RACIONÁLIS ENERGIAFELHASZNÁLÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG
3.8
Járművek alternatív hajtásainak hatásfoka Tárgyszavak: járműhajtás; villamos motor; tüzelőanyag-elem; hatásfok.
A közlekedés káros emisszióit az elmúlt, kb. 15 év műszaki újításai (főleg katalizátorok és jobb minőségű üzemanyagok) lényegesen csökkentették, miközben a járművek üzemanyag-fogyasztásának szerény csökkentését bőven túlkompenzálta a közlekedés növekedő sűrűsége. Ez az irányzat minden prognózis szerint folytatódni fog. Az üvegházhatás miatt legnagyobb gondot okozó CO2-emisszió hosszú távon csak megújuló energiabázison csökkenthető. Megújuló forrásokból azonban egyelőre csak drágán – de korlátozottan is – nyerhetők akár fűtő-, ill. üzemanyagok, akár villamos energia. Az energiát jó hatásfokkal hasznosító járművek tervezése ezért sürgető feladat, amellyel tudományos műhelyek, autógyártók és kormányok egyaránt intenzíven foglalkoznak. A különféle hajtású járművek összehasonlításának legalkalmasabb mértéke a hatásfok, amely számításba vesz minden energiafogyasztást „a tengelytől a kerékig”. A svédországi Lund egyetemének kutatói erre alapozták a gépjárműhajtás ma ismert legígéretesebb alternatíváinak, energiaátalakító módszereknek a tanulmányozását és értékelését. Vizsgálati módszerek A vizsgált villamos hajtású járműtípusok – akkumulátoros járművek (battery-powered electric vehicle, BEV), – a hibrid járművek (hibrid electric vehicle, HEV) belső égésű motorral (internal combustion engine, ICE) és – tüzelőanyag-elemes járművek (fuel-cell vehide, FCEV). Az összes primerenergia-hatékonyságot három energiahordozóra, ill. forrásra számították ki: ásványi fűtő (üzem) anyagokra, biomasszára és szél-, nap- vagy vízenergiából termelt primer villamos energiára. Ehhez külön definiálták a hajtás (h), a jármű (j) és a primerenergia-átvitel (p) hatékonyságát, a hatásfokot:
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
3
ηh = WA/WB ηj = WA/WC ηp = WA/WD, ahol WD = primer energia WC = a járműbe táplált energia, WB = a hajtásra jutó energia, WA = a kerekeknél hasznosuló energia (1. ábra).
energiarendszer jármű WD
Wc
veszteségek a fűtőanyag termelése és eloszlása nyomán
hajtás
WB veszteségek fűtés, üresjárat stb. által a regeneratív fékezés haszna
WA
ellenállási súrlódási és hőveszteség
1. ábra A primerenergia-hatásfok, a jármű és hajtás hatásfokának definíciója Az egyes értékek közül a jármű hatásfokának kiszámításához a hajtásét korrigálni kell egyfelől a gépkocsi belső fűtésére felhasznált, másfelől az üresjáratokkal és a regeneráló fékezésekkel megtakarított energiával. A primerenergia-hatásfok magába foglalja a kitermeléshez az átalakításhoz, elosztáshoz és tároláshoz szükséges energiát. A számításban nem vették figyelembe a gyárakba, építményekbe és magukba a járművekbe beépült, 7–8%-ot kitevő energiát, amely azonban a jövő alternatív járművei esetében elérheti a 14 és 18% közötti arányt is. Hagyományos és alternatív járműtechnológiák A gépjárművek hagyományos hajtóegysége üzemanyagtartályból, belső égésű motorból és erőátviteli rendszerből (transzmisszió) áll. A belső égésű motorra jellemző, hogy maximális hatásfokát legnagyobb terhelésénél éri el, ami normális körülmények között ritkán következik be, így az átlagos hatásfok kicsi. Az USA vizsgálati előírásában megkívánt teljesítmény egyrészt <10 kW, másrészt 60–90 kW – a jármű méretétől függően. A motor átlagos hatásfoka a régebbieknél 18%, a legmodernebbekben 35–40%. 4
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
