Josef Kame
ALTERNATIVNÍ POHON AUTOMOBILÙ
2004
Josef Kame
ALTERNATIVNÍ POHON AUTOMOBILÙ Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vekerá práva vyhrazena. © Josef Kame 2004 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Josef Kame: Alternativní pohon automobilù BEN technická literatura, Praha 2004 1. vydání ISBN 80-7300-127-6
OBSAH 1 MOBILITA 21. STOLETÍ .............................................. 9 1.1
ivotní prostøedí ......................................................................... 10
1.2
Omezené zdroje energie ............................................................ 11
1.3
Budoucnost ropy ........................................................................ 14
1.4
kodlivé emise ........................................................................... 15
1.5
Program Kalifornie: Zero-Emission-Vehicle (ZEV) ..................... 17
1.6 Ratifikace protokolu Kyoto je nejistá .......................................... 18 1.7
Evropský program ochrany klimatu ............................................ 19
1.8
Správná opatøení optimalizace pohonù ................................... 21
2 VOZIDLA S MODIFIKOVANÝMI SPALOVACÍMI MOTORY ........................................................................ 23 2.1
Biogenní paliva ........................................................................... 23
2.2
Zemní plyn ................................................................................. 25
2.2.1 Osobní a lehká nákladní vozidla ...................................................... 30 2.2.2 Nákladní vozidla a autobusy ............................................................ 32
2.3
Vodíkový motor .......................................................................... 35
Souhrn ................................................................................................. 35
3 ELEKTRICKÁ VOZIDLA NA BATERII...................... 37 3.1
Elektromotor ............................................................................... 37
3.1.1 Stejnosmìrný motor s cizím buzením .............................................. 38
A
JOSEF
KAME:
ALTERNATIVNÍ
POHOH AUTOMOBILU
3
3.1.2 Asynchronní motor ........................................................................... 40 3.1.3 Transversální motor ........................................................................ 42 3.1.4 Øízený reluktanèní motor ................................................................. 42 3.1.5 Stejnosmìrný motor bez kartáèù ..................................................... 44
3.2
Bateriové systémy a energetické zásobníky .............................. 46
Základy ................................................................................................ 48 3.2.1 Olovìný akumulátor ......................................................................... 48 3.2.2 Baterie nikl-kadmium ........................................................................ 50 3.2.3 Baterie nikl-metalhydridová .............................................................. 51 3.2.4 Baterie lithium iontová ...................................................................... 52 3.2.5 Baterie vysokoteplotní ...................................................................... 52
Souhrn ................................................................................................. 55
4 VOZIDLA S HYBRIDNÍM POHONEM....................... 57 4.1
Poadavky na pohonné komponenty hybridních vozidel ........... 57
4.2
Sériové uspoøádání .................................................................... 60
4.3
Paralelní uspoøádání .................................................................. 61
4.4
Kritéria hodnocení hybridních systémù ...................................... 64
4.5
Mìnièe energie ........................................................................... 66
4.6
Zásobníky energie ...................................................................... 66
4.6.1 Baterie .............................................................................................. 67 4.6.2 Vysoko energetické kondenzátory ................................................... 67 4.6.3 Mechanický akumulátor energie ...................................................... 68
4.7
Pøevodovky ................................................................................ 73
Souhrn ................................................................................................. 73
4
JOSEF
KAME:
ALTERNATIVNÍ
POHOH AUTOMOBILU
A
5 ELEKTRICKÁ VOZIDLA S PALIVOVÝMI ÈLÁNKY 77 5.1
Stavba a funkèní princip palivového èlánku ............................... 78
5.1.1 Palivový èlánek polymer-elektrolyt ................................................... 81 5.1.2 Pøímometanolový palivový èlánek .................................................... 84 5.1.3 Alkalický palivový èlánek .................................................................. 87 5.1.4 Palivový èlánek s kyselinou fosforeènou .......................................... 89 5.1.5 Palivový èlánek s roztavenými uhlièitany ......................................... 90 5.1.6 Palivový èlánek s tuhými oxidy ......................................................... 92 5.1.7 Regenerativní palivový èlánek ......................................................... 93 5.1.8 Palivový èlánek zinek-vzduch .......................................................... 93
5.2
Základní komponenty palivových èlánkù ................................... 94
5.2.1 Polymerová membrána .................................................................... 96 5.2.2 Elektrody a katalyzátory ................................................................... 97 5.2.3 Bipolární desky ................................................................................. 98
5.3
Výkon palivového èlánku ........................................................... 99
5.4
Reakèní entalpie a potenciál èlánku......................................... 100
5.5
Úèinnost ................................................................................... 101
5.6
Zásobníky paliva ...................................................................... 103
5.6.1 Tlakový zásobník ........................................................................... 104 5.6.2 Zásobník tekutého vodíku .............................................................. 104 5.6.3 Zásobník metalhydridu ................................................................... 106 5.6.4 Zásobník metanolu ......................................................................... 107 5.6.5 Porovnání rùzných druhù zásobníkù ............................................. 108 5.6.6 Ztráta energie a energetická bilance .............................................. 109
5.7
Technika systémù..................................................................... 109
