Koncepce pro trvalejší individuální mobilitu Philipp Dietrich, Stephan F. Lienin, Christian Bach Cíle ochrany klimatu a udržení čistoty ovzduší vyžadují nové přístupy k motorizované individuální dopravě. Vedle opatření prostorového a dopravního plánování a přesunutí dopravy na veřejné dopravní prostředky je důležitý především další vývoj vysoce účinných pohonů a výroba na uhlík chudých a obnovitelných pohonných hmot. Společnost ETH v Curychu (ETHZ, EPFL, PSI, EMPA, EAWAG, WSL) zde chce přinést důležitý příspěvek prostřednictvím propojení sítí technologických kompetencí v oblasti spalovacích motorů a palivových článků a vývoje pohonných hmot z obnovitelné energie, jako je biomasa. Rozmanité milníky tohoto výzkumu, jako je Clean Engine Vehicle (CEV), který se představil na ženevském autosalonu v roce 2004, se testovaly v demonstračních projektech v rámci novatlantis, iniciativy pro trvalou udržitelnost společnosti ETH, a představují první kroky k jejich prosazení. Doprava je onen úsek, který má největší nárůst energie. Viděno globálně počítá se s tím, že individuální mobilita povede v příštích 30 letech ke zdvojnásobení osobních automobilů. V západních průmyslových zemích je motorizovaná individuální doprava již nějaký čas dominantním sektorem spotřeby, což např. ve Švýcarsku znamená přibližně pětinovou spotřebu konečné energie. To přispívá ke známým problémům ve změnách klimatu (především vlivem CO2), k prakticky úplné závislosti na ropě u automobilové dopravy a k místním emisím škodlivin (především vlivem pevných částic, oxidů dusíku a ozónu). K tomu, aby se automobilová doprava stala únosnější a bylo dosaženo cílů trvalejší mobility, opírá se strategie o tyto čtyři sloupy: - snížení poptávky prostorovým plánováním, řízením dopravy a hospodářskými pobídkami, - přeložení provozu osobních automobilů na energeticky účelnější veřejné dopravní prostředky všude, kde je to jen možné (řízení mobility), - zvýšení účinnosti a snižování škodlivin prostřednictvím technických opatření na vozidle, - náhrada fosilních paliv obnovitelnými pohonnými hmotami. Význam automobilu celosvětově stoupá. Ve Švýcarsku se ukazuje jako dominantní provoz automobilů ve volných dnech, který ve své důležitosti narůstá. Proto je nanejvýš důležité, aby se hledaly nové cesty jak na straně technologií vozidel, tak i při výrobě pohonných hmot. Na základě vysokých možností těchto hmot ve snižování CO2 a její tvorby hodnot v tuzemsku je především třeba podporovat obnovitelnou energii, ale rozvíjet i ostatní nositele energie (např. zemní plyn). A protože je výstavba distribučních a tankovacích infrastruktur spojená s vysokými náklady, nelze sledovat libovolně mnoho cest k pohonným hmotám. Volbu je třeba rozložit, po zhodnocení celého řetězce od výroby až po konečného spotřebitele, na pokud možno malý počet úspěch slibujících pohonných hmot. Předložený článek popisuje řadu možností volby, které sleduje ETH. Ve středu pozornosti je zvýšení účinnosti vozidel. Vycházeje z osobních automobilů - a za předpokladu, že vozy ke sportovním účelům zůstanou přechodným zjevem - jsou největší možnosti zlepšení ve značném snížení počtu vozidel a zvýšení účinnosti pohonu. U pohonu lze zlepšit zaprvé spalovací motor spolu s převodovým ústrojím. Jako další cestu je možno jmenovat kombinaci spalovacího motoru s elektromotorem, tedy hybridní pohon. Při začlenění elektromotoru je možno využít brzdící energie a tím snížit potřebnou primární energii. Jako třetí cesta je náhrada spalovacího motoru palivovým článkem.
