Mendelova univerzita v Brně

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Alternativní pohony silničních vozidel Bakalářská práce Vedoucí práce prof. Ing. František Bauer, CSc. Vypracoval Michal Kutálek

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Alternativní pohony silničních vozidel vypracoval samostatně, pod vedením vedoucího práce pana prof. Ing. Františka Bauera, CSc. A veškeré zdroje, ze kterých jsem čerpal, jsem uvedl v přehledu použité literatury. V... dne......... Michal Kutálek

Poděkování Děkuji panu prof. Ing. Františku Bauerovi, Csc., vedoucímu mé bakalářské práce, za metodické vedení při jejím psaní a za odborné rady.

ABSTRAKT V bakalářské práci jsem se zaměřil na objasnění současného stavu ve využívání alternativních pohonů u silničních vozidel. Uvádím alternativní pohony, které se v současné době nejvíce rozvíjejí a jsou již v sériovém prodeji. Zabývám se také důvody jejich vývoje. První část je věnovaná elektromobilům. Zde se snažím popsat jejich základní charakteristiky a principy fungování. A také poukázat na výhody a nevýhody. Ve druhé části se zaměřuji na hybridní pohon, jeho rozdělení podle uspořádání pohonu a dělení podle zásobníků elektrické energie. Další část se zabývá vodíkovým pohonem. Zde se věnuji způsobu výroby vodíku a jednotlivým druhům palivových článků. Nakonec přikládám seznam některých vozidel s alternativními pohony, které jsou v současné době v prodeji. Klíčová slova: Alternativní pohon, elektromobil, hybridní vůz, vodíkový pohon. ABSTRACT In my dissertation work I focused on explaining the current state in using alternative drive with road vehicles. I give the alternative drives which are mostly developed and sold in series these days. I also deal with the reasons of their development. The first part concerns the electromobiles. I try to describe their basic characteristics and functions principles, too. I also pointed out their advantages and disadvantages. Another part is hybrid drive, its division according to the drive ordering and its various types of electric power storages. The following part concerns hydrogen drive, particularly hydrogen s production process and various kinds of fuel elements. The conclusion summarizes the list of some alternative drive vehicles being sold nowadays. Key words: alternative drive, electromobile, hybrid vehicle, hydrogen drive.

OBSAH 1 Úvod... 7 2 Cíl práce... 8 3 Důvody vzniku a vývoje alternativních pohonů... 9 4 Elektromobily... 11 4.1 Elektromotory... 11 4.1.1 Stejnosměrné motory... 12 4.1.2 Střídavé elektromotory... 13 4.1.3 Transversální elektromotory... 13 4.1.4 Magnetické elektromotory... 14 4.1.5 Reluktanční motory... 15 4.2 Akumulátory... 16 4.2.1 Olověný akumulátor... 16 4.2.2 Akumulátor sodík-síra... 17 4.2.3 Akumulátor nikl-kadmium... 17 4.2.4 Akumulátor lithium-ion... 18 5 Hybridy... 19 5.1 Uspořádání pohonu... 19 5.1.1 Sériové uspořádání... 19 5.1.2 Paralelní uspořádání... 20 5.1.3 Smíšené uspořádání... 21 5.2 Porovnávací parametry... 21 5.3 Zásobník elektrické energie... 22 5.3.1 Akumulátory... 22 5.3.2 Vysoko energetické kondenzátory... 22 5.3.3 Setrvačník... 23 5.4 Plug-in hybrid... 23 6 Vodíkový pohon... 24 6.1 Výroba vodíku... 24 6.2 Palivové články (Kameš 2004, Vlk 2004)... 25 6.2.1 Palivový článek polymer-elektrolyt PEFC... 25 6.2.2 Přímometanolový palivový článek DMFC... 26

6.2.3 Alkalický palivový článek AFC... 26 6.2.4 Palivový článek s kyselinou fosforečnou PAFC... 27 6.2.5 Palivový článek s roztavenými uhličitany MCFC... 27 6.2.6 Palivový článek s tuhými oxidy SOFC... 28 6.2.7 Regenerativní palivový článek... 28 6.2.8 Palivový článek zinek-vzduch... 28 7 Přehled některých sériově vyráběných vozů s alternativním pohonem... 29 7.1 Elektromobily... 29 7.1.1 Nissan Leaf... 29 7.1.2 Mitsubishi i-miev... 30 7.1.3 Tazzari Zero... 31 7.1.4 Think City... 32 7.2 Hybridy... 33 7.2.1 Toyota Prius... 33 7.2.2 Toyota Auris HSD... 34 7.2.3 Lexus CT 200h... 35 7.2.4 Lexus GS 450h... 36 7.2.5 Lexus LS600h... 37 7.2.6 Lexus RX 450h (AWD elektricky řízený pohon všech kol)... 38 7.2.7 Chevrolet Volt... 39 8 Porovnání parametrů jednotlivých typů pohonů... 40 9 Závěr... 43 10 Použitá literatura... 45 11 Seznam obrázků... 46 12 Seznam tabulek... 47

1 ÚVOD V posledních několika letech se ve světě řeší otázka globálního oteplovaní. Jsou odlišné názory na to, co ho způsobuje. Ať už je pravda jakákoliv, je dobře, že se výrobci automobilů snaží škodlivé emise vycházející z výfukových plynů snížit. Existuje několik možností, jak toho dosáhnout. U konvenčních motorů tyto možnosti závisí na umístění. 1. Při umístění před motorem jde například o úpravu směšovacího poměru. 2. Při umístění u motoru se řeší například kompresní poměr, obohacení či vrstvení směsi, nebo recirkulace výfukových plynů. 3. U úprav provedených za motorem je asi nejznámějším způsobem použití katalyzátorů. Tyto úpravy však sníží škodlivé emise jen málo. Daleko většího, až téměř úplného odstranění produkce emisí se dociluje u alternativních pohonů. Mezi ně patří elektromobily, hybridy a vozy s vodíkovým pohonem. Alternativní pohony nahrazují konvenční motory, které se nyní používají nejčastěji. Škodlivé emise ale nejsou jediným důvodem vzniku a vývoje alternativních pohonů. Jelikož jsou zásoby ropy omezené, alternativní pohon řeší i otázku, co nahradí konvenční paliva jako nafta a benzin, vyráběné z ropy. 7

2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je vysvětlit důvod vývoje alternativních pohonů. Uvést jejich typy a zjistit, které jsou v současné době v prodeji. Dále seznámit s jejich základní problematikou a jejich variantami. V závěru práce hodnotí jednotlivé typy alternativních pohonů a vyslovuje názor, který z nich je nejperspektivnější. 8

3 DŮVODY VZNIKU A VÝVOJE ALTERNATIVNÍCH POHONŮ Hlavními důvody vzniku alternativních pohonů jsou snižující se zásoby fosilních paliv ropy i zemního plynu na Zemi, a také zmírnění vlivu emisí výfukových plynů na globální oteplování. Přesné zásoby ropy nejsou známé, jelikož se neví, kolik je ještě neobjevených nalezišť. Podle dostupných informací ze zápisu Mezinárodní energetické agentury (IEA) se zásoby odhadují při současné spotřebě přibližně na dalších 200 let. (Lidovky.cz) Snižující se zásoby fosilních paliv vedou k jejich postupnému a nevyhnutelnému zdražení. Výpočty zásob ropy většinou neberou zřetel na ekonomické změny jako zlepšení využití energie vlivem technického pokroku, využívání nekonvenčních zásob ropy apod. Výpočtové modely zásob ropy by měly brát zřetel na podíly nekonvenčních paliv a na různé množství současných zásob dosud známých nalezišť. Obr 3.1: Světové zásoby ropy při dnešní spotřebě (3,5 miliardy t/rok) (Kameš 2004) Škodlivé emise souvisejí se spalováním fosilních paliv. Snížení obsahu škodlivých emisí ve výfukových plynech), zejména oxidu uhelnatého, oxidů dusíků a uhlovodíků, se docílilo použitím katalyzátorů (třícestných a oxidačních). 9

