Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání. Alternativní pohony mobilní techniky. Prof. Ing. František Bauer, CSc

Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání

Alternativní pohony mobilní techniky

Vedoucí práce:

Vypracoval:

Prof. Ing. František Bauer, CSc. Brno 2012

Martin Přepechal

Poděkování Děkuji panu prof. Ing. Františku Bauerovi, Csc., vedoucímu mé bakalářské práce, za metodické vedení při jejím psaní a za odborné rady.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Alternativní pohony mobilní techniky vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a ředitelky vysokoškolského ústavu ICV Mendlovy university v Brně. Brno, dne ............................. Podpis studenta ....................

ABSTRAKT Bakalářská práce řeší

problematiku

alternativních

pohonů

mobilní

techniky

ke konvenčním spalovacím motorům na ropné deriváty. V práci pro úplnost uvádím možnosti využití konvenčního spalovacího motoru s využitím jiného paliva, než je benzín nebo nafta. Zaměřuji se na pohony, které jsou v současné době v sériové výrobě a na stále vyvíjené technologie jednotlivých výrobců. Těžiště práce je v popisech hybridních typů pohonu s ukázkami hybridních vozidel, včetně velice perspektivního trihybridního pohonu autobusu. V poslední části se zabývám elektromobily s ukázkou vozidel v sériové výrobě. V závěru uvádím hodnocení alternativních pohonů uvedených vozidel. Klíčová slova: Alternativní pohon, hybrid, elektromobil, trihybrid ABSTRACT Bachelor thesis deals with the problem of the alternative drives for mobile technologies in comparsion with convential combustion engines for oil derivatives. I also introduce the possibility of using a conventional combustion engine with other types of fuel than gasoline or diesel to make this work complete. I focus on drives that are currently in the mass production and on the constantly developing technologies of individual producers. The aim of this work are descriptions of hybrid drive types with examples of hybrid vehicles including very promising trihybrid drive for the bus. In the last section I deal with a demonstration of electric vehicles in the mass production. In conclusion I introduce evaluation of alternative drives of described vehicles. Keywords: Alternative fuel, hybrid, electric, trihybrid

Obsah

5

Obsah 1.

Úvod

7

2.

Současný stav v alternativních pohonech

8

3.

Cíl práce

13

4.

Paliva pro klasické spalovací motory

14

4.1.

14

4.1.1.

Výhody

15

4.1.2.

Nevýhody

16

4.2.

Pohon ropným plynem LPG (propan-butan)

16

4.2.1.

Výhody

17

4.2.2.

Nevýhody

17

4.3.

Pohon zemním plynem CNG a LNG

17

4.3.1.

Výhody

18

4.3.2.

Nevýhody:

18

4.4.

Pohon na bionaftu a alkoholy

19

4.4.1.

Výhody

20

4.4.2.

Nevýhody

20

Vodíkový pohon

20

4.5.

5.

Pohon na dřevoplyn

4.5.1.

Výhody

21

4.5.2.

Nevýhody

21

Alternativních pohony 5.1.

Hybridní pohon

22 23

5.1.1.

Výhody

27

5.1.2.

Nevýhody

27

5.1.3.

Technické parametry sériově vyráběných hybridů

27

5.2.

Trihybrid

33

6

Obsah

5.2.1.

Výhody

35

5.2.2.

Nevýhody

36

5.3.

Elektromobily

36

5.3.1.

Výhody

40

5.3.2.

Nevýhody

41

5.3.3.

Technické parametry sériově vyráběných elektromobilů

41

6.

Vyhodnocení parametrů vybraných vozidel

47

7.

Závěr

50

8.

Literatura

52

Seznam obrázků

53

Seznam tabulek

54

Úvod

7

1. Úvod Hledání alternativních pohonů motorových vozidel bohužel nikdy v minulosti nebylo pro lidstvo ovlivněno tak důležitým faktorem, jako je ekologie. Samozřejmě na počátku motorizace byla limitující technologie a alternativní pohony prakticky neexistovaly. Na přelomu 19. a 20. století byl průlomový vynález tepelného stroje na bázi Carnotova cyklu, který se obecně označuje jako spalovací motor. Na mechanickou práci je ve spalovacích motorech přeměněno 10–50 % chemické energie paliva. Nejnižší účinnost má parní stroj (do 12 %), benzínové a dieselové motory dosahují účinnosti kolem 25 %, přeplňované motory s turbokompresorem, poháněným výfukovými plyny (turbo) mají účinnost kolem 35 %, letadlový turbinový motor vykazuje 20–25 % účinnosti. Výhody spalovacích motorů byly od počátku natolik výhodné pro mobilní techniku, že nebylo věnováno tolik úsilí do vývoje alternativních pohonů. V pouliční kolejové dopravě byl úspěšný český vynálezce Křižík, ale v pohonu železniční dopravy měla dlouho vedoucí postavení pára. Náhrada parních lokomotiv dieselovými a posléze elektrifikace železniční dopravy se dá označit prvním důležitým hledáním alternativních pohonů. Změna pohonu v kolejové dopravě byla hlavním důvodem, převážně ekologickým. Pohon nekolejových vozidel, pokud pomineme parní samohyb, ovládly spalovací motory. Palivem se staly ropné deriváty benzin a nafta. Zpočátku nebyly problémy se získáním dostatku zásob ropy a nikdo netušil, že bude potřeba hledat blízké budoucnosti alternaci k ropným derivátům. Problémy nastaly prudkým rozvojem motorizace, sníženou kapacitou ložisek ropy, politickými důvody a v současnosti také ekonomická světová krize. Nastíněné důvody spolu s ekologií začaly být příčinou hledání alternativních pohonů. Prvním alternativním pohonem pro spalovací motor se v minulosti stal dřevoplyn, který prokázal možnost náhrady benzínu a nafty zkapalněnými ropnými plynnými deriváty (dále jen „LPG“), stlačeným zemním plynem (dále jen „CNG“), zkapalněným zemním plynem (dále jen „LNG“). Dřevoplyn na rozdíl od současných plynných paliv ekologicky naprosto nevyhovoval a byl používán jako nutná alternativa např. za 2. světové války.

8


2. Současný stav v alternativních pohonech Pohybová energie, potřebná k uvedení dopravního prostředku do pohybu, je výsledkem přeměny chemické nebo jiné energie. Zdroje energie dělíme na: • vyčerpatelné energie (fosilní paliva, jaderná energie), • obnovitelné zdroje (sluneční záření, vítr, voda, biomasa).

Obr. 1

Světové zásoby ropy při dnešní spotřebě 3,5 miliard tun za rok (Vlk 2004)

Vzrůstající potřeba mobility v pracovní sféře i ve volném čase ukázala nutnost řešit náhradu pohonů, závislých na růstu ceny fosilních zdrojů, politické nestabilitě dodavatelů a na nedostatečném objemu zásob v ropných ložiscích v budoucnu zobrazuje Obr.1. Dalším podstatným důvodem hledání alternativních pohonů je snížení ekologická zátěže současných pohonů. Uvedené argumenty vedly vývojová pracoviště a vědce, aby začali hledat alternativními pohony. Některé způsoby se již ujaly jako vhodná alternativa a ohlasy z praxe jsou pozitivní, některé náměty jsou zatím otázkou budoucnosti. Zejména u automobilů a všech strojů a zařízení, které musí vyvinout rychlost a překonat velkou vzdálenost, je velmi těžké poskytnout plnohodnotnou alternativu. Zatím je nejvíce využitelný pohon klasickým spalovacím motorem s jiným palivem: • zkapalněné ropné plyny (LPG), • stlačený zemní plyn (CNG), • zkapalněný zemní plyn (LNG), • biomasa, bionafta, metanol, etanol. Alternativními pohony, které nejsou závislé jen na alternativních palivech, ale technologické řešení je na odlišné bázi, rozlišujeme:


