Vývoj pohonných jednotek Bakalářská práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Vývoj pohonných jednotek Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Ondřej Ševela Brno 2011

zadání

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Vývoj pohonných jednotek vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne... podpis diplomanta....

PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu své bakalářské práce, panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za jeho připomínky, rady a drahocenný čas.

ABSTRAKT Tato bakalářská práce na téma Vývoj pohonných jednotek pojednává o historii a alternativních typech pohonu, zejména o hybridním pohonu, vodíkovém pohonu a elektromobilu. Zabývá se jejich využitími a možnostmi, které skýtají pro dnešní a budoucí generaci. Převážná část práce se dále zaměřuje na palivové články, jejich princip činnosti, konstrukci, druhy a využití v různých průmyslových odvětvích. Dále pojednává o možnostech rekuperace kinetické energie, rozdělení jednotlivých systémů a jejich funkce. Klíčová slova: Elektromobil, hybridní pohon, vodíkový pohon, palivový článek, rekuperace kinetické energie ABSTRACT This thesis on "Development of power plant" discusses the history and types of alternative power, particularly on the hybrid, hydrogen and electric power. It deals with the uses and possibilities of alternative energies for today s and future generations. Most of the work also focuses on fuel cells, their working principle, construction, types and applications in various industries. It also deals with the possibilities of recovery of kinetic energy, classsification of individual systems and their functions. Keywords: Electric car, hybrid propulsion systems, hydrogen as anautomotive fuel, fuel cell, recovery of kinetic energy

Obsah 1 ÚVOD... 7 2 CÍL PRÁCE... 8 3 HISTORIE POHONNÝCH JEDNOTEK... 9 4 ALTERNATIVNÍ KONCEPCE POHONU... 16 4.1 Hybridní pohony... 16 4.1.1 Sériový hybrid... 17 4.1.2 Paralelní hybrid... 19 4.1.3 Kombinovaný hybrid... 20 4.1.4 Full hybrid... 21 4.1.5 Power assist hybrid... 22 4.2 Elektromobily... 23 4.2.1 Akumulátor... 24 4.2.2 Superkondenzátor... 28 4.3 Vodíkový pohon... 29 4.3.1 Spalování vodíku... 29 4.3.2 Oxidace vodíku... 29 5 PALIVOVÉ ČLÁNKY... 30 5.1 Co je to palivový článek... 30 5.2 Princip činnosti... 31 5.3 Palivo... 32 5.4 Katalyzátory... 32 5.5 Reformig paliva... 33 5.6 Soubory palivových článků... 35 5.7 Funkční schéma systému s palivovým článkem... 36 5.8 Rozdělení palivový článků... 37 5.8.1 Palivové články s alkalickým elektrolytem (AFC)... 39 5.8.2 Palivové články s polymerní membránou (PEMFC)... 40 5.8.3 Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)... 40 5.8.4 Palivové články s tavenými uhličitany (MCFC)... 41 5.8.5 Palivové články s tuhými oxidy (SOFC)... 42 5.9 Shrnutí základních charakteristik... 43

6 REKUPERACE KINETICKÉ ENERGIE... 44 6.1 Rekuperace kinetické energie, neboli KERS... 44 6.2 Metody rekuperace kinetické energie... 45 6.2.1 Elektrické systémy... 46 6.2.2 Mechanický systém... 48 6.2.3 Hydraulický systém... 49 7 ZÁVĚR... 51 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 52 SEZNAM OBRÁZKŮ... 54

1 ÚVOD Mezi globální problémy lidské společnosti patří již od 2. poloviny minulého století celosvětový nárůst spotřeby energie spojený s postupným vyčerpáváním fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu). Při dnešní světové spotřebě těchto paliv, je podstatná část využívána velmi neefektivně v nízko účinných spalovacích procesech. To má za následek velmi negativní dopad na životní prostředí v podobě škodlivých emisí (NO x, HC, CO, CO 2 ), které ohrožují zdraví více než jedné miliardy obyvatel naší planety a podle statistik mají ročně na svědomí přes 700 tisíc lidských životů. Proto se většina konstruktérů pohonných jednotek v dnešní době snaží využívat alternativních zdrojů energie, aby se co nejefektivněji zabránilo vypouštění skleníkových plynů a tím znečišťování planety. Využívání obnovitelných zdrojů se dnes stává častějším a prvořadým cílem většiny průmyslových odvětí, proto ani v automobilovém průmyslu tomu není jinak. Přední výrobci automobilových značek stále více finančně podporují výzkum a vývoj pohonných jednotek s co nejnižším zatížením na životní prostředí. Mnoho firem se zabývá úsporou energie, která je k pohonu vozidel nezbytná. Jednou z takových možností je energii uchovávat ve vysokokapacitních akumulátorech, jejichž schopnosti úschovy energie se neustále vyvíjí. Řeší se otázky, jak energii uchovat a co nejefektivněji využít. Automobil je jedním z nejdůležitějších znaků moderní civilizace a dnešní člověk by si bez něj život nedokázal představit. Proto jsem si jako téma své bakalářské práce vybral Vývoj pohonných jednotek, abych nastínil dnešní možnosti využívání alternativních paliv v automobilovém průmyslu a vývoj této problematiky do budoucna. 7

2 CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce, jak už název napovídá, je vytvořit přehled historického vývoje pohonných jednotek, následné využití alternativních paliv a systémů pro ukládání kinetické energie ve vozidle. 8

3 HISTORIE POHONNÝCH JEDNOTEK Využít tepelnou energii jako zdroj užitečné práce zamýšlel již v roce 1678 Francouz Hetefeuille. Mělo se jednat o energii střelného prachu. Tento návrh motoru zůstal nerealizován. Za první spalovací motor je tedy možno považovat turbínu, kterou roku 1791 navrhl Angličan Berger. První pístový motor navrhl roku 1794 Angličan Street. Ve válci tohoto motoru se měly spalovat páry terpentýnového oleje smíšeného se vzduchem a po zapálení vnějším teplem měly působit přímo na píst. Ani tento návrh nebyl prakticky uskutečněn, zejména pro nedostatek vhodných paliv. Teprve použití svítiplynu poskytlo vhodné motorové palivo.[5] V roce 1816 vynalezl skotský kněz reverend Stirling motor, který se skládal s dlouhého válce, v němž se s velkou vůlí pohybovalo lehké duté těleso tzv. přeháněč. Jedna strana tohoto válce se ohřívala a druhá ochlazovala. Ve válci bylo uzavřeno určité množství vzduchu. Na začátku pracovního cyklu byl stejný tlak ve válci jako v okolním vzduchu. Po přesunutí přeháněče uvnitř válce směrem doprava, téměř veškerý vzduch ve válci obtekl přeháněč a shromáždil se vlevo. Jelikož byla tato část válce vyhřívána, tak se ohříval vzduch, který se začal rozpínat a tím se také zvýšil jeho tlak. Vzduch o vyšším tlaku byl potrubím veden do pracovního válce, kde tlačil na píst a přes klikový mechanismus roztáčel setrvačník, který konal práci. Na stejnou kliku byla připojena ojnice, která pohybovala s přeháněčem. Ještě dříve, než píst pracovního válce dokončil zdvih a ocitl se ve spodní úvrati, přesunul se přeháněč v ležatém válci vlevo. Tím odtud vytlačil horký vzduch. Ten obtekl přeháněč doprava do studené části válce. Tam se ochladil, a jeho tlak výrazně poklesl pod úroveň okolního atmosférického tlaku. V celém válci nastal podtlak, který se potrubím přenesl do pracovního válce a vrátil píst zpět do horní úvrati. Tím se opět konala práce a roztočila setrvačník. Jeden pracovní cyklus byl dokončen. Setrvačník se však otáčel dál a přesouval přeháněč opět doprava. Tím se studený vzduch dostal opět vlevo do ohřáté části válce, ohřál se a zvýšil svůj tlak. To se stále periodicky opakovalo.[17] 9

