Vodík a spalovací motory

Prezentace na téma: "Vodík a spalovací motory"— Transkript prezentace:

1 Vodík a spalovací motory
Jak použít vodík efektivně pro pohon vozidel? Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

2 Fyzikální realita a ekonomika v dopravě
Motivace Specifické požadavky na pohon osobních a nákladních vozidel. Jaké řešení pro pokrytí výkonu? Účinnost pohonového řetězce (tank-to-wheels, tank-to-user) při použití H2 pro ICE a FC; zlepšení? Emise a provozní problémy. Cena paliva (well-to-tank), skladovacího systému na vozidle a pohonového řetězce. Výhled Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

3 Fyzikální realita a ekonomika v dopravě: Motivace pro výzkum
Omezené čerpání neobnovitelných zdrojů energie a surovin. Snížení závislosti na dovozu primárních zdrojů energie při rozumných negativních ekonomických dopadech. Snížení globální emisní zátěže skleníkovými plyny. Zvýšení konkurenceschopnosti automobilů EU na světovém trhu po prosazení emisních limitů. Snížení lokální emisní zátěže. „Technology neutral approach“ vybízí politiky k formulaci okrajových podmínek, techniky k jejich řešení (soutěž) Nutnost holistického přístupu – problém není možné dělit do dílčích pro nalezení optimálního řešení. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

4 Specifické požadavky na pohon osobních a nákladních vozidel
neustálený provoz odpory valení a zrychlení závislé na hmotnosti vozidla výkonová rezerva pro zrychlení (rozjezd, předjíždění a stoupání) Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

5 Specifické požadavky na pohon osobních a nákladních vozidel
neustálený provoz; osobní vozidla – užitečný náklad podstatně menší než vlastní hmotnost vozidla; požadavek na vysokou průměrnou rychlost, tedy rychlé akcelerace a rychlé brzdění – výkonově předimenzovaný pohon; nákladní vozidla – podstatný je užitečný náklad - požadavek na vysoké využití instalovaného výkonu. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

6 Specifické požadavky na pohon osobních a nákladních vozidel
neustálený provoz; odpory valení a zrychlení závislé na hmotnosti vozidla; osobní vozidla citlivá na hmotnost pohonového agregátu a zásoby paliva (nutno posoudit ne podle výhřevnosti, ale podle energetického obsahu nádrže vztaženého na její hmotnost MJ/kg); přerušované nároky na výkon vyžadují velkou pružnost uvolňování energie z nádrže na kola; klimatická přizpůsobivost – topení, studený start. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

7 Účinnost pohonového řetězce se spalovacím motorem
Závisí na výsledné účinnosti motoru podle využití jednotlivých režimů vážených výkonem – ztráty mají charakter spíše paralelního (svodového) vnitřního odporu. Příklad pro SI; CI od 40%. Stop-and-go je možnost i nutnost, i když omezení v zimě. Hybridní pohony existují, využívají zvýšení zatížení motoru ke zvýšení jeho účinnosti a vedle toho mohou rekuperovat. Účinnost akumulace je 60-70% Cena! Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

8 Účinnost pohonového řetězce se spalovacím motorem
Vlastní výzkum VCJB (experimenty TU v Liberci, simulace FS ČVUT v Praze); 90 g/kW/=28% na kolech; Poloha fronty plamene, měrná indikovaná spotřeba paliva, emise NOx. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

9 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Palivové články Elektrochemický zdroj energie s převážně sériovým vnitřním odporem. O2 e- e- Vhodné při nízkých teplotách (cca 200°C) pro zpracování vodíku, snad i metanolu. Vysoká účinnost při nízké zátěži. H2 O Pt katalyzátor Pt katalyzátor H+ H Protonově propustná membrána (PEM) H2O Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

10 Výhledy palivových článků
Objem i hmotnost několikanásobně vyšší než u spalovacího motoru. Lze přizpůsobit prostoru v zástavbě. Dílčí problémy s přechodovými režimy (akcelerací), provozem za mrazu. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

