Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Alternativní zdroje energie Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Brno 2007
Vypracoval: Mikulášek Jan
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy
Agronomická fakulta 2006/2007
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Řešitel: Studijní program: Obor: Název tématu:
Jan Mikulášek Zemědělská specializace Provoz techniky
Alternativní zdroje energie
Zásady pro vypracování: 1. Rozbor problematiky zadání 2. Alternativní zdroje pro spalovací motory 3. Perspektivní paliva pro spalovací motory Rozsah práce:
25 - 30 stran
Seznam odborné literatury: VLK, F. Koncepce motorových vozidel: Koncepce vozidel, Alternativní pohony, Komfortní 1. systémy, Řízení dynamiky, Informační systémy. 1. vyd. Brno: Nakl.Vlk, 2000. 367 s. ISBN 80238-5276-0. VLK, F. Koncepce motorových vozidel: Koncepce vozidel, alternativní pohony, komfortní 2. systémy, řízení dynamiky, informační systémy. 1. vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2000. 367 s. ISBN 80-238-5276-0. 3. Odborné časopisy 4. Sborníky z konferencí Datum zadání bakalářské práce: Termín odevzdání bakalářské práce:
prosinec 2005 duben 2007
Jan Mikulášek řešitel bakalářské práce
doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí bakalářské práce
doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí ústavu
prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. děkan AF MZLU v Brně
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma ALTERNATIVNÍ ZDROJE ENERGIE 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 diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne…………….………………………. podpis …………..……….…………….
PODĚKOVÁNÍ Děkuji panu doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za odborné vedení a cenné rady, které mi během zpracovávání této bakalářské práce vždy ochotně poskytoval.
ABSTRAKT Obsahem mé bakalářské práce
je souhrn současných poznatků o budoucích
alternativních pohonných systémech automobilů. Úvod je zaměřen na vývoj mobility a automobilů, dále je objasněna otázka životního prostředí s níž souvisí omezené zdroje fosilních paliv a škodlivé emise. Nabízí se také otázka vyčerpání zásob ropy a její budoucnost. Práce se dále zabývá alternativními zdroji pro spalovací motory a to: pohon plynem LPG, zemním plynem CNG a LNG a také biopaliva a alkoholy. V závěru jsou uvedeny perspektivní paliva pro spalovací motory a jejich postupné zařazení do pohonných jednotek automobilů i strojů. Klíčová slova: ropa, paliva, pohon, motor, automobil
ANNOTATION
This BSc thesis summarizes findings related to future alternative driving systems in cars. It covers the development of mobility and cars at the start. It further clarifies the issue of the relationship between the environment and limited fossil fuel sources and harmful emissions. The thesis also mentions the problem with oil reserves, their depletion and their future. Then it discusses alternative sources for gas engines, such as LPG, CNG, LNG, biofuels and alcohols. Finally, the thesis lists fuels that are promising for gas engines and their gradual introduction for use in power driving units in cars as well as machines.
Key words: crude oil, firing, drive, motor, car
OBSAH: 1)
2)
3)
ROZBOR PROBLEMATIKY ZADÁNÍ ………………………... 7 1.1
Úvod ………………………………………………………….. 7
1.2
Cíl práce ……………………………………………………… 8
1.3
Mobilita 21. století …………………………………………… 9
1.4
Životní prostředí …………………………………………….. 9
1.5
Omezené zdroje energie …………………………………….. 10
1.6
Budoucnost ropy …………………………………………….. 11
1.7
Škodlivé emise ……………………………………………….. 12
ALTERNATIVNÍ ZDROJE PRO SPALOVACÍ MOTORY ….
13
2.1
Pohon ropným plynem LPG ………………………………… 13
2.2
Pohon zemním plynem CNG a LNG ……………………….. 18
2.3
Biopaliva a alkoholy …………………………………………. 20
2.3.1
Rostlinné oleje a bionafta ……………………………… 22
2.3.2
Etanol a metano ………………………………………...
2.3.3
Bioplyn ………………………………………………….. 27
2.3.4
Emulzní motorová nafta ……………………………….. 28
25
PERSPEKTIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY …… 28 3.1
Elektrická vozidla s palivovými články …………………….. 28
3.2
Hybridní pohon ………………………………………………. 32
3.3
Vodíkový pohon …………………………………………….... 35
4)
ZÁVĚR …………………………………………………………….. 36
5)
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY …………………………… 37
6)
SEZNAM OBRÁZKŮ ……………………………………………. 38
1
ROZBOR PROBLEMATIKY ZADÁNÍ
1.1 Úvod V 70. letech si svět začal intenzivně uvědomovat důsledky zvyšující se spotřeby motorových paliv na životní prostředí. V 80. letech se začaly projevovat první pozitivní výsledky spolupráce výrobců pohonných hmot a automobilů zaměřené na negativní ekologické aspekty automobilové dopravy. 90. léta pak představovaly období nástupu alternativních
paliv.
Současné
desetiletí
přinese
praktickou
aplikaci
velmi
sofistikovaných řešení tohoto typu. Studium problémů souvisejících s použitím alternativních paliv a jejich porovnání s klasickými motorovými palivy je velmi zajímavé a současně představuje výzvu pro technology zpracování ropy, automobilové konstruktéry i uživatele motorových vozidel. Tato problematika se nyní velice bouřlivě rozvíjí a hlavními hnacími silami jsou omezené zásoby fosilních paliv, aplikace principů setrvalého rozvoje (problém znečištění
vzduchu,
změn
klimatu)
a řešení
některých
strukturálních
otázek
hospodářského rozvoje. Automobil je jedním nejvýznamnějších vynálezů v dějinách lidstva. Vzhledem k docházejícím zásobám ropy a nesmírným problémům se znečištěním životního prostředí začaly lidé před 20 lety hledat alternativní zdroje energie. Jde o energii, která bude méně škodit životnímu prostředí a zároveň zaručí, že doprava v budoucnu nevymizí. V automobilovém průmyslu s může využít několik druhů alternativních pohonů. K nejdůležitějším patří pohony plynové, elektrické, hybridní a vodíkové. Vyvíjejí se i pohony sluneční a vzduchové. Za alternativní paliva, se považují zejména: -
stlačený zemní plyn ( CNG)
-
zkapalněné ropné rafinérské plyny (LPG)
-
bioplyn
-
bionafta a paliva na základě metylesteru řepkového oleje
-
paliva s využitím alkoholu (ethanol a metanol)
-
vodík
-
elektrický proud
-
hybridní pohon
1.2 Cíl práce Cílem mé práce je Vás seznámit
s alternativními zdroji energie, tak i
s perspektivními zdroji pro spalovací motory a jejich postupné zařazení do pohonných jednotek automobilů i strojů.
1.3 Mobilita 21. století Mobilita v příštím století má pro průmysl vozidel zvláštní význam: jednak ve spotřebě energie a škodlivých emisích a zadruhé téměř všichni řidiči svými vozy chtějí neomezeně využívat mobilitu i v budoucnosti. Mimoto lze očekávat pokles těžby fosilních paliv (ropy a zemního plynu) a vzrůst jejich ceny, což je jedním z důvodů intenzivního vývoje alternativních pohonů.
Obr. 1 Dostupné zdroje energie pro pohonné systémy
Vývoj automobilů zítřka je především v hledání alternativních paliv a k tomu náležejících alternativních pohonných koncepcí. Tato strategie se orientuje na dvě základní úlohy: snížení emisí a využití regenerativních nosičů energie. Automobiloví výrobci celého světa intenzivně vyvíjejí nové pohonné systémy vykazující ekologické výhody oproti konvenčním spalovacím motorům.