9

• elektrické, • hybridní, • vodíkové (palivové články). Hledání perspektivního alternativního pohonu musí splňovat hledisko snížení emisí a snahu regenerace nosičů energie. Současný vývoj použitelných hybridních alternativních pohonů zcela nevyřešil potřebu fosilních paliv a spalovacího motoru, ale jeho podíl na přeměně chemické energie v pohybovou postupně omezuje. Úplná náhrada podílu fosilních paliv v hybridních alternativních pohonech je patrně zatím nereálná. Produkce škodlivin dnešních pohonů je značná, a pokud nebudou postupně nahrazeny ekologicky šetrnějšími alternativními pohony, hrozí již v blízké budoucnosti značné a nevratné zničení biosféry. Celosvětová produkce emisí CO2 a oxidů dusíku vzniká i oxidací ropných derivátů v chemickém průmyslu, topením, ale stále použití fosilních paliv v dopravě tvoří více než 50%. Problém škodlivých emisí stále ještě není prioritním faktorem a stále převládají ekonomické zájmy. Důležitou světovou snahou omezení produkce emisí škodlivin byla Klimatická konference Spojených národů v japonském městě Kyoto, po kterém jsou závazná omezení emisí známy jako Kyotský protokol. Předmětem programu je systém emisních povolenek produkce CO2. Evropská unie na rozdíl od jiných států je aktivnější v prosazování programů ochrany životního prostředí a již v roce 2001 předložila Evropská komise program ochrany životního prostředí a v následujícím roce závěrečnou zprávu. Evropský program podporuje technologickou inovaci alternativních pohonů jako perspektivní řešení, protože ekologie nejrozšířenějšího pohonu fosilními palivy je již v blízké budoucnosti velkým problémem. Alternativní pohony z obnovitelných zdrojů, jako je sluneční záření, síla větru a vodní síla, jsou v současnosti stacionárním zdrojem výroby elektrické energie. Sluneční záření není efektivní z hlediska malé účinnosti a zatím jsou výsledky výzkumu nepoužitelné. Vodní síla a síla větru produkuje dostatek elektrické energie a její distribuce je řešena existující rozvodnou elektrickou sítí, což je velká výhoda pro uživatele, který může kdekoliv snadno nabíjet baterie. Nevýhodou alternativního pohonu poháněného elektrickou energií je omezení kapacity akumulátorů, která určuje rádius vozidla.

10


Větší využití elektromobilů bude záviset na vývoji výkonnějších, cenově dostupnějších a ekologicky méně zatěžujících akumulátorů. V současné době jsou použité akumulátory velkým ekologickým problémem. Také cena výměny akumulátorů je finančně nákladná investice. Nevýhody elektrického pohonu může kompenzovat hybridní alternativní pohon, konstrukčně řešený elektromotorem a spalovacím motorem. Cílem vývoje hybridního alternativního pohonu je eliminovat nevýhody jednotlivých pohonů odlišných technologií. V současnosti jsou nejrozšířenější hybridní alternativní pohony, tvořené spojením elektromotoru a spalovacího motoru, používaného k primárnímu pohonu vozidla nebo k využití motorového generátoru pro výrobu elektrické energie. Využití motorového generátoru pro výrobu elektrické energie ekologicky nejméně zatěžuje životní prostředí, neboť spalovací motor pracuje v optimálním režimu samozřejmě s katalyzační redukcí emisí a je vypínán při dostatečné kapacitě elektrické energii v bateriových článcích. Nabíjení baterií zajišťuje také rekuperační systém při zpoždění a brzdění vozidla. Prvním sériově vyráběným vozidlem s hybridním alternativním pohonem byla Toyota s modelem Prius. Základní označení systému hybridních pohonů je THS a tato automobilka produkuje již více modelů. Nejen Toyota, ale více japonských výrobců, např. Honda, byli a jsou ve vývoji úspěšní. Důvodem může být úspěch ve vývoji elektronických řídicích systémů pro hybridní alternativní pohony. Alternativní pohony je třeba posuzovat z hlediska současné technologické úrovně, přímých vedlejších dopadů výroby a někdy nedostatečně široce pojatém posouzení předpokladů pro splnění cíle. Vývoj alternativních pohonů je posuzován z následujících hledisek: • energetické nároky pro splnění hlavního (zamýšleného) výstupu, • materiálové nároky pro splnění hlavního výstupu, s rozlišením recyklovaných a nerecyklovaných materiálů – recyklace má zpětnou vazbu na energické nároky, • vedlejší emise škodlivých látek a energií při výrobě a provozu, • nevýhody alternativních pohonů v porovnání s klasickými pohon,y jako např. vyšší hmotnost (elektrické baterie), omezený rádius dojezdu apod., • výroba vozidla (včetně pohonného agregátu a zásobníku energie), a to včetně výroby materiálu a polotovarů),


11

• údržba vozidla (včetně jeho pohonného agregátu a zásobníku zdroje energie) během používání vozidla, • likvidace nebo recyklace opotřebených dílů a provozních hmot, • likvidace a recyklace celého vozidla po vyřazení z provozu, • výroba zdroje energie z primárního zdroje (např. výroba elektrické energie z fosilních zdrojů v elektrárnách), • uvolnění zdroje energie ze zásobníku na vozidle, případně jeho chemická konverze (použití elektrochemických akumulátorů), • transformace zdroje energie na vstupní energii pro převodové ústrojí (mechanická práce, elektrická energie) s možným použitím paralelních větví u hybridních systémů, pro akceleraci, vyšší výkon vozidla při zatížení, • transformace energie v převodovém ústrojí na mechanickou práci hnacího členu vozidla (kola); při zpomalování vozidla, rekuperace. (Vlk 2004) Začátek 21. století je startem intenzivnějšího výzkumu palivových článků. Palivové články současných technologií nejsou vždy optimálním ekologickým řešením, protože při vlastní vysoké ceně a při výrobě elektrické energie např. reformací metanolu, vyvíjí CO2, a tím proti klasickým pohonům nepřináší očekávané výhody. Předpokladem úspěšného většího využití alternativního vodíkového pohonu je splnění výše uvedených hledisek v případě: • spalování čistého vodíku (rozvoj dostatečné sítě vodíkových čerpacích stanic), • palivový článek nové technologie (vysoký výkon, přijatelná cena, nulové emise).

12


Scénář vývojových fází pohonu palivovým článkem zobrazuje následující Obr.2.

Obr. 2

Scénář vývoje pohonu automobilu palivovým článkem (Autoexpert 2002/5)

Cíl práce

13

3. Cíl práce Cílem bakalářské práce je analyzovat současný stav alternativních pohonů mobilní techniky. U vybraných pohonů uvést základní parametry a v závěru práce vypracovat celkové hodnocení alternativních pohonů.

14


4. Paliva pro klasické spalovací motory Klasické sériové automobily s konvečním spalovací motorem lze upravit na následující pohony: • Pohon na dřevoplyn • Pohon ropným plynem LPG • Pohon zemním plynem CNG a LNG • Pohon na bionaftu a alkoholy • Pohon na vodík

4.1. Pohon na dřevoplyn Dříve byly používány alternativní pohony i z jiných důvodů, než byla ekologie nebo docházející zásoby ropy. Například po druhé světové válce se automobily na dřevoplyn staly běžným dopravním prostředkem, protože paliva jako ropné deriváty, byly jen na příděl. Auta na dřevoplyn nejsou sice tak komfortní jako běžné vozy, ale jsou překvapivě efektivní a představují ekologickou alternativu vůči vozům benzínovým. Jejich rádius je srovnatelný s elektromobily. Stoupající ceny paliv a globální oteplování způsobily obnovený zájem o tuto téměř zapomenutou technologii. Uvědomujeme si, že uvádění alternativního pohonu na dřevoplyn je v dnešní době spíše ojedinělé a v mé bakalářské práci je uveden pro úplnost, ale jeho role je nezastupitelná v prvním použití plynu jako alternativního pohonu. Zplynování biomasy je proces, při němž je organický materiál vlivem zvýšené teploty (ta dosahuje až 1400 °C) přeměňován na vznětlivý plyn. V 20. letech 20. století vyvinul německý inženýr Georges Imbert generátor dřevoplynu pro mobilní použití. Plyny byly vyčištěny, vysušeny a přivedeny do spalovacího motoru, který bylo třeba jen nepatrně uzpůsobit. Od roku 1931 byl Imbertův generátor vyráběn masově. Na konci 30. let bylo v provozu na 9 000 dopravních prostředků na dřevoplyn - téměř všechny v Evropě. V roce 1942, kdy tato technologie dosud nedosáhla vrcholu své slávy, bylo ve Švédsku 73 000 aut na dřevoplyn, 65 000 ve Francii, 10 000 v Dánsku, 9 000 v Rakousku, stejně tolik v Norsku a téměř 8 000 ve Švýcarsku.


15

Finsko mělo v roce 1944 asi 43 000 „dřevomobilů“, z toho 30 000 autobusů a nákladních automobilů, 7000 osobních aut, 4000 traktorů a 600 lodí. Po válce, když začal být

benzín

a

nafta

opět

dostupné,

upadla

tato

alternativa

v zapomnění.

