ZEMNÍ PLYN A VODÍK V DOPRAVĚ

Přednáška a doprovodný text v rámci projektu CZ.1.07/2.3.00/09.0086 Podpora VaV a vzdělávání pro VaV v oblasti mechatroniky silničních vozidel Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

ZEMNÍ PLYN A VODÍK V DOPRAVĚ doprovodný dokument k přednášce Aktualizovaný 2012

Zemní plyn a vodík v dopravě - Jiří Barták 2011

OBSAH ZEMNÍ PLYN V DOPRAVĚ

1.1

CO JE TO ZEMNÍ PLYN (CNG , LNG)

1.2

VÝROBA

1.3

SKLADOVÁNÍ

1.4

DISTRIBUCE

1.5

PRINCIPY POHONŮ

1.6

VOZIDLA A PODPORA VÝVOJE, PRODEJE A PROVOZU

2

VODÍK V DOPRAVĚ

2.1

CO JE VODÍK

2.2

VÝROBA

2.3

SKLADOVÁNÍ

2.4

DISTRIBUCE

2.5

PRINCIPY POHONŮ

2.6

VOZIDLA A PODPORA VÝVOJE, PRODEJE A PROVOZU

3

ZÁVĚR

Kapitola: Obsah

1

2


1

ZEMNÍ PLYN V DOPRAVĚ 1.1 CO JE TO ZEMNÍ PLYN - VZNIK

Na vznik zemního plynu existuje několik teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice často spolu s ropou (naftový zemní plyn) nebo s uhlím (karbonský zemní plyn), přiklánějí se teorie jeho vzniku nejčastěji k tomu, že se postupně uvolňoval při vzniku uhlí nebo ropy jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický původ zemního plynu byly tedy na začátku vzniku zemních plynů rostlinné a živočišné zbytky. Podle anorganické teorie vznikal zemní plyn řadou chemických reakcí z anorganických látek. V poslední době američtí vědci přišli s další tzv. abiogenetickou hypotézou, podle které zemní plyn vznikl štěpením uhlovodíků, které se na naší planetu dostaly v době jejího vzniku z vesmírné hmoty. Tyto vyšší uhlovodíky se postupně štěpily až na metan, který pak pronikal k povrchu Země.

CNG je zkratka anglického názvu pro stlačený zemní plyn - Compressed Natural Gas. Zemní plyn je užíván jako motorové palivo v klasickým spalovacích motorech, benzínových nebo přímo plynových. Lze ho využívat jednak ve formě: CNG - stlačený plyn (tlak 200 barů) LNG - zkapalněný plyn (při teplotě – 162°C) Ve světě v současnosti z obou forem převažuje využívání CNG.

•

Hospodárnější - cena CNG je nižší než cena benzinu nebo nafty, Kromě větší hospodárnosti je používání zemního plynu také :

•

Ekologičtější - zemní plyn je více z než 95 % tvořen nejjednodušším uhlovodíkem – metanem.

•

Bezpečný - Tento fakt vyplývá z fyzikálních vlastností zemního plynu i ze zkušeností z dlouhodobého provozu

•

Vetší dojezd - Osobní a dodávková vozidla využívající CNG jsou převážně vybavena dvoupalivovým systémem.

•

Standardní záruka

CNG se v České republice používá v osobních a dodávkových automobilech, nákladních vozidlech (hlavně pro svoz komunálního odpadu a čištění ulic) a v městských a příměstských autobusech.

Kapitola: Zemní plyn v dopravě

1.1.1 PÁR FAKTŮ O CNG V DO PRAVĚ

3


1.1.2 ASPEKTY VYUŽÍVÁNÍ CNG Ekologické •

emise CO2 sníženy až o 30%

•

emise NOx o 60% nižší

•

nulové emise aromatických uhlovodíků a aldehydů

•

nulové emise pevných částic (prašnost)

•

minimální emise oxidu siřičitého a oxidu uhelnatého

•

výrazně nižší emise hluku

•

nemožnost kontaminace půdy palivem

•

jako alternativu lze využít bioplyn

Ekonomické •

vždy levnější než ostatní pohonné hmoty,

•

stabilní cena nezávislá na ceně ropy

•

nulová spotřební daň

•

nulová silniční daň

•

oktanové číslo 130 – vysoký výkon motoru

•

zajištěný vývoj vozů a kvalita provedení

•

plnohodnotná a dostupná náhrada částí ropy

•

většina automobilek nabízí vybrané modely s pohonem CNG

•

uvažuje se příspěvek na likvidaci autovraku „šrotovné“ 60.000,– Kč pro vozidla CNG oproti 30.000,– Kč pro klasické pohony (benzin, nafta)

•

oktanové číslo metanu 130 = vysoký výkon motoru

•

rovnoměrnější plnění válců v důsledku lepšího směšování plynu se vzduchem

•

zvýšení celkového dojezdu u dvoupalivových systémů

•

Lepší startování při nízkých teplotách (odpadá používání zimní nafty)

•

Díky čistotě paliva se prodlužuje životnost motorového oleje i samotného motoru, nevytvářejí se karbonové usazeniny