V roce 1831 Michael Faraday objevil elektromagnetickou indukci, magnetické a elektrické siločáry. Tento objev dal teoretický základ pro elektromotory.[22] V roce 1860 postavil Francouz Lenoir motor na svítiplyn, který se vcelku dobře uplatnil i při praktickém použití. Byl to ležatý dvojčinný motor se šoupátkovým rozvodem. Do pracovního válce, jehož stěny byly chlazeny vodou, se při pohybu pístu z úvrati nasála směs plynu a vzduchu otvorem, ovládaným sacím šoupátkem. Uprostřed zdvihu šoupátko vstup uzavřelo, směs ve válci se zapálila elektrickou jiskrou, vytvořenou Ruhmhorffovým induktorem, a shořela téměř za stálého objemu. Při expanzi se píst pohyboval do druhé úvratě a konal užitečnou práci. Při zpětném zdvihu se otevřelo výfukové šoupátko a zplodiny hoření byly vytlačeny z válce. Šoupátka byla ovládána pomocí výstředníků. Lenoir byl také první, kdo přišel na myšlenku použít místo plynu lehce odpařitelné kapalné palivo a tuto myšlenku později u svého motoru pro pohon silničního vozu pokusně uskutečnil.[5] Obr. 1 Nákres Lenoirova plynového motoru. 10

Na Světové výstavě v Paříži roku 1867 předvedli Otto a Langen z Kolína nad Rýnem svůj atmosférický plynový motor. Motor byl řešen jako jednočinný stojatý a princip jeho práce vyžadoval, aby místo klikového mechanismu byla k pístu pevně připojena ozubená tyč. Tato tyč zabírala do ozubeného kola, umístěného na hlavním hřídeli, který byl uložen nad pracovním válcem. Ozubené kolo bylo uloženo na volnoběžce. Motor pracoval tak, že při počátku zdvihu pístu se do spodní části válce, chlazeného vodou, nasála směs, která se zažahla otevřeným plamenem. Zvýšený tlak spalin hnal píst při uvolněné volnoběžce velmi rychle vzhůru. Získaná kinetická energie se využila ke zvednutí hmoty pístu a k vytvoření podtlaku ve válci. V horní úvrati se píst zastavil a jeho tíha a atmosférický tlak způsobil pohyb směrem dolů. Tento pohyb se přenášel přes volnoběžku na hřídel. Ve srovnání s Lenoirovým motorem měl Ottův motor značně větší tepelnou účinnost a tedy podstatně nižší měrnou spotřebu paliva.[5] Obr. 2 Nákres Otto-Langen motoru. 11

V roce 1860 Francouz Beau de Rochas popsal princip činnosti a výhody čtyřdobého motoru s umělým zažehováním stlačené směsi. První čtyřdobý skutečně používaný plynový motor o výkonu asi 0,5 kw postavil v roce 1873 v Mnichově hodinář Reithmann. Existence tohoto motoru však zůstala veřejnosti téměř neznámá.[5] V roce 1878 předvedl Otto svůj ležatý čtyřdobý vodou chlazený motor na svítiplyn. Motor měl výkon asi 3kW při 170 otáčkách za minutu, normální klikový mechanismus křižákem a jednočinný píst, který je dodnes pro absolutní většinu pístových spalovacích motorů charakteristický. U tohoto motoru se směs stlačovala asi na 0,2MPa a zapalovala se otevřeným plamenem.[5] Obr. 3 Ottův první pokus o čtyřdobý motor. 12

V roce 1884 postavil v Německu Daimler poměrně rychloběžný benzínový čtyřdobý motor, který měl asi 800 otáček za minutu. Způsobil tím rozvoj celého automobilového průmyslu.[5] Obr. 4 Nákres Daimlerova motoru. Autorem pracovního oběhu, který je v zásadě shodný se způsobem používaným u dnešních dvoudobých motorů s umělým zažehováním, je Angličan Clerk. Jeho návrhy konstrukce dvoudobých motorů s ventily pocházejí z roku 1878. Bezventilový dvoudobý motor s výfukovými a přepouštěcími kanály, uspořádanými ve stěně pracovního válce a ovládanými pístem, navrhl a postavil o deset let později Clerkův krajan Day. Motor měl již klikovou skříň uspořádanou jako plnící dmychadlo.[5] V roce 1892 dostal Rudolf Diesel patent na svůj motor. Prototyp z roku 1893 poháněl uhelný mour, až po delší době se stal palivem petrolej. V roce 1897 sestrojil motor, který jako palivo mohl používat naftu. Tepelnou energii motor využíval z 26 % a byl dvakrát účinnější než nejlepší parní stroje té doby. Teoretické účinnosti 73 % se Rudolf Diesel, ani jeho následníci nikdy nedočkali, dnešní motory zužitkují na pohyb přinejlepším polovinu tepla vytvořeného spalováním. Na přelomu století byly vznětové motory příliš velké a těžké, použití v automobilech bylo možné až o několik desítek let později.[8] 13

Obr. 5 Dieselův motor. V roce 1897 navrhl Karl Benz motor s protilehlými válci tzv. Contra-motor. Písty se pohybovali horizontálně a uprostřed se nacházel klikový mechanismus. Byl to předchůdce dnešního Boxer motoru.[10] Obr. 6 Contra-motor. 14

V roce 1954 vynalezl německý konstruktér Felix Wankel motor s krouživým pohybem pístu, který vyvíjel ve spolupráci s německou firmou NSU (dnes součást VW Group). Základem motoru byl píst, který vykonával pravidelný rotační pohyb. Tím se odstranila největší nevýhoda klasických pístových motorů, a to neustálé urychlování a brzděni hmoty klikového mechanismu. Důmyslným využitím trojbokého pístu ve skříni trochoidního tvaru se dosáhlo realizace čtyřdobého cyklu během jedné otáčky pístu. Píst současně řídil i rozvod.[5] Obr. 7 Wankelův motor. 15

4 ALTERNATIVNÍ KONCEPCE POHONU Vývoj alternativních pohonů a alternativních nosičů energie by měl přispívat k tomu, aby se snížily emise škodlivin v ovzduší (NO x, HC, CO, CO 2 ), spotřeba paliva a emise hluku. Jako nosičem energie kromě kapalných ropných paliv (nafta a benzín), je v dnešní době k dispozici několik alternativních plynných i kapalných paliv. V současnosti se pracuje na vývoji pohonných jednotek na: zemní plyn (metan), bionaftu (metylester řepkového oleje), bioplyn (metan), etanol, metanol, stlačený vzduch, vodík, elektrickou energii atd. [1] 4.1 Hybridní pohony Pod pojmem hybridní pohony rozumíme vozidla, které využívají více než jeden zdroj energie pro pohon, např. elektromotor se spalovacím motorem.[1] Vůbec prvním vozem kombinující více pohonů byl Lohner-Porsche (1899). Spalovací motor poháněl generátor vyrábějící elektrickou energii pro elektromotory umístěné v nábojích předních kol.[6] Obr. 8 První hybridní vozidlo Lehner-Porsche. 16