Villamos hajtású járművek Az akkumulátoros, a hibrid és a tüzelőanyag-elemes járművek hajtóegységének részei: generátor (áramfejlesztő), villanymotor és az erőátviteli rendszer. Az akkumulátornak a kőolajszármazékokéhoz képest kis energiatároló képessége az ez irányú fejlesztés korlátozó tényezője. Az elfogadható érték legalább 30 kWh, de a tényleges elterjedés feltétele szakértő szerint 150 Wh/kg. A mai ólom/sav (Pb/A), nikkel/fémhidrid- (Ni/MA-) és lítium- (Li-) akkumulátorok 80-100 Wh/kg-ot tárolnak, közülük csak az utóbbi lítium polimerváltozatával van remény hosszabb távon a 150 Wh/kg-os cél elérésére. Egyelőre az új típusok ára is akadály, hiszen – a Ni/MH 200-350 USD/kWh-ba (a 30 kWh-s egység tehát 6000-10600 USD-be), – az ehhez képest olcsó Pb/A-akkumulátor kevesebb, mint 150 USD/kWhba kerül, – a lítium/polimer-típusról feltételezik, hogy idővel megközelíti ezt az árszintet. A fejlesztés és az árverseny mai állapotában középtávon a régen bevált ólomakkumulátor bíztat a legtöbb sikerrel. Az elmúlt 20 év alatt lényegesen javult mind a villanymotorok, mind a generátorok normális közlekedési körülményekre érvényes hatásfoka. Jelenleg egyetlen fordulatszám-csökkentő elég egy fejlett szabályozással rendelkező villanymotor teljesítmény- és sebességkövetelményeinek összehangolásához. A villamos hajtás lehetséges hatásfoka 65% és 78% között változik (1. táblázat) a jelenlegiek csak az 57%-ot érik el. Javulásra van kilátás korszerűbb motorokkal, generátorokkal és szabályozással. 1. táblázat Villamos hajtással elérhető hatásfokok, % Járműfajták
Generátor Akkumulátor
Motor és szabályozó rendszer
Transzmisszió
Összesen (közelítőleg)
BEV mai Ni/MH-akkumulátor
85
80
86
98
57
BEV, a jövő Ni/MH-akkumulátora
92
81
89
98
65
HEV, mai Pb/A-akkumulátor
92
90
89
98
72
BEV/HEV a jövő Li-akkumulátora
92
95
89
98
76
A hibridhajtás a villanymotort és az akkumulátort kombinálja belső égésű motorral és üzemanyagtartállyal. A hagyományos primer motor feladata feltölteni az akkumulátort vagy átvenni a hajtást, ha kimerült. A két hajtás kapcsolható sorba vagy párhuzamosan. Soros kapcsolásban az egész energia áthaBME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
5
lad a villamos hajtáson, a párhuzamos elrendezésben egy része a mechanikai átvételen. A mai hibrid járművek e két kapcsolási módot is kombinálják. A mai hibrid járművekbe (pl. Toyota Prius, Honda Insight) belső égésű, négyütemű, közvetlen üzemanyag-befecskendezésű motor van beépítve, a jövő típusa pedig a kompresszió gyújtású, közvetlen befecskendezésű vagy a mai és a fenti új kombinációja. A tüzelőanyag-elemes technika közlekedési célokra jelenleg áll fejlesztés alatt. Az elem legígéretesebb, mivel legjobb hatásfokú változata protoncserélő membránnal működik. A tüzelőanyag-elemekhez a járműben hidrogént kell tárolni cseppfolyósítva, nano méretű rostokba ágyazva (még a kezdeti kutatás stádiumában), fémhidrid vagy sűrített gáz formájában. A cseppfolyósítás rendkívül energiaigényes, ezzel szemben a gáz 70– 90%-os energiahasznosítással lehet 350 bar nyomásra sűríteni. További megoldás a hidrogén bevitele az elembe ún. hordozó közegben, pl. metanolban vagy ásványolajban. A tüzelőanyag-elemek hatásfoka a maximális terhelésnek 25–50%-a, így a hagyományos hajtással képzett hibrid előnye a már említettekkel szemben csak az, hogy üresjáratban az elem által termelt energiát lehet használni és regeneráló fékezést lehet alkalmazni. Különféle hajtások hatásfoka A vizsgált rendszerek közül a villamos hajtású járművek hatásfoka a legnagyobb (2. táblázat). A hatásfok meghatározásához figyelembe kell venni a fékezés, az üresjárat és a fűtés energiaszükségletét is (3. táblázat). A jármű és a hajtórendszer hatásfoka között kicsi a különbség, de megfigyelhető a villamos hajtású járművekben a hagyományosakhoz képest még kisebb eredmény érhető el. 2. táblázat Az egyes hajtások hatásfoka, % A hajtás hatásfoka
Villamos hajtás akkumulátorral Hibridjármű, párhuzamos ua. soros kapcsolással Tüzelőanyag-elemes hajtás – metanollal* – hidrogénnel Hagyományos hajtás, fejlesztve ua. mai formájában
Primer motor
Öt sebességfokozatú váltás
Villamos hajtás
Teljes hatásfok
– 36 40
– 92 –
65 68 72
65 30 29
40 47 24 18
– – 92 92
72 72 – –
29 34 22 16
*) A metanol mint fűtőanyag közvetlen használata még a fejlesztés igen korai szakaszában van.