Bezpečnostní


Provozní

4


Vozidla na zemní plyn jsou bezpečnější než vozidla používající benzín, naftu nebo LPG. •

bezpečná pohonná hmota

•

lehčí než vzduch, volně se rozptyluje

•

uskladněn v plynném skupenství v silnostěnných tlakových nádobách

•

propracovaná technologie

•

zaručená stálá kvalita plynu

Obr 1.1 Crashtest ADAC (zdroj HN.IHNED.CZ 31. 5. 2010 00:00 (aktualizováno: 31. 5. 2010 07:48)

•

diverzifikace závislosti na ceně ropy

•

neomezený vjezd a obslužnost center měst nebo ekologických zón

•

další výrazné úspory při využití vlastních plnících zařízení CNG

„NEVIDITELNÉ“ ÚSPORY •

CNG umožňuje zamezit únikům pohonných hmot ze systému – zemní plyn si prostě domů neodnesete…

MARKETING


Strategické

5


•

vyšší konkurenceschopnost (necenová) a využití v lokálním marketigu – jsem ekologický = šetrný k občanům, kterým poskytuji službu

Obr. 1.2 ilustrativní obrázek použití CNG zemědělství 1.1.3 NEVÝHODY VYUŽITÍ CNG Vyšší náklady a) Vyšší náklady na vozidlo : - přestavby vozidel na plyn zvyšují cenu vozidla - sériově vyráběné plynové vozy jsou dražší b) Vyšší náklady na plnící stanice, na díly plynových zástaveb Nedostatečná infrastruktura pro plnění automobilů Nemožnost parkovat v podzemních garážích a parkovacích domech Zmenšení zavazadlového prostoru Bezpečnostní kontroly


Zvýšení hmotnosti vozidla

6


1.1.4 ZÁKLADNÍ STATISTICKÁ FAKTA O ZEMNÍM PLYNU V DOPRAVĚ Po celém světě nyní jezdí více než 12 milionů vozidel na zemní plyn ve více než šedesáti zemích a jejich řidiči mají k dispozici 18 tisíc CNG stanic. V Evropě jezdí 1,3 milionu CNG vozidel, počet stanic je 3,5 tisíce. V současnosti (2010) jezdí v České republice asi 630 vozidel na zemní plyn (CNG a LNG), z toho téměř čtvrtinu tvoří autobusy. Jejich více než desetiletý provoz přinesl bohaté zkušenosti. Prokázal, že stlačený zemní plyn (CNG) je velice vhodnou ekologickou náhradou benzínu a nafty. Plynová vozidla přinesla provozovatelům výrazné ekonomické úspory v nákladech na palivo.


Obr. 1.3 Svět a CNG v roce 2010 (zdroj www.cng.cz)

7


1.1.5 HISTORIE POUŽÍVÁNÍ ZEMNÍHO PLYNU V DOPRAVĚ

CNG je zemní plyn stlačený pod tlakem 20 a více (22, 25) MPa, což je přes 200 atmosfér. To může znít nebezpečně, ale systém CNG jako relativně nová technologie, která podléhá mnohem přísnějším standardům než klasický palivový systém, takže je ve skutečnosti odolnější. Nádrže jsou vybaveny ventily, které brání přetlakování nebo výbuchu. Dalším aspektem jsou rozdílné fyzikální vlastnosti paliv – zemní plyn vzplane při cca 600°C, benzín už při cca 200°C. Kromě toho je zemní plyn lehčí než vzduch a při úniku se prostě rozptýlí, zatímco tekutá paliva zůstávají vyteklá na místě, kontaminují půdu a mohou způsobit požár. 1.1.7 DISTRIBUCE CNG Výhoda CNG je v jednoduchosti distribuce plynu k uživateli. Zemní plyn je přepravován již vybudovanými plynovody, jeho používáním se snižuje počet nákladních cisteren s kapalnými pohonnými hmotami na silnicích.


1.1.6 SKLADOVÁNÍ CNG

8


Obr.1.4. plnicí stanice CNG v ČR (zdroj www.cng.cz)

1.1.8 DRUHY CNG VOZIDEL Silniční vozidla: osobní a dodávkové automobily, nákladní vozidla, tahače, speciální komunální vozidla, autobusy, motocykly. Mimosilniční vozidla:

Obr. 1.5 Autobus na CNG (http://bus.tedom.cz/)


závodní sportovní automobily, vysokozdvižné vozíky, traktory a jiné zemědělské stroje, rolby ledu, sněžné rolby, speciální letištní vozidla, motorové čluny, vyhlídkové lodě, trajekty, lokomotivy, vlaky, letadla.

9


Obr. 1.6 Lokomotiva na CNG (zdroj VÍTKOVICE Doprava, a. s.)

1.2

PRINCIP POHONŮ CNG

1. generace CNG-NGV přestavba motoru s karburátorem

2. generace CNG-NGV vstřikování

3. generace


CNG-NGV Sekvenční vstřikování

1 0


1.2.1 PRINCIP POHONŮ CNG – VOZIDLA S KARBURÁTOREM 1. GENERACE CNG přestavba karburátorového benzínového motoru. Tento typ konverze je obyčejně známý jako konvenční, tradiční přestavba na zemní plyn.