Mezi skleníkové plyny patří oxid uhličitý, freony, metan a oxidy dusíku. Především oxid uhličitý má za následek tzv. skleníkový efekt. Ten urychluje tání ledovců a s tím související zvedající se hladinu oceánů. (Kameš 2004) Oxidy dusíku mají za následek narušování ozónové vrstvy. Narušenou ozónovou vrstvou proniká ultrafialové záření, to zvyšuje riziko rakoviny kůže. Dalším problémem jsou kyselé deště, které jsou způsobovány oxidy dusíku, oxidem siřičitým a amoniakem. Celosvětová produkce CO 2 byla v roce 2010 přibližně 29,6 mld. t. Vzhledem k nežádoucím účinkům emisí udávají v Evropě jejich maximální množství ve výfukových plynech emisní normy. Nyní platí emisní norma EURO 5. Tab 3.1: Tabulka emisních norem. Veškeré údaje jsou uváděny v g/km při kombinovaném provozu Název Platnost CO HC NOx HC+NOx PM Diesel Euro 1 od 1993 2,72 - - 0,97 0,14 Euro 2 1996 1 - - 0,9 0,1 Euro 3 2000 0,64-0,5 0,56 0,05 Euro 4 2005 0,5-0,25 0,3 0,025 Euro 5 od září 2009 0,5-0,18 0,23 0,005 Euro 6 (návrh) od září 2014 0,5-0,08 0,17 0,005 Benzín Euro 1 od 1993 2,72 - - 0,97 - Euro 2 1996 2,2 - - 0,5 - Euro 3 2000 1,3 0,2 0,15 - - Euro 4 2005 1,1 0,1 0,08 - - Euro 5 od září 2009 1,1 0,075 0,06-0,0005 Zdroj: www.nazeleno.cz Alternativní pohony jsou vyvíjeny s ohledem na jejich ekonomii a především ekologii. To znamená, aby měly nižší emise a byly z obnovitelných zdrojů. 10

4 ELEKTROMOBILY Elektromobily se v automobilovém průmyslu objevovaly již od jeho počátku. Jejich vývoj byl však redukovaný, protože se rychle rozvíjely spalovací motory, zpočátku především zážehové. Jejich hlavními výhodami jsou nízká hlučnost, nižší náklady na ujetý kilometr, uspokojivá výkonnostní charakteristika a především takřka žádné škodlivé emise. Nevýhodou je nižší výkon, malý dojezd a vyšší pořizovací cena. Elektromobily se osvědčují v lokalitách, ve kterých jsou výfukové emise a hluk nežádoucí. Jedná se o pěší zóny, nádraží, letiště apod. Stejně jako u vozidel se spalovacím motorem se i u elektromobilů setkáme s motorem, převodovkou, hnací hřídelí, diferenciálem a rozvodovkou. Dále se také používá tandemové hnací ústrojí nebo elektromotory umístěné v nábojích kol. 4.1 Elektromotory U elektromobilů se používá několik druhů elektromotorů, a to stejnosměrné, střídavé, magnetické, transversální a reluktanční řízené. Pro všechny elektromotory platí, že dosahovaný moment je proporcionální magnetické indukci ve vzduchové mezeře, k axiální délce rotoru a ke kvadrátu poloměru vzduchové mezery. Vzhledem ke kvadratické závislosti momentu na poloměru vzduchové mezery je výhodná konstrukce vnějšího rotoru. Vlk (2004, str.126) B baterie; E elektromotor; D - diferenciál Obr 4.1: Uspořádání hnacího ústrojí elektromobilů (Vlk 2004) 11

4.1.1 Stejnosměrné motory U těchto typů motorů se používá několik způsobů buzení. Při použití sériového buzení je s kotvou sériově zapojeno budící vinutí. Tento typ se vyznačuje nejjednodušší regulací a charakteristikou točivého momentu, tj. že s rostoucími otáčkami klesá točivý moment. Nevýhodou tohoto buzení je, že nesmí pracovat bez zatěžovacího momentu. V případě, kdy je budící vinutí připojeno k cizímu zdroji, jedná se o cizí buzení. Budící vinutí a kotvu lze zapojit jak sériově, tak i paralelně. Sériové zapojení má lepší počáteční točivý moment, ale se zvyšujícími se otáčkami prudce klesá. Oproti tomu při paralelním zapojení klesá točivý moment pozvolna. Viz. obr. 1.2. Předností tohoto buzení je plynulá a snadná regulace v širokém rozsahu. Při použití nabíjecího zařízení s křemíkovými usměrňovači jej lze připojit na střídavou síť 240/410 V. Motory s tímto buzením se mohou přetěžovat, a to až o 100 % při krátkodobém přetížení. Z důvodů omezení otáček na cca 7000 min -1 se musí použít vícestupňová převodovka. Oproti sériovému buzení je průběh točivého momentu lineárně klesající. Izolace a akumulátory zvyšují celkové náklady. Dalším typem buzení je derivační buzení. V tomto případě je zapojení provedeno pomocí samostatných regulačních prvků, přes které jsou ke zdroji paralelně připojeny budící vinutí a obvod kotvy. Stejně jako motory s cizím buzením mají i motory s derivačním buzením tvrdou momentovou charakteristiku a snadnou a plynulou regulaci, ale v menším rozsahu. Posledním typem buzení je buzení smíšené. Skládá se ze dvou budících vinutí. První je zapojeno do série a to druhé paralelně. Sériové vinutí snižuje otáčky a zvyšuje točivý moment při zatížení motoru. Omezení otáček na prázdno je zajišťováno paralelním vinutím. 12

Obr 4.2: Charakteristiky paralelního a sériového stejnosměrného elektromotoru (Kameš 2004) 4.1.2 Střídavé elektromotory Ke střídavým elektromotorům patří třífázový asynchronní elektromotor. U tohoto motoru není vinutí kotvy a kolektor, díky čemuž může dosahovat otáček až 20 000 min -1. Tato konstrukce je jeho největší výhodou. Při porovnání stejnosměrného a střídavého elektromotoru o stejném výkonu je asynchronní elektromotor menší a lehčí. Jeho výhoda je také v jednodušší konstrukci, bezúdržbovosti a ve velké přetížitelnosti. Rekuperace brzdné energie dosahuje velmi dobré účinnosti. Snad jedinou nevýhodou jsou vysoké náklady na elektronickou regulaci. Ta tkví také v potřebě přeměnit stejnosměrný proud z akumulátoru na střídavý. Toho se nejčastěji dosahuje pomocí tyristorů, které se cyklicky zapínají. Dalším typem střídavého elektromotoru je synchronní elektromotor s permanentním buzením. Tento typ umožňuje daleko menší prostor zastavěný elektromotorem. Magnetické pole, které vzniká vybuzením permanentními magnety, je bezdrátové. Tento motor je nutno spojit s vícestupňovou převodovkou, protože není možné zeslabit polem pohon. 4.1.3 Transversální elektromotory Transversální elektromotory jsou technicky dokonalejší, mají kompaktnější a robustnější stavbu než ostatní střídavé elektromotory. Z těchto výhod vyplývá jejich bezúdržbovost. 13