Hybridní pohon využívá výhodných dělících vlastností jednotlivých zdrojů pohybu při různých režimech jízdy. Každý agregát se tedy pohybuje ve svém provozním (optimálním) režimu, pro který byl navržen. V optimálním režimu dosahuje nejvyšší možné účinnosti. Výhodnou kombinací agregátů lze rekuperovat kinetickou energii.[6] Dělení hybridních vozidel: Sériové Paralelní Kombinované (s děličem výkonu) 4.1.1 Sériový hybrid Sériový hybridní pohon se v mnohém podobá s čistě elektrickým pohonem. Spalovací motor pohání generátor, není tedy přímo spojen s poháněnými koly. Generátor má dvě funkce, buď slouží k dobíjení akumulátoru, nebo dodává energii pro elektromotor pohánějící kola vozu. Při požadavku maximálního výkonu, je potřebná energie dodána jak z akumulátoru, tak z generátoru. Převodovka není potřeba, elektromotor je účinnější v širším rozsahu otáček nežli spalovací motor. Elektromotorů může být ve vozidle několik, buď podle počtu poháněných náprav, nebo je lze umístit do nábojů poháněného kola. Sériový hybrid může být také vybaven superkondenzátory či setrvačníkem.[6] Obr. 9 Blokové schéma sériového hybridního vozu. 17

Hlavní výhodou sériového hybridu je, že otáčky spalovacího motoru nejsou závislé na otáčkách kol. Spalovací motor se tedy pohybuje v určitém rozmezí otáček, při kterých dosahuje nejvyšší účinnosti a nejpříznivější spotřeby paliva. Pokud jsou elektromotory umístěny v nábojích kol, není třeba používat převodovku, diferenciál či hnací hřídele. Díky tomu je podlaha nižší (např. u autobusů a bojových vozidel). Nevýhodou tohoto řešení je výrazný nárůst neodpružené hmoty, což působí problémy při návrhu odpružení. Další nevýhodou při odstranění mechanického spojení spalovacího motoru s poháněnými koly prostřednictvím spojky, převodovky, diferenciálu a hnacího hřídele, je pokles účinnosti pohonu. Mechanická cesta má výrazně vyšší účinnost (98%), než elektrická cesta přes generátor, měnič do elektromotoru (70-80%).[6] Obr. 10 Blokové schéma sériového hybridního vozu 4x4. V porovnání s paralelním hybridem, je jeho efektivita vyšší při pomalé přerušované jízdě ve městě. S rostoucí rychlostí se projevují výhody paralelního hybridu.[6] 18

4.1.2 Paralelní hybrid U většiny prodávaných hybridních vozidel se používá tento systém. Vůz je vybaven spalovacím motorem a elektromotorem, které jsou s koly propojeny skrz mechanickou převodovku. Častým uspořádáním je umístění elektromotoru/generátoru mezi spalovací motor a převodovku. K akumulaci elektrické energie slouží akumulátory s výrazně vyšším napětím než je v běžných vozidlech (12V).[6] Obr. 11 Blokové schéma paralelního hybridního vozu. Dva zdroje energie jsou spojeny hřídelem a výsledný moment je dán součinitelem jejich okamžitých momentů. Pokud je tedy využíván pouze jeden motor, druhý rotuje s ním, aniž by dodával výkon (volnoběh), nebo může být odpojen přes spojku. U osobních vozidel se častěji používá spojení přes planetovou převodovku. Obvyklým režim paralelního hybridu je, že většina výkonu dodává spalovací motor a elektromotor se zapojuje v případě akcelerace. Výhodou je možnost rekuperace.[6] 19

Obr. 12 Blokové schéma paralelního hybridního vozu 4x4. 4.1.3 Kombinovaný hybrid Je vybaven tzv. děličem výkonu. Ten zajišťuje, aby tok výkonu spalovacího motoru šel ke kolům buď to mechanickou cestou (paralelní hybrid), nebo elektrickou (sériový hybrid). O tom kolik procent výkonu půjde mechanickou či elektrickou cestou rozhoduje režim, ve kterém se vůz nachází. Jsou to například akcelerace, jízda z kopce, brzdění. Tímto systémem jsou vybaveny např. vozy Toyota a Lexus.[6] Obr. 13 Blokové schéma kombinovaného hybridního vozu s děličem výkonu. 20

Další dělení je podle stupně "hybridizace" Full hybrid Power assist hybrid atd. 4.1.4 Full hybrid Jedná se o hybridy, které jsou schopny jet pouze na elektrický pohon, nebo kombinovat jak spalovací tak elektrický motor. To znamená, že jsou vybaveny děličem výkonu. Spalovací motor už nemá prvořadé postavení a při výkonných parametrech srovnatelných s konvenčním vozem má nižší objem motoru. Tento druh hybridu se nachází v Toyotě Primus či v Lexusu RX400h.[6] Obr. 14 Full hybrid Toyota primus. Dalším krokem ve zdokonalování těchto hybridů je tzv. PHEV (Plug-in hybrid electric vehicle). Vůz je vybaven akumulátorem umožňující dobíjení ze sítě. Měřítkem u tohoto vozu je vzdálenost, kterou jsou schopni ujet bez použití spalovacího motoru.[6] 21

Obr. 15 Plug-in hybrid Volvo V70. 4.1.5 Power assist hybrid Spalovací motor je primární pohonnou jednotkou vozu. V případě potřeby akcelerace se připojí elektrický motor tzv. electric boost. Elektromotor je umístěn mezi motorem a převodovkou. Vůz je vybaven akumulátory, které jsou dobíjeny při jízdě z kopce, brzdění. Čistě elektrický pohon není možno prakticky využít kvůli nízkému výkonu elektromotoru. Elektromotor pracuje jako generátor (při brzdění). Příkladem je Honda Civic se systémem IMA.[6] Obr. 16 Pohonná jednotka IMA. 22

4.2 Elektromobily Již v roce 1835 nizozemský profesor Sibrandus Stratingh navrhl malý elektromobil postavený jeho asistentem Christopherem Beckerem.[20] Elektromobily jsou vozidla poháněná elektromotory, které jsou nejčastěji napájeny akumulátory umístěnými ve vozidle (většinou místo palivové nádrže). Pro elektromobil je hlavním limitujícím prvkem velikost elektrické energie, která je dána kapacitou akumulátoru. Největší výhodou je až 90% účinnost elektromotoru (v případě asynchronního motoru), oproti 30 40% účinnosti spalovacího motoru.[21] Elektromobily napájeny akumulátory při svém provozu neprodukují žádné škodlivé emise, mají nízkou hladinu hluku a dobrou výkonovou charakteristiku. Nevýhodou je omezený dojezd (záleží na kapacitě akumulátoru). Elektromobily lze rozdělit dle druhu elektromotoru: Stejnosměrný s cizím buzením: - má dobré tahové charakteristiky, jednoduchou regulaci otáček v širokém rozsahu a plynulý přechod z jízdy na brzdění. Magnetický tok je buzen budícím vinutím ve statoru. Proud do vinutí, které je umístěno na rotoru, je přiváděn přes kartáče a komutátor. Ten zajišťuje periodickou změnu proudu do cívky kotvy. Kotva tedy rotuje ve vnějším magnetickém poli. Asynchronní motor: - nemá vinutí kotvy a kolektor, proto je podstatně menší a lehčí, než li stejnosměrný motor. Magnetický tok je do statoru také přiváděn budícím vinutím, avšak prostřednictvím rotačního napětí, které má proměnnou amplitudu a frekvenci. Transversální motor: - u něho je proud přiváděn v obvodovém směru do rotoru a magnetický tok statoru není kolmý k ose rotoru, ale paralelní. Řízený reluktanční motor: - tyto motory jsou založeny na technice reluktančních krokových motorů. Reluktanční motor se rozbíhá asynchronně a pak běží synchronně. Pojem reluktance odkazuje na magnetický odpor, který rotor v magnetickém poli představuje.[3] 23

