1
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Mez zápalnosti ve 4 75% - H2 (l=12-0,6) 5-15% - CH4 vzduchu Min. zápalná energie ve vzduchu 0,02 mj H2 0,45 mj CH4 V oblasti dolní meze koncentrace plynných paliv se vzduchem je potřebná iniciační energie pro vznícení zhruba shodná rizika při nechtěném úniku jsou stejná 2
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Mez zápalnosti ve vzduchu 4 75% - H2 (l=12-0,6) 5-15% - CH4 Min. zápalná energie ve vzduchu 0,02 mj H2 0,45 mj CH4 V oblasti koncentrací plynných paliv se vzduchem běžných pro spalování v motoru (l =1,4 CH 4, l=2,2 H 2 ) je potřebná iniciační energie pro vznícení H 2 řádově nižší rizika samovznícení od horkých míst. 3
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Teplota samovznícení 858 K H2, 813 K CH4, 500-744 benzin T 1 T 2 Koeficient difuse ve vzduchu 0,61 cm 2 /s H2, 0,16 cm 2 /s CH4 Zhášecí mezera ve vzduchu 0,064 cm H2, 0,2 cm CH4, benzin Množství vyzařované tepelné energie z plamene do okolí 17 25 % - H2 23 33 % - CH4 30 42 % benzin 1 4
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Joule-Thomsonův jev při expansi záporný u H2 a He (převládající vliv odpudivých mezimolekulárních sil, klesající úroveň potenciální energie a růst kinetické ohřev při izoentropické expansi. Inverzní teplota (K) Vodík 200 K Metan. 700 K Je-li počáteční teplota unikajícího plynu rovna inversní teplotě, tak se teplota při adiabatické expansi nemění. Vodík má inversní teplotu velmi nízkou (hluboko pod 0 C) proti počáteční teplotě při uvažovaném úniku, proto se bude teplota vodíku při tomto pochodu zvyšovat. Za určitých podmínek může nastat případ, kdy se unikající vodík zahřeje na teplotu samovznícení. 5
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Hoření vodíku ve dne neviditelné plamen úzký nízká sálavost Plamen uhlovodíkového paliva Plamen vodíku Sálavost plamene do okolí(%) 17-25 Vodík 23-33 Metan 6
Vlastnosti vodíku jako paliva pro spalovací motory Čas 0:00 čas 0:03 - vznícení čas 1:00 H2 téměř vyhořel Porovnání průběhu požáru vzniklého v důsledku nehody automobilů poháněných vodíkem (vlevo) a benzinem (vpravo). Foto: Dr. Swain, University of Miami Hustota plynu (kg/m 3 ) 0,084 Vodík 0,65 Metan 4,4 Benzin Difuze ve vzduchu (cm 2 /s) 0,61 0,16 0,05 Čas 2:40 vozidlo na benzin zcela zničeno 7
CO 2 f výrobní _ náklady Evivalent vývinu CO2 ( g / km ) 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Benzin / Nafta CGH 2 z NG EtOH z cukrovky EtOH z DO Bioplyn Benzin/ Nafta (s daní) LH 2 z NG ME z řepkového oleje CGH 2 z DO LH 2 z DO CGH 2 z VE 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Náklady na výrobu paliva ( EU / MJ ) LH 2 z VE LH 2 z SE CGH2 - stlačený plynný vodík LH2 - kapalný vodík EtOH - ethanol ME - methyl ester ------------------------------------- DO - dřevěný odpad VE - větrná energie SE - sluneční energie 8
DIMETYLÉTER (DME) syntetické palivo s energetickou účinnosti (1 litru dimetyléteru odpovídá 0,97 litrů motorové nafty). Výroba buď z fosilní suroviny, pak palivo Gas-to-Liquid (GtL), nebo biologicky obnovitelná surovina (dřevo, sláma a další zemělské odpady), pak mluvíme o palivu Biomasto-Liquid (BtL). Z hlediska požadavků na snižování CO 2 má perspektivu BtL, jehož technologie pro ekonomickou výrobu je ve vývoji (společný projekt DaimlerChrysler, VW a Chozen Industrie). BtL má širokou surovinovou základnu, vykazuje v provozu motorů nižší kouřivost a lepší zápalnost, je bez aromátů, bez síry a lze ho používat bez nutnosti větších úprav motorů. Nevýhodou jsou prozatím velké investice na zavedení výroby. BIONAFTA (FAME fatty acid methyl esters) palivo z obnovitelných zdrojů, v první generaci ze všech olejnin, nebo v druhé generaci ze zemědělských a lesnických zbytků. V Evropě se prozatím používá k výrobě semen řepky olejky, kdy z řepkového oleje procesem transesterifikace za přítomnosti metanolu a katalyzátoru vzniká MERO (methyl esters of rapeseed oil). Vedlejším produktem je glycerin využívaný v mazivech a kosmetice. Energetická účinnost (1 litru MERO odpovídá 0,91 litrů motorové nafty). V praxi je odsouhlasen provoz motorů na směs 5 % MERO v motorové naftě, na tzv. směsné palivo B5, které může být v nemodifikovaných motorech používáno bez problémů. Je předpoklad uvolnění provozu na vyšší koncentrace B30 (již USA, PSA/Peuegot- Citroen). Nevýhodou je vazba na zemědělskou půdu, omezený pěstitelský potenciál a potřebný fosilní metanol. 9
ROSTLINNÝ OLEJ (PPO pure plant oil) Jedná se o neupravený rostlinný olej z řepky olejky nebo dalších olejnin, který lze spalovat jen za určitých podmínek v upravených motorech. Poměrně vysoká energetická účinnost (1 litru PPO odpovídá 0,96 litrů motorové nafty). Použití v praxi je velmi řídké, neplní limity emisí Euro 4 a 5, proto jsou hlavními uživateli mimosilniční vozidla a stroje v zemědělství a lesnictví. Používání je stále ve stádiu experimentů na klasických vstřikovacích systémech s nízkými vstřikovacími tlaky. Je málo pravděpodobné, že složité vstřikovací systémy Common Rail umožní širší použití těchto paliv. Určitá šance je snad u traktorů, kde může být největší spotřebitelská poptávka. Výhodou je jednoduchá a levná výroba tohoto paliva a jeho biologická odbouratelnost při úniku následkem havárie. Nevýhodou je omezený surovinový potenciál, omezená zápalnost a snížené možnosti pro plnění nejpřísnějších limitu emisí, problémy při nasazení filtrů pevných částic a zvýšené náklady na přestavbu motorů. Vozidlové motory Scholz 20008/2009 10