VODÍK – ALTERNATIVNÍ PALIVO PRO MOTOROVÁ VOZIDLA 1
2
Jan Macek , Michal Takáts , Fakulta strojní ČVUT v Praze Souhrn Vývoj trvale udržitelných zdrojů energie pro dopravní prostředky vyžaduje komplexní posouzení celé problematiky jejich získávání a transformace z primárních zdrojů přese zdroj trakční energie ve vozidle až na trakční výkon vozidla s uvážením reálných podmínek jeho provozu. Toto posouzení musí zahrnout ovlivnění životního prostředí výrobou, přenosem i transformačními procesy, účinnost celého procesu, jeho cenu a pořizovací náklady dopravních prostředků i potřebné infrastruktury z hlediska investičních prostředků. Příspěvek se zabývá shrnutím dosud známých údajů o alternativních palivech mobilních agregátů a speciálně budoucím využitím vodíku jako nosiče energie pro ně, založené na výsledcích vlastního výzkumu i na literárních údajích. Na příkladu je demonstrován odhad celkových dopadů zavedení alternativního paliva se zdůrazněním metodiky potřebné pro obdobná posuzování.
HYDROGEN – ALTERNATIVE FUEL FOR MOTOR VEHICLES Abstract Development of energy sources suitable for vehicles requires a comprehensive assessment of environmental and economical impacts concerning the whole chain of energy transformation from primary sources to tractive power under realistic operation conditions. It must involve their efficiencies and investment demands both for vehicle powerplants and infrastructure. The contribution summarizes general results of new vehicle powerplant assessment analysis. It concerns especially specific results from hydrogen engine research. The assessment must involve both material and energy demands and emitted chemical species and energies (noise, waste heat,…) during all phases of vehicle manufacture, production of tractive energy source (i.e. fuel in an appropriate container, charged electrochemical accumulator, etc.), operation, maintenance and recycling/disposal. The special care should be devoted to feed-backs of vehicle mass to the movement resistance, taking into account hybrid prime mover/accumulator powerplants. Electric power transfer is expected to be most prospective one, being able to use fuel cell technology in the future. All effects must be related to required vehicle output in payload*distance traveled for the whole technical life of a vehicle. The demands for fuel conversion into a form suitable for vehicle use are not negligible in cases of gases (compression, liquefaction), especially at low density fuels like hydrogen. Typically, it ranges from 5 to 40% of fuel chemical energy. Another loss of efficiency is caused by conversion of fuel to the form of more suitable composition using a part of its chemical energy for this conversion. Typically, hydrogen produced from hydrocarbons loses from 40 to 60% of fuel chemical energy. Similar results occur during water electrolysis. Results of dedicated hydrogen engine with direct fuel injection (blowing-in) are presented comparing simulation and results concerning NOx formation, knocking and turbocharging. Lean mixture burning combined with turbocharging and high compression ratio hydrogen engine seems to be the most prospective way for ULEV powerplant.
1
Prof. ing. Jan Macek, DrSc., FS ČVUT Ú220.1, Technická 4, 166 07 Praha 6; tel. +420 2 2435 2504, fax +420 2 2435 2500, e-mail
[email protected] 2 Doc. Ing. Michal Takáts, CSc., FS ČVUT Ú220.1, Technická 4, 166 07 Praha 6; tel. +420-2-20395127, fax +420 2 2435 2500, e-mail
[email protected]
eko-dop-pap.doc
Str. 1/13
27.07.01
A) Úvod Rozporuplná otázka nutnosti existence dopravních prostředků pro další rozvoj lidstva z hlediska trvale udržitelné mobility je předmětem diskusí na nejrůznějších úrovních. Automobilnímu průmyslu nezbývá, než reagovat na stále rostoucí protichůdné požadavky týkající se užitné hodnoty vozidla z hlediska individua (výkonnost, účinnost, nízká cena, spolehlivost,…) a celé společnosti (emise, hluk, spotřeba cenných fosilních paliv, odpady při výrobě i během technického života,…). Po technické stránce představuje proto dnešní automobil kombinaci všech moderních špičkových tendencí v inženýrství, které v mnoha případech do strojírenství právě automobilní průmysl vnesl. Bez uplatnění nestrojařských oblastí by byl moderní automobil neuskutečnitelný. Běžnou skutečností se stává využití mikroelektroniky pro řízení agregátů vozidla samotného i jeho řízeného zapojení do dopravního proudu (např. vhodnými informacemi pro řidiče), využití výkonových elektrotechnických prvků v pohonech jak trakčních, tak pomocných, hledání nových transformátorů chemické energie na energii mechanickou (palivové články), uplatňují se mezioborové discipliny, jako průmyslové návrhářství a řeší se interakce člověk – stroj v biomechanické a ergonomické oblasti. V tomto smyslu představuje výzkum a vývoj v automobilovém průmyslu opravdu interdisciplinární typ činnosti. Tyto tendence jsou ještě výrazněji posunuty ve prospěch kritérií životního prostředí, pokud se jedná o dopravu ve městech se značnou koncentrací těchto dopravních prostředků. Smyslem tohoto příspěvku je poukázat na problematiku využití alternativního paliva - vodíku z hlediska racionálně uvažujícího inženýra plnícího společenskou objednávku. Uvedené úvahy nemohou být sice prozatím zakončeny jednoznačnými kvantifikovatelnými výstupy, ale jejich formulace pomůže v tomto úsilí při dalším vývoji silničních dopravních prostředků, kdy je zapotřebí posuzovat možné výsledky v celé šíři, ne vytrženě ze souvislostí, jak se bohužel často děje. Typickým příkladem je argumentace ve prospěch elektrických vozidel, uvádějící vysokou účinnost přeměny elektrické energie na mechanickou bez zvážení ostatních prvků řetězce transformace energií a jejich akumulace.