Podle uložení elektromotoru: Vpředu pohánějící přední nápravu Uprostřed pohánějící zadní nápravu Vzadu pohánějící zádní nápravu Uložený přímo v náboji kol Podle typu napájení elektromotoru, a to buď pomocí: Palivových článků Akumulátorů Trolejí Sluneční energie Hybridních pohonů 4.2.1 Akumulátor Je zařízení na opakované uchování elektrické energie. Většina akumulátorů je založena na elektrochemickém principu. Proud procházející v elektrochemickém akumulátoru vyvolá vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách. V elektromobilech jsou tzv. trakční akumulátory. Oproti klasickým startovacím akumulátorům jsou trakční akumulátory navrženy pro hluboké vybití a mnohem méně podléhají opotřebení elektrod při vybíjení a nabíjení. Tyto akumulátory mají tlusté elektrody, které nejsou schopny dodat tak velký proud, jako startovací akumulátory.[13] 24

4.2.1.1 Typy akumulátorů Olověný akumulátor V nabitém stavu aktivní hmotu záporné elektrody tvoří houbovité olovo (Pb), u kladné elektrody je to oxid olovičitý (PbO 2 ). Elektrolytem je vodou zředěná kyselina sírová (H 2 SO 4 ) o koncentraci přibližně 35% objemu u plně nabitého akumulátoru. Tento roztok může být z technických důvodů nasáknutý do vaty ze sklených vláken (AGM), nebo ve formě gelu. Vybíjením se aktivní hmota záporné i kladné elektrody přeměňuje na síran olovnatý (PbSO 4 ) a elektrolyt je ochuzován o kyselinu sírovou a obohacován vodou. Při vybíjení tedy klesá koncentrace elektrolytu a naopak při nabíjení jeho koncentrace roste.[13] NiCd akumulátor Nikl-kadmiový akumulátor (zkratkou NiCd je registrovaná ochranná známka společnosti SAFT Corporation). Výhodou těchto článků je, že jim nevadí skladování ve vybitém stavu a s tím související odolnost vůči hlubokému vybití. Určitou nevýhodou ve srovnání s NiMH a Li-ion akumulátory je jeho relativně nižší měrná kapacita. Velkým problémem tohoto akumulátoru je jedovatost kadmia. S relativně nízkým vnitřním odporem může dodávat velké proudy. NiCd akumulátory (spolu s NiMH) mají oproti jiným bateriím paměťový efekt. Označuje se jím stav, kdy baterie postupně ztrácí svoji maximální kapacitu, jsou-li opakovaně dobíjeny jen po částečném vybití.[13] NiMH akumulátor Nikl-metal hydridový akumulátor (NiMH), je jedením z nejčastěji používaných druhů akumulátorů. Ve srovnání s NiCd akumulátorem má přibližně dvojnásobnou až trojnásobnou kapacitu. Hlavními důvody jeho velkého rozšíření je jeho kapacita a schopnost dodávat velký proud. Další výhodou je udržení garantovaného napětí téměř do plného vybití baterie.[13] 25

Li-ion akumulátor Lithium-ion akumulátor, je typ akumulátoru, ve kterém se lithium-ionty pohybují mezi anodou a katodou. Má vynikající poměr energie k hmotnosti, žádný paměťový efekt a pomalé samovybíjení. Hlavní nevýhodou těchto akumulátorů je jejich stárnutí, což je výrazné snižování kapacity nezávisle na používání. Při skladování při teplotě 20 C, se bude kapacita akumulátoru snižovat o 20% za rok. Pokud by byla baterie skladována při teplotě 4 C, snížila by se kapacita přibližně o 4% za rok. Naproti tomu při teplotě 40 C by byla trvalá roční ztráta kapacity 30-40%.[13] Oproti NiCd a NiMH akumulátorům mají Li-ion akumulátory vyšší vnitřní odpor, proto není možné z nich získat tak vysoký proud. V případě přehřátí nebo připojení vyššího napětí může akumulátor explodovat. LiFePO 4 akumulátor Další verzí lithium-iontových nabíjecích akumulátorů postavené na lithium železo fosfátu (LiFePO 4 ). Toto označení získaly díky katodě vyrobené z tohoto materiálu. Anoda je jako ostatní Li-ion akumulátory vyrobena z uhlíku. Akumulátory jsou schopny dodávat vyšší proud.[13] 4.2.1.2 Shrnutí akumulátorů Akumulátory přes obrovský posun v posledních letech jsou stále největším omezením elektromobilů. Jejich velká hmotnost, objem nebo cena limitují parametry elektromobilů, díky kterým pak nejsou pro uživatele zajímavé. Pro vzdálenosti dojezdu do 200 km jsou však jejich vlastnosti v dnešní době dostačující. Ceny akumulátorů klesají a s nimi by měla klesnout i cena elektromobilů. Jako nejlepší možnost akumulátorů pro dnešní elektromobily se jeví LiFePO 4 akumulátory. Které mají přijatelnou kapacitu, cenu a životnost (navíc jsou netoxické).[13] 26

Tab. 1 Porovnání akumulátorů.[13] Typ Výhody Nevýhody Olovněný NiCd NiMH Li-ion LiFePO 4 -cena -je schopen dát velké proudy - nevadí jim úplné vybití - počet dobíjecích cyklů víc jak 2000 - cena - rozumně ekologické - udržení napětí až do úplného vybití - nemá paměťový efekt - hustota energie (160 Wh/kg) - malé samovybíjení - dobíjecí účinnost (80-90%) - málo toxické - počet dobíjecích cyklů 3000 - netoxické - nemají paměťový efekt - hustota energie (170Wh/kg) - dobíjecí účinnost (95%) - vysoká životnost (3-10 let) - bezpečné oproti jiným typům lithiových akumulátorů - hustota energie/kg (30-40 Wh/kg) - nižší účinnost dobíjení (70-92%) - počet dobíjecích cyklů (500-800) - nutná ekologická likvidace - hustota energie/kg (40-60 Wh/kg) - nižší účinnost dobíjení (66-90%) - paměťový efekt - rychlé samovybíjení (až 20/měsíc) - nutná ekologická likvidace - hustota energie/kg (30-80 Wh/kg) - nízká účinnost dobíjení (66%) - paměťový efekt - počet dobíjecích cyklů (cca 1000) - životnost 2-3 roky - při špatném zacházení může explodovat - při úplném vybití je téměř vždy zničený - rychlé dobíjení snižuje životnost - možnost předčasného selhání častým vybíjením pod 33% 27

