Sprawozdanie - Ochrona Powietrza

• Temat 7. Ograniczanie emisji NO_x ze źródeł spalania w transporcie

• tradycyjne silniki spalinowe - działanie katalizatora, normy emisji EURO

• silniki elektryczne

• silniki hybrydowe

• ogniwa paliwowe

Wydział: GGiOŚ

Kierunek: Inżynieria Środowiska

Grupa: VI

Przygotowali:

Sebastian Solak

Szymon Skwarczek

Szymon Raszczyk

Spis treści

1. Tradycyjne silniki spalinowe

1.1. Definicja, działanie, podział

1.2. Katalizatory

1.3. Normy emisji EURO

2. Silniki elektryczne

2.1. Definicja, podział (rysunek 1), wyposażenie pojazdów elektrycznych, źródła energii, klasyfikacja pojazdów elektrycznych (rysunek 2)

2.2. Wady i zalety napędów elektrycznych

2.3. Historia napędów elektrycznych pojazdów

2.4. Samochód elektryczny, a ochrona środowiska

3. Silniki hybrydowe

3.1. Definicja, rodzaje akumulatorów, rodzaje układów napędowych, zalety i wady, zastosowanie

3.2. Samochód z silnikiem hybrydowym na przykładzie Toyoty Prius

4. Ogniwa paliwowe

4.1. Definicja, zasada działania (rysunek 3), podział, zalety i wady, zastosowanie, charakterystyka paliw (rysunek 4)

5. Podsumowanie

6. Bibliografia

6.1. Spis literatury

6.2. Spis stron internetowych

1. Tradycyjne silniki spalinowe

1.1. Definicja, działanie, podział

Silnik spalinowy - silnik wykorzystujący sprężanie i rozprężanie czynnika termodynamicznego (gazu) do wytworzenia momentu obrotowego lub siły.

Jest to silnik cieplny o spalaniu wewnętrznym, w którym ruch tłoka jest wywołany ciśnieniem spalin powstających przez spalanie mieszanki palnej (paliwowo-powietrznej) wewnątrz cylindra silnika. Powszechnie są stosowane silniki spalinowe tłokowe o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka (suwowe), zwane też silnikami spalinowymi tłokowymi, znacznie rzadziej o tłoku obracającym się. W silnikach suwowych tłok uszczelniony pierścieniami tłokowymi zamyka cylinder silnika, posuwisto-zwrotny ruch tłoka jest zmieniany przez mechanizm korbowy na ruch obrotowy wału korbowego, dopływ mieszanki (lub powietrza) do cylindrów silnika oraz usuwanie z nich spalin reguluje mechanizm rozrządu. Istnieją dwa rodzaje silników spalinowych tłokowych - czterosuwowy i dwusuwowy. Silniki dwusuwowe w porównaniu z czterosuwowymi mają mniej skomplikowaną konstrukcję, są łatwiejsze do obsługi i naprawy, tańsze, ale ich wadami są na ogół większe zużycie paliwa i zanieczyszczanie powietrza.

Silniki spalinowe tłokowe klasyfikuje się ze względu na:

a) sposób tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej: silniki z tworzeniem mieszanki zewnętrznej, czyli gaźnikowe lub wtryskowe (wtrysk paliwa do przewodu dolotowego), bądź wewnętrzne (wtrysk bezpośrednio do cylindra);

b) rodzaj paliwa: na paliwo ciekłe (benzynowe, na olej napędowy, na paliwo ciężkie), gazowe, dwu- i wielopaliwowe;

c) liczbę i układ cylindrów (rzędowe, widlaste, przeciwsobne).

