Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice II. ročník (obor TŘD), st. skupina 25 Opp Vojtěch, Otmar Milan pracovní skupina 2
Název práce: Slunce a další obnovitelné zdroje energie v dopravě Prohlášení: Prohlašujeme, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali, v práci řádně citujeme.
Anotace: Tato práce se zabývá problematikou slunečních a dalších obnovitelných zdrojů energie v dopravě.
Seznam klíčových slov: Slunce biopaliva Vodík Alkohol elektromobil hybridní automobil
Obsah: 1.
ÚVOD
3
2.
SLUNCE
3
2.1
Základní informace
3
2.2
Využití sluneční energie v dopravě
4
2.3 Přeměna energie 2.3.1 Přímá přeměna 2.3.2 Nepřímá přeměna
5 5 5
2.4
Příklad solárního automobilu
5
3.
MOTOROVÁ BIOPALIVA
6
3.1
Použití biopaliv
6
3.2
Rostlinný olej
7
3.3
Další biopaliva
7
4.
VODÍK
8
4.1
Přednost vodíku a jeho výroba
8
4.2
Výroba,doprava a skladování
8
4.3
Bezpečnostní opatření
9
4.4
Uplatnění vodíkové energetiky
9
5.
ALKOHOLY
10
5.1
Čisté alkoholy
10
5.2
Palivové směsy
11
6.
ELEKTROMOBILY A HYBRIDNÍ POHON
12
6.1
Historie
12
6.2
Princip činnosti
12
6.3 Modely na trhu 6.3.1 Elektromobily 6.3.2 Český elektromobil 6.3.3 Hybridní automobily
13 13 13 14
2
1. Úvod Slunce je vhodným zdrojem energie pro budoucnost. Ale její využívání ve velkém bude vyžadovat i změnu životního stylu. Teď sice můžeme žít v přepychu, ale na úkor naší Země. Denně pálíme další a další tuny fosilních paliv a znečišťujeme tak další a další tuny již tak dost špinavého vzduchu. Země se ale naštěstí sama brání tím, že nám fosilních paliv dala omezené zásoby. A tyto zásoby jsme již téměř vyčerpali. Za krátkou dobu budeme muset přejít na jiné zdroje energie, protože staré budou zcela vyčerpány. V blízké budoucnosti bude muset energetickou spotřebu Země zajišťovat jaderná a sluneční energie. Ale jaderná energie je pořád velkou hrozbou ať už její zastánci říkají cokoliv. A problém jaderného odpadu ještě stále není uspokojivě vyřešen. Proto čím dříve od ní budeme moci upustit, tím lépe. Smířit se s menší spotřebou energie bude pro mnoho lidí těžké, ale bude to asi nevyhnutelné. A o co později s tím začneme, o to vetší to pro nás bude potom šok. Na zemi dopadá 15.-18.000 více energie, než spotřebovává současná civilizace. Předpokládaná doba existence Slunce v jeho současné podobě je 5 miliard let. Mezi sluneční energie počítáme všechny přírodní procesy, jejichž hnací silou je sluneční svit. Důsledným využíváním kombinace všech dostupných metod sluneční energetiky lze zabránit dlouhodobým změnám ekosféry a s nimi spojenému hospodářskému, sociálnímu a politickému chaosu, který bude při vyčerpání fosilně atomových zdrojů prakticky nevyhnutelný.
2. Slunce 2.1 Základní informace Slunce je od Země vzdáleno asi 150 milionů km. Sluneční paprsek urazí tuto vzdálenost za 8 minut a 20 vteřin. V jádru Slunce probíhají termonukleární reakce, při nichž se vodík přeměňuje na helium. Slunce je nejbližší z hvězd k Zemi. Je to vesmírné těleso, které ve svém nitru přeměňuje stovky miliónů tun vodíkových jader (protonů) na jádra helia za vzniku energie. Tento stav již trvá přibližně 5 miliard let a asi stejnou dobu ještě potrvá. Celkový příjem sluneční energie Zemí je za rok 751*1015 kWh, což představuje polovinu miliardtiny celkového výkonu Slunce, z čehož je : 50 % reflektováno zpět mraky 15 % reflektováno zpět povrchem 5,3 % absorbováno půdou 1,7 % ve spotřebováno mořskou florou 0.2 % zemskou vegetací ze zbytku se největší část spotřebuje na výpar vody Střední sluneční konstanta je podle posledních měření ve vesmíru 1353 W/m2 , což reprezentuje 3. ledna (v perihéliu) 1398 W/m2 a 3. července (v apohéliu) 1308 W/m2 fluktuace způsobená eliptičností dráhy je tedy 3,3 %.
3
Spektrální složení slunečního záření
oblast
%
celková energie
ultrafialové světlo
7,82
105,8 W/m2
viditelné světlo
47,33
640,4 W/m2
infračervené záření 44,85
606,8 W/m2
Charakteristika: - největší těleso a střed Sluneční soustavy - obrovská koule, v jejímž nitru probíhají termonukleární reakce - soustřeďuje v sobě většinu (99,78 %) veškeré hmoty soustavy - je jediným významným zdrojem energie v naší Sluneční soustavě - je to běžná hvězda hlavní posloupnosti, spektrálního typu G2 - umožňuje život na Zemi Fyzikální parametry: - průměr Slunce je 1 392 000 km (109x větší než průměr Země) - hmotnost Slunce je 1,987.1030 kg (328 900x hmotnější než Země) - hustota Slunce je 1,41 g.cm-3 (4x nižší než hustota Země) - vizuální hvězdná velikost je -26,74 mag, absolutní hvězdná velikost je 4,77 mag - gravitační zrychlení na povrchu Slunce je 273,98 m.s-2 - teplota ve středu je přibližně 15 milionů K, směrem k povrchu klesá až na asi 5 000 K ve fotosféře. V koróně dosahuje opět několika milionů K. Plazma je ve vyšších vrstvách sluneční atmosféry nesmírně řídká, proto stačí i málo energie k tomu, aby se její teplota hodně zvýšila. - siderická doba rotace kolem své osy je 25,36 dne, doba vztažená k Zemi je 27,3 dne - nachází se v rovině Galaxie ve vzdálenosti asi 8,5 kpc od jejího středu - kolem středu Galaxie obíhá rychlostí přibližně 220 km.s-1 za 2.108 let
2.2 Využití sluneční energie v dopravě Automobily na sluneční pohon převádějí sluneční světlo na elektřinu. Tento druh pohonu má nejmenší šanci na přežití, protože je s ním spojena řada problémů. Převod energie totiž zdaleka není efektivní. Sluneční články zabírají příliš mnoho prostoru, takže pro cestujícího už skoro žádné místo nezbývá. Automobil nemůže být příliš těžký, protože jinak by se nehnul z místa, a tak přímé využití této energie v dopravě je velmi malé.