Obr. 1.6 schéma vozidla na CNG s karburátorem – 1. Generace (zdroj www.landirenzo.com)

1 1


Obr. 1.7 Směšovací karburátor Venturiho mixer (zdroj www.landirenzo.com)

Obr. 1.9 Tlaková nádoba na stlačený zemní plyn (zdroj www.landirenzo.com)


Obr. 1.8 Tlaková nádoba na stlačený zemní plyn (zdroj www.landirenzo.com)

1 2


1.2.2 PRINCIP POHONŮ CNG – VSTŘIKOVÁNÍ 2. GENERACE CNG-NGV přestavba karburátorového benzínového motoru. Tento typ konverze je obyčejně známý jako konvenční, tradiční přestavba na zemní plyn. Je to především CNG-NGV kit, Air-CNG Venturihomixer, CNG válců a příslušenství.

Obr 1.11 Mixer vzduch - CNG Mixer je umístěný mezi vstup vzduchového filtru a škrticí klapku (zdroj www.landirenzo.com)


Obr 1.10 schéma vozidla na CNG vstřikování 2. Generace (zdroj www.landirenzo.com)

1 3


Obr 1.11 Princip pohonů CNG – vstřikování je analogický jako u jednobodového vstřikování viz obr vpravo.

1.2.3 PRINCIP POHONŮ CNG –SEKVENČNÍ VSTŘIKOVÁNÍ3. GENERACE

Obr 1.12 schéma třetí generace pohonu CNG


Nejpokročilejší technologie – opět částečná analogie s vícebodovým vstřikováním

1 4


Obr 1.13 Princip pohonů CNG –sekvenční vstřikování - vstřikovače


Obr 1.13 Princip pohonů CNG –sekvenční vstřikování

1 5

w


Obr 1.15 Rozdíl rozptylu / směšováni při vstřikovaní mezi plynem CNG a benzínem – vlevo CNG, vpravo benzin (zdroj www.landirenzo.com)


Obr 1.14 Princip pohonů CNG –sekvenční vstřikování – technologie / princip schéma

1 6

w


1.3

EVROPSKÁ UNIE A CNG

V prosinci 2001 Evropská komise (EC) přijala akční plán a 2 návrhy směrnic zabývajících se užitím alternativních paliv v dopravě a dala tak jasný signál budoucí podpory těmto palivům. Akční plán načrtl strategii jak v dnešních 15 státech Evropské unie dosáhnout 20% náhrady benzínu a nafty do roku 2020. Závěr je, že pouze tři alternativní paliva / technologie mají šanci nahradit z více než 5% spotřebu motorových paliv v příštích 20 letech. a) biopaliva, v současnosti již používaná, b) zemní plyn ve střednědobém horizontu, c) vodík a palivové články v dlouhodobém horizontu. Klíčovými motivačními faktory při tvorbě nových politických iniciativ EC byla jistota dodávek energie (energy security) a ochrana životního prostředí (snížení skleníkového plynu CO 2).

1.5

ČESKÁ REPUBLIKA A CNG •

rok 2005 – základ změny v přístupu ČR – Usnesení vlády ČR č. 563, ze dne 11. 5. 2005

•

rok 2006 – dobrovolná dohoda mezi státem a všemi plynárenskými společnostmi k podpoře CNG jako alternativního paliva v dopravě – závazek plynárenských společností vybudovat za určitých podmínek 100 plnících stanic v hodnotě cca 1 mld. Kč do roku 2020

•

rok 2007 – stabilizace spotřební daně na CNG od 1.1.2007 do roku 2020

•

schválen Národní program snižování emisí

•

rok 2008 – novela zákona o silniční dani

•

od 1.6.2008 platí cenové rozhodnutí ERÚ o odstranění diskriminačního poplatku v případě překročení denní kapacity na plnících stanicích

•

rok 2009 –od 1.1.2009 – zavedena nulová sazba silniční daň pro vozidla určená k dopravě osob nebo vozidla pro dopravu nákladů s největší pohotovostní hmotností do12tun, které používají palivo CNG

•

rok 2009 – 2013 – plynofikace státní správy – vládou schválen Program obměny vozového parku veřejné správy za „ekologicky přátelská vozidla“, cílem je dosažení 25% podílu na celkovém vozovém parku využívaným orgány státní správy do roku 2014 (usnesení vlády č. 1592 ze dne 16.12.2008) EVROPSKÁ UNIE A CNG VIZE DO ROKU 2020

Hlavní vize pro rok 2020: 23,5 milionu vozidel na zemní plyn v Evropské unii v roce 2020 (v současnosti 0,43 milionu CNG vozidel)


1.4

1 7


47 miliard m3 zemního plynu pro motorového paliva (v současnosti 0,5 miliard m3) 20 000 plnících stanic zemního plynu (v současnosti 900 stanic)

1.6

AUTOMOBILY NA CNG

Výrobci automobilů již pochopily, že zemní plyn jako pohonná hmota má budoucnost a počet modelů plynových vozidel přímo z automobilek, ne přestavovaných, neustále roste.