B) Nutnost komplexního posouzení zamýšlených a vedlejších účinků vozidel při dopravě Zdroj trakční energie pro vozidlo musí obsahovat předem vhodně akumulovanou energii (dnes obvykle chemickou). Ta je pak transformována přímo nebo prostřednictvím mezistupňů na mechanickou práci na kolech vozidla. Mechanická práce se pak obvykle zcela disipuje při překonávání jízdních a setrvačných odporů vozidla (přesně toto konstatování platí v případě návratu vozidla na východisko jízdy a při absenci jakékoli obnovitelné akumulace energie ve vozidle), výsledek transformace není tedy možno měřit pomocí fyzikálně jednoznačně definovaných veličin. Na disipaci mechanické práce při jízdě má velký vliv vlastní hmotnost vozidla, ovlivněná způsobem akumulace trakční energie i její transformace, a režim jízdy, určující příslušná zrychlení a ovlivněný objektivními i subjektivními faktory. V tom spočívají specifické vlastnosti vozidel, vedoucí často ke zmateným závěrům hodnocení jejich pohonových agregátů. Podstatnou složkou užitné hodnoty vozidla je tudíž spotřeba trakční energie na ujetou dráhu a při daném přepraveném nákladu (dále měrná dráhová spotřeba), při srovnávání variant pohonu vozidel se musí použít simulace standardního jízdního cyklu. Proto je třeba posuzovat jak vlastní účinnost výroby mechanické práce, tak dopad skladování primární energie ve vozidle na tuto účinnost a hlavně na využití mechanické práce pro ujetí dané dráhy v daném rychlostním režimu. Zejména v městské dopravě nabývá otázka jízdního režimu velké závažnosti. Tradičně se ovšem posuzuje především účinnost „motoru“, tedy hlavního transformátoru akumulované energie na mechanickou práci. Jak plyne z předchozího, není její absolutizace možná. Na jejím příkladu lze však dobře demonstrovat nutnost komplexního posuzování
27.7.2001
2/2
eko-dop-pap.doc
vedlejších účinků, takže bude použit jako úvodní příklad.
1) Schéma přeměny energií pro nezávislou trakci a jejích vedlejších účinků
Fig. 1 Schéma transfomace energií na mechanickou práci ve spalovacím motoru a jejích vedlejších účinků. Main and side effects of transformation of fuel chemical energy into output shaft mechanical work via released heat and internal presssure work Nejčastějším používaným transformátorem chemické energie na mechanickou je dnes pístový spalovací motor, využívající teplo vzniklé spalováním uhlovodíků. Účinnost přeměny tepla v práci je v pístovém motoru velmi vysoká ve srovnání s jinými tepelnými stroji, je ovšem stejně jako v nich omezena dosažitelnou teplotou přívodu tepla (omezení účinností Carnotova cyklu), což je však dnes limitováno především přípustnou měrou tvorby oxidů dusíku, a to ještě v závislosti na zvládnutí homogenity spalování a případně dodatečné katalytické redukce této škodliviny. Silně nelineární závislost rychlosti oxidačních reakcí na teplotě totiž značně zvyšuje váhu odchylek teploty od střední hodnoty v prostoru, případně i v čase. Ostatní typické škodliviny vzniklé při nestacionárním spalování v pístových motorech jsou také produktem těchto nehomogenit, avšak mají souvislost naopak spíše s předčasným dosažením příliš nízkých teplot nebo s nedostatkem kyslíku pro úplnou oxidaci paliva. Potlačení jejich tvorby a jejich dodatečné odstraňování tudíž nesnižuje přímo účinnost motoru. Kromě chemických škodlivin emituje motor nežádoucí akustickou energii a odpadní teplo. Disipace již transformované mechanické energie v pracovní látce i v mechanismu motoru snižuje především samotnou účinnost motoru, tedy zvyšuje spotřebu paliva, v menší míře ovlivňuje i množství nežádoucích emisí a hmotnost pohonné jednotky. Pro všechny hlavní i vedlejší účinky je zapotřebí určit jejich závislost na provozním režimu motoru. Ukazuje se, že z hlediska odhadu vlastností motoru a porozumění jejich závislosti na režimu je vhodné využití filosofie náhradních schémat, známých ze silnoproudé elektrotechniky. Ztráty jsou v tomto konkrétním případě ovlivněny členy, rostoucími se zatížením nebo s otáčkami (obdoba sériově řazených vnitřních odporů zdroje) a konstantní složky (obdobné paralelně řazenému odporu).