4.2.2 Superkondenzátor Superkondenzátor je perspektivním akumulátorem energie, schopným rychle akumulovat a následně odevzdat velké množství elektrické energie. Bez problémů snáší opakované nabíjení a vybíjení vysokými proudy, má dlouhou životnost a nevadí mu nízké provozní teploty. Akumulátory ukládají elektřinu v podobě chemické vazby, kondenzátory ji umějí uložit v podobě elektrického náboje. Hlavní výhodou kondenzátorů oproti běžným akumulátorům, je vysoká účinnost, schopnost podat okamžitě plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost několik desítek let, mnohonásobně větší počet nabíjecích cyklů a především krátká doba nabíjení. Superkondenzátor je schopen pojmout brzdnou energii, která je následně využita ke startu spalovacího motoru, nebo k zrychlení vozidla. Nejnovější superkondenzátory mají elektrody tvořené z pórovitého uhlíku, jehož vnitřní povrch má plochu až 2000 m 2 v jednom gramu. Tím dochází k mnohonásobnému nárůstu kapacity, která může být ještě zvýšena umístěním velkého množství uhlíkových nanotrubic do jednoho celku. Elektromobil s tímto zdrojem energie je schopen mít dostatečný výkon při stoupání v těžkém terénu díky schopnosti podat maximální výkon během okamžiku.[9] Obr. 17 Typická struktura (vrstvy) svitku superkondenzátoru. 28

4.3 Vodíkový pohon Vodík (H 2 ) se považuje za nosič energie budoucnosti. Při slučování vodíku s kyslíkem (oxidace) vzniká voda a uvolňuje se energie: 2H 2 +O 2 2H 2 O+energie.[1] 4.3.1 Spalování vodíku Vodík (stlačený nebo kapalný) se spaluje obdobně jako běžné pohonné hmoty, motor k tomu musí být ovšem upravený. Čistý vodík reaguje s kyslíkem ve spalovacím prostoru motoru a uvolňuje se tepelná energie, která se klikovým mechanismem přeměňuje na mechanickou energii. Při spalování vodíku vzniká jenom neškodná voda a malé množství kysličníků dusíku. Tento způsob má v současnosti dvě podstatné nevýhody. Výroba vodíku je v dnešní době drahá a vodík ve směsi se vzduchem je silně výbušný.[14] Obr. 18 Motor spalující vodík. 4.3.2 Oxidace vodíku Pohonnou jednotkou je elektromotor, elektřina pro něj je vyráběna přímo ve vozidle v palivových článcích. Vodík (stlačený nebo kapalný), nebo chemicky vyvinutý ve vozidle, např. ze zemního plynu, metanolu, benzínu apod., spolu s kyslíkem (ze vzduchu) chemicky reagují, a přitom tvoří elektrickou energii za vzniku vody nebo vodní páry.[14] 29

5 PALIVOVÉ ČLÁNKY 5.1 Co je to palivový článek Palivový článek (Fuel Cell) je velmi perspektivní technologie, která má prokazatelný přínos z hlediska energetické efektivnosti, využití zdrojů energie a ochrany životního prostředí. Technologie palivových článků je v současnosti na prahu praktického využití, a to jak v mobilních tak i stacionárních energetických zařízeních.[15] Palivový článek je elektrochemické zařízení, které přímo transformuje chemickou energii v palivu na elektrickou energii, která se používá k napájení elektromotoru. Tato přímá přeměněna energie umožňuje dosažení podstatně vyšší účinnosti až přes 60%, dle zatížení a typu palivového článku. Vysoká účinnost je dána zejména tím, že přeměna energie je přímá, nikoliv přes mezistupně (tepelnou a mechanickou energii), jako je tomu např. u spalovacích motorů.[19] Obr. 19 Transformace energie. Palivový článek se liší od galvanického článku tím, že pracuje v kontinuálním režimu díky plynulé dodávce paliva k anodě a okysličovadla ke katodě. Během tohoto režimu se palivo a okysličovadlo spotřebovává. Elektrody jsou katalyticky i relativně stabilní. U galvanického článku se elektrody při odběru proudu spotřebovávají.[23] 30

5.2 Princip činnosti Palivový článek se skládá z elektrolytu, který odděluje porézní elektrody, a elektrického okruhu. Elektrolyt nesmí propouštět elektrony, tzn. pro elektrický proud je dielektrikem, je iontově vodivý. Elektrody působí jako katalyzátory chemických přeměn, které nemění svoje chemické složení a téměř se neopotřebovávají. Princip činnosti palivového článku je v podstatě opačná elektrolýza. K anodě (záporná elektroda) je přiváděno palivo (např. vodík). Vodík se katalyticky štěpí (probíhá oxidace) na protony a elektrony. Protony prochází elektrolytem ke katodě. Uvolněné elektrony prochází vnějším obvodem a vytvářejí tak elektrický proud, který se pohybuje ke katodě. Na katodu (kladná elektroda) je přiváděno okysličovadlo (např. kyslík). Na základě atomů okysličovadla, volných elektronů a prostupných protonů vzniká katalytickou reakcí voda.[12] Obr. 20 Princip transformace energie v palivovém článku. 31

5.3 Palivo Palivem mohou být plynné, kapalné i tuhé látky. Nejčastěji používaným palivem je čistý vodík, který může v palivovém článku přímo reagovat za vývoje elektrického proudu. Protože vodík není vhodný palivem pro všechny typy palivových článků, je věnována velká pozornost i tzv. nepřímým palivům, ze kterých je vodík uvolňován. Mezi nejvýznamnější nepřímé zdroje vodíku patří zemní plyn, metan, metanol, etanol, případně čpavek. Reformováním těchto zdrojů vodní párou nebo tzv. parciální oxidací při vysokých teplotách vzniká vodík s oxidy uhlíku. Protože ve většině palivových článků jsou používány katalyzátory na bázi platiny, je zapotřebí po provedeném reformování odstranit oxid uhličitý, který způsobuje otravu těchto katalyzátorů. V poslední době se pro řadu aplikací s využitím palivových článků ukazuje metanol jako velmi perspektivní kapalné přímé palivo. Již v současné době byla vyrobena řada prototypů palivových článků, ve kterých je používán jako přímé palivo bez potřeby reformování.[12] 5.4 Katalyzátory Jsou to látky, které ovlivňují rychlost chemických reakcí. Reakce se účastní, ale přitom se nespotřebovávají a po ukončení reakce ustávají prakticky chemicky nezměněny. Ve většině palivových článků jsou používány katalyzátory na bázi platiny. U nich problém představuje přítomnost oxidu uhličitého (CO2). Jeho molekula se totiž silně váže k aktivním centrům platinového katalyzátoru a způsobuje tak prudké zpomalení anodové reakce a snížení účinnosti palivového článku. Dalším možným katalyzátorem je oxid manganičitý (MnO 2 ), značně urychluje reakci vodíku s kyslíkem. Má teoretickou schopnost pojmout vodík, čímž by se zlepšily vlastnosti palivového článku jak už hlediska přepětí článku, nebo zmenšení polarizace elektrod, které způsobují pokles napětí.[12] 32