1.4 Životní prostředí Politika životního prostředí se v posledních desetiletí významně změnila. Zatěžování životního prostředí má vliv nejen na člověka,ale i na svět fauny a flóry. Některé emise působí jen v okolí svého zdroje, kde je jejich největší koncentrace a mají tedy lokální
účinek.Jedná se o ničení lesů,okyselování půdy a vody, negativní vliv na zdravý, množení řas a nárůst globálního oteplování skleníkovým efektem. Podíl emisí způsobených lidskou činností především připadá na spalování fosilních nosičů energie jako dřeva, uhlí, plynu a minerálních olejů. Celkový podíl emisí CO2 způsobený lidstvem je jen omezeně měnitelný. Přesto vidí klimatologové problém v budoucím nárůstu emisí CO2 nebezpečí. Evropští politikové a mnoho vědců vidí přesto v omezení podílu CO2 způsobeného lidskou činností výraz důležitého cíle ochrany životního prostředí. Stejný přístup k této problematice má v posledních letech automobilový průmysl, který je vystaven tlaku stálým zpřísňováním legislativních předpisů na emise výfukových plynů a proto vyvíjí různé koncepce, které by měly těmto požadavkům společnosti vyhovovat. Dosáhnout požadovaného cíle je možno zavedením alternativních paliv jako např. vodíku, zemního plynu nebo biopaliva v současných spalovací motorech, dále koncepcí hybridů to je kombinace spalovacího motoru a elektromotoru a dále čistím elektromotorickým pohonem s baterií nebo vozidlem s palivovým článkem. Tato technologie se nabízí zvláště v kombinaci s použitím alternativních paliv (vodík, methanol, ale také ethanol a syntetické uhlovodíky).
1.5 Omezené zdroje energie Energetické krize se nejvíce projevují ve vyspělých průmyslových zemích s rozvinutým průmyslem a nedostatkem vlastních zásob fosilních paliv. Postupné vyčerpání zásob fosilních paliv, především jejich ušlechtilých druhů jako jsou ropa, zemní plyn apod., má za následek celkové zvyšování cen surovin a tím i další zvyšování inflace. První použitelné palivo bylo dřevo, surovina téměř všude k nalezení a stále dorůstala. Také parní lokomotivy, první strojem poháněná zemědělská vozidla, používala uhlí jako palivo. Druhá průmyslová revoluce byla asi o sto let po prvním použití ropy jako nového nosiče energie. S vynálezem benzínového a naftového motoru dosáhla ropa významu jako palivo. A tím dále stoupala spotřeba energie v průmyslu, k ní dále přistoupila jaderná energie a zemní plyn jako nosiče energie. Nejpozději v roce 1973 v důsledku první naftové krize, vyvolané státy OPEC, bylo uveřejněno, že použití fosilních paliv je omezené.
Obr. 2 Životní cyklus důležitých nosičů energie
Předpokládá se, že v příštích třiceti letech naroste počet vozidel z dnešních 900 milionů na 1,6 miliardy. Aby zůstala celková spotřeba energie v oboru dopravy konstantní, musela by průměrná roční spotřeba pro vozidlo klesat přes 40 % .
1.6 Budoucnost ropy Ropa se podílí asi na 40 % na světové spotřeby energie, v současnosti je nejdůležitějším nosičem energie světového hospodářství. Celkový potenciál konvenční ropy je podle různých geologických odhadů asi 350 miliard tun. Tento celkový potenciál se dělí na 40 % jíž spotřebovaný (vytěžený) a 20 % ještě nenalezené zásoby.
Obr. 3 Světové zásoby ropy při dnešní spotřebě (3,5 miliardy t/rok)
S úplným vyčerpáním zásob ropy lze stěží počítat do příštích sto let. Lze však očekávat od roku 2010 silné cenové skoky ropy, což může mít za následek exploataci nekonvenčních podílů ropy. Ale hlavní důvod zavádění alternativních koncepcí pohonu je dán stoupajícími emisemi CO2, které ovlivňují klimatické změny.
1.7 Škodlivé emise Se spotřebou fosilních nosičů energie souvisí problematika škodlivých emisí. Zavedením třícestných a oxidačních katalyzátor se ukázalo, že také existují technické cesty jak škodlivé emise aut snížit, v tomto případě se jednalo o oxid uhelnatý, oxidy uhlíku a uhlovodíky. ,,Skleníkový efekt´´ je pojem uváděný v souvislosti s ohřevem zemské atmosféry. Se zvláště úspornými vozidly pro silniční provoz, která již dnes automobilový průmysl nabízí, je možno emise oxidu uhličitého značně snížit. Silniční doprava se celosvětově podílí více jak polovinou všech emisí oxidu uhličitého a oxidu dusíku a něco méně než 50 % emisí uhlovodíků. Celosvětově má na těchto emisích největší vliv sektor nákladních vozidel. (Kameš, 2004)
2 ALTERNATIVNÍ ZDROJE PRO SPALOVACÍ MOTORY 2.1 Pohon ropným plynem LPG Zkapalněný plyn je palivo s pozoruhodnými vlastnostmi, nejen z hlediska ochrany životního prostředí. Zkapalněný plyn, který je především směsí propanu a butanu, obsahuje jen velmi málo síry, žádné olovo a žádné benzonové uhlovodíky. Umožňuje dosáhnout velmi homogenní směsi vzduchu s palivem, která je dobře rozdělitelná mezi válce což je značná výhoda pro spalování. Vozy na plynový pohon jsou vybaveny třícestným katalyzátorem zcela vyhovují normám na snížení znečištění a normové požadavky značně překračují. Automobil s plynovým pohonem si navíc uchovává své jízdní vlastnosti a díky moderní technologii i téměř stejný výkon. V režimu nízkých otáček je motor dokonce pružnější. Další důležitou výhodou plynového pohonu je tak cena paliva. Jeden litr propan-butanu stojí zhruba polovinu ceny stejného množství benzínu. Spotřeba zkapalněného plynu je v motorovém vozidle přibližně o 20% vyšší, přesto se provoz na plyn vyplatí i z ekonomického hlediska.
Obr. 4 schéma pohonné jednotky s kombinovaným dvoupalivovým řešením
LPG jako médium k provozu spalovacích motorů je směsí propanu a butanu. Při teplotách a tlakových podmínkách běžného klimatu je tato směs plynná. Poměrně malým tlakem je však možné směs zkapalnit i za normální teploty. Při zkapalnění se mění objem. Zas asi 250 litrů propanu-butanu v plynném stavu se získá 1 litr kapaliny (z 1 m3 plynu vzniknou 4 litry kapaliny). V plynném skupenství je PLG těžší než vzduch, v kapalném skupenství je lehčí než voda. Velký zájem o využití LPG k pohonu motorových vozidel se začal v druhé polovině 80. let. LPG má jako palivo pro vozidlové pístové spalovací motory velmi kvalitní vlastnosti , zejména vysokou antidetonační odolnost a vysokou výhřevnost. LPG poskytuje rovněž velice dobré předpoklady k dosažení nižších emisí výfukových škodlivin než mají motory na klasická kapalná paliva. Další příznivou vlastností LPG je menší hmotnostní podíl uhlíku v 1 kg paliva – u LPG (60/40) je to 0,825 kg C , klasická kapalná paliva (benzin, nafta) mají v 1 kg cca 0,86- 0,87 kg C: tato skutečnost vede v optimalizovaném provedení plynového zážehového motoru k nižší produkci CO. Pro využití LPG v pístových spalovacích motorech musí být podstatně vyšší čistota plynu než je obvykle pro použití PB jako topného plynu v domácnostech. Jde zejména o odstranění těch složek v tekutém plynu, které se nejčastěji vyskytují jako přísady destilaci ropy a dále elementární síru. Palivový systém plynofikovaného (LPG) vozidla sestává z tlakové nádrže na LPG , palivového potrubí a příslušenství motoru pro LPG.