1
Clean Engine Vehicle s motorem na zemní plyn, o 30 % nižší obsah CO2 výfukových plynech a sotva měřitelné emise škodlivin
ve
Zemní plyn vzhledem ke své podstatně vyšší antidetonační stálosti (oktanové číslo) v porovnání s benzinem poskytuje výborné předpoklady pro motorické spalování, má ovšem vysoké požadavky na řízení motorů a katalyzátory. V projektu "Clean Engine Vehicle (CEV) vyvinula EMPA v Dübendorfu společně s ETH Curych monovalentní pohon na zemní plyn pro osobní automobil, který současně vykazuje nejnižší emise (dodržení kalifornských mezních hodnot pro Super-Ultra-Low-Emission-Vehicles SULEV a vozidla Euro-4) a o 30 % nižší emise CO2 proti benzinem poháněnému shodnému vozidlu. Přitom byly uplatněny pouze sériové technologie, aby byly překážky pro zavedení na trh udrženy na co nejnižší úrovni. VW Golf s technologiemi projektu CEV byl vystaven na automobilovém salonu v roce 2004 v Ženevě. Motory na zemní plyn technicky vycházejí z benzinových motorů. Zpravidla mohou být poháněny oběma druhy pohonných hmot. Zemní plyn vykazuje proti benzinu ovšem ekologické motorově-technické přednosti. Má ovšem nevýhodu v malé hustotě. Americké registrační úřady posuzují bezpečnost vozidel s motory na zemní plyn přinejmenším stejně dobře jako vozidla na benzin. Jak tedy vypadá celkové posouzení? Benzinové a plynové motory vykazují nejvyšší stupeň účinnosti, pokud jsou provozovány na mezi klepání. Tato mez je v podstatě určována palivem. A protože zemní plyn vykazuje značně vyšší antidetonační stálost proti benzinu, je možno využít zde opatření zvyšující stupeň účinnosti, které u benzinového motoru nelze využít. K tomu patří např. zvýšení kompresního poměru. Ke klepajícímu spalování dochází, když směs paliva a vzduchu v motoru je zažehnuta nikoliv v žádoucím okamžiku prostřednictvím zapalovací svíčky, nýbrž "kdykoliv" samozápalem. To může vybudit velmi vysoké tlakové maximum, které může poškodit motor. Protože ovšem složení zemního plynu kolísá silněji než u benzinu, musí řízení chodu motoru při použití zemního plynu vykazovat větší schopnost přizpůsobení se palivu, než je tomu u benzinového motoru. Vstřikování zemního plynu v plynné formě vyžaduje více prostoru v motoru než vstřikování benzinu v tekutém stavu. Z tohoto důvodu je plnění plynového motoru poněkud menší než u shodného benzinového motoru, což je vyjádřeno o 10 % nižším jmenovitým výkonem. Dík vyšší antidetonační stálosti to lze vyrovnat např. použitím turbokompresoru, případně dokonce docílit i zvýšení výkonu motoru. To dovolí dosahovat shodného výkonu s menšími (a úspornějšími) přeplňovanými motory jako s motory většími. Složení zemního plynu při srovnání velmi silně kolísá a má velký vliv na spalování v motoru a na složení výfukových plynů. Protože ovšem konečná úprava výfukových plynů katalyzátorem pracuje při definovaném složení těchto plynů, musí řízení chodu motoru na základě motorových signálů "rozpoznat" různé složení výfukových plynů a např. umět odpovídajícím způsobem přizpůsobit parametry vstřikování a zapalování. Tato schopnost přizpůsobení musí být značně větší než je tomu u benzinových vozidel. To ovšem vyžaduje, aby automobilový průmysl a jeho dodavatelé vyvinuli a uplatnili specifické, pro zemní plyn optimální řízení chodu motoru, pokud se v praktickém využívání má docílit nejnižších emisí ve výfukových plynech. Zásadně jsou emise ve výfukových plynech u motorů na zemní plyn nižší, a to již bez jejich úpravy v katalyzátoru, než u benzinových motorů. Nespálené uhlovodíky odpovídají ovšem v podstatě palivu, kterým je u zemního plynu převážně metan. Metan je ze svého hlediska stabilní molekula, která pro svoji proměnu v katalyzátoru potřebuje vyšších teplot než jiné uhlovodíky. Na druhou stranu vykazuje též menší požadavky na množství kyslíku. S hybridizací získávat dále na účinnosti
2