5.5 Reformig paliva Systémy s palivovými články musí pracovat v praxi s běžnými palivy. Pro stacionární zařízení přichází v úvahu převážně zemní plyn a propan. V posledních letech sílí snahy získat vodík z různých forem biomasy. Jelikož palivové články využívají pro elektrochemickou reakci vodík a kyslík, musí být použité palivo zpracováno tak, aby na anodu přiváděný plyn obsahoval co možná největší podíl vodíku. Na katodové straně se ve většině případů používá kyslík ze vzduchu, mechanicky čištěný přes prachový filtr. Následující popis ukazuje reakce nezbytné pro získání vodíku z metanu. Tento popis by měl sloužit jako příklad ukazující kroky v procesu získávání vodíku ze zdrojů energie bohatých na uhlík (včetně biomasy). Metan se obohacuje vodní parou, ohřeje se přibližně na 800 C a ve speciálním zařízení (reforméru) za přítomnosti katalyzátorů se přeměňuje dle následující reakce: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Tato reformní reakce je endotermická, takže probíhá pouze při přívodu tepla. Teplo se získává spalováním paliva, které nezreagovalo v palivovém článku během elektrochemické reakce. Zemní plyn je vhodný pro proces reformingu, protože poměr množství atomů vodíku k atomům uhlíku 4:1 je relativně vysoký. To také vysvětluje, proč se řada výzkumných společností soustředí především na toto palivo. Při reformingu vzniklý oxid uhelnatý reaguje v konvertoru následně s vodní parou: CO + H 2 O CO 2 + H 2, tato reakce probíhá přibližně při 200 C. V závislosti na použitých palivech je třeba dát pozor na to, zda není před vlastním reformingem nezbytná úprava paliva, při které by se odstranily složky škodlivé pro palivový článek (např. stopová síra, chloridy, amoniak).[12] 33

Jak je možné vidět z (Obr. 20), hodí se předešlý popis přípravy plynu na systémy s palivovými články s kyselinou fosforečnou, které pracují při teplotě 200 C. Pro jiné typy s nižší provozní teplotou se zvyšují náklady na reforming, pro systémy pracující při vyšší teplotě se náklady snižují.[12] 1. 2. 3. 4. 6. 8. 9. 12. 10. 13. 5. 7. 11. 14. 1 Kapalná paliva 6 Před reformér 11 PAFC 2 Rozprašovač 7 MCFC 12 PrOX 3 Zemní plyn 8 Reformér 13 H 2 čistý 4 Odsíření 9 Konvertor 14 PEMFC, AFC 5 SOFC 10 H 2 obohacený Obr. 21 Závislost koncepce reformingu na typu palivového článku. 34

5.6 Soubory palivových článků Z důvodu zvýšení jmenovitého elektrického napětí a výkonu je nutno elementární články spojovat do větších celků o desítkách, stovkách až tisících článků. V principu neexistuje žádné omezení na počet elementárních článků v celkovém souboru. Tudíž je lze konstruovat v širokém rozmezí výkonů (od wattů po megawatty), přičemž malé jednotky pracují s takřka stejnou účinností jako velké.[12] Obr. 22 Spojení elementárních článků SOFC Siemens Westinghouse do souboru. 35

5.7 Funkční schéma systému s palivovým článkem Funkční systém s palivovými články se skládá z více zařízení než jen z palivových článků. Celý systém se skládá ze tří základních podsystémů. Obr. 23 Funkční schéma jednotky s palivovými články. Nejprve je potřeba přiváděné palivo (pokud se nejedná přímo o čistý vodík) upravit pro použití v palivovém článku. Pokud palivo obsahuje síru, je potřeba ji odstranit, protože by způsobovala degradaci elektrod. Následuje proces reformingu paliva, vodík se potom přivádí na anodu palivového článku. Teplo uvolněné při elektrochemické reakci je třeba odvádět, jeho možné využití závisí na provozní teplotě článku. Palivový článek vyrábí stejnosměrný proud, který se v invertoru mění na střídavý s požadovanou frekvencí a napětím. Palivo, které nezreagovalo v palivovém článku, se následně spaluje v hořáku, který je součástí systému reformingu paliva. Tím se získává teplo potřebné pro reformní proces. V závislosti na teplotě spalin je možné uvažovat o zařazení dalšího tepelného výměníku a využití odpadního tepla spalin.[12] 36

5.8 Rozdělení palivový článků V současné době existuje několik základních typů palivových článků, které se liší především druhem elektrolytu a provozní teplotou. Tím je dáno i odlišné konstrukční provedení, způsob provozu a způsob přípravy paliva.[12] Podle teploty se palivové články dělí: Nízkoteplotní 60 130 C Středněteplotní 160 220 C Vysokoteplotní 600 1050 C Podle typu elektrolytu se palivové články dělí: AFC (Alkaline Fuel Cell) - Alkalickým elektrolytem PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) - Polymerní elektrolytickou membránou DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) - Přímé metanolové palivové články PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) - Kyselinou fosforečnou MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) - Taveninou alkalických uhličitanů SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) - Pevným elektrolytem 37

Tab. 2 Porovnání palivových článků. Typ článku AFC PEMFC DMFC PAFC MCFC SOFC Pracovní teplota ( C) 70-220 do 120 120-150 130-220 600-800 700-1000 Polymerní Polymerní 100% Roztavené Tuhé Elektrolyt KOH membrána membrána kyselina Li/K keramické fosforečná uhličitany oxidy Palivo Čistý vodík Vodík a Vodík, Vodík, Vodík, zemní zemní reformáty, Metanol zemní plyn plyn plyn metanol Účinnost 60% 40% 40% 40% 55% 55% Realizovaný výkon 20kW do 250kW - do 11 MW do 2 MW do 10MW Přínosné Přínosné Vesmírné aplokace, aplokace, Malé Elektrárny Použití projekty, mobilní mobilní elektrárny Elektrárny APU, CHP ponorky zařízení zařízení APU,CHP APU, APU, CHP CHP CHP - kombinované teplo a energi; APU - pomocé nergetické jednotky Zdroj: VANĚK, J., 2006: Alternativní zdroje energie. Skripta VUT FEKT, Brno 38

5.8.1 Palivové články s alkalickým elektrolytem (AFC) Jedny z prvních palivových článků, které byly úspěšně použity v kosmickém výzkumu. Jejich vývoj sahá až do počátku 60. let 20. Století. Jejich provozní teplota je mezi 65-220 C, při tlaku kolem 1 baru. Jako elektrolyt se používá vodný roztok alkalického hydroxidu draselného (KOH), který je schopný nést hydroxidový iont (OH ) od katody k anodě. Jako palivo slouží čistý vodík (H2) a jako okysličovadlo čistý kyslík (O2), nebo vzduch, který musí být zbavený oxidu uhličitého (CO2), který by reagoval spolu s elektrolytem na uhličitan draselný (K2CO3), což by vedlo k znehodnocení elektrolytu. V takovýchto palivových článcích lze používat velké množství typů katalyzátorů, nejsme tedy odkázání pouze na katalyzátory na bázi platiny. Účinnost přeměny čistého vodíku na elektrickou energii dosahuje 60%. Od tohoto typu článků se v současné době opouští, neboť je zde problém s potřebou časné výměny a recirkulace elektrolytu. Uplatňují především ve vesmírných a vojenských aplikacích.[16] Tok elektronů Vodík Kyslík Voda Hydroxylové ionty Anoda Elektrolyt Katoda Obr. 24 Princip funkce palivového článku AFC. 39