U transversálních elektromotorů je magnetické pole rovnoběžné k ose rotoru. Elektrický proud je do rotoru přiváděn v obvodovém směru. Zároveň tyto motory dosahují vysokých otáček, a to až 15 000 min -1. Jejich účinnost je srovnatelná se stejnosměrnými elektromotory. Obr 4.3: Synchronní elektromotor s permanentním buzením (Kameš 2004) 4.1.4 Magnetické elektromotory Magnetické elektromotory lze přiřadit k synchronním elektromotorům s permanentním buzením. Tento typ motorů má vnější rotor sestavený z vylisovaných elektroplechů. V elektroplechách jsou oddělené magnety tangenciálně magnetizované se střídavou polaritou. Magnetické siločáry, které v rotoru vznikají, se ohýbají a proudí do statoru v kolmém směru. Stator tvoří lisované elektroplechy a vysokopólové nosiče cívek. Co se týče regulace, je v celém rozsahu otáček jednoduchá a dokonalá. Statorové vinutí bývá chlazeno kapalinou z důvodu velkého výkonu elektromotoru. Obr 4.4: Magnetický elektromotor (Kameš 2004) 14

4.1.5 Reluktanční motory Jejich konstrukce vychází z krokových motorů. Pro jejich rozšíření mluví fakt, že mají vysoký točivý moment již v nízkých otáčkách, robustní konstrukci, vysokou přetížitelnost a hlavně vysokou účinnost a nízké náklady. Jejich hlavní nevýhodou je neklidný chod v malých otáčkách, způsobující výrazný hluk. Tento jev lze odstranit použitím řídících systémů. Obr 4.5: Trojfázový spínaný reluktanční motor (Kameš 2004) 15

4.2 Akumulátory Akumulátory mění chemickou energii přímo na elektrickou. Obecně se akumulátor skládá ze dvou elektrod z odlišných materiálů, které jsou ponořeny v elektrolytu. Ten obsahuje elektricky nabité částice, díky kterým je umožněno vodivé spojení mezi články. Při výběru akumulátoru se ohlížíme na tyto parametry: měrná energie [W. h. kg -1 ], měrný výkon [W. kg -1 ], nabíjecí doba [h], životnost, údržba a cena. 4.2.1 Olověný akumulátor Základem olověného akumulátoru je kladná elektroda z oxidu olovičitého, záporná elektroda z olova, separátory a elektrolyt. V současnosti se separátory vyrábí z umělých hmot. A elektrolytem je vodou zředěná kyselina sírová. Napětí na jednotlivých článcích jsou 2 V. Dojezd na tento typ akumulátorů je kolem 50 km na jedno nabití. Životnost je do 4 let nebo 700 startovacích cyklů. Nabíjení trvá dvě hodiny. U novějších variant olověných akumulátorů jsou použity spirálovité články. Separátory jsou z mikroporézní skelné vaty, která obsahuje elektrolyt. Mají 3x delší životnost. Nabíjecí proud u takto zkonstruovaných akumulátorů může být až 100 A při 14,4 V. Pro tyto akumulátory mluví jen cena, v ostatních vlastnostech za ostatními akumulátory zaostávají. Obr 4.6: Olověný akumulátor (Jan, Kubát, Ždánský 2001) 16

4.2.2 Akumulátor sodík-síra Oproti olověnému akumulátoru má typ sodík-síra elektrody tekuté, tvořené ze sodíku a síry, a naopak elektrolyt je pevný, vyráběný z keramické hmoty oxidu hlinitého. Při vybíjení se hladina sodíku snižuje, obrácený postup je při nabíjení. Akumulátory mají vysokou pracovní teplotu až 380 C, tato teplota musí být udržována. Podle konstrukce jsou články řazeny sériově nebo paralelně. Dojezd s těmito akumulátory činí přes 100 km a počet nabíjecích cyklů dosahuje 1000. Celkem se na ně ujede asi 30 000 km. Konstrukce těchto akumulátorů je bezúdržbová. Jejich výhodou je vysoká měrná energie a měrný výkon. 4.2.3 Akumulátor nikl-kadmium Kladná elektroda je tvořena z hydroxidu hlinitého, záporná z hydroxidu kademnatého. Elektrolyt je z hydroxidu draselného, ten se dále ředí destilovanou vodou. Životnost těchto akumulátorů se pohybuje kolem 1500 nabíjecích a vybíjecích cyklů nebo 120 000 km dojezdu. U tohoto typu se můžeme setkat s jevem nazývaným paměťový efekt. Tento efekt způsobuje snižování maximální kapacity akumulátoru. Aby se docílilo plné kapacity baterie, musí se pravidelně úplně vybíjet. Rozšíření tohoto typu také omezuje jedovatý těžký kov kadmium. Problematika jedovatého kadmia je odstraněna u akumulátorů následujícími variantami. Baterie nikl-železo, kde je kadmiová elektroda nahrazena železnou. Bohužel mají vyšší spotřebu vody a nižší energetickou účinnost. Baterie nikl-metalhydrid, kde je záporná elektroda tvořena slitinou lanthanu, kobaltu, hliníku a manganu. Při nabíjení tato záporná elektroda vytváří metalhydrid. Odtud plyne jejich označení. Baterie se vyznačují ještě vyšší hodnotou měrné energie než niklkadmiové. Nevýhodou oproti nikl-kadmiovým je vyšší cena, náchylnější režim jak nabíjecí, tak i vybíjecí a také poloviční životnost. 17

4.2.4 Akumulátor lithium-ion U tohoto typu je možné se setkat s katodou vyrobenou z několika kombinací prvků, a to Li 2 MnO 2, LiCoO 2 nebo LiNiO 2. Z uhlíkové matrice z grafitisovaných částí koksu je složena anoda. Obvyklé napětí na článku u olověných akumulátorů je 2 V, u lithiových se pohybuje v rozsahu 3 až 4 V. Také životnost je dobrá - až 1000 cyklů. Obdobou jsou akumulátory lithium-metal-hydridové (LMH). Jejich katoda je z Li x MnO 2, anoda je stejná jako u předchozího typu. LMH akumulátory jsou nejlehčí a jejich energetická hustota je nejvyšší. 18

