Zapobieganie negatywnym skutkom transportu na stan środowiska przyrodniczego.
Sposoby zminimalizowania niekorzystnego oddziaływania na przyrodę.
1. Idea zrównoważonego rozwoju transportu.
Zrównoważony, czyli taki system, który z pokolenia na pokolenie może w pełni funkcjonować przy przemieszczaniu osób i ładunków bez zawłaszczania materiałów, energii i środowiska należnych każdemu pokoleniu. Aby spełnić te warunki, komunikacja zbiorowa powinna pełnić dominującą rolę szczególnie na dłuższych dystansach i w codziennych podróżach. Ruch pieszy i rowerowy powinien stać się podstawowym środkiem do odbywania podróży krótkich, a rola samochodu powinna ograniczać się do rzadkich podróży lub podróży do miejsc rozproszonych oddalonych od siebie.
Podstawą zmian w transporcie powinny być:
Racjonalizacja potrzeb podróżowania i przemieszczania ładunków. Wpłynie to na zbliżenie do siebie miejsca zamieszkania, pracy, usług czy chociażby wypoczynku koncentrując się w pobliżu transportu zbiorowego. Rozwój telekomunikacji powinien jednak wpływać na zmniejszenie potrzeb podróżowania. Promowanie lokalnych baz surowców i lokalnych dostawców sprzyjać powinno równolegle zmniejszeniu transportochłonności i wzrostowi lokalnych rynków pracy.
Racjonalizacja użytkowania samochodu osobowego i ciężarowego. Uwzględniane powinno tutaj być w cenie samochodu i w kosztach jego eksploatacji wszystkich kosztów zewnętrznych, tak więc i społecznych i również ekologicznych Władze zarówno państwowe jak i samorządowe powinny tworzyć warunki do ograniczonego użytkowania samochodów i zachęcać do korzystania z dogodniejszych środków transportu. Obszary zurbanizowane powinny być wolne od ruchu samochodowego.
Promowanie bardziej energooszczędnych i proekologicznych środków transportu. Sprzyjać temu powinna poprawa warunków transportu zbiorowego w tym kolejowego, autobusowego, tramwajowego i niezmotoryzowanego np. rowerowego. Wpływa to na zmniejszenie zużycia energii na jednego pasażera na 1km drogi plus mniejsza ilość odprowadzanych zanieczyszczeń.
Maksymalizacja wykorzystania wydajności pojazdów. Polityka transportowa powinna skupiać się na lepszym wykorzystaniu samochodu w sensie liczby miejsc. W podobny sposób powinny być użytkowane samochody ciężarowe i dostawcze. W transporcie zbiorowym stosowanie maksymalizacji wykorzystania pojazdów winno przyczynić się do elastycznego dostosowania do zmieniających się w czasie i miejscu wielkości, ilości i częstotliwości jego funkcjonowania, oraz pełnego wykorzystania pojemności pojazdu bez pogorszenia sprawności dla komfortu podróżowania.
Utylizacja odpadów. Świat polityki oraz elity rządzące, powinny nakłonić koncerny samochodowe i prawnie zobowiązać je do poniesienia zdecydowanej części kosztów związanych z utylizacją resztek i pozostałości związanych ze środkami transportu (smary, oleje), włącznie z kasacją złomowanych aut.
Na zmniejszenie szkód spowodowanych negatywnym wpływem transportu na środowisko obiecująco wyglądają perspektywy stosowania tzw. paliw alternatywnych. Dzięki używaniu biopaliw można oczekiwać następujących efektów:
1. zmniejszenia emisji dwutlenku węgla o
· 80% w przypadku stosowania etanolu,
· 95% w przypadku stosowania biogazu
· 0-20% w przypadku stosowania paliwa gazowego LPG
· 0-20% w przypadku stosowania gazu naturalnego
· 60% w przypadku stosowania biodiesla
2. zmniejszenie emisji tlenków azotu o
· 50% w przypadku stosowania etanolu,
· 75% w przypadku stosowania biogazu
· 75% w przypadku stosowania paliwa gazowego LPG
· 45% w przypadku stosowania gazu naturalnego
· 0% w przypadku stosowania biodiesla (emisje tlenków azotu i pyłów są większe niż oleju tradycyjnego napędowego)
3. zmniejszenie poziomu hałasu
· 0 dBA w przypadku stosowania etanolu,
· 10-13 dBA w przypadku stosowania biogazu
· 10-13 dBA w przypadku stosowania paliwa gazowego LPG
· 10-13 dBA w przypadku stosowania gazu naturalnego
· 0 dBA w przypadku stosowania biodiesla
· zmniejszenie hałasu za pomocą ekranów akustycznych
Paliwa alternatywne nie są obecnie w stanie konkurować z paliwami tradycyjnymi. Produkcja biopaliw jest wciąż droższa niż import ropy i będzie to trwało tak długo, jak długo ceny paliw nie będą odzwierciedlać rzeczywistych kosztów ekologicznych związanych m. i. z przywróceniem środowiska naturalnego do stanu normalności ekologicznej.
2. Transport publiczny
W Polsce panuje przekonanie, że transport publiczny jest dotowany przez władze państwowe, podczas gdy kierowcy płacą tylko coraz większe podatki. W rzeczywistości jest jednak odwrotnie. Koszty zewnętrzne transportu, to około 8% Produktu Krajowego Brutto, są dotacją motoryzacji indywidualnej. Polskie miasta znacznie więcej wydają na budowę nowych dróg i mostów niż są doinwestowane z sieci transportu zbiorowego. Z badań europejskich wynika, że pod względem efektywności inwestowanie w transport publiczny jest o wiele bardziej skuteczne niż budowa nowych dróg np. linia szybkiego tramwaju czy miejskiej kolei może przewieźć 60 tysięcy pasażerów w obie strony, podczas gdy dwustronna trzypasmowa autostrada tylko 7,5 tysięcy.