5.8.2 Palivové články s polymerní membránou (PEMFC) Vyznačují se vysokou proudovou hustotou, což umožňuje konstrukci s nízkou hmotností i rozměry. Provozní teplota je do 90 C s tlakem 1-2 bary. Funkci elektrolytu zde plní polymerní membrána vodivá pro vodíkové ionty (protony H + ), od anody ke katodě. Jako katalyzátor se nejčastěji používá platina, nebo slitiny platinových kovů, které jsou nanesené na povrch GDL (plynově difúzní vrstva) a tak vytváří GDE (plynově difúzní elektroda), GDL s zafixovaným katalyzátorem. Jako palivo slouží vodík, nebo metanol a jako okysličovadlo kyslík, nebo vzduch. Tento typ článků se hodí především pro pohon vozidel, ale jsou vyvíjeny jako malé stacionární jednotky.[16][12] Tok elektronů Vodík Kyslík Vodíkové ionty Voda Anoda Elektrolyt Katoda Obr. 25 Princip funkce palivového článku PEMFC. 5.8.3 Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) Tyto palivové články jsou již dnes komerčně dostupné, jsou vyráběny od začátku 90. let 20. století. Pracují při teplotě okolo 200 C, tak překračuje 8 barů. Jako elektrolyt je používána 100% kyselina fosforečná fixovaná (H 3 PO 4 ). Jako katalyzátor je používána platina, kdy v současnosti došlo k významnému poklesu množství použité platiny. Jako palivo slouží vodík připravený parním reformingem fosilních paliv a jako okysličovadlo vzduch.[16][12] 40

Tok elektronů Vodík Kyslík Vodíkové ionty Voda Anoda Elektrolyt Katoda Obr. 26 Princip funkce palivového článku PAFC. 5.8.4 Palivové články s tavenými uhličitany (MCFC) Tyto palivové články pracují při teplotě okolo 600-650 C, tlaku 1 10 baru. Při tak vysokých teplotách nejsou pro elektrochemickou reakci potřebné drahé kovy jako katalyzátor, v palivovém článku dochází k vnitřnímu reformingu, který zvyšuje účinnost článku, a proto palivo nemusí být příliš čisté. Jako palivo slouží plyn z parního reformingu fosilních paliv a bioplynu a jako okysličovadlo vzduch. Elektrolyt zde slouží tavenina směsi uhličitanu draselného (K2CO3). Tyto palivové články je možné využít v kogeneračních jednotkách a elektrárnách.[16][12] Tok elektronů Vodík Kyslík Voda Uhličitanové ionty Oxid uhličitý Obr. 27 Princip funkce palivového článku MCFC. 41

5.8.5 Palivové články s tuhými oxidy (SOFC) Pevný elektrolyt způsobuje konstrukční problémy, ovšem nemusí se zde používat drahých katalyzátorů. Palivové články pracují při teplotě 600 1000 C, s tlakem kolem 1 baru. Lze použít reakční produkty v expanzní turbíně, což vede k dalšímu zvýšení účinnosti. Jako palivo slouží plyn z parního reformingu fosilních paliv a bioplynu a jako okysličovadlo vzduch. Tyto palivové články skýtají možnost využití v kogeneračních jednotkách a elektrárnách. Protože zde není kapalný elektrolyt, odpadají problémy s korozí doprovodného materiálu a s elektrolytovým hospodářstvím. Vysoká teplota umožňuje, podobně jako u MCFC, využití spalin z palivového článku pro kogeneraci. Pevný charakter všech komponent SOFC v principu znamená, že nejsou kladena žádná omezení na jeho uspořádání a lze je proto koncipovat v různých geometrických tvarech.[16][12] Tok elektronů Vodík Kyslík Voda Kyslíkové ionty Anoda Elektrolyt Katoda Obr. 28 Princip funkce palivového článku SOFC. 42

5.9 Shrnutí základních charakteristik Výhody: Vysoká účinnost energetické transformace v důsledku přímé přeměny chemické energie paliva na energii elektrickou. Modulární koncepce možnost konstruovat palivové články v širokém rozmezí výkonů při takřka stejné účinnosti Velmi nízké emise škodlivin Dlouhé periody mezi občasnými poruchami Možnost použití množství různých plynných paliv (po úpravě) Nevýhody: Citlivost k některým příměsím v palivu, případně v okysličovadle Dosud příliš nízká životnost Účinnost klesá s dobou provozu Palivový článek v sobě ukrývá vysoký potenciál využití v následujících letech. Splňuje podmínku čisté technologie nezávislé na fosilních palivech. 43

6 REKUPERACE KINETICKÉ ENERGIE Rekuperace je proces přeměny kinetické energie dopravního prostředku zpět na využitelnou elektrickou energii při elektrodynamickém brzdění. Tato energie se buď ukládá do akumulátorů přímo v dopravním prostředku, nebo se vrací do napájecí soustavy (na rozdíl od elektrodynamického brzdění bez rekuperace, kdy se získaná energie maří v odpornících). Využívá se zejména u kolejových vozidel s elektrickou trakcí (tramvaje, metro, elektrické jednotky a elektrické lokomotivy), ale je možné se s ním setkat i u vozidel silničních nebo s hybridní trakcí (např. hybridní lokomotivy, nebo elektromobily či hybridní automobily). Výhodou je úspora energie a snížení spotřeby, neboť se energie spotřebovaná na uvádění vozidla do pohybu částečně získává zpět. Úspora se projevuje v městském a příměstském provozu, nebo při posunu na železnici, kdy dochází často k zastavení a rozjezdům vozidla.[24] 6.1 Rekuperace kinetické energie, neboli KERS KERS (kinetic energy recuperation systém), tato zkratka označuje prakticky jakýkoliv druh pohonu, který nějak získává energii z brzdění. A tu dokážou do akumulátorů ukládat prakticky všechny dnešní hybridní vozy (myšleno vozy se spalovacím motorem v kombinaci s elektromotorem), energii s brzdění dokáže také ukládat např. systém EfficientDynamics od firmy BMW.[7] Při brzdění se pohybová energie vozu mění v tepelnou energii, která se bez užitku odvádí do vzduchu ochlazováním brzd. KERS umožní alespoň část této energie využít pro krátkodobé zvýšení výkonu pohonné jednotky. 44

6.2 Metody rekuperace kinetické energie 1) Elektrické Základ elektrického systému tvoří elektromotor (generátor), který umožňuje přeměnu kinetické energie na elektrickou, kterou uchovává v zásobnících a následně ji dokáže v případě potřeby využít pro pohon vozidla. Zásobníky: chemické akumulátory, kondenzátory. Jako alternativa k oběma typům se ukazuje využití tzv. superkondenzátorů. 2) Mechanické Základ mechanického systému tvoří setrvačník, který využívá momentu setrvačnosti. Může v systému pracovat čistě mechanicky nebo ve spojení s elektromotorem. 3) Hydraulické Základ hydraulického systému pro přeměnu kinetické energie a její zpětné využití pro pohon je hydromotor (hydrogenerátor). Zásobníky: závažové, pružinové, plynové akumulátory 45

