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


i elektryczne

•Wodorowe

ogniwa paliwowe

•Czyste paliwa,



i elektryczne

•Wodorowe

ogniwa paliwowe


•Czyste paliwa,



i elektryczne

•Wodorowe

ogniwa paliwowe

•Obecnie


•Czyste paliwa,



i elektryczne

•Wodorowe

ogniwa paliwowe

•2020 •Obecnie


•Czyste paliwa,



i elektryczne

•Wodorowe

ogniwa paliwowe

•Infrastruktura


wodorem

•2020 •Obecnie


•Czyste paliwa,



i elektryczne

•Wodorowe

ogniwa paliwowe

•Biopaliwa

•Infrastruktura


wodorem

•2020 •Obecnie


•Czyste paliwa,



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

[email protected]

recepcja : 22 7777-000

sekretariat: 22 7777-015

fax.: 22 7777-020

Dziękuję za uwagę.

Jacek Biedrzycki

[email protected]

22 7777 - 191

ogniwa paliwowe

Documents