4
2.3 Přeměna energie 2.3.1 Přímá přem ěna Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu využívá fotovoltaického jevu, který nastává v některých polovodičích (např. křemíku, germaniu aj.). Nejpoužívanější je krystalický křemík buď jako jeden krystal, nebo jako mnoho malých krystalů. Nutno dodat, že zatím je získávání čistého monokrystalu pracné a nákladné.Základní jednotkou výroby elektřiny přímou cestou ze slunce jsou fotovoltaické (solární) články. Jejich propojením a zapouzdřením se vyrobí fotovoltaický panel. Propojením panelů pak vzniká fotovoltaická řada (pole). Solární panely se vyrábějí v několika výkonových řadách od jednotek wattů až po několik stovek wattů. Jmenovité výstupní stejnosměrné napětí bývá nejčastěji 12 V. Výkon dodávaný solárními panely je proměnlivý a odvíjí se od intenzity slunečního svitu. Solární články fungují i při zatažené obloze (díky rozptýlenému světlu), i když jejich výkon je pak výrazně nižší (řádově 10 % maxima). V zimě je množství dopadajícího slunečního světla menší než v létě a stejně tak i množství vyrobené elektřiny. Životnost panelů se udává 20 a více let. NEJVÍCE POUŽÍVANÉ TYPY SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ : 1) MONOKRISTALICKÉ KŘEMÍKOVÉ ČLÁNKY : V součastnosti nejpoužívanější a nepropracovanější . Laboratorně se u nich dá dosáhnout účinnosti až 20 % , v praxi : 14-16 % ( 19 % pro kosmické účely ) . Zvětšení této účinnosti se dosahuje antireflexní vrstvou na přední straně. 2) SOLÁRNÍ ČLÁNKY Z AMORFNÍHO KŘEMÍKU : Jsou značně rozšířeni v oblasti malých výkonů ( kapesní kalkulátory , náramkové hodinky atd. ) . Stupeň účinnosti je laboratorně 10 % a v praxi asi 2-6 % . Protože však stroje jimi napájené mají velmi malý odběr mají tyto články poměrně značnou rezervu ve výkonu . Jejich problémem je dlouhodobá stabilita , která je podstatně menší než u ostatních druhů článků . 3) POLYKRYSTALICKÉ KŘeMÍKOVÉ ČLÁNKY : Jsou to např. články kadmium sulfidové CdS , články GaAs . Jejich technologie výroby není plně zvládnuta a články samotné vykazují účinnost 10 % . 4) ORGANICKÉ : Zatím vývojové stádium. 2.3.2 Nepřímá pře měna Elektřinu lze ze slunečního záření získávat také nepřímo, přes teplo. Termoelektrická přeměna spočívá v tzv. Seebeckově jevu. V obvodu z dvou různých vodičů vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají různou teplotu. Účinnost tohoto zařízení, kterému se říká termoelektrický článek, závisí na rozdílu teplot a na vlastnostech vodičů. Spojením většího množství termoelektrických článků vzniká termoelektrický generátor. Při využití slunečního záření se jeden spoj umístí do ohniska fokusačního sběrače a druhý může být ve vodě nebo v půdě.
2.4 Příklad solárního automobilu Zástupce Hondy ve World Solar Challenge Race, slavném závodě vozidel na solární pohon, vozidlo Dream 2, dosáhlo průměrné rychlosti 89,5 Km/h a k překonání vzdálenosti 3010 Km mu stačilo 33,32 hodin. Posádku mu přitom tvořili dva lidé. Toto vozidlo je poháněno 47 000 solárními články, trup má vyrobeno z kompozitu plastu a uhlíkových vláken a je schopno dosáhnout maximální rychlosti až 139,2 Km/h. Jeho odpružení pomocí dvojitých lichoběžníkových závěsů je technologie, která se již v současnosti používá u vozidel Honda se spalovacím motorem. 5
Konstrukce s důrazem na životní prostředí, u tohoto vozidla překonává technologické výzvy poslední doby a Honda tímto způsobem vyvíjí metody výroby automobilů budoucnosti. The World Solar Challenge Race si dává za cíl inspirovat světové automobilky k vývoji vozidel na alternativní pohon a s důrazem na úsporu energie. Závod se jede ve sluncem vyprahlé centrální Austrálii a účastníci mají minimální rychlostní omezení a jako pohon je povolena pouze solární energie. Jinak je závod regulován jen různými bezpečnostními opatřeními.