5 HYBRIDY Označení hybridní automobil udává, že daný automobil má alespoň dva poháněcí zdroje. V současné době je nejrozšířenější varianta spalovací motor a elektromotor. V tomto seskupení je elektromotor využíván v městském provozu, kdy automobil neprodukuje žádné škodlivé emise, a konvenční spalovací motor je naopak využíván v mimoměstském provozu, kde se uplatní jeho přednosti výkonnost a dojezd. Elektromotor nejen přeměňuje elektrickou energii na energii mechanickou, ale v určitých případech pracuje jako generátor a mechanickou energii, která by se přeměnila v teplo, přemění na elektrickou. Toho je docilováno například při brzdění. 5.1 Uspořádání pohonu U hybridních automobilů se můžeme setkat s různými konstrukcemi uspořádání. 5.1.1 Sériové uspořádání U tohoto uspořádání je přednostně využíván elektromotor. Výkon spalovacího motoru je závislý na velikosti akumulátorů. Slouží k pohonu generátoru a je v činnosti v následujících případech: k dobíjení akumulátorů, v momentě, kdy akumulátory nestačí dodávat potřebný momentální výkon. Spalovací motor je v činnosti udržován jen v optimálních otáčkách, kdy má nejlepší účinnost. Nevýhodou této koncepce je právě využívání spalovacího motoru, kdy dochází k vícenásobné přeměně energie. Z toho plyne i mechanická účinnost mezi spalovacím motorem a hnanou nápravou, která se pohybuje přibližné do 55 %. Méně často se můžeme setkat se sériovým uspořádáním, kdy je použita plynová turbína nebo Stirlingův motor místo spalovacího motoru. Obr 5.1: Sériové uspořádání hybridního pohonu (Vlk 2004) 19

5.1.2 Paralelní uspořádání Při pohonu spalovacím motorem je jeho účinnost nezměněná oproti konvenčnímu provedení. Díky tomuto uspořádání je možný provoz pouze na elektromotor, nebo na spalovací motor. Pro využití spalovacího motoru je nezbytná spojka a převodovka klasického provedení. Převodovka je společná jak pro spalovací motor, tak i elektromotor. Při kombinovaném provozu je upřednostňován spalovací motor, elektromotor je připojován jen v případě, kdy je potřeba krátkodobého zvýšení výkonu, např. při předjíždění. Rovněž při městském provozu, kdy je preferován elektromotor, je v případě potřeby zapnut spalovací motor. Pro paralelní uspořádání se používá elektromotor nakrátko se silným budícím polem. Maximální otáčky obou motorů jsou shodné. V případě, že jsou v provozu oba motory, je při nízkých otáčkách zvýšená tažná síla. Cílem u tohoto uspořádání je rozvoj jiných zásobníků elektrické energie protože, akumulátory jsou stále příliš těžké. Náhradou by mohly být elektrostatické zásobníky energie, popřípadě magnetodynamické zásobníky energie. Obr 5.2: Paralelní uspořádání hybridního pohonu (Vlk 2004) 20

5.1.3 Smíšené uspořádání Uspořádání spalovacího motoru, elektromotoru, převodovky, spojky, generátoru a brzd může být různé. Smíšené uspořádání bylo vyvinuto z důvodů odstranění nevýhod klasických uspořádání (sériového a paralelního). Obr 5.3: Smíšené uspořádání hybridního pohonu (Vlk 2004) 5.2 Porovnávací parametry Hlavními porovnávacími parametry poháněcího systému a zásobníku energie jsou energetická a výkonová hustota, elektrický výkon, maximální moment potřebný pro rozjezd, maximální přípustné otáčky k dosažení nejvyššího výkonu a doba přípravy zařízení k provozu. Energetická hustota Toto kritérium se používá k hodnocení systému motor-zásobník vztahující se k jednotce objemu, nebo k jednotce hmotnosti. Musí být tak velká, aby zrychlující hmoty zůstaly v porovnání malé. Jednotkou energetické hustoty je Wh. kg -1. Výkonová hustota Využívá se jako energetická hustota k hodnocení systému motor-zásobník. Jednotkou je W. kg -1. Elektrický výkon V podstatě jde o velikost okamžitého dodávaného a odebíraného výkonu. Používá se při posuzování životnosti motoru a akumulátoru. 21

Maximální moment potřebný pro rozjezd a maximální přípustné otáčky k dosažení nejvyššího výkonu Díky těmto dvěma veličinám je možné sestavit pomocnou veličinu, a to rohový bodový výkon. Pomocí tohoto rohového bodového výkonu můžeme nejlépe porovnat základní parametry odlišných koncepcí. Doba přípravy zařízení k provozu Je závislá na parametrech jak motoru, tak i akumulátoru. Uvádí, za jak dlouho je vozidlo připravené k provozu. Mezi další porovnávací parametry patří hospodárnost, nízké emise hluku a hlavně škodlivé emise, nezávislost na klimatických podmínkách a dobré jízdní vlastnosti. 5.3 Zásobník elektrické energie Pro zásobu elektrické energie se používají akumulátory, vysoko energetické kondenzátory anebo setrvačník. Zdrojem energie pro spalovací motory je přímo palivo dodávané z nádrže. Zásobníky se volí podle koncepce a podle velikosti energetické a výkonové hustoty. 5.3.1 Akumulátory Používají se stejné typy akumulátorů jako u elektromobilů. Oproti elektromobilům zde nedochází k úplnému vybíjení a nabíjení. 5.3.2 Vysoko energetické kondenzátory Tento typ zásobníků uchovává energii jako elektrostatickou. Jejich životnost je oproti akumulátorům výrazně větší. Jejich kapacita se pohybuje v rozsahu až 10 4 F. Při sérioparalelní kombinaci dosahuje kapacita kondenzátoru hodnoty 100 F, výkonová hustota je 80 W. kg -1 a dokáže vyvinout výkon 12,5 kw, ale pouze po dobu 5 sekund. 22

5.3.3 Setrvačník Setrvačník bývá označován také jako mechanický akumulátor energie. Setrvačníky jsou rotační tělesa deskovitého tvaru. Nejčastěji je osa rotace setrvačníku kolmá k ose vozidla. To z důvodů snížení dynamického ovlivnění vozidla. Kapacita podléhá maximálním otáčkám a hmotnosti setrvačníku. Výhodou oproti akumulátorům je téměř okamžité shromažďování energie při brzdění. Použitím magnetických ložisek se výkonová hustota zvýšila až o 30 %. Při brzdění vzniká kinetická energie, která je poskytována setrvačníku. Z něj je poté pomocí generátoru spotřebována na jízdu. Při použití setrvačníku u trolejbusů se odběr ze sítě sníží až o 50 %. Nabití zásobníku energie na hodnotu 150 kw dovolí dojezd přibližující se hranici 3 km. Tohoto výkonu dosahují vysoko výkonné magnetodynamické zásobníky. Setrvačníky s evakuovanou skříní dosahují otáček 10 000 až 20 000 min -1. U tohoto provedení se vyskytují problémy s těsněním a chlazením skříně setrvačníku. Vyspělejším řešením pro využití setrvačníků jako zásobníku energie je konstrukce dvou setrvačníků s protisměrným smyslem rotace. Maximální otáčky jsou omezeny podle nejnižšího modulu pružnosti nejslabší součásti. Tyto setrvačníky mají anizotropní věnce s přibližně 50 milióny závitů z drobných vláken kevlaru. Otáčky dosahují hodnot 200 000 min -1, měrná hustota energie se pohybuje v rozsahu 193 až 226 Wh. kg -1. Také životnost je oproti olověným akumulátorům větší, a to až 10x. 5.4 Plug-in hybrid Tento název označuje hybridní automobily, které je možné nabíjet z rozvodné sítě. Výhodou oproti klasickým hybridům je to, že si plug-in hybrid může majitel nabíjet i doma, zatímco u klasických se muselo jezdit ke speciálním dobíjecím stanicím. 23