11 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Účinnost pohonového řetězce s palivovým článkem PEM zdroj: ERTRAC FURORE 2005 Ztráty FC mají charakter spíše sériového vnitřního odporu. Předimenzovaný článek pro pokrytí akcelerace je drahý, těžký a rozměrný. Hybridní řešení zatěžuje článek stále Účinnost akumulace je 60-70% Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

12 Účinnost pohonového řetězce (tank-to-wheels, tank-to-user)
neustálený provoz; odpory valení a zrychlení závislé na hmotnosti vozidla - roste s elektrickým přenosem, FC a hybridním uspořádáním; využití instalovaného výkonu zvyšuje účinnost u ICE, snižuje u FC; elektrický přenos výkonu pro FC (účinnost <85%); ztráty „odporu“ zrychlení (stoupání, akcelerace vozidla) rekuperovatelné (brzdění, klesání) v hybridním uspořádání; výhodné pro osobní vozidla tam, kde elektrický přenos hybrid má větší hmotnost a účinnost rekuperace < 70% Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

13 Emise (emissions-to-wheels, emissions-to-user) Provozní problémy
Zvýšená vlhkost dopravně zatížených tras zatím neposouzena. Palivové články jinak bez problémů. Spalovací motory jsou na podstatně příznivější cenové úrovni (vyšší než dnes o cca 50%) emisní problémy vyřešit; SRC, DPF, DOC atp. pro CI-“HCCI“, totéž pro SI – DI a CAI. Provoz (pohotovost, vliv mrazu, vyvážená akumulace energie) zatím vyřešen pro ICE, i když ani tam nejsou nové koncepce bez problémů Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

14 Cena paliva well-to-tank a pořizovací náklady tank-to-wheels
Cena paliva (well-to-tank), skladovacího systému na vozidle a pohonového řetězce závisí na výrobních nákladech; nákladech na skladování a distribuci: kapalný H2 při vztažení na zdroj jaderné energie spotřebuje na zkapalnění cca 70-80% ekvivalentu své výhřevnosti, při stlačení cca 30-40%; daňovém zatížení; motorová paliva dnes se spotřební daní! odpisy infrastruktury zatíží náběhové ceny, pokud nebudou kompenzovány např. fiskálně. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

15 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Cena paliva– srovnání ceny paliva a emise CO2 2 1,8 H2 Elec.EU H2 Elec.France 1,6 H2 ex biomass Tax in Europe 1,4 1,2 Euro / litre equivalent diesel H2 ex NG 1 EtOH France 0,8 EV UE FAME France 0,6 DME 0,4 Diesel Ft ex NG CNG EU LPG EtOH Brazil 0,2 Diesel EU Gasoline EU 50 100 150 200 250 WTW CO2 (g/km) Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

16 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Výhled I – zdroj výkonu na vozidle Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

17 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Výhled II – pohonový řetězec a příslušenství Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

18 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Závěr Přechod na vodík je účelný při nutnosti akumulovat energii pro dopravu vyrobenou stacionárním zdrojem (jaderným, solárním, větrným, vodním,...) FC není jednoznačné řešení (cena a výkon) Pro FC nutnost hybridizace, ICE+FC Pro ICE možnost přídavku H2 k palivu atp.) Způsob ukládání H2 není jednoznačně vyřešen Přechod na vodíkovou infrastrukturu pomocí H2ICE + pomocných pohonů FC se jeví jeko velmi účelný. Predikce vývoje technologií je nejistá (nejde o informatiku, ale energetiku). Proto spoléhat na evoluci je rozumně rizikové. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

19 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Závěr VCJB zapojeno v integrovaném projektu Roads2HyCOM (přes 30 partnerů z EU + Rusko). Nabízíme kontakty i na etapy infrastruktury, prosíme o spolupráci při zpracování jednoduchých dotazníků. Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka

20 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka
Děkuji za pozornost Zdroje: ACEA - Eucar Conferences EARPA GA & Conferences EU TP European Road Transport Advisory Board ERTRAC, Environmentally Friendly Vehicle Conference, Ministry for Transport, UK 2005 Vlastní činnost VCJB: Projekt MŠMT 1M EU IP NICE a GREEN Grant GA ČR Snižování emisí CO2 Jan Macek ČVUT v Praze, FS, Výzkumné centrum Josefa Božka