Na korzyść transportu przemawia to, że w godzinach szczytu linia transportu publicznego może przetransportować aż do czterech razy więcej pasażerów niż ulice dla samochodów. Nie zajmuje on tak dużo powierzchni jak się to ma w przypadku samochodów osobowych stojących w większej części dnia na parkingach. Również koszt przewozu jednostkowy maleje z coraz większą ilością chętnych, a jeżeli dodamy do tego alternatywne źródła energii (np. na gaz), to jest on dla przewoźnika mniejszy, a koszty po stronie przyrody są zdecydowanie mniejsze.
3. Transport rowerowy.
Transport rowerowy jest alternatywa dla transportu samochodowego na krótszych trasach. Jest całkowicie nieszkodliwy dla środowiska a wręcz wskazany dla ludzi o siedzącym trybie pracy. W krajach skandynawskich i w Niemczech a przed wszystkim w Holandii, infrastruktura umożliwia bezpieczne dojechanie rowerem niemal wszędzie. Rower można także zaparkować przy odpowiednim stojaku a w sytuacjach awaryjnych można go przewieźć środkiem komunikacji publicznej.
Niestety w Polsce nie traktuje się rowerzystów z należną im powagą a roweru jako pełnoprawny środek transportu. Negatywny wpływ ma również brak akcji zachęcających do używania rowerów jako środków transportu, oraz mała aktywność władz lokalnych w zwiększaniu ścieżek i ułatwień dla rowerzystów.
I tu ciekawostka dla władz samorządowych: ponad 60% badanych Polaków posiada własny rower - według badań wykonanych dla Polskiego Klubu Ekologicznego. Faktem jest że budowane są nowe odcinki tras rowerowych. Lecz często jeszcze nie są one łączone ze sobą co powoduje, że rowerzyści muszą jechać na przemian trasą i jezdnią. Normą jest że na trasach i ścieszkach rowerowych bardzo często są zaparkowane samochody. Rowerzyści wtedy mają problemy z ich wyminięciem. W śród badanych 13% w dużych miastach chciałoby dojeżdżać do pracy na rowerach, a 42% rowerzystów uznała, że wybudowanie ścieżki rowerowej może nakłonić ich do wyboru roweru jako sposobu komunikacji.
Brak jest jednak miejsc postojowych osłoniętych choćby wiatami, aby rowerzysta mógł w razie nie pogody schronić się przed deszczem. Brak jest także na mieście odpowiednich i bezpiecznych stojaków, przy których można byłoby zaparkować rower. Prawie jednej czwartej badanych został w przeszłości skradziony rower najczęściej z miejsca przechowywania lub z miejsca postoju pomimo założonego zapięcia. W ruchu drogowym rowerzysta traktowany jest jako kierowca drugiej kategorii, często i nagminnie jego prawa drogowe są łamane przez kierowców samochodów.
Żeby zachęcić ludzi do korzystania z rowerów, władze państwowe i samorządowe powinny pozwolić rowerzystom na szybkie poruszanie się przez stworzenie odpowiedniej i w pełni wyposażonej infrastruktury dla jazdy rowerem. I tu mamy biurokratyczny problem. Wykonanie ścieżki rowerowej przekracza kompetencje jednego organu oraz wymaga bardzo dużej liczby uzgodnień technicznych. Zmusza do współpracy wiele podmiotów tj. Urząd Miasta, Zakład Komunikacji, prasę, radio, społeczność lokalna, policje, straż miejską, biura projektowe. Samorządy próbują zlecać wykonanie zadań tego typu w drodze przetargu. Jednak wykonawca czy choćby projektant przeważnie nie podejmują się już funkcji koordynatora i nie prowadzą kampanii promocyjnych. W rezultacie zadanie nie zostaje zrealizowane, zwłaszcza jeśli projekt jest nowatorski i wymaga nowatorskiego podejścia i realizacji.
Lokalne władze w związku z powyższym w interesie nie tylko rowerzystów ale i samych mieszkańców powinny:
- zintegrować· transport rowerowy z transportem publicznym (np. kolejowym),
- oddzielić· rowerzystów od ruchu samochodowego, eliminują tym samym zwiększone zagrożenie na drogach,
- zabezpieczyć· ścieżki rowerowe przed nielegalnym parkowaniem samochodów po przez zainstalowanie słupków, wyższych krawężników oraz konsekwentne karanie mandatami nielegalnie parkujących tam kierowców.
- stworzyć· specjalne zamknięte strefy dla ruchu samochodowego w okresie wakacji (np. kurort wypoczynkowy), lub na czas nieograniczony (np. starówka, zielone płuca miasta) z przeznaczeniem tylko dla ruchu pieszego i rowerowego, promując formę transportu tzw. rykszami rowerowym.
4. Ruch pieszy.
Chodzenie pod względem szybkości może nawet zastąpić podróże samochodem na odległość jednego kilometra. W wielu krajach wysokorozwiniętych, oznacza zredukowanie liczby podróży samochodem aż o 15%.
Aby zachęcić do poruszania się piechotą należy przed wszystkim zapewnić pieszym bezpieczeństwo. Nastąpić to można przez ograniczenie szybkości ruchu samochodów do 30-40km/h w rejonie mocno zabudowanym (np. osiedla). Przynosi to jeszcze większe rezultaty przy zastosowaniu prócz znaków drogowych również tzw. progów spowalniających, znanych potocznie jako „śpiących policjantów”.
Należy tworzyć miasta o zwartej zabudowie tak, aby inny rodzaj poza transportem pieszym czy rowerowym lub zbiorowym był nieopłacalny. Inwestować w transport publiczny, który w naturalny sposób uzupełni się z ruchem pieszym, i stanie się bardziej opłacalny dla mieszkańców.