6 VODÍKOVÝ POHON Vodíkový pohon se vyznačuje především téměř nulovou produkcí škodlivých emisí oproti benzínovým a naftovým motorům. Z vodíku je možné energii získávat dvěma metodami. První metodou je využití vodíku jako paliva ve spalovacím motoru a druhá metoda je transformace energie z palivového článku na elektrický proud. V palivovém článku dochází k bezprostřední přeměně na energii elektrickou z vnitřní energie paliva. Tím se podobá akumulátorům. Rozdílem je, že elektrody nejsou palivem vnitřní energie, ale působí pouze jako katalyzátory chemických reakcí. Palivo je zde přiváděno z vnějšku ve formě plynné, kapalné nebo tuhé. Z důvodů některých nevýhod vodíkového pohonu se uvažuje o jeho využití v hybridním pohonu. Tento pohon je dále možné zkombinovat s rekuperací brzdné energie, ale tím dojde ke zvýšení pořizovací ceny. 6.1 Výroba vodíku Vodík se nyní nejvíce vyrábí z fosilních paliv, především ze zemního plynu, což neřeší otázku alternativních zdrojů energie. Z tohoto důvodu je vhodnější vodík získávat z vody. To je možné provézt elektrolýzou nebo vysokoteplotním rozkladem. Dalším zdrojem vodíku je biomasa, ze které se vodík získává zplyňováním, popřípadě pyrolýzou. Obr 6.1: Podíl surovin, ze kterých se vyrábí vodík Zdroj: www.trihybus.cz 24

6.2 Palivové články (Kameš 2004, Vlk 2004) Palivový článek je složen z anody, která se označuje jako palivová. K ní je přiváděna aktivní látka, která v kontaktu s ní oxiduje. Dále je v palivovém článku katoda, na kterou je přiváděno okysličovadlo. To se na katodě redukuje. Poslední součástí palivového článku je elektrolyt, popřípadě membrána, která je umístěna mezi elektrodami. Dělení palivových článků se provádí podle použitého elektrolytu. Jednotlivé typy se od sebe odlišují uskutečněnou chemickou reakcí na elektrodách, teplotou, při které probíhá chemická reakce, a hlavně účinností elektrochemických přeměn. Obr 6.2: Schéma palivového článku Zdroj: www.enviros.cz 6.2.1 Palivový článek polymer-elektrolyt PEFC Největší předností tohoto článku je téměř o řád větší výkon než u ostatních typů. Dosahuje hodnoty až 2 W cm -2. Spouštění i zastavování činnosti není složité. Elektrody jsou z grafitického papíru s jednostranně nanesenou platinou. Papír je opatřen teflonovým ochranným filmem proti zvlhnutí. Elektrolyt je z uhlíku a fluoru v tuhé formě jako polymerová membrána. To je výhodnější oproti kapalné formě, 25

protože tuhá forma nevyvolává korozi. Tuhá forma rovněž neomezuje tvar článku. Elektrolyt a elektrody se při působení tepla a tlaku spojují do jednoho malého článku. Jako palivo je přiváděn vodík. Provozní teplota se pohybuje okolo 70 90 C. Problémy s funkčností vznikají při poklesu venkovní teploty na hodnotu k -25 C. Životnost se uvádí až do hodnoty 20 000 hod.. Největšími výrobci těchto článků jsou Kanadská společnost Ballard Power Systems a Americká společnost DIAS. 6.2.2 Přímometanolový palivový článek DMFC Jedná se o variantu předchozího typu článku. Přímometanolový se nazývá z toho důvodu, že jako palivo je přiváděn metanol, který se před přivedením na anodu mísí s vodou. Výhodou metanolu je to, že se dá ve vozidle uchovávat v kapalné formě. Na katodu je přiváděn venkovní vzduch. Elektrody jsou opět opatřeny katalyzátory z platiny. Jako elektrolyt se osvědčil polymer, voda, popřípadě alkalický roztok. Posledně jmenovaný má tu negativní vlastnost, že při reakcí s vodou dochází k ucpávání pórů v elektrodách. 6.2.3 Alkalický palivový článek AFC Tento článek má elektrody nejčastěji vyrobeny spékáním niklového prášku. Jako dvě předchozí varianty i tato má na elektrodách platinové katalyzátory ve formě tenké vrstvy. Elektrolytem je hydroxid draselný. V provozu se spotřebovává jako palivo čistý vodík a jako okysličovadlo se přivádí čistý kyslík, a to proto, že oxid uhličitý obsažený ve vzduchu reaguje s hydroxidem draselným, který je v elektrolytu. Pracovní teplota se pohybuje okolo 60 80 C. Vedlejším produktem je voda, která se ovšem dále recykluje. Tyto články se využívají v kosmických programech, například Apollo, Gemini nebo Shuttle. Jednou z nevýhod je vysoká cena způsobená velkým množstvím platiny použité na katalyzátory elektrod. 26

6.2.4 Palivový článek s kyselinou fosforečnou PAFC Toto označení vzniklo podle použití kyseliny fosforečné na elektrolyt. Ten je ve formě gelu v matrici složené z karbidu křemíku a jako přísada je použit teflon. Matrice pomáhá zabránit úbytku elektrolytu, ale i přes to se část může spotřebovat, proto je potřeba jeho hladinu kontrolovat. Palivem je opět čistý vodík, ale mohou být použity i některé uhlovodíky, například metan. Elektrody jsou vyrobeny z porézního uhlíku, který je opět opatřen vrstvou platiny, sloužící jako katalyzátor. Oproti elektrodám u jiných typů článků jsou tyto opatřeny kanálky pro odvod tepla. Jeho pracovní teplota se pohybuje kolem 190 C. Tím se řadí mezi tepelné články. Důsledkem takto vysoké teploty je vznik vodní páry na katodě. Nežádoucími jevy jsou při nižších teplotách částečné pohlcení vodní páry elektrolytem a naopak, při vyšších teplotách dochází k rozkladu elektrolytu. 6.2.5 Palivový článek s roztavenými uhličitany MCFC I tento typ patří mezi tepelné články, protože jejich provozní teplota je kolem 600 C. To má za následek, že elektrody nemusí mít na sobě katalyzátor, který by zajišťoval plynulou reakci. Anoda je ze spékaného niklu a chromu, zatímco katoda je z oxidu nikelnatého a je obohacena lithiem. Tím, že katoda rychleji koroduje, udává její životnost zároveň životnost článku. Ze směsi uhličitanu litného a draselného je vyroben elektrolyt, který je umístěn v matrici z oxidu lithia a hliníku ve formě porézní keramiky. V provozu může nastat situace, že se uhličitany začnou rozpouštět. Zemní plyn se používá jako palivo. Vedlejším produktem jako u ostatních tepelných článků je vodní pára, ale navíc i oxid uhličitý. Ten je od anody odváděn ke katodě, kde podporuje na ní probíhající reakci. Vodní pára může být použita například pro pohon turbíny. Při používání tohoto článku hrozí otrava sírou, která je obsažena v zemním plynu. Tyto články jsou výkonnější než články s kyselinou fosforečnou. 27