•

Volvo (modely V70, S60, S80)

•

Fiat (modely Ducato, Multipla)

•

Volkswagen uvedl na trh dvoupalivovou verzi VW Golf Variant, nově připravuje CNG modely Lupo a Tranzit.

•

Opel

atd Obr1. 16. Vozidla na CNG (zdroj: www.cng.cz)


V Evropě jsou již tradičně v oblasti CNG aktivní:

1 8


2

VODÍK V DOPRAVĚ

Vodíkový pohon patří mezi alternativní technologie v automobilové dopravě. Mohl by v budoucnu nahradit hlavní technologii 20. století - spalovací motor na benzínové či naftové palivo. Vodík je prakticky nevyčerpatelný zdroj zastoupený v mnoha podobách (nutnost výroby), navíc se dopravní prostředky s vodíkovým pohonem nepodílejí na zvyšování emisí skleníkových plynů (odchází jen vodní pára). Vodíkový pohon bývá řazen k tzv. hybridním pohonům, u kterých jde o kombinaci několika zdrojů energie pro pohon vozidla. Elektromotor ve vodíkových dopravních prostředcích získává energii z palivových článků (reakce vodíku a kyslíku) a akumulátoru. V autobusech je navíc část energie ukládána do tzv. ultrakapacitorů, ze kterých se pokrývají proudové špičky (rozjezdy). Existují i spalovací motory na vodík. 2.1

CO JE TO VODÍK…

Obecné vlastnosti vodíku •

Teplota samovznícení: 580 °C (benzin: 280°C, nafta 210°C, metan 580°C)

•

Energie zážehu: 20.10-6 J (metan asi 300 J)

•

Teplota plamene: 2400 K (benzin 1300K, metan 1800 K)

•

Rychlost plamene: 2,75 m/s (metan 0,37 m/s; benzin, nafta 0,34m/s)

•

Teplota varu −252,8 °C (O2 −182.9 °C)

2.2

•

Široký rozsah vznětlivosti

•

Nízká energie vzplanutí

•

Vysoká teplota samovznícení

•

Různá rychlost hoření při rozdílně bohaté směsi

•

Nízká hustota

•

Vysoká difuzivita VÝROBA VODÍKU

V celosvětové produkci vodíku dominuje v současné době výroba z fosilních paliv. 1) Z uhlovodíků- tzn. NEobnovitelných zdrojů a) Parní reforming b) Parciální oxidace- (částečné spalování)

Kapitola: Vodík v dopravě

Důležité vlastnosti vodíku pro spalování

1 9


2) Z vody a) Elektrolýza vody b) Vysokoteplotní elektrolýza c) Termický rozklad vody 3) Vodík z BIO zdrojů a) Rozklad methanolu-štěpení pomocí vodní páry b) Pyrolýza- zplyňování biomasy 4) Vodík jako odpad a) Vodík lze získat také jako vedlejší produkt některých průmyslových aplikací - např. při výrobě chlóru a reformování benzínu.

Obr 2.1 procentuální porovnání výroby vodíku

2.2.1 PARNÍ REFORMING ZEMNÍHO PLYNU V současnosti nejlevnější a nejpoužívanější způsob výroby vodíku. Teplo pro reformní reakci i následnou konverzi oxidu uhelnatého je dodáváno z přímého spalování části zemního plynu

Dosahované teploty při výrobě jsou až 1400°C. Účinnost výroby se pohybuje okolo 80% Při výrobě však vzniká CO2 (na 1kg vodíku 7,05kg CO2! ) reformní reakce: CH4 + H2O → CO + 3H2 konverze CO: CO + H2O → CO2 + H2


Pro výrobu se používá zemní plyn (směs metanu (CH4)) a horká pára.

2 0


2.2.2 PARCIÁLNÍ OXIDACE- (ČÁSTEČNÉ SPALOVÁNÍ) CH4 + O2 = CO + 2H2 CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O CH4 + H2O = CO + 3H2 CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 Výrobní teploty se pohybují do 1300°C . Výhodou oproti parnímu reformingu je možnost využití rozličných uhlovodíků (nejen zemní plyn, ale i těžké oleje (mazut), uhlí). Nevýhodou je však větší produkce CO2 . 2.2.3 ELEKTROLÝZA Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný proud při průchodu vodným roztokem štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem:

2H2O → 2H2 + O2 H+ poté reaguje na katodě za vzniku plynu, který je následně skladován. Proces elektrolýzy probíhá za pokojových teplot a pro jeho chod je nutná pouze elektrická energie. Účinnost procesu 80 - 92 %. Výstupem elektrolýzy je kyslík a vysoce čistý vodíkový plyn.

Obr 2.2 výroba vodíku elektrolýzou s využitím větrné energie (zdroj www.global-greenhouse-warming.com)


Na celkové účinnosti elektrolytické výroby vodíku se podílí především účinnost výroby elektrické energie (30 - 40 % pro konvenční zdroje). Celková účinnost elektrolýzy se tedy pohybuje přibližně v rozmezí 25 - 35 %.