Vozidlová nádrž na LPG musí být vybavena předepsaným příslušenstvím: •
plnící jednotkou s omezovacím (vstupním) ventilem naplnění 80% celkového obsahu
•
pojistným ventilem
•
provozním (výstupním) ventilem s průtokovou (nadproudovou) pojistkou
•
stavoznakem(palivoměr)
Palivová nádrž musí být ve vozidle řádně upevněna, prostor příslušenství nádrže musí být spolehlivě odvětrán. Příslušenství motoru na LPG obsahuje výparník LPG(v poslední době však rozšiřují systémy pro tvoření směsi vstřikováním kapalného LPG), regulátor tlaku plynného
paliva a směšovač. Další skupinou příslušenství potom jsou různé seřizovací prvky (např. pro základní nastavení bohatosti směsi), bezpečnostní a regulační ventily (u moderních systémů připojené k elektronickému řízení). Plynový zážehový motor na LPG lze u hlediska požadavků na výkonové a emisní parametry seřídit dvěma způsoby: a)
Koncepce se spalováním směsí stechiometrického složení tj. se součinitelem
přebytku vzduchu λ=1 ve všech provozních režimech (nutnost elektronického řízení bohatosti směsi) třícestným katalyzátorem ve výfukovém systému motoru. b)
Koncepce se spalováním extrémně chudých směsí (se součinitelem přebytku
vzduchu λ=1,5 až 1,6): tato varianta plynového zážehového motoru je zpravidla řešena při konzervaci původně naftového motoru. Při správném seřízení a s kvalitním palivem mají plynové zážehové motory na LPG proti motorům benzínovým nižší výfukové emise ve všech dnes sledovaných složkách vlivem výhodnějších vlastností plynného paliva a možností dosáhnout lepší homogenity směsi – v takových případech lze potom o PLG hovořit jako o ekologickém palivu. Využití LPG k pohonu motorových vozidel spolu se správným technickým řešením plynofikovaných vozidel představuje nepochybně příspěvek ke snížení zátěže ovzduší výfukovými emisemi. Významně se tento efekt projevuje zejména v městských aglomeracích při plynofikaci autobusů městské hromadně dopravy. Proti vozidlům s naftovým motorem mají plynofikovaná vozidla nižší emise NOX, CO, částic, aldehydů a polycyklických uhlovodíků. LPG jako motorové palivo má sdanou význam i pro kategorii osobních automobilů. Vedle nižších výfukových emisí při běžném provozu se použití PLG vyznačuje výrazným poklesem (na cca 40 % proti benzínu) výfukových emisí při nízkých teplotách. Současné době je LPG posuzováno jako palivo alternativní. Propan-butan vzniká v rafineriích jako vedlejší produkt při zpracování ropy. Je to lehká plynná frakce, která je zkapalňovaná chlazením. Vzniká tzv. PLG (Liquifield Petroleum Gas), který je možné využít jako palivo v motorových vozidlech. Poměr propanu a butanu se v PLG v zimě a v létě mění, v jednotlivých zemích rovněž existují rozdíly ve složení. PLG se jako palivo pro motorová vozidla používá už přes 60 let a ve světě je na něj provozováno více než 3 mil. Vozidel. V zemích OECD se toto palivo podílí 5 % na celkové spotřebě paliv v dopravě.
LPG je palivem s oktanovým číslem o 5 až 10 % větším, než má benzin, a je výhodné jako náhrada pro zážehové i vznětové motory.
Tab. 1 Porovnání vlastností LPG s naftou pro použití v autobusu
Nafta
PLG
Hustota paliva [kg.m-3]
830
540
Výhřevnost [MJ.kg-1]
42,5
46.1
Přetlak v nádrži [MPa]
0,0
0,4
Objem nádrže [l]
200
340
-
140
Zvýšení hmotnosti [kg]
Tab. 2 Porovnání vlastností PLG s benzinem
Propan
Butan
Benzin
Hustota kapalné fáze při 20 0C [kg.1-1]
0,498
0,578
0,725-0,780
Hustota plynné fáze při 15 0C [kg.m-3]
2,019
2,590
-
Bod varu [ 0C]
-42,6
-0,5
35-210
Bod tání [ 0C]
-190,16
-134,96
-
Spalné teplo (kapalná fáze) [MJ.kg.-1]
50,43
51,75
48,07
Spalné teplo (plynná fáze) [MJ.m3]
101,82
134,02
-
Výhřevnost (kapalná fáze [MJ.kg.-1]
46,34
47,70
cca 42,7
Výhřevnost (plynná fáze) [MJ.m3]
93,57
123,55
-
100
89
90-100
Oktanové číslo
V České republice je řada montážních dílen, které automobily upravují a provádějí servis a seřizování. Některé modely vozidel lze již zakoupit se zabudovaným pohonem na LPG u autorizovaných prodejců.
Motoristé V ČR mohou natankovat u cca 500 čerpacích stanic, mnohé sestávají součástí čerpacích stanic kapalných pohonných hmot, jak obvykle v zemích západní Evropy, další jsou součástí montážních dílen, autobazarů, pneuservisů apod., někde jsou stanice umístěné samostatně. Výhod alternativních pohonů na zkapalněný ropná plyn (PLG) u automobilů se zážehovými motory je několik. První klady je vysoká výhřevnost a vysoká antidetonační odolnost PLG a možnost dosažení lepší homogenity směsi. Druhým kladem je větší ekonomičnost provozu automobilu s tímto pohonem. Další předností je nižší hlučnost a klidnější chod motoru. Předností alternativního pohonu na LPG je konečně i možnost kdykoliv jej přepnout do režimu pohonu na benzin. To značně zvyšuje akční rádius vozu (až o 90 %) a je nespornou výhodou při cestách do zahraničí v nichž jsou vyšší ceny pohonných hmot. První nevýhodou je řidší sít čerpacích stanic na PLG, i když jejich počet rychle roste. Druhou podstatnější nevýhodou, je zvětšení celkové hmotnosti automobilu, a tím snížení povolené užitečné hmotnosti. Záporem je i zmenšení zavazadlového nebo užitkového prostoru o prostor, který zabírá tlaková nádrž na PLG. Další nevýhodou je nutnost dodržovat určité bezpečnostní podmínky při parkování (není dovoleno parkovat v podzemních garážích), pří vjezdu do opraven a při opravách vozu vůbec (sváření, broušení a další činnosti, při kterých může vzniknout jiskra). Určité nepohodlí představuje pro držitele automobilu s alternativním pohonem na LPG i povinnost absolvovat po celou životnost automobilu s vozem pravidelné kontrolní prohlídky. Přestavbu lze provádět u spalovacích motorů, a to zážehových (benzínových), ale i vznětových (naftových). V případě jde o přestavbu na alternativní pohon benzín – LPG (volba paliva – přepínání elektricky za chodu motoru z místa řidiče) a to je v dnešní době již značně rozšířená , zejména z důvodu následné ekonomiky provozu, cenové dostupnosti a značnému počtu firem, které tyto přestavby nabízejí. V přímých nákladech na palivo činí úspora cca 40 – 60 % a závisí na momentálním cenovém rozdílu mezi PLG a benzinem. Přestavba vznětového motoru je sice možná, není však u osobního automobilu ekonomicky výhodná.Přestavba naftového (vznětového) motoru na plyn spočívá v první řadě ve změně systému motoru ze vznětového na zážehový. Proto již nelze motorovou naftu dále používat jako alternativní palivo.