6
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
3. táblázat A jármű hatásfoka mint a keréknél felhasznált energia elosztva az összes betáplált energiával Jármű
A kerekeknél
Hajtáson kívül
Hajtásra
Külön terÜresÖsz- Hatáshelésekre** járatban szes fok, %
felhasznált energia BEV
100
95
146
17
0
163
61
HEV, párhuzamos
100
95
327
14
0
340
29
HEV, soros
100
95
327
14
0
340
29
FCEV, metanol
100
95
327
14
0
340
29
FCEV, hidrogén
100
95
279
14
0
293
34
ICEV, továbbfejlesztett
100
100
452
10
27
489
20
ICEV, jelenlegi
100
100
625
10
75
700
14
*) Regeneratív fékezéssel a kerekeknél 5% energia takarítható meg, ami egyenértékű 25% fékezési energia visszanyerésével. **) A kerekeknél felhasznált energia 10%-ára becsülhető, de HEV és FCEV esetében fűtési hőveszteséggel is számolni kell.
A primerenergia-felhasználás szempontjából összehasonlítva a vizsgált alternatívák közül a földgázalapú árammal hajtott akkumulátoros járművek (BEV) állnak az első helyen (4. táblázat), és előnyüket növeli az energiahordozó csekély C:H-arányával járó mérsékelt CO2-kibocsátás (szénerőművekben termelt áram esetén ez az előny elvész). A továbbfejlesztett hagyományos motorral működő hibridek energiahatékonysága kétszerese a mai járművekének. 4. táblázat Villamos hajtású járművek hatásfoka ásványi eredetű áram esetén Jármű
Primerenergia
Energiahordozó
Primerenergiaátalakítás
Elosztás, %
BEV
szén
villamosság
40
93
61
23
BEV
földgáz
villamosság
55
93
61
31
HEV, párhuzamos
kőolaj
dízel
95,3
99,8
30
28
HEV, soros
kőolaj
dízel
95,3
99,8
29
28
FCEV
földgáz
hidrogén (350 bar)
85
86
34
25
FCEV
földgáz
metanol
72
99,6
29
21
ICEV, fejlesztett
kőolaj
benzin
91,5
99,8
20
19
ICEV, jelenlegi
kőolaj
benzin
91,5
99,8
14
13
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
A jármű Eredő hatásfoka, hatásfok, % %
7
A CO2-emisszió visszaszorítására a biomassza energetikai hasznosítása ad módot. A BEV e téren is vezet, és e típus kapcsolása biomasszából nyert primer energiával, a jármű jó hatékonyságán kívül azért is látszik hasznosnak, mert ugyanebből az alapanyagból gáznemű üzemanyagok viszonylag kis hatásfokkal állíthatók elő (5. táblázat). 5. táblázat Primerenergia-hatásfok biomasszával mint energiaforrással Jármű
Primerenergia
Energiahordozó
Primerenergiaátalakítás
EloszA jármű Primertás, % hatásfoka, energia % hatásfok, %
BEV
biomassza villamosság
45
93
61
25
HEV, párhuzamos
biomassza
metanol
63
99,6
30
19
HEV, soros
biomassza
metanol
69
99,6
29
18
FCEV
biomassza
hidrogén, 350 bar
63
86
34
20
FCEV
biomassza
metanol
63
99,6
29
18
ICEV, fejlesztett
biomassza
metanol
63
99,6
22
14
ICEV, jelenlegi
biomassza
metanol
63
99,6
15
10
A közölt eredmények a járműhajtások, ill. az erőátviteli rendszerek komponenseinek energiahatékonyságára vonatkozó feltevéseken alapulnak, szükségszerű bizonytalansággal terheltek, tehát indokolt a bizonytalansági határok, az ún. legrosszabb és legjobb esetnek megfelelő értékek megadása (2. ábra). Ezekből fontos következtetéseket lehet levonni: – a bizonytalanság nem változtat azon a tényen, hogy a belső égésű motorral hajtott járművek (ICEV) hatásfoknövelési potenciálja a legkisebb, – az akkumulátoros villamos hajtásúak hatásfoka a legnagyobb, függetlenül a komponensek fejlődésére vonatkozó ésszerű feltevésektől, – ezzel szemben az alternatív és a