(Kołodziejczyk, Zając, 2001; strona internetowa motoryzacyjno-informatyczna)

1.2. Katalizatory

Katalizatorem jest substancja, która bierze udział w procesie chemicznym innych substancji, przyspieszając go lub nadając pożądany skutek, sama jednak nie ulega przemianie chemicznej. Zadaniem katalizatora jest spowodowanie przemiany szkodliwych składników spalin w nieszkodliwe, w szczególności dotyczy to węglowodorów CH, tlenku węgla CO i tlenków azotu NOx. W samochodach z silnikami o zapłonie iskrowym stosuje się pięć różnych rozwiązań systemów katalitycznego oczyszczania spalin. Które z tych rozwiązań jest najbardziej odpowiednie w konkretnym przypadku, zależy głównie od typu silnika, zastosowanego zespołu tworzenia mieszanki oraz od wymagań dotyczących granicznych wartości emisji składników spalin. Najpowszechniej stosowanymi są katalizatory trójfunkcyjne czyli utleniająco - redukujące. W celu uzyskania wysokiej sprawności przemiany wszystkich trzech składników spalin przygotowanie mieszanki palnej musi zapewniać prawie stechiometryczny skład spalin. Wymaga to zastosowania elektronicznie sterowanego wtrysku paliwa oraz układu regulacji składu mieszanki za pomocą sondy lambda. Sonda lambada określa bezpośrednio przed katalizatorem, skład mieszanki palnej na podstawie zawartości tlenu w spalinach metodą elektrochemiczną. Drugim typem katalizatora unieszkodliwiającego tlenki azotu jest katalizator podwójny. Jego budowa polega na umieszczeniu dwóch katalizatorów w jednej obudowie. Pierwszy katalizator działa na takiej samej zasadzie jak wielofunkcyjny (nazywany jest w tym przypadku redukującym), a drugi ma charakter utleniającego. Pomiędzy obydwa katalizatory doprowadza się powietrze za pomocą pompy, które zapewnia odpowiednie warunki dla reakcji utleniających. Katalizator od strony silnika powoduje głównie redukcję tlenków azotu NO, natomiast utleniający obniża zawartość węglowodorów CH i tlenków węgla CO. Zaletą katalizatora podwójnego jest większa tolerancja wahań składu mieszanki palnej. Dzięki temu można go stosować w silnikach nie mających możliwości właściwej regulacji składu mieszanki pod warunkiem zasilania paliwem bezołowiowym. Bardzo istotne jest skrócenie czasu nagrzewania się katalizatora ponieważ podczas rozruchu zimnego silnika powstaje największa ilość szkodliwych substancji.

(Kassedorf, 1998)

1.3. Normy emisji EURO

Ze względu na wzrost cen paliw, a także w celu uniezależnienia się od krajów posiadających surowce mineralne, głównie Rosji oraz krajów Bliskiego Wschodu, Unia Europejska i Stany Zjednoczone przykładają coraz większą wagę do rozwoju badań nad alternatywnymi źródłami paliw, również tymi wykorzystywanymi w przemyśle transportowym (samochodowym).

Normy emisji EURO to normy dopuszczalnych emisji spalin w nowych pojazdach sprzedawanych na terenie Unii Europejskiej. Najnowsze standardy nie dotyczą pojazdów już jeżdżących. UE zakłada 10-procentowy udział alternatywnych paliw w sektorze transportu

drogowego do 2020 roku. Argumentami przemawiającymi za wprowadzeniem paliw alternatywnych jest poprawa bezpieczeństwa energetycznego oraz przeciwdziałanie zanieczyszczeniu środowiska.

Pierwszym przepisem określającym emisję spalin był uchwalony w 1982 roku standard R49. Ta regulacja określała maksymalny poziom emisji tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) oraz tlenków azotu (NO_x). Dopuszczalne wartości to odpowiednio 14, 3,50 i 18 g/kWh.