2.2 Pohon zemním plynem CNG a LNG Zemní plyn sestává asi u 85 % metanu (CH4 – jednoduchý vodík 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 5 % vyšších uhlovodíků. Pod zkratkou CNG (Compressed Natural Gas) se rozumí stlačený plyn. V zásobníku vozidla bývá stlačen až na tlak 200bar. Zkratkou LNG (Liquified Nural Gas) se označuje zemní plyn zkapalněný. K dosažení kapalného stavu je ovšem potřeba teplota 162 0C. Zkapalněním se původní, výchozí objem zemního plynu zmenší zhruba šestkrát. Zkapalněný zemní plyn nelze zaměňovat s kapalnou směsí propanu a butanu, kterou známe pod zkratkou LPG (Liquified Petroleum Gas). Tento plyn vzniká jako vedlejší produkt při těžbě ropy či zemního plynu. Stlačený (zkapalněný ) zemní plyn – CNG (LNG) má následující výhody: Ekologické výhody vyplívají především z chemického složení zemního plynu, Ten je složen z nejjednoduššího uhlovodíku – metanu. Vozidla na zemní plyn produkují výrazně méně škodlivin (nejen dnes sledovaných oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, uhličitého, pevných částic, ale i polyaromatických uhlovodíků, aldehydů, aromátů včetně benzenu) než vozidla s klasickým palivem. Rovněž vliv na skleníkový efekt je u plynových motorů menší v porovnání s benzínem či naftou. Ekonomická výhodnost - náklady na pohonné hmoty jsou nižší (2 až 3x). Provozní výhody - lepší směšování zemního plynu se vzduchem umožňuje rovnoměrnost palivové směsi a možnost pracovat s vysokým součinitelem přebytku vzduchu. Vnitřní části motoru nejsou zaneseny karbonovými úsadami, z toho plyne vyšší životnost motoru a oleje. Bezpečnost - zemní plyn oproti benzínu , naftě, PLG je lehčí než vzduch. Zápalná teplota je oproti benzínu dvojnásobná. Tlakové nádrže vyrobené z oceli, hliníku nebo kompozitu jsou bezpečnější než benzínové. Jednoduchost distribuce plynu k uživateli. Zemní plyn je přepravován již vybudovanými plynovody, jeho používáním se snižuje počet nákladních cisteren
s kapalnými palivy. Zemní plyn má větší perspektivu oproti produktům t ropy (benzinu, naftě, propanu-butanu) vzhledem k jeho větším zásobám než jsou zásoby ropy. Nevýhody: Nedostatečná infrastruktura – každé alternativní palivo, které se snaží konkurovat tradičním pohonným hmotám, trpí neexistencí dostatečné infrastruktury potřebné k dosažení jeho užití. Zejména se jedná o problém malého počtu plnících stanic. Vyšší náklady, jednak na vozidlo – přestavby vozidel na plyn zvyšují cenu vozidla – jednak na plnící stanice. Lze očekávat, že náklady klesnou s širším využívání plynu v dopravě. Zhoršení stávajícího komfortu v důsledku zmenšení zavazadlového prostoru v případě umístění tlakové nádoby do tohoto prostoru. U přestavovaných vozidel na zemní plyn se také snižuje výkon motoru. Produkce CO2 u vozidla na zemní plyn je o více než 20% menší než u srovnatelného vozidla na benzín. Saze a oxid siřičitý lze v případě zemního plynu takřka zapomenout. Provoz vozidla na zemní plyn je levnější než na benzín, i to je argument, se kterým se dnes i v západní Evropě musí počítat. Reálná úspora oproti benzínu se pohybuje kolem 40%, oproti naftě přes 20%. Svoji roli v tom hraje daňové zvýhodnění zemního plynu. Problém stále představuje poměrně malá dojezdová vzdálenost vozidel, jejíchž motory využívají jako pohonnou hmotu právě zemní plyn. Na v současné době obvyklou náplň plynu o objemu 80 litrů ujede takový automobil jen 200 až 300 kilometrů. S přestavbou osobních automobilů na zemní plyn nejsou v ČR velké zkušenosti. Ve světě dnes na zemní plyn jezdí více než 2,7 milionu vozidel v 50-ti zemích. Nejvíce CNG vozidel jezdí v Argentině ( 926 tisíc), Brazílii (550 tisíc), Itálii (380 tisíc), USA (208 tisíc), Indii (137 tisíc). Největší počet plynových vozidel na světě provozuje americká pošta. Nejvíce autobusů na zemní plyn v současnosti jezdí USA, Kolumbii, Mexiku, Austrálii. V celé Evropě je pak na zemní plyn provozováno více než 400 tisíc vozidel a k dispozici je téměř 900 plnících stanic.
Dříve byla směs zemního plynu se vzduchem vytvářena ve směšovači. Podstatně kvalitněji je možno vytvořit tuto směs vstřikováním plynu do jednotlivých sacích potrubí motoru přes vstřikovací ventily. Elektronická řídící jednotka ovládá vstřikování benzínu i plynu. Plynové trysky jsou samostatné. Tlak na vstupu do trysky je 0,09 MPa. Výkon motoru na jmenovitém režimu při provozu na zemní plyn v důsledku menšího plnění válců a nižší výhřevnosti poklesne asi o 15%. Spotřeba plynu u motoru 316g (4 válec o objemu 1596 cm3 ) je dle metodiky EHK ( město / 90 / 120 km/hm) 6,1 / 3,7 / 4,9 kg/100km, přičemž spotřeba benzínu za stejných podmínek je 9,4 / 5,7 / 7,5 l/100km. Jedním z průkopníků a vyznavačů automobilů na zemní plyn je švédský výrobce VOLVO. Kromě VOLVA se alternativním pohonem na zemní plyn zabývá ještě několik automobilek (Fiat Dublo, Honda Civic, Ford Focus, Opel Astra, Volkswagen Golf Variant). Téměř každá světová automobilka začíná přicházet na trh s plynovými variantami základních značek Na trhu jsou rovněž továrně vyráběné autobusy na CNG, včetně domácí produkce. Přechod na zemní plyn přináší výrazné snížení i emisí s ostatních sledovaných složek (tj. oxidu dusíku, oxidu uhelnatého, uhlovodíků kromě metanu, pevných částic. Rychlé plnění znamená možnost natankovat vozidlo za stejnou dobu, za kterou natankujeme ekvivalentní množství benzínu nebo nafty . U osobních aut a lehkých užitkových vozidle je rychlost plnění závislá na technologii stanice. U těžkých vozidel a autobusů, kde je objem nádrží podstatně větší, je rychlost dána také dimenzí palivového systému. V případě, že je instalováno palivové potrubí s malým průtokem, to se týká např. starších CNG autobusů u nás, trvá tankování o něco déle i u rychloplnící stanice. U rychloplnící CNG stanice uživatel natankuje stejně rychle jako u benzínu či nafty. Stlačený zemní plyn může být stanice zásobována z různých zdrojů. CNG stanice může být napojena na plynovod. Toto řešení je dostupné v České a Slovenské republice díky rozvinutému plynárenství s hustou sítí plynovodů.
