Dr. Emőd István Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépjárművek tanszék A JÁRMJ RMŰHAJTÁS ALTERNATIVÁI 1
1860 az első működő kétütemű (Lenoir), és 1876-ban első működő négyütemű (Otto) belsőégésű motor gázüzemű volt. 1894 Franciaország: Első autóverseny (PARIS-RUEN, 126 km) győztes: de Dion Bouton gőzautó, 17 km/óra átlagsebességgel. Múlt 2
1899-ben az első 100 km/h-nál l gyorsabb autó: villamos hajtású autó volt. 1900-ban az USA-ban 4192 autót t gyártottak : 1681 gőzautót, t, 1575 villamoshajt hajtású és 936 benzinmotoros autót. t. benzin villamos USA 1900 gőz Ekkor a verseny még m nyílt volt! 3
1898-1902 Porsche-Lohner hibrid 4
Összesen 710 millió gépkocsi van Ennek több, mint 99 %-a benzin- vagy dízelüzemű 3,5 millió (0,5 %) propán-butángáz (LPG) hajtású autó 850 ezer (~0,1 %) földgáz (CNG és LNG) hajtású autó Ma 5
KÖRNYEZET- SZENNYEZÉS FORRÁSOK KIMERÜLÉSE Miért kell ezen változtatni? v 6
Kőolajkészletek kimerülése 7
1000 lakosra eső személygépkocsik száma (2001-ben) Monaco 686 Magyarország 236 Olaszország 565 Törökország 67 Németország 529 Kína 5,9 Automobil-Rervue 2002 Személyg lygépkocsi állomány 8
Károsanyag-kibocsátás 9
A CO 2 -csökkentés ára 10
200 180 1998-as flottaátlag (8 l/100 km) CO2-flottaérték, g/km 160 140 120 100 80 5,7 l/100 km ACEA és EU célértékek -25 % 5 l/100 km 60 40 1995 2000 2005 2010 2015 Modellév A CO 2 -kibocsátás s alakulása 11
A környezetbarát autó Hidrogén Biodízel Kombinált Közvetlen befecsk. Common rail CNG Párhuzamos Villanymotor Szegény keverék Elektr. szabályozás LPG Soros (Akku) Dízelmotor Benzinmotor Alternatív hajtóanyag Villamos és hibridhajtás T.anyagcella Milyen lehetőségek vannak? 12
Térfogat/ energia Hatásfok Töltési idő Tömeg/energia Biztonság Előfordulás Zajkibocsátás Ezeken kívül: Infrastruktúra Előállítási költségek Környezetszennyezés hatósugár üzembiztonság divat stb. Alternatív v lehetőségek értékelési szempontjai 13
Hajtóanyag anyag: HIDROGÉN előáll llítás: vízbv zből nap, szélenergi lenergiával (?) égéstermék: vízv nap- Energiaátalak talakítás: TÜZELŐANYAG-CELLA jó hatásfok (~60 %) kis hőmérsh rséklet (~80 C) Járműhajtás: VILLANYMOTOR nulla szennyezés visszatáplálás Az ideális kombináci ció 14
Hidrogén n előáll llítása 15
Belsőégésű motor gázüzemű bio- vagy szintetikus folyékony hajtóanyag anyag Hibridhajt hajtás belsőégésű + villanymotor Villamos hajtás folyékony hajtóanyaggal (reformer) üzemelő tüzelőanyag-cellával Átmeneti megoldások 16
környezetszennyezésük k kicsi, de nem nulla a nyersanyag-el előfordulás s végesv a gáznemg znemű tüzelőanyagok tárolt rolása nehézkes: gáz: nagy nyomás 200 400 bar folyadék: kis hőmérsh rséklet -150 C C alatt (földg ldgáz) z), -250 C C alatt(h (H2) fémhidridek alkalmazásuk fokozatos átmenetet jelent az ideális megoldás (H2 + tüzelőanyag-cella + villanymotor) irányába 1. átmenet: GázhajtG zhajtás 17
2. átmenet: Biohajtóanyagok anyagok 18
3. átmenet: Cseppfolyósítás 19
Biomassza CO 2 erőműből vagy iparból H 2 regeneratív forrásból Szintézisgáz (H 2, CO 2, CO) Szintetikus motorhajtóanyag Konvertálás, tisztítás Sűrítés, cseppfolyósítá s Benzin Gázolaj H 2 4. Szintetikus hajtóanyagok anyagok 20
Akkumulátor Energiasűrűség Hatásfok* Élettartam Önkisülés (W h)/kg % ciklus %/nap Ólom 30 50 80 300 1500 0,4 Nikkel/kadmium 45 65 70 2000 1 Nikkel/fémhidrid 60 70 70 1000 2 Nikkel/vas 40 60 60 500 2000 2 Nikkel/cink 55 85 70 500 1 Cink/bróm 70 80 75 300 1000 2 Nátrium/kén 100 140 85 200 1000 0,1 Nátrium/nikkelklorid 90 130 80 800 1500? Benzin >10000 ~100 ~0 * tárolási hatásfok Propán-bután gáz (LPG) korlátozott mennyiség (a kőolaj-feldolgozás mellékterméke) nehezebb a levegőnél robbanásveszély Miért nem? 21