(www.energybulletin.cz)

Obr. 3

Generátor na dřevoplyn (www.energybulletin.cz)

I. Vyvíječ, II. Odlučovač vlhkosti, III. Chladič, IV. Filtr plynu, V. Ventilátor, VI. Spalovací motor 4.1.1.

Výhody

• Levný provoz. • Ekologické hledisko. • Dostupné a obnovitelné palivo může být využíváno přímo bez předchozího zpracování. • Není třeba další energie na výrobu či rafinaci paliva s výjimkou pokácení a naporcování dřeva. • Auto na dřevoplyn nevyžaduje chemickou baterii, což je důležitá výhoda oproti elektrickým autům.

16


4.1.2.

Nevýhody

• Problém s umístěním generátoru dřevoplynu, který má hmotnost více než 100 kg. Lze jej umístit na přívěsný vozík nebo do kufru místo úložného prostoru. • I modernější typy dřevomobilů potřebují až deset minut, aby se zahřály na provozní teplotu. Není tedy možné naskočit do auta a ihned se s ním vydat na cestu. • Další problém nastává s prostorem pro palivo. • Je nutné si naplánovat pravidelné zastávky pro přikládání paliva do kotle a vysypání popela. • Použití dřevoplynu omezuje výkon spalovacího motoru, což znamená, že rychlost a zrychlení přestavěného auta jsou nižší o 35 až 50 procent.

4.2. Pohon ropným plynem LPG (propan-butan) Benzinové motory bývají přestavovány na propan – butanové. Tento systém je používán v praxi již dlouho, jsou jimi často vybaveny vysokozdvižné vozíky ve skladech, ale také autobusy hromadné dopravy. Toto řešení je populární i mezi řadou soukromých majitelů vozidel se zážehovými motory, kteří chtějí snížit náklady na provoz. Přestavba běžného benzínového motoru na plyn vyjde na cca 30 000 korun. Při dnešní ceně propanbutanu za litr se přestavba vyplatí motoristovi, který ročně najede více než 12000 km. Nevýhodou je zákaz vjezdu na veřejná krytá parkoviště a parkovací domy, která omezují majitele. Další nevýhodou je to, že bomba je umístěna v kufru a zabírá místo pro přepravovaný náklad, nebo se umístí místo rezervy a tu je potřeba umístit například do kufru, ve kterém se opět zmenší prostor. Toto se týká dodatečných přestaveb, existují i automobily, kde je nádrž umístěna již z výroby, a tyto problémy odpadají. Mají ale menší nádrž na benzin, což je nevýhodné při kombinování obou způsobů. Dříve byly tyto vozy mnohem rizikovější i při možné dopravní nehodě. Dnes mají celou řadu bezpečnostních opatření pro snížení rizika výbuchu (jako například bezpečnostní tlakové nádrže na plyn). Problém nezávislosti na ropě však plyn zcela uspokojivě nevyřeší. Propan-butan je totiž plyn, který je vedlejším produktem při zpracování ropy, a proto lze očekávat nepříznivé technologické a ekonomické závislosti. Stále existuje zájem o přestavbu na pro-


17

pan-butanový provoz, ale v současné době stále více bývá nahrazován alternativním pohonem CNG a LNG.(Vlk 2004) 4.2.1.

Výhody

• Ekonomické hledisko – cena plynu je nižší než benzinu. • Ekologické hledisko - produkované emise zplodin jsou šetrnější pro životní prostředí. • Zvýšení životnosti motoru, protože se nevytvářejí karbonové usazeniny. Rovněž zde dochází k prodloužení životnosti oleje. • Auto lze přepínat i na benzinový provoz – dá se kombinovat výhod obou způsobů. • Dvojnásobné množství zásob na delší trasy – lze využít benzin i plyn. • Lepší kultivovanost a celkové snížení hlučnosti motoru. • Bohatá síť čerpacích stanic na celém území EU. 4.2.2.

Nevýhody

• Vysoká počáteční investice do přestavby pohonného systému a jeho schválení. • Zvýšení spotřeby zhruba o 10 % oproti klasickému palivu. • Snížení výkonu motoru o přibližně 5 %. • Je třeba každoročně projít revizí plynového systému. • Zákaz vjezdu do podzemních garáží. • Zmenšení objemu zavazadlového prostoru. • Omezení v mezinárodní dopravě – trajekty apod.

4.3. Pohon zemním plynem CNG a LNG Současným moderním plynovým alternativním pohonem je zemní plyn, který má předpoklad k nahrazení propan-butanového pohonu. Zásoby zemního plynu by měly vydržet okolo 150 let. Provoz automobilu na zemní plyn je nejlevnější, ale vyžaduje přestavbu, která není zanedbatelnou položkou. Nízká cena je způsobena především absencí spotřební daně. Pokud by zájem o tento druh paliva výrazně vzrostl, můžeme očekávat

18


změny v tomto ohledu. Problémem může být dojezdová vzdálenost, která je přibližně 250 km. Zemní plyn sestává asi z 85 % metanu (CH4 – jednoduchý uhlovodík bez barvy a zápachu, hořlavý, se vzduchem vybuchující plyn, vyskytující se často v přírodě, i jako bahenní či důlní plyn), z 10 % dusíku a oxidu uhličitého a z 5 % vyšších uhlovodíků. Pod zkratkou CNG (Compressed Natural Gas ) se rozumí stlačený zemní plyn. V zásobníku vozidla bývá stlačen až na tlak 200 bar. Zkratkou LNG (Liquified Natural Gas) se označuje zemní plyn zkapalněný. K dosažení kapalného stavu je ovšem potřeba teplota – 162°C. Zkapalněním se výchozí objem zemního plynu zmenší šestsetkrát. 4.3.1.

Výhody

• Ekologické výhody vyplývají především z chemického složení zemního plynu. Vozidla na zemní plyn produkují výrazně méně škodlivin než vozidla s klasickým palivem. • Ekonomická výhodnost – náklady na pohonné hmoty jsou nižší. • Provozní výhody – lepší směšování zemního plynu se vzduchem umožňuje rovnoměrnost palivové směsi. U dvoupalivových systémů se zvyšuje celkový dojezd. Vnitřní části motoru nejsou zaneseny karbonovými usazeninami, z toho plyne vyšší životnost motoru a oleje. • Bezpečnost – zemní plyn oproti benzínu, naftě, LPG je lehčí než vzduch. Zápalná teplota je oproti benzínu dvojnásobná. Tlakové nádrže vyrobené z oceli, hliníku nebo kompozitu jsou bezpečnější než benzínové nádrže. • Jednoduchost distribuce plynu k uživateli. Zemní plyn je přepravován již vybudovanými plynovody, jeho používáním se snižuje počet nákladních cisteren s kapalnými palivy zhruba šestsetkrát. • Od roku 2009 možnost vjíždění, na rozdíl od LPG, do podzemních garáží. 4.3.2.

Nevýhody:

• Nedostatečná infrastruktura plnicích stanic.


19

• Ekonomická náročnost domácí plnicí stanice, která je rentabilní pouze pro podnikatelské subjekty. • Vyšší náklady na vozidlo – přestavby vozidel na plyn zvyšují cenu vozidla. • Zhoršení stávajícího komfortu zmenšením zavazadlového prostoru v případě místění tlakové nádoby do tohoto prostoru. U přestavovaných vozidel na zemní plyn se také snižuje výkon motoru. U vozidel se zkapalněným LNG stoupají zároveň nároky na izolaci nádrže. • Zpřísněná bezpečnostní opatření při garážování a opravách plynových vozidel. Přestože v případě zemního plynu jde rovněž o fosilní energii, jsou emise takto poháněného spalovacího motoru výrazně nižší než u srovnatelného agregátu, kde pohonnou látkou je benzin. To proto, že zemní plyn je z větší části tvořený metanem, a tak je velmi „čistým“ palivem.