2.3 Biopaliva a alkoholy Alkohol nebo rostlinné oleje,které lze získat z biomasy, jsou v našem podnebí právě takovými palivy. Mezi všemi obnovitelnými zdroji energie má biomasa jedinečné postavení, protože na rozdíl od jiných zdrojů představuje akumulovanou sluneční energii.Celosvětový roční růst je odhadován na 20 x 1011 t/rok – tomu odpovídá energetický potenciál 3 x 1012 J. To je téměř desetkrát více, než činí roční objem
kompletní světové produkce ropy a plynu celkem.V ČR je možné využívat k čistě energetickým účelům až 8 mil. tun biomasy. Biomasa byla zdrojem energie ještě dřív, než se začal používat benzín. Výroba alkoholů (metanolu a etanolu) pro technické účely z biomasy je známá mnohem déle. Už od třicátých let 20. století se užívalo alkoholu jako motorového paliva. V současnosti jsou nejdůležitějšími palivy z biomasy metanol, etylalkohol (etanol) a bionafta. Do pozadí ustoupilo používání bioplynu a dřevoplynu, které byli populární především v období 2. světové války. Pohon motorových vozidel dřevoplynem – první spalovací motory vůbec byly poháněny plynem (Lenor motor na svítiplyn z roku 1860), ustoupil tento druh pohonu s dalším vývojem do pozadí, s výjimkou velkých plynových motorů na kychtový plyn. Generátorový plyn se vyráběl v generátorové soustavě, umístěné na motorovém vozidle, souprava se skládala z vlastního generátoru, kde se zplyňovalo tuhé palivo a z baterie čističů, v nichž se plyn čistil, chladil a zbavoval vlhkosti. V našich krajinách byly nejdůležitějšími palivy pro generátory dřevo a dřevěné uhlí. Nejlépe se hodilo dřevo bukové, ale dalo se používat i jiných dřev, tvrdých i měkkých (borovice,jedle,smrk,dub) Energetické rostliny – je možné rozdělit na rychlerostoucí dřeviny a rostliny bylinného charakteru. Výhodou energetických bylin je krátké vegetační období, snadnější výsev, možnost zpracování i na neenergetické účely. Bioplyn – je směs plynů: 50 až 70 % metanu, 25 až 40 % oxidu uhličitého, 1 až 3 % dalších plynů ( dusík, vodík, vzácné plyny, sirovodík, vodní páry). Biopaliva mohou být jako čistá, smíchaná s deriváty minerálních olejů, popřípadě kapaliny z nich odvozené. Důležitým strategickým momentem pro sociální přijatelnost výroby bionafty nebo biopaliv v EU je ta skutečnost, že oblasti, které již nejsou pro výrobu potravin, mohou být použity pro výrobu energetických surovin. Paliva získávaná zpracováním biomasy - na rozdíl od paliv uhlovodíkových získávaných z ropy se jedná o zdroje obnovitelné, přičemž při jejich spalování nedochází k nárůstu oxidu uhličitého v atmosféře planety (skleníkový efekt). Kapalná paliva získávaná z biomasy – jejich velkou výhodou v porovnání s kapalnými ropnými palivy uhlovodíkovými je vedle obnovitelnosti jejich zdrojů i
skutečnost, že v případě kontaminace půdy jsou velmi snadno odbouratelná půdními mikroorganismy.
2.3.1 Rostlinné oleje a bionafta Od sedmdesátých let minulého století je zkoumána možnost využití řepkového oleje pro pohon vznětových motorů. Pohon na řepkový olej u běžných naftových motorů není možný. Je tedy nutno naftový motor pro pohon řepkovým olejem přestavět, např. na duotermický motor Elsbethův, nebo přepracovat řepkový olej na metylester (MEŘO). Úprava fyzikálně – chemických vlastností obecně spočívá v přeměně vhodného rostlinného oleje na metylester mastných kyselin obsažených v oleji. Smyslem chemické přeměny na metylestery je přiblížit výsledné vlastnosti tohoto paliva parametrům klasické motorové nafty. Vhodným rostlinným olejem je v případě ČR i Evropy převážně řepkový olej. V ostatních případech se používá slunečnicový olej, v USA i sojový olej atd. Olej je možné získat z více než 300 druhů různých rostlin, mezi než patří např. řepka olejná, slunečnice, olivy, sója, kokosový ořech a jiné. Význam rostlinných olejů je především v tom, že téměř každý vznětový motor je v principu možné upravit na jejich spalování. V zemích EU se jejich podíl na celkovém počtu vozidel pohybuje od 15 do 40%. Použití čistého rostlinného oleje v motorech ale přináší více problémů, a proto se tento olej upravuje esterifikaci na metylester (u nás zkráceně označovaný MEŘO, v zahraničí se používá termín RME – Rapeseed Methyl Ester). MEŘO znamená MethylEster Řepkového Oleje a je to produkt vznikající při reakci řepkového oleje s metanolem, tady bionafta. Čisté MEŘO se jako palivo používá např. v Rakousku nebo Německu. V České republice se tato bionafta tzv. první generace nepoužívá.Tzv. bionafta 2. generace, která je na trhu, je směsná nafta, kde je podíl MEŘO asi 31% zbytek pak tvoří klasická motorová nafta. Ekologickým přínosem využití řepky olejky, jako paliva pro motory zemědělských traktorů a samojízdných strojů, je v několika rovinách: •
využití obdělávaných ploch pro podporu zemědělců a řízenou tvorbu krajiny
•
biologická odbouratelnost paliva při jeho úniku
•
snížení emise skleníkového plynu CO2 , důsledku jeho využití při růstu rostliny v následném vegetačním období.
Z jednoho hektaru plochy je možno získat asi 1,2 t řepkového oleje, který při přeměně na MEŘO má energetický obsah 47,8 GJ. Ve srovnání s motorovou naftou dochází při použití MEŘO k významnému snížení emisí nespálených uhlovodíků, částic a na nich navázaných polycyklických aromatických uhlovodíků. Snížení emise škodlivin do ovzduší , tj. látek poškozujících lidské zdraví a ovlivňujících klimatické podmínky. Oproti motorové naftě neobsahují rostlinné oleje žádnou síru a proto při jejich spalování nedochází ke vzniku oxidů síry SOx . Rostlinné oleje neobsahují žádné aromatické složky. Taktéž emise polycyklických aromatických uhlovodíků je ve srovnání se spalováním nafty nižší. Nevýhody směsné bionafty: •
poškozuje pryžové součástky palivového systému, které při použití směsné bionafty musí být nahrazeny díly z plastických hmot
•
zvýšení spotřeby paliva vyvolané nižší výhřevností směsných bionaft v porovnání s motorovou naftou
•
zanášení a nárůstu karbonu na špičce vstřikovací trysky
•
zvýšení korozivních účinků vyvolaných značnou náchylností MEŘO k oxidaci a tedy i k nárůstu kyselosti paliva
Tab. 3 Porovnání vlastností MEŘO, čistého řepkového oleje a nafty
Nafta
Cetanové číslo
MEŘO
Čistý
s nízkým
řepkový
obsahem síry
olej
46
61,2
42,6
Bod varu [ C]
191
347
311
Viskozita při 20 0C [mm2/s]
5,1
7,5
77,8
při 50 0C [mm2/s]
2,6
3,8
25,7
Obsah síry [% hmot.]
0,036
0,012
0,022
Obsah dusíku [ppm]
0
6
_
Zbytkový obsah uhlíku [%]
0,15
0,02
0,25
Výhřevnost [MJ.kg-1]
44,5
40,6
40,4
Hustota [kg.m-3]
845,9
880,2
906,6
0
Při výrobě MEŘO se jako vstupní surovina používá řepkový olej a menší množství metanolu.
Základní složky výroby jsou: transesterifikace – hlavní reakce, kdy spolu chemicky reagují řepkový olej s alkoholem za vzniku esteru a glycerolu neutralizace – důsledek nevyhnutelné vedlejší reakce mastné kyseliny a katalyzátoru za vzniku mýdla a vody zmýdelnění – vedlejší nežádoucí reakce opět mastné kyseliny a katalyzátoru, ovčem za vzniku mýdla a glycerolu
Mezi hlavní výhody MEŘO patří jeho pozitivní energetická bilance, která je lepší než v případě alkoholových paliv. Výhodou směsné bionafty je, že má přibližně stejné cetanové číslo jako nafta, což znamená, že je ji možné přímo použít ve vznětovém motoru bez dalších přísad. Rostlinný olej navíc neobsahuje téměř žádnou síru a nezpůsobuje tak emise oxidu siřičitého. Bionafta má porovnatelnou hustotu energie jako nafta, a proto postačuje stejně velká nádrž jako v běžném vozidle. Výkon motoru je s tímto palivem podobný jako při použití motorové nafty.
