HARMONY OF LIFE
BEZPŁATNY NEWSLETTER: 
     |      SZUKAJ NA PORTALU: 
Ecoeurope.eu     
CZŁOWIEK ŹRÓDŁEM DOBRAistota złaNowe Niebo i ZiemiaKonstytucja III TYSIĄCLECIADom.ecoeuropeHarmonia życia na co dzieńPolskiNarod.pl
BibliotekaUzdrowiska InnowacjePRZEBUDZENIE LUDZKOŚCIInstytut SzczęściaDar.ecoeuropeVideo.ecoeuropePolska
 
 
 

Paliwo przyszłości dla silników spalinowych

Portal ecoeurope.eu
R E K L A M A
R E K L A M A

Paliwo przyszłości dla silników spalinowych

 

„Zatankujemy” wodór?

 

 

dr inż. Janusz Jakóbiec, mgr inż. Grzegorz Wysopal,

Instytut Technologii Nafty w Krakowie

         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.

R E K L A M A


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 propan-butan, 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.

R E K L A M A


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) - rys. 1.

Tablica 1

Porównanie właściwości wodoru, benzyny i metanu jako paliw silnikowych

Lp.

Właściwość

Wodór

Benzyna

Metan

1.

Masa molekularna

2,02

91,40

16,03

2.

Ciepło spalania, MJ/kg

120,1

43,4

49,8

3.

Mieszanina stechiometryczna, masa powietrza/masa paliwa

34,3

14,5

17,4

4.

Skład stechiometryczny w powietrzu; % obj.

29,53

1,76

9,48

5.

Liczba oktanowa LOB

130

91¸100

110

6.

Granica zapalności w powietrzu; % obj.

4,0¸75

1,0¸7,6

5,3-15,0

7.

Minimalna energia zapłonu; mJ

0,02

0,24

0,29

8.

Temperatura zapłonu, K

858

501¸744

813

9.

Prędkość spalania w powietrzu w warunkach normalnych; m/s

0,265¸0,235

0,37¸0,43

0,37¸0,45

10.

Promieniowanie energii termicznej płomienia do otoczenia; %

17¸25

30¸42

23¸33

11.

Dyfuzyjność w powietrzu, cm2/s

0,63

0,08

0,20

12.

Odległość gaszenia w powietrzu w warunkach normalnych; cm

0,064

0,200

0,203

 

Rys. 1 Porównanie koncentracji energetycznej paliw

 

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.

 

 

Tablica 2

Wyniki emisji składników toksycznych z pojazdów zasilanych różnymi źródłami energii

Lp.

Paliwo

Emisja spalin [g/km]

CO

NOX

VOC

1

Wodór (z gazu ziemnego) - ogniwa paliwowe

0,17

0,48

0,17

2

Wodór (z metanolu) - ogniwa paliwowe

0,32

0,64

0,17

3

Wodór (z benzyny) - ogniwa paliwowe

0,32

0,32

0,32

4

Silnik SIDI

16,0

1,60

0,96

5

Pojazd hybrydowy z silnikiem SIDI

9,65

0,96

0,64

 

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. Parametry porównawcze układu paliwowego w przypadku zasilania w różny sposób magazynowanym wodorem oraz benzyną, zapewniające pojazdowi jednakowy zasięg, podano w tabl. 3.

 

Tablica 3

Parametry porównawcze układu paliwowego w przypadku zasilania w różny sposób magazynowanym wodorem

Lp.

Parametr

Benzyna

Wodór sprężony

Wodór skroplony

Wodorek MgH2

Wodorek FeTiH2

1

Masa paliwa, kg

53,5

13,4

13,4

181

744

2

Objętość paliwa, m3

0,07

1,0

0,19

0,2

0,14

3

Masa zbiornika, kg

13

1361

181

46

200

4

Objętość zbiornika, m3

0,08

1,53

0,28

0,23

0,16

5

Całkowita masa układu paliwowego, kg

66,5

1374,4

194,4

227

944

 

 

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.

 

 




   WASZYM ZDANIEM
Brak wypowiedzi
Dodaj nową wypowiedź:
Autor:
Treść:
Antyspam: 7+7=
Komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu ecoeurope.eu, ekoeurope.eu, ekoenergia.pl, ecoenergia.pl i portal nie ponosi odpowiedzialności za treść komentarzy. Przed wstawieniem komentarza, pisania EKO blogu, EKO dom.ekoenergia.pl lub korzystania z EKO czatu przeczytaj REGULAMIN FORUM DYSKUSYJNEGO/SPOŁECZNOŚCI. Naruszenia regulaminu można zgłaszać pod adresem: sekretariat@ecoeurope.eu
R E K L A M A
Polecamy: bzyk-car.pl  Monitor  Wolne  Niezależna  3obieg  Siec118  Db.org.pl  Pod prąd  Wolontariat  Davidicke  Alexjones  Infowars  DB  Centerko  VM  ic  eko-cel  prison  Thrive  T2  Pod  Wolna  N  
Współpraca | Reklama | Linki | Kontakt
dodaj do ulubionych   ustaw jako startową

Portal internetowy: wersja 3.40
Copyright © 2000 - 2018 Ekoenergia.pl - Ecoeurope.eu
Portal Eko : Odnawialne źródła energii
Made in Poland

Realizacja: e-solution © 2006

Portal firmy "Ecoeurope.eu" sp. z o.o. o domenach: ecoeurope.eu, ekoeurope.eu, ekoenergia.pl ,ecoenergia.pl i inne będące jego własnością nie ponosi żadnej odpowiedzialności wobec Użytkowników lub osób trzecich z tytułu szkód, zarówno bezpośrednich jak i pośrednich, w związku z wykorzystaniem danych i informacji zawartych na stronach Portalu i/lub Serwisów.