hagyományos hajtás közötti különbség kisebb lehet, ha a villamos hajtás kevésbé hatékonynak bizonyul a feltételezettnél, – a HEV-ek és a FCEV-ek közötti különbség is változhat a különböző feltevésekkel. Az energiafelhasználás csökkentéseinek egyéb lehetőségei a jövő járműveiben Az energiamegtakarítási technikákon kívül a járművek hatásfokát, ezáltal az energiafogyasztását más tényezők is befolyásolják. Az energiafelhasználás szorosan összefügg a jármű sebességével: – a gördülési ellenállás arányos a sebességgel, 8
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
– a kinetikai energia a sebesség négyzetével és – a légellenállás pedig a sebesség köbével változik. 35 30 25 "legrosszabb" eset feltételezhető legjobb eset
20 15 10 5 0 jármű belső égésű motorral
hibridmotoros jármű
jármű tüzelőanyagelemes motorral
jármű akkumulátorral és villamos motorral
2. ábra A primerenergia-hatásfok javítására irányuló fejlesztés bizonytalanságai (biomassza mint energiaforrás alapján) E három összefüggés azt jelenti, hogy a sebesség 1%-os csökkentése elméletileg 1,98%-kal csökkenti a hajtási energiaigényt (6. táblázat). 6. táblázat A járművek energiafelhasználását befolyásoló tényezők hatása Az útterhelési tényezők hatása az energiafogyasztásra
A sebesség
A tömeg
A gördülési együttható
A légellenállási együttható
1%-os csökkenése Gördülési ellenállás Légellenállás Kinetikai energia (fékezés) Összes útteher (elméleti)
1%-os 1%-os nincs 2,97%-os 1%-os 1,98%-os 1,98%-os 0,66%-os
1%-os nincs nincs 0,33%-os
nincs 1%-os nincs 0,33%-os
Az útterhelések rövid távú javítási lehetőségével számolva a jelenlegi belső égésű motorral működő gépkocsik összes terhelését 36%-kal (a villanymotorosokét 22%-kal (BEV), ill. 29%-kal (HEV) lehet csökkenteni (7. táblázat) – az utazási komfort és egyéb „extrák” mellett.
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
9
7. táblázat Útterhelések ma és az elérhető javítások Energiafogyasztás tényezői Tömeg – BEV – FCEV – HEV – ICEV Gördülési ellenállás Légellenállás Összes úttehercsökkenés – BEV – FCEV – HEV – ICEV
Jelenleg
Középtávon elérhető
Potenciális változás, %
Az útterhelés lehetséges csökkentése, %
1300 kg 1200 kg 1150 kg 1000 kg 0,008 0,3
–7% –14% –18% –29% –27% –25%
–5% –9% –12% –19% –8,9% –8,25%
1400
0,011 0,4
–22% –26% –29% –36%
*) A csökkentést korlátozza az autó külső megjelenése (a „design”)
Az összes primerenergia-felhasználás csökkentésének lehetőségei A hatásfok javításából és az útterhelés csökkentéséből eredő összes primerenergia-fogyasztás %-os csökkentési potenciálja: ∆WT = (100 – ∆WRL) x ηc/ηh ∆WRL – az útterhelés-csökkentési potenciál, % ηc – a mai hagyományos járművek hatásfoka, ηh – az alternatív hajtású járművek hatásfoka. A kétoldalú javítási lehetőségek kihasználása megengedné, hogy a jövő gépkocsijai a jelenleg futó hagyományos autók fogyasztásának ásványi eredetű primer energiájából kevesebb mint a felével közlekedjenek, azaz: – a BEV-nél 38%-kal, – a HEV-nél 37%-kal, – az FCEV-nél 40%-kal, – az ICEV-nél 45%-kal. Egy az OECD és az IEA (Nemzetközi Energiaügynökség) által támogatott tanulmány megvalósíthatónak tartja, hogy mind a benzinnel vagy metanollal hajtott tüzelőanyag-elemes, mind a hibrid gépkocsikban a hatásfok további javításával az üzemanyag-fogyasztást csökkentsék a hagyományos közúti közlekedés mai átlagának 33–34%-ára (szigorúan a járműméret és a vezetői utazókényelem fenntartásával). Tanulságok és kilátások Az alternatív gépjárműhajtás reális jelöltje a villamos motor, de a versenyképes és az iparszerűen gyártott autók megjelenésére legalább 10, de lehet, hogy 20 évet várni kell. Ma még egyetlen akkumulátor sem éri el az USA és Európa illetékes testületei által kijelölt célokat a fajlagos energiafo10
