NAPĘDY I PALIWA ALTERNATYWNE Przygotował: mgr inż. Tomasz Widerski Foto: Toyota
Plan prezentacji: Pojazdy hybrydowe Ogniwa wodorowe Paliwa alternatywne Foto: Porsche
Napęd tradycyjny problem dla środowiska Źródło: www.broward.org Dlaczego szukamy nowych rozwiązań zanieczyszczenie środowiska gigantyczna emisja spalin zmniejszające się pokłady paliw kopalnych (ropa naftowa) rosnąca liczba pojazdów na drogach alarmujący poziomu hałasu 3
Mobilność cywilizacji transport +181% +85% 1990 2020 2050 Prognozy wzrostu transportu drogowego (samochodowo-autobusowego) 4
Zanieczyszczenia Produkcja uboczna silników spalinowych CO CO 2 NO X HC SO 2 Aldehydy (RCHO) Cząstki stałe (związki stałe lub ciekłe zawierające C, N, S, metale i węglowodory ciężkie) Związki ołowiu 5
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 CO 2 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 6
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 7
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% 8
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 9
Napęd hybrydowy - definicja NAPĘD HYBRYDOWY napęd samochodu, w którym współdziałają ze sobą dwa rodzaje napędów silnik spalinowy i silnik elektryczny Foto: Ford 10
Dlaczego hybrydy ochrona środowiska zmniejszenie emisji spalin ograniczenie zużycia paliwa obniżenie poziomu hałasu Foto: Honda Napęd hybrydowy nie jest traktowany jako rozwiązanie ostateczne 11
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
Rynek pojazdów HEV i EV Foto: Honda, Nissan, Toyota 13
Pojazdy 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
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 15
Pojazdy HEV i EV Dynamika pojazdów HEV 16
Rozwiązania konstrukcyjne EV HEV Konfiguracja układu zasilania i napędowego dla pojazdów HEV i EV 17
Rozwiązania konstrukcyjne Foto: Bosch Konfiguracja układu zasilania i napędowego dla pojazdów HEV 18
Rozwiązania konstrukcyjne Foto: Bosch Silnik elektryczny w pojazdach HEV 19
Rozwiązania konstrukcyjne Foto: Bosch System akumulatorowy LiMotive (litowo-jonowy) dla pojazdów EV (HEV) 20
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) 21
Napęd hybrydowy zasada działania Źródło: Technology Review Rozpoczęcie jazdy, małe prędkości - jedynie silnik elektryczny napędza koła, energia jest pobierana z akumulatorów 22
Napęd hybrydowy zasada działania Źródło: Technology Review Przyspieszanie, większe prędkości - silnik spalinowy napędza koła; daje on również energię do ładowania akumulatorów 23
Napęd hybrydowy zasada działania Źródło: Technology Review Gwałtowne przyspieszanie, wjazd pod górkę - koła są napędzane jednocześnie przez silnik spalinowy i elektryczny 24
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 25
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) 26
Wady napędu hybrydowego Cena Ograniczona przestrzeń bagażowa zamontowane akumulatory Drogie komponenty (akumulatory) Osiągi i parametry jezdne 27 Źródło: Ford Źródło: Toyota
Napęd elektryczny Cechy charakterystyczne: Bardzo dobra charakterystyka trakcyjna (siła napędowa - prędkość) Sprawność 0,6 0,8 (po uwzględnieniu wytwarzania energii 0,12 0,24) Problemy: Źródło energii akumulator (akumulator Pb 7,5 tony, odpowiednik energetyczny 50 kg benzyny) 28
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. 29
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 30
Prototypy z napędem elektrycznym Źródło: GM,Opel, VW, BMW, Renault 31
Ogniwa paliwowe Ogniwo paliwowe przetwornik energii chemicznej na elektryczną (synteza wody) 32
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 120 C 80 C 182-250 C 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 33
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. 34
Budowa ogniwa paliwowego 35
Reakcje w ogniwie paliwowym Anoda: 2H 2 4H + + 4e - Katoda: O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O 36
Zasilanie pojazdów ogniwami paliwowymi 4 C 1 B A B 3 2 1 5 C A 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 37
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/dm 3 Duża sprawność (40-60%) Brak emisji SO2, CO, NOx i pyłów; spaliny 100% H 2 O Duża niezawodność przy długiej żywotności (10 tys. h pracy) Cicha praca Małe gabaryty Niskie koszty eksploatacji 38
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. metalowoorganicznych (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) 39
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 40
Ogniwa paliwowe w samochodach Prototypowe pojazdy wykorzystujące ogniwa paliwowe Źródło: BMW Źródło: Mazda Źródło: Ford Źródło: Daimler - Chrysler Źródło: Toyota 41 Źródło: Opel
Inne rozwiązania napędu elektrycznego 42
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 43 Źródło: Ford Motor Company
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 44
Podsumowanie "Zostawmy dzieciom naszą planetę bardziej czystą, niż jest ona dzisiaj". (jedno z haseł reklamowych Toyoty) 45
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