27.7.2001
3/3
eko-dop-pap.doc
1 .4 8
p e [M P a]
1 .2 8
207
1 .0 8
208 210
0 .8 8
215 220 230
0 .6 8
240 250 260 280
0 .4 8
300 340
380
420
0 .2 8 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
r .p .m .
Fig. 2 Závislost měrné spotřeby paliva [g.kW-1.h-1] na otáčkách [r.p.m., min-1] a zatížení [měrná objemová práce motoru pe, MPa] pro vozidlový vznětový motor. Brake specific fuel consumption in speed – load characteristics of a small diesel engine with turbocharging; notice the complicated reciprocal efficiency pattern due to serial and parallel loss resistances of en engine
Příklad výsledné měrné spotřeby paliva, úměrné převrácené hodnotě účinnosti, uvádí Fig. 2. Obdobná jednodušší závislost se týká mechanické účinnosti motoru del Fig. 3. Zejména z ní je zřejmé, jak paralelní ztráty snižují účinnost v nízkém zatížení, sériové se pak uplatňují při vyšších otáčkách a poněkud i při vyšším zatížení, což však lze zjistit jen podrobnějším rozborem. Současně je ze složité závislosti účinnosti dle Fig. 2 zřejmé, že zmíněný jednoduchý lineární model bude pravděpodobně v podrobnostech nedostatečný. Výsledky na uvedeném diagramu byly získány podrobnou simulací, vyžadující zdlouhavé výpočty – 1 např. [ ]. Obdobné diagramy lze získat i pro vedlejší účinky a s jistou nepřesností je rozšířit i na nestacionární děje při změnách režimů. Pole parametrů motoru je však k poli provozních režimů vozidla přiřazeno volbou vhodného převodného ústrojí a mění se podle hmotnosti vozidla, ovlivněné podstatně hmotností motoru+převodného ústrojí+zásoby paliva s příslušenstvím. Optimalizace systému pohonu musí probíhat iteračně s uvážením všech těchto vlivů. Méně obvyklá je důsledná analýza důsledků uskladnění trakční energie ve vozidle. Jako příklad aplikace těchto přístupů k hodnocení zdroje chemické energie („paliva“ jen pokud jde o spalovací motor) je uvedeno dále s některými podklady.
27.7.2001
4/4
eko-dop-pap.doc
1.4 8
p e [M P a]
1.2 8
1.0 8
0.8 8 0 .8 6 0 .8 3 0 .8
0.6 8
0 .7 7 0 .7 4 0 .7 1 0 .6 8 0 .6 5 0 .6 2
0.4 8
0 .5 9 0 .5 6 0 .5 3
0.2 8 1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
r .p .m .
Fig. 3 Mechanická účinnost pístového motoru v závislosti na otáčkách a zatížení. Mechanical efficiency of engine gear in load – speed characteristics. Na základě této vzorové analýzy je nutno přistupovat k posuzování všech alternativních pohonů vozidel. Navíc je třeba důkladně zvážit vedlejší účinky v průběhu celého životního cyklu vozidla, tedy při jeho výrobě, provozu se zajištěnou výrobou paliva i dalších provozních hmot, údržbě i likvidaci po skončení životnosti.
2) Zdroj trakční energie ve vozidle – hmotnostní a objemové hledisko -3
Hledisko hustoty neobnovitelně akumulované energie (J.m ) a měrné energie obsažené -1 v zásobníku se započtením jeho vlastní hmotnosti (J.kg ) patří k nejdůležitějším kriteriím při posuzování použitelnosti jednotlivých druhů akumulace – skladování energie ve vozidle. V relativních hodnotách vůči benzinu ukazuje toto kriterium Fig. 4 pro naftu, etanol, metanol, zkapalněný propan s malým podílem butanu (LNG), zkapalněný zemní plyn (LNG), zkapalněný vodík, stlačený zemní plyn (CNG, na cca 20 MPa), stlačený vodík a konečně pro elektrický akumulátor lithium-hydrid vhodného kovu (LMH). Důležitá je i měrná energie paliva vztažená na hmotnost paliva a jeho obalu nebo nosiče (u chemicky vázaných paliv – např. hydridy kovů), případně chemického reaktoru vyrábějícího palivo z polotovaru (např. konverze uhlovodíkových paliv na vodík). Pokud nedochází k chemické přeměně paliva, odpovídá zhruba objemová hustota energie i měrné energii. Dopad způsobu skladování na hmotnost vozidla a jejím prostřednictvím na měrnou dráhovou spotřebu lze určit jedině po simulaci jízdy, tedy po návrhu celého vozidla. Dalším důležitým faktorem je energetická účinnost transformace primární energie na skladovatelnou formu, jejího vlastního skladování a uvolnění ve formě využitelné pro vlastní transformaci ve vozidle.