Energia Hálózati villamos energia Motorhajtóanyag Hajtás Kerék Vezeték d a Villamos gép Egyenirányítás Akkucsere Akkutöltés b e Akku Villamos gép f M Kerékhajtás h G g C Tartály Belsőégésű motor M Energiaellátás Energiatárolás Töltőállomás SV 22Hajt Hajtásrendszerek 22
villamos gép belsőégésű motor akkumulátor Soros hibridhajtások 23
villamos gép belsőégésű motor akkumulátor bolygómű váltó Párhuzamos hibridhajtás 24
villamos gép belsőégésű motor akkumulátor tengelykapcsoló bolygómű Vegyes hibridhajtások 25
Toyota Vegyes hajtás 26
párhuzamos hibrid soros hibrid hagyományos belsőégésű motoros hajtás akkumulátor belsőégésű motor + generátor (tüzelőanyag-cella) hajtáshányad, % belsőégésű motor villanymotor mikrohibrid mildhibrid mediumhibrid fullhibrid villamos hajtás (akkumulátor) villamos erőátvitel (áramfejlesztés a kocsiban) Hibridrendszerek 27
Hibridhajtások lehetőségei 28
Benzinmotor 57 kw/5000 1/min Villanymotor 50 kw Menetkész tömeg 1300 kg Hasznos teher 425 kg Végsebesség 170 km/h Vegyes fogyasztás 4,3 l/100km Toyota Prius Hibridautók 29
1839: : Az angol William Robert Grove felfedezi a tüzelő-anyag-cella elvét. 1945: : A második m világh gháború után megkezdődik dik a tüzelőanyag-cellák műszaki fejlesztése. se. 1954: az angol Francis T. Bacon munkája alapján űrkutatási (Gemini( Gemini, Apollo, Spacelab) és katonai programok céljc ljára használtak tüzelt zelőanyag- cellát. 1970: tüzelőanyag-cellák villamos erőművi blokkok és hőenergia központok k részére. 1980: Járműhajtási célúc kutatások kezdete. 1998: : az első vásárolható tüzelőanyag-cella (1500 US $/kw). A tüzelt zelőanyag-cella története 30
A fordított elektrolízis elve alapján n működnekm dnek: Az elektrolízis során n a vizet elektromos áram összetevőire,, azaz hidrogénre és oxigénre bontja. Ez a folyamat megfordíthat tható, és így elektromos energia állítható elő. Ehhez szüks kséges: - tüzelőanyag ( ebben az esetben hidrogén), - két t elektróda (pozitív és s negatív), valamint - elektrolit (cseppfoly( cseppfolyós s vagy szilárd) Járműhajtásra a protonátereszt teresztő membrános (PEM) tüzelőanyag-cella a legmegfelelőbb. A tüzelt zelőanyag- cella elve 31
Hidrogént vezetnek az elektrolit (protonáteresző membrán) egyik oldalára és nedvesített levegőt a másik oldalra. A hidrogén ionizálódik, minden egyes molekula felhasad két elektronra és két pozitívan töltött hidrogén ionra, azaz protonra. A protonok a cellában lévő elektroliton keresztülvándorolnak. A tüzelt zelőanyag-cella működése 32
Az elektrolit nem képes elektronokat vezetni, az elektronoknak, amelyek a negatív elektródnál felszabadulnak külső körön keresztül kell mozogniuk. A kialakult elektromos feszültségkülönbség teszi lehetővé a proton számára az átjutást. A keletkező áram az elektronok külső mozgása -- az, ami hajtja a motort. Az áram Az elektronok a pozitív elektródon az oxigénnel és a protonnal egyesülve vizet képeznek. keletkezése 33
A tüzelt zelőanyagcella-rendszer 34
1994 NECAR 1. A teljes rakteret elfoglalják a gépészeti berendezések NECAR 4. (hidrogén) 1999 NECAR 5. (metanol) 2000 Mercedes Mercedes A tüzelt zelőanyag-cella fejlődése 35
Ricardo Hagyományos b.é. motor Első 0-emissziós b.é. motor Általánosan vásárolható hibridautó Első hozzáférhető tüa.cellás autó Általánosan vásárolható tüa.cellás autó Első benzines/dízeles tüa.cellás autó Általánosan vásárolható dízel tüa.cellás autó Első b.é. motor hőenergia-visszanyeréssel B.é. motor hőenergia-visszanyeréssel A H-tárolás megoldása Első teljesen CO2-mentes autó 2000 2010 2020 2030 2040 2050 A rendszervált ltás egyik lehetséges forgatókönyve 36
Pesszimista forgatókönyv?? 37