výkon 80 kW/109 k a maximální výkon 120 W/163 k

Experimentální vozidlo Ford Focus FCEV Hybrid Výkon 65 kW + 18 kW Ni-MH akumulátory Stlačený vodík na 350 baru, PEMFC

Předpoklad energetických zdrojů pro vozidla