W 1990 roku wymyślono normę EURO 0, ale nie przyniosła ona znacznych zmian. Podniesiono nieznacznie wymagania do: 11,20 g/kWh dla CO, 2,40 g/kWh dla HC oraz 14,40 g/kWh dla NO_x. Od 1992 roku zaczęła obowiązywać norma EURO I, od której rozpoczął się obecny pęd ku doskonaleniu silników spalinowych. Ustalono następujące limity: ilość tlenku węgla wydostającego się z wydechu nie mogła przekroczyć 4,50 g/kWh, węglowodorów 1,10 g/kWh, a tlenków azotu 8,00 g/kWh. Norma EURO II weszła w życie w1995 roku wnosząc raczej nie wielkie zmiany w stosunku do EURO I. Chodziło tu raczej o zminimalizowanie ilości sadzy. W 2000 roku wprowadzono normę EURO III. Ustalono granicę dla NO_x na 5 g/kWh, dla CO na 2,10 g/kWh. Węglowodorów czyli HC 0,66 g/kWh. W 2005 roku zaplanowano wprowadzenie normy EURO IV. Redukcję wydzielanej sadzy do poziomu 0,02 g/kWh osiągnięto dzięki zastosowaniu skutecznych filtrów cząstek stałych. Dopuszczalną ilość tlenku węgla określono na 1,50 g/kWh, a węglowodorów na 0,46 g/kWh. Ilość tlenków azotu zmniejszono do poziomu 3,5 g/kWh dzięki selektywnej redukcji katalitycznej (SCR), która wymaga tankowania dodatkowego płynu eksploatacyjnego AdBlue (wstrzykuje się go do układu wydechowego). Jest to nietoksyczny roztwór mocznika, stosowany do chemicznej redukcji tlenku azotu (NO_x) w samochodach ciężarowych. W kontakcie ze spalinami zamienia się w parę wodną i azot. Z tego też wynika jedna z wad technologii - konieczność zastosowania dodatkowej substancji, a co za tym idzie, drugiego baku. Wśród zalet wymienić należy wyższą wydajność silnika, brak ingerencji w jego pracę czy otwartą drogę do osiągnięcia bardziej restrykcyjnych norm emisji spalin. Istnieje też inne rozwiązanie. Zwiększając ciśnienie wtrysku oraz stosując układ recyrkulacji spalin EGR, osiągnięto podobne rezultaty. Polega to na tym, że pewna część strumienia gazów wydechowych jest chłodzona, a następnie zawracana z powrotem do komory spalania. Zabieg ten powoduje obniżenie temperatury zapłonu paliwa, co ogranicza wprawdzie zawartość tlenków azotu, lecz równocześnie zwiększa emisję cząsteczek stałych. Problem ten rozwiązano, stosując filtry cząstek stałych (CRT). Niestety, ta technologia ma też wady. Przez obniżenie temperatury zapłonu obniża się wydajność układu, a samo zastosowanie systemu recyrkulacji komplikuje konstrukcję i podwyższa koszty eksploatacji (np. specjalne oleje).

Wprowadzona w 2009 roku norma EURO V ograniczyła jedynie emisje NO_x do poziomu 2 g/kWh. W grudniu ubiegłego roku Parlament Europejski przyjął nowe przepisy, tzw. Euro 6, dotyczące poziomu zanieczyszczeń emitowanych przez ciężkie pojazdy samochodowe. W praktyce od początku 2014 r. dopuszczalna wartość emisji tlenków azotu ma wynieść 400 mg/kWh, a więc o 80% mniej niż w normie Euro 5, a limity emisji cząstek stałych zostaną zmniejszone o 66% i mają wynosić 10 mg/kWh.

(Strona internetowa komunikacji miejskiej w Szczecinie)

2. Silniki elektryczne

2.1. Definicja, podział (rysunek 1), wyposażenie pojazdów elektrycznych, źródła energii, klasyfikacja pojazdów elektrycznych (rysunek 2)

Silnik elektryczny - maszyna przetwarzająca energię elektryczną na energię mechaniczną w postaci energii ruchu obrotowego. Silniki tego typu mogą być zasilane napięciem stałym lub przemiennym. Moment obrotowy powstaje w wyniku oddziaływania pola magnetycznego i prądu elektrycznego. Pojazdy wyposażone w silniki elektryczne łagodzą ocieplenie globalne poprzez zmniejszenie emisji szkodliwych związków przenikających do środowiska.

Rysunek 1 Podział elektrycznych silników napędowych pojazdów (Merkisz, Pielecha, 2004)

Wyposażenie pojazdów elektrycznych:

- jednostka napędowa (silnik) - to podstawowy element każdego samochodu,

- baterie litowo - jonowe - są obecnie najbardziej popularnymi akumulatorami energii elektrycznej,

- prostownik - przekształca prąd zmienny na prąd stały,

- inwerter - przekształca prąd stały z akumulatorów na prąd zmienny do silników elektrycznych i odwrotnie,

- konwerter DC-DC (sterownik impulsowy) - powoduje wzrost lub spadek napięcia stałego, np. w celu dostosowania wysokonapięciowego systemu do pokładowego napięcia 12 V,

- transformator - powoduje wzrost lub spadek napięcia zmiennego,

- kontroler silnika elektrycznego - mikroprocesor kontrolujący pracę silnika elektrycznego,

- system kontroli - układy elektroniczne sterujące przyspieszaniem i hamowaniem pojazdu, dopływem energii od akumulatora do silnika elektrycznego, zmianą kierunku obrotów silnika i kontrolującego hamowanie regeneracyjne.

