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

Kapitola: Obsah OBSAH 1 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 2

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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. 1.1.1 PÁR FAKTŮ O CNG V DOPRAVĚ 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. 3

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 1.1.2 ASPEKTY VYUŽÍVÁNÍ CNG Ekologické emise CO 2 sníženy až o 30% emise NO x 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) Provozní 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 4

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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) Strategické 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 5

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 1.1.5 HISTORIE POUŽÍVÁNÍ ZEMNÍHO PLYNU V DOPRAVĚ 1.1.6 SKLADOVÁNÍ CNG 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. 8

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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: 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. Obr. 1.5 Autobus na CNG (http://bus.tedom.cz/) 9

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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

Kapitola: Zemní plyn v dopravě Obr. 1.7 Směšovací karburátor Venturiho mixer (zdroj www.landirenzo.com) Obr. 1.8 Tlaková nádoba na stlačený zemní plyn (zdroj www.landirenzo.com) Obr. 1.9 Tlaková nádoba na stlačený zemní plyn (zdroj www.landirenzo.com) 1 2

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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 1.10 schéma vozidla na CNG vstřikování 2. Generace (zdroj www.landirenzo.com) Obr 1.11 Mixer vzduch - CNG Mixer je umístěný mezi vstup vzduchového filtru a škrticí klapku (zdroj www.landirenzo.com) 1 3

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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 Nejpokročilejší technologie opět částečná analogie s vícebodovým vstřikováním Obr 1.12 schéma třetí generace pohonu CNG 1 4

Kapitola: Zemní plyn v dopravě w Obr 1.13 Princip pohonů CNG sekvenční vstřikování Obr 1.13 Princip pohonů CNG sekvenční vstřikování - vstřikovače 1 5

Kapitola: Zemní plyn v dopravě Obr 1.14 Princip pohonů CNG sekvenční vstřikování technologie / princip schéma Obr 1.15 Rozdíl rozptylu / směšováni při vstřikovaní mezi plynem CNG a benzínem vlevo CNG, vpravo benzin (zdroj www.landirenzo.com) 1 6 w

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 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). 1.4 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) 1.5 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 7

Kapitola: Zemní plyn v dopravě 47 miliard m 3 zemního plynu pro motorového paliva (v současnosti 0,5 miliard m 3 ) 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. V Evropě jsou již tradičně v oblasti CNG aktivní: 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) 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) Důležité vlastnosti vodíku pro spalování Široký rozsah vznětlivosti Nízká energie vzplanutí Vysoká teplota samovznícení Různá rychlost hoření při rozdílně bohaté směsi Nízká hustota Vysoká difuzivita 2.2 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) 1 9

2) Z vody 3) Vodík z BIO zdrojů 4) Vodík jako odpad a) Elektrolýza vody b) Vysokoteplotní elektrolýza c) Termický rozklad vody a) Rozklad methanolu-štěpení pomocí vodní páry b) Pyrolýza- zplyňování biomasy 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 Pro výrobu se používá zemní plyn (směs metanu (CH4)) a horká pára. 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: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 konverze CO: CO + H 2 O CO 2 + H 2 2 0

2.2.2 PARCIÁLNÍ OXIDACE- (ČÁSTEČNÉ SPALOVÁNÍ) CH 4 + O 2 = CO + 2H 2 CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 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: 2H 2 O 2H 2 + O 2 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. 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 %. Obr 2.2 výroba vodíku elektrolýzou s využitím větrné energie (zdroj www.global-greenhouse-warming.com) 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, CO 2, CH 4, H 2 ) 2.2.7 VODÍK JAKO ODPAD Vodík lze získat také jako vedlejší produkt některých průmyslových aplikací- např. při výrobě chlóru a reformování benzínu. 2.2.8 BUDOUCNOST VÝROBY VODÍKU 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

Obr. 2.3 Mezinárodní projekt Hydrosol vyvíjí princip výroby vodíku ze štěpení ve vodě s využitím sluneční energie Obr. 2.4 vodík vztah výrobce a uživatel (zdroj: Bertel Schmitt (01 January 2011) ) 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. 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). Obr. 2.5 kryogenní nádrž (zdroj www.linde.com) 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. Hydridy Iontové hydridy Kovové hydridy Hydridy přechodného typu Molekulové (kovalentní) hydridy Polymerní hydridy 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. Metalhydridy Alanáty Borohydridy Uhlíkaté struktury Uhlíkové nanotrubice Skleněné mikrokuličky Chemické sloučeniny obsahující vodík 2 6

Obr. 2.6 hmotnostní a objemová kapacita vodíku pro vybrané materiály Obr. 2.7 Objemová hustota energie (zdroj Www.storhy.net) 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. 2.8 Stlačený plynný vodík v ocelových lahvích. Hmotnost soupravy: 40t, hmotnost vodíku: 350kg Obr. 2.9 Zkapalněný vodík v kryogenní nádrži. Hmotnost soupravy: 40t, hmotnost vodíku 3300kg 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 spalování vs palivový článek 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. 3 0

Obr 2.11 reálná účinnost systému s palivovým článkem (www.enviweb.cz) 2.5.1 SPALOVÁNÍ VOZÍKU OMEZENÍ 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. Obr 2.12 Směsi při použití vodíku 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 směsi) - obdoba vstřikování kapalné váze LPG (při vypařování LPG dojde k snížení teploty nasáté 3) Přímý vstřik paliva do válce (po uzavření sacího kanálu) -direct injection u benzínu GDI-(Mitsubishi od r.1996), FSI u dieselu všechny TDI a CR 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 150-300 bar při teplotě -40 až 120 C Ale díky tomu, že motor spaluje vodík, se konstruktéři nemusí 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 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. 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. 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

Provoz autobusu TriHyBus dle zdrojů z projektu. Typické situace: Normální jízda ustálenou rychlostí: Obr. 2.19 Projekt TriHyBus (www.trihybus.cz) 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 0-100km/h okolo 6 sekund Obr. 2.22 BMW H2R 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]. 4 1

Kapitola: Závěr 3 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