Hybridní pohon se skládá z elektromotoru a spalovacího motoru. Na rozdíl od prvních hybridních pohonů nemají dnešní koncepce již tu specifickou vlastnost, že musí projet celou trasu čistě elektricky. V centru pozornosti je spíše účinnost pohonu. S elektromotorem se jen jede, což přináší menší spotřebu energie při provozu než u spalovacího motoru. Elektrický výkon u těchto tzv. "Mild-Hybrid" koncepcí je většinou menší o 25 % než u spalovacího motoru. Hlavní přednosti jsou v možném provozu "start-stop", krátkodobé podpoře spalovacího motoru v dynamických provozních fázích (zrychlení) a ve využití brzdící energie a účinném poskytnutí elektrického výkonu v palubní síti. Dále elektrický stroj vykazuje účinky při tlumení kmitů. Výkonnost pohonu je určována rozhodujícím způsobem velikostí baterie. Tendence směřuje k bateriím o napětí 42 V. Přitom se hlavně diskutuje o olověných bateriích, které se používají rovněž v kombinaci s výkonným rozběhovým kondenzátorem pro zvýšení krátkodobého výkonu. Zapojením elektromotoru do pohonu lze snížit spotřebu o dalších 15 % proti běžnému pohonu (motor s převodovkou). ETH Curych již v 90. letech prokázal možnosti hybridního pohonu v městském provozu. Následoval test vozidel v běžném provozu. Hybridizace (Mild) jako účinnost zvyšující opatření se dnes dále vyvíjí, především pro benzinová vozidla (přičemž se nabízí již několik vozidel schopných sériové výroby), ale je ji možno zkombinovat rovněž i s motorem na zemní plyn. Odpovídající přípravy pro další k tomu se vztahující vývoj CEV technologie jsou v plánu v EMPA a ETH Curych. Palivový článek jako dlouhodobý cíl Mnozí odborníci jsou zajedno v tom, že vozidla s palivovými články, poháněné vodíkem, představují dlouhodobě nejpřesvědčivější vizi účelné a čisté individuální mobility. Pro prosazení na trh je ovšem třeba překonat vážné překážky jak na straně paliva, tak na straně vozidla. Ve společném projektu Ústavu Paula Scherrera, ETH Curych, FEV Motortechnik GmbH, Volkswagen AG a montena components AG se postavilo a otestovalo vozidlo se systémem palivových článků se superkapacitním akumulátorem. Cílem projektu bylo shromáždit nové poznatky výzkumu do jednoho nositele technologie a prokázat, jaké možnosti jsou realizovatelné, pokud jde o účinnost v reálném jízdním provozu. Vedle zkoušek v různých zkušebnách se prováděly i jízdní pokusy na silnici. Při své jízdě přes Simplonský průsmyk v lednu 2002 byl HY.POWER prvním vozem s palivovými články, který překonal alpský průsmyk ve výšce přes 2000 m n. m. Vůz byl vystaven na ženevském autosalonu v roce 2002. Použitím palivového článku se nepřeměňuje energie v mechanický výkon pouze prostřednictvím tepla, nýbrž se přímo elektrochemickým procesem vyrábí elektrický proud. Přitom už neexistuje omezení účinnosti podle Carnota. Pro užití v automobilu je v popředí zájmu nízkoteplotní palivový článek Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-BZ). Přeměňuje vodík se vzdušným kyslíkem na vodu a vyrábí elektřinu. Srdcem článku je membrána, propouštějící protony, která je pro elektrony nepropustná. Elektrony je proto nutno převádět na protilehlou stranu membrány pomocí externí cesty a přitom jsou využity jako elektrický proud. Účinnost při této elektrochemické přeměně klesá postupně se zvyšujícím se výkonem a dosahuje při jmenovitém výkonu minimální hodnoty cca 50 %. Z jednoho článku se získá 0,6 - 1 V využitelného napětí. Pro dosažení technicky rozumně využitelného napětí se řada článků zapojuje do série. Napětí v hodnotách několika set voltů nejsou vzácností. Takovéto svazky jsou pasivními komponenty, které nemají žádné pohyblivé díly. Musí být zásobeny všemi médii (vodíkem jako pohonnou látkou, vzduchem jako oxidačním prostředkem a chladící vodou). K tomu potřebné pomocné agregáty spotřebovávají část vyrobené elektřiny, takže pro uživatele je k dispozici snížený výkon. Současně se snižuje účinnost převodu v systému palivových článků.