3. Motorová biopaliva Celosvětový růst spotřeby energií spojený s postupným vyčerpáváním omezených fosilních zdrojů a se zvyšujícím se skleníkovým efektem patří mezi globální problémy lidské společnosti. Spálením 1 t motorové nafty vzniká 2,8 t emise oxidu uhličitého. Státy Evropské unie produkují ročně 3 300 mil. t tohoto skleníkového plynu. Omezení skleníkového oteplování zeměkoule a zabránění nevratných klimatických změn s katastrofálním účinkem na lidskou společnost je možné jen maximálními energetickými úsporami a využíváním obnovitelných energetických zdrojů. Nejvyšší potenciál z obnovitelných energií má energie z biomasy. V České republice se již využívá jako biopalivo sláma, stromová kůra, dřevní štěpka a z biomasy se vyrábějí brikety a pelety. V současnosti s budováním biotepláren se zakládají plantáže rychle rostoucích dřevin a dalších energetických rostlin. Stávající agrární politika předpokládá, že více než 0,5 mil. ha orné půdy v České republice bude možno využít pro fytoenergetiku. V oblasti fytoenergetiky je významnou oblastí substituce stávajících motorových paliv biopalivy, zejména bionaftou, rostlinnými oleji, bioetanolem, případně upraveným bioplynem nebo dřevoplynem.
3.1 Použití biopaliv Využití rostlinných olejů jako motorového paliva je možné dvojím postupem. První cesta je technologické transformace rostlinného oleje na bionaftu alkylesterizací spojené s odstraněním vysoké viskozity a malé těkavosti rostlinných olejů. Druhou cestou je přizpůsobování motorů pro používání rostlinného oleje. V České republice je zavedena výroba bionafty jako metylesteru řepkového oleje na 14 malých výrobnách s kapacitou 500 - 2000 t a dvou průmyslových výrobnách (30 000 t Milo Olomouc; 12 000 t Mydlovary). Produkovaná bionafta je neomezeně mísitelná s motorovou naftou a palivovou směs bylo možno získat již u řady čerpacích stanic. Bionafta však ztratila své daňové zvýhodnění a cenově se podstatně neliší od motorové nafty. Tato situace je jen dočasná a intenzivně se hledají cesty jak eliminovat přehmat zákonodárců. Řepkový metylester lze bez potíží používat i neředěný motorovou naftou ve veškerých vznětových motorech za předpokladu, že pryžová a plastová těsnění a armatury budou vyměněny za součástky odolné k působení metylesteru. Zároveň může dojít ke snížení viskozity motorového oleje, který je třeba měnit v kratších intervalech. Nové sériové modely osobních automobilů ze SRN se vznětovými motory jsou již upraveny a povoleny pro využití bionafty. Bionafta je doporučena v nových sériích stavebních a technických strojů, v zemědělských traktorech a samochodných strojích. Energetická a ekonomická efektivnost výroby bionafty souvisí s efektivním krmivářským využitím řepkových pokrutin a s recyklací odpadů z výroby bionafty, kterým je směs glycerínu a metylalkoholu.
6
Druhá cesta, t.j. přizpůsobení motoru rostlinnému oleji je lákavá pro farmáře i dopravce s ohledem na zabezpečení částečné energetické soběstačnosti. Technické řešení je možné ve více variantách. Původní dieselův motor vynalezený v roce 1895 byl konstruován na podzemnicový olej, jeho dlouhodobý další vývoj byl však spojen s motorovou naftou. Pro využití čistého rostlinného paliva se hledají vhodná konstrukční řešení. Start a zahřátí motoru je nezbytné provádět vždy motorovou naftou.
3.2 Rostlinný olej V roce 1989 představila německá firma Eicher zemědělcům traktor s tříválcovým motorem o výkonu 80 kW na řepkový olej. Jde o tzv. vířivý motor, ve kterém je do vzduchu vířícího v šroubovici v kulovém vybrání pístu vstřikováno samočisticí čepovou tryskou palivo. Firma Motorenfabrik Manheim upravuje motory na řepkový olej zařazením předkomůrky. Nevýhodou předkomůrkových nebo vířivých motorů je vyšší spotřeba a to až o 15%. Firma Heizomat Hilpolstein (SRN) optimalizuje Elsbettův motor s přímým vstřikováním se samočisticími kuželovými vstřikovacími tryskami a s použitím vyšších vstřikovacích tlaků. Tento motor se odlišuje zvláštním přívodem vzduchu, umožňujícím dosáhnout horkého spalovacího centra a studeného obalu ve válci, a proto je tento motor též nazýván "duotherm". Firma nabízí speciální přestavbové sady. Přestavba je však finančně náročná na jeden válec činí náklady cca 3000 DM a další náklady na kompletaci celého motoru 5000 DM. Německé firmy DMS Schönebeck a TMW Nordhausen vyrábějí stabilní motory používající jako palivo libovolný surový rostlinný olej. Tyto motory v agregaci s generátorem elektrického proudu jsou používány v blokových kotelnách a odpadní teplo se využívá k ohřevu vody. Toto zařízení je např. instalováno poblíž českých hranic v bioteplárně rakouské obce Kautzen a provozovatelem je sdružení farmářů, kteří dodávají olejnatá semena a odebírají pro krmivářské účely kvalitní pokrutiny po lisování za studena. K získávání oleje jsou v zahraničí nabízeny malé kontinuálně a pomalu pracující šnekové lisy s velkými šneky a podélně uspořádanými pruhovými síty. Tyto lisy s výkonností 10 - 100 kg/hod jsou nastavitelné pro zpracování jednotlivých druhů semen na požadovaný stupeň lisování a jsou opatřeny různými filtrovacími systémy. Vzhledem k nižší výtěžnosti ve srovnání s průmyslovými lisovnami je možno při lisování řepkového semene získat 70% hmotnosti pokrutin s krmnou hodnotou sójového šrotu. Z českých firem nabízí odpovídající lisovací zařízení např. firma Farmet v České Skalici. Z ekologického hlediska jsou biopaliva na bázi rostlinných olejů z řady aspektů výhodnější než motorová nafta. Bioenergetické výstupy biopaliva z řepkového oleje jsou minimálně 2,5krát vyšší než ostatní vstupy energií (včetně pěstování). Konkurence biopaliv vůči motorové naftě závisí na daňovém zatížení. Rostlinné oleje ve světových cenách jsou totiž 3krát dražší než motorová nafta.