Źródła energii silników elektrycznych:

- zmagazynowana wcześniej w pokładowych akumulatorach

- uzyskiwana z naturalnych źródeł energii takich jak energia słoneczna lub zgromadzona w kole zamachowym

- zmagazynowana w akumulatorach doładowywanych przez zasilane tradycyjnym paliwem prądnice

- generowana z silnika spalinowego

- uzyskiwana bezpośrednio w czasie reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym

- generowana z bezpośredniego połączenia z siecią energetyczną (np. kolej, tramwaje, trolejbusy)

(Merkisz, Pielecha, 2004; strony internetowe: EvMobile; Interklasa)

Rysunek 2 Klasyfikacja pojazdów elektrycznych (Merkisz, Pielecha, 2004)

2.2. Wady i zalety napędów elektrycznych

Zalety:

- łatwość zamontowania w pojeździe

- prostota sterowania, obsługi i konstrukcji

- cichobieżność

- brak emitowania zanieczyszczeń

- brak obiegu oleju

- odzyskiwanie energii podczas hamowania

- podczas wypadku zmniejszenie prawdopodobieństwa wybuchu pojazdu

- wystarczalność chłodzenia powietrzem

- niższe koszty eksploatacji niż w przypadku pojazdów z silnikami spalinowymi

Wady:

- cena zakupu samochodu elektrycznego

- ograniczony zasięg

- duża masa i mała pojemność akumulatorów

- stosunkowo długi czas ładowania akumulatorów

- mniejsze prędkości maksymalne niż w innych silnikach

- wysoki koszt zakupu nowych akumulatorów

- duża utrata wartości samochodu po kilku latach eksploatacji

- skracanie zasięgu wraz z zużywaniem się akumulatorów

- mniejsza ładowność pojazdu

(Merkisz, Pielecha, 2004; Strona internetowa Ecology Group)

2.3. Historia napędów elektrycznych pojazdów

Napęd elektryczny pojawił się we wczesnej fazie rozwoju samochodu, kiedy podejmowane były próby jego wykorzystania w praktycznej eksploatacji. Jednak poprzez szybki rozwój silników spalinowych, ich łatwą dostępność i niskie ceny paliw, cały proces rozwoju motoryzacji został oparty tylko na napędzie spalinowym. Bardzo niska wydajność energetyczna akumulatorów w połączeniu z dużą masą własną, były początkowo głównymi przyczynami spowalniającymi rozpowszechnianie tego typu napędu. Wynikało to przede wszystkim z wielogodzinnego doładowywania, co znacznie ograniczało przebiegi samochodów.

Obecnie przewiduje się, że samochody elektryczne będą przyszłością komunikacji. Głównymi wynalazkami, które miały bardzo duży wpływ na zastosowanie napędów elektrycznych były: ogniwo elektryczne Volty, akumulator kwasowy, elektryczna sieć trakcyjna dla pojazdów szynowych oraz ogniwo paliwowe.

(Merkisz, Pielecha, 2004)

2.4. Samochód elektryczny, a ochrona środowiska

Z powodu braku systemu wydechowego, a więc także braku bezpośredniej emisji spalin, samochody elektryczne zwykło się uważać za pojazdy w pełni ekologiczne. Lokalny brak emisji substancji szkodliwych jest niewątpliwie dużym plusem. Nawet, gdy są zasilane energią elektryczną wytwarzaną na drodze spalania węgla, to i tak są bardziej efektywne i mniej zanieczyszczają środowisko niż pojazdy z silnikami spalinowymi.