6.2.6 Palivový článek s tuhými oxidy SOFC Dalším typem jsou články s tuhými oxidy. Jejich provozní teplota dosahuje hodnot skoro 1000 C. To má za následek stejné výhody jako články s roztavenými uhličitany, tj. že odpadají katalyzátory a vodní páru lze použít pro pohon turbíny. Elektrolyt je opět tuhý. Je vyroben ze směsi oxidu ytria a zirkonu. Díky tomu nedochází ke korozi a tím, že je elektrolyt tuhý, není omezován tvar článku. Z niklu, oxidu zirkoničitého a oxidu ytritého je vyrobena anoda. Katoda je vyrobena jako slitina lanthanu, oxidu manganového a stroncia. Jako palivo jsou použity plyny, které vznikají při zpracování uhlí (vodík, oxid uhelnatý, popřípadě metan). Tím, že se nepoužívá zemní plyn, nehrozí otrava sírou. Články musí být tepelně stíněny jednak kvůli udržení provozní teploty, ale také kvůli ochraně obsluhy. Kvůli extrémně vysoké provozní teplotě se nedají použít do vozidel. 6.2.7 Regenerativní palivový článek Tyto články nejsou doposud v provozu. Hlavním důvodem je to, že nedokážou pracovat v opačném směru, což je podstatou tohoto typu. Je to způsobeno používáním katalyzátorů, které nedokážou pracovat právě v potřebném opačném směru. 6.2.8 Palivový článek zinek-vzduch Anoda je vyrobena ze zinku. Katoda v tomto článku slouží k difuzi atmosférického kyslíku. Chemický proces, který zde probíhá, je podobný tomu, který se uskutečňuje u článků PEFC. Doplňování paliva probíhá podobně jako u klasických baterií. Články jsou vyráběny se zásobníkem zinku, který je v průběhu pracovní reakce přeměněn na oxidy zinku. Po jeho vyčerpání se článek připojí k elektrické síti a daný proces začne probíhat v obráceném směru. Tím dojde k přeměně vzniklých oxidů zinku zpět na zinek. Oproti klasickým bateriím, kde dobíjení trvá i několik hodin, u tohoto článku trvá proces obnovení pět minut. Tyto články mají největší šanci se rozšířit do vozidel. 28

7 PŘEHLED NĚKTERÝCH SÉRIOVĚ VYRÁBĚNÝCH VOZŮ S ALTERNATIVNÍM POHONEM 7.1 Elektromobily 7.1.1 Nissan Leaf Typ motoru: elektromotor střídavý synchronní 80 kw, 280 Nm Baterie: Li-Ion, 24 kwh, výkon 90 kw Maximální rychlost (km/h): 140 Dojezd (teoretický): Dobíjení: 160 km 20 hodin (120 V), 8 hodin (200 V), 7 hodin (240/230 V), rychlodobíjení 30 minut Obr 7.1: Nissan Leaf Zdroj: www.hybrid.cz 29

7.1.2 Mitsubishi i-miev Typ motoru: trakční synchronní elektromotor s permanentními magnety 47 kw (64 k)/3000 6000 min - 1, 180 N.m/0 2000 min -1 Baterie: Zrychlení 0 100 km/h: Li-Ion, 330 V, 16 kwh, 88 článků 15 s Maximální rychlost (km/h): 130 Dojezd (teoretický): Dobíjení: 160 km 30 minut na 80 % kapacity rychlonabíječkou, resp. 7 hodin na 100 % domácí nabíječkou při napětí 220 V Obr 7.2: Mitsubishi i-miev Zdroj: www.hybrid.cz 30

7.1.3 Tazzari Zero Typ motoru: elektromotor třífázový asynchronní 15 kw, 150 Nm Baterie: Zrychlení 0 50 km/h: Li-Ion, 13,2 kwh, 160 Ah, Thundersky 6 s Maximální rychlost (km/h): 95 Dojezd (teoretický): 140 km Dobíjení: 5 hodin (220 V), 1 hodina (380 V) Obr 7.3: Tazzari Zero Zdroj: www.tazzari-zero.com 31

7.1.4 Think City Typ motoru: třífázový asynchronní elektromotor, 34 kw Baterie: Zrychlení 0 50 km/h: Li-Ion, 23 kwh 6,5 s Maximální rychlost (km/h): 110 Dojezd (teoretický): Dobíjení: 160 km 8 hodin do plného nabití při 16A a 220V Obr 7.4: Think City Zdroj: www.think.no 32

7.2 Hybridy 7.2.1 Toyota Prius Typ hybridu: paralelní Typ motoru: 16 ventilový řadový zážehový čtyřválec 1798 cm 3, 73 kw/5200 min -1, 142 Nm/4000 min -1 elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 60 kw/min -1, 207 Nm/min -1 Baterie: Ni-MH, 201.6 V, 27 kw, 28 článků Spotřeba (l/100 km): kombinovaná 3,9 Zrychlení 0-100 km/h: 10,4 s Maximální rychlost (km/h): 180 Emise CO 2 (g/km, kombinované): 89 Obr 7.5: Toyota Prius Zdroj: www.toyota.cz 33

7.2.2 Toyota Auris HSD Typ hybridu: paralelní Typ motoru: 16 ventilový řadový zážehový čtyřválec 1798 cm 3, 73 kw/5200 min -1, 142 Nm/4000 min -1 elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 60 kw/min -1, 207 Nm/min -1 Baterie: Ni-MH, 201.6 V, 27 kw, 28 článků Spotřeba (l/100 km): kombinovaná 3,9 Zrychlení 0-100 km/h: 11,4 s Maximální rychlost (km/h): 180 Emise CO 2 (g/km, kombinované): 89 Obr 7.6: Toyota Auris HSD Zdroj: www.auto-power-girl.com 34

7.2.3 Lexus CT 200h Typ hybridu: paralelní Typ motoru: 16 ventilový řadový zážehový čtyřválec 1798 cm 3, 73 kw/5200 min -1, 142 Nm/4000 min -1 elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 60 kw/min -1, 207 Nm/min -1 Baterie: Ni-MH, 201.6 V, 27 kw Spotřeba (l/100 km): kombinovaná 3,9 Zrychlení 0 100 km/h: 10,3 s Maximální rychlost (km/h): 180 Emise CO 2 (g/km, kombinované): 89 Obr 7.7: Lexus CT 200h Zdroj: www.czechcarfans.com 35

7.2.4 Lexus GS 450h Typ hybridu: paralelní Typ motoru: 24 ventilový zážehový vidlicový šestiválec 3456 cm 3, 218 kw/6400 min -1, 368 Nm/4800 min -1 elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 147 kw, 275 Nm Baterie: Ni-MH, 288 V Spotřeba (l/100 km): město 9,1; mimo město 7,0; kombinovaná 7,6 Zrychlení 0 100 km/h: 5,9 s Maximální rychlost (km/h): 240 Emise CO2 (g/km, kombinované): 179 Obr 7.8: Lexus GS 450h Zdroj: www.netcarshow.com 36

7.2.5 Lexus LS600h Typ hybridu: paralelní Typ motoru: 32 ventilový zážehový vidlicový osmi válec 4969 cm 3, 290 kw/6400 min -1, 520 Nm/4000 min -1 elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 165 kw, 300 Nm Baterie: Ni-MH, 288V Spotřeba (l/100 km): město 11,2; mimo město 8,0; kombinovaná 9,3 Zrychlení 0 100 km/h: 6,3 s Maximální rychlost (km/h): 250 Emise CO2 (g/km, kombinované): 218 Obr 7.9: Lexus LS600h Zdroj: www.thetorquereport.com 37