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
gyasztásra, a fajlagos teljesítményre és költségre vonatkozóan, holott ezektől függ a BEV típusú járművek megjelenése a piacon. A Ni/MH akkumulátorok 81%-os hatásfoka igen jó, viszont fajlagos energiájuk (80–100 Wh/kg) túl kicsi. A lítium–polimer akkumulátorokra közölt 95%os hatásfok és 150 Wh/kg-os fajlagos energia nehezen realizálhatónak tűnik, bár az elektromos járművek 1999. évi pekingi szimpóziumán a kanadai 3 M/Hydro-Quebec-cég bemutatta a termék prototípusát. Valószínű, hogy a lítium/polimer-akkumulátorok fejlesztésétől függ, hogy versenyképessé válhat-e a BEV-típus. Angol szerzők 1998-ban megjelent könyvében közölt véleménye szerint a Li-polimer-akkumulátor eredendő jellemzője a kis fajlagos teljesítmény, ezt viszont más szakemberek cáfolták az említett szimpóziumon azt állítva, hogy ez a típus a jövő versenyképes alternatívájává teheti a hibrid járműveket. A belső égésű motorok 43%-os hatásfoka műszakilag elérhető. Ami azonban a továbbfejlesztett HEV-típussal szembe állítja őket, az az NOx-, szénhidrogén- és porkibocsátás. A nagyobb kompresszióaránnyal elérhető jobb hatásfok egyben a szilárd részecskék emissziójának fokozott veszélyével jár együtt. A tüzelőanyag-elemes motorral hajtott gépkocsik (FCEV) fejlesztése hosszabb időt vetít előre. A mai típus sorozatgyártása megkezdődhet ugyan kb. 2004-től, de a fejlettebb FCEV-ekére legfeljebb 2010-től van kilátás. Intenzív fejlesztő munkát igényel ugyanis a fajlagos gyártási költség leszállítása a versenyképes 47 USD/kW-ra, ugyanakkor a hatásfok megnövelése szükséges a gazdasági számításokban használt 55%-os maximumra és 47%-os átlagra. Mivel ez utóbbihoz nem vezet más út, csak a platinakatalizátor mennyiségének növelése, ezt a költségnövekedést az elem optimálásával kell kiegyenlíteni. A hidrogénhez mint üzemanyaghoz gondoskodni kell merőben új tankolási és tárolási infrastruktúráról. Ez utóbbi nehézségei miatt a gyártók előnyben részesítik reformüzemanyagként a metanolt. Az összehasonlító vizsgálat tanulságait tömörítve megállapítható, hogy – a primer energia átalakításának hatásfoka az akkumulátoros járműveknek a hibridekkel és a fűtőanyagelemekkel szembeni csekély előnyére utal, de a becslések és a prognózisok bizonytalansága kiegyenlíti ezt a kis különbséget, amennyiben ásványi eredetű vagy biomassza az energiabázis, – amennyiben az energiahordozó megújuló primer villamosság (pl. napfényelemből), akkor az akkumulátoros járművek primerenergiahatékonysága felülmúlja a tüzelőanyag-elemmel és a víz elektrolíziséből nyert hidrogénnel mint üzemanyaggal működőkét. (Dr. Boros Tiborné) Åhman, M.: Primary energy efficiency of alternative powertrains in vehicles. = Energy, 26. k. 11. sz. 2001. p. 973–989. BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
11
12
BME–OMIKK – Energiaellátás… 2002/3.