Porównując silniki spalinowe i elektryczne należy dodać, iż wszystkie dane są jeszcze bardziej korzystne dla samochodu elektrycznego, jeżeli wykorzystuje on energię odnawialną. Samochody elektryczne niosą szansę radykalnego zmniejszenia emisji zanieczyszczeń w transporcie. Z pewnością będą miały wpływ na zmniejszenie tej emisji w miastach, przenosząc jej ciężar na elektrownie. Samochody elektryczne i hybrydowe z pewnością można uznać za przyszłość motoryzacji. Ich ważną zaletą, poza mniejszą emisją substancji szkodliwych (np. CO₂, NO_x), jest znaczne zmniejszenie poziomu hałasu. Dzięki pojazdom elektrycznym w miastach zmaleje nie tylko zanieczyszczenie powietrza, ale i hałas. To istotnie poprawi komfort życia mieszkańców.

(Węglarz, Pleśniak, 2011)

3. Silniki hybrydowe

3.1. Definicja, rodzaje akumulatorów, rodzaje układów napędowych, zalety i wady, zastosowanie

Silnik hybrydowy jest połączeniem dwóch rodzajów napędu użytych w jednym urządzeniu lub środku lokomocji. Odnosząc się wyłącznie do komunikacji samochodowej i transportu drogowego jest to przeważnie zestawienie silnika spalinowego z elektrycznym. Silnik spalinowy połączony jest z generatorem prądu. Silnik elektryczny nie jest natomiast tylko silnikiem ale pełni także rolę prądnicy służącej do ładowania akumulatorów, zasilających go podczas jego pracy. Silniki te mogą pracować razem podczas dużego zapotrzebowania na moment obrotowy (np. przyspieszanie lub jazda pod górę). Mogą także pracować osobno tak aby aktywny był tylko silnik spalinowy lub tylko elektryczny. Podczas postoju silnik spalinowy nie pracuje, a podczas jazdy ze stałą prędkością doładowuje akumulatory. W układzie hybrydowym silniki spalinowe są głównie jednostkami zasilanymi benzyną, chociaż pojawiają się także jednostki wysokoprężne czy zasilane gazem ziemnym.

Rodzaje akumulatorów w silnikach hybrydowych

W silnikach elektrycznych stosuje się 3 rodzaje akumulatorów:

a) Kinetyczne

b) Hydropneumatyczne:

- akumulator pęcherzowy

- akumulator tłokowy

c) Elektrochemiczne:

- baterie kwasowo - ołowiowe

- baterie niklowo - kadmowe

- baterie nikiel - wodorotlenek metali

- baterie sodowo - siarkowe, sód - chlorek niklu

- baterie lit - stały polimeryczny elektrolit

- baterie litowo - węglowe (ciekły elektrolit)

Rodzaje układów napędów hybrydowych

Jak już wiadomo pojazd hybrydowy ma 2 źródła zasilania. Najczęściej stosowanymi kombinacjami są: turbiny gazowe, silniki ZS, ZI w układach hybrydowych z kołami zamachowymi, bateriami (akumulatorami) oraz ultrakondensatorami. Bez względu na wybór kombinacji można wyróżnić trzy podstawowe rodzaje układów napędów hybrydowych:

- szeregowy - takie połączenie napędów to elektryczne przeniesienie napędu uzupełnione o akumulator stanowiący bufor energetyczny. Umożliwia on zmienny, stosownie do warunków ruchu, pobór mocy przy stałym jej dopływie z pracującego w ustalonych warunkach silnika spalinowego. Rozwiązanie proste konstrukcyjnie, ale wymaga zastosowania co najmniej dwóch maszyn elektrycznych o dużej mocy i, co najważniejsze, osiąga sprawność zaledwie porównywalną z napędem spalinowym. Pojazd w konfiguracji szeregowej jest bardziej ekonomiczny, ale ma mniejszą moc od konfiguracji równoległej.

- równoległy - w takim rozwiązaniu moc jest przekazywana z silnika spalinowego do kół poprzez układ mechaniczny. Akumulator może pobierać moc z mechanicznego układu napędowego, bądź też ją do niego doprowadzać. Zastosowanie bezstopniowej przekładni mechanicznej umożliwia wykorzystanie silnika spalinowego pracującego w warunkach ustalonych. Warunki te mogą być optymalizowane w celu osiągnięcia minimum zużytego paliwa, emisji składników toksycznych, hałaśliwości, a nawet drgań. W porównaniu z układem szeregowym pojazd ma do dyspozycji większą moc niż silnik spalinowy, ponieważ oba mogą pracować równocześnie. Nie jest także konieczne zabudowanie generatora do ładowania baterii.