4.4. Pohon na bionaftu a alkoholy Jednou z variant alternativního pohonu je pohon na bionaftu. Bionafta je chemicky připravený produkt z řepky olejné. Při spalování má oproti klasické naftě výrazně nižší emise. Bionafta však problém řeší jenom částečně, protože pěstování monokultur na obrovských polích je u nás nemožné. Rostlinné olej jako palivo nelze rovnou použít v běžném naftovém motoru- tento olej má velmi vysokou viskozitu. Proto se olej upravuje esterifikací. Esterifikace je proces, při němž jsou pomocí alkoholu štěpeny velké molekuly oleje na menší. To vede k podstatnému snížení viskozity a tvorbě směsi paliva se vzduchem, která odpovídá použití motorové nafty. Na český trh se dodávají „směsné bionafty“, tvořené směsí normální motorové nafty a metylesteru řepkového oleje. Obsah metylesteru ve směsi je minimálně 30 %. Další možností je etanol. Vyrábí se z rostlin obsahujících větší množství škrobu a sacharidů, nejčastěji z kukuřice, obilí, brambor, cukrové třtiny a cukrové řepy. Z těchto produktů se organickou fermentací v mokrém prostředí a následnou destilací získává vysokoprocentní alkohol (etylalkohol). Etylalkohol (etanol) je vysoce hodnotné ekologické palivo pro spalovací motory. Jeho nedostatkem je schopnost vázat vodu

20


a tím působit korozi motoru a palivového potrubí, což lze odstranit přidáním aditiv (antikorozních přípravků). Označení M85 nebo E85 znamená směs paliva z 85 % metanolu nebo 85 % etanolu s 15 % bezolovnatého benzinu. Použití alkoholů u zážehových motorů nevyžaduje výraznější úpravy. Vzhledem k menší výhřevnosti alkoholu je nutno zvětšit dodávku paliva do motoru aby odpovídala směšovacímu poměru. Stechiometrický poměr směsi metylalkoholu se vzduchem je 6,5:1a etylalkoholu 9,0:1. U benzínu je to 14,7:1. Současně je nutno provést úpravy pro omezení korozních vlivů na díly palivového systému a motoru. Alkoholy mají vyšší detonační odolnost a obsah škodlivin ve výfukových plynech je nižší než u motorů benzinových. 4.4.1.

Výhody

• Vysoká mazací schopnost bionafty snižuje opotřebení motoru a prodlužuje životnost vstřikovacích jednotek. • Zdroj obnovitelné energie. • Snížení emisí. 4.4.2.

Nevýhody

• Energetická náročnost výrobního procesu. • Bionafta a alkoholy jsou silná rozpouštědla, můžou rozrušit usazeniny v motoru a palivovém potrubí a ucpat vstřikovací ventily. • Netěsnost motoru vlivem bionafty a alkoholů může způsobit rozrušování těsnění. • Tato paliva mají schopnost vázat vodu a tím způsobovat korozi. • Etanol a metanol má detergentní účinek (odstraňuje oleje tam, kde mají být, a napadá plastické hmoty)

4.5. Vodíkový pohon Vodík by se dal považovat za palivo budoucnosti. Nalézá se všude a jeho zásoby jsou nevyčerpatelné. Dnešní cena produkce vodíku jako alternativního pohonu je sice vysoká


21

a technologicky náročná, ale perspektivní. Řada výzkumných pracovišť řeší mnoho programů, ve kterých má vodík důležitou roli. Vodík je pro alternativní pohon velmi zajímavý, problém je ale se skladováním a efektivní výrobou. Alternativní pohon pouze na bázi vodíku zatím uspokojivě vyřešen nebyl. Nadějný je výzkum palivových článků, které převádějí energii, ukrytou v atomech vodíku, přímo na elektrickou energii. Obrovskou výhodou palivových článků, v porovnání s klasickými akumulátory, je to, že je nelze vybít. Nadějné použití palivových článků je v tzv. trihybridních alternativních pohonech, protože použití kompenzuje nevýhody jednotlivých pohonů. 4.5.1.

Výhody

• Obnovitelný zdroj energie. • Žádné emise. 4.5.2.

Nevýhody

• Žádná síť čerpacích stanic. • Neekonomická výroba vodíku. • Vyšší náklady na zajištění bezpečnosti alternativního provozu.

22

Alternativních pohony

5. Alternativních pohony V dnešní době jsou nejpoužívanější alternativní pohony hybridní nebo pouze elektrické. Hybridní pohony využívají nejméně dva poháněcí zdroje energie. Nečastě si používá a v sériové výrobě je už zavedena varianta spalovací motor a elektromotor. • U hybridů mohou být použity různé konstrukce uspořádání: • sériové uspořádání, • paralelní uspořádání, • smíšené uspořádání. • Dále se hybridy dělí podle zásobníků energie: • akumulátory se používají stejné jako u elektromobilů, • vysoko energetické kondenzátory, • magnetomechanický akumulátor energie (setrvačník). Elektromobily využívají jako zdroj energie elektrickou energii, uloženou v bateriích nebo palivových článcích. Výhoda baterií je relativní jednoduchost. Palivové články (nejčastěji vodíkové) vyrábějí elektrickou energii pro pohon elektromobilu přímo ve vozidle a tím se zvyšuje dojezd. Elektromobily mohou mít být vybaveny různými typy elektromotorů: • stejnosměrné elektromotory, • střídavé elektromotory, • transversální elektromotory, • magnetické elektromotory, • reluktanční motory. • Dále mohou mít různé bateriové systémy: • olověné akumulátory, • baterie nikl-kadmium, • baterie nikl-metalhydrid, • baterie lithium-iont.


23

• Nebo mohou mít palivové články: • alkalický palivový článek AFC, • palivový článek s kyselinou fosforečnou PAFC, • palivový článek s roztavenými uhličitany MCFC, • palivový článek s tuhými oxidy SOFC, • regenerativní palivový článek, • palivový článek zinek-vzduch.

5.1. Hybridní pohon Automobily s hybridním pohonem mají nejméně dva zdroje kinetické energie, nejčastěji spalovací motor a elektromotor. Spotřeba bývá nižší a většinou jsou schopny si samy dobíjet baterie. Nevýhodou je vysoká cena, vyšší hmotnost a poruchovost a dva zásobníky energie, tvořené palivovou nádrží a sadou elektrických akumulátorů. Hybridní pohony se dělí na paralelní, sériové a kombinované. Sériové hybridní pohony se používají již delší dobu u velkých dopravních prostředků (např. lokomotiv), kdy spalovací motor, udržovaný v optimálních otáčkách pohání generátor a vzniklým elektrickým proudem jsou napájeny trakční motory. Určitou nevýhodou je vznik ztrát při trojnásobné přeměně energie (chemická – mechanická – elektrická – mechanická). Při sériovém uspořádání je dosaženo minimálních emisí optimálním režimem provozu spalovacího motoru při konstantních otáčkách. Spalovací motor zajišťuje pouze pohon generátoru na výrobu elektrické energie a při dostatečně nabitých bateriových zdrojích může být podle potřeby dočasně vypnut.

24


Obr. 4

Sériová koncepce hybridního pohonu

V paralelním hybridním pohonu se na pohonu kol podílí jak energie z elektromotoru, tak i pohybová energie ze spalovacího motoru. Uspořádání může být jednohřídelové, tzn. elektromotor na jednom hřídeli se spalovacím motorem, nebo dvou hřídelové, kde oba oddělené pohony jsou spojeny vhodným převodem jako např. řetězový nebo ozubený převod. Paralelní pohony musí mít zařízení na akumulování elektrické energie. Je tvořeno buď akumulátory, či tzv. superkondenzátory. Do nich se ukládá elektrická energie z motorgenerátoru při brzdění motorgenerátorem a přebytečná energie ze spalovacího motoru. Převodovka automaticky zapojuje do záběru podle potřeby jednotlivé části paralelního alternativního pohonu. Ovládání výkonu jednotlivých částí pohonné jednotky a ovládání automatického převodového ústrojí, je řízeno elektronicky, včetně řízeného nabíjení akumulátoru a řízení výkonu elektromotoru.


Obr. 5

25

Paralelní koncepce hybridního pohonu

Při jízdě se výkon spalovacího motoru využívá na pohon kol a dobíjení baterie. Při předjíždění je zapotřebí krátkodobé zvýšení pohonného agregátu. Pro pohon kol se využívá jak výkon spalovacího motoru, tak i výkon elektromotoru napájeného v této chvíli z akumulátoru elektrické energie. Při brzdění se pohybová energie převádí na elektrickou pro dobíjení baterie. Kromě toho jsou vozidla vybavena z bezpečnostních důvodů i konvenčními hydraulickými brzdami, které se aktivují při prudkém brzdění. Při rozjezdu je v činnosti pouze elektromotor. Zážehový motor se přidává až po rozjetí automobilu a při akceleraci. Při zpomalování se benzínový motor odmlčí a elektromotor funguje jako generátor elektrické energie a dobíjí akumulátory. Například vozidlo značky Toyota Prius je navíc vybaven technologií "Stop and Go", což znamená, že se zážehový motor při zastavení na křižovatce vypíná a elektromotor přechází do úsporného režimu. Sériové a paralelní hybridní pohony jsou ekologicky výhodné, ale samostatný spalovací pohon je stále výhodnější z ekonomického hlediska. Hybridní pohony budou pokračovat z ekonomických a technologických důvodů vývojem sériového uspořádání, i přes nesporné výhody paralelní koncepce (jednohřídelové i dvouhřídelové), které je schopno podat vyšší výkon. Důvodem jsou těžké baterie a jejich omezená životnost, vysoké náklady kvůli složitější koncepci pohonu.