2 1


2.2.4 VYSOKOTEPLOTNÍ ELEKTROLÝZA Na rozdíl od běžné elektrolýzy je zde využita i počáteční tepelná energie, která se mění na chemickou (vodík) energii. Do elektrolyzéru vstupuje pára a vodík. Vystupuje z něho obohacená směs obsahující 75 % hmotnostních vodíku a 25 % hmotnostních páry. Z ní je na anodě oddělen iont kyslíku, který prochází skrze membránu. Vodík je pak z páry oddělen v kondenzační jednotce. To umožňuje zvýšení celkové účinnosti výroby až na 50%. Je vhodná tam kde jsou zejména levné zdroje tepla (sluneční, jaderné). V praxi se ovšem používá výhradně tepelná energie z atomových elektráren. 2.2.5 TERMOCHEMICKÉ CYKLY Termický rozklad vody jsou známy již více jak 35 let; intenzivně byly studovány na přelomu 70. a 80. let 20. století (v době ropné krize, tedy v době hledání ekonomické výroby alternativních paliv). Při teplotě kolem 3000°C se voda rozkládá na různé atomy a molekuly, zejména H, H2, O, O2, OH. Tento způsob byl vynalezen kolem r. 1960, ale dodnes se neujal zejména kvůli vysokoteplotním nárokům na materiály Doplňovanou vstupní surovinou je pouze voda a výsledným produktem vodík a kyslík. 2.2.6 VODÍK Z BIO ZDROJŮ - Rozklad methanolu-štěpení pomocí vodní páry (a katalizátorů) při 300-400°C a 3Mpa H2O + CH3OH = CO2 + 3H2 Dosahuje se vysoké účinnosti- až 90% - Pyrolýza- zplyňování biomasy- biomasa se zahřívá bez přístupu vzduchu. Se vzrůstající teplotou dochází od sušení až k vzniku stabilních plynů (CO, CO2, CH4, H2) 2.2.7 VODÍK JAKO ODPAD Vodík lze získat také jako vedlejší produkt některých průmyslových aplikací- např. při výrobě chlóru a reformování benzínu.

•

V budoucnu se počítá s výrobou vodíku pomocí jaderné energie nebo biomasy.

•

Další způsob, jak v budoucnu vyrábět vodík, je založen na průmyslové využitelnosti přírodních procesů. Při rozkladu organických látek se za přispění některých bakterií uvolňuje vodík,

•

Mezinárodní projekt Hydrosol vyvíjí princip výroby vodíku ze štěpení ve vodě s využitím sluneční energie.


2.2.8 BUDOUCNOST VÝROBY VODÍKU

2 2


Obr. 2.4 vodík – vztah výrobce a uživatel (zdroj: Bertel Schmitt (01 January 2011) )


Obr. 2.3 Mezinárodní projekt Hydrosol vyvíjí princip výroby vodíku ze štěpení ve vodě s využitím sluneční energie

2 3


2.3

SKLADOVÁNÍ VODÍKU •

Skladování vodíku v plynné fázi

•

Skladování vodíku v kapalné fázi

•

Alternativní způsoby skladování

Objemová kapacita systému je u konvenčních způsobů skladování vodíku limitována především hustotou kapalného případně stlačeného vodíku, hmotnostní kapacita systému potom především hmotnostní skladovacích nádob. Konveční způsoby skladování vodíku jsou bezpečné a lety provozu ověřené systémy, jejich technologický potenciál je však téměř vyčerpán. Alternativní způsoby skladování vodíků naopak disponují značným potenciálem a je velmi pravděpodobné, že se v blízké budoucnosti stanou dominantní a to především v mobilních aplikacích. Tab 2.1 porovnání vlastností vodíku v závislosti na druhu skladování / skupenství


Tab 2.2 Porovnání vlastností vodíku a benzinu v závislosti na druhu skladování / skupenství

2 4


2.3.1 SKLADOVÁNÍ VODÍKU V PLYNNÉ FÁZI Stlačený vodík má relativně malou objemovou výhřevnost [kJ/l] nebo [kJ/m3], ale je technologicky jednodušší=levnější na stlačení (kompresory) a na skladování (tlakové nádoby). Kompresory se používají pístové několikastupňové, popř. iontové kompresory s roztokem soli, které jsou schopny stlačit vodík až na 1000 bar. V současné době se pro skladování používá “normalizovaný” tlak 350 bar resp. 700 bar. Energie potřebná ke kompresi na 350 bar je zhruba 30% energetické hodnoty paliva.. 2.3.2 SKLADOVÁNÍ VODÍKU V KAPALNÉ FÁZI zkapalněné plyny se musí skladovat pod teplotou varu (v závislosti na tlaku): Kyslík −182.96 °C , vodík -253 ºC. To vyvolává vysoké nároky na izolaci nádrže a na zkapalnění plynu. Energie potřebná ke zkapalnění vodíku dosahuje cca 40% energetické hodnoty paliva. 2.3.3 SKLADOVÁNÍ VODÍKU V KAPALNÉ FÁZI - KRYOGENÍ NÁDRŽE Používají se např. ve vozech BMW. Ty konkrétně jsou vyrobeny z dvou vrstev 2mm tlustých nerezových plechů s 30 mm tlustým vakuem. Obě vrstvy jsou spojeny uhlíkovýmí vlákny, což minimalizuje tepelný přenos mezi vrstvami. Toto uspořádání má stejný izolační efekt jako 17 m styroporu. Vařicí káva by až za 80 dnů vychladla na poživatelnou teplotu. Tekutý vodík je skladován pod tlakem 3-5 bar a cca -250°C. Tepelné ztráty skrz stěny nádrže způsobují vypařování kapalného vodíku (cca 3% objemu denně). Tím se uvnitř zvyšuje vnitřní tlak, který je upouštěn bezpečnostním ventilem do atmosféry.