3
U pohonu s palivovými články je pohon vozidla prováděn elektromotorem. To má dvě přednosti. Za prvé je možno znatelně snížit jmenovitý výkon motoru proti srovnatelnému spalovacímu motoru, protože většinou není rozhodujícím jmenovitý výkon, nýbrž průběh kroutícího momentu. U elektromotoru je maximální moment k dispozici již od bodu klidu, takže je možno docílit velmi dobrých hodnot zrychlení. Nadto je možno elektromotor krátkodobě přetížit až na dvojnásobný výkon, což navíc zlepšuje hmotnost na jednotku výkonu. Za druhou přednost je možno označit zřetelně širší rozsah otáček elektromotoru. Jako důsledek lze uspořádat převody většinou jednodušeji a z části mohou řadící převodovky zcela odpadnout, což vede k úsporám hmotnosti a nákladů. V širokém rozsahu lze ovšem systém s palivovými články provozovat s účinností nad 40 procent. Společně s elektromotorem lze docílit účinnosti v průměrném provozu okolo 35 % (u vozidla poháněného benzinovým motorem je účinnost sotva 16 - 18 %). To ukazuje na polovinu spotřeby paliva u vozidla s palivovými články proti benzinovému vozidlu se vstřikováním paliva, pokud jsou užita v městském provozu. Pro posuzování přednosti ve spotřebě u vozidla se musí zohlednit i spotřeba energie při výrobě pohonné hmoty. Přitom vodík představuje nositele energie, ale není zdrojem primární energie. Jestliže by byl vodík vyráběn z fosilních zdrojů energie (v tomto případě většinou ze zemního plynu), zůstane pohon s palivovými články ještě vždy energeticky nejrozumnějším řešením, přičemž se ovšem předstih proti koncepci s hybridním pohonem se spalovacím motorem o několik procentních bodů sníží. Při použití elektrického proudu z evropské proudové směsi s podstatným podílem proudu z uhelných elektráren, se dokonce musí vynaložit více energie než u benzinového motoru. Pokud ovšem vyjdeme z toho, že nositele energie pro dopravu mají být v budoucnosti založeny na obnovitelných zdrojích energie, potom je třeba s předností účinnosti palivového článku znovu plně počítat. Do té doby je třeba ale hledat různá technická řešení, která učiní z uplatnění palivových článků nákladově příznivý a spolehlivě účinný měnič energie v automobilu. Nahradit fosilní pohonné hmoty domácí biomasou Z dlouhodobého hlediska se musí fosilní paliva nahradit obnovitelnými pohonnými hmotami. Vyžití biomasy jako zdroje pohonné hmoty je v mnohém ohledu rozumné. Z hlediska technologie lze jak metan, tak vodík z biomasy vyrábět. Tím by mohla být v přechodné době zásobována dále vylepšovaná vozidla na zemní plyn, dokud nebude možno v pozdějším stádiu výrobní technologii stavebnicově upravit tak, aby vyráběla vodík pro automobily s palivovými články. Metan jako pohonná hmota vyráběná z biomasy by mohl v podstatě přispět k tomu, že bude ve Švýcarsku v sektoru dopravy dosaženo cílů ve snižování CO2 (8procentní snížení proti roku 1990). Metan je plyn, který vzniká jako přirozený koncový produkt při rozpadu biomasy bez přístupu vzduchu, např. při zkvašení zelené hmoty, a který je možno získat i zplynováním dřeva. Metan z biomasy je pohonná hmota s neutrálním CO2 , to znamená, že při vyšší spotřebě se váže tolik CO2 , kolik se při jeho použití ve vozidle uvolní. Firma Kompogas již úspěšně předvedla výrobu paliva z biomasy zkvašením odpadů zelené hmoty. Projekt ECOGAS pod vedením Ústavu Paula Scherrera ukazuje cestu, jak lze ve Švýcarsku nahradit významný podíl fosilních pohonných hmot obnovitelnými palivy ze dřeva. Protože vyráběný metan je rovněž součástí zemního plynu, pro jehož distribuci je k dispozici dobře vybudovaná infrastruktura, je nasnadě podpora využívání dosud ladem ležícího množství biomasy přes metan jako společného sekundárního nositele energie. Ve velkém projektu "Pohonná hmota ze dřeva" se mají ověřit a představit možnosti a meze celoplošného využití dřeva ve formě
4