7.2.6 Lexus RX 450h (AWD elektricky řízený pohon všech kol) Typ hybridu: Typ motoru: paralelní 24 ventilový zážehový vidlicový šestiválec 3456 cm3, 183 kw/6000 min -1, 317 Nm/4800 min -1 přední elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 123 kw, 335 Nm zadní elektromotor střídavý, synchronní s permanentním magnetem, 50 kw, 139 Nm Baterie: Ni-MH, 288 V Spotřeba (l/100 km): město 6,6; mimo město 6,0; kombinovaná 6,3 Zrychlení 0 100 km/h: 7,8 s Maximální rychlost (km/h): 200 Emise CO2 (g/km, kombinované): 148 Obr 7.10: Lexus RX 450h Zdroj: www.velocityshow.net 38

7.2.7 Chevrolet Volt Typ hybridu: Typ motoru: sériový 1.4l čtyřválec 55 kw elektromotor 111 kw Baterie: Spotřeba (l/100 km): Zrychlení 0-100 km/h: Li-Ion, 16 kwh (z toho 8,8 kwh využitelných) 2,8 (odhad) 8,5 s Maximální rychlost (km/h): 160 Dojezd (teoretický): 64 km (na elektřinu) 483 km (kombinovaný dojezd benzin + elektřina) Dobíjení: konektor SAE J1772, 3 hodiny (230 V) Emise CO2 (g/km, kombinované): 124 Obr 7.11: Chevrolet Volt Zdroj: www.velocityshow.net 39

8 POROVNÁNÍ PARAMETRŮ JEDNOTLIVÝCH TYPŮ POHONŮ Výkon [kw] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Nissan Leaf Mitshubishi i-miev Tazzari Zero Think City Obr 8.1 Porovnání výkonu elektromobilů 30 Kapacita [kw] 25 20 15 10 5 0 Nissan Leaf Mitshubishi i-miev Tazzari Zero Think City Obr 8.2 Porovnání kapacity akumulátorů u elektromobilů 165 160 Dojezd [km] 155 150 145 140 135 130 Nissan Leaf Mitshubishi i-miev Tazzari Zero Think City Obr 8.3 Porovnání dojezdu elektromobilů 40

350 Výkon [kw] 300 250 200 150 100 50 0 Toyota Prius Toyota Auris HSD Lexus CT 200h Lexus GS 450h Lexus LS 600h Lexus RX 450h AWD Chevrolet Volt Obr 8.4 Porovnání výkonů spalovacích a elektrických motorů u hybridů 250 Emise CO2 [g/km] 200 150 100 50 0 Toyota Prius Toyota Auris HSD Lexus CT 200h Lexus GS 450h Lexus LS 600h Lexus RX 450h AWD Chevrolet Volt Obr 8.5 Porovnání hodnoty emisí CO2 u hybridů při kombinovaném provozu Spotřeba [l/100km] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Toyota Prius Toyota Auris HSD Lexus CT 200h Lexus GS 450h Lexus LS 600h Lexus RX 450h AWD Chevrolet Volt Obr 8.6 Porovnání spotřeby hybridů při kombinovaném provozu 41

Z obrázku 8.1 vyplývá, že Nissan Leaf má vyšší výkon něž ostatní zmíněné elektromobily. Uvedená skutečnost je pravděpodobně způsobena konstrukcí vozidla. Nissan Leaf je pěti místný zatí co Mitsubishi i-miev je čtyřmístný a Tazzari Zero i Think City jsou pouze dvou místné. Z toho plyne, že Leaf a i-miev jsou těžší a proto potřebují vyšší výkon. Z obrázku 8.2 lze vyčíst, že opět Nissan Leaf má nejvyšší kapacitu akumulátorů a druhou největší kapacitu akumulátorů má Think City. Z toho lze usuzovat, že kapacita akumulátorů není závislá na velikosti vozu. Na obrázku 8.3 je patrný rozdíl dojezdu u vozidla Tazzari Zero oproti ostatním. Jeho dojezd je nižší o 12,5 %. Jedním z faktorů nižšího dojezdu je i ten, že Zero má nejnižší kapacitu akumulátorů. Z obrázku 8.4 je patrné, že Chevrolet Volt má vyšší výkon elektromotoru než spalovacího motoru. Ostatní uvedené hybridy mají výkon elektromotoru nižší něž je výkon spalovacího motoru. Nízký výkon spalovacího motoru u Voltu je zřejmý, jelikož Volt je doposud jediný prodávaný hybrid, který je konstruován se sériovým uspořádáním pohonu. To znamená, že není potřeba velkého výkonu spalovacího motoru, protože slouží pouze k dobíjení akumulátorů. Ostatní hybridy jsou konstruovány s paralelním uspořádáním. Tudíž potřebují i výkonnější spalovací motory, které mohu být využívány k samostatnému pohonu vozidla. Obrázky 8.4 až 8.6 ukazují, že hybridy Toyota Prius, Toyota Auris HSD a Lexus CT 200h mají srovnatelné hodnoty výkonů, emisí CO 2 a spotřeby paliva. Používají totiž úplně stejné typy motorů. Lexus 600h má vyšší hodnotu emisí CO 2 i spotřebu paliva oproti ostatním uvedeným hybridům. To je způsobeno jeho výkonnějšími motory. 42

9 ZÁVĚR Alternativní pohony patří v současnosti mezi rychle se rozvíjející oblast automobilového průmyslu. Mezi hlavní důvody vzniku a vývoje alternativních pohonů patří především dva základní důvody, kterými jsou omezené zásoby ropy a škodlivé emise vznikající při spalování konvenčních paliv. Vzhledem k nebezpečnosti jsou největším důvodem vzniku alternativních pohonů právě emise. Výfukové plyny obsahují oxid uhličitý, který patří mezi skleníkové plyny, způsobující globální oteplovaní. Proto se na celém světě snaží jeho produkci omezit. V současné době nejrozšířenějšími a nejvíce vyvíjenými typy alternativních pohonů jsou elektromobily, hybridy a vozy s vodíkovým pohonem. Elektromobily se vyráběly od počátku automobilismu, ale ustoupily konvenčním motorům. Ty měly rychlejší vývoj, který byl zřejmě podporován tehdy nízkou cenou ropy a jejím množstvím. Emise se u elektromobilů rozdělují na dvě skupiny, a to přímé (místní) a nepřímé. Při provozu elektromobily neprodukují emise označované jako přímé, protože při jejich provozu nedochází ke spalování nosičů energie, jako je například benzin a nafta. Pro jejich provoz je potřeba elektrická energie vyráběná v elektrárnách, které již emise produkují. Tyto emise se označují za nepřímé. U elektromobilů se používají různé typy elektromotorů. Asi nejčastějším je synchronní (stejnosměrný) elektromotor s různými variantami buzení. Jejich největší nevýhodou je nízký dojezd. Ten se odvíjí od kapacity akumulátorů. Krátký dojezd elektromobilů řeší zkombinování elektromotoru a konvenčního spalovacího motoru. Tato koncepce je označována za hybrid, jde totiž o kombinaci dvou motorů. Hybridy lze rozdělit do skupin podle propojení elektromotoru se spalovacím motorem, a to na sériové, paralelní a smíšené hybridy. V současné době je nejvíce využíváno paralelní uspořádání. Přednostně se využívá elektromotor, spalovací motor je spouštěn při potřebě vyššího výkonu při prudkých rozjezdech nebo při vyšších rychlostech. Také může nastat situace, kdy poklesne napětí na akumulátorech. I to je důvod nastartování spalovacího motoru, který v tomto případě zajišťuje dobíjení akumulátorů. Nejčastěji se používá synchronní elektromotor s permanentním magnetem. První hybridy se nemohly dobíjet 43