Pozwolić mieszkańcom na współdecydowanie o kształcie lokalnych planów zagospodarowania przestrzeni, dając im możliwość wypowiedzenia się i wyrażenia swoich potrzeb i sugestii co do aktualnej zabudowy, infrastruktury, oraz przebiegu ciągów komunikacyjnych.
No i najważniejsze. Należy zadbać by ludzie nie bali się poruszać pieszo obawiając się o swoje bezpieczeństwo i zdrowie.
5. Europejski Dzień bez Samochodu.
Europejski Dzień bez Samochodu jest organizowany co roku 22 września. Jest akcją propagującą rozwój zdrowego transportu. Jej głównym założeniem jest działanie w zakresie poprawy jakości środowiska w miastach a zwłaszcza w dużych aglomeracjach miejskich. Sposób promowania mógłby zacząć się po przez kształtowanie proekologicznych wzorców zachowań. Dobrze jest tu zacząć od młodzieży będącej z czasem przykładem dla dorosłych jak należy żyć w świadomości proekologicznej. Sposobem na zachęcenie udziału w akcji jest popularyzacja transportu miejskiego, przyjaznego bardziej środowisku niż pojedyncze samochody osobowe. Obniżka cen biletów np. o 50% w dniu akcji mogłaby zachęcić o wiele większą grupę społeczeństwa do włączenia się do akcji. Wiele gmin w tym dniu nie pobiera opłat za transport środkami komunikacji miejskiej.
W związku z pogarszającym się stanem środowiska, między innymi w aglomeracjach miejskich, Unia Europejska przyjęła ramową dyrektywę w sprawie jakości powietrza (Dyrektywa Rady 96/62/WE z 27 września 1996 r. w sprawie oceny, kontroli i zarządzania jakością powietrza w otoczeniu). Realizacja jej zaleceń powinna umożliwić mieszkańcom europejskich miast życia w czystym i zdrowym środowisku.
Organizatorzy europejskiej kampanii Dzień bez Samochodu za priorytetowe uznali działania w zakresie poprawy jakości środowiska w miastach.
Akcja ta ma spełniać trzy podstawowe cele:
-ochronę jakości powietrza oraz zapobiegania zmianom klimatycznym poprzez zachęcenie mieszkańców miast do zachowań zgodnych z zasadami rozwoju zrównoważonego,
-zapewnienie społeczeństwu możliwości użytkowania alternatywnych środków transportu,
-stworzenie szansy poznania miasta bez ulicznego hałasu oraz uciążliwego ruchu samochodowego.
Głównym celem kampanii jest kształtowanie proekologicznych wzorców zachowań oraz popularyzacja transportu miejskiego przyjaznego środowisku.
Do ważnych celów kampanii zalicza się:
-podniesienie poziomu świadomości społeczeństwa poprzez podejmowanie publicznej dyskusji na temat problemów transportu w mieście (natężenie ruchu, zwiększenie zanieczyszczeń powietrza) oraz zwrócenie uwagi mieszkańców miast europejskich na ich najbliższe otoczenie,
-stworzenie władzom lokalnym możliwości realizacji pilotażowych projektów dotyczących między innymi planów ruchu drogowego w mieście, promowania pojazdów przyjaznych środowisku (o napędzie elektrycznym, gazowym), projektowania ulic zarezerwowanych tylko dla pieszych oraz ścieżek rowerowych,
-zmianę zachowań społecznych dotyczących korzystania ze środków transportu w mieście,
-promowanie transportu miejskiego gwarantującego lepsze wykorzystanie przestrzeni ulicznej,
-prezentację i promocję strategii rozwoju alternatywnych środków transportu w miastach,
-zaangażowanie jak największej liczby zainteresowanych osób i przedstawicieli władz.
Akcja ta odbywa się na poziomie lokalnym, regionalnym, krajowym i europejskim. Możliwe, że niedługo będzie się odbywać na poziomie światowym, co dałoby o wiele większą skuteczność.
Władze lokalne w interesie swoim i mieszkańców, powinny monitorować przebieg Dnia bez Samochodu. Pomiary powinny obejmować:
-jakość powietrza, natężenie hałasu,
-natężenie ruchu ulicznego i zakres z korzystania z transportu publicznego,
-badania opinii publicznej,
-liczbę, przyczyny oraz skutki wypadków i kolizji,
-wpływ zmniejszenia ruchu samochodowego na działalność handlową.
W trakcie obchodów Dnia bez Samochodu w obrębie miasta należy wyznaczyć jeden lub więcej obszarów zamkniętych dla ruchu samochodowego w godzinach pracy i dojazdu do pracy. Na tym obszarze poruszać się będą tylko piesi, rowerzyści, transport publiczny i pojazdy przyjazne środowisku, które napędzane są gazem ziemnym, płynnym i energią elektryczną. Powierzchnia obszaru zamkniętego dla ruchu samochodowego powinna być przez władze lokalne sukcesywnie zwiększana w kolejnych edycjach Dnia bez Samochodu.
SILNIKI WODOROWE
Podstawowym współczesnym źródłem energii, służącym do napędu pojazdów samochodowych są paliwa na bazie ropy naftowej ိ benzyna i olej napędowy. Paliwa te w bliższej lub dalszej przyszłości będą zastąpione ich substytutami. Ich szkodliwość dla środowiska z jednej strony, a z drugiej ograniczone zasoby, spowodowały konieczność poszukiwania paliw alternatywnych.
Zakłada się, że do 2020 r. minimum 20 proc. paliw zużywanych na cele transportowe będą stanowiły paliwa alternatywne. Ważną rolę odgrywać będzie strategia polityczna, zakładająca celowość i konieczność chociażby częściowego uniezależnienia się od ropy naftowej. Wśród paliw alternatywnych dotychczas szerokie zastosowanie w praktyce osiągnął gaz propanိbutan, a ostatnio preferuje się gaz ziemny, natomiast wodór, pomimo trudności technicznych związanych z jego zastosowaniem, może stać się paliwem najbliższej przyszłości.