27.7.2001
5/5
eko-dop-pap.doc
Fig. 4 Porovnání objemových hustot chemické energie vázané ve vybraných palivech při různém způsobu skladování
3) Energetické nároky konverze paliva do formy zdroje trakční energie Pro strojního inženýra by mělo být běžné započítat do nároků na „výrobu“ zdroje trakční energie příslušnou práci. Jejím zdrojem musí být ovšem také transformace energie, zatížená ztrátami (např. v případě termodynamického oběhu). Proto není např. v případě paliv jejich výhřevnost snížena jen o příslušné nároky na transformaci do akumulovatelné formy zdroje trakční energie, ale navíc o ztráty při produkci práce pro pohon příslušného zařízení (např. kompresoru, zkapalňovače atp.). V případě výroby elektrické energie lze vyjít ze známých účinností i emisního zatížení elektráren a značných ztrát v rozvodném systému i ztrát cyklu nabíjení/vybíjení akumulátoru. Tyto ztráty se často nekriticky přehlížejí zejména tam, kde je cena elektrické energie poměrně nízká, ač to neodpovídá její reálné hodnotě ani emisnímu zatížení a dalšímu zatížení životního prostředí, spojenému s její výrobou a rozvodem (to je ještě stále i případ ČR). V případě plynných paliv akumulovaných ve stlačeném nebo zkapalněném stavu je třeba vzít v úvahu energetické nároky této fyzikální transformace. U zemního plynu činí např. při -1 stlačení z atmosférického tlaku na 20 MPa spotřeba energie cca 2 MJ.kg , tedy cca 4% -1 z výhřevnosti paliva 50 MJ.kg (ovšem nejméně 9% z této výhřevnosti, vezmeme-li v úvahu -1 účinnost produkce mechanické práce pro pohon kompresoru), cca 0,35 MJ.kg , bude-li k disposici plyn z plynovodu o tlaku 5 MPa (ale pak se energie na stlačení a dopravu plynu nutně objeví v ceně paliva jiným způsobem). Pro zkapalnění zemního plynu při zdroji o tlaku o -1 5 MPa pro zásobník s atmosférickým tlakem (teplota –161 C) je zapotřebí cca 2,2 MJ.kg , tedy šestkrát více. Je zřejmé, že ani u zemního plynu nejsou tyto náklady zanedbatelné. K nim je samozřejmě nutno připočítat adekvátní zatížení životního prostředí. o Vyšší nároky jak při zkapalňování má vodík s ohledem na jeho kritickou teplotu (-240 C), o resp. bod varu při atmosférickém tlaku (-253 C). Relativní nároky na stlačení jsou z hlediska měrných hodnot vztažených na hmotnost plynu (bez nádrže) rovněž velmi nepříznivé vzhle-1 dem k vysoké izobarické měrné tepelné kapacitě – cca 20 MJ.kg při výhřevnosti 120
27.7.2001
6/6
eko-dop-pap.doc
MJ.kg-1, tedy 17% bez zvážení nároků na výrobu mechanické práce pro pohon kompresoru. Ještě méně se berou v úvahu nároky na chemickou konverzi paliva, ač jsou v ideálním případě snadno zjistitelné z Hessova zákona. Skutečné nároky mohou být ovšem vyšší, pokud pro samotnou konverzi nestačí právě chemická energie při konverzi bez dalšího užitku uvolněná. V současnosti jde zejména o použití kyslíkatých paliv vyráběných z ropy nebo zemního plynu, v budoucnosti o přípravu vodíku z těchto paliv pro použití ve spalovacím motoru, případně v palivových článcích. Jednoduché výpočty na základě slučovacích entalpií ukazují, že při přímém získávání vodíku z metanu je maximální energetická účinnost konverze, daná nevyužitím oxidace uhlíku pro transformaci na mechanickou práci cca 60% (přičemž pokud se pro konverzi použije zbylá chemická energie, samozřejmě vzniká CO2), konverze na vodík u oktanu má účinnost pouhých 43% a s růstem délky uhlíkového řetězce dále klesá. Těmito „chemickými“ účinnostmi (ve smyslu běžné motorářské definice) se pak násobí účinnosti samotné transformace zdroje trakční energie na mechanickou práci. Velká ztráta účinnosti bez omezení emisí CO2 je zřejmá i při použití palivových článků s účinností další transformace energie převyšující současný spalovací motor, tj. 60-80%. Při přípravě vodíku elektrolytickou cestou je účinnost samotné elektrolýzy obdobná, cca 2 60% - [ ]. Pokud by se započítala účinnost výroby elektrické energie z primárních zdrojů (55% paroplynové elektrárny, 35-45% parní elektrárny podle parametrů páry a paliva, pod 40% jaderné elektrárny), je výsledná účinnost přípravy paliva zřejmě nižší než u přímé konverze mnohaatomárních uhlovodíků. V budoucnosti mohou být použity výsledky využívající poznatky z konstrukce palivových článků, i tak povede však snaha o využití větších proudových hustot k úči nostem výrazně nižším než 100%. Totéž se týká přímého allotermického rozkladu vody, který navíc není dosud technologicky zvládnut. Souhrnné podklady pro některé z uvedených termochemických výpočtů jsou k disposici 3 v programu [ ].