5.7.1 Zásobení èistým vodíkem a kyslíkem ze vzduchu ......................... 110 5.7.2 Výroba vodíku z uhlovodíkù ............................................................ 111 5.7.3 Reformace ...................................................................................... 112
A
JOSEF
KAME:
ALTERNATIVNÍ
POHOH AUTOMOBILU
5
5.7.4 Pøedèitìní plynu ............................................................................ 115 5.7.5 Jemné èitìní plynu ....................................................................... 115 5.7.6 Zpìtné vedení paliva ...................................................................... 118 5.7.7 Tepelný management ..................................................................... 118 5.7.8 Obìhy vody .................................................................................... 119 5.7.9 Úprava proudu ................................................................................ 120 5.7.10Odezva systému palivového èlánku ............................................... 121
Souhrn ............................................................................................... 123
6 ZÍSKÁVÁNÍ A UITÍ PALIV PRO PALIVOVÉ ÈLÁNKY 127 6.1
Výroba paliva ........................................................................... 127
6.1.1 Benzín a nafta ................................................................................ 127 6.1.2 Metanol ........................................................................................... 128 6.1.3 Plynný a kapalný vodík .................................................................. 130 6.1.4 Solárnì termická výroba vodíku ..................................................... 131
6.2
Distribuce paliva ....................................................................... 135
6.2.1 Termodynamická úèinnost .............................................................. 136 6.2.2 Úèinnost výroby paliva ................................................................... 136 6.2.3 Úèinnost distribuce paliva ............................................................. 137 6.2.4 Úèinnost vyuití paliva .................................................................... 138 6.2.5 Úèinnost celkového energetického øetìzce ................................... 138 6.2.6 kodlivé emise ............................................................................... 139 6.2.6.1 Oxidy uhlíku .......................................................................... 140 6.2.6.2 Oxidy dusíku ......................................................................... 141 6.2.6.3 Jedovaté a karcinogenní látky .............................................. 141 6.2.6.4 Hluènost ............................................................................... 143
Souhrn ............................................................................................... 143
7 TRH VOZIDEL NA PALIVOVÉ ÈLÁNKY ................ 145 7.1
6
Kooperace výzkumu a spoleèenský zájem .............................. 145 JOSEF
KAME:
ALTERNATIVNÍ
POHOH AUTOMOBILU
A
7.2
Strategie výrobcù automobilù ................................................... 145
7.3
Výstavba infrastruktury zásobování palivem ............................ 146
7.4
Dopravnì hospodáøská energetická strategie ......................... 147
7.5
Kalifornia Fuel Cell Partnership ............................................... 148
7.6
Strategie odbytu ....................................................................... 149
7.7
Vývoj ceny ................................................................................ 150
7.8
Scénáø prosazení na trh ........................................................... 151
Souhrn ............................................................................................... 152
8 KONCEPÈNÍ VOZIDLA ALTERNATIVNÍCH POHONÙ 155 8.1
Osobní vozidla ......................................................................... 155
8.1.1 Honda ............................................................................................. 155 8.1.2 Toyota koncepèní vozidlo s hybridním pohonem ........................ 156 8.1.3 DaimlerChrysler ............................................................................. 158 8.1.4 B M W ............................................................................................. 162 8.1.5 Ford Focus FCV ............................................................................. 165 8.1.6 Volkswagen .................................................................................... 167 8.1.7 Mazda ............................................................................................. 170 8.1.8 Peugeot .......................................................................................... 171 8.1.9 Opel a General Motor ..................................................................... 174
8.2
Uitková vozidla ....................................................................... 176
8.2.1 DaimlerChrysler NEBUS ................................................................ 176 8.2.2 DaimlerChrysler CITARO ............................................................... 177 8.2.3 DaimlerChrysler MB Sprinter ......................................................... 178 8.2.4 Scania ............................................................................................ 178 8.2.5 Toyota ............................................................................................. 179
Souhrn ............................................................................................... 179
A
JOSEF
KAME:
ALTERNATIVNÍ
POHOH AUTOMOBILU
7
9 SEZNAM STUDIÍ A PROTOTYPÙ AUTOMOBILÙ SVÌTOVÝCH VÝROBCÙ S POHONEM PALIVOVÝMI ÈLÁNKY ....................................................................... 181 9.1
Osobní automobily ................................................................... 181
9.2
Autobusy .................................................................................. 190
10 PARNÍ MOTOR ....................................................... 195 10.1 Úvod ......................................................................................... 195 10.2 Popis motoru ............................................................................ 197 10.3 Dosaené výsledky .................................................................. 199 Souhrn ............................................................................................... 202
11 LITERATURA .......................................................... 204 Internetové stránky ............................................................................ 206
12 ODBORNÉ POJMY A ZKRATKY ........................... 207 REJSTØÍK .................................................................... 209
8
JOSEF
KAME:
ALTERNATIVNÍ
POHOH AUTOMOBILU
A