Obr. 2.5 kryogenní nádrž (zdroj www.linde.com)


Při současném používání nepřímého vefuku vodíku do sacího potrubí je nutno vodík v nádrži při provozu řízeně zahřívat, aby se zkapalněný vodík začal podle potřeb odpařovat. Potřebné teplo se přivádí z chladicího systému vozidla. Ve srovnání se stlačeným vodíkem na 700 bar nabízí zkapalněný vodík o 75% více energie (vzhledem k objemu nádrže).

2 5


2.3.4 ALTERNATIVNÍ ZPŮSOBY SKLADOVÁNÍ Vedle tradičních způsobů však existuje také velké množství nových, alternativních způsobů skladování. Všechny systémy v této kategorii jsou převážně ve výzkumné a vývojové fázi, jejich realizace jsou nekomerční, demonstrační. Mezi nejzajímavější z nich patří skladování v hydridech, uhlíkatých strukturách a také chemických sloučeninách obsahujících vodík. •

Iontové hydridy

•

Kovové hydridy

•

Hydridy přechodného typu

•

Molekulové (kovalentní) hydridy

•

Polymerní hydridy

Hydridy

•

Metalhydridy

•

Alanáty

•

Borohydridy

•

Uhlíkaté struktury

•

Uhlíkové nanotrubice

•

Skleněné mikrokuličky

•

Chemické sloučeniny obsahující vodík


Systémy skladování vodíku v hydridech jsou založeny na principu absorpce vodíku do materiálů na bázi kovů. Jedná se o exotermní reakci, tzn. že je při absorpci vyvíjeno teplo. Opačného děje desorpce, tedy uvolňování vodíku z materiálu je naopak dosaženo dodáním tepla.

2 6


Obr. 2.7 Objemová hustota energie (zdroj Www.storhy.net)


Obr. 2.6 hmotnostní a objemová kapacita vodíku pro vybrané materiály

2 7


2.4

DISTRIBUCE VODÍKU

Potrubní rozvod – stlačený vodík

Kamion s přívěsem pro stlačený vodík

Tanker pro zkapalněný vodík


Kamion s cisternou pro zkapalněný vodík

2 8


Obr. 2.9 Zkapalněný vodík v kryogenní nádrži. Hmotnost soupravy: 40t, hmotnost vodíku 3300kg


Obr. 2.8 Stlačený plynný vodík v ocelových lahvích. Hmotnost soupravy: 40t, hmotnost vodíku: 350kg

2 9


2.4.1 VODÍKOVÁ DÁLNICE Celkem 20 nových čerpacích stanic na vodík vyroste v Německu během následujících tří let. Půjde o pokračování infrastrukturních programů H2 Mobility a Clean Energy Partnership, které jsou financovány Národním inovačním programem pro vodíkové technologie a palivové články. (zdroj wwwhybrid.cz 02. červen 2011)

Obr. 2.10 vodíková dálnice (zdroj http://www.hyways.de/) Tab.2.3 porovnání účinnosti / výhodnosti paliv – výroba + energetický výdaj (zdroj www.trihybus.cz, www.hytep.cz)

2.5

PRINCIPY VODÍKOVÝCH POHONŮ

Palivový článek vykazuje největší účinnost při malém zatížení. To znamená, že pro dodržení „papírové“ hodnoty účinnosti (až 60%) musí být palivových článků více, což je větší hmotnost a finanční náročnost. Další nevýhodou je pomalá reakce při změně zatížení. Problémy nastávají také při teplotách pod bodem mrazu, neboť uvnitř palivového článku je vodní pára, která může zmrznout. Opětovný start je pak prakticky nemožný. Oproti tomu spalovací motor podle posledních výsledků umí pracovat až s 45% účinností, je léty prověřený, relativně jednoduchý a levný.


spalování vs palivový článek

3 0


Obr 2.11 reálná účinnost systému s palivovým článkem (www.enviweb.cz)

2.5.1 SPALOVÁNÍ VOZÍKU – OMEZENÍ

Obr 2.12 Směsi při použití vodíku


Nevýhodou spalování vodíku je malá objemová výhřevnost směsi, daná nízkou hustotou vodíku. Zejména použití chudých směsí vyžaduje proto přeplňování a pokud možno vstřik vodíku do válce až během sání, nejlépe ke konci sacího zdvihu.