3.3 Další biopaliva Biopalivo, které se v současné době v ČR začíná provozovat je bioetanol vyráběný buď z obilnin nebo z cukrovky. Jeho hlavní uplatnění bude jako aditivum v benzinové směsi Natural, kde nahradí stávající aditivum na bázi metylalkoholu připraveného z fosilních zdrojů. V některých státech se připravují palivové směsi až s 20% přídavku bioetanolu. Uplatnění bioplynu jako motorového paliva není novou záležitostí. Již před 20 lety byl komprimovaný bioplyn získávaný v čistírnách odpadních vod využíván pro pohon nákladních automobilů v "Severočeských vodovodech a kanalizacích". S výstavbou nových bioplynových stanic na zpracování bioodpadu bude využití bioplynu jako motorového paliva
7
obnoveno. Biologickým zpracováním např. 10 kg kuchyňských odpadů získáme 1 m3 čistého bioplynu, což je palivo pro 10 km jízdy osobního automobilu. Motorová biopaliva jsou nejen ekologická, nenavyšují skleníkový efekt a neprodukují zdravotně škodlivé emise, ale rovněž vytvářejí možnost provozování motorových agregátů a automobilů po vyčerpání fosilních paliv.
4. Vodík
4.1 Přednost vodíku a jeho výroba Zásoby vodíku ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na jednotku hmotnosti) a dá se transportovat i skladovat. Z hlediska ochrany životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny. Problémem zůstávají oxidy dusíku vznikající ve spalovacím prostoru vodíkového motoru. Jejich množství závisí na přebytku kyslíku, teplotě, tlaku a době zdržení spalin při vysokých teplotách ve spalovacím prostoru. Co se týče exhalací oxidu uhličitého a uhlíkatých sloučenin z vodíkového motoru, ukázaly analýzy, že jsou minimálně o tři řády nižší než u stejně silného motoru spalujícího benzin, naftu či zemní plyn. Všechny exhalace ve vodíkovém motoru přitom pocházejí z tepelného rozkladu motorových olejů ulpívajících na stěnách válců, popřípadě mazacích a těsnicích turbinových olejů. Nelze však opomenout, že z charakteru hoření, které je u vodíku výrazně rychlejší, vyplývá poměrně vysoká, dle provozních podmínek motoru až o řád vyšší koncentrace nenasycených uhlovodíků (zejména benzenu) ve spalinách. V průmyslovém měřítku se vodík vyrábí jednak petrochemickými procesy včetně zplyňování uhlí (90 % produkce), jednak elektrolýzou vody. Krom toho je významným vedlejším produktem nebo součástí plynů odcházejících z rafinerií, koksáren a elektrochemických výrob na bázi vodných roztoků anorganických kyselin nebo solí. Se zplyňováním uhlí se samozřejmě nepočítá (zásoby budou vyčerpány). Za perspektivní postupy se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování biomasy, jmenovitě biomasy odpadní.
4.2 Výroba,doprava a skladování Velkovýrobny vodíku budou vázány na zdroje energie tepelné (jaderné), elektrické (vodní) nebo solární. Ty nebudou rozmístěny rovnoměrně, proto se bude uvažovat o dálkovém transportu, možná i transoceánském a transkontinentálním, přičemž druhý by mohl navazovat na první - zkapalněný vodík lze přepravovat buď v kontejnerech, nebo v říčních tankových lodích. Kontejnerová přeprava bude zřejmě efektivnější, neboť nebude vázána jen na splavné řeky, bude se kombinovat s železniční a silniční dopravou. Přepravní kontejnery umožní i skladování, resp. vyrovnání bilančních výkyvů mezi výrobou, dopravou a spotřebou. Jejich nevýhodou zůstane výbušnost směsi vodíku se vzduchem, tedy riziko výbuchu při netěsnostech systému a při dopravních nehodách. Vedle dálkového transportu zkapalněného vodíku se jistě uplatní potrubní rozvod plynného vodíku, tak jak je to běžné u zemního plynu. Lze očekávat zachování principu rozvodu vodíku
8
vysoko-, středo- a nízkotlakými plynovody. Tím bude zajištěna dosažitelnost vodíku jako nosiče energie jak pro velké, tak pro menší odběratele.
4.3 Bezpečnostní opatření Výbušnost směsi vodíku se vzduchem vyžaduje přísná bezpečnostní opatření ve všech prostorách, kde se s vodíkem manipuluje, zejména pak v těch uzavřených. Bezpečnostní pravidla (přísnější než pravidla pro manipulaci s benzinem a naftou) se budou vztahovat i na prostory pro řidiče a pasažéry dopravních prostředků poháněných vodíkovými motory. Nízká hustota vodíku oproti vzduchu vyvolává intenzivní promíchávání směsi plynů, a tím rychlý vznik velkého objemu výbušné směsi v širokém rozmezí koncentrací. Lidskými smysly nelze únik vodíku do atmosféry poznat (ani při použití odorizačních prostředků). Bude nevyhnutelné používat detektory hořlavých plynů, které jsou schopny registrovat již 10 % dolní meze výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Mohou být připojeny na optickou a akustickou signalizaci, popřípadě mohou blokovat chod zařízení pracujících s vodíkem (motory, kompresory, čerpadla a zkapalňovací stanice, odpařovače) nebo startovat havarijní ventilaci ohrožených prostor. Významný nástup vodíku jako nosiče energie - paliva - lze proto očekávat až v "postropném věku".