plynného paliva. Pro tento účel se podporuje vývoj metody, která může vyrobit metan ze dřeva s účinností větší než 50 %. Tento projekt se podrobí celkové analýze, která zahrne ohodnocení zdrojů, ekologickou bilanci celého řetězce, posouzení tržního potencionálu a hospodárnost. Podpora uplatnění obnovitelných plynných pohonných hmot v projektu ECOGAS spolu s dodávkou účelných vozidel na plyn jsou přitom prvním krokem ve směru trvalejší mobility, který sníží negativní důsledky lokálně působících výfukových plynů i globálně škodlivé emise CO2 a uvede do souladu individuální mobilitu a trvalou udržitelnost. Hodnocení možností ukazuje, že by ze švýcarských lesů bylo možno trvale ročně vytěžit navíc milion tun dřeva. Jestliže by se celé množství této suroviny přeměnilo na metan podle metody vyvinuté v projektu ECOGAS, potom by bylo možno nahradit 4 % současné spotřeby pohonných hmot, což odpovídá polovině cíle snížení CO2 v tomto sektoru. Aby byl tento potenciál využit, muselo by se ve Švýcarsku zřídit asi 6 zařízení ECOGAS s výkonem po 100 MW (pro srovnání: střední spalovna odpadů má výkon cca 50 MW). Iniciativa novatlantis - pilotní region Basilej umožňuje první kroky k uplatnění inovativních koncepcí Iniciativa "novatlantis" realizuje nejnovější poznatky a výsledky výzkumu v ETH ve prospěch trvalého rozvoje území s vysokou hustotou osídlení. Pilotní region Basilej jako určitý druh realizační laboratoře pro trvalou udržitelnost je ideální platformou pro testování prosaditelnosti inovativních a účinných technologií. Přitom probíhá přenos poznatků do praxe a obráceně může ETH využívat zisků z praxe pro výzkum. V oblasti mobility pomáhá novatlantis k tomu, aby se mohly společně zapojit výzkumné know-how v oblastech získávání zdrojů (s příspěvkem švýcarského Výzkumného ústavu pro les, sníh a krajinu k hodnocení potenciálů biomasy ve Švýcarsku), výroby pohonných hmot (projekt ECOGAS), vývoje účelných vozidel a přijetí na trhu a aby celý řetězec od získání zdrojů až po uživatele zůstal ve středu pozornosti. Projekt novatlantis "Modul mobility" se zabývá poslední oblastí v řetězci, a to šancemi a riziky zavádění inovativních pohonných hmot (speciálně zemního plynu, bioplynu a vodíku) se zvláštním zřetelem na ochranu klimatu a kvality ovzduší. Tato studie chce docílit, aby podpůrné programy pro vozidla na zemní plyn a výzkumné programy o bioplynu více zapůsobily, přičemž se systematicky zjišťují kriteria pro úspěch programu zavádění na trh a pro působení nejrůznějších komunikačních a marketingových strategií na veřejnost. Ústředním záměrem studie Ústavu Paula Scherrera bylo sestavení cílových skupin občanek a občanů Basileje. Cílem bylo získat přehled o typických představách a postojích k ekologickým vozidlům všeobecně a vozidlům na zemní plyn a automobilům na vodík zvlášť. Dále byly vyhodnocovány mezinárodní zkušenosti na podkladě řady příkladů za účelem získání důležitých poznatků a jejich zavádění na trh ve Švýcarsku (viz www.novatlantis.ch). Na základě těchto poznatků se v současné době připravily v projektu "Inovativní vzorek vozidel" různé demonstrační projekty v pilotním regionu Basilej - mimo jiné uplatnění většího počtu CEV- vozidel na plyn. Přitom novatlantis spolupracuje vedle BfE i s plynárenským průmyslem obou kantonů Basileje tak, aby se trvalejší individuální mobilita prokázala v praxi.
5
Primární energie
Sekundární energie
Druh pohonu
ropa
benzin, motorová nafta syntetické palivo
spalovací motor
uhlí zemní plyn biomasa
metan palivový článek
sluneční záření voda, vítr, fotoelektrická energie
vodík
nukleární energie
elektrický proud
stacionární užití
Obr. 1: Pro přeměnu nositelů primární energie na hnací energii ve vozidlech existuje velká řada možností kombinací. Nelze ovšem sledovat libovolně mnoho cest. Uplatnění místně se vyskytující biomasy pro výrobu metanu pro spalovací motory na zemní plyn a vodíku pro vozidla s palivovými články představuje lákavé varianty, které jsou zkoumány a vyvíjeny v jejich celém řetězci ve společnosti ETH v Curychu.
Název originálu: Konzepte für eine nachhaltigere individuelle Mobilität Zdroj: Strasse und Verkehr, 3/2004, s. 19 - 25 Překlad: Jiří Mencl Korektura: ODIS
6