Obecnie wodór jest powszechnie używany w przemyśle rafineryjnym w procesach chemicznych dotyczących pozyskiwania benzyn silnikowych i olejów napędowych. Prognozuje się, że po wyczerpaniu się zapasów ropy naftowej wodór stanie się jednym z podstawowych paliw silnikowych. Zasoby wodoru są praktycznie nieograniczone, gdyż jest to paliwo odnawialne, a produktem spalania jest woda. Należy dodać, że wodór - podobnie jak prąd elektryczny - nie jest źródłem energii, lecz nośnikiem energii. Praktycznie nie występuje w stanie wolnym lecz w postaci związków chemicznych zawierających wodór.
Problemem jest jednak otrzymywanie wodoru, gdyż z racji bardzo wysokiej reaktywności wodór występuje w postaci związków chemicznych: wody, węglowodorów, wodorków itp. Otrzymanie wodoru wymaga dostarczenia energii; mogą być do tego stosowane niektóre rodzaje czystej energii, jak energia wodna, energia wiatru czy też energia słoneczna.
Przyszłość należy do wodoru pozyskiwanego z energii słońca w procesie dwustopniowym. Według specjalistów pierwszy stopień to przemiana światła słonecznego w energię elektryczną za pośrednictwem rozbudowanego systemu baterii ogniw słonecznych. Drugi, wykorzystujący tę energię, pozwalałby na wykorzystanie wodoru w procesie elektrolizy, powodującym rozpad wody. Wymaga to jednak zastosowania bardzo wysokiej temperatury. Bezpośredni rozpad wody na wodór i tlen następuje w temperaturze 2730 st. C. Taką temperaturę można uzyskać w reaktorze jądrowym lub w kolektorze słonecznym, w którym soczewki skupiają światło w ognisku. Koszty produkcji tymi metodami są obecnie stosunkowo wysokie w porównaniu do najtańszej metody wytwarzania wodoru z gazu ziemnego. Metody te jednak zapewniają długotrwałą perspektywę wykorzystania wodoru i są metodami przyjaznymi dla środowiska.
Spore nadzieje wiąże się także z wytworzeniem wodoru przy wykorzystaniu biomasy, przy czym biomasa stanowi produkt wyjściowy w procesach termochemicznych lub biologicznych. Jako biomasę traktuje się wszystkie produkty odpadowe w rolnictwie, jak również specjalnie hodowane rośliny dające duże przyrosty. Należy dodać, że energia otrzymana z biomasy musi być jednak większa niż energia potrzebna do jej wyprodukowania. Energetyczne wykorzystania biomasy i paliw odpadowych jest najszybciej rozwijającym się sektorem energii odnawialnej w Polsce.
Właściwości wodoru jako paliwa silnikowego
Wodór charakteryzuje się unikalnymi właściwościami z punktu widzenia paliwa silnikowego. Właściwości te obejmują: duże ciepło spalania, szerokie granice palności, małą energię zapłonu, wysoką temperaturę samozapłonu, wysoką prędkość spalania, dużą dyfuzyjność, małą odległość gaszenia od ścianki, bardzo małą gęstość, dużą objętość gazowego wodoru w mieszance stechiometrycznej. W tabl. 1 zamieszczono najważniejsze właściwości wodoru, benzyny i metanu jako paliw silnikowych.
Należy przypomnieć, że wytworzenie wodoru wymaga dostarczenia energii, która musi być doprowadzona z innego źródła. Efektywność wodoru jako paliwa silnikowego trzeba więc oceniać uwzględniając ilość energii możliwą do wykorzystania w porównaniu z ilością energii, która musi być dostarczona do uzyskania paliwa. Każde z paliw stosowanych do zasilania silników spalinowych wymaga dostarczenia pewnej ilości energii, która jest zużywana w procesie przeróbki, transporcie i dystrybucji paliw.
Z punktu widzenia energii jednostkowej odniesionej do 1dm3 benzyny lub paliwa węglowodorowego w różnych stanach wynika, że benzyna jest paliwem zdecydowanie korzystniejszym od wodoru, natomiast spośród trzech stanów tego paliwa (gazowy, płynny i chemicznie związanej, jako związki wodoru z metalami) najkorzystniejszy jest wodór w stanie płynnym (skroplonym)
Wodór w stanie gazowym ustępuje wszystkim pozostałym jego stanom pod względem wartości energetycznej, uzyskiwanej z jednostki objętości. Produktami spalania wodoru są para wodna i pewna ilość tlenku azotu. Zasilanie silnika wodorem powoduje istotne zmniejszenie emisji podstawowych związków toksycznych do atmosfery. W tabl. 2 zamieszczono wyniki emisji składników toksycznych z pojazdów zasilanych różnymi źródłami energii.
Ze względu na brak w paliwie węgla w spalinach silnika zasilanego wodorem praktycznie nie występuje dwutlenek węgla, odpowiedzialny w dużym stopniu za efekt cieplarniany. Występują natomiast pewne ilości tlenków azotu (NOX) oraz śladowe ilości tlenków węgla (CO) i węglowodory (HC), powstające w wyniku spalania oleju silnikowego.
Możliwości rozwojowe
Przyszłościowe wymagania dla producentów samochodów o zerowej emisji, jak również wymagania Unii Europejskiej dotyczące obligatoryjnego wykorzystania paliw alternatywnych, pochodzących ze źródeł odnawialnych, stwarzają perspektywy dla wdrożenia w niedługim czasie pojazdów zasilanych wodorem. Droga zastosowania wodoru nie jest jednak prosta, ponieważ wymaga nie tylko stworzenia odpowiednich podstaw technicznych do zasilania konwencjonalnych silników, ale także rozwoju odpowiedniej infrastruktury, która musi pochłonąć bardzo duże środki materialne.