4) Schéma pro komplexní posouzení alternativního pohonu vozidla Předcházející příklady objasnily snad širší souvislosti zavádění alternativních pohonů vozidel s uvážením různých aspektů, týkajících se zamýšlených i vedlejších efektů. Důvody pro pomalé uplatnění nových zdrojů trakční energie v praxi zřejmě neleží v neochotě výrobců motorů a vozidel samotných inovovat, ale v neochotě spotřebitelů spokojit se s několikanásobně, někdy i řádově vyššími provozními i pořizovacími náklady spolu s přesunem nežádoucích vedlejších účinků do výroby zdrojů trakční energie. Kromě toho není vždy předem jasné, zda alternativní palivo skutečně přinese v celém řetězci následků zlepšení dopadů na životní prostředí. Prosazování nových řešení je často otázkou spíše politickou, pak vzniká ovšem vážné nebezpečí populistických a demagogických řešení bez konečného positivního účinku, avšak velmi drahých, jak je známe ze svého nejbližšího okolí zejména z poslední doby. Není vyloučena ani záměrná manipulace veřejným míněním, podřízená skupinovým zájmům. Všechny dílčí akce potřebné během kvalitativní změny pohonu při výrobě, provozu i likvidaci vozidla musí být proto posouzeny systematicky z následujících hledisek • • • •
energetické nároky pro splnění hlavního (zamýšleného) výstupu materiálové nároky pro splnění hlavního výstupu, s rozlišením recyklovatelných a nerecyklova(tel)ných materiálů – recyklace má zpětnou vazbu na předchozí bod, obvykle zvyšuje energetické nároky vedlejší (nezamýšlené) emise škodlivých látek a energií vedlejší následky se zpětnou vazbou do jiných akcí (např. zvýšení hmotnosti vozidla po použití alternativního paliva s jeho vlivem na výsledné parametry vozidla).
Odhad následků zpětných vazeb (resp. jejich nalezení) bývá nejslabším článkem celého
27.7.2001
7/7
eko-dop-pap.doc
řetězce optimalizace, avšak primitivní chyby se vyskytují i v zanedbání přímých vedlejších dopadů, někdy dokonce i v nedostatečně široce pojatém posouzení předpokladů pro splnění hlavního cíle, jak bylo již uvedeno. Dílčí akce musí v každém případě obsahovat následující položky (tučně jsou označeny hlavní výstupy), u nichž je třeba kvantifikovat všechna 4 hlediska předchozího přehledu:
výroba vozidla (včetně jeho pohonového agregátu a zásobníku zdroje trakční energie), a to včetně výroby materiálu a polotovarů údržba vozidla (včetně jeho pohonového agregátu a zásobníku zdroje trakční energie) během technického života likvidace nebo recyklace opotřebených dílů a provozních hmot likvidace a recyklace celého vozidla po technické smrti výroba zdroje trakční energie z primárního zdroje energie (dříve obvyklá pouhá těžba a rafinace uhlovodíkového paliva nahrazena např. jeho chemickým přetvořením s různými nároky na zdroj další energie i zatížení životního prostředí; pro elektrickou energii nutno posoudit výrobu samotnou i rozvod; pro plynná paliva nutno vzít v úvahu nároky na případnou výrobu – generátorové plyny, vodík, dále stlačování, případně zkapalňování atd.) uvolnění zdroje trakční energie ze zásobníku na vozidle, případně jeho chemická konverze; stabilita zásoby v čase (důležité zejména u zkapalněných plynů a elektrochemických akumulátorů) transformace zdroje trakční energie na vstupní energii pro převodné ústrojí (mechanická práce, elektrická energie); u hybridních systémů se může vyskytnout několik paralelních větví transformace energie v převodném ústrojí na mechanickou práci hnacího členu vozidla (kola,…); využití přebytků pro případnou akumulaci, kryjící následující nedostatek zdroje využití mechanické práce na přemístění vozidla v daném čase a její případná recyklace (závislost na hmotnosti vozidla; akumulace kinetické energie při brzdění,…).
Všechna hlediska musejí být pro skutečnou optimalizaci v ideálním případě kvantifikována (a to včetně dopadů vedlejších účinků na životní prostředí) a vztažena na požadovaný výstup za technický život vozidla (důvod existence vozidla, přepravní „výkon“ v kg nákladu*km, případně ujetou dráhu u osobních vozidel), např. ve formě měrné dráhové spotřeby paliva nebo měrné dráhové emise škodlivin. V praktických případech mnoho údajů chybí, a to často velmi zásadních (neumíme např. porovnat míru škodlivosti CO2 s ohledem na možné důsledky skleníkového efektu s vlivem částic ze vznětových motorů na lidské zdraví). Zde je však třeba bez emocí stanovit dohodou limity, resp. pokutové funkce, respektující reálně dosažitelné hodnoty. Nesmyslně fundamentalistické přístupy („nejlepší energie je nevyrobená“) se ukazují spíše jako škodlivé, protože nejsou v praxi dodržovány, a to často ani jejich samotnými hlasateli.