6.2.1 Elektrické systémy 6.2.1.1 BMW Efficient Dynamics Vozidlo je kromě spalovacího motoru, vybaveno i elektromotorem, který může sloužit i jako velice výkonný generátor, inteligentní řídící jednotkou, využívající výkon elektromotoru podle potřeby a vysokovýkonnostní Li-ion akumulátorem. Pokud chceme, aby vozidlo zpomalilo, tak při sešlápnutí brzdového pedálu nedojde k aktivaci provozní brzdy, ale brzdného účinku je dosaženo pomocí elektromotoru, který v této fázi funguje jako velmi výkonný generátor elektrické energie, již jsou dobíjeny elektrické akumulátory. Energie potřebná ke generování elektrického proudu v konečném důsledku zpomaluje vozidlo. Při následné požadované akceleraci vozidla zásobuje akumulátor elektrickou energií elektromotor, vytvářející kroutící moment. Tento moment spolu s momentem spalovacího motoru se přenáší přes převodovku až na zadní nápravu a celý proces je řízen řídící jednotkou. Výsledkem je, že vznikne spojení elektromotoru se spalovacím motorem. Oba motory se doplňují co do účinnosti, takže pro dosažení stejné dynamiky je potřeba méně paliva, přičemž účinnost je v porovnání s konvenčně poháněným vozidlem až o 20% větší.[11] Obr. 29 Umístění prvků elektrické rekuperace ve vozidle BMW. 46

6.2.1.2 Toyota (Stop & Start) Firma Toyota systém rekuperace oproti EfficientDynamics vylepšila. Když řidič svůj vůz zastaví (např. na křižovatce), sešlápne spojku, zařadí neutrál a opět uvolní spojku. Tento systém automaticky vypne spalovací motor, aby ušetřil palivo a omezil emise po dobu stání vozu. Jakmile přijde chvíle k opětovnému rozjezdu a řidič sešlápne spojku, aby zařadil rychlostní stupeň, systém Stop & Start snadno, rychle a tiše motor nastartuje. Řidič pak zařadí, uvolní spojku a vůz se rozjede. Při následném rozjezdu se využívá pouze elektrický motor až do určité rychlosti, kdy se zapojí i motor spalovací. Elektromotor má výbornou vlastnost a to lineární nárůst výkonu již od 0 ot/min. Z toho plyne, že točivý moment je k dispozici okamžitě a zajišťuje rychlý a plynulý rozjezd. Tímto se podařilo snížit spotřebu a emise CO 2.[18] Obr. 30 Princip činnosti Stop & Start 47

6.2.2 Mechanický systém Setrvačník může být zásobníkem energie, aniž by k uchování kinetické energie potřeboval chemický proces. Kinetická energie vozidla je při brzdění předávána setrvačníku a později opět pomocí elektrického motoru (generátoru) využita pro jízdu. Zásobní kapacita energie setrvačníku závisí na maximálních otáčkách a rozdělení hmotnosti setrvačníku. Oproti akumulátorům mají setrvačníky výhodu, že se ve zlomku sekundy akumuluje energie bez velkých ztrát a opět se předává. Dále pracují bez opotřebení, bez chemikálií a mají vysokou životnost. Rotační hmotnost setrvačníku vyvolává vysoké síly, proto je vyroben z pevnostní oceli legované titanem. Velké požadavky jsou kladeny také na ložiska. Použitím magnetických ložisek bez otěru a bez tření, je možno výkonovou hustotu setrvačníků značně zvýšit. Úspora energie může být až 30%. Setrvačník je možno použít jak u velkých vozidel, tak i u malých osobních vozidel, kde je umístěn na klikovém hřídeli, popřípadě pomocí převodů s hnací nápravou. Hybridní pohon pouze se spalovacím motorem a setrvačníkem vyvinula Technická univerzita v Eindhovenu. Setrvačník o váze 19 kg je uložen ve vakuovém prostoru. Přenos energie na kola se děje pomocí převodovky i 2 CVT. Převodovka má toto označení, protože převodový stupeň v pracovním rozsahu probíhá dvakrát. Pět volně stavitelných třecích spojek poskytuje velkou možnost pohonu 9 převodových stupňů dopředu. Pro dynamiku jízdy (brzdění a zrychlení) je využito pouze setrvačníku.[3] 48

6.2.3 Hydraulický systém 6.2.3.1 Systém Cumulo Praktické využití hydraulického systému s rychloběžným hydrostatickým axiálním pístovým strojem a statickým hydraulickým zásobníkem vyvinula firma Volvo.[4] Převodovka Hydrostatická jednotka Přídavná převodovka se spojkou Vysokotlaký zásobník Obr. 31 Systém Cumulo vyvinutý firmou Volvo Firma MAN vyvinula systém SHL, který jako základ používá hydrostatickou jednotku systému Cumulo. U systému SHL je použita automatická převodovka Ecomat HP 500 s příslušnými vedlejšími pohony a vypínatelným hydrodynamickým měničem. Vznětový motor má výkon 180 kw. Při brzdění, stání, rozjezdu je vznětový motor odpojen z hnacího ústrojí a hydrostatické zařízení pracuje jako čerpadlo k doplnění zásobníku, a to proti tlaku plynu a zmenší rychlost až na 0 km/h. K rozjezdu je využit tlak ze zásobníku k pohonu hydrostatického zařízení, které v tomto případě je zapojeno jako motor. Tlakový olej proudí zpět do nízkotlakého zásobníku. Hydrostatické stroje pracují plynule a bez rázů. Veškerá činnost je řízena centrálním elektronickým systémem, v závislosti na ovládání plynového a brzdného pedálu a senzorově řízenými informacemi z pohonu.[4] 49

Při brzdění je zvýšen hydraulický tlak v zásobníku plynu ze 150 na 400 barů. Při následujícím rozjezdu je tato energie vrácena zpět na zadní hnací nápravu, uložení energie do pracovní hydrauliky je též možné. Úspora paliva je kolem 15%. Tato koncepce byla zkoušena městských autobusů a vozidel pro odvoz odpadků.[4] 50

7 ZÁVĚR S ohledem na klesající zásobu fosilních paliv a růst emisí skleníkových plynů je lidstvo nuceno stále intenzivněji hledat nové alternativní zdroje energie, k nimž se vztahuje i celá řada problémů. Nejčastěji vyvstávají problémy technického rázu, nebo se také nedostává financí na nové projekty. Energetická spotřeba má stále rychleji rostoucí charakter, převážně v rozvíjejících se zemí jako je např. Čína a Indie. Vědci se proto snaží najít optimální náhradu za ropu, v nejrůznějších oblastech průmyslu a běžného života. Například v dopravním průmyslu se snaží o vývoj nových paliv a jejich zavádění do automobilismu. Mimo metanolu, etanolu a syntetických paliv se v budoucnosti jako s ekologickým palivem počítá i s vodíkem, jehož zásoby jsou téměř nevyčerpatelné. Vodík lze použít jako palivo pro spalovací motory, v jehož případě jsou výfukovými plyny pouze vodní páry. Přednost v budoucnosti dostane využití vodíku v palivových článcích. Vodík je nejčastějším zdrojem energie pro dopravní účel a lze ho získat v neomezeném množství. Vodík může být vyráběn hned několika způsoby. Jedním z nich je výroba vodíku elektrolýzou vody. Tato výroba je ale velice diskutabilní, jelikož se k tomu využívají fosilní zdroje energie. Získávání vodíku právě z ropy a zemního plynu je levnější a tedy i nejčastější variantou, avšak nejvíce zatěžující životní prostředí. Proto cílem dnešních vědců je použít v elektrolýze elektrickou energii, která by pocházela ze zdrojů neprodukující emise škodlivých látek. Také se objevují i problémy, týkající se skladování vodíku ve velkém množství. Řeší se otázky, jak nejlépe vodík bez nebezpečí výbuchu dopravovat na velké vzdálenost a v neposlední řadě jak velké budou investice na infrastrukturu. 51