Długotrwałe badania w dziedzinie zastosowania wodoru do napędu pojazdów samochodowych wskazują, że docelowym źródłem napędu będą baterie paliwowe, które charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością w stosunku do silników spalinowych.
Dotychczas nie opanowano ekonomicznej i powtarzalnej produkcji wieloseryjnej ogniw paliwowych, co będzie wymagało wielu lat pracy. Istnieje natomiast - o wiele łatwiejsza do wprowadzenia w sensie technicznym - możliwość zastosowania wodoru do zasilania silników spalinowych. Wymusi to powstanie infrastruktury dla produkcji, dystrybucji, magazynowania wodoru, co jest niezbędne przy szerokim zastosowaniu wodoru.
Przystosowanie silników
Do zasilania wodorem przystosowuje się silniki o zapłonie iskrowym, jak również silniki o zapłonie samoczynnym. Silniki o ZS mają na ogół duży, wymagający zmniejszenia stopień sprężania, natomiast silniki o ZI przeciwnie - mają zbyt mały stopień sprężania, który wymaga zwiększenia by uzyskać odpowiednią efektywność procesu spalania. Wodór może być wykorzystywany również do zasilania silników dwupaliwowych, zarówno benzynowych, jak i o zapłonie samoczynnym. Silniki przystosowane do zasilania wodorem nie zapewniają optymalnych charakterystyk jego parametrów roboczych w stosunku do silników fabrycznie skonstruowanych w tym zakresie. Moc silnika zasilanego wodorem jest mniejsza o ok. 40 proc. w porównaniu z silnikami seryjnymi, co wynika z mniejszej o 35 proc. wartości opałowej mieszanki zgromadzonej w komorze spalania, jak również z faktu, że dwupaliwowe zasilanie nie można wysterować na optymalne spalanie wodoru.
W praktyce rozpatrywane są dwie możliwości zasilania silników spalinowych wodorem:
- zasilanie sprężonym wodorem (gazowe);
- zasilanie ciekłym wodorem (skroplonym).
Zasilanie wodorem w postaci gazowej wymaga zastosowania naczyń wysokociśnieniowych o przewidywanym ciśnieniu 60 MPa i więcej, obecnie stosowane są ciśnienia 30 MPa. Zbiorniki paliwowe są ciężkie i z tego powodu ich zastosowanie ogranicza się do ciężkich pojazdów, głównie w samochodach ciężarowych i autobusach. Wprowadza się nowe technologie przewidujące zastosowanie stopów aluminium i włókien węglowych, które pozwalają na zmniejszenie masy całej instalacji zasilania wodorem.
Jedną z firm europejskich zajmujących się badaniami silników zasilanych sprężonym wodorem jest firma MERCEDES, która wyposażyła kilka autobusów w układ zasilania wodorem pod ciśnieniem 30 MPa. Dla porównania, na tych samych pojazdach są prowadzone równoległe badania zasilania benzyną. Zasilanie silników ciekłym wodorem stwarza bardzo ostre wymagania dotyczące zbiorników kriogenicznych z uwagi na temperaturę skroplenia wodoru, która wynosi ိ253 st. C. W silnikach zasilanych ciekłym wodorem podstawowym problemem jest opracowanie konstrukcji zbiornika paliwa z odpowiednią izolacją cieplną, które eliminowałyby przekazywanie ciepła do wodoru zbiorniku i zapobiegałoby jego odparowywaniu, oraz konstrukcja pompy wysokiego ciśnienia pracującej w warunkach temperatury ciekłego wodoru. W celu zmniejszenia strat wodoru są stosowane dodatkowo, oprócz izolacji cieplnej, zewnętrznej ekrany termiczne, umieszczone między ciepłą, a zimną ścianką zbiornika z wodorem.
Przy zastosowaniu ciekłego wodoru masa instalacji paliwowej staje się tylko niewiele większa od masy instalacji zasilania benzyną czy olejem napędowym, natomiast problemem jest bardzo duża objętość. Ponadto pojazd taki musi być przechowywany w pomieszczeniu bardzo dobrze wentylowanym, ponieważ wodór w sposób naturalny paruje, mniej więcej w ilości ok. 2 proc. na dobę.
Bezpieczeństwo stosowania wodoru w stanie ciekłym wymaga, aby cały układ był w pełni szczelny, a zbiornik wyposażony w urządzenie umożliwiające dopalenie części wodoru w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia w zbiorniku. Najlepiej do zasilania wodorem nadają się silniki typu Wankla, nazywane silnikami z wirującym tłokiem. Głównym uzasadnieniem jest obecność wyraźnego rozdziału zimnej strefy ssania od gorących stref spalania ładunku i wydechu spalin, co powoduje wyeliminowanie niekorzystnych zjawisk jakim są przedwczesne zapłony czy cofanie ładunku do układu ssącego w silniku klasycznym.
W praktyce stosowane są cztery systemy (sposoby) zasilania silników wodorem:
- zasilanie gaźnikowe;
- wtrysk wodoru do układu dolotowego;
- wtrysk do kanału dolotowego przed zaworem ssącym;
- wtrysk bezpośredni do komory spalania.
Najłatwiejszym sposobem zasilania silnika spalinowego wodorem jest system gaźnikowy, natomiast najbardziej skomplikowany jest system wtrysku bezpośredniego wodoru do komory spalania. System bezpośredniego wtrysku pozwala całkowicie wyeliminować zjawisko cofania się płomienia do układu dolotowego lub przedwczesny zapłon. Wada tego systemu jest krótki czas tworzenia mieszanki w cylindrze i brak możliwości dobrego wymieszania wodoru z powietrzem.