C) Vodík jako zdroj trakční energie pro vozidla a transformace jeho chemické energie ve spalovacím motoru a palivovém článku Přes uvedené problémy, popsané zejména v kapitolách B)2) a B)3) ukazující na to, že vodíkem poháněné vozidlo nemůže mít výslednou účinnost vyšší než současné, má vodíkový pohon význačnou výhodu: omezuje totiž podstatně emise spalovacích motorů (jsou-li použity) a může být využit i jako zdroj pro elektrochemickou transformaci chemické energie na elektrickou v palivových článcích, kdy jsou vlastní emise „motoru“ prakticky nulové (až na odpadní teplo). Pokud by byl vyráběn z vody s využitím jaderné energetiky, nebude přispívat
27.7.2001
8/8
eko-dop-pap.doc
ani k emisi skleníkových plynů (jinak ovšem toto neplatí !). Přes značné prostředky věnované výzkumu palivových článků a přes jistotu, že první malosériově vyráběná vozidla s palivovými články se objeví zřejmě do r. 2005, není bezprostřední rozšíření palivových článků jisté. Důvody spočívají ve vysoké ceně palivových článků, zčásti dané platinovým katalyzátorem. Odhad reálné ceny při sériové výrobě činí cca 1200$/kW instalovaného výkonu. Dnes není tato cena dosažena ještě ani řádově. Vysoká cena spolu s poměrně velkým objemem a hmotností tohoto transformátoru energie a závislostí účinnosti na vnitřním odporu článků vedou k nutnosti omezit instalovaný výkon pod hranici běžnou pro vozidla se spalovacími motory, které jsou v běžném provozu vytíženy málo ke škodě jejich účinnosti. U palivového článku hrozí naopak ztráta účinnosti při vysokém zatížení (spíše sériový charakter ztrátového odporu na rozdíl od významného paralelního odporu pístového motoru). Kromě toho existují další řešitelné, i když nepříjemné provozní problémy (provoz za mrazu, nutnost ohřevu palivového článku na provozní teplotu před rozjezdem vozidla atp.). Proto se uvažuje o hybridních uspořádáních, obecně v kombinaci spalovací motor/alternátor – palivový článek – elektrochemický akumulátor – trakční elektromotor, pravděpodobná jsou uspořádání jen s jedním transformátorem zařazeným za zdrojem trakční energie (pístový motor/alternátor nebo palivový článek). Akumulovaná energie přispěje ke krytí potřebných výkonových špiček, přičemž spalovací motor by byl zmenšen a palivový článek zvětšen na optimální velikost, zabezpečující vysokou účinnost při provozu na plné vytížení. Kromě toho lze využít i rekuperace kinetické energie vozidla při brzdění, i když za cenu další komplikace a zdražení vozidla, neboť nabíjení akumulátorů brzdicím výkonem není bez dalších opatření možné (superkondenzátor nebo setrvačníkový motorgenerátor jsou nutné). Jako vhodný mezistupeň pro budování infrastruktury zásobování vodíkem stlačeným nebo (perspektivně) zkapalněným i zavedení elektrického přenosu výkonu na vozidle, umožňujícího hybridní uspořádání s nevratnou akumulací vodíkového paliva a vratnou akumulací elektrické energie se jeví provedení se spalovacím motorem jako prvotním transformátorem energie. Pro jeho zavedení je třeba vyřešit několik koncepčních problémů, spojených s emisí oxidů dusíku při rychlém spalování vodíku, s dostatečným výkonem motoru při provozu na málo výhřevnou směs a jeho regulací.
D) Současný stav vývoje vodíkového spalovacího motoru Uvedené důvody vedly ke zpracování návrhu a řešení komplexního grantového projektu GA ČR 101/97/K053, řešeného ve spolupráci Technické university v Liberci, ČVUT v Praze, University J. E. Purkyně v Ústí nad Labem a Státního zdravotního ústavu Praha k problematice samotného motoru poháněného vodíkem. Na rozdíl od většiny dosud realizovaných motorů vodíkových vozidel je po zkušenostech s plynovými motory na jiná paliva 4 tento motor vyvíjen jako jednoznačně určený pro pohon tímto specifickým palivem - [ ]. Tím se odstraní nutnost nedokonalých kompromisních řešení, která přináší přestavba zážehových motorů na kapalná nebo jiná plynná paliva. Jedním z podstatných rysů zkoušeného motoru je přímý vefuk vodíku do spalovacího prostoru, umožňující odstranit kontakt čerstvé směsi se spalinami na konci výfuku, a časovat dokonce vefuk až do období komprese. Pro vodíkový motor přichází z hlediska emise oxidů dusíku v úvahu pouze spalování chudé směsi. Koncepce se stechiometrickou směsí a trojcestným katalyzátorem, použitelná u uhlovodíkových paliv, je pro nedostatečnou redukční kapacitu produktů spalování stechiometrické vodíkové směsi stěží použitelný s dostatečnou účinností. Kromě toho hrozí předčasné zápaly směsi o horké body spalovacího prostoru, případně o horké výfukové plyny. Ideální z hlediska termické účinnosti je využít plně přípustné teploty, dané rychlostí tvorby NO, v pokud možno isotermickém přívodu tepla do celé náplně válce najednou. Průběh rychlosti přívodu tepla musí mít pak během expanze klesající průběh, kterého není možno přesně dosáhnout s ohledem na řetězový charakter reakcí při spalování vodíku. V každém
27.7.2001
9/9
eko-dop-pap.doc
případě musí hoření probíhat přiměřenou rychlostí až během expanze. Dostatečná teplota na počátku přívodu tepla, zlepšující termickou účinnost, je dosažitelná při použití vysokého kompresního poměru. Přes rozšířené povědomí o snadné vznětlivosti vodíko-vzdušních směsí (analogické nízkému oktanovému číslu) se ukazuje, že proti vznětu kompresní teplotou bez přítomnosti radikálů vytvářených v plameni jsou tyto směsi vcelku odolné. Příklad výpočtu indukční doby před vznětem pomocí vlastního programového vybavení a programu CHEMKIN (National Sandia Labs., USA) pro modelování chemické kinetiky je na Fig. 5 – 5 [ ].