- szeregowo - równoległy - kombinacja dwóch poprzednich

Przekładnie w silnikach hybrydowych możemy podzielić na stopniowe i bezstopniowe, a w zależności od struktury także na mechaniczne, elektryczne i hydrauliczne.

Zalety i wady silników hybrydowych

Zalety:
Przede wszystkim zmniejszanie zanieczyszczenia środowiska i emisji szkodliwych substancji do atmosfery oraz redukcja użytkowania paliw kopalnych. Świetna alternatywa dla tradycyjnych silników w pojazdach komunikacji miejskiej, u których cykl zatrzymywanie się - ruszanie powtarza się bardzo często. Istnieje bowiem możliwość odzysku energii podczas hamowania. Ponadto silniki hybrydowe spełniają zwykle wszystkie, nawet najbardziej wyśrubowane normy. Napęd hybrydowy jest jednym z rozwiązań mogących spełnić wymagania norm toksyczności spalin ULEV oraz SULEV. Dużą zaletą jest także stosunkowo cicha praca. Do kupna samochodu z silnikiem spalinowym zachęcają różnorakie ulgi (zależy od państwa).

Wady:

Główną wadą takiego rozwiązania jest wciąż wysoka cena. Samochody, w których stosowane są napędy hybrydowe są droższe od swoich spalinowych odpowiedników, a proces ich produkcji jest bardziej złożony. Ponadto nawet zakładając zwrot takiej nadwyżki, pozostaje kwestia niskiej świadomości społeczeństwa i brak przekonania do nowych rozwiązań. Wiele osób uważa również, że silniki hybrydowe są tylko formą przejściową pomiędzy silnikami spalinowymi, a ogniwami paliwowymi. Układy hybrydowe mają także większą masę.

Zastosowanie silników hybrydowych

Napęd hybrydowy znalazł obecnie zastosowanie w samochodach osobowych takich jak Toyota Prius (pierwszy seryjnie i masowo produkowany samochód z napędem hybrydowym), Lexus GS 450h, Lexus GS 400h, Honda Civic IMA (dostępne na rynku Polskim), Toyota Highlander, Camry Hybrid, Lexus LS 600h. Napęd hybrydowy znalazł również zastosowanie w śmieciarkach i autobusach komunikacji miejskiej (np. Solaris Urbino 18 Hibrid).
(Merkisz, Pielecha, 2004)

3.2. Samochód z silnikiem hybrydowym na przykładzie Toyoty Prius

Toyota Prius to pierwszy masowo produkowany samochód z silnikiem hybrydowym. Pierwsza generacja ujrzała światło dzienne w 1997 roku. Później samochód w odnowionej wersji zaprezentowano jeszcze dwa razy w latach 2003 i 2009. Pomimo coraz szerszej oferty na rynku samochodów z napędem hybrydowym, wciąż za najpopularniejszy z nich uznaje się właśnie Toyotę Prius. Nowy model wyposażony jest w silnik spalinowy 1,8 VVT-i i dwa umieszczone równolegle i połączone ze sobą silniki. Zastosowany system w każdej chwili zapewnia maksymalne osiągi w połączeniu z ekonomiczną jazdą. Średnie spalanie wynosi 4l/100km, a emisja CO₂ - 89 g/km, przy czym samochód osiąga łączną moc 136 KM. Możliwe jest korzystanie z trzech trybów jazdy: EV - wykorzystującego jedynie silnik elektryczny, Eco - zwiększającego ekonomiczność za pomocą zmniejszonej czujności pedału gazu i trybu Power, który umożliwia korzystanie z pełnej mocy samochodu.