z rozvodné sítě, což zvyšovalo jejich emise kvůli častějšímu chodu spalovacího motoru. V posledních letech se vyvinuly tzv. plug-in hybridy, které je možné dobíjet právě z rozvodné sítě. Tím jsou akumulátory nabity již před začátkem jízdy. Poslední variantou nejvíce vyvíjených alternativních pohonů jsou vozy s vodíkovým pohonem. Vodík je možno spalovat ve spalovacím motoru nebo jako palivový článek pro výrobu elektrické energie. Existuje hned několik typů palivových článků. Ty se rozdělují podle elektrolytu, přesněji podle toho, z jaké je vyroben látky. Tento typ pohonu je zatím ve vývoji a se sériovým prodejem se počítá v následujících letech. Elektromobily jsou v současné době nabízeny především menšími automobilkami. Ty vyrábějí auta většinou pro dva cestující. Elektromobily se stávající konstrukcí jsou vhodné především pro městský provoz. Jejich nižší dojezd je velkým limitem pro potenciální mimoměstské uživatele. Myslím si, že pokud by došlo k výraznému zvýšení kapacity zásobníků energie, zvýšila by se i jejich atraktivita pro uživatele. Podle mého názoru je problémem elektromobilů i jejich vysoká pořizovací cena. Domnívám se, že je to způsobeno především drahými akumulátory. Jestliže se v budoucnu podaří snížit výrobní náklady a tím pádem i jejich cenu, dojde k zatraktivnění pořizovací ceny i pro zákazníky s nižšími příjmy. Hybridy v současnosti nabízí k prodeji Toyota a Lexus. Další automobilky plánují jejich prodej v následujících letech. Jelikož nyní prodávané vozy patří do kategorie větších automobilů, myslím, že by bylo vhodné vyrábět také hybridy nižších tříd. Velkou nevýhodou při použití hybridního pohonu je, že při provozu na spalovací motor dochází k produkci stejného množství emisí jako u vozidel s pouze spalovacím motorem. Podle mého názoru dnes nejvíce prodávané hybridy nahradí vozy s vodíkovým pohonem. Vzhledem k tomu, že vodíkový pohon v sobě kombinuje kladné vlastnosti elektromobilů i hybridů díky svým jízdním výkonům a téměř nulovým emisím, má tento druh pohonu velkou budoucnost. Jejich další výhodou je, že vodík lze získat hned několika způsoby. Především získávání vodíku z biomasy se jeví jako velmi praktické. Pokud se podaří vyřešit všechny konstrukční problémy, mají vozy na vodíkový pohon šanci plně nahradit vozy s konvenčními motory. 44

10 POUŽITÁ LITERATURA 1. KAMEŠ J.,2004: Alternativní pohony automobilů. BEN, Praha, 232 s. ISBN 80-7300-127-6 2. VLK F., 2004: Alternativní pohony motorových vozidel. Brno : František Vlk, 234 s. ISBN 80-239-1602-5. 3. JAN Z., KUBÁT J. & ŽDÁNSKÝ B., 2001: Elektrotechnika motorových vozidel. Avid, Brno, 4. BAUMRUK P., 1996: Příslušenství spalovacích motorů. ČVUT, Praha, 236 s. ISBN 80-01-01103-8 INTERNETOVÉ ZDROJE Jiří Cerman. EURO 5: Zdraží emisní limity automobily? [online] [28.1.2011]. Dostupné na http://www.nazeleno.cz/nazelenoplus/emise-co2/euro-5-zdrazi-emisnilimity-automobily.aspx Palivové články Charakteristika, složení, palivo, uplatnění. [online] [4.2.2011]. Dostupné na http://www.enviros.cz/palivove_clanky/1_palivove_clanky.html Luboš Kotek.Výroba vodíku - přehled metod. [online] [4.2.2011]. Dostupné na http://vodik.czweb.org/view.php?cisloclanku=2005120501 Výroba vodíku. [online] [4.2.2011]. Dostupné na http://www.trihybus.cz/vyroba-vodiku Emise elektromobilů. [online] [12.2.2011]. Dostupné na http://www.elektromobily.org/wiki/emise_elektromobil%c5%af Zásoby ropy vystačí nejméně na dvě staletí. [online] [12.2.2011]. Dostupné na http://www.lidovky.cz/zasoby-ropy-vystaci-nejmene-na-dve-staleti-f24- /ln_ekonomika.asp?c=a081123_153436_ln_ekonomika_ter Toyota nový PRIUS. [online] [12.3.2011]. Dostupné na http://www.toyota.cz/cars/new_cars/prius/specs.aspx [online]. Dostupné na www.hybrid.cz 45

11 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr 3.1: Světové zásoby ropy při dnešní spotřebě (3,5 miliardy t/rok) (Kameš 2004)... 9 Obr 4.1: Uspořádání hnacího ústrojí elektromobilů (Vlk 2004)... 11 Obr 4.2: Charakteristiky paralelního a sériového stejnosměrného elektromotoru (Kameš 2004)... 13 Obr 4.3: Synchronní elektromotor s permanentním buzením (Kameš 2004)... 14 Obr 4.4: Magnetický elektromotor (Kameš 2004)... 14 Obr 4.5: Trojfázový spínaný reluktanční motor (Kameš 2004)... 15 Obr 4.6: Olověný akumulátor (Jan, Kubát, Ždánský 2001)... 16 Obr 5.1: Sériové uspořádání hybridního pohonu (Vlk 2004)... 19 Obr 5.2: Paralelní uspořádání hybridního pohonu (Vlk 2004)... 20 Obr 5.3: Smíšené uspořádání hybridního pohonu (Vlk 2004)... 21 Obr 6.1: Podíl surovin, ze kterých se vyrábí vodík... 24 Obr 6.2: Schéma palivového článku... 25 Obr 7.1: Nissan Leaf... 29 Obr 7.2: Mitsubishi i-miev... 30 Obr 7.3: Tazzari Zero... 31 Obr 7.4: Think City... 32 Obr 7.5: Toyota Prius... 33 Obr 7.6: Toyota Auris HSD... 34 Obr 7.7: Lexus CT 200h... 35 Obr 7.8: Lexus GS 450h... 36 Obr 7.9: Lexus LS600h... 37 Obr 7.10: Lexus RX 450h... 38 Obr 7.11: Chevrolet Volt... 39 Obr 8.1 Porovnání výkonu elektromobilů... 40 Obr 8.2 Porovnání kapacity akumulátorů u elektromobilů... 40 Obr 8.3 Porovnání dojezdu elektromobilů... 40 Obr 8.4 Porovnání výkonů spalovacích a elektrických motorů u hybridů... 41 Obr 8.5 Porovnání hodnoty emisí CO2 u hybridů při kombinovaném provozu... 41 Obr 8.6 Porovnání spotřeby hybridů při kombinovaném provozu... 41 46

12 SEZNAM TABULEK Tab 3.1: Tabulka emisních norem. Veškeré údaje jsou uváděny v g/km při kombinovaném provozu... 10 47