Biot echnologie pozyskiwania ź róde ł energii odnawialnej Ogniwa biopaliwowe
Ogniwa paliwowe
Transcript of Ogniwa paliwowe
„Silniki zasilane alternatywnymi
źródłami energii”
Jacek Biedrzycki – Przemysłowy Instytut Motoryzacji
71 Forum „Energia - Efekt – Środowisko - Ekologiczne formy transportu” Warszawa, 31.03.2015r.
Plan prezentacji Zakład Ochrony Środowiska i Wykorzystania
Energii Naturalnej
1) Wstęp,
Emisja substancji szkodliwych,
Energia – jej rodzaje,
2) Ewolucja systemów napędowych,
3) Silniki ZI i ZS,
4) Paliwa alternatywne,
5) Gaz ziemny,
6) Silniki wielopaliwowe,
7) Napędy hybrydowe,
8) Ogniwa paliwowe – wodór,
9) Napęd elektryczny,
10) Podsumowanie.
3
6
9
1950 2000 2050
0
10
20
30
1950 2000 2050
0
1
2
1950 2000 2050
Populacja ludności
Zasoby ropy naftowej
Przewidywana ilość pojazdów
•Miliardy baryłek
•Ilość samochodów [mld]
•mld
Wymagania stawiane współczesnej i
przyszłej motoryzacji:
PRZEPISY:
-bezpieczeństwo,
-zużycie paliwa,
-emisja substancji szkodliwych,
-generowany hałas.
Ochrona środowiska:
-recykling,
-zanieczyszczenia,
-zasoby naturalne,
-CZYSTE POWIETRZE.
Wstęp
Źródła energii Wykorzystanie
Ogniwa paliwowe Wodór
Paliwa gazowe
Silniki gazowe LPG / CNG
Biomasa
Gaz ziemny
Węgiel
Energia nuklearna
Inne rodzaje energii słoneczna, wiatru, wodna
Energia elektryczna
Pojazdy elektryczne
Hybrydy równoległe
Siniki spalinowe
ZI i ZS Ropa naftowa Paliwa
ciekłe
Hybrydy szeregowe
Postacie energii
OBECNE I PRZYSZŁE RODZAJE ENERGII
Wstęp - Rodzaje energii
50
1 1
50
1
35
7 7
42
9
0
20
40
60
80
100
ZI Hybryda ZI Hybryda ZS ZS CNG
2015
2020
PROCENTOWY UDZIAŁ SAMOCHODÓW W RYNKU SAMOCHODOWYM
Dominacja silników ZS i ZI w Europie
Wstęp
2030 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025
•Emisja spalin CO, NOx, HC, PM
•Emisja CO2
•Energia
Ewolucja priorytetów na rzecz
ekologii środków transportu
Wstęp - Emisja
68 68
80
60 60
4,51)5
1)
0
20
40
60
80
100
120
Euro 4 Euro 5 Euro 6
HC
, N
MH
C,
NO
x,
PM
[m
g/k
m]
0
200
400
600
800
1000
1200
CO
[m
g/k
m]
HC NMHC NOx PM CO
Ubiegłe oraz obecne normy limitów smisji substancji szkodliwych
zawartych w spalinach silników ZI (badania wg Regulaminu 83 OKG ONZ)
1) limit liczby cząstek stałych 6∙1011 km–1
Wstęp - Emisja
300
230250
25
170
80
180
51) 4,5
1)
0
100
200
300
400
500
600
Euro 4 Euro 5 Euro 6
CO
, HC
, NO
x, P
M [
mg
/km
]
CO HC + NOx NOx PM
Ubiegłe oraz obecne normy limitów smisji substancji szkodliwych
zawartych w spalinach silników ZS (badania wg Regulaminu 83 OKG ONZ)
1) limit liczby cząstek stałych 6∙1011 km–1
Wstęp - Emisja
Limity emisji CO2 w latach 1995-2012
CO
2 [
g/k
m]
CO2 = 186 g/km
(7,7 dm3/100 km)
CO2 = 140 g/km
(5,8 dm3/100 km)
-25%
-35%
CO2 = 120 g/km (*)
(5,5 dm3/100 km)
1995 2008 2012
(*) Zwiększone limity CO2
do 130 g/km ze względu
na opory opon i napęd
klimatyzacji
Limity emisji CO2 w latach
1995-2012
Wstęp - Emisja
Ewolucja Systemów Napędowych
DZIŚ JUTRO
• Wodór
• i Ogniwa Paliwowe
•Paliwa Alternatywne
•Optymalizacja Silników Spalinowych
•Pojazdy Hybrydowe
NAPĘDY KONWENCJONALNE
(SPALINOWE) – PRZYSZŁOŚĆ ?