26


Uspořádání pohonu může být různě kombinované v závislosti zdroje a účelu vozidla s hybridním pohonem (Kameš 2004). Zdroj energie rozdělujeme: • trolejový modul s vrchním vedením, • baterie, • palivové články, • spalovací motor s generátorem. Pohony rozdělujeme: • elektromotor v pevné zadní nápravě, • elektromotor v přední řiditelné nápravě, • centrální motor s převodovkou a přenosem na zadní nápravu. Paralelní uspořádání je přínosem v dopravě, kde je potřeba provoz na jednotlivých úsecích bez emisí. Sériové uspořádání je elektromobil se zdrojem energie (spalovací motor s generátorem). Oba systémy využívají pohybové energie při brždění k obnově energie v zásobnících energie. Každý hybridní alternativní pohon je závislý na zásobnících energie. Největší světový výrobce motocyklů, japonská Honda, představila historicky první motocykly s alternativním pohonem. Firma do svých nových skútrů umístila jak vodíkový motor, tak konvenčnější hybridní pohon, který kombinuje elektromotor se spalovacím motorem. Honda tak v době, kdy svět sleduje prudce rostoucí ceny ropy, získala cenný náskok nad konkurencí. Vývojem co nejúspornějších motorů se přitom nejdéle zabývají právě japonští výrobci. Sériový hybrid je spíš určen pro užitkové vozy, než pro vozy osobní. Všechny hybridní automobily z poslední doby, ať již studijní, nebo již sériově vyráběné, se přiklonily k paralelnímu uspořádání. U něho jsou obě hnací jednotky propojeny s hnacími koly a podle jejich konkrétního zapojení se buď každá samostatně, či společně, starají o pohon vozu. Za smíšený hybridní pohon, tzv. split-hybrid, se považuje uspořádání, kdy spalovací motor může buď pouze pohánět kola, nebo jen vyrábět elektrickou energii, ale zvládne také obě činnosti provozovat současně.


27

Jedním sériově vyráběným hybridem je CHEVROLET VOLT od americké automobilky General Motors. Disponuje systémem plug-in. Tento název označuje hybridní vozy, které lze nabíjet z rozvodné sítě. Má lithiové baterie o uložené energii cca 16kWh. Je vybaven elektromotorem o špičkovém výkonu 120 kW, což umožní běh na plný výkon po dobu cca 7 minut. Běh na standardní zhruba poloviční výkon bude cca 15 minut, zapnutím klimatizace se doba se zkrátí. V husté městské dopravě se dá očekávat, že nám nabité baterie o hmotnosti cca 150 kg vydrží více než půl hodiny. Po zbytek času je nutné využívat velmi neefektivní benzinový generátor, který neumožní využívat dostupný výkon elektromotoru. 5.1.1.

Výhody

• Využití výhod obou pohonů. • Nižší spotřeba benzinu. • Nižší emise. 5.1.2.

Nevýhody

• Složitost, daná dvěma kompletními druhy motorů. • Vyšší hmotnost vozidla. • Vyšší pořizovací cena. • Po určité době výměna drahých baterií. 5.1.3.

Technické parametry sériově vyráběných hybridů

V následující kapitole uvádíme základní technické parametry sériově vyráběných vozidel s hybridním pohonem. V závěru práce budeme porovnávat jednotlivé parametry těchto vozidel.

28


Toyota Prius Toyota Prius Typ hybridu

Paralelní 16 ventilový řadový zážehový čtyřválec, objem

Spalovací motor

1789cm3, výkon 73 kW/5200 ot.min-1, točivý moment 142 Nm/4000 ot.min-1

Elektromotor

60 kW, 207 Nm

Baterie

Ni-MH, 27kWh, 28 článků

Spotřeba (l/100km)

Kombinovaná 3,9 l benzinu

Zrychlení (0-100 km/h)

10,2 s

Maximální rychlost (km/h)

180

Emise CO2 (g/km, kombinované)

Obr. 6

Toyota Prius

Zdroj: www.hybrid.cz

89


Tab. 1

29

Volvo V60

Volvo V60 plug-in Typ hybridu

Paralelní 20 ventilový vznětový pětiválec, objem 2400 cm3,

Spalovací motor

výkon 160 kW/4000 ot . min-1, točivý moment 440 Nm/1900 ot . min-1

Elektromotor

52 kW, 200 Nm

Baterie

Li-ion, 11,2 kWh, 20 článků

Spotřeba (l/100km)

Kombinovaná 1,9 l nafty

Zrychlení (0-100km/h)

6,2 s


230


Obr. 7

Volvo V 60 plug-in

Zdroj: www.google.cz

49

30


Tab. 2

Opel Ampéra (Chevrolet Volt)

Opel Ampéra (Chevrolet Volt) Typ hybridu Spalovací motor

sériový 16 ventilový zážehový čtyřválec, objem 1400 cm3, výkon 63 kW, točivý moment 130 Nm

Elektromotor

111 kW, 370 Nm

Baterie

Li-ion, 16 kWh, 20 článků

Spotřeba (l/100km)



9,0 s


16 1


Obr. 8

Opel Ampera


110


Tab. 3

31

Mercedes-Benz E 300 BlueTec

Mercees-Benz E 300 BlueTec Typ hybridu

Paralelní 16 ventilový vznětový čtyřválec, objem 2143cm3,

Spalovací motor

výkon 150 kW/3400 ot. min-1, točivý moment 500 Nm/2100 ot . min-1

Elektromotor

20 kW, 250 Nm

Baterie


Spotřeba (l/100km)

Kombinovaná 4,2 l nafty


7,5 s


242


Obr. 9


Zdroj: www.google.cz

109

32


Tab. 4

Lexus GS

Lexus GS Typ hybridu

paralelní 24 ventilový zážehový šestiválec, objem 3456cm3,

Spalovací motor

výkon 218kW/6400ot . min-1, Točivý moment 368 Nm/4800 ot. min-1

Elektromotor

147kW, 275Nm

Baterie


Spotřeba (l/100km)



5,9 s


240


Obr. 10

Lexus GS

Zdroj: www.lexus.cz

179


33

5.2. Trihybrid V kapitole pojednávací o vodíku jako alternativním pohonu jsme se zmínili o pokusech využití tři druhů energetických zdrojů. V České republice společnost ŠKODA ELECTRIC a.s., výrobce vozidel pro hromadnou dopravu osob, se vedle své tradiční výroby vozidel závislých na trakci tj. trolejbusů zabývá perspektivním elektrickým alternativním pohonem, napájeným z vodíkového palivového článku. Hlavním koordinátorem projektu je Ústav jaderného výzkumu Řež, ŠKODA ELECTRIC a.s. zajišťuje dodávku kompletní elektrickou výzbroje a vozové části. Subdodavatelem vodíkového palivového článku je společnost Proton Motor GmbH. Vývojový autobus je ověřován ve zkušebním provozu Dopravního podniku v Neratovicích. Celý výzkumný a vývojový projekt je podporován z projektu Evropské unie. Dalším partnerem je Proton Motor (Německo), Linde Gas, IFE Halden (Norsko), dopravce NERABUS, člen skupiny Veolia Transport ČR, a Ministerstvo dopravy České republiky. Prototyp trihybridního vozidla je postaven na karosérii městského nízkopodlažního autobusu CITELIS 1B, výrobce IVECO ČR a.s. – člen Irisbus Group. Jedná se o dvounápravový nízkopodlažní autobus s palivovými články na stlačený vodík a s elektrickým přenosem tažné síly na zadní hnací nápravu. Na rámu je namontován trakční elektromotor a část pomocných agregátů a přístrojů. V zádi vozu jsou umístěny palivové články, vzduchové dmychadlo, primární a sekundární chladící okruh palivových článků s výměníkem včetně čerpadel, dusíkové hospodářství se zásobníkem dusíku, vozidlový kompresor, ventilace trakčního motoru, pomocné čerpadlo posilovače řízení a chladič trakčních baterií s ventilátorem. Pohonný systém autobusu je napájen elektrickou energií z vodíkových článků, přičemž energetické špičky potřebné pro jízdu vozidla jsou hrazeny ze zásobníků energie superkapacitorů od firmy Maxwell typu HTM Power series 390V a trakční akumulátorové baterie. Při brzdění a jízdě z kopce je kinetická energie autobusu přeměněna na elektrickou a rekuperována v maximální možné míře zpět do zásobníků energie. Na střeše autobusu jsou umístěny nádoby se stlačeným vodíkem, střešní jednotka s trakční elektrickou výzbrojí, zvyšovacím vstupním měničem, měničem pomocných pohonů, nabíječi trakční a vozové baterie, dále se zde nacházejí moduly se superkapacitory, brzdový odporník a chladič palivových článků s ventilátorem. Toto energeticky úsporné řešení zajišťuje dobrou dynamiku jízdy autobusu i při použití palivových člán-

34


ků s nižším trvalým výkonem. Autobus je vybaven elektrodynamickou rekuperační brzdou s plynulým dobrzďováním vzduchovou brzdou. Autobus je určen pro použití v městské hromadné dopravě jako vozidlo pro hromadnou dopravu osob a jejich příručních zavazadel. Předpokládá se provoz pouze v městském provozu s častým staničením. Autobus není určen pro provoz v kopcovitém terénu a na meziměstských linkách. Slouží k ověření možnosti provozu vozidel MHD, napájených palivovými články.