4.4 Uplatnění vodíkové energetiky Po přechodnou dobu může vodíku jako nosiči energie konkurovat metanol, biopaliva z obnovitelných zdrojů a plynná paliva, především zemní plyn a bioplyny. S rostoucím nedostatkem uhlíkatých surovin a důrazem na produkci potravin bude jejich význam klesat. Využití vodíku jako paliva bude zajímavé pro proudové letecké motory. Ty mají měrnou spotřebu paliva na tunokilometr nebo osobokilometr nejvyšší (přibližně třikrát až pětkrát vyšší proti např. silničním motorovým vozidlům) a jejich relativní podíl na ceně přepravy je vysoký. Odhaduje se, že do r. 2030 vzroste cena jejich současného paliva (kerosinu) zhruba pětkrát. Proto se v posledních deseti letech známé letecké konstruktérské firmy (Tupolev, Daimler-Benz Aerospace, Dornier, Airbus Aerospace aj.) a firmy se zkušenostmi v kryogenní technice (např. Linde A. G.) zabývají vývojem motorů, palivových nádrží a letounů poháněných vodíkem. Již r. 1988 se zkoušel vodíkový tryskový motor na dopravním letounu TU-154 (vzlétl pod typovým označením TU-155). Výhodou spalovacích turbín a jimi poháněných turbodmychadlových leteckých motorů je jejich poměrně jednoduchá adaptace na vodík. Spočívá hlavně v úpravě počtu směšovacích trysek nebo zkrácení spalovacích komor pro vyšší rychlost hoření vodíku a nutnost jeho dokonalého směšování se spalovacím vzduchem. Větším problémem je konstrukce a umístění palivových nádrží, jejichž provozní teplota musí být -250 °C při provozním tlaku 1,2 MPa. Proto nemohou být v křídlech jako dosud, bude se muset změnit konstrukce letadel. Navíc se palivové systémy musí doplnit o tepelné výměníky - výparníky pro zplynění kapalného vodíku, čímž se patrně (dle dosavadních technologických znalostí) sníží nosnost nebo dolet letadel. Složitá bude též konstrukce pístových zážehových spalovacích motorů na vodík, konkrétně zajištění optimálních podmínek hoření při tak mimořádné rychlosti hoření a výbušnosti směsi vodíku se vzduchem v koncentrací od 4 do 74 objemových procent. Bude se muset upravit systém směšování paliva se vzduchem a časování zážehu. Již dnes výrobci motorů vyvíjejí vodíkové čtyřtaktní pístové spalovací motory. BMW zkouší vodíkový motor v modelu 735 a Hyundai Motor Company zkouší šestnáctiventilový čtyřválcový vodíkový motor 2,0 DOHC.
9
5. Alkoholy Alkoholy byly používány jako palivo již v počátcích motorismu. Velmi často byly alternativou běžných paliv v dobách nejistoty spojených s válkami nebo v dobách ekonomické deprese. V současné době nabývají na významu s hlediska ochrany životního prostředí, kde alkoholy nabízejí široké možnosti použití, zejména jako paliva pro dopravní prostředky. Oba nejčastěji používané alkoholy etanol a metanol mají jako motorová paliva výhody, ale i nevýhody. Jsou výhodné pro použití v zážehových motorech,po provedení určitých úprav je lze používat i v motorech dieselových. Specifickou vlastností alkoholů, která z nich dělá vhodné palivo pro zážehové motory, je jejich vysoké oktanové číslo. Oktanové číslo charakterizuje sklon paliva k samovznícení při vysokých tlacích a teplotách. V zážehových motorech dochází k iniciaci hoření směsi paliva se vzduchem za definovaných podmínek a je způsobeno elektrickou jiskrou. Vysoké oktanové číslo v praxi znamená, že ke spálení paliva dojde při vyšším kompresním tlaku. To vede k efektivnějšímu využití paliva a tedy i k jeho menší spotřebě. Na palivo pro dieselové motory jsou kladeny opačné nároky. Dieselové palivo se musí ochotně samo vzněcovat. Palivo je v dieselovém motoru vstřikováno v okamžiku, kdy teplota a tlak ve válci jsou vysoké. Od paliva se požaduje, aby po vstříknutí do válce co nejrychleji shořelo. Mírou schopnosti paliva k samovznícení je cetanové číslo. Čím vyšší je cetanové číslo, tím ochotněji se palivo samo vzněcuje. Normální dieselové paliva mají cetanové číslo kolem 50 jednotek, kdežto cetanové číslo metanolu a etanolu je pouze 5-8 jednotek. Za účelem zvýšení cetanového čísla alkoholu se přidává aditivum označované jako „ignition improve“. Z hlediska bezpečnosti práce je etanol méně nebezpečný než nafta a benzín. Etanol má nízkou toxicitu a je relativní neškodný v přiměřených dávkách. Je rozpustný ve vodě a přírodní bakterie jej rychle rozkládají na CO2 a vodu. K vyloučení záměny s potravinářským alkoholem musí být palivový etanol denaturován přidáním látek se specifickou chutí či vůní. Naproti tomu metanol je vysoce toxický a manipulace s ním podléhá přísným předpisům. Již množství metanolu menší než 15 ml může způsobit oslepnutí nebo i smrt. Vzhledem k toxicitě může jeho rozlití nebo únik způsobit vážné ekologické problémy. Z hlediska hořlavosti jsou etanol a metanol, stejně jako benzin, klasifikovány ve třídě 1, naproti tomu nafta je ve 3. třídě hořlavosti. Tomu musí odpovídat vybavení na skladování a přepravu. Alkoholy mají nízkou zápalnou teplotu hoří slabě svítivým plamenem. Jejich hašení je však nepoměrně snazší než hašení benzinu nebo nafty.