3 1


2.5.2 MOŽNOSTI TVORBY SMĚSI 1) Vstřikování plynu do sacího potrubí a) Centrální vstřik - u benzínu obdoba karburátoru nebo jednobodového vstřikování (monopointinjection), b) Samostatný vstřik pro každé sací potrubí - u benzínu obdoba MPI-(multipoint injection) 2) Vstřikování podchlazeného plynu do sacího potrubí Zvané cryogenic port injection- nasávání studeného (-220°C) vodíku - obdoba vstřikování kapalné váze LPG (při vypařování LPG dojde k snížení teploty nasáté směsi) 3) Přímý vstřik paliva do válce (po uzavření sacího kanálu) -direct injection u benzínu GDI-(Mitsubishi od r.1996), FSI

Obr 2.13 Porovnání spalovaní benzin a vodík v různých formách

Odstranění nízké účinnosti spalovacích motorů na vodík je řešeno řadou projektů a výzkumů např. výzkum BMW H2BVplus – přímý vstřik Motor funguje stejně jako vznětový, palivo tedy nezapaluje svíčka. Je vstřikováno pod tlakem 150300 bar při teplotě -40 až 120°C Ale díky tomu, že motor spaluje vodík, se konstruktéři nemusí


u dieselu všechny TDI a CR

3 2


zabývat emisními limity pevných částic. Proto může na rozdíl od klasických dieselů pracovat se stechiometrickou směsí, tedy s ideálním směšovacím poměrem. Výsledkem těchto úprav je účinnost 42 %, což je hodnota dosahovaná v současnosti těmi nejlepšími turbodiesely.

Obr. 2.14 vozidlo BMW Hydrogen 7 (zdroj BMW) 2.5.3 BMW HYDROGEN 7

Vodíková nádrž je zkonstruována jako kryokontejner a její speciální izolace odpovídá 17 m pěnového polystyrenu. Během cesty ke vstřikovacím ventilům se vodík zahřívá a přechází do plynného skupenství. Nádrž o objemu 168 l dokáže pojmout až 8 kg tekutého vodíku. To je hodnota shodná s 30 l benzinu. Vozidlo má tak dojezd 200 km na vodík a dalších 500 km na benzínový pohon. Nádrž na vodík je ochlazována, ale i přesto teplo z okolí má vliv na tlak v nádrži během jízdy. Aby byl tlak stálý, udržuje se odpařováním vodíku. Celý tento proces je řízen kontrolérem nádrže CleanEnergy.


Při chodu na benzínové palivo dochází k přímému vstřikování benzínu do válce, zatímco při chodu na vodík je směs připravena mimo válec. Výhodou tohoto provedení s dvojitým palivovým systémem je nezávislost na omezené síti vodíkových čerpacích stanic.

3 3


2.5.4 PALIVOVÝ ČLÁNEK Vodík je na anodě katalyticky přeměněn na kationty -ionty H+). Uvolněné elektrony jsou navázány anodou a vytváří elektrický proud, který proudí přes elektrický spotřebič ke katodě. Na katodě se oxidační činidlo (většinou kyslík) redukuje na anionty (O2-), a ty pak reagují s H+ ionty a přeměnují se na vodu. Chemické rovnice:

Oxidace / odevzdání elektronu

Redukce / přijmutí elektronu

Redoxní reakce


Obr. 2.15 základní schéma palivového článku

3 4


Obr. 2.16 přehledové základní schéma palivového článku


Obr. 2.17 přehledové základní schéma umístění zdroje v automobilu při pohonu pomocí palivového článku

3 5


2.5.5 BEZPEČNOST VODÍKU PŘI PROVOZU Lze konstatovat na základě informací a diskuzí s distributory plynů, že vodík jako plyn je bezpečný pokud je dodrženo základních bezpečnostních pravidel. Zejména jde o to, aby nádrže a rozvody byly umístěny tak, aby byly odvětrávány. V případě uniku tak vodík může velice rychle vyprchat do atmosféry. Na obrázku 2.18 je vidět důkaz „bezpečnosti i v případě poruchy systému.

Obr. 2.18 důkaz chování vodíku ver. Benzin v případě poškození systému

2.5.6 ČR A VODÍK V DOPRAVĚ Česká republika je zapojena do výzkumu pohonů vodíku v rámci národních i EU projektů.