Obr. 11

Rozmístění el. výzbroje, zdrojů a zásobníků el. energie

Základní technické údaje prototypového autobusu • Délka 12 m • Hmotnost prázdného vozu 14000 kg. • Hmotnost plně naloženého vozu 18000 kg. • Počet míst celkový/k sezení 58/22. • Jmenovitý výkon motoru 120 kW. • Maximální rychlost 60 km/h. • Dojezd maximální 250 km. • Dojezd na trakční baterie 20 km. • Spotřeba vodíku (předpokládaná) 8 kg H2/100 km. • Max. kapacita zásobníků vodíku 22 kg H2.


35

Každý alternativní pohon, aby byl komerčně úspěšný, je samozřejmě závislý na dostatečně husté síti čerpacích stanic. Pro provoz prototypového vozidla s trihybridním pohonem byla vybudovaná v roce 2009 první zkušební vodíková stanice v areálu společnosti Veolia Transport v Neratovicích v České republice. Ta je součástí projektu provozu vodíkového autobusu TriHybus (Triple Hybrid HydrogenBus), který se ověřuje v provozu na městské lince číslo256 002 v Neratovicích. První vodíkovou čerpací stanici v České republice dodala společnost Linde Oas a.s. Stanice typu H2 450-20-20 HB dokáže plnit motorová vozidla plynným vodíkem o tlaku 350 barů. Skládá se z dvoustupňového vodíkového kompresoru, který dosahuje svého nejvyššího plnicího tlaku 438 barů (při teplotě max. 85°C). Vodík je skladován v nadzemním zásobníku o objemu 50 m3, Dodavatelem vodíku je společnost Linde, a.s.

Obr. 12

Blokové schéma Trihybridu

5.2.1.

Výhody

• Využití předností použitých pohonů. • Využít třech zdrojů zvyšuje dojezd. • Ekologie provozu - menší emise oproti naftovým autobusům.

36


5.2.2.

Nevýhody

• Složitost. • Vysoká pořizovací cena. • Neexistující sít vodíkových stanic. • Nebezpečnost exploze vodíkových nádrží.

5.3. Elektromobily Elektrická energie, zdroj alternativního pohonu, je v současné době, ale i v budoucnosti, uvažovaná jako nejvhodnější pohon. Porovnáním s dalším relativně perspektivním vodíkovým pohonem má bezpečnější provoz. Předpokládá se, že elektromobily se budou v budoucnosti stále více využívat. Celková účinnost pohonu závisí na účinnosti výroby elektřiny pro pohon z primárního zdroje a energetické účinnosti použitých akumulátorů či palivových článků (ta se pohybuje kolem 50 – 80 % podle použité technologie (olovo, NiMH, Li-ion, Li-pol). Na rozdíl od běžného automobilu lze ale zvyšovat využití energie tzv. rekuperací, v praktickém provozu až o přibližně 25 % – to je možné zvláště v městském provozu nebo členitém terénu. Přesto jejich celková energetická účinnost, při započtení všech ztrát, není lepší než u spalovacích motorů, dosahuje okolo 25 % , zatímco u spalovacích motorů 30 % - 40 %. Elektromobily neprodukují svým provozem výfukové plyny a i se započítáním výroby elektrické energie ze „špinavějších“ zdrojů (např. hnědé uhlí) je jejich bilance vlivu na životní prostředí obvykle lepší, než u automobilů se spalovacími motory. Vývoj technologie ekologické výroby elektrické energie v dostatečném objemu pro alternativní pohon vozidel je předmětem mnoha výzkumných projektů. Provoz je v podstatě bezúdržbový, pokud je vozidlo vybavené BMS (Battery Management System) a tepelnou ochranou trakční akumulátorové baterie. To bylo v minulosti podceňováno a elektromobily proto nedosahovaly optimálních parametrů. Technický průlom nastal až překotným vývojem v oblasti baterií a elektroniky na začátku 90. let minulého století. Tehdy řada světových výrobců představila vlastní moderní elektrizovanou řadu pod mandátem nulových emisí státu Kalifornie v USA. Jedná se například o tyto modely: GM EV-1, Ford Ranger EV nebo Toyota RAV4 EV.


37

Trakční akumulátory, zapojené v sérii, měly původně bez zapojení kvalitního BMS a použití „inteligentních“ nabíjecích algoritmů relativně nízkou životnost. Nyní je ale možné dosáhnout životnosti přibližně 80 tisíc km s moderní olověnou rekombinační baterií (AGM/GEL). Novější lithium-polymerové akumulátory mají dokonce životnost přes 150 tisíc km. Zlepšení se očekává od nanotechnologií při výrobě akumulátorů všech typů. Očekává se také renesance olověné baterie v nové generaci s nanouhlíkovým porézním kolektorem. Měrná kapacita (energie na kilogram) nejlepších současných akumulátorů dosahuje přibližně 1/15 měrné kapacity benzínu, což omezuje akční rádius elektromobilů. Nejkvalitnější

kapalná

fosilní

paliva

(jako

například

benzín)

mají

výhřevnost

přes 11 kWh/kg, což při 35% účinnosti motoru znamená asi 3,5 kWh mechanické práce, což je unikátní koncentrace dostupné energie, která se však vytvářela po miliony let. Navíc odpadní teplo lze v zimním období využít pro vytápění automobilu. Běžná trakční olověná baterie dosahuje 40 Wh/kg, NiMH 80 Wh/kg, Li-ion 100-250 Wh/kg. Pro ilustraci: hmotnost baterie u elektromobilu s dojezdem odpovídajícím plné 40l nádrži benzínu (30 kg) odpovídá teoretické hmotnosti 420-1050 kg moderních akumulátorů, nebo přes 2060 kg běžných olověných akumulátorů. Na druhé straně statistika individuální dopravy říká, že část denních jízd je vykonána v dosahu současných elektromobilů (50-150 km), kde uložení jen 13-24 kWh (olovo/NiMH) energie v běžných elektromobilech může být pro někoho dostačující. Rádius lze také operativně prodlužovat rychlodobíjením v zemích, kde by k tomu již existovala patřičná veřejná infrastruktura nebo tzv. příležitostným dobíjením ze standardní elektrické sítě na pracovišti apod. V tomto režimu by pak akční rádius elektromobilů mohl být teoreticky i několik set km denně, čehož lze využít především v sektoru služeb. Pro kritičtější aplikace je možné elektromobil osadit Li-ion články, každý s kapacitou 200 Ah, které pak dovolují provoz na jedno nabíjení na vzdálenost 300-400 km v závislosti na množství těchto baterií. Pro provoz vozidla, které by tomuto vyhovělo, by bylo potřeba mnoha set kilogramů takovýchto baterií při velmi lehké konstrukci vozidla. Dalším protiargumentem k zavádějícímu porovnávání „měrné kapacity benzinu“ s energií v akumulátorech je fakt, že většina současné automobilové produkce se spalovacím motorem je velice neefektivní z hlediska špatné aerodynamiky a bezúčel-