5.1 Čisté alkoholy Aby automobily se zážehovými motory mohly používat jako hlavní součást paliva etanol, musí se jednat o etanol bezvodý. Ten je pak možné mísit s benzinem, jehož přítomnost usnadňuje vznícení paliva za nízkých teplot. V zásadě přichází v úvahu dva různé typy vozidel. Vozidla vybavená motory seřízenými na spalování přesně definovaných směsí etanolu s benzinem jsou ve velkém rozsahu používány v Brazílii a USA. Obsah benzinu v těchto palivech se pohybuje od 5 % do 22 %.Další možností je využití vozidel, jejichž motory jsou schopny spalovat směsná paliva s obsahem benzinu od 15 % do 100 % a s obsahem etanolu od 0 % do 85 %. Vozidla označovaná jako FFV (Fuel Flexible Vehicles)
10
jsou vybavena čidlem, které po každém natankování provede analýzu paliva v nádrži, a elektronickou řídící jednotkou,která podle výsledku analýzy provede nastavení provozních charakteristik motoru. Zlevnění výroby čidel složení paliva a elektronických řídících jednotek v poslední době umožnilo vyrábět a prodávat osobní automobily v provedení FFV za stejné ceny jako automobily na klasický benzin. Například firma Ford prodá v letošním roce na švédském trhu 4000 osobních automobilů Focus FFV za cenu dokonce nižší, než je cena benzinové verze. FFV vozidla jsou velmi vhodná pro uvedení etanolových paliv na trh. Vzhledem k jejich palivové flexibilitě je lze normálně používat i v situaci, kdy pro etanolová paliva ještě není vytvořena odpovídající distribuční síť čerpacích stanic. Pro těžká vozidla používající většinou dieselové motory jsou již v tomto okamžiku k dispozici technická řešení umožňující používat etanol jako palivo nebo používat směsné palivo etanol-nafta. V tomto případě se do paliva přidává látka upravující teplotu vznícení paliva. V Japonsku jsou vyvíjeny vznětové motory používající jako palivo etanol, vybavené speciálními svíčkami.
5.2 Palivové směsy K rychlejšímu zavedení etanolu jako paliva pro motorová vozidla ve velkém měřítku může být použito mísení malých množství etanolu s benzinem, případně s naftou. Pro výrobu některých druhů paliv lze použít etanol s obsahem vody až 12 %, pro některé je nutno použít etanol bezvodý. Do současných benzínů se přidávají látky zvyšující obsah kyslíku v palivu a tedy oktanové číslo, tzv. Oxygenanty. Těmto benzínům říkáme reformulované. V souladu s doporučeními Rady EU by celkový obsah kyslíku v reformulovaných benzinech neměl být vyšší než 2,3 % hmotnostní (to odpovídá 5,5 % objemovým etanolu nebo 13 % objemovým ETBE). Důvodem tohoto omezení je, že u motoru starších automobilů dochází při vyšším obsahu kyslíku v palivu ke zvýšení obsahu oxidů dusíku ve výfukových plynech. Moderní motory již disponují větší flexibilitou vůči palivům a jsou schopny spalovat směsi s obsahem etanolu 15-20 % bez negativních dopadů na složení výfukových plynů. Takovými motory jsou vybaveny prakticky všechny v současné době vyráběné automobily. 18 Protože směsi etanolu a nafty nelze normálně smísit na stabilní produkt, přidává se emulzifikátor umožňující vyrobit homogenní emulzi (s obsahem etanolu 15-20 % objemových). V poslední době byly vyvinuty přípravky umožňující výrobu směsí nafty s bezvodým etanolem ve formě tzv. pravých roztoků. Známé je použití etanolu jako paliva pro turbíny i jeho spalování za účelem výroby tepla. Energetický obsah etanolu na jednotku hmotnosti je o 1/3 nižší než energetický obsah benzinu. Vzhledem k lepším podmínkám hoření směsi benzinu s etanolem ve válci zážehového motoru je však spotřeba směsného paliva (20 % etanolu) stejná jako při provozu na samotný benzin. Vysoké oktanové číslo etanolu dává možnost při konstrukci zážehového motoru zvyšovat kompresní poměr a dosahovat tak vyšší termodynamické účinnosti a tím nižší spotřeby paliva. Etanol ve směsi s motorovou naftou podstatným způsobem zlepšuje průběh hoření paliva ve válci dieselova motoru a zvyšuje termodynamickou účinnost. Nízké výparné teplo etanolu způsobí, že v okamžiku vstřiku paliva do válce kapičky etanolu explodují a jemně rozptýlí naftu, která pak
11
rychle a beze zbytku prohoří. To má za následek nejen zvýšení účinnosti motoru, ale i snížení emisí škodlivin (zejména nejnebezpečnějších pevných částic) ve výfukových plynech.
6. Elektromobily a hybridní pohon Elektromobil je poháněn elektrickým motorem. Ten je připojen k akumulátorům, které je třeba po každých 150 kilometrech dobít. Malý dosah je také největší slabinou elektromobilu. Dobíjení baterií trvá také příliš dlouho: od tří do patnácti hodin. Po čtyřech letech provozu je nutno akumulátory vyměnit, tedy lépe řečeno vyhodit. To ovšem životnímu prostředí nijak neprospěje. Kromě této nevýhody s sebou musí elektromobil vozit mrtvou váhu o velikosti 600 kg. Velkou výhodou elektromobilu je to, že příliš neznečišťuje vzduch. Kromě toho je také velmi tichý. Ve srovnání s běžnými auty jsou ovšem elektromobily dosti drahé, což je také dáno tím, že se dosud nevyrábějí sériově. Elektromobil nemá větší příkon než domácí lednička. Také náklady na údržbu jsou nižší, protože elektromobil má méně pohyblivých součástí. Naproti tomu výměna akumulátorů každé čtyři roky je příliš drahá. Ve snaze vyřešit problém omezeného dosahu může být elektromobil vybaven elektrickým motorem a spalovacím generátorem (hybridní elektromobil). Na malé vzdálenosti a v nenáročném terénu jezdí vůz na elektřinu. Spalovací motor se použije teprve v náročném terénu a na větší dálky. Tím se výkon a dosah spojují s efektivitou, šetrností k životnímu prostředí, nehlučností a nízkými náklady. Hybridní vůz by se tedy v budoucnu mohl stát velmi kvalitní alternativou. Spotřeba paliva u tohoto vozu je v městském provozu jedna třetina spotřeby běžného auta.
