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