38


né hmotnosti. Filozofie elektromobilů tedy rovněž spočívá v zásadě nemrhat energií pro pohon zbytečně. Některé sériově vyráběné modely elektromobilů úspěšně uplatnily kombinaci odlehčené hliníkové karoserie a kompozitních vnějších panelů, a to vše za dodržení bezpečnosti pro posádku, s výsledkem podstatné redukce hmotnosti vozidla. Náklady na provoz elektromobilu jsou zejména v ceně vlastní elektrické energie, jsou srovnatelné s cenou fosilních paliv bez spotřebních daní a zbytek provozní ceny pak tvoří amortizace akumulátorů. V přepočtu nákladů na km jsou náklady na provoz elektromobilu v porovnání se spalovacím motorem výrazně nižší. Pohonné ústrojí vozů se spalovacím motorem vykazuje rychlejší opotřebení, pravidelná údržba, výměny provozních kapalin, maziv a filtrů jsou hlavní faktory, které výrazně kompenzují vyšší pořizovací náklady elektromobilu. V současnosti brání většímu rozšíření elektromobilů zejména cena a neexistence efektivních baterií, které jsou z hlediska intenzity uložené energie (poměr kW/kg) velmi nedokonalé. Po masovějším rozšíření elektromobilů by mohla klesnout jejich cena díky poklesu v jejich jednotkových výrobních nákladech, což by mohlo pomoci v kategorii problému cena. Technologický problém týkající se neefektivity baterií by mohl v budoucnosti vyřešit vynález v oblasti nanotechnologií. To je však hudba nikoli blízké budoucnosti. Dokud baterie nebudou alespoň 5× účinnější než stávající Li-ion baterie, bude elektromobil odkázán na okraj trhu. Využití elektromobilů se stávajícími technologiemi je v realitě možné v případě rozvážkových automobilů, které dlouhou dobu stojí, a občas kousek popojedou, zejména v přetížených centrech historických měst. Zde je nespornou výhodou nulovost emisí z těchto vozidel, což může upozadit jejich ostatní nevýhody (cena, nepraktičnost apod.) Obchodně úspěšným elektromobilem je NISSAN LEAF, automobil nižší střední třídy s motorem o výkonu cca 80 kW a bateriemi s kapacitou cca 24 kWh. Zde činí dojezd při úsporné jízdě a optimálních podmínkách až 160 km, což začíná být smysluplné. Tento automobil si určitě své zájemce z oblasti fanoušků elektromobilů najde. V roce 2011 automobilka Nissan prodala 20 000 kusů modelu LEAF i přesto, že do distribuce a výroby zasáhlo zemětřesení a vlna tsunami. V roce 2012 plánuje produkci 40 000 kusů předmětného modelu. Trakční agregáty elektromobilů jsou složené z méně dílů a velkosériová produkce by podle některých analytiků mohla být levnější než současná výroba.


39

Automobilový průmysl dnes podle vlastních slov generuje zisk především prodejem náhradních součástek a leasingem, kde dosahuje nejvyšší marže. Prodejní cena nového automobilu často jen pokrývá výrobní náklady a vývoj daného modelu. Dlouhodobé investice do infrastruktury spjaté s výrobou spalovacích pohonů brání změně výroby odlišné koncepce, nad kterou nemá automobilový průmysl kapitálovou a licenční kontrolu, jako jsou pokročilé bateriové technologie, asynchronní trakční systémy apod. Stále není výrobní technologie elektromobilů na takové úrovni, aby se výroba výrazně uplatnila a konkurovala klasickým pohonům. Není to ani záležitost několika let, ale spíše desetiletí. Přesto trh s elektromobily pomalu roste a v roce 2012 představí modely elektromobilů automobilky jako Toyota, Renault, BMW a další. Domácí automobilka Škoda Auto patrně uvede elektromobil na trh v roce 2014. Očekává se elektromobil na bázi modelu Citigo. Zatím provádí výzkum a test na deseti Octaviích.

40


Tab. 5

Trh s elektromobily vyjadřuje následující tabulka (www.hybrid.cz)

Trh s elektromobily Registrace nových elektromobilů Počet aut (01-10/2011)

Podíl na celkových registracích (v %)

Japonsko

10 000

0,35

USA

8 153

0,16

Velká Británie

1 021

0,06

Francie

1 634

0,09

Německo

1 911

0,07

Španělsko

269

0,07

Česká republika

56

0,03

Stát

Vyjádření podílu registrace nových elektromobilů na celkové registrace vozidel v současné době potvrzuje předchozí hodnocení současného vývoje technologie elektromobilů. Podporu, také z důvodu vysoké ceny ropy, plánuje řada evropských zemí rozšíření elektromobilů zavedením dotací, protože je to bezesporu alternativní pohon budoucnosti. V České republice jezdí dnes 160 elektromobilů. Nárůst počtu elektromobilů v roce 2011 o 56 elektromobilů byl desetkrát větší než v předchozím roce. Vyšší počet prodeje závisel s prodejem modelu automobilky Peugeot iOn. 13. května 2011 byla otevřena první dobíjecí stanice v ČR pro elektromobily v kraji Vysočina, nachází se na 96 km dálnice D1. ČEZ má v současnosti asi 25 a PRE kolem 10 stanic. ČEZ účtuje za jedno nabití 100 Kč a PRE je zatím zadarmo. Odhaduje se asi stovka dalších dobíjecích stanic, provozovaných soukromými subjekty. 5.3.1.

Výhody

• elektromobily neprodukují žádné emise (CO2, NOX, prachové částice), • levnější provoz,


41

• ekonomicky méně náročný servis vozidla – o 50% méně součástek než automobil, se spalovacím motorem, • získávaní energie i při brzdění, • tichý chod motoru. 5.3.2.

Nevýhody

• malý dojezd, • dlouhé dobíjení, • nedostatek dobíjecích stanic, • životnost baterií, • cena nových baterií, • těžké baterie. 5.3.3.

Technické parametry sériově vyráběných elektromobilů

V následující kapitole uvádíme základní technické parametry sériově vyráběných vozidel s elektrickým pohonem. V závěru práce budu porovnávat jednotlivé parametry těchto vozidel.

42


Tab. 6

Nissan Leaf

Nissan Leaf Typ elektromotoru

Střídavý, synchronní, výkon 80 kW

Baterie

Li-ion, 24 kWh,


145


11,5 s

Dojezd(teoretický)

175 km

Dobíjení

8 hodin (230 V), 30 min. (rychlodobíjení)

Počet míst

5

Obr. 13

Nissan Leaf



Tab. 7

43

Peraves Monotracer MTE-150

Peraves Monotracer MTE-150 Typ elektromotoru


Baterie

Li-polymer, 20 kWh,


250


3,9 s

Dojezd (teoretický)

320 km

Dobíjení

1 hodina (rychlodobíjení 80A)

Počet míst

2

Obr. 14



44


Tab. 8

Renault Twizy

Renault Twizy Typ elektromotoru


Baterie

Li-ion, 20 kWh,


80


neuvedeno


100 km

Dobíjení

3,5 hodny (230V)

Počet míst

2

Obr. 15

Renault Twizy



Tab. 9

45

Mitsubishi iMiEV

Mitsubishi iMiEV Typ elektromotoru

Střídavý, třífázový, synchronní, výkon 49kW

Baterie

Li-ion, 16kWh,


130


15,9


150 km 8 hodin (230V/10A), 6 hodin (230V/16A), 30 min.

Dobíjení

(rychlodobíjení) (380V/125A)

Počet míst

Obr. 16

Mitsubishi iMiEV


4

46

Tab. 10


Tesla S

Tesla S Typ elektromotoru

Střídavý, synchronní, výkon 85kW

Baterie

Li-ion, 30 kWh


20 1


5,6

Dojezd(teoretický)

480 km

Dobíjení

4 hodiny (220V)

Počet míst

Obr. 17

Tesla S


5+2


47

6. Vyhodnocení parametrů vybraných vozidel Evropští výrobci vozidel si stanovili pro určení normalizované spotřeby s vyprodukovanými emisemi metodu standardní jízdy, s cílem přiblížit hodnoty spotřeb uváděné v tabulkách, reálným číslům tzv. evropský jízdní cyklus. Touto metodou jsou získávány tři hodnoty spotřeb pro městský, mimoměstský a kombinovaný. Metoda normalizuje a zajišťuje jednotné hodnocení. A umožňuje srovnat spotřebu jednotlivých vyráběných vozidel v Evropě. Kombinovaná spotřeba bývá stanovena výpočtem jako vážený průměr spotřeby zjištěné v režimech město a mimo město. Kombinovaná spotřeba = (spotřeba město x 4 + spotřeba mimo město x 7) / 11. Emise hybridních vozů 200 180

Emise CO2 [g/km]

160 140 120 100 80 60 40 20 0 Toyota Prius

Obr. 18

Volvo V60

Opel Ampera

Porovnání emisí CO2 hybridních vozidel

Mercedes

Lexus GS

48


Spotřeba paliva (benzín, nafta) 9 8

Sptřeba [l/100km]

7 6 5 4 3 2 1 0 Toyota Prius

Obr. 19

Volvo V60

Opel Ampera

Mercedes

Lexus GS

Porovnání spotřeby paliva hybridních vozidel

Výkon hybridních vozů 250

Výkon [kW]