Silniki ZI i ZS
Doładowanie:
turbo,
mechaniczne
Deaktywacja
cylindrów
Zmienna długość
kanałów
dolotowych
Wtrysk
bezpośredni
Zmienne fazy
rozrządu
Kontrolowany
samozapłon
Redukcja strat
Zaawansowane
sterowanie
silnikiem
Odzysk energii
Start / Stop
Hybrydyzacja
Paliwa
alternatywne
Rozwiązania silników ZI mające wpływ
na zmniejszenie emisji CO2
Silniki ZI i ZS
Wady/zalety
+ emisja
– zużycie paliwa
MODYFIKACJE
- wyeliminowanie przepustnicy,
- wtrysk bezpośredni,
- doładowanie,
- downsizing,
- redukcja zużycia oleju,
- zmiana sterowania silnikiem,
- sterowanie układem chłodzenia.
Współczesne silniki ZI
Wady/zalety
+ zużycie paliwa
– emisja (NOx, PM)
MODYFIKACJE
- wtrysk bezpośredni,
- poprawa procesu spalania,
- homogenizacja ładunku,
- turbodoładowanie,
- nowa strategia sterowania,
- systemy oczyszczania spalin.
Współczesne silniki ZS
Silniki ZI i ZS
Połączenie
zalet obydwu
silników
(ZI + ZS)
oraz
eliminacja ich
wad w jednej
konstrukcji
Silnik tak
ekologiczny jak
silnik
o zapłonie
iskrowym i tak
ekonomiczny
jak silnik o
zapłonie
samoczynnym
DiesOtto
Nowy obieg cieplny silnika spalinowego?
Silniki ZI i ZS
WSPÓLNIE:
Moment obrotowy
Moc użyteczna
Zużycie paliwa
Emisja
Koszt
SILNIK ZS
Moment obrotowy +
Zużycie paliwa +
- Emisja
- Koszt
SILNIK ZI
Emisja +
Moc uzyteczna +
Koszt +
– Zużycia paliwa
Silniki ZI i ZS
Paliwa ALTERNATYWNE
BIOPALIWA Alkohol etylowy
(etanol)
Biodiesel (FAME)
Sprężony gaz ziemny
(CNG)
Rodzaj PALIWA 2010 2015 2020
Biopaliwa 6% 7% 8%
Gaz ziemny 2% 5% 10%
Paliwo wodorowe 0% 2% 5%
Paliwa alternatywne
•0
•20
•40
•60
•80
•100
•120
•140
•160
•180
•CO
2 [
g/k
m] Hybrydy
Biopaliwa:
1-Generacja
Ogniwa
paliwowe
Biopaliwa:
2-Generacja
Paliwa
węglowodorowe
Rozwój paliw i napędów a emisja CO2
FFV - Flexible Fuel Vehicle
Mieszanina benzyny i etanolu o dowolnych proporcjach
Głównie rozpowszechnione na północnym-zachodzie
USA (Kalifornia).
Pojazdy wielopaliwowe
Sprężony gaz ziemny CNG
Zalety CNG:
+ niższy poziom emisji CO, NOx, PM i CO2
+ niższa cena paliwa
Wady CNG:
- mniejszy zasięg pojazdu
- słabo rozwinięta infrastruktura stacji CNG
Silniki wielopaliwowe
Benzyna + Etanol
Benzyna + Etanol + CNG
Napędy hybrydowe
Rodzaje systemów hybrydowych:
-µ-Hybrid = rozrusznik + alternator + system start/stop
-Mild Hybrid = silnik spalinowy wspomagany
silnikiem elektrycznym
-Full Hybrid =napęd silnika z spalinowego lub
elektrycznego
n [obr/min]
•Silnik elektryczny
•Silnik spalinowy
•Łączny
moment obrotowy
•1000 Nm przy 1000
obr/min
Mo
men
t ob
roto
wy [
Nm
]
Napędy hybrydowe – parametry BMW X5
Pojazdy hybrydowe
Ogniwa paliwowe - WODÓR
1 - ogniwo paliwowe; 2 - zbiornik wodoru;
3 - silnik trakcyjny; 4 - przetwornica; 5 - sprężarka
1 2 3 4
5
POZYSKIWANIE WODORU
H2
•Transport
•Dystrybucja
Biomasa
Woda
Wiatr
Słońce
Geotermia
Energia
nuklearna
Olej
Węgiel
Gaz
ziemny
Ogniwa wodorowe
Napęd elektryczny
Samochód elektryczny:
Ekologiczny czy ekonomiczny?
Porównanie krzywej przebiegu momentu obrotowego oraz
mocy użytecznej silnika benzynowego oraz elektrycznego.