6.1 Historie Na přelomu minulého a tohoto století se zdálo, že elektromobil má před sebou skvělou kariéru. Akumulátorový vůz zkonstruovaný Belgičanem Camillem Jenatzym jako vůbec první překonal hranici 100 km/h. Roku 1905 se Francouz Kriéger proslavil jízdou z Paříže do Toulouse bez nutnosti dobíjení akumulátoru. Ještě roku 1900 se v USA vyrábělo víc elektromobilů než vozů se spalovacím pohonem. Pak ale benzinové automobily rychle vyspěly, zatímco nedostatky elektromobilů se nedařilo odstranit. Zůstaly dodnes: malá kapacita akumulátorů, velká hmotnost, vysoká cena. Jenže brzké vyčerpání klasických zdrojů a katastrofální stav životního prostředí si změnu pohonu dříve nebo později vynutí. "Bude to možná trvat 15 či 20 let, ale jednou bude výroba i provoz elektromobilů levnější a benzinová auta z trhu zmizí," řekl už před čtyřmi lety Howard Wilson, zástupce americké automobilky General Motors. Současně přitom naznačil, že nemusí jít jen o klasický elektromobil, ale také (nebo především) o tzv. automobil s hybridním pohonem. Americké automobilky to mají o to snazší, že pracují v rámci vládního projektu Partnerství pro vývoj nové generace automobilů. Neméně se ale snaží i další světové značky, především Toyota, Audi a Volvo.
6.2 Princip činnosti Hybridní pohon automobilu se ze všeho nejvíc podobá pohonu klasických dieselelektrických ponorek. Také zde je kombinace spalovací motor elektromotor akumulátory. Rozdíl je jen v tom, že u automobilu se elektrický pohon samozřejmě nezapíná pod hladinou, ale obvykle při cestě městem, při pomalé jízdě nebo couvání. Spalovací motor naproti tomu především dobíjí baterie a vypomáhá při akceleraci nebo při velmi rychlé jízdě. Přechod mezi provozními režimy hlídá složitá elektronika, takže řidič ani nemusí poznat, že kola jeho vozu právě
12
přestaly pohánět elektromotory (obvykle vestavěné přímo v nich) a jejich práci převzal spalovací motor. Hybridní pohon má nepřehlédnutelné výhody. Spalovací motor především trvale pracuje v optimálním režimu bez velkých změn otáček, takže má mnohem nižší spotřebu paliva i emise škodlivých zplodin. Například sériově vyráběná hybridní Toyota Prius s obsahem motoru 1,5 litru spotřebuje jen 3,6 l/100 km při polovině emisí CO2 a desetině emisí dalších škodlivých látek ve srovnání s vozy téže kategorie. Projevuje se také to, že pohon hybridního vozu přebírají elektromotory hlavně při nízkých rychlostech, kdy spalovací motor pracuje neefektivně. Sníží se nejen spotřeba, ale i emise škodlivin. Na rozdíl od "čistého" elektromobilu má hybridní vůz menší a lehčí baterie a lepší jízdní vlastnosti. Přitom řidič nepotřebuje žádné zvláštní dobíjecí zařízení čerpá palivo u pumpy tak jako každý jiný řidič. Zpočátku se hybridní automobily objevovaly pouze jako futuristické projekty určené pro předvádění na autosalonech. Rozhodující mezník však představovalo až uvedení těchto vozů na běžný trh.
6.3 Modely na trhu 6.3.1 Elektromobi ly Nový elektromobil Toyota RAV4EV patří k nejmodernějším na světě, je jedním z těch, jež se začnou už velmi brzo, byť v omezeném rozsahu, vyrábět sériově. Jde o poslední model ze série více než 10 elektromobilů, které Toyota vyvinula od konce 60. let, kdy se začala systematicky zabývat vývojem této technologie. RAV4EV představuje poslední stupeň vývoje elektromobilů a technologií s tím souvisejících včetně akumulátoru NiMH (nickel-metal hybride - hybrid na bázi nikl - kov) vyrobeného ve spolupráci s firmou Matsushita Battery Industrial Co (známé spíš pod značkou Panasonic). Tomuto typu se podařilo postoupit zase o krok dále při řešení hlavního problému konvenčních akumulátorů - jejich velké hmotnosti a omezené kapacitě. Akumulátor NiMH je zhruba o 10 % lehčí než konvenční olověné, nabízí delší životnost a co je nejdůležitější - je schopen uchovat 1,5násobek množství energie. Souprava 24 NiMH akumulátorů (každý 12 V, 95 Ah) má celkem 450 kg a vydrží třikrát déle než olověné. RAV4EV je s nimi schopen dávat max.výkon 45 kW, max. točivý moment 165 Nm, dosahovat maximální rychlosti 125 km.h-1 a v městském provozu ujet na jedno nabití až 200 km. Nabíjení soupravy akumulátorů z běžné sítě 200 V pomocí vestavěné nabíječky trvá 10 h ze stavu úplného vybití do stavu plné kapacity. Vestavěné časové spínací zařízení umožňuje naprogramovat, od kdy do kdy se budou akumulátory nabíjet a využít tak např. levnějšího nočního proudu. I když RAV4EV dosud nemůže díky omezenému dojezdu konkurovat běžným automobilům - a navíc cena špičkového NiMH akumulátoru je značně vysoká - představuje RAV4EV významný krok při vývoji skutečného silničního elektromobilu, o který začnou mít zákazníci zájem. 6.3.2 Český elektr omobil V současné době přichází na náš trh novinka z oblasti elektromobilů jejímž výrobcem je Škoda ELCAR s.r.o., dceřinná společnost Škoda a.s. Plzeň. Vozidla na elektrický pohon s označením Beta EL jsou určena pro dodávkové služby v centrech měst, lázeňských oblastech, přírodních parcích a všech ostatních místech, kde je znečištění ovzduší výfukovými plyny závažným problémem. Jde o ekologické řešení pro všechny, kteří ve výše uvedených oblastech provozují svá vozidla: pošty, telekomunikace, komunální služby, elektrárenské společnosti, drobné podnikatele a mnohé další. Ve snaze vyjít vstříc potřebám zákazníků jsou nabízeny čtyři různé modely, jejichž odlišnost spočívá v rozdílné konfiguraci trakční baterie. Čím více energie se dá do baterií uložit, tím větší je dojezd vozidla, ale tím je také baterie těžší a užitečná hmotnost klesá. 13