1.40E-02
1.20E-02
obj. podíl H 2 [1]
1.00E-02
8.00E-03 T=1000K T=1050K T=1100K 6.00E-03
4.00E-03
2.00E-03
0.00E+00 0
20
40
60
80
100
120
140
alfa [st. KH]
Fig. 5 Indukční doba do vznětu a průběh hoření pro chudou vodíko-vzdušní směs za různých teplot 1000 - 1100 K. Čas přepočten na úhel otočení klikového hřídele pro otáčky 3000 min—1. Induction period and combustion performance of lean hydrogen-air mixtures of different constant temperatures 1000 – 1100 K. Time converted into crank angle at the speed of 3000 r.p.m. I pro poměrně vysoký kompresní poměr je tak možno směs stlačit beze vznětu a zažehnout ji až za horní úvratí, kde hoření zpomalí pokračující expanze. Pro maximální homogenitu teplotního pole ve válci je však vhodné podpořit rychlé rozšíření plamene s pomalým a postupně zpomalovaným hořením jednotlivých turbulentních plaménků. Jiný koncept homogenního hoření, spalování ve vložce z porézní keramiky, není pro snadno zažehnutelnou vodíko-vzdušní směs použitelný. Průběžné predikované výsledky, založené na prvních experimentálních poznatcích a 6 souhrnně zpracované v [ ], byly dalším experimentálním i teoretickým výzkumem potvrzeny – 7 [ ]. Ve srovnání s uhlovodíkovými palivy, jako propanem na Fig. 6, hoří vodík poměrně rychle i při vysokém přebytku vzduchu λ, tedy v chudé směsi (průběh xQ, tedy poměrného množství přivedeného tepla). Přitom jsou prostorově střední teploty TCYL náplně válce omezeny, zejména při počátku hoření posunutém za horní úvrať do expanze. Jejich pokles pod cca 1700 K již zakládá důvod k velmi příznivě nízké produkci oxidu dusnatého. To potvrzuje simulace tvorby NO dle Fig. 6, Fig. 7 i výsledky experimentů provedených v poslední době. Podle vpředu uvedeného rozboru nemůže však být pouhá úroveň emisí měřítkem
27.7.2001
10 / 10
eko-dop-pap.doc
úspěšnosti alternativního paliva, zejména u tak energeticky náročného zdroje trakční energie jako je vodík (srv. např. náklady na stlačení dle kap. B)3).
Fig. 6 Výsledky simulace tvorby oxidu dusnatého pro vodík a propan při různé bohatosti směsi pro experimentálně zjištěný průběh rychlosti hoření programem NOXFORM – [8] při různém počátku hoření. Results of simulated NOx formation based on experimental heat release patterns (xQ) for different fuels and ignition timing (NOXFORM code computation)
Fig. 7 Závislost simulované emise NOx a měrné spotřeby tepla (efektivní parametry vztažené na výkon na spojce). Effective parameters of NOx formation and the trade-off to heat specific consumption (reciprocal value to thermal efficiency)
27.7.2001
11 / 11
eko-dop-pap.doc
COV
[% ]
20 pi 6
10 0 [b a r ]
5 4 3 2 1
V O D ÍK λ
4
ZEM NÍ PLYN
3 2 q pi [M J / k W h ] 16 15 14 13 12 11 10 0
2
4
6
8 m
NOi
10 [g /k W h ]
Fig. 8 Porovnání experimentálních výsledků motorových parametrů (měrná objemová práce motoru, tj. střední indikovaný tlak pi; měrná indikovaná spotřeba tepla, úměrná převrácené hodnotě indikované účinnosti qpi a měrná indikovaná emise oxidů dusíku) pro pohon téhož výzkumného motoru zemním plynem a vodíkem. Comparison of experimental results of engine parameters (mean indicated pressure pi, mean indicated specific heat consumption qpi, mean indicated specific NOx emission) for the use of natural gas (zemní plyn) and hydrogen (vodík) at the same experimental engine. Proto je u všech porovnání vynesena vždy souvislost využití tepla a měrné produkce oxidu dusnatého, a to v indikovaných (tj. na vnitřní práci náplně válce vztažených) nebo efektivních hodnotách (vztažených k výkonu odevzdávanému na spojce mimo motor) dle Fig. 7, Fig. 8. Pomalé spalování chudých směsí zhoršuje termickou účinnost motoru a zvyšuje rozptyl parametrů jednotlivých oběhů (parametr COV na Fig. 8) , aniž přispívá k další redukci emise oxidů dusíku. Současně strmě klesá měrná objemová práce oběhu pi. Zejména z posledního obrázku je zřejmé, že ve srovnání se zemním plynem lze dosáhnout podstatného snížení emise NO při vyhovující účinnosti. Další zvýšení účinnosti a měrné práce je možné přeplňováním motoru. Vyšší práce oběhu omezí vliv konstantní složky ztrát (paralelního vnitřního odporu), přičemž vyšší tlak není kombinován s vyšší teplotou a odolnost proti vznětu v průběhu hoření („detonace“) neklesne při přiměřeném přebytku vzduchu. Současně pravděpodobně nevzroste ani emise NO, jak ukazují prozatím výsledky simulace i měření z vysoce přeplňovaného motoru na zemní plyn (pi=1.9MPa). Pro vodík bude třeba tato fakta ověřit pokusně. Dosud provedené pokusy ukazují, že spalování vodíku je schůdnou cestou pro motory s nízkou úrovní emisí a přiměřenou účinností.