System wtrysku bezpośredniego wodoru jest szeroko rozwijany w Japonii, w Mushashi Institute of Technology, gdzie osiągnął najwyższy poziom rozwoju. W Mushashi Institute of Technology powstało już kilkanaście prototypowych samochodów zarówno osobowych, jak i ciężarowych, w których testowano różne silniki i różne systemy zasilania. Prace w zakresie wtrysku bezpośredniego wodoru do komory spalania są także realizowane w Europie przez firmę BMW.
Ciekawym rozwiązaniem europejskim jest wspólna konstrukcja autobusu, którego silnik jest zasilany gazowym wodorem. Jest to wspólny projekt kilku krajów europejskich, zgodny z tendencjami Unii Europejskiej, a dotyczący szybkiego wdrożenia zastosowań „czystych paliw”, które stanowią priorytet w VI Programie Ramowym. Autobus ma zamontowane na dachu butle ze sprężonym wodorem o ciśnieniu 30 MPa. Poważnym problemem jest masa butli, wynosząca ok. 2500 kg, przy zawartości wodoru wystarczającej na jazdę w zakresie ok. 200 km. Wymienione przykłady świadczą o intensywności prowadzonych prac badawczych w tym zakresie. Do producentów pojazdów dołączył też koncern paliwowy Aral, budując na lotnisku w Monachium eksperymentalną stację oferującą wodór w postaci płynnej lub gazowej.
Ogniwa wodorowe zamiast silników
Wodór, mimo trudności technicznych związanych z jego zastosowaniem, może stać się paliwem przyszłości, ponieważ jego wykorzystanie odbywa się w zamkniętym obiegu, nie następuje naruszenie równowagi przyrody. Zasoby wodoru są praktycznie nieograniczone.
Do najważniejszych zalet wodoru jako paliwa silnikowego należą: szeroki zakres granic palności, mała energia zapłonu, duży współczynnik dyfuzyjności, duże prędkości spalania, wysoka temperatura zapłonu. Podstawową cechą różniącą wodór od innych paliw jest skład spalin. Ze względu na brak w paliwie węgla, w spalinach silnika zasilanego wodorem praktycznie nie występuje dwutlenek węgla. Dlatego też wodór uważany jest za najczystsze paliwo pod względem ekologicznym. Głównym składnikiem spalin jest produkt spalania wodoru ိ para wodna. Ponadto występują pewne ilości tlenków azotu oraz śladowe ilości CO i HC, powstające w wyniku spalania oleju silnikowego. Niestety wodór jako paliwo posiada istotne wady, które należy zaznaczyć:
- ze względu na małą liczbę oktanową ma dużą skłonność do spalania stukowego;
- wykazuje silne oddziaływanie chemiczne na metale, szczególnie w podwyższonych temperaturach;
- ma zdolność do rozkładu chemicznego olejów smarujących, przez co tworzą się agresywne związki oddziaływujące negatywnie na elementy silnika;
- ma małą gęstość energetyczną nawet w stanie skroplonym;
- stwarza duże trudności z przechowywaniem wytworzonego produktu.
Istnieje kilka możliwych rozwiązań wykorzystania wodoru jako paliwa do silników spalinowych. Za najbardziej perspektywiczne wykorzystanie wodoru uznaje się zastosowanie go w ogniwach paliwowych ze względu na wyższą sprawność ogniw paliwowych niż silników spalinowych. Zadanie to trzeba traktować jako dalszoplanowe, gdyż stan opracowania ogniw paliwowych oraz ich koszty nie spełniają wymagań dla produkcji wieloseryjnej. Postęp technologiczny, jaki dokonuje się w tej dziedzinie, musi uwzględniać uzyskanie odpowiedniego poziomu osiągów pojazdu zasilanego wodorem, niezawodności, bezpieczeństwa oraz atrakcyjność handlową.
KATALIZATOR SAMOCHODOWY
Jest to urządzenie umieszczone w układzie wydechowym w obrębie którego spaliny (a szczególnie zawarte w nich związki trujące) ulegają dopalaniu lub innym reakcjom chemicznym tak, by w rezultacie opuścić rurę wydechową jako związki obojętne.
W praktyce wykorzystuje się proces katalityczny. Polega on na tym, że pewne związki (katalizatory) pobudzają odpowiednie reakcje chemiczne same nie biorąc w nich udziału, a więc nie zużywając się.
W rzeczywistości jest to puszka podobna do tłumika, wewnątrz której znajduje się porowata konstrukcja ceramiczna lub w nowocześniejszych wersjach - drobniutka siatka stalowa. Powierzchnia wszystkich komórek owej konstrukcji pokryta jest gąbczastą warstewką tlenku aluminium z zawartością platyny i rodu. To właśnie te dwa pierwiastki są właściwymi katalizatorami. Gdyby wszystkie pory konstrukcji nośnej rozwinąć na płasko, powierzchnia ich sięgałaby tysięcy metrów kwadratowych.
Okazuje się, że benzyna bezołowiowa jest konieczna, gdyż ołów znajdujący się w etylinie ma tendencję do pokrywania czynnej powierzchni katalizatora i zatykania w niej porów, co prowadzi do drastycznego spadku sprawności całego urządzenia.
By układ z katalizatorem pracował naprawdę musi funkcjonować w odpowiednim zakresie temperatur i co więcej w bardzo ściśle określonym zakresie składu mieszanki paliwo-powietrznej. Okazuje się, że stosunek powietrza do paliwa (określany współczynnikiem i symbolem l - lambda) ma ścisły związek z ilością trujących składników w spalinach.