Příkladem úspěšného programu VaVaI je projekt TriHyBus

3 6


Obr. 2.19 Projekt TriHyBus (www.trihybus.cz)

Provoz autobusu TriHyBus dle zdrojů z projektu. Typické situace: Normální jízda ustálenou rychlostí: Primárně palivový článek, při vyšších rychlostech se na jízdě podílí také baterie. Ultrakapacitory 0. Krátké brzdění - Městský provoz, krátká jízda z kopce Rekuperace do ultrakapacitorů. Baterie je dobíjena konstantním nízkým výkonem nebo vůbec. Výkon palivového článku je závislý na stupni nabití baterií. Krátká akcelerace - Rozjezd, menší kopec prioritně ultrakapacitory, baterie se zapojuje postupně s jejich klesající kapacitou. Palivový článek dodává téměř konstantní výkon dle stupně nabití baterie. Delší brzdění - delší jízda z kopce Ultrakapacitory jsou během jízdy plně nabity již během několika desítek sekund. Při dostatku brzdné energie je baterie nabíjena maximálním povoleným nabíjecím výkonem. Palivové články dodávají minimální výkon. Přebytek energie je směrován do odporníků, kde se mění v teplo. Delší jízda do kopce, jízda vysokou rychlostí:


Palivové články maximálnímu dle příkonu motoru a dle stupně nabití baterií. Baterie hradí rozdíl v poptávce po výkonu motoru a výkonu palivového článku. Ultrakapacitory jsou na 0.

3 7


2.5.7 EU A VODÍK V DOPRAVĚ

Obr. 2.20 Roadmap a akční plán EU ve vývoji a aplikaci vodíku v dopravě

2.6

AUTOMOBILY NA VODÍKOVÝ POHON

2.6.1 BMW HYDROGEN 7 se začal veřejně prodávat v r.2007. Používá 12-ti válcový motor schopný spalovat benzín nebo vodík při výkonu 260 hp. Využívá konvenční 74 litrovou nádrž na benzín, a nádrž na kapalný vodík, která dokáže pojmout cca 8 kg vodíku (200km). Provoz na benzín umožňuje dojezd dalších 450 km.


Druh spalovaného paliva je pouze na řidiči-mezi vodíkem i benzinem lze libovolně přepínat, dokonce kroutící moment i výkon zůstávají stejné.

3 8


Obr. 2. 21 BMW Hydrogen 7

2.6.2 BMW H2R Tento prototyp byl zkonstruován pouze pro překonávání rychlostních rekordů automobilů poháněných vodíkem. Na rozdíl od ostatních prototypů BMW může jezdit pouze na vodík.Od roku 2004 bylo pokořeno 9 rekordů. Jedním z nich byla i maximální rychlost přes 302 km/h. Technické specifikace: 6L V12 210 kW/285 k

Obr. 2.22 BMW H2R


0-100km/h okolo 6 sekund

3 9


2.6.3 MAZDA RX-8 HYDROGEN RE Dvourotorový motor Mazda RENESIS Hydrogen 13B Dual-Fuel objem 2x 654cm3, výkon a točivý moment 80 kW (109 k) a 140 N.m na vodík, 154 kW (210 k) a 222 N.m na benzin, objem nádrže benzinu 61 l, objem vysokotlakých nádrží vodíku 110 l při tlaku 35 MPa, pohotovostní hmotnost 1460 kg Akční rádius 100 km na vodík a 550 km na benzin.

Obr. 2. 24 Mazda RX-8 Hydrogen RE

2.6.4 MAZDA 5 PREMACY HYDROGEN HYBRID Výhodou tohoto automobilu je možnost spalovat vodík i benzín, ale navíc je vybaven poslední dobou velice módním hybridním systémem.


Tento automobil má totožný motor jako Mazda RX-8 Hydrogen RE, navíc však kromě nádrže na benzín, tlakové nádrže na stlačený vodík a motoru navíc obsahuje velkou baterii, generátor a elektromotor (v jednom). Zdá se, že toto uspořádání přirozenou mezigenerací mezi benzinovými motory a elektromobily s palivovým článkem. Dojezd na vodík je okolo 200 km.

4 0


Obr. 2.25 Mazda 5 Premacy Hydrogen Hybrid

2.6.5 KONCEPTY Koncept Ford P2000 H2ICE (se spalovacím motorem)  

Tento koncept je založen na americké verzi Ford Focus s upraveným motorem 2,0L Zetec. Dojezd se pohybuje kolem 250 km při plnění na 350 bar nebo 430 km při 700 bar.

Ford Focus FCV (s palivovými články)  

Standardní model Focusu váží 1 150 – 1 350 kg. Prototyp s palivovými články váží 1 750 kg. Tato verze má dojezd 250-300 km a dosahuje maximální rychlosti 130 km/h. Elektromotor je třífázový o výkonu 67 kW (90k) [27].

Ford U koncept Koncept z r.2003 má motor 2,3 l s turbodmychadlem a hybridním systémem. Vlastní motor má výkon 88 kW, elektromotor 25 kW [28]. Kapitola: Vodík v dopravě



4 1


3

ZÁVĚR

Kapitola: Závěr

CNG pohon je v dnešní době velice rozvíjen nicméně je zřejmé, že vývoj jde rychleji a automobilky v dnešní době více zaměřují svůj vývoj a výzkum na jedné straně do zdokonalení spalovacích motorů a na straně druhé do tzv. HIGHTECH technologií kde základním zdrojem pohonné energie je elektrická energie. Na základě závěrů nejvýznamnějších automobilek je směr jasný k elektrifikaci a v budoucnu i za použití vodíkových technologií. Otázka zůstává jak se k elektrifikaci dopravy postaví další

4 2

ZEMNÍ PLYN A VODÍK V DOPRAVĚ

Recommend Documents