Francie je největším použivatelem bionafty, v této zemi je MEŘO běžně přimícháváno do nafty v objemu 5 % a směs nese označení jako City – Diesel.
2.3.2 Etanol a metanol ■ Etanol je látka,která se v přírodě vyskytuje jen zřídka a její používání (v malém množství), na rozdíl od metanu, není pro člověka toxické. Etanol se dnes běžně využívá jako náhrada benzínu ve spalovacích motorech, přičemž je jedno z nejstarších alternativních paliv. Komerční zkušenosti s používáním etanolu v dopravě mají hlavně v Brazílii a v USA.
Na výrobu etanolu i metanolu je možné použít více vhodných surovin, např. obilí, brambory, kukuřici, cukrovou třtinu, cukrovou řepu ovoce a jiné plodiny. Proces výroby alkoholu se nazývá fermentace probíhající na cukerných roztocích.Po 30 hodinách fermentace obsahuje vzniklá kaše asi 6 až 10 % alkoholu, která se může po předchozí destilaci použít jako kapalné palivo ve spalovacích motorech. Energetická náročnost při výrobě etanolu je přibližně poloviční v porovnáním s MEŘO,ale výhodou zůstává ta skutečnost, že jednoho hektaru je možné získat více litrů paliva (4755) než v případě MEŘO (asi 1400). Výrobní cena etanolu i jeho destilací je přibližně 20 Kč/l. Při náhradě motorové nafty alkoholy je největší překážkou jejich použití ve vznětových motorech velmi malé cetanové číslo, způsobující malou vznětlivost paliva. Zvýšení cetanového čísla je možné přidáním aditiv do paliva. V ČR se má ročně podle údajů ministerstva zemědělství použít pro palivářské účely 60 000 m3 etanolu, na jehož výrobu se spotřebuje asi 200 000 tun obilí, tj. 2 % úrody v ČR.
Výhody používání etanolu v motorových vozidlech : •
ve srovnání s benzínem má vyšší oktanové číslo (106)
•
v motoru je dokonaleji spalován
•
zaručuje vyšší otáčky a výkon motoru
•
vykazuje nižší emise ve spalinách
Nevýhody používaní etanolu v motorových vozidlech : •
způsobuje rychlejší korozi kovových materiálů a napadá plastické hmoty
•
má horší startovatelnost motoru při nízkých teplotách
•
vozidla mají díky nižší výhřevnosti vyšší spotřebu
■ Metanol často vystupoval pouze jako vedlejší produkt při výrobě dřevěného uhlí a to s velmi malým výtěžkem. V dnešní době je situace jiná, dřevěné uhlí postupně ztratilo na významu a metanol se stal důležitým palivem pro motorová vozidla. Nejvíce metanolu je produkováno v Brazílii, USA a Švédsku. Metanol je čistá látka bez zápachu, která je pro člověka jedovatá a v přírodě se vyskytuje jen ojediněle.
Metanol je možné vyrobit nejen z biomasy, ale i z některých fosilních paliv jako např. zemního plynu nebo uhlí. Metanol lze přivést na vysoce oktanové palivo při relativně nízkých nákladech. Výhodou paliva je, že neobsahuje síru a znečištění ovzduší je velice malé. Z jedné tuny suché biomasy je možné vyrobit 700 litrů metanolu.
Vozidla, která využívají ke svému pohonu metanol se z hlediska výkonu a jiných charakteristik, jako je například dojezd podobají vozidlům spalující benzín. Metanol je možné použít jako čisté palivo nebo jako směs. Při použití ve vznětových motorech je nutno vozidlo vybavit pomocným zapalováním, protože cetanové číslo metanu je nízké. Metanol vyrobený ze dřeva a použitý jako náhrada benzínu se vyznačuje nižšími emisemi všech škodlivin ( v průměru o 20 až 70 %). Metanol má v porovnání s klasickými palivy několik výhod a nevýhod. Výhodou je, že výrobní technologie jsou v praxi odzkoušené, spolehlivé a široce využívané. Metanol je levnější než etanol, s porovnáním s benzínem má i vyšší oktanové číslo (105). Vyšší oktanové číslo umožňuje vyšší kompresy a tím i vyšší účinnost motoru. Další výhodou je, že metanol má vysokou hustotu, nižší teplotu hoření a produkuje méně škodlivin a dá se při požáru uhasit i vodou. Hlavní nevýhodou je toxicita metanolu jak při vdechnutí, tak i při působení na kůži. Způsobuje rychlejší korozi kovových materiálů, negativně ovlivňuje i plastové materiály. Nevýhodou metanolu je také jeho výrobní cena je dvojnásobně vyšší než u běžného benzinu.
2.3.3 Bioplyn Bioplyn se získává kvašením organických látek jako jsou chlévská mrva, prasečí kejda nebo odpady v městských čistírnách. Bioplyn je tvořen směsí plynů: 55 až 75 % metan, 25 až 40% oxid uhličitý a 1 až 3 % dalších plynů (dusík, vodík, sirovodík). Pro pohon motorových vozidel je nutno jej zbavit přebytku nežádoucích příměsí jako je zejména oxid uhličitý a sirovodík, tak aby odpovídal požadavkům na zemní plyn.
Obr. 5 proces výroby bioplynu ve městě
Bioplyn v dopravě nachází nejširší uplatnění v Evropě ve Švédsku, Dánsku, Rakousku, Švýcarsku, Francii a Itálii, mimo Evropu pak v Brazílii, USA, Chile a na Novém Zélandu.
Výhodou bioplynu jsou nižší emise než u benzínu a úspora nákladů a paliva. Nevýhodou je nestabilní produkce plynu.
2.3.4 Emulzní motorová nafta S palivem mají především velké a dobré zkušenosti ve Francii, je emulze obsahující 85 % motorové nafty, 13 % vody a 2 % dalších přísad – především emulgačních činidel, která zajišťují velmi malou velikost kapek rozptýlené vody. Vozidla provozována na běžnou motorovou naftu mohou bez úprav spalovat i Aquazole – emulzi nafty s vodou. Vstřikování emulze motorové nafty s vodou příznivě ovlivňuje průběh spalovacího procesu. Dochází ke snížení kouřivosti motoru a dále dochází k poklesu obsahu oxidů dusíku ve výfukových plynech. Značným problémem je zabezpečení stability vzniklé emulze při dlouhodobém skladování. (Vlk, 2004)
3
PERSPEKTIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY
3.1 Elektrická vozidla s palivovými články Všechna vozidla, ve kterých pracují spalovací motory, zatěžují okolí výfuky a spalují fosilní paliva. Elektrická bateriová vozidla nabízí četné výhody: nezpůsobují lokálně žádné emise, jsou tichá, elektromotor má vysokou účinnost a nepotřebuje převodovku. Jako alternativa zásobníku energie elektrovozidla je vhodný palivový článek. Tahle technika umožňuje výrobu vozidla s nulovými emisemi. Na rozdíl od baterie je palivovému článku stále přiváděn redukční prostředek- palivo a oxidační prostředek kontinuálně zvenčí. Palivový článek dodává v principu neomezeně energii, jeho účinnost je dvojnásobně vyšší než u spalovacího motoru. Palivové články patří mezi zařízení, v nichž na základě elektrochemických procesů dochází k přímé přeměně vnitřní energie paliva na energii elektrickou. Tím jsou podobné článkům primárním či sekundárním (bateriím). Jsou zde ovšem značné rozdíly. Zásadní je ten, že aktivní chemické látky nejsou v případě palivových článků součástí anody a katody, ale jsou k nim průběžně přiváděny zevnějšku. Dalším důležitým údajem je měrný výkon hmotnosti W/ kg nebo objemový W/dm3 a také, že pracovní teplota většiny palivových článků je vyšší než u baterií. Princip činnosti palivového článku je jednoduchý. Na zápornou elektrodu, kterou říkáme palivová (anoda), se přivádí aktivní látka (palivo). Ta zde oxiduje, její atomy se zbavují jednoho nebo několika elektronů z valenční sféry a uvolněné elektrony představují elektrický proud se vnějším obvodem pohybují ke kladné elektrodě (katodě). Na kladnou elektrodu se přivádí okysličovadlo a probíhá redukce, atomy
okysličovadla volné elektrony přijímají, za současné reakce s kladnými ionty, které k ní pronikají elektrolytem. Elektrolyt je elektrický izolátor pečující o to, aby byly vyměňovány elektrony jen přes vnější proudový okruh.