27.7.2001
12 / 12
eko-dop-pap.doc
E) Závěry Výzkum na speciálně vyvíjeném vodíkovém motoru ověřil použitelnost jeho koncepce i spolehlivosti simulace jeho parametrů. Teoreticky byla predikována a experimentálně ověřena možnost podstatné redukce emisí díky vysoké rychlosti hoření chudých vodíko-vzdušných směsí při udržení vyhovující účinnosti oběhu. Určeno pásmo ochuzení pro dosažení akceptovatelných emisních limitů. Byla potvrzena předpokládaná výhodnost použití vysokého kompresního poměru s pozdním zážehem a téměř isotermickým přívodem tepla do oběhu. Rychlé hoření a probíhající expanze zabraňuje přechodu k detonaci. Byla ověřena výhodnost použití vnitřního tvoření směsi vefukem vodíku během komprese. Teoreticky ověřeno, že přeplňování zvýší účinnost motoru, a to bez podstatného vlivu na emise NOx. Experimentálně je tento fakt ověřen jen pro přeplňovaný motor na zemní plyn. Důležité závěry pro další práce: Použití velmi chudé směsi vyžaduje zvýšení měrného výkonu motoru přeplňováním. Pro návrh parametrů oběhu nutno ověřit ovlivnění meze detonací plnicím tlakem. Experimenty na přeplňovaném jednoválcovém motoru vyžadují simulovat turbinu turbodmychadla pro realistickou výměnu náplně válce (vliv zbytkových plynů, samozápaly směsi o spaliny atd.). Využití již vyvinutého programového vybavení ve spojení s regulací protitlaku je žádoucí. Mez detonací lze ovlivnit termodynamickým expanzním chlazením náplně (Miller-Atkinsonův oběh, případně expanzní turbina turbodmychadla). Poděkování Výzkum byl podporován grantem GA ČR 101/97/K053.Metodická část kap.B) byla zpracována v rámci Výzkumného centra J. Božka s podporou projektu MŠMT ČR LN 00B073. Použitá literatura 1
[ ] MACEK, J.,- POLÁŠEK, M.: Advanced Eulerian Multizone Model - Versatile Tool in Moveable Boundath ry Problem Modeling. 8 International Symposium on Computational Fluid Dynamics, ZARM Uni Bremen, 1999, 20 s., CD ROM 2 [ ] RICHTER, M.: Vodík – palivo budoucnosti. XXX. konference kateder spal. motorů českých a slovenských vysokých škol. FS ČVUT v Praze, 1999, Praha, pp. 172-177, ISBN 80-01-01972-1 3 [ ] MACEK, J.: Výpočet rovnovážného složení spalin, chemické účinnosti spalování, přebytku vzduchu, nároků na stlačování a odměřování plynů a dalších stechiometrických a termochemických údajů pro běžná motorová paliva. Program SLOZENI.XLS, knihovna programů ČVUT-FS, U220, Praha 19892000, 250 KB 4 [ ] KOVÁŘ, Z., TAKÁTS, M., MACEK, J., BEROUN, S. KOL.: Pístový motor pro spalování vodíku – pohonná jednotka budoucnosti. Etapová zpráva GA ČR 101/97/K053, Liberec 1999 5 [ ]POLÁŠEK, M. - MACEK, J.: Application of Advanced Computational Approaches on Pollutant Formation Modeling at Reciprocating Engines. XXX. konference kateder spal. motorů českých a slovenských vysokých škol. FS ČVUT v Praze, 1999, Praha, pp. 59-64, ISBN 80-01-01972-1 6 [ ]MACEK, J – TAKÁTS, M. - POLÁŠEK, M – KOVÁŘ, Z. - BEROUN, S. – SCHOLZ, C.: Hydrogen Fueled Reciprocating Engine as an Automotive Prime Mover?. 1998 FISITA World Automotive Congress - CD ROM. France, The French Society of Automotive Engineers, 1998. 7 [ ]TAKÁTS, M.: Pístový motor pro spalování vodíku - termodynamika pracovního oběhu. 11. mezinárodní symposium MOTOR SYMPO ’99, ÚVMV-ČVUT, Praha 1999, s.171-184, ISBN 80-01-01985-3 8 [ ] TAKÁTS, M.: Kinetický výpočet tvorby a rozpadu oxidu dusnatého v pístových motorech spalujících připravenou směs. Program NOXFORM, knihovna programů ČVUT-FS, U220, Praha 1991-2000
27.7.2001
13 / 13
eko-dop-pap.doc