Silnik elektryczny
Silnik spalinowy
Napęd elektryczny
Główne zalety i wady napędu elektrycznego
ZALETY:
• cena niezależna od ceny
ropy naftowej,
• brak emisji spalin,
• wysoki i stały moment
obrotowy,
• cicha praca silnika,
• wysoka sprawność silnika,
• rozbudowa infrastruktura
elektryczna
WADY:
• bardzo wysoki koszt
akumulatorów,
• niewielki zasięg pojazdu,
• parametry użytkowe
zależne od temperatury,
• brak miejsc publicznego
ładowania pojazdu,
• duże obciążenie emisyjne
spowodowane produkcją
energii elektrycznej.
Oznaczenie EV ZS
Marka Renault Renault
Model Kangoo Express Z.E. Kangoo
VIN VF1FW0ZBC48479937 VF1KW26B648479905
Kategoria N1 M1
Rok produkcji 2013 2013
Masa własna pojazdu [kg] 1485 1507
Typ silnika
Silnik elektryczny,
synchroniczny z uzwojeniem
wzbudzenia w wirniku
Silnik spalinowy o zapłonie
samoczynnym, z doładowaniem,
rzędowy, czterocylindrowy,
z układem zasilania Common
Rail
Moc maksymalna silnika
[kW] 44 81
Objętość skokowa silnika
[dm3] – 1,461
Liczba miejsc 2 5
Porównanie samochodu elektrycznego z silnikiem ZS
Badania przeprowadzone w PIMOT
Napęd elektryczny
Średnie drogowe zużycie energii – c dla badanych samochodów
w testach jezdnych; vAV – prędkość średnia samochodu w teście
Test vAV cZS cEV
km/h MJ/km MJ/km
UDC* 18,35
2,09 0,45
UDC 1,66
EUDC* 62,59
1,57 0,71
EUDC 1,42
NEDC* 33,35
1,76 0,63
NEDC 1,50
FTP-75 31,50 1,58 0,57
Stop and Go 5,84 2,14 0,90
PIMOT UT1 36,04 1,73 0,60
* test z rozruchem zimnego silnika
Napęd elektryczny
0
0,5
1
1,5
2
2,5
UDC* UDC EUDC* EUDC NEDC* NEDC FTP-75 Stop
and Go
PIMOT
UT1
c [M
J/k
m]
ZS EV
Średnie drogowe zużycie energii – c dla badanych
samochodów w poszczególnych testach jezdnych;
* test z rozruchem zimnego silnika
Napęd elektryczny
PODSUMOWANIE
Podsumowanie
Samochód z silnikiem ZI = 1
Emisja CO2 podczas całego życia pojazdu
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Sam
ochód
benzyn
ow
y
Sam
ochód
hyb
ryd
ow
y
Og
niw
o
paliw
ow
e
Emisja CO2
Emisja CO2
Produkcja pojazdu (6%)
Pojazd z silnikiem benzynowym
Inne (2%)
Jazda
(72%)
Produkcja materiałów (12%)
Produkcja paliwa (8%)
Produkcja paliwa
(54%)
Produkcja
pojazdu (13%)
Produkcja
materiałów
(32%)
Inne (1%)
Pojazd napędzany ogniwami paliwowymi
Emisja CO2 podczas całego życia pojazdu
Prof. Jerzy Merkisz - Przyszłe źródła napędów jako alternatywa dla ropy – Politechnika Poznańska
•Redukcja
zużycia
paliwa
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Współczesne silniki spalinowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Redukcja
emisji
związków
toksycznych
•Biopaliwa
•Infrastruktura
napełniania pojazdów
wodorem
•Obecnie •2020 •2050
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
Prognozy rozwoju napędów
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
•Współczesne silniki spalinowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
•Obecnie
•Współczesne silniki spalinowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
•2020 •Obecnie
•Współczesne silniki spalinowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
•Infrastruktura
napełniania pojazdów
wodorem
•2020 •Obecnie
•Współczesne silniki spalinowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
•Biopaliwa
•Infrastruktura
napełniania pojazdów
wodorem
•2020 •Obecnie
•Współczesne silniki spalinowe
•Czyste paliwa,
• paliwa alternatywne
•Pojazdy hybrydowe
i elektryczne
•Wodorowe
ogniwa paliwowe
Prof. Jerzy Merkisz - Przyszłe źródła napędów jako alternatywa dla ropy – Politechnika Poznańska
www.pimot.org.pl
ul. Jagiellońska 55
03-301 Warszawa
recepcja : 22 7777-000
sekretariat: 22 7777-015
fax.: 22 7777-020
Dziękuję za uwagę.
Jacek Biedrzycki
22 7777 - 191