Obr. 6 funkční princip palivového článku s palivem a) vodík, b) methanol
Palivový článek polymer-elektrolyt Elektrolytem je tenká polymerová membrána, ta působí jako elektronový izolátor a současně jako výtečný vodič vodíkových kationtů. Používaným materiálem je polymer na bázi uhlíku a fluoru. Výhodou těchto článků je, že obsahují malé množství volných agresivních roztoků, výroba jednotlivých článků je jednoduchá, články vydrží relativně vysoké tlaky a velké tlakové diference. Proto mají vysoký výkon, kompaktní stavbu a umožňují optimální provoz, mají dlouhou životnost - až 20 000 hodin. Mohou být provozovány při vysokém napětí a zařízení palivových článků lze jednoduše spustit a zastavit.
Přímomethanolový palivový článek U dnešních polymer-elektrolytových palivových článků je na anodu přiveden čistý vodík z nádrže vozidla, nebo je získán reformerem z methanolu. Methanol má oproti vodíku značné výhody: může být ve vozidle zásoben jako kapalina, má vysokou energetickou hustotu a manipulace je technicky jednodušší a bezpečnější než s vodíkem, i když je methanol hodně jedovatý. Jako elektrolytu je použita folie polymeru nebo roztok vody. Alkalický palivový článek V alkalických palivových článcích slouží hydroxid draselný v koncentraci mezi 3 a 50 hmotnostními procenty jako elektrolyt. Jako palivo je použít čistý vodík jako redukční palivo může být použit jen čistý kyslík. Elektrody jsou zpravidla vyrobeny ze spékaného práškového niklu s přísadou uhlíku. Alkalické palivové články jsou nejlépe prozkoumané a nejvíce používané typy. Alkalické články se během osvědčily zejména v zařízeních pro kosmický výzkum, mají energetickou vydatnost a značné množství vody. Nevýhodu jsou pořizovací náklady, v nichž hlavní roli hraje cena elektrod (platina). Palivový článek s kyselinou fosforečnou Palivové články s kyselinou fosforečnou obsahují vysoce koncentrovanou kyselinu fosforečnou, v podobě gelu. Elektrodový katalyzátor se skládá z platiny, na elektrodách probíhá stejná reakce jako u polymer-elektrolytového článku. Pracovní teplota palivového článku kyseliny fosforečné je asi 200 °C. Tepelná ohřívací zařízení na základě palivových článků mají četné výhody: •
dosahují elektrické účinnosti asi 40% při současné termické účinnosti přibližně 49%
•
velmi rychle v několika minutách lze reagovat na změnu výkonu
•
průběh souhlasu pro blokovou elektrárnu s palivovými články je jednoduchý, neboť toto
•
zařízení je menší a výfukové a hlukové emise jsou značně nižší
Palivový článek s roztavenými uhličitany Elektrolytem je směs roztavených uhličitanů v pórovité chemické inertní keramické matrici sestávajícím ze směsi lithia a hliníku. Složení elektrolytu s může měnit, avšak zpravidla obsahuje uhličitan lithny a uhličitan draselný. Za provozu článku je směs uvedených solí roztavena a má velmi vysokou iontovou velikost. Problém palivových článků s roztavenými uhličitany je v tom, že oxid niklu rozpouštěný v elektrolytu s vylučuje v blízkosti anody jako čistý nikl. Proto může dojít k vodivému spojení mezi anodou a katodou. Palivový článek s tuhými oxidy Články s tuhými oxidy využívají keramický elektrolyt s výhodami: nezpůsobuje korozi, bezproblémové zacházení a
neomezuje tvar článku. Elektrolytem bývá
nejčastěji tuhá směs oxidu a tuhá směs oxidů ytria a zirkonu. Palivem jsou obvykle plynné látky získané zpracováním uhlí. Katalyzátor anody je složen z nikl- oxid zinku, katody například lanthan – stroncium – manganitu. Palivový článek zinek – vzduch Obvyklé palivové články zinek – vzduch mají elektrodu pro difůzi vzduchu ( GDE) a zinkovou anodu oddělenou elektrolytem. GDE je propustná membrána, která propouští atmosferický kyslík. Největší výhodou zinko -vzduchové techniky je, že oproti ostatních bateriovým technologiím má vysokou měrnou energii. Základní komponenty palivových článků Základními elementy každého palivového článku jsou dvě elektrody (záporná – anoda, kladná – katoda) a elektrolyt. Jejich struktura zpravidla závisí na použitém palivu popřípadě na vlastnostech okysličovadla. Palivem mohou být plynné, kapalné i tuhé látky. Okysličovadlem mohou rovněž být plyny (kyslík, fluor) a kapalné či tuhé látky (oxid manganičitý). Elektrický výkon palivového článku P je definován jako součin napětí článku U a proudu I. Účinnost palivových článků je úměrná napětí článku.
3.2 Hybridní pohon Hybridní pohon je pohon vozidla s více než jedním poháněcím zdrojem. Nejvýhodnější kombinaci je spalovací motor a elektromotor, který umožňuje městský provoz bez emisí, spalovací motor umožňuje mimo město dobré jízdní výkony a velké dojezdy. Elektromotor pracuje obousměrně, jednak jako motor, kdy převádí elektrickou energii z baterie na energii mechanickou a pak také jako generátor, kdy je mechanická energie transformována zpět na energii elektrickou. Uspořádání hybridních pohonů A) Sériové uspořádání - sériový hybrid má pohon výhradně elektromotorem, jako zdroj energie má také ještě spalovací motor/generátor ve funkci trakčního motoru a také k dobíjení baterie. Jednotlivé poháněné komponenty jsou vzájemně uspořádány za sebou. Spalovací motor může být provozován na velmi úzkém rozsahu otáček, nebo konce při jedněch otáčkách. Baterie je značně menší než u elektrického vozidla na baterii. Pokud baterie nemohou pokrýt potřebu energie je spalovací motor automaticky nastartován.
Obr. 7 sériové uspořádání hybridního pohonu (SM-spalovací motor, G- generátor, B- baterie, M/Gmotor-generátor)
B) Paralelní uspořádání - jeho výhoda je ta, že při provozu se spalovacím motorem nedochází k žádnému zhoršení oproti normálnímu provozu vozidla. Při uspořádání na (obr.7) je pro pohon spalovacím motorem nutný mechanický připojovací prostředek a převodovka. U této varianty postačuje analogicky měnit otáčky elektrického stroje ve vztahu k spalovacímu motoru, to může splnit pouze elektromotor nakrátko se silným budícím pólem.
Maximální otáčky elektromotoru odpovídají maximálním otáčkám spalovacího motoru. Dojezd při pohonu elektromotorem je asi 150 km s omezeným výkonem přibližně 30 kW a asi s osmihodinovou dobou dobíjení.