Dane techniczne:

a) Silnik spalinowy:

Liczba i układ cylindrów 4-rzedowy

Mechanizm zaworów 16 V DOHC VVT-i

Pojemność skokowa (cm³)1798

Maksymalna moc (kW/obr. /min) 73 (99 KM) /5200

Maksymalny moment obrotowy (Nm/obr. /min) 142/4000

b) Silnik elektryczny:

Maksymalna moc (kW/obr. /min) 60 (80 KM) /13 500

Maksymalny moment obrotowy (Nm) - 207

c) Osiągi:

Maksymalna prędkość (km/h) - 180

Przyspieszenie 0-100 km/h (s) - 10,4

(Węglarz, Pleśniak, 2011)

4. Ogniwa paliwowe

4.1. Definicja, zasada działania (rysunek 3), podział, zalety i wady, zastosowanie, charakterystyka paliw (rysunek 4)

Ogniwa paliwowe - to urządzenia, które energię chemiczną paliwa i utleniacza zamieniają bezpośrednio w energię elektryczną. Wszystkie rodzaje ogniw paliwowych, w przeciwieństwie do tradycyjnych metod, generują elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza. Pozwala to na uniknięcie emisji szkodliwych związków, m.in. tlenków azotu, siarki, węglowodorów oraz tlenków węgla. Produktami reakcji są: energia elektryczna, ciepło i woda.

Zasada działania

Składa się z anody i katody, między którymi znajduje się elektrolit albo specjalna membrana. Anoda jest pokryta platyną, która pełni rolę katalizatora - umożliwia jonizację wodoru. Dodatnie jony wodoru dyfundują (mieszają się, samorzutnie przenikają) przez elektrolit do katody, na której łączą się z tlenem tworząc wodę. Anoda jest połączona z katodą w obwód umożliwiający przepływ elektronów i wykorzystanie tak powstałego prądu elektrycznego. Pojedyncze ogniwa mogą być łączone w baterie w celu uzyskania odpowiedniej mocy i napięcia. Jako paliwo może być wykorzystywany czysty wodór lub paliwo bogate w wodór (gaz ziemny, propan, metanol, węglowodory), utleniaczem jest tlen, który może być dostarczany w czystej postaci lub pozyskiwany bezpośrednio z powietrza.. Sprawność bezpośredniej przemiany energii chemicznej w elektryczną w ogniwie paliwowym wynosi od 45 do 60%. Z jednego ogniwa uzyskuje się napięcie w granicach 0,6 do 1 V.

Najbardziej uniwersalnymi i niezawodnymi urządzeniami są ogniwa wykorzystujące kwas fosforowy (PAFC) oraz ogniwa z membranami polimerowymi. Zależnie od zastosowanych elektrolitów oraz temperatur eksploatacji rozróżnia się niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe.

Rysunek 3 Zasada działania ogniwa paliwowego (Merkisz, Pielecha, 2004)

Podział ogniw paliwowych

Do niskotemperaturowych należą:

- Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC),

- Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (PAFC),

- Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (PEM),

- Metanolowe ogniwo paliwowe z bezpośrednim zasilaniem (DMFC).

Do wysokotemperaturowych należą:

- Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC),

- Ogniwo cynkowo-powietrzne (ZAFC),

- Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC).

Zalety i wady

Zalety:

- W czasie pracy ogniwa paliwowego nie zachodzi spalanie w płomieniu, tak więc nie wydzielają się związane z takim procesem zanieczyszczenia,

- Pracują ze znacznie wyższą efektywnością niż silniki spalinowe - z tej samej masy paliwa uzyskuje się znacznie więcej użytecznej energii,

- Ogniwo paliwowe nie ma ruchomych części wiec jest ciche i bezawaryjne.

Wady:

- Magazynowanie paliwa - bogaty energetycznie ciekły wodór musi być przechowywany w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu, a to nie jest akceptowane w masowych zastosowaniach. Natomiast uwolnienie wodoru z metanolu, będącego cieczą w temperaturze pokojowej wymaga reformingu, który jest bardzo złożonym procesem chemicznym,

- Starzenie się ogniw, zanieczyszczenia w paliwie powodują zatykanie porowatych elektrod, co ogranicza przepływ jonów wodoru i tlenu, zmniejszając wydajność prądową,

- Wysoka cena takich ogniw ale także paliw, którymi są napędzane,

- Wydajność nie jest zbyt zadowalająca, typowe ogniwo przy napięciu 0,6 V ma sprawność około 45-50%, a to oznacza, że tylko 55-50% paliwa jest zamieniane na energie elektryczną natomiast cała reszta zostaje wydalona w postaci ciepła. Co prawda ogniwa nie pozwalają uzyskać napięcia większego niż 1 V, ale mniejsza masa i objętość ogniw w porównaniu z akumulatorami elektrochemicznymi umożliwiają uzyskanie większej koncentracji energii, przy zbliżonych wymiarach zewnętrznych.

