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