Im więcej jest paliwa (mieszanka bogata) - tym więcej: CO - tlenku węgla; CH - związku wodoru i węgla.Jeżeli mieszanka jest “uboga” rosną temperatury spalania i wzrasta poziom: NOx - tlenku azotu.
Tymczasem działanie najskuteczniejszego katalizatora nazywanego niezbyt prawidłowo trójdrożnym (tj. oddziałującego na trzy trujące składniki na trzy sposoby) jest takie, że owe trujące składniki muszą się redukować między sobą. Najważniejsza jest tu redukcja tlenków azotu z tlenkiem węgla, w wyniku której powstaje dwutlenek węgla i azot.Jeżeli więc “na wlocie” czegoś trującego będzie za mało, a czegoś za dużo to na “wylocie” na pewno będzie bardziej “trująco”.W efekcie mieszanka paliwowo-powietrzna musi mieć skład (wagowo) jak najbliższy 1 : 14,6. zwykły gaźnik zapewnić tego nie potrafi. A więc, by to wszystko dobrze działało, musi być elektronicznie sterowany wtrysk paliwa sondą lambda.
SAMOCHODY HYBRYDOWE
Samochody hybrydowe cieszą się od pewnego czasu niezwykłą popularnością.
Rozgłos zyskały przede wszystkim dlatego, że mogą stać się alternatywą dla samochodów z tradycyjnym napędem spalinowym, ale też i dlatego, iż są czymś nowym.
Jednak sam napęd hybrydowy, z czego większość z nas nie zdaje sobie sprawy, nowością nie jest. Stosuje się go od dziesiątków lat. Hybrydą jest przecież, rzadko co prawda spotykany, rower z silnikiem. W napędy hybrydowe wyposażonych jest wiele lokomotyw (spalinowo-elektryczne) oraz okręty podwodne (nuklearno-elektryczne i spalinowo-elektryczne).
Od kilku lat coraz więcej mówi się o samochodach osobowych z napędem hybrydowym. I nic dziwnego. Uzależniliśmy się od ropy naftowej, a to nie jest korzystne ani ze względów politycznych, ani ekologicznych, ani ekonomicznych. Największe pokłady tego surowca znajdują się w regionach niestabilnych politycznie, bądź też posiadają je potężne kraje, próbujące za pomocą ropy narzucać innym państwom swoje decyzje polityczne.
Spalanie paliw ropopochodnych jest też jedną z głównych przyczyn zanieczyszczenia środowiska, przyczynia się do powstania efektu cieplarnianego i coraz bardziej kosztownych zmian klimatycznych. Trzeba też pamiętać, że ropa jest surowcem nieodnawialnym, a więc jej cena będzie rosła w miarę wyczerpywania się zapasów.
Wszystkie te względy powodują, że prace nad napędem alternatywnym dla silnika spalinowego stają koniecznością, a nie kaprysem czy przejściową modą.
Napędy proponowane w obecnie stosowanych samochodach osobowych nie eliminują silników spalinowych, gdyż są to rozwiązania spalinowo-elektryczne. A więc oprócz silnika spalinowego zamontowany jest dodatkowy - elektryczny.
Napęd elektryczny
Można więc zapytać, dlaczego nie rozwija się samochodów elektrycznych. Przyczyn jest kilka. Samochód elektryczny potrafi przejechać pomiędzy doładowaniami trasę od trzech do sześciu razy krótszą, niż pojazd spalinowy. Nie emituje zanieczyszczeń, ale za to naładowanie jego baterii trwa bardzo długo i jest niewygodne.
To poważne wady, a spowodowane są faktem, że paliwa ropopochodne mają znacznie większą gęstość energetyczną, niż baterie elektryczne. Inaczej mówiąc, z nieco ponad 3 kilogramów paliwa otrzymujemy tyle energii, co z 450-kilogramowej baterii.
Dlatego też zaproponowano połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym.
Jak to działa
Pojazdy z napędem hybrydowym mają zmienioną budowę systemu napędowego. Samochód z napędem hybrydowym wyposażony jest w silnik spalinowy, bak, silnik elektryczny, generator (głównie w napędach szeregowych), baterie i skrzynię biegów.
Obecnie produkuje się samochody z dwoma typami napędów hybrydowych: szeregowym i równoległym.
W przypadku napędu szeregowego silnik spalinowy pracuje przez cały czas i napędza generator produkujący prąd. Ten z kolei trafia do baterii, które zasilają silnik elektryczny. I to właśnie silnik elektryczny porusza samochód.
Samochody z napędem równoległym mogą jednocześnie korzystać z obu silników napędzających pojazd. Silniki mogą się uzupełniać, gdy pojazdowi potrzebna jest dodatkowa moc, a podczas hamowania silnik elektryczny działa jak generator, odzyskując część energii zatrzymującego się pojazdu.
Wydajność
Silnik spalinowy samochodu hybrydowego jest mniejszy, niż pojazdu tradycyjnego. Dzięki temu jest też bardziej wydajny. Jest bowiem lżejszy, więc zużywa mniej energii na poruszanie samego siebie, cylindry i wszelkie podzespoły silnika są mniejsze, przez co do wprawienia ich w ruch potrzeba mniej energii.
Ponadto skok cylindrów w mniejszym silniku jest mniejszy, więc każdy z nich zużywa mniej benzyny. Samych cylindrów też jest mniej, niż w silniku tradycyjnym. Trzeba pamiętać też o tym, że w hybrydzie, dzięki obecności silnika elektrycznego, można wyłączyć silnik spalinowy wówczas, gdy nie jest potrzebny, a więc na przykład podczas postoju na czerwonym świetle.
Wielu kierowców zwróci jednak uwagę, że silnik spalinowy, chociażby przez to, że jest większy, ma większą moc. To niewątpliwie prawda. Silniki spalinowe pojazdów hybrydowych dysponują wystarczającą mocą, by je poruszyć, ale gdy trzeba jechać bardzo szybko lub podjechać pod górę, mogą nie podołać zadaniu. Tutaj w każdej chwili może przyjść z pomocą silnik elektryczny, który dostarczy konieczną moc.