Vozidlo je dvousedadlová dodávka, vyrobená netradiční technologií. Pod plastovou karoserií se skrývá pevný, ale lehký prostorový rám z ocelových profilů. Rámová konstrukce zaručuje vysokou míru bezpečnosti, přední deformační zóna je originálním technickým řešením. Ovládání vozidla je velmi jednoduché a uživatelsky příjemné. Pro přidání rychlosti stačí sešlápnout plynový pedál, jakmile je pedál uvolněn zpět do horní polohy, elektromotor přechází do režimu brzdění a navrací tak část energie zpět do baterie. Není třeba ani spojka ani řazení, stačí pouze zvolit směr jízdy vpřed/vzad. Zabudovaným tempomatem řízeným mikroprocesorem je možno udržovat konstantní rychlost vozidla, což je výhodné například pro dodržování předepsané rychlosti a pro optimalizaci spotřeby energie. Výkon a zrychlení tohoto elektromobilu ho staví na úroveň automobilů se spalovacím motorem. Elektromobil je vybaven nikl-kadmiovými bateriemi Saft s vysokým výkonem a nízkými nároky na údržbu. Životnost baterií je 1500 nabíjecích cyklů a údržba je zjednodušena díky centrálnímu dolévání destilované vody. Při nabíjení palubním nabíječem z normální domovní zásuvky 220 V/16 A trvá nabíjení úplně vybité baterie 10 hodin. Druhým způsobem je nabíjení u nabíjecí stanice, 75% energie je možné nabít za 30 minut. Elektromobil je vybaven asynchronním motorem o výkonu 40 kW a dosahuje rychlosti 100 km/h. Cena základní verze je cca 259 000 Kč bez DPH. Dojezd vozidla se pohybuje od 70 km u modelu s maximálním zatížením 420 kg, do 115 km při zatížení 310 kg. V současné době navázala Škoda Elcar s.r.o. spolupráci s americkou firmou Battery Automated Transportation International v oblasti technologie snížení spotřeby pohonných jednotek pro elektromobily, která umožňuje na jedno nabití dojezd až 480 km. 6.3.3 Hybridní au tomobily Již od roku 1998 lze v Japonsku koupit za 2,15 milionu jenů (přibližně 590 000 Kč) zmíněný čtyřdveřový sedan Toyota Prius. V roce 2000 automobilka přišla s velkoprostorovým modelem (van) HV-M4. Zážehový motor o objemu 2,4 litru dodává energii dvěma elektromotorům, z nichž každý pohání jednu nápravu. V bateriích se akumuluje nejen elektřina z generátoru, ale i energie brždění. V Evropě se problematice hybridního pohonu věnuje zejména Audi. Za přibližně 60 000 marek prodává typ Duo se spalovacím motorem o obsahu 1,9 litru. Ten může pracovat nejen na naftu, ale i na řepkovou bionaftu a další alternativní paliva. Vůz má jen jeden elektromotor o výkonu 21 kW. Se spalovacím motorem dosáhne maximální rychlost 170 km/h, s elektrickým motorem 80 km/h. Zejména v městském provozu je úspora paliva nezanedbatelná, představuje přibližně třetinu běžné spotřeby v těchto podmínkách. Dalším hybridním vozem, který se usilovně testuje je Citroen Xsara Dynactive. Při testování se Xsara Dynactive vyrovná v jízdních vlastnostech obdobnému vozu s klasickým pohonem. V nižších rychlostech po městě, pokud se příliš neakceleruje, vystačí s přehledem s elektrickým motorem, ve vyšších rychlostech se přidává benzinový motor o objemu 1,4 l. Displej na palubní desce přitom ukazuje, kolik který motor dodává energie. Kromě toho má automatická převodovka čistě elektrickou variantu, s níž vydrží vůz jezdit po městě 20 kilometrů. Citroen uvádí maximální rychlost Xsary Dynactive 170 kilometrů za hodinu, rychlosti 100 km/h dosáhne za 12,6 sekundy, spotřebu 5,2 litru na 100 km a emise 124 gramů oxidu uhličitého na jeden kilometr. Prius dosahuje maxima 160 km/h, zrychlení na 100 km za 13,4 sekundy, spotřebu 5,1 litru a emise CO2 109 gramů/km. Hybridní vozy představují v současnosti asi nejschůdnější cestu, jak ušetřit palivo i životní prostředí. Nelze však přehlédnout, že i ony spalují neobnovitelné zdroje krizi tedy neřeší, ale pouze oddalují. Jejich rostoucí obliba však může nastavit čas, který se rychle krátí.
14
Použité informační zdroje: 1. Balák, R., Prokeš, K. Nové zdroje energie. Praha: SNTL, 1984. 208 s. ISBN 04-326-84 2. Lidové Noviny 10.10.2000 Možnost duálního pohonu ohromila Evropu 3. Lidové Noviny 18.03.2000 Benzinu začala pomáhat elektřina 4. www.fzu.cz 5. www.eurosolar.cz 6. www.vurv.cz 7. http://autocentrum.sk 8. www.techtydenik.cz 9. www.svn.cz 10. http://cde.ecn.cz/brozury/obnovzdr.htm
15