20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
1
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Mez zápalnosti ve
vzduchu
4 – 75% - H2 (l=12-0,6) 5 - 15% - CH4 _________________ Min. zápalná energie ve vzduchu 0,02 mJ – H2 0,45 mJ – CH4 V oblasti dolní meze koncentrace plynných paliv se vzduchem je potřebná iniciační energie pro vznícení zhruba shodná – rizika při nechtěném úniku jsou stejná 20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
2
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Mez zápalnosti ve vzduchu 4 – 75% - H2 (l=12-0,6) 5 - 15% - CH4 _________________ Min. zápalná energie ve vzduchu 0,02 mJ – H2 0,45 mJ – CH4 V oblasti koncentrací plynných paliv se vzduchem běžných pro spalování v motoru (l =1,4 – CH4, l=2,2 H2) je potřebná iniciační energie pro vznícení H2 řádově nižší – rizika samovznícení od horkých míst. 20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
3
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory ______________________________________________________________
Teplota samovznícení
858 K – H2, 813 K – CH4, 500-744 – benzin
T T 1 2 ___________________________________________________________
1
Koeficient difuse ve vzduchu 0,61 cm2/s – H2, 0,16 cm2/s – CH4 ___________________________________________________________ Zhášecí mezera ve vzduchu
0,064 cm – H2, 0,2 cm – CH4, benzin
___________________________________________________________ Množství vyzařované tepelné energie z plamene do okolí 17 – 25 % - H2 23 – 33 % - CH4 30 – 42 % benzin 20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
4
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory _______________________________________________________________
Joule-Thomsonův jev při expansi záporný u H2 a He (převládající vliv odpudivých mezimolekulárních sil, klesající úroveň potenciální energie a růst kinetické – ohřev při izoentropické expansi.
Inverzní teplota (K) Vodík …………… 200 K Metan …………. 700 K Je-li počáteční teplota unikajícího plynu rovna inversní teplotě, tak se teplota při adiabatické expansi nemění. Vodík má inversní teplotu velmi nízkou (hluboko pod 0°C) proti počáteční teplotě při uvažovaném úniku, proto se bude teplota vodíku při tomto pochodu zvyšovat. Za určitých podmínek může nastat případ, kdy se unikající vodík zahřeje na teplotu samovznícení. 20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
5
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Hoření vodíku _______________ •ve dne neviditelné •plamen úzký •nízká sálavost Plamen uhlovodíkového paliva
17-25 Sálavost plamene do Vodík okolí(%) 20008/2009
Plamen vodíku
23-33 Metan
Vozidlové motory
Scholz
6
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Čas – 0:00
čas – 0:03 - vznícení
Porovnání průběhu požáru vzniklého v důsledku nehody automobilů poháněných vodíkem (vlevo) a benzinem (vpravo).
čas – 1:00 – H2 téměř vyhořel
Čas – 2:40 – vozidlo na benzin zcela zničeno
Foto: Dr. Swain, University of Miami
Hustota plynu (kg/m3)
Difuze ve vzduchu (cm2/s) 20008/2009
0,084
0,65
4,4
Vodík
Metan
Benzin
0,61
0,16
0,05
Vozidlové motory
Scholz
7
CO2 f výrobní _ náklady Evivalent vývinu CO2 ( g / km )
220
Benzin / Nafta
CGH2 - stlačený plynný vodík LH2 - kapalný vodík EtOH - ethanol ME - methyl ester ------------------------------------DO - dřevěný odpad VE - větrná energie SE - sluneční energie
Benzin/ Nafta (s daní)
200 180 160 140
CGH 2 z NG
LH 2 z NG
120 100
ME z řepkového oleje
EtOH z cukrovky
80
CGH 2 z DO
60
LH 2 z DO
40
CGH 2 z VE
EtOH z DO
20
LH 2 z VE LH 2 z SE
Bioplyn
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Náklady na výrobu paliva ( EU / MJ ) 20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
8
DIMETYLÉTER (DME)
syntetické palivo s energetickou účinnosti (1 litru dimetyléteru odpovídá 0,97 litrů motorové nafty). Výroba buď z fosilní suroviny, pak palivo Gas-to-Liquid (GtL), nebo biologicky obnovitelná surovina (dřevo, sláma a další zemělské odpady), pak mluvíme o palivu Biomasto-Liquid (BtL). Z hlediska požadavků na snižování CO2 má perspektivu BtL, jehož technologie pro ekonomickou výrobu je ve vývoji (společný projekt DaimlerChrysler, VW a Chozen Industrie). BtL má širokou surovinovou základnu, vykazuje v provozu motorů nižší kouřivost a lepší zápalnost, je bez aromátů, bez síry a lze ho používat bez nutnosti větších úprav motorů. Nevýhodou jsou prozatím velké investice na zavedení výroby.
BIONAFTA (FAME –fatty acid methyl esters)
palivo z obnovitelných zdrojů, v první generaci ze všech olejnin, nebo v druhé generaci ze zemědělských a lesnických zbytků. V Evropě se prozatím používá k výrobě semen řepky olejky, kdy z řepkového oleje procesem transesterifikace za přítomnosti metanolu a katalyzátoru vzniká MERO (methyl esters of rapeseed oil). Vedlejším produktem je glycerin využívaný v mazivech a kosmetice. Energetická účinnost (1 litru MERO odpovídá 0,91 litrů motorové nafty). V praxi je odsouhlasen provoz motorů na směs 5 % MERO v motorové naftě, na tzv. směsné palivo B5, které může být v nemodifikovaných motorech používáno bez problémů. Je předpoklad uvolnění provozu na vyšší koncentrace B30 (již USA, PSA/PeuegotCitroen). Nevýhodou je vazba na zemědělskou půdu, omezený pěstitelský potenciál a potřebný fosilní metanol. 20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
9
ROSTLINNÝ OLEJ (PPO – pure plant oil)
Jedná se o neupravený rostlinný olej z řepky olejky nebo dalších olejnin, který lze spalovat jen za určitých podmínek v upravených motorech. Poměrně vysoká energetická účinnost (1 litru PPO odpovídá 0,96 litrů motorové nafty). Použití v praxi je velmi řídké, neplní limity emisí Euro 4 a 5, proto jsou hlavními uživateli mimosilniční vozidla a stroje v zemědělství a lesnictví. Používání je stále ve stádiu experimentů na klasických vstřikovacích systémech s nízkými vstřikovacími tlaky. Je málo pravděpodobné, že složité vstřikovací systémy Common Rail umožní širší použití těchto paliv. Určitá šance je snad u traktorů, kde může být největší spotřebitelská poptávka. Výhodou je jednoduchá a levná výroba tohoto paliva a jeho biologická odbouratelnost při úniku následkem havárie. Nevýhodou je omezený surovinový potenciál, omezená zápalnost a snížené možnosti pro plnění nejpřísnějších limitu emisí, problémy při nasazení filtrů pevných částic a zvýšené náklady na přestavbu motorů.
20008/2009
Vozidlové motory
Scholz
10