200

150

100

50

0 Toyota Prius

Obr. 20

Volvo V60

Opel Ampera

Porovnání výkonů hybridních vozidel

Mercedes

Lexus GS


49

Dojezd vybraných elektromobilů 600 500

Dojezd [km]

400 300 200 100 0 Nissan Leaf

Obr. 21

Peraves

Renault Twizy

Mitsubishi iMiEV

Tesla S

Mitsubishi iMiEV

Tesla S

Porovnání dojezdu elektromobilů

Výkon elektromobilu 160 140

Výkon[ kW]

120 100 80 60 40 20 0 Nissan Leaf

Obr. 22

Peraves

Porovnání výkonů elektromobilů

Renault Twizy

50

Závěr

7. Závěr Vývoj pohonů postupně stále méně závislých na zdrojích energie z ropných derivátů je v současnosti stále více podporován z ekonomických důvodů, obavou z nedostatku ropných ložisek, z politických důvodů a samozřejmě již z déle trvajícího zamoření biosféry emisními plyny. Porovnáním sériově vyráběných vozidel je zajímavým srovnáním technologické a výzkumné základny jednotlivých výrobců. Peraves Monotracer MTE-150 má velký dojezd zejména díky výjimečně nízkému aerodynamickému odporu kolem 0,17 a velmi lehké kapotě z kevlarových vláken. Lexus GS se jeví jako neekologické vozidlo. Má z porovnávaných vozů výrazně vyšší spotřebu i emise. Je to dáno velkým výkonem motoru. Naopak nejnižší spotřebu má Opel Ampera. Je to dáno typem použitého sériového hybridního pohonu. Tento typ motoru pracuje v konstantních otáčkách a tím má nižší spotřebu a emise. Zajímavý projekt trihybridu zatím pouze pro hromadnou dopravu je zřejmě možný směr vývoje obměny pohonu vozidel. Vše závisí na technologickém pokroku vývoje palivových článků a získávání vodíku. Využívání elektromobilů s dobíjením baterií z rozvodné sítě, napájené ze zdrojů výroby elektrické energie konvenčním způsobem, není řešením budoucnosti. Na závěr se zmíníme o perspektivě vývoje provozu automobilů na vodíkový pohon s vodíkovými nádržemi, ke kterému posloužily zkušenosti z provozu vozidel na zemní plyn. Zacházení s vodíkem je ještě problematičtější a má také daleko větší energetické nároky. Vodík musíme zkapalňovat při teplotě -253 °C. Manipulace se zkapalněným vodíkem včetně transportu bude prováděna s vysokým stupněm robotizace pro jeho vysokou nebezpečnost. V současné době je výroba vodíku energeticky náročná a závislá na elektrické energii, ale nové technologie výroby vodíku jsou pro samotnou energetickou základnu velkou výzvou. Zdroj pro výrobu je nevyčerpatelný. Výhodou vodíku je jediný produkt jeho hoření, kterým je vodní pára. Spalovací motor na vodíkovou směs představuje jednu z možných variant pohonných jednotek automobilů budoucnosti s použitím paliva, které patří mezi obnovitelné zdroje energie. Vodík má rovněž oproti ostatním palivům vysokou výhřevnost k jednotce hmotnosti. Objemová jednotka je díky

Závěr

51

velmi malé hustotě nižší. Mezi negativní vlastnosti patří problematická antidetonační odolnost, z důvodu nižší hustoty oproti vzduchu problematická homogenizace směsi a vznik tzv. vodíkové křehkosti u běžných konstrukčních materiálů. Vývoj pohonů budoucnosti, především elektromobilů, je závislý na stupni především výkonové elektronizace, která ovlivní přednosti asynchronních motorů proti stejnosměrným motorům. Přednost dostane jednodušší konstrukce motoru a současně spolehlivost. Skladování elektrické energie po určitou dobu nelze prozatím jinak, než ve stejnosměrné formě elektrické energie. Použitím asynchronního jednoduššího pohonu musíme mít k dispozici vyspělou výkonovou elektroniku. Přeměna střídavé a stejnosměrné formy elektrické energie musí být již řešena při brždění, setrvační jízdě z kopce, nabíjení, výroby v palivových článcích nebo jízdě s motorem. Elektrické motory jsou dobrá volba k pohonu vozidla, protože jsou dobře kontrolovatelné, spalování je efektivní a jsou mechanicky velmi jednoduché. Elektrické motory často dosáhnou 90 % efektivity konverze přes plný rozsah rychlostí a výstupní výkon. Tyto motory mohou poskytovat vysoký točivý moment. Motor snadno umožňuje režim start/stop, na rozdíl od motorů vnitřního spalování. Reversibilitou elektromotory mají také schopnost přeměnit pohybovou energii zpět na elektrickou, pomocí setrvačnosti, což je velká výhoda. Lidstvo zcela jistě uvítá pohon s minimální zátěží biosféry. Elektromobily ani vodíkový pohon nemohou být výhodným řešením, pokud pro získání elektrické energie nebo vodíku budou potřeba zdroje zatěžující životní prostředí. Věříme, že ubývající zásoby fosilních zdrojů urychlí výzkum nových technologií.

52

Literatura

8. Literatura 1. KAMEŠ, J. Alternativní pohony automobilů. Praha: BEN technická literatura, 2004. 231s. ISBN 80-7300-127-6 2. KAMEŠ, J. Speciální motorová vozidla. Praha: ČZU-TF, 2002 3. KAMEŠ, J. Vodík alternativní palivo. Praha: ČVUT 2008 288 S. ISBN 97880254-1686-0 4. VLK F. Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Nakladatelství Vlk, 2004. 234 s.ISBN 80-239-1602-5 5. VLK F. Převodová ústrojí motorových vozidel. 2. vyd. Brno: František Vlk, 312 s.ISBN 80-239-0025-0 6. ŘÍHA, V. Stanovení základní koncepce vodíkového autobusu s palivovými články_ET00272P , firemní dokumentace ŠKODA ELECTRIC a.s. 7. JAN, Z., KUBÁT, J. & ŽDÁNSKÝ, B. Elektrotechnika motorových vozidel Brno: Avid 8. BAUMBURK P. 1996: Příslušenství spalovacích motorů. ČVUT, Praha 236s. ISBN 80-01-01103-8

INTERNETOVÉ ZDROJE • http://www.energybulletin.cz • http://www.auto-motory.com • http://www.opel.cz • http:/www.hybrid.cz • http://www.merceds-benz.cz • http://www.lexus.cz • http://www.monotracer.cz • http://www.teslamotors.com • http://www.autorevue.cz • http://www.nazeleno.cz • http://www.google.cz

Seznam obrázků

53

Seznam obrázků Obr. 1

Světové zásoby ropy při dnešní spotřebě 3,5 miliard tun za rok (Vlk 2004)

8

Obr. 2

Scénář vývoje pohonu automobilu palivovým článkem (Autoexpert 2002/5)

12

Obr. 3

Generátor na dřevoplyn (www.energybulletin.cz)

15

Obr. 4

Sériová koncepce hybridního pohonu

24

Obr. 5

Paralelní koncepce hybridního pohonu

25

Obr. 6

Toyota Prius

28

Obr. 7

Volvo V 60 plug-in

29

Obr. 8

Opel Ampera

30

Obr. 9


31

Obr. 10

Lexus GS

32

Obr. 11

Rozmístění el. výzbroje, zdrojů a zásobníků el. energie

34

Obr. 12

Blokové schéma Trihybridu

35

Obr. 13

Nissan Leaf

42

Obr. 14


43

Obr. 15

Renault Twizy

44

Obr. 16

Mitsubishi iMiEV

45

Obr. 17

Tesla S

46

Obr. 18

Porovnání emisí CO2 hybridních vozidel

47

Obr. 19

Porovnání spotřeby paliva hybridních vozidel

48

Obr. 20

Porovnání výkonů hybridních vozidel

48

Obr. 21

Porovnání dojezdu elektromobilů

49

Obr. 22

Porovnání výkonů elektromobilů

49

54

Seznam tabulek

Seznam tabulek Tab. 1

Toyota Prius

28

Tab. 2

Volvo V60

29

Tab. 3

Opel Ampéra (Chevrolet Volt)

30

Tab. 4


31

Tab. 5

Lexus GS

32

Tab. 6

Trh s elektromobily vyjadřuje následující tabulka (www.hybrid.cz)

40

Tab. 7

Nissan Leaf

42

Tab. 8


43

Tab. 9

Renault Twizy

44

Tab. 10

Mitsubishi iMiEV

45

Tab. 11

Tesla S

46

Literatura

55

Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání. Alternativní pohony mobilní techniky. Prof. Ing. František Bauer, CSc

Recommend Documents