Zastosowanie ogniw paliwowych ogranicza się do 3 dziedzin:

Napędy samochodów, energetyki, w której następuje zamiana systemów megawatowych elektrowni na małe elektrociepłownie do użytku domowego oraz zasilania elektronicznych urządzeń przenośnych, w których ogniwa paliwowe mogą zastąpić akumulatory.

Ogniwami wykorzystywanymi w samochodach są: Ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów (PEM) - pracują w niskiej temperaturze, około 100 stopni, generują prąd o dużym natężeniu i reagują elastycznie na zmieniające się warunki poboru mocy więc nadają się idealnie do zasilania pojazdów gdzie ważny jest szybki rozruch. Membrana jest wykonana z tworzywa organicznego, umożliwiającego przenikanie jonom wodoru. Membrana z obu stron pokryta jest warstwą metalu (najczęściej platyną), który jest katalizatorem. Anoda zasilana jest wodorem gdzie następuje jego jonizacja. Elektrony tworzą w obwodzie prąd elektryczny i są wykorzystywane do katody. Protony przedostają się przez membranę do katody i łącząc się z tlenem tworzą wodę.

Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od stosowanego w nich paliwa. Ogniwa wodorowe nie mogą być używane jako pierwotne źródło energii, lecz konieczne jest wytwarzanie stosowanego w nich wodoru. Wpływ stosowania kopalnych źródeł energii (węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny itd.) na zanieczyszczenie środowiska powoduje, że ogniwa paliwowe są świetnym źródłem alternatywnego zasilania, obojętnego lub prawie obojętnego dla środowiska przyrodniczego.ny protonów

Pierwszym pojazdem z ogniwami paliwowymi, który uzyskał certyfikaty dopuszczające do sprzedaży była Honda FCX (koniec 2002 roku). Zasięg pojazdu wynosił 355 km.

(Merkisz, Pielecha, 2004; Lewandowski, 2006)

Rysunek 4 Charakterystyka paliw ogniw paliwowych (Merkisz, Pielecha, 2004)

5. Podsumowanie

Można z pewnością stwierdzić, iż przyszłością motoryzacji jest wykorzystywanie techniki silników elektrycznych. Poprzez coraz większe ograniczenia dotyczące emisji CO₂, NOx oraz coraz większe niepewności rynku ropy, producenci muszą szukać alternatywnych rozwiązań motoryzacyjnych. Silnik elektryczny jest najlepszym rozwiązaniem. Najistotniejszym celem

rozwoju pojazdów elektrycznych jest polepszenie techniki magazynowania energii elektrycznej. Stworzenie pojazdów elektrycznych, które będą miały osiągi porównywalne z samochodami spalinowymi, szczególnie dotyczące zasięgu i czasu ładowania, będzie ogromnym sukcesem. Użytkownicy z pewnością będą chętnie kupować pojazd, którego cena eksploatacji może być dwukrotnie niższa niż cena samochodu spalinowego. Duże nadzieje pokłada się ponadto w technologii pozyskiwania i wykorzystania wodoru w ogniwach paliwowych. Byłaby to technologia znacznie mniej kontrowersyjna ekologicznie od wykorzystania zwykłych akumulatorów ładowanych z sieci. Rzeczywista emisja z elektrycznych pojazdów akumulatorowych zależy od techniki wytwarzania energii. Ekologiczna opłacalność stosowania takich pojazdów w Polsce, gdzie ponad 90% energii elektrycznej wytwarzają elektrownie węglowe, jest na razie wątpliwa. Pojazdy elektryczne można uznać za zeroemisyjne jedynie pod warunkiem zastosowania energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł energii np. wody czy wiatru. Najprawdopodobniej silniki elektryczne znajdą największe zastosowanie w pojazdach hybrydowych. Ta technologia jest szybko rozwijana przez producentów samochodów i stanowi poważny krok do całkowitej elektryfikacji pojazdów mechanicznych.

(Węglarz, Pleśniak, 2011)

1

---