Obr. 8 paralelní uspořádání hybridního pohonu (SM-spalovací motor, P- převodovka,, B- baterie, M/Gmotor-generátor)
Při srovnání obou systémů hybridních pohonů je paralelní uspořádání vhodnější pro projíždění úseků dráhy bez emisí. Sériový hybrid pak zvyšuje hodnotu typického elektromotoru. C) Kombinovaný hybridní pohon - nevýhody základních koncepcí paralelního a sériového uspořádání vedly k vývoji kombinovaného hybridního systému (obr.9). Kombinovaný hybridní pohon je vybaven spalovacím motorem, elektromotory, komponentami převodů, spojkou, volnoběžkami, brzdami.
Obr. 9 příklad kombinovaného hybridního systému ( 1- generátor, 2-benzínový motor, 3-baterie, 4invertor, 5-elektromotor, 6-hnací ústrojí)
Kritéria hodnocení hybridních systémů Důležití parametry pro posouzení systémů motor/zásobník jsou energetická hustota a výkonová hustota vztažená buď na jednotku hmotnosti nebo jednotku objemu. Energetická hustota Wh/kg je v podstatě kapacita zásobníku. Výkonová hustota W/kg slouží pro posouzení dynamických vlastností vozidla. Dalším kritériem je velikost okamžitého odebíraného a dodávaného výkonu a to především z hlediska životnosti motoru a baterie. Mimo uvedené hlavní požadavky jsou ještě další požadavky na poháněcí systémy a zásobníky energie jako hospodárnost, nízká spotřeba paliva, vysoká životnost, nízké emise výfuku i hluku, spouštění apod. Měniče energie Vozidla s hybridním pohonem používají především elektromotory asynchronní třífázové a stejnosměrné s permanentním buzením. Spalovací motory jsou především používány jako benzínové motory nebo velmi úsporné naftové motory a jsou relativně malé stavby. Mohou být také použity i jiné motory jakou jsou např. motor Stirling nebo plynová turbína. Tyto spalují palivo kontinuálně.
Zásobníky energie Jako zásobník elektrické energie slouží baterie, vysoko energetické kondenzátory a také setrvačník, jehož nahromaděná mechanická energie může být přeměněna pomocí generátoru na elektrickou. Převodovky Převodovka je mechanická část, která mění a přenáší otáčky a točivý moment. Je složena nejméně z jednoho poháněného a jednoho hnaného členu. U většiny hybridních vozidel jsou použity poloautomatické převodovky u nichž je přepínání z elektrického pohonu na pohon spalovacím motorem použito spojky nebo automatického přepínače. Používají se také planetové převodovky a převodovky čelními koly. (Kameš, 2004)
3.3 Vodíkový pohon Energie obsažená ve vodíku může být uvolněna ve dvou formách, buď přímo ve spalovacím motoru, nebo ve formě v palivovém článku přímou přeměnou v elektrický proud. Palivový systém motoru je přizpůsoben pomocí elektrického směšovacího systému, který určuje směšovací poměr vodíku a vzduchu. Spalování probíhá s přebytkem vzduchu. Nízká teplota spalování brání vzniku oxidů dusíku (NOx), které jsou v redukčním katalyzátoru zážehových motorů neutralizovány. Vodíkové motory pracují bez dalších přídavných zařízení prakticky bez emisí a oproti benzínu jsou všechny emisní komponenty sníženy o 99,9%. Druhým systémem využívá akumulátor pro zásobování palubní sítě elektrickou energii. Palivový článek přebírá funkci konvenčního akumulátoru, má výkon 5 kW, účinnost 50% a je neustále v provozu. (Vlk, 2004) Zacházení s vodíkem je problematické a má velké energetické nároky. Při jeho zkapalňování se musí zchladit na teplotu -253 °C. Pro transport a skladování vodíku přichází prakticky v úvahu jenom jeho kapalná forma, nicméně i ta je pro tankování choulostivá, takže musí být prováděno robotem. Bohužel samotná výroba vodíku je náročná na elektrickou energii, ale je možné vyrábět ho v neomezeném množství. K přednostem vodíku patří, že jediným produktem jeho hoření je vodní pára. Konvenční spalovací motor na vodíkovou směs představuje jednu z možných variant pohonných jednotek automobilů budoucnosti. Vyznačuje se zejména sníženou produkcí škodlivých emisí a použitím paliva, které patří mezi obnovitelné zdroje energie. Vodík, jako palivo pro spalovací motor, má zcela unikátní vlastnosti, které se v praxi projevují jak pozitivně tak i negativně. Mezi pozitivní vlastnosti patří fakt, že se jedná o obnovitelný zdroj energie, který nenarušuje životní prostředí (neprodukuje emise CO, HC, CO2). Zápalná směs vodíku a vzduchu vzniká již od 4% objemového podílu H2 a umožňuje provoz s velmi chudou směsí a zcela potlačit emise NOx. Vodík má také oproti ostatním palivům vysokou výhřevnost k jednotce hmotnosti. Objemová je díky 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. (www.periskop.cz)
4
ZÁVĚR Ve své práci jsem chtěl poukázat na to, že je v dnešní době ropa velmi drahá a její
klesající světové zásoby vyvolává časté diskuze o palivu budoucnosti. Stále není úplně jasné, kdy benzin s naftou z trhu definitivně zmizí a zda je nahradí vodík nebo jiné palivo. Motorizovaná doprava – osobní automobily a motocykly, nákladní automobily a autobusy - revolučně změnila život ve dvacátém století v rozvinutých zemích. Dnes jezdí po silnicích světa skoro miliarda motorových vozidel, především automobilů. Všechna tato vozidla spotřebovávají paliva z neobnovitelných zdrojů pocházejících z ropy a způsobují znečištění ovzduší. Existují způsoby jak řešit tento problém např. použití alternativních paliv, které povedou k omezení znečišťování prostředí automobily. V dnešní době, kdy je ale přepravní průmysl hybnou silou ekonomiky je zcela nemožné obejít se úplně bez automobilů. S hospodářským růstem se zvyšuje i potřeba přepravovat zboží a cestující. Vzhledem k vysoké účinnosti je pro těžkou silniční přepravu spalovací motor zatím nejefektivnější variantou a proto je ještě mnoho co zdokonalovat. Chtěl bych, aby moje práce posloužila těm, kteří se zajímají o zmíněné téma a chtějí nahlédnout do problematiky nezastavitelného úbytku ropy a s tím souvisejícím nástupem nových alternativních paliv a pohonů.
5
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
[1] KAMEŠ, J. Alternativní pohony automobilů. 1. vyd. Praha: Nakladatelství BEN, 2004. 223 s. ISBN 80-7300-127-6 [2] VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel: Zemní plyn CNG, ropný plyn LPG, biopaliva, etanol a metanol. elektřina, vodík. 1.vyd. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2004. 233 s. ISBN 80-239-1602-5 [3] HUGHES, J. Velká obrazová všeobecná encyklopedie. 1. vyd. Praha: Nakladatelství Václav Svojtka & Co., 1999. 792 s. ISBN 80-7237-256-4 [4] internetový odkaz www.periskop.cz
6
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 1 Dostupné zdroje energie pro pohonné systémy ……………………………... 8 Obr. 2 Životní cyklus důležitých nosičů energie ……………........……................... 10 Obr. 3 Světové zásoby ropy při dnešní spotřebě (3,5 miliardy t/rok) …………....
11
Obr. 4 Schéma pohonné jednotky s kombinovaným dvoupalivovým řešením …..
12
Obr. 5 Proces výroby bioplynu ve městě …………………………………….…...
27
Obr. 6 Funkční princip palivového článku s palivem a) vodík , b) methanol …….
29
Obr. 7 Sériové uspořádání hybridního pohonu …………………………………..
32
Obr. 8 Paralelní uspořádání hybridního pohonu …………………………………
33
Obr. 9 Příklad kombinovaného hybridního systému …………………………….
33