Tradycyjne silniki spalinowe skonstruowane są tak, by w razie potrzeby dawały dużo dodatkowej mocy. Jednak niemal przez cały czas jeżdżą ,,na pół gwizdka". Badania wykazały, że większość kierowców wykorzystuje pełną moc swojego silnika jedynie przez... mniej niż 1 proc. trasy. Z kolei silnik spalinowy pojazdu hybrydowego przez długi czas wykorzystuje większość swojej mocy.
Oszczędność
Poza mniejszym silnikiem, w pojazdach hybrydowych stosuje się kilka innych rozwiązań, pozwalających na zaoszczędzenie energii. Jak już wspomniano, podczas hamowania odzyskuje się część energii rozpędzonego pojazdu. Odbywa się to dzięki silnikowi elektrycznemu, który, zamiast hamulca, zatrzymuje pojazd. Kolejne rozwiązanie, to poprawianie aerodynamiki samochodu. Producenci hybryd wyjątkowo dużo uwagi poświęcają temu etapowi konstruowania pojazdów.
W samochodach z napędem hybrydowym używa się również innych opon, niż w ,,zwykłych" pojazdach. Są one nie tylko mocniej napompowane, ale wyprodukowano je z myślą o wytwarzaniu jak najmniejszych oporów podczas toczenia. Są one o około 50 proc. mniejsze, niż w przypadku opon tradycyjnych.
Toyota Prius
To niewątpliwie najpopularniejszy i prawdopodobnie najbardziej zaawansowany samochód hybrydowy dostępny w salonach sprzedaży. Prius wykorzystuje napęd równoległy i spełnia ostre kalifornijskie wymagania dla najbardziej ekologicznych samochodów (SULEV - super ultra low emissions vehicle). Ten czterodrzwiowy, pięcioosobowy sedan jest wyposażony w silnik elektryczny oraz opracowany przez Toyotę wyjątkowy system zarządzania mocą. To powoduje, że każdy z nich z osobna może napędzać samochód, mogą robić to równocześnie, albo Prius może działać jak samochód z napędem szeregowym.
Podczas ruszania samochód korzysta tylko z silnika elektrycznego. On też odpowiada za napędzanie pojazdu przy niskich prędkościach. Gdy jedziemy szybciej, włącza się silnik spalinowy, który napędza generator zapewniający dodatkową moc silnikowi elektrycznemu. Gdy potrzebujemy maksimum mocy, Prius korzysta z silnika elektrycznego, generatora i silnika spalinowego. Podczas hamowania, część energii, o czym wspomnieliśmy, jest odzyskiwania. Gdy samochód się zatrzymuje, silnik spalinowy jest wyłączany, może jednak pracować silnik elektryczny np. utrzymując w kabinie stałą temperaturę.
Dodatkową zaletą Priusa jest fakt, że właściciel nie musi martwić się o naładowanie akumulatorów. Są one cały czas monitorowane, by zapewnić odpowiedni poziom naładowania. Gdy spada on poniżej właściwego poziomu, automatycznie włączany jest silnik spalinowy, który, poprzez generator, zasila akumulatory.
Prius waży nieco ponad 1300 kilogramów i oferuje wewnątrz tyle miejsca, co Toyota Corolla. Przyspiesza od 0 do 100 km/h w ciągu 10,9 sekundy, a w trasie zużywa 4,3 litra benzyny na 100 kilometrów. Kierowca może wybrać też odpowiedni tryb pracy, przy którym silnik spalinowy w ogóle się nie włącza. Wówczas silnik elektryczny zapewnia prędkość do 45 kilometrów na godzinę.
Samochody hybrydowe są w stanie spełnić coraz ostrzejsze normy dotyczące emisji spalin, są tańsze w eksploatacji (chociaż cena ich zakupu jest wyższa od pojazdów tradycyjnych) i pozwalają wytwórcom samochodów... zaoferować klientom duże, energochłonne pojazdy.
Amerykańska ustawa Corporate Average Fuel Economy (CAFE) przewiduje, że wszystkie nowe pojazdy sprzedawane przez producenta, powinny zużywać średnio nie więcej niż 8,55 litra benzyny na 100 kilometrów. Oznacza to, że jeśli fabryka sprzeda 1 hybrydę, która pali 4 litry na 100 kilometrów, to będzie miała prawo sprzedaż trzy duże pojazdy, z których każdy pali około 12 litrów na 100 kilometrów.
Rynkowa oferta
Obecnie w Stanach Zjednoczonych, gdzie jeździ najwięcej pojazdów hybrydowych, można kupić hybrydy Hondy, Lexusa, Nissana, Saturna i Toyoty. Ich ceny wahają się od 22 175 USD (Toyota Prius) po 54 000 USD (Lexus GS 450h).
Najbardziej oszczędnym z tych pojazdów jest właśnie Toyota Prius, która w warunkach rzeczywistych przejechała na galonie (3,8 litra) benzyny aż 72 kilometry. Najgorzej w testach wypadł Lexus, któremu udało się przebyć na galonie trasę 37 kilometrów.
Perspektywy
Z badań przeprowadzonych przez firmę InteliChoice wynika, że po przejechaniu 112 500 kilometrów zwraca się różnica, którą wydajemy na zakup droższego hybrydowego pojazdu. Z kolei NEC i Nissan mają zamiar zastosować w hybrydach akumulatory litowo-jonowe zamiast niklowo-wodorkowo-metalowych. Zmniejszy to wagę pojazdów, zapewniając im jednocześnie więcej energii. To wpłynie pozytywnie na wszystkie charakterystyki samochodu.