Top Banner
NAPĘDY I PALIWA ALTERNATYWNE Przygotował: mgr inż. Tomasz Widerski Foto: Toyota
46

NAPĘDY I PALIWA ALTERNATYWNEdsod.p.lodz.pl/materials/EwP08_A01.pdfPaliwa alternatywne Foto: Porsche . 3 ... Paliwa i źródła napędu ... zużycie energii 5kW/100km (odpowiednik

Sep 24, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
  • NAPĘDY I PALIWA ALTERNATYWNE

    Przygotował:

    mgr inż. Tomasz Widerski Foto: Toyota

  • Plan prezentacji:

    Pojazdy hybrydowe

    Ogniwa wodorowe

    Paliwa alternatywne

    Foto: Porsche

  • 3

    Napęd tradycyjny – problem dla środowiska

    Dlaczego szukamy nowych

    rozwiązań

    zanieczyszczenie środowiska

    „gigantyczna” emisja spalin

    zmniejszające się pokłady paliw

    kopalnych (ropa naftowa)

    rosnąca liczba pojazdów na

    drogach

    alarmujący poziomu hałasu

    Źródło: www.broward.org

  • 4

    Mobilność cywilizacji

    Prognozy wzrostu transportu drogowego (samochodowo-autobusowego)

    1990 2020 2050

    transport

    +85%

    +181%

  • 5

    Zanieczyszczenia

    „Produkcja uboczna” silników spalinowych

    CO

    CO2

    NOX

    HC

    SO2

    Aldehydy (RCHO)

    Cząstki stałe (związki stałe lub ciekłe zawierające

    C, N, S, metale i węglowodory ciężkie)

    Związki ołowiu

  • 6

    Ograniczenia zanieczyszczeń

    Stan Kalifornia 1990 – obowiązek równoległej

    sprzedaży aut o napędzie tradycyjnym i pojazdów z

    emisją zerową ZEV (2003 – 10% udział pojazdów

    ZEV)

    Europa 2008 – zmniejszenie emisji CO2 w spalinach

    do 140g/1km (redukcja zużycia paliwa do 5,3l/100km

    dla silników wysokoprężnych i 5,8l/100km dla silników

    benzynowych)

    Porównanie: Lata 70te USA – średnia spalania

    17,3l/100km

  • 7

    Paliwa i źródła napędu

    Pochodne paliw kopalnych –

    benzyna

    olej napedowy

    nafta

    LPG (propan butan)

    LNG (gaz ziemny)

    Inne –

    Etanol (bioetanol)

    metanol

    metan (biomasa)

    olej roślinny (rzepakowy)

    olej syntetyczny

    gaz drzewny

    ogniwa paliwowe (wodór)

    napęd elektryczny

  • 8

    Rozwój pojazdów z napędem elektrycznym

    Pierwsze pojazdy z napędem elektrycznym:

    1881 – Mr. Trouve, Francja

    1882 – W. Ayrton i J. Perry, Anglia (prędkość 14km/h, zasięg 16-40 km)

    1890 – A.L. Rikier, USA (prędkość 19km/h, zasięg 48 km)

    1900 – USA: energia elektryczna - 38% pojazdów

    benzyna - 22%

    para – 40%

  • 9

    Rozwój pojazdów z napędem elektrycznym

    1969 – Pierwsza wzmianka o koncepcji pojazdu hybrydowego (XP-883

    General Motors – Silnik spalinowy benzynowy, dwucylindrowy + silnik

    elektryczny + bateria 6ciu akumulatorów 12V)

    1986 – Pierwsze Grand Prix samochodów elektrycznych

    wygrana: pojazd firmy Horlacher AG (masa 450kg, prędkość max 120km/h, śr 55.4km/h, zasięg 547km, zużycie energii 5kW/100km (odpowiednik

    0,5l/100km)

    1970 – Volkswagen opracowuje miejski pojazd z napędem hybrydowym (VW

    Taxi)

    1975 – AM General produkuje serię samochodów elektrycznych dla rządu USA

    1997 – Toyota wypuściła na rynek pierwszy model samochodu hybrydowego

    Toyota Prius (2003 – 2ga gen.)

    Foto: Toyota

  • 10

    Napęd hybrydowy - definicja

    NAPĘD HYBRYDOWY

    – napęd samochodu, w którym

    współdziałają ze sobą dwa

    rodzaje napędów – silnik

    spalinowy i silnik elektryczny

    Foto: Ford

  • 11

    Dlaczego hybrydy

    ochrona środowiska

    zmniejszenie emisji spalin

    ograniczenie zużycia

    paliwa

    obniżenie poziomu hałasu

    Foto: Honda

    Napęd hybrydowy nie jest traktowany jako rozwiązanie ostateczne

  • Rynek pojazdów HEV i EV

    • Produkty dostępne:

    • Pojazdy hybrydowe (HEV) - silnik spalinowy + silnik elektryczny;

    ładowanie akumulatorów z „generatora” sprzężonego z jednostką

    napędową

    • Produkty prototypowe i w fazie projektów:

    • Pojazdy hybrydowe (PHEV) - silnik elektryczny + silnik spalinowy;

    ładowanie akumulatorów z „gniazdka”

    • Pojazdy elektryczne (EV) – silnik elektryczny; energia z akumulatorów,

    ogniw paliwowych lub super-kondensatorów; ładowanie akumulatorów z

    „gniazdka” 12

  • Foto: Honda, Nissan, Toyota

    13

    Rynek pojazdów HEV i EV

  • Właściwości pojazdów:

    • Dobra dynamika pojazdu (moment obr./prędkość obr.)

    • Optymalizacja pracy silnika spalinowego (sprawność/emisja spalin)

    • „Downsizing” – zastosowanie mniejszego silnika spalinowego przy

    zachowaniu całkowitej mocy układu

    • „Downspeeding” – mniejsze wartości przełożeń dla uzyskania tych

    samych osiągów

    • Odzyskiwanie energii podczas hamowania (rekuperacja)

    • Układ START-STOP

    • Dodatkowa moc chwilowa

    • Pobór mocy (30-75kW HEV; 30-100kW EV)

    14

    Pojazdy HEV i EV

  • 15

    Napęd hybrydowy – założenia

    Dwie jednostki napędowe – silnik spalinowy i silnik elektryczny.

    Wykorzystanie zasady synergii (efekt wspólnego działania jest większy niż suma poszczególnych oddzielnych).

    Wykorzystanie silnika elektrycznego w trakcie jazdy miejskiej (małe prędkości, małe obciążenie).

    Wykorzystanie silnika spalinowego w trakcje jazdy dynamicznej (duże prędkości, duże obciążenie).

    Automatyczne przełączanie obu jednostek bez ingerencji kierowcy.

    Źródło: Toyota

  • Dynamika pojazdów HEV

    16

    Pojazdy HEV i EV

  • Rozwiązania konstrukcyjne

    Konfiguracja układu zasilania i napędowego dla pojazdów HEV i EV

    HEV

    EV

    17

  • Rozwiązania konstrukcyjne

    Konfiguracja układu zasilania i napędowego dla pojazdów HEV 18 Foto: Bosch

  • Rozwiązania konstrukcyjne

    Silnik elektryczny w pojazdach HEV 19

    Foto: Bosch

  • Rozwiązania konstrukcyjne

    System akumulatorowy LiMotive (litowo-jonowy) dla pojazdów EV (HEV) 20 Foto: Bosch

  • 21

    Napęd hybrydowy – budowa

    Układ hybrydowy szeregowy - silnik spalinowy napędza generator, który

    zasila silnik elektryczny i ładuje akumulatory (wysoka sprawność silnika

    spalinowego, prędkości obrotowe dobrane do max. momentu obrotowego).

    Układ hybrydowy równoległy – koła są napędzane z silnika spalinowego

    i/lub elektrycznego (silnik spalinowy wspomaga przy dużym

    zapotrzebowaniu na energię)

  • 22

    Napęd hybrydowy – zasada działania

    Źródło: Technology Review

    Rozpoczęcie jazdy, małe prędkości

    - jedynie silnik elektryczny napędza koła, energia jest pobierana z

    akumulatorów

  • 23

    Napęd hybrydowy – zasada działania

    Przyspieszanie, większe prędkości

    - silnik spalinowy napędza koła; daje on również energię do ładowania

    akumulatorów

    Źródło: Technology Review

  • 24

    Napęd hybrydowy – zasada działania

    Źródło: Technology Review

    Gwałtowne przyspieszanie, wjazd pod górkę

    - koła są napędzane jednocześnie przez silnik spalinowy i elektryczny

  • 25

    Napęd hybrydowy – zasada działania

    Źródło: Technology Review

    Hamowanie, zmniejszanie prędkości

    - silnik spalinowy nie pracuje; silnik elektryczny pracuje jako prądnica

    zamieniając energię kinetyczną kół na energię elektryczną, która ładuje

    akumulatory

  • 26

    Zalety napędu hybrydowego

    Funkcjonalność

    Parametry jezdne porównywalne z tradycyjnymi pojazdami

    Niskie zużycie paliwa

    Spełniona norma czystości spalin SULEV (Super Ultra Low Emission

    Vehicle)

    Niski poziom hałasu (na zewnątrz pojazdu)

  • 27

    Wady napędu hybrydowego

    Cena

    Ograniczona przestrzeń bagażowa – zamontowane akumulatory

    Drogie komponenty (akumulatory)

    Osiągi i parametry jezdne

    Źródło: Ford Źródło: Toyota

  • 28

    Napęd elektryczny

    Cechy charakterystyczne:

    Bardzo dobra charakterystyka trakcyjna (siła

    napędowa - prędkość)

    Sprawność 0,60,8 (po uwzględnieniu wytwarzania

    energii 0,120,24)

    Problemy:

    Źródło energii – akumulator (akumulator Pb – 7,5

    tony, odpowiednik energetyczny 50 kg benzyny)

  • 29

    Napęd elektryczny

    Wady:

    Samochody elektryczne są bardzo ciche i przez to łatwiej o kolizję z

    pieszym

    Zasięg - do 500 km na jednym ładowaniu (po włączeniu ogrzewania lub

    klimatyzacji zasięg samochodu elektrycznego drastycznie spada)

    Ładowanie - do 2010 r. 10-16 godzin (podróż z Warszawy do Gdańska trwa

    3 dni), od 2011 r. 45 minut (ewentualne stacje wymiany akumulatorów

    podnoszą znacznie koszt eksploatacji)

    Przy -20 st. C pojemność akumulatorów spada do 50%, co po włączeniu

    ogrzewania może oznaczać że zasięg nie przekroczy 50 km.

    Mniejszy bagażnik i ładowność (akumulatory).

    Komplet akumulatorów starcza na około 200 tys km lub 10 lat (wysoki koszt

    zakupu nowych akumulatorów).

    Skracanie się zasięgu wraz z zużywaniem się akumulatorów.

    Cena zakupu około 30-40% wyższa niż odpowiednika spalinowego.

    Bardzo duża utrata wartości samochodu po 6-7 latach eksploatacji.

  • 30

    Prototypy pojazdów z napędem

    elektrycznym

    BMW E1/E2

    Fiat Panda Elettra

    Mercedes Benz 190 EV

    Mercedes A ZEV

    Peugeot 106 EV

    Renault ZOOM

    VW City Stromer

    VW ElectroVan

    Opel Impuls 2

    Ford Escort Ecostar

    GM Impact

    GM EV1

    Honda EV Plus

    Nissan FEV

    Nissan Hypermini

    Nissan Praire Joy

    Toyota RAV4 EV

    Toyota E-com

    Pojazdy osobowe dla 2 i 4 osób, zasięg śr. 120km, prędkość max. do 120km/h

  • 31

    Prototypy z napędem elektrycznym

    Źródło: GM,Opel, VW,

    BMW, Renault

  • 32

    Ogniwa paliwowe

    Ogniwo paliwowe – przetwornik energii

    chemicznej na elektryczną (synteza wody)

  • 33

    Rodzaje ogniw paliwowych

    Nazwa ogniwa Alkaliczne AFC

    Z membraną

    polimerową

    PEMFC

    Fosforanowe PAFC

    Rodzaj elektrolitu Wodny roztwór

    KOH

    Membrana

    polimerowa Kwas fosforowy

    Katalizator Ni, Ag Pt Pt

    Temperatura

    pracy 120C 80C 182-250C

    Czas rozruchu Kilka sekund Kilka sekund 10-20 min

    Paliwo Czysty wodór Wodór Wodór

    Źródło paliwa Elektroliza wody Gaz naturalny,

    metanol

    Gaz naturalny,

    metanol

    Zastosowanie

    Pojazdy kosmiczne,

    łodzie podwodne,

    samochody

    Pojazdy kosmiczne,

    samochody

    Elektrownie,

    samochody

  • 34

    Wodór jako paliwo

    Zalety

    - Jest ekologiczny (produktem spalania jest woda).

    - Ma małą energię inicjacji zapłonu.

    - Jest łatwiejszy i tańszy w magazynowaniu niż energia

    elektryczna.

    - Jego zapasy są praktycznie niewyczerpane (składnik wody).

    Wady

    - Tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową.

    - Dyfunduje przez metale.

  • 35

    Budowa ogniwa paliwowego

  • 36

    Reakcje w ogniwie paliwowym

    Anoda:

    2H2 → 4H+ + 4e-

    Katoda:

    O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

  • 37

    Zasilanie pojazdów ogniwami paliwowymi

    1

    4

    5

    AC

    B1C

    3 2

    A

    B

    Wykorzystanie zbiornika wodoru.

    1 – ogniwo paliwowe

    2 – zbiornik wodoru

    3 – silnik napędowy

    4 – DC/DC

    5 – doprowadzenie powietrza

    A – energia chemiczna

    B – energia elektryczna

    C – energia mechaniczna

  • 38

    Właściwości ogniw paliwowych

    Wynalazek starszy od silnika spalinowego o 40 lat

    Działanie oparte na reakcji wodoru z tlenem (odwrotność hydrolizy)

    Tanie paliwo - wodór

    Pojedynczy segment – 0,5÷1V; 0,6W;

    Całe ogniwo – 300÷450V; 60÷100kW; gęstość mocy do 2kW/dm3

    Duża sprawność (40 - 60%)

    Brak emisji SO2, CO, NOx i pyłów; spaliny – 100% H2O

    Duża niezawodność przy długiej żywotności (10 tys. h pracy)

    Cicha praca

    Małe gabaryty

    Niskie koszty eksploatacji

  • 39

    Ogniwa paliwowe – problemy konstruktorów

    Problemy z przechowywaniem wodoru:

    postać gazowa (70MPa, silnie wybuchowy, zbiorniki w kształcie walca lub kuli,

    gabaryty)

    postać ciekła (duże koszty, duży nakład energii na skroplenie – 1/3 energii

    wodoru, straty ciepła w zbiorniku, zbiorniki tylko o kształcie walca lub kuli,

    parowanie wodoru w zbiorniku)

    postać stała – wodorki, w postaci hydratów metalicznych lub zw. metalowo-

    organicznych (brak wybuchowości, wymagane podgrzewanie, duże

    koszty, zanieczyszczenie wodoru)

    Zachowanie bezpieczeństwa

    Doprowadzenie wodoru i powietrza (zawory impulsowe, sprężarki),

    nawilżanie powietrza

    Chłodzenie stosu ogniw

    Brak „wodorowych stacji benzynowych” (ok. 200 na całym świecie)

  • 40

    Ogniwa paliwowe w samochodach

    Samochody wykorzystujące ogniwa paliwowe na dzień dzisiejszy

    poruszają się z prędkością 100 – 150km/h przy zasięgu 250 – 450km.

    Parametry jezdne (Opel Zafira):

    prędkość max. - 140km/h

    0-100km/h – 16 s

    zasięg – 400 km

    Źródło: Opel

  • 41

    Źródło: BMW

    Prototypowe pojazdy wykorzystujące ogniwa paliwowe

    Źródło: Daimler - Chrysler

    Źródło: Opel

    Źródło: Mazda Źródło: Ford

    Źródło: Toyota

    Ogniwa paliwowe w samochodach

  • 42

    Inne rozwiązania napędu elektrycznego

  • 43

    Porównanie napędów alternatywnych

    Pojazdy

    konwencjonalne

    Pojazdy

    hybrydowe

    Pojazdy

    „Fuel Cells”

    Zasięg 600 – 700 km 725 – 885 km 160 – 400 km

    Paliwo benzyna benzyna wodór

    Oszczędność

    paliwa

    100%

    (7,5l/100km)

    50 – 70 %

    (ok. 3-5l/100km)

    Odpowiednik

    2,4l/100km

    Norma czystości

    spalin Odnośnik

    SULEV (95%

    mniej)

    tzw. Zero -

    Emission

    Źródło: Ford Motor Company

  • 44

    Podsumowanie

    Zwiększony nacisk na ekologiczne aspekty użytkowania pojazdów

    Zwiększenie świadomości ekologicznej

    Poszukiwania alternatywnych rozwiązań w stosunku do silników

    spalinowych

    Wzrost zainteresowania pojazdami z napędem hybrydowym i

    elektrycznym

    Produkcja seryjna pojazdów hybrydowych

    Testy przedprodukcyjne pojazdów z ogniwami paliwowymi

  • 45

    Podsumowanie

    "Zostawmy dzieciom naszą

    planetę bardziej czystą, niż

    jest ona dzisiaj". (jedno z haseł reklamowych Toyoty)

  • DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