Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice šk. rok 2003/2004, zimní semestr II. ročník (obor DI–DC), st. skupina 2C Adamíra Martin, Bárta Tomáš, Bočánek David, Hanyšová Veronika pracovní skupina 01 a 02 27. 10. 2003 Název práce: Ekologická paliva v dopravě
Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali, v práci řádně cituji. Anotace: Tato semestrální práce se zabývá využitím různých druhů ekologických paliv (vodík, bionafta, zemní plyn aj.) a jejich využitím v dopravě. Klíčová slova: bionafta, bioplyn, vodík, palivový článek, elektrický pohon, hybridní pohon, sluneční energie, vzduch, zemní plyn, propan-butan
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 3 1. Bionafta ............................................................................................................................ 4 1.1. Výhody boinafty ........................................................................................................ 4 1.2. Nevýhody boinafty .................................................................................................... 4 1.3. Bionafta I. generace................................................................................................... 5 1.4. Bionafta II. generace.................................................................................................. 5 1.5. Shrnutí ....................................................................................................................... 6 2. Bioplyn a emulzní nafta ................................................................................................... 7 2.1. Bioplyn ...................................................................................................................... 7 2.2. Emulzní nafta............................................................................................................. 7 3. Vodík................................................................................................................................ 8 3.1. Spalování vodíku ....................................................................................................... 8 3.2. Získávání vodíku ....................................................................................................... 8 3.3. Skladování vodíku ..................................................................................................... 8 3.3.1. Struktura nádrže ..................................................................................................... 8 3.3.2. Zabezpečení nádrže ................................................................................................ 8 3.4. Pohonná jednotka ...................................................................................................... 9 3.5. Shrnutí ....................................................................................................................... 9 4. Palivové články .............................................................................................................. 10 4.1. Princip...................................................................................................................... 10 4.2. Popis elektrochemické reakce ................................................................................. 10 4.3. Rozdělení palivových článků................................................................................... 11 4.4. Palivové články s použitím zemního plynu............................................................. 11 4.5. Elektrická energie .................................................................................................... 11 4.6. Využití palivových článků....................................................................................... 11 4.7. Vlastnosti palivových článků................................................................................... 12 5. Elektrický pohon ............................................................................................................ 14 5.1. Elektromobil ............................................................................................................ 14 5.2. Elektromobil firmy BMW ....................................................................................... 15 5.3. Elektromobil firmy VW........................................................................................... 15 5.4. Elektromobil firmy Daimler-Benz........................................................................... 16 5.5. Elektromobil Impact firmy General Motors............................................................ 16 5.6. Další druhy akumulátorů u elektromobilů............................................................... 16 6. Elektrický pohon z vody ................................................................................................ 17 7. Hybridní pohon .............................................................................................................. 18 7.1. Hybridní vozidlo firmy Audi................................................................................... 18 8. Sluneční energie ............................................................................................................. 19 9. Vzduch ........................................................................................................................... 20 10. Zemní plyn .................................................................................................................. 21 10.1. Vznik zemního plynu ........................................................................................... 21 10.2. Vlastnosti zemního plynu v porovnání s ostatními topnými plyny...................... 22 10.3. Kde se vlastně bere energie.................................................................................. 22 10.4. Historie ................................................................................................................. 23 10.5. Historie použití plynu........................................................................................... 23 10.6. Zemní plyn – perspektivní palivo pro automobily? ............................................. 24 11. Propan-butan (LPG).................................................................................................... 26 11.1. Klady a zápory pohonu aut propan-butanem (LPG) ............................................ 26 Závěr......................................................................................................................................... 27 Použité informační zdroje ........................................................................................................ 28 2
Úvod Nezávisle na tom, jak dlouho ještě budou k dispozici zásoby ropy, je jisté, že jednou budou vyčerpány. Tato perspektiva je dostatečným důvodem pro to, aby byla hledána alternativní paliva nejen pro silniční provoz. Česká republika dnes produkuje pouhé procento z celkové spotřeby pohonných hmot v podobě obnovitelných látek, což znamená, že do budoucna bude muset svou produkci několikanásobně zvýšit. Důležitým a neméně významným aspektem je vliv stávajících nejpoužívanějších paliv na životní prostředí. Emise těchto paliv mohou mít v budoucnu katastrofálními důsledky.V automobilovém průmyslu se může využít několik druhů alternativních pohonů, mezi které patří například bionafta, vodík, vodíkové články, elektrická energie, zemní plyn, propan-butan… Těmito druhy ekologických paliv se tato semestrální práce zabývá.
3
1. Bionafta Bionafta je ekologické palivo pro vznětové motory na bázi metylesterů - nenasycených mastných kyselin rostlinného původu. Při výrobě bionafty se používá několik způsobů. Vyrábí se například rafinačním procesem zvaným esterifikace, při kterém se mísí metanol s hydroxidem sodným a pak s olejem vylisovaným ze semen řepky olejné nebo ze sojových bobů. Vedlejším produktem při tomto procesu je glycerín, který lze dále využít (např. při výrobě zubních past nebo sirupů proti kašli) [1]. 1.1.
•
Výhody boinafty Čistá bionafta není toxická, je biologicky odbouratelná a neobsahuje žádné aromatické látky (ani síru). Bionafta při spalovacím procesu lépe shoří a tím výrazně snižuje kouřivost (dvacetiprocentní snížení kouřivosti) naftového motoru, množství polétavých částic, síry, oxidu uhličitého, aromatických látek a uhlovodíků vůbec. Bionafta má vysokou mazací schopnost (je mastnější než motorová nafta) a tím snižuje opotřebení motoru a prodlužuje životnost vstřikovacích jednotek. Mazací schopnost nafty je zvláště důležitá pro rotační vstřikovací čerpadla, kde jsou veškeré jeho pohyblivé části mazány naftou a ne mazacím olejem. Bionafta nevyžaduje žádné zvláštní podmínky pro uskladnění. Lze ji skladovat ve stejných zásobnících jako motorovou naftu, kromě betonových zásobníků. Při vyšším poměru smíchání s motorovou naftou může bionafta poškodit přírodní kaučuk a materiály z polyuretanové pěny. Bionafta nezpůsobuje ve vodě mikrobiologické zatížení až do koncentrace 10 000 mg/l a je pro ryby neškodná. Testy na Univerzitě v Idaho prokázaly, že ve vodním roztoku je po 28 dnech degradováno 95 % bionafty oproti pouhým 40 % motorové nafty. [1] Methylester řepkového oleje má schopnost motor dokonale vyčistit [3]
•
Značné snížení exhalací ve výfukových plynech [5].
•
Nevýhody boinafty Nižší výhřevnost (tj. množství tepla, které je možno odvést při úplném shoření 1 kg paliva ve vzduchu při ochlazení zplodin hoření na původní teplotu, přičemž voda zůstane ve formě páry) než ropné uhlovodíky, je agresivní vůči gumě.
•
Vyšší emise oxidů uhelnatých [2].
•
Před přechodem na bionaftu je nutné vyčistit palivový systém od vody a usazenin a provést kontrolu motoru. (Náhlý přechod na bionaftu bez přípravy by mohl uvolněním nečistot zanést filtry, v horším případě i poškodit motor.).
•
U strojů s požadovaným vyšším výkonem je nutné počítat se ztrátou na výkonu motoru max. do 2% a se zvýšením spotřeby max. do 3%. Toto navýšení je však minimální vzhledem k ceně bionafty.
•
Bionafta, respektive její rostlinná část je velmi náchylná na vodu, proto je nutné vyčistit palivový systém od vody a pravidelně jej kontrolovat.
•
Bionaftu se nedoporučuje příliš dlouho skladovat, protože by se rostlinná část mohla začít rozkládat [4].
• • •
•
•
1.2.
4
1.3. Bionafta I. generace Na počátku 90. let vzniklo za podpory vlády v ČR několik provozů, kde se začala vyrábět bionafta I. generace – 100% methylester řepkového oleje, nazývaný MEŘO, jako alternativní palivo za motorovou naftu. Snahou výrobců bylo, aby čisté MEŘO po menších úpravách pomocí aditiv mohlo být používáno ve vznětových motorech. Tento upravený rostlinný olej nedosahoval výkonnostních parametrů ropného oleje tj. motorové nafty. Meřo vykazovalo vysokou kouřivost, špatnou filtrovatelnost při nízkých teplotách (bod tuhnutí při -8°C), velmi nízkou kalorickou hodnotu a s ní spojený snížený výkon motoru. Tento druh bionafty vykazoval vysoké poškozování pryžových částí motoru a zvýšenou spotřebu oleje (až o dvojnásobek). Bionafta se srážela při styku s vodou a její smíchávání s klasickou motorovou naftou většinou znehodnotilo celé palivo. Dopravci a ve většině případů ani prodejci nebyli dostatečně poučeni o záludnostech bionafty a tankovali ji do vozidel bez jakékoli přípravy, což u starších a neudržovaných motorů mělo za následek jejich znehodnocení [2]. Tato bionafta měla své nedostatky především v nízké kalorické hodnotě (37,5 MJ oproti 42,5 MJ u klasické motorové nafty) projevující se nižším výkonem a vyšší spotřebou motoru. K nevýhodným vlastnostem bionafty I. generace patří i poměrně velmi plochá destilační křivka [3]. Tab. 1 Emise bionafty a porovnání s motorovou naftou [2] Sledovaná hodnota Motorová nafta MEŘO CO (g/hod)
62
56
CHx (g/hod)
43
31
NOx (g/hod)
223
241
SO2 (%)
0,15
0,002
Kouřivost(stupnice BOSCH)
0,49
0,26
Tab. 2 Fyzikální vlastnosti a porovnání s motorovou naftou (vznětový motor: Výkon 52kW, Obsah 4.15 l, otáčky=2 200 ot/min) [2] Sledovaná hodnota Motorová nafta MEŘO kinematická viskozita (mm/s): 0 °C
3 – 14
10
kinematická viskozita (mm/s): 20 °C
2–8
6,3 – 8,1
kinematická viskozita (mm/s): 100 °C
0,7 – 2
1,7
45
54 – 55
0,8 – 0,86
0,87 – 0,88
55
130
0 – (-12)
-7
cetanové číslo měrná hmotnost (kg/l) bod vzplanutí (°C) bod tuhnutí (°C)
1.4. Bionafta II. generace Jedná se o vícekomponentní palivo, které musí dle nařízení vlády obsahovat min. 30 % metylesteru řepkového oleje (MEŘO). Zbývajících 70 % tvoří látky minerálního (ropného) charakteru, na které jsou ovšem kladeny obrovské nároky z hlediska rozložitelnosti [3]. Tím se otevřely možnosti jak vylepšit a zdokonalit vlastnosti původního paliva. Vznikla tzv. bionafta II. generace sestávající z různých komponentů a jejich vzájemných různých objemů. V konečném produktu bionafty II. generace je obsaženo min. 30 % MEŘO
5
a zbývající objem sestává z látek ropného charakteru, aditiv a vysoce kvalitní motorové nafty. Největší překážkou většiny vynálezců je právě biologická odbouratelnost a pro její dosažení musí být ropné látky obsažené v bionaftě hluboko odsířené a dearomatizované. Aby bylo dosaženo kvality běžné motorové nafty a přitom zajištěn ekologický provoz a odbouratelnost min. 90 % objemu do 21 dnů, vyrábí se bionafta z přísně kontrolovaných ropných produktů a kvalitního MEŘO. Výsledkem je dosažení parametrů srovnatelných s motorovou naftou a v některých oblastech i lepších. Toto nové palivo nemá žádné známé vedlejší účinky na motor a plně se osvědčuje v nejnáročnějších podmínkách provozu [4]. Rovněž odpadá tolik diskutovaná častější výměna olejové náplně jako tomu bylo u bionafty I. generace. Zde totiž docházelo k tvorbě látek pryskyřičné povahy jejich stíráním pístními kroužky do olejové lázně a následkem byla tzv. želatinizace oleje. Ten se stal při nižších teplotách nečerpatelný a docházelo k přidření pístní skupiny. Nutnost výměny oleje se tak stala aktuální již po 50 % životnosti náplně. Tento negativní jev plně odstraňuje bionafta II. generace díky nízkému podílu MEŘO. Rovněž palivářské a motorářské vlastnosti se již těsně přibližují parametrům komerční motorové nafty [3]. Současná bionafta II.generace je považována za velký pokrok v oblasti alternativních paliv a je na nesrovnatelně lepší úrovni proti původní bionaftě. Byla vylepšena destilační křivka a zvýšený cetanový index [4]. 1.5. Shrnutí Největším přínosem tohoto obnovitelného paliva, které se částečně vyrábí z domácí suroviny, je tzv. biologická odbouratelnost, ke které dochází do jedenadvaceti dnů. To znamená, že v případě havárie nezpůsobuje tak velké ekologické škody jako jiná paliva. Z tohoto důvodu by se měla používat zejména v zemědělství a lesnictví. Při použití bionafty se snižuje také obsah škodlivých látek ve výfukových plynech vznětových motorů. Nepřispívá tedy ke vzniku skleníkového efektu. Řepka olejka totiž při svém růstu spotřebuje více oxidu uhličitého než se uvolní při spalování bionafty [5]. V současné době je na našem trhu asi 15 výrobců bionafty. Patří mezi ně např. Milo Olomouc, Mydlovary u Českých Budějovic, Holding Litvínov [3].
6
2. Bioplyn a emulzní nafta 2.1. Bioplyn Vzniká anaerobním rozkladem organické hmoty ve velkovýkrmnách, čistírnách odpadních vod, skládkách atd. Vedle metanu obsahuje i větší množství oxidu uhličitého, vody, případně další příměsi jako sulfan, halogenvodíky atd. Jedná se o produkt lokálního významu. Používá se především k pohonu stacionárních motorů kogeneračních jednotek. V některých případech nahrazuje u stacionárních motorů motorovou naftu jako palivo [2]. 2.2. Emulzní nafta První pokusy s přidáním vody do paliva pro spalovací motory sahají do první poloviny minulého století. V této době měla voda přidávaná do paliva pomoci řešit problémy s chlazením motorů. Známé je zejména vstřikování vody do sání některých stíhacích letadel z období 2. světové války, které umožnilo krátkodobé zvýšení maximálního výkonu motoru, avšak za cenu zkrácení životnosti motoru až na několik minut. Postupem času chlazení běžných motorů podařilo vyřešit přijatelnějším způsobem. Pokusy o spalování paliva obsahujícího vodu byly obnoveny koncem minulého století, a to v souvislosti s rostoucími požadavky na čistou výfukových plynů. Samo spalování směsí nafty s vodou přinášelo od počátku dobré výsledky z hlediska emisí. Dlouhodobým problémem však byla stabilita směsi a ochrana vstřikovací soustavy proti korozi. Dalším nepříjemným problémem, který se v některých případech projevil až po několika letech provozu, bylo napadení směsného paliva bakteriemi, které způsobily rozklad emulze a ucpání palivových filtrů. Podle dostupných informací jsou dnes uvedené problémy uspokojivě vyřešeny. Garantovaná doba skladovatelnosti emulze je 4 měsíce. Zlepšení čistoty výfukových plynů ve srovnání s běžnou naftou závisí na typu motoru a jeho technickém stavu. Pokles kouřivosti motorů starších typů se uvádí až kolem 80 %, pokles hmotnosti pevných částic ve výfukových plynech kolem 40 %, snížení emisí oxidů dusíku 10 až 20 % [10].
7
3. Vodík Jedna z výhod tohoto chemického prvku spočívá v tom, že je možné ho získat z obyčejné vody, které je téměř všude na světě dostatek [6]. Přes problémy ukazující na to, že vodíkem poháněné vozidlo nemůže mít výslednou účinnost vyšší než současné, má vodíkový pohon význačnou výhodu: omezuje totiž podstatně emise spalovacích motorů (jsou-li použity) a může být využit i jako zdroj pro elektrochemickou transformaci chemické energie na elektrickou v palivových článcích, kdy jsou vlastní emise „motoru“ prakticky nulové (až na odpadní teplo). Pokud by byl vyráběn z vody s využitím jaderné energetiky, nebude přispívat ani k emisi skleníkových plynů (jinak ovšem toto neplatí!) [7]. 3.1. Spalování vodíku Při spalovacím procesu vodíku vzniká opět nezávadná voda. Produkce oxidu uhličitého a uhelnatého je nulová a hodnoty uhlovodíků a sloučenin dusíku ve výfukových plynech jsou přinejmenším srovnatelné s nejmodernějšími motory spalující benzín. 3.2. Získávání vodíku Jedním z problémů je samotná výroba čistého vodíku [6]. Vodík je sice nejhojnějším prvkem ve vesmíru i na Zemi, ale je bohužel vždy vázán v nějaké sloučenině, například ve vodě. Oddělení vodíku a kyslíku vyžaduje energii, přesněji elektřinu. A získávat ji spalováním fosilních paliv by znamenalo prakticky negovat všechny přednosti vodíku jako ekologického paliva. S potřebou velkého množství elektřiny na elektrolýzu při přechodu na vodíkovou ekonomiku nemá problémy jediný stát na světě, a to Island. Vděčí za to svým hojným zdrojům geotermální a vodní energie. Ostatní země budou muset investovat do rozvoje dalších vodních, slunečních nebo větrných elektráren [8]. 3.3. Skladování vodíku Získaný vodík je nutné zchladit až na teplotu -253,5 °C, kdy získá kapalné skupenství, které je vhodné pro použití v automobilu. Kdyby byl vodík skladovaný v plynném skupenství, odpadly by sice problémy spojené s chlazením, ale vznikly by závažnější problémy s ukládáním. Byly by totiž potřebné velké vysokotlaké nádoby, které jsou velmi těžké a nákladné. Energetický potenciál v jednom m3 vodíku je přibližně stejný jako potenciál v jednom litru benzínu, což ukazuje prostorovou nákladnost skladování plynného skupenství. 3.3.1. Struktura nádrže Samotná nádrž je poměrně složité zařízení. Plášť se skládá ze dvou vrstev od sebe oddělených vakuem a sedmdesáti hliníkovými fóliemi se skleněnou vatou. Izolační schopnosti nádrže jsou udivující. Během jednoho dne vzroste teplota velmi studeného paliva jen o 1 °C. Během třech dní se však tlak v nádrži zvýší z původního tlaku 1 bar až čtyřikrát, což je mezní hranice. Potom se přebytečný vodík jednoduše vypustí bezpečnostním ventilem. Po nastartování se uvede do chodu chladící zařízení, které během 15 minut ustálí teplotu na zmíněných -253,5 °C. Nádrž v zavazadlovém prostoru pojme 140 litrů vodíku, odpovídajícímu přibližně 40 litrům benzínu. Jedna náplň nádrže vystačí až na 400 km jízdy, přičemž potom je ji možno opětovné doplnit během několika minut. 3.3.2. Zabezpečení nádrže Velká pozornost při vývoji vodíkového pohonu byla věnována bezpečnosti, jejíž úroveň je při používání takovýchto zařízení velmi vysoká. Kdyby se vodík jakýmkoliv způsobem dostal z odolné a pevné nádrže umístěné na bezpečném místě těsně za zadními sedadly, může člověka ohrozit svojí nízkou teplotou. Vyšší koncentrace, než jaká je ve vzduchu (cca 18 %), se na volném prostranství obávat nemusíme. Jistý problém však nastává v uzavřených prostorech, jako je interiér automobilu. Netoxický vodík není cítit, je bezbarvý a proto je pro 8
člověka špatně rozpoznatelný. Kabina testovacích automobilů je proto vybavena speciálními senzory mapujícími obsah vodíku ve vzduchu. Když jsou naměřené hodnoty vyšší než přípustné, elektronika dá povel k otevření střešního okna, stáhnutí všech bočních skel a otevření zavazadlového prostoru, čímž se prostor vyvětrá. Stejná reakce nastane i v případě nehody. 3.4. Pohonná jednotka Pohon „vodíkového“ automobilu zajišťuje jen mírně upravená zážehová pohonná jednotka, která je v případě potřeby schopná pracovat vyjma vodíku i na benzín. Z nádrže paliva se vodík vede v kapalném stavu pancéřovanými trubicemi až do standardního spalovacího prostoru, kde se mísí se vzduchem, vybuchuje a tím otáčí klikovou hřídelí. Jistou nevýhodou je menší účinnost motoru pracujícího s vodíkem. Proto inženýři automobilek pracují s motory o objemech 2,5 až 5 l. Výkony těchto pohonných jednotek dosahují od 80 kW (109 k) do 150 kW (204 k), což je přibližně o 30 % menší výkon, než v případě spalovacích motorů na benzín. 3.5. Shrnutí Použití vodíku pro pohon automobilů se z hlediska celkového ekologického zatížení Země jeví jako jedna z nejvhodnějších variant. Přesto se ve vývojových pracovištích mnohých automobilek pracuje na jeho dalším využití. V současné době už jezdí elektromobily, které si právě pomocí vodíku vyrábějí elektrickou energii pro svůj pohon v palivových článcích [6].
9
4. Palivové články Palivové články slouží k přímé přeměně chemické energie na stejnosměrný elektrický proud. V některých případech se využívá i při reakci vzniklá tepelná energie. Vodík je ideální palivo pro výrobu elektrického proudu. Pomocí palivových článků lze energii akumulovat tak, že se spojí palivový článek s článkem elektrolytickým, ve kterém by se vyráběl a následně akumuloval vodík a kyslík. V případě potřeby by se vodík a kyslík použil buď v palivovém článku k výrobě elektrického proudu nebo po rozdělení k technologickým procesům. 4.1. Princip Základem jsou elektrochemické procesy. Při chemické reakci vstupních látek se chemická energie přeměňuje na elektrickou energii. Palivové články pracují na podobném principu jako galvanické články. Rozdíl je v tom, že palivové články vyvíjejí energii nepřetržitě, díky plynulé dodávce paliva k anodě (kladné elektrodě) a okysličovadla ke katodě (záporné elektrodě). Děj ve vodíko-kyslíkovém palivovém článku je v podstatě slučování vodíku a kyslíku za vzniku vody a energie. Chemická energie se přeměňuje na energii elektrickou. 4.2. Popis elektrochemické reakce Na anodu se přivádí jako palivo vodík, jako okysličovadlo se používá čistý kyslík přiváděný na katodu. Elektrolyt tvoří 40 % vodný roztok hydroxidu draselného. Částice vodíku difundují přes kanálky houbovité anody na její povrch pokrytý katalyzátorem a tam se zúčastňují reakce. U katody dochází k oxidaci paliva. Vznikají kationty vodíku a volné elektrony, které následně přecházejí do vnějšího elektrického obvodu. 2 H2 → 4 Η+ + 4 e− Na anodě reakce probíhají za přítomnosti elektronů z vnějšího elektrického obvodu. Kyslík dodaný do katody reaguje u jejího povrchu s částicemi vody a vznikají hydroxilové anionty. Viz rovnice. O2 + 2 H2O + 4 e–→ 4 OHVzniklé ionty OH– přecházejí elektrolytem na anodu, kde se slučují v molekuly vody. H+ + OH- → H2O Aby bylo umožněno snadné pronikání plynu do elektrolytu používají se houbovité – porézní elektrody. Vyrábí se z drobných zrníček kovů například platiny, stříbra, niklu nebo lisováním, spékáním uhlíku. Obr. 1 Schéma činnosti palivového článku [9]
10
4.3. Rozdělení palivových článků Pro palivové články je možné využívat různé druhy paliv například metan, propan, methylalkohol , oxid uhelnatý, čpavek, hydrazin, zinek, sodík, uhlík. Jako okysličovadlo se obvykle používá čistý kyslík. Palivové články lze rozdělit podle několika hledisek. Tab. 3 Rozdělení palivových článků podle pracovních teplot na nízko a vysokoteplotní [9] Typ článků Pracovní teplota [°C] Elektrolyt Nízkoteplotní články alkalické
80 – 120
roztok hydroxidu
membránové 80 – 120
polymerická membrána
Vysokoteplotní články fosforečné
160 – 220
kyselina fosforečná
uhličitanové 600 – 800
roztavené uhličitany
keramické
pevné oxidy
650 – 1000
Tab. 4 Rozdělení a označení palivových článků podle použitého elektrolytu [9] Označení Typ Elektrolyt Účinnost AFC
alkalické
roztok hydroxidu
PEMFC
polymerické
polymerická membrána
PAFC
s kyselinou fosforečnou kyselina fosforečná
η el = 40 %
MCFC
karbonátové
roztavené uhličitany
η el = 60 %
SOFC
s tuhým elektrolytem
pevné oxidy
η el = 40 %
Pozn.: η el - elektrická účinnost 4.4. Palivové články s použitím zemního plynu V praxi se k výrobě vodíku využívá metan, který se získává ze zemního plynu. Ten se v reformingu za vyšší teploty cca 800 °C a přítomnosti vodní páry rozkládá na vodík a oxid uhelnatý. CH4 + H2O → 3 H2 + CO Oxid uhelnatý reaguje s vodou na oxid uhličitý a vodík CO + H2O → H2 + CO2 Dále probíhá elektrochemická reakce, která byla popsána výše. 4.5. Elektrická energie Palivový článek produkuje elektrický proud při napětí cca 0,7 V s hustotou toku 200 až 400 mA/cm2. Sériovým řazením článků lze získat potřebné napětí, paralelním řazením žádanou kapacitu. Články jsou k dosažení žádaných parametrů sestavovány do baterií obsahujících stovky až tisíce jednotek, které je pak třeba individuálně zásobovat a chladit. 4.6. Využití palivových článků Palivové články se v současné době používají jako zdroj energie při kosmických letech. Začínají se objevovat i realizace stacionárních zdrojů. Podle odhadu je instalovaný výkon palivových článků v USA, Japonsku a v západní Evropě víc jak 50 MW. 11
Palivové články se využívají v automobilovém průmyslu pro pohon automobilů, autobusů. Například firma Daimler-Benz používá ve vozech Necar jako zdroj vodíku metanol. Vodík se dále spaluje v palivovém článku. Reakce při níž dochází ke spalování vodíku lze využít pro pohon plynových turbín, letadel,… V provozu jsou zařízení s fosforečnými palivovými články o výkonu cca 200 kW, která jsou provozována v Německu např. firmou HEW v Hamburgu, HEAG Versorgungs AG z Darmstadtu, Ruhrgas AG z Essenu. Zde slouží palivové články ke kombinované výrobě tepla a elektrické energie.
Obr. 2 Schéma palivového článku sloužícího k výrobě tepla a elektrické energie [9] 1. Blok cca 100 palivových článků 2. Vícefunkční blok obsahuje: •
výměník na spaliny – vzduch pro předehřev pracovního vzduchu
•
zařízení na úpravu zemního plynu před vstupem do článku
•
zařízení na sycení plynu vodní párou a jeho ohřev
•
hořák pro náběh zařízení a dodatečné spalování látek, které jsou obsaženy ve využitém vzduchu.
3. Výměník tepla pro ohřev vody pro vytápění pomocí směsi spalin a vzduchu, které odchází z palivových článků 4. Systém řízení jednotky, měnič stejnosměrného proudu na stejnoměrný, transformátor, atd. 4.7. Vlastnosti palivových článků Výhody využití palivových článků •
neprodukují žádné látky zatěžující životní prostředí,
•
obnovitelný zdroj,
•
vysoká účinnost,
•
je možné je přetížit bez nebezpečí havárie,
•
rychlý náběh na plný výkon,
12
•
výhodné je využití článků od výkonu 50 kW až několik MW,
•
nevyžadují složitou údržbu a obsluhu.
Nevýhody využití palivových článků •
vysoké investiční náklady, až 5000 USD/kW,
•
vysoká cena vstupního paliva,
•
nízké stejnosměrné napětí cca 0,7 V na článek [9].
13
5. Elektrický pohon Myšlenka použití elektrického pohonu pro vozidla není nikterak nová. V mnohých městech jsou užívány tramvaje a trolejbusy, které odebírají energii z trolejového vedení. První elektromobil napájený z baterie vyjel 29. dubna 1899 ve Francii. Jmenoval se „ La Jamais Contente“ (tj. ta která není nikdy spokojená). Jeho řidičem byl Belgičan Camille Jenatzky, který s ním dosáhl rychlosti 105,88 km/hod. Tyto první skvělé výsledky upadly ale v následující době, kterou ovládl spalovací motor , téměř úplně v zapomenutí. Na počátku šedesátých let se o elektromobilu opět začalo hovořit, ale ani tehdy nedošlo k jeho konkrétnímu vývoji. Až ropná krize sedmdesátých let prolomila ledy, když si veřejnost uvědomila, že si ekologicko-energetické dilema vyžádá radikální řešení. Vlastní přelom, ve který doufala firma Generals Motors, nenastal však ani tehdy. Zamýšlená produkce 100 000 elektromobilů ročně zůstala až do dnešního dne pouhým přáním. Přesto se situace změnila. První elektromobily jsou už přece na trhu. Jsou však nabízeny spíše výrobci mimo vlastní automobilový průmysl. Více jak deset německých a deset švýcarských firem nabízí elektromobily, k nim navíc přistupuje několik automobilových výrobců, mezi nimi Citroen s malým vozem C25, Fiat s modifikovaným modelem Panda, BMW, Audi, VW a Daimler-Benz. Na dalších řádcích si uvedeme definici elektromobilu a poté si některé výše uvedené elektromobily včetně jejich principu blíže představíme [14].
Obr. 3 Elektromobil [11] 5.1. Elektromobil Elekrotromobil je automobil na elektrický pohon. Jako zdroj energie slouží elektrický akumulátor, který je před jízdou nabit a od jeho kapacity závisí dojezdová vzdálenost elektromobilu. Pro elektromobily a elektrobusy slibující ekologický provoz, se vyrábí nebo vyvíjí řada pokročilých akumulátorů, které by měly v kilogramu své hmotnosti akumulovat nejméně 150 Wh energie – přibližně trojnásobek toho, co nabízejí akumulátory olověné. Ty nejlepší, které se k tomuto parametru blíží, jsou však příliš drahé, neboť využívají převážně vzácné kovy Předpokládá se, že elektromobily se budou v budoucnosti stále více využívat. Jejich největší výhodou je to, že neprodukují výfukové plyny ze spalovacího procesu motorového paliva. V současnosti jejich většímu rozšíření brání zejména nedostatečná kapacita akumulátorů, vyšší cena v porovnání s klasickými automobily a podobně [11].
14
5.2. Elektromobil firmy BMW Pro vyzkoušení a demonstraci elektromobilu používá německá automobilka BMW sériový typ BMW 325 IX. Přestrojení ale vyžaduje značné zásahy, aby mohly být elektrický pohon a baterie vhodně nainstalovány. Pro elektromobil je vhodná baterie NaS. Přednost tohoto článku spočívá v tom, že oproti klasickým olověným akumulátorům má čtyřikrát větší hustotu energie.Tento akumulátor je protiklad k olověnému. NaS akumulátor má reagující látky v kapalném stavu, kdežto elektrolyt je pevný. Reagujícími látkami je roztavený sodík (Na) a roztavená síra (S). Elektrolyt je beta-aluminiumoxid, keramická pevná látka, která je pro sodíkové ionty propustná („vodivá“). Během vybíjejícího procesu putuje sodík ve formě iontů elektrolytem k síře a reaguje tam s ní na sulfid sodíku NaS. Během fáze nabíjení se tento proces obrátí. Jedinou nevýhodou je , že může dodávat proud za předpokladu, že reagující látky jsou v kapalném stavu, což nastává teprve při teplotě 285°C. Optimální provozní teplota je ještě vyšší (mezi 290 a 300°C). Během vybíjení se uvedená teplota udržuje vznikajícími tepelnými ztrátami. Akumulátory tohoto druhu musí tedy být na rozdíl od běžných tepelně izolovány. Kromě toho spotřebovávají určitou část energie na krytí vznikajících tepelných ztrát. K přednostem tohoto akumulátoru patří v neposlední řadě to, že nepotřebuje údržbu. Není tedy nutné doplňování vody jako u olověného akumulátoru. Délka života, ke které se u NaS směřuje, leží u 10 let, resp. 1000 cyklů nabíjení-vybíjení. To odpovídá u elektromobilů (např. pro městský provoz) celkové ujeté vzdálenosti 150 000 až 200 000 km.Tuto baterii například vyrábí firma ABB, která se společně s výrobcem aut BMW účastní vývoje elektromobilů. Při použití tohoto druhu baterie je nutno užít předního náhonu, ale samotná baterie NaS se nachází v zadní části vozu. Pohon skládající se z elektromotoru a příslušné elektroniky (management pohonu) je naopak v přední části vozu, kde je jinak umístěn spalovací motor. Elektromotor je stejnosměrný motor, který je také od již dříve zmiňované firmy ABB. Přednost tohoto typu spočívá v nízkých požadavcích na řízení pohonu. Střídavé motory, které jsou výrobně levnější, vyžadují naproti tomu složité řízení. Přesto není ani použití těchto motorů v budoucnosti vyloučeno. Základní parametry užitého stejnosměrného motoru jsou následující: provozní napětí
145 V
provozní proud
133 A
výkon (trvale)
17 kW
točivý moment
68 Nm (použitelný od klidového stavu až do jmenovitého počtu otáček)
počet otáček
2400 za min.
max. počet otáček
6700 za min.
Z ohledu na spotřebu energie byla použita převodovka se dvěma rychlostmi místo původně zamýšlené automatické převodovky. Baterie NaS s rozměry 1,42m x 0,485m x 0,36m stačí na 150 km při maximální rychlosti 100 km/hod. Urychlení z 0 na 50 km/hod. trvá 9 sekund [14]. 5.3. Elektromobil firmy VW Též automobilka VW experimentuje s hybridním pohonem, který spojuje elektrický pohon s dieselovým motorem. Pro tento účel byl upraven nejprve Golf. Mezitím byl vyvíjen též elektromobil s označením Jetta City STROMER. V hybridní verzi byly použity olověné baterie, které přesto že váží 400 kg umožňují dojezd pouze 40 km. Při samotném elektrickém pohonu se užívá zmíněná baterie NaS, která umožňuje při váze pouze 276 kg dojezd 120 km [14].
15
5.4. Elektromobil firmy Daimler-Benz Není divu, že i firma Daimler-Benz zkouší auto s elektrickým pohonem. Pro první testy byla vybrána modifikovaná verze typu 190 s předběžnými parametry: dojezd (při 50 km/hod)
175 km
nejvyšší rychlost
15 km/hod
stejnosměrný motor
90 až 160 V
trvalý výkon
19 kW
krátkodobý výkon
31 kW [14].
5.5. Elektromobil Impact firmy General Motors Význačného vývoje v oblasti elektromobilů se podařilo dosáhnout firmě Impact General Motors s vozem Impact. Na rozdíl od většiny vozů konkurence, které představují modifikace existujících typů, je tento model koncipován od počátku jako elektromobil. Karosérie je z umělé hmoty a má senzační hodnotu Cw (koeficient odporu) a to 0,19. Váha je pod hranicí 1000 kg, ačkoliv samotné baterie váží 395 kg. Tvoří ji 32 bloků po 10 V a s kapacitou 42,5 Ah. Přitom může být při rychlosti omezené z maximálních 160 na 120 km/hod dosažen dojezd 200 km. Baterie nyní vystačí asi na 32 000 km, ale další vývoj má v dohledné době zvýšit životnost až na 70 000 km. Auto má přední náhon s dvěma elektromotory o výkonu po 42,5 kW. Urychlení z nuly na 100 km/hod potřebuje tento model auta 8 sekund. Jak se toto vozidlo uplatní v budoucnu ukáže čas [14]. 5.6. Další druhy akumulátorů u elektromobilů Kvůli výhradám ekologů vůči obsahu kadmia jsou nově nahrazovány akumulátory nikl-metalhydridovými (NiMH) a lithiumiontovými (Li-Ion), vykazujícími třikrát vyšší měrnou kapacitu než akumulátory nikl-kadmiové (NiCd). Zejména poslední netrpí paměťovým efektem ani samovybíjením, jsou však podstatně dražší. Pro vyšší výkony, např. pro pohon elektromobilů, se ověřují i zinko-vzdušné akumulátory, v nichž probíhá elektrochemická reakce na porézních elektrodách, oddělujících vzduch od zinku [12].
16
6. Elektrický pohon z vody Automobil můžeme pohánět i pomocí chemické a následně elektrické energie a to následujícím způsobem. Rozložíme vodu pomocí slunečního záření na vodík a kyslík. Potom oba plyny znovu sloučíme (tj. okysličíme vodík) a vznikne znovu voda. Nahromaděná energie se přitom uvolní ve formě elektřiny. Elektřinou z palivového článku napájíme elektromotor nebo akumulátor. Pokud elektrický proud z palivového článku napájí přímo motor, proud je většinou slabý a auto jede jen když svítí slunce. Lépe se zatím osvědčilo nabít nejdříve akumulátor a tím pak pohánět automobil. Pomocí vhodných akumulátorů se dá najezdit až 300 km při rychlosti do 90 km/hod. Potom se akumulátor vybije a je třeba vyměnit ho za nabitý. Pro normální ježdění je tento akční rádius i rychlost zcela dostačující. Přitom elektromobil jezdí potichu a neznečišťuje životní prostředí [14].
17
7. Hybridní pohon Ve snaze vyřešit problém omezeného dosahu může být elektromobil vybaven elektrickým motorem a spalovacím generátorem (hybridní elektromobil). Na malé vzdálenosti a v nenáročném terénu jezdí vůz na elektřinu. Spalovací motor se použije teprve v náročném terénu a na větší dálky. Tím se výkon a dosah spojují s efektivitou, šetrností k životnímu prostředí, nehlučností a nízkými náklady. Hybridní vůz by se tedy v budoucnu mohl stát velmi kvalitní alternativou [13]. 7.1. Hybridní vozidlo firmy Audi Alternativu k čistě elektricky poháněným autům přestavují kombinovaná (hybridní) vozidla jako např. Audi-duo, které bylo prezentováno v Ženevě v r. 1990. V této koncepci je vedle normálního spalovacího motoru s předním náhonem zabudován ještě elektromotor, který může pohánět zadní osu. Vozidlo tak může být poháněno buď benzinem nebo elektricky. Potřebnou energii dodává nikl-kadmiová baterie, která je zabudována vzadu v dolní části karoserie. Skládá se z 54 jednotlivých článků s napětím po 1,2 V zapojených do série. Poskytují tak napětí 64,8 V a výkon 9,4 kW. Může tedy být poháněn stejnosměrný motor 9,8 kW. Takto lze dosáhnout rychlost 52 km/hod. Během 30 sekund se dosahuje rychlost 30 km/hod. Dojezd při elektrickém pohonu je však malý. Při malém silničním provozu činí asi 40 km. Pomocí klíčku zapalování se zapíná buď spalovací motor nebo – když je zařazení na neutrálu – stiskem knoflíku E elektromotor. Každý z pohonů pracuje tedy podle volby nezávisle. Spojení obou motorů má usnadnit rozjíždění. Při rychlosti přes 5 km/hod odpojí se automaticky elektromotor a auto jede dále pouze s předním motorem. Další pomocí při rozjíždění je závěrný diferenciál na zadní ose. Elektromotor a závěrný diferenciál je připojován vypínačem. Normální doba nabíjení baterie je deset hodin, je ale možné i zrychlené nabíjení, které trvá asi hodinu. Baterie se nabíjí pomocí nabíječe, který je možno vozit s sebou v autě. Prostřednictvím síťového kabelu může být připojen do libovolné zásuvky (16 A). Baterii lze nabíjet též solárním generátorem umístěným na střeše vozu. Při středním slunečním svitu dodá za 10 hodin energii cca 1,4 kWh, která ovšem vystačí pouze na vzdálenost 6 km. Solární generátor tedy má spíše symbolický charakter [14].
18
8. Sluneční energie Automobily na sluneční pohon převádějí sluneční světlo na elektřinu. Tento druh pohonu má nejmenší šanci na přežití, protože je s ním spojena řada problémů. Převod energie totiž zdaleka není efektivní. Sluneční články zabírají příliš mnoho prostoru, takže pro cestujícího už skoro žádné místo nezbývá. Automobil nemůže být příliš těžký, protože jinak by se nehnul z místa. [13].
19
9. Vzduch Špičkový francouzský konstruktér Guy Négre vynalezl automobil, který je velmi šetrný k životnímu prostředí. Do rychlosti 70 km/h je motor poháněn stlačeným vzduchem a nevytváří žádné škodlivé výfukové plyny. Při vyšší rychlosti motor přejde k běžnému benzínovému pohonu, přičemž spotřebuje pouze 1 litr na každých 50 km. Díky tomu je vůz dvakrát hospodárnější než model Smile vyvinutý organizací Greenpeace. Motor váží jen 34 kg a váha celého vozidla nepřesahuje 600 kg. To, zda se auto na vzduchový pohon stane automobilem budoucnosti, závisí na mocném automobilovém průmyslu.Velcí magnáti, jejichž hlavním cílem je samozřejmě zisk, mohou díky svému vlivu snadno zabrzdit práce na jakémkoli vynálezu. Zastánci vozu na vzduchový pohon to zřejmě v budoucnu nebudou mít snadné. Zdá se totiž, že největší automobilky mají zájem spíše o elektromobily. Honda, Ford, General Motors, Volkswagen a Chrysler již do vývoje investovaly [13].
20
10. Zemní plyn Zemní plyn je přírodní směs plynných uhlovodíků s převažujícím podílem metanu CH4 a proměnlivým množstvím neuhlovodíkových plynů (zejména inertních plynů). Těžený zemní plyn se podle složení dělí do čtyř základních skupin: •
zemní plyn suchý (chudý) – obsahuje vysoké procento metanu (95 – 98 %) a nepatrné množství vyšších uhlovodíků
•
zemní plyn vlhký (bohatý) – vedle metanu obsahuje vyšší podíl vyšších uhlovodíků
•
zemní plyn kyselý – je plyn s vysokým obsahem sulfanu (H2S), který se v úpravárenských závodech před dodávkou zemního plynu do distribučního systému odstraňuje
•
zemní plyn s vyšším obsahem inertů – jedná se hlavně o oxid uhličitý a dusík
Z vyšších uhlovodíků zemní plyny obsahují hlavně nasycené uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek plynné – etan, propan a butan. V některých ložiscích obsahují zemní plyny i uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek kapalné (od pentanu výše), které se při úpravě oddělují jako tzv.plynový kondenzát. 10.1. Vznik zemního plynu Na vznik zemního plynu existuje více teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice často spolu s ropou (naftový zemní plyn) nebo s uhlím (karbonský zemní plyn), přiklánějí se teorie jeho vzniku nejčastěji k tomu, že se postupně uvolňoval při vzniku uhlí nebo ropy jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický původ zemního plynu byly tedy na začátku vzniku zemních plynů rostlinné a živočišné zbytky.
Obr.4 Vznik zemního plynu [17] Podle anorganické teorie vznikal zemní plyn řadou chemických reakcí z anorganických látek. V poslední době američtí vědci přišli s další tzv. abiogenetickou hypotézou, podle které zemní plyn vznikl štěpením uhlovodíků, které se na naší planetu dostaly v době jejího vzniku z vesmírné hmoty. Tyto vyšší uhlovodíky se postupně štěpily až na metan, který pak pronikal k povrchu Země.
21
Tab.5 Příklady složení zemního plynu [17] metan vyšší uhlovodíky inerty ČR naftový
97,7
1,7
0,6
ČR karbonský
92,5
2,2
6,3
Rusko
98,4
0,8
0,8
Norsko
93
4,9
2,1
10.2. Vlastnosti zemního plynu v porovnání s ostatními topnými plyny Pro energetické účely se v průběhu téměř dvou stovek let historie plynárenství používaly různé plyny. Významnějšího postavení ale dosáhly pouze plyny vyrobené zplyněním nebo odplyněním uhlí, zemní plyny a kapalné plyny na bázi propanu a butanu. Topné plyny vyrobené odplyněním nebo zplyněním uhlí patří mezi středně výhřevné plyny a v České republice jsou známé jako koksárenský plyn nebo svítiplyn. Rozhodujícími složkami těchto plynů jsou metan, vodík a oxid uhelnatý, dále obsahují dusík, oxid uhličitý a vyšší uhlovodíky. Díky vysokému obsahu oxidu uhelnatého byly tyto plyny jedovaté. Spalné teplo se pohybovalo v rozmezí 17 – 20 MJ/m3. Topné plyny s vysokým obsahem metanu patří mezi velmi výhřevné topné plyny. V České republice jsou to zemní plyny (jak karbonský, tak naftový) a bioplyny. Rozhodující složkou je metan, dále mohou obsahovat vyšší uhlovodíky a inertní plyny. Jejich spalné teplo závisí na obsahu metanu – pohybuje se přibližně od 20 MJ/m3 (bioplyny, karbonské plyny s vysokým obsahem inertů) do 40 MJ/m3 (v případě vyššího obsahu vyšších uhlovodíků může být spalné teplo zemního plynu ještě vyšší). Topné plyny na bázi propanu a butanu patří mezi vysoce výhřevné plyny. V České republice se používají buď čisté plyny nebo směs známá pod označením propan-butan. Odběratelům se na rozdíl od výše uvedených plynů dodávají v kapalném stavu. Spalné teplo záleží na poměru propan:butan ve směsi. Leží tedy v intervalu 101,7 (čistý propan) – 133,9 MJ/m3 (čistý butan), resp. – tyto plyny se prodávají na váhu – asi 50 MJ/kg směsi obou plynů. 10.3. Kde se vlastně bere energie Při spalování platí dva známé základní zákony – zákon zachování hmoty a zákon zachování energie. Spalováním zemního plynu tedy nelze žádnou energii vyrobit, ale pouze přeměnit energii v něm uloženou v energii tepelnou.
Obr.5 Průmyslový hořák [17] Při dokonalém spalování zemního plynu dochází k jeho chemické přeměně na směs oxidu uhličitého a vodní páry. Každá chemická sloučenina má určité tzv. slučovací teplo. A to je vlastně energetický potenciál, který daná chemická sloučenina přináší do chemické reakce. Reakční teplo, tj.teplo, které se při reakci vymění s okolím,se vypočítá jako rozdíl sumy slučovacích tepel látek vystupujících a sumy slučovacích tepel látek vstupujících do reakce.
22
V praxi mohou nastat dva případy: •
při reakci se teplo uvolňuje (exotermní reakce),výsledná hodnota reakčního tepla je záporná,
•
reakci je třeba k jejímu průběhu teplo dodávat (endotermní reakce),hodnota reakčního tepla je kladná. Proces spalování zemního plynu lze jednoduše popsat chemickou rovnicí:
CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O Spalujeme-li čistý metan, dostáváme hodnotu reakčního tepla -802,762 kJ/mol v případě, kdy zůstává vzniklá voda ve skupenství plynném nebo -890,94 kJ/mol v případě úplné kondenzace vzniklé vodní páry na kapalnou vodu. V plynárenství se množství plynu nevyjadřuje v molech, ale převážně v objemových jednotkách. Přepočítáme-li tyto hodnoty na krychlové metry zemního plynu (1 m3 = cca 44,62 molu), získáme hodnoty reakčních tepel: -35,82 MJ/m3 v případě, kdy veškerá vzniklá voda je ve formě vodní páry (výhřevnost), -39,75 MJ/m3 v případě, kdy veškerá vodní pára zkondenzovala na kapalnou vodu(spalné teplo) 10.4. Historie Plynárenství jako významný obor energetiky nemá tak dlouhou historii jako jiné obory. Za den vzniku průmyslového plynárenství je považován 31. prosinec roku 1813, kdy se poprvé rozsvítily lampy plynového osvětlení na londýnském Westminsterském mostě.Plynárenství ve většině zemí prošlo dvěma etapami – první je éra svítiplynu (nebo městského plynu, jak byl nazýván ve většině zemí) vyrobeného z uhlí nebo kapalných uhlovodíků. Tato etapa trvala až do druhé poloviny 20. století (v České republice byla výroba svítiplynu ukončena v roce 1996), kdy se začal stále více uplatňovat zemní plyn. Dnes je distribuován odběratelům výhradně zemní plyn. Významnou úlohu svítiplynu pro rozvoj plynárenství ale nelze v žádném případě opominout.Za necelé dvě stovky let se v plynárenství odehrála řada významných událostí, které ovlivnily řadu dalších oborů. Za nejvýznamnější je nutné považovat rozvoj automobilismu – na jeho počátku stála vozidla poháněná plynovými motory. Přiblížit všechny tyto události by přesáhlo rámec těchto stránek. Proto je uvedeno pouze několik významných událostí, které zásadním způsobem ovlivnily jak české plynárenství, tak použití plynu.Bližší informace o historii plynárenství mohou zájemci získat při návštěvě Plynárenského muzea nebo v některé z publikací, které se historií plynárenství zcela nebo jen částečně zabývají. 10.5. Historie použití plynu 1786 Filip Lebon zjistil, že plyny vznikající při karbonizaci dřeva jsou hořlavé. Sestrojil zařízení, které nazval termolampou. Tu využíval pro osvětlení pracovny. 1859 Jean Lenoir dal patentovat dvojčinný motor na plyn. V roce 1863 s vozidlem poháněným tímto motorem uskutečnil první jízdu (18 km, 3 hodiny) [17].
23
Obr.6 Lenoirův automobil a motor [17] 10.6. Zemní plyn – perspektivní palivo pro automobily? Podle rakouské energetické společnosti Wiengas, velkého sponzora vývoje automobilů na zemní plyn a propagátora tohoto paliva na lednovém mezinárodním veletrhu Aquatherm 2002 ve Vídni, bylo v roce 2000 v provozu na celém světě přes 1,3 miliónů těchto vozidel a z toho přes 300 tisíc v Evropě. Mnoho světových výrobců nabízí již sériově vyráběné různé typy, jako například Mercedes osobní auto Sprinter 314, Volvo typ S 80, Fiat typ Multipla, Opel Zafira, renault Kangoo, nebo firma MAN autobus MAN NL. Japonská firma Toyota vyrábí i vysokozdvižné vozíky na zemní plyn. Samotná společnost Wiengas provozuje servisní vozidla na tento druh paliva od roku 1999. V současnosti jsou v Evropě v provozu osobní auta a lehká užitková vozidla řešena jako bivalentní, tj. kromě benzinu použitelná i na zemní plyn. Protože motory jsou dimenzovány a optimalizovány na benzinový provoz, představuje bivalentní systém kompromis mezi zatížením životního prostředí a dojezdem. Někteří výrobci však již nabízejí sériová monovalentní auta, což znamená ještě nižší emise škodlivin NOx, CO a CO2, případně SO2, menší spotřebu a vyšší výkon motoru.(pokračování). Zemní plyn je většinou komprimován v lahvích pod tlakem 200 barů, s objemem 30 a 140 litrů a tento tlak se před smícháním plynu se vzduchem redukuje na nízký přetlak. Lahve jsou zkoušeny na pevnost tlakem 300 barů a destruktivní tlak se pohybuje kolem 600 barů. Při nehodě nebo požáru zásoba plynu přečká tuto situaci bez poškození. Aby se zabránilo prasknutí láhve, unikne v případě požáru plyn přes bezpečnostní tavnou pojistku. Kdyby se utrhlo potrubní vedení, uzavře se automaticky bezpečnostní ventil a při utržení hlavy ventilu se plyn kontrolovaně vypustí. Zemní plyn neobsahuje žádné karcinogení substance, ve srovnání s benzinem nebo naftou (benzol, formaldehyd, aj.) a není zdrojem zplodin narušujících ozónovou vrstvu atmosféry. V porovnání s benzinem se produkuje asi o 25 % méně CO2, až o 90 % méně CO, o 70 % nemetanových uhlovodíků a o 25 % méně oxidu dusíků. Při porovnání s naftou jsou výsledky ještě přesvědčivější. U zemního plynu jsou hodnoty škodlivin značně nižší než jsou stanovené nejen současné, ale i budoucí limity podle směrnice EURO 3.V přísných směrnicích se hlavně stanoví, že zemní plyn v případě úniku nesmí vniknout do prostoru posádky. Také pro tankovací místa a zařízení existují rozsáhlá bezpečnostní opatření, která určují, že i v případě vzniku eventuálně poruchy nebo při neodborné obsluze nesmí vzniknout žádné nebezpečí pro pasažéry. Předpisy také řeší otázky bezpečného a rychlého, případně pomalého tankování, které je stejně jednoduché a spolehlivé jako u benzinových nebo naftových vozidel. V závěru publikace společnosti Wiengas se konstatuje, že budoucnost patří monovalentním spalovacím motorům, optimalizovaným na zemní plyn i z hlediska praktického provozu. Dokumentuje se to například možným dojezdem při 10 l benzinu (100 km), nafty (150 km) a 10 kg zemního plynu (150 km). V praktickém provozu to údajně znamená: 1 l benzinu = 0,7 kg zemního
24
plynu a 1 l nafty = 1 kg zemního plynu. Z energetického hlediska 1 kg zemního plynu = 1,4 l nafty, případně 1,5 l benzinu [16].
25
11. Propan-butan (LPG) 11.1. Klady a zápory pohonu aut propan-butanem (LPG) Pohon LPG láká, protože plyn stojí zhruba polovinu co srovnatelné množství benzinu, přičemž spotřeba při použití LPG se zvedne pouze asi o tři až deset procent a výkon klesá o zhruba pět až sedm procent. Má to i další výhody. Při tomto pohonu se prodlužuje životnost motorového oleje, který si na rozdíl od působení tradičních paliv lépe a déle udržuje potřebné vlastnosti. V motoru se nevytvářejí karbonové usazeniny, čímž se jeho životnost prodlužuje. Plynový pohon produkuje čistší výfukové plyny. Motor nevylučuje dým, prach, saze, oxidy síry, olovo a jiné látky, jako benzin či nafta, a vytváří méně oxidu uhelnatého a nespalitelných uhlovodíků. U přestavěného vozu zůstává možnost cestovat na benzin, dvě plné nádrže značně zvětší dojezd vozidla. V ČR je plně postačující síť čerpadel plynu, plyn levnější než benzin lze tankovat i v sousedních zemích. Ve srovnání se zemním plynem je síť čerpacích stanic nesrovnatelně širší. Auta upravená na LPG mají větší dojezd než vozy, které tankují zemní plyn, a přitom mají menší nádrže, úprava auta k pohonu na LPG je levnější než při přestavbě na zemní plyn. Na trhu jsou také auta sériově upravená k pohonu na LPG. Jenže. Úprava automobilu na propanbutanový pohon vyžaduje investici zhruba od 13 000 do 40 000 korun za pořízení a schválení zařízení ve vozidle, u některých typů automobilů je schvalování komplikované. Zmenšení zavazadlového prostoru o palivovou nádrž. Kruhové nádrže místo rezervního kola jsou poslední dobou zajímavým řešením, ale předpisy na povinnosti vozit rezervu v autě trvají. U starších zařízení je třeba počítat s pěti až sedmiprocentním poklesem výkonu motoru a tříprocentním snížením maximální rychlosti při letně nepatrném a v zimě tří až desetiprocentním zvýšením spotřeby. Je nutná zvýšená opatrnost při manipulaci a opravách, neboť již dvě procenta plynného LPG ve vzduchu tvoří výbušnou směs. Ve srovnání se zemním plynem, který se v pohonu automobilů rovněž začíná uplatňovat, je LPG těžší než vzduch, a tudíž nebezpečnější při provozu a manipulaci. Ve srovnání se zemním plynem je LPG dražší. U automobilu přestavěného na LPG jsou každoročně nebo po deseti tisících kilometrech povinné pravidelné revize. Používat lze jen oficiálně dovezené, schválené a odborně montované zařízení. Výroba LPG je vázána na ropu, což ovlivňuje ceny podobně jako u benzinu a nafty [15].
26
Závěr V této práci byly podrobně popsány a rozebrány již v úvodu zmíněné druhy ekologických paliv. U jednotlivých paliv pak byly uvedeny především výhody a nevýhody při použití zejména v silniční dopravě. Z obsahu práce vyplývá, že přechod na ekologická paliva se stane do budoucna nezbytností. Vzhledem k docházejícím zásobám ropy a obrovskému problému se znečišťováním životního prostředí tak bude muset dojít jednoho dne k úplné náhradě dnes běžně používaných paliv za paliva ekologická, která budou svými dopady méně zatěžovat životní prostředí. Přestože již v současné době jezdí některá auta na ekologická paliva, jedná se ale jen o velmi malé procento. Tato skutečnost je způsobena především některými problémy, spojenými spíše s ekonomickými hledisky výrobců automobilů. Neboť kdo by investoval do automobilu, který je poháněn ekologicky nezávadným palivem, ale cena tohoto automobilu je podstatně vyšší.
27
Použité informační zdroje [1] KUCHTOVÁ, Petra. MEŘO. [cit. 2003 – 10-28]. Dostupné z WWW:
. [2] KITTEL, Hugo. Alternativní motorová paliva. [cit. 2003 – 10-28]. Dostupné z WWW: . [3] ČAPEK, Robert. Bionaftový pohon. [cit. 2003 – 09-11]. Dostupné z WWW: . [4] Bionafta – ekologické palivo. [cit. 2003 – 10-28]. Dostupné z WWW: . [5] TROJNA, Roman. Nafta nebo bionafta? [cit. 2003 – 09-11]. Dostupné z WWW: . [6] SLOBODA, Petr. Alternatívne pohonné systémy. [cit. 2003 – 11-08]. Dostupné z WWW: . [7] MACEK, Jan, Takáts, Michal. Vodík – alternativní palivo pro motorová vozidla. [cit. 2001 – 07-27]. Dostupné z WWW: . [8] ŽÁKOVEC, Jan. Vodík pro pohon vozidel. [cit. 2003 – 10-12]. Dostupné z WWW: . [9] Palivové články. [cit. 2003 – 11-6]. Dostupné z WWW: . [10] BERÁNEK, Václav. V o. z. Autobusy zahájen zkušební provoz na emulzní naftu. DP kontakt, 2003, roč. 8, č. 3, ISSN 1212-6349. [11] Elektromobil [cit. 2003 – 11-11]. Dostupné z WWW: .
[12] Pokročilé elektrochemické akumulátory [cit. 2003 – 11-11]. Dostupné z WWW: [13] Hybridní pohon,Sluneční energie, Vzduch [cit. 2003 – 11-14]. Dostupné z WWW: [14] KARAMANOLIS, S. Sluneční energie. Praha: Sdružení MAC, 1996. 238s. ISBN 8086015-02-5 [15] Propan butan (LPG) [cit. 2003 05-12] Dostupné z WWW [16] Zemní plyn - perspektivní palivo pro automobily? [cit. 2003 05-12] Dostupné z WWW [17] Zemní plyn [cit. 2003 05-12] Dostupné z WWW
28
Připomínky k práci: 1. V textu se vyskytuje pár typografických chyb (značka měrné jednotky není od číselné hodnoty oddělena mezerou) 2. V anotaci se vyskytují neobratné stylistické formulace Hodnocení: nezveřejňuje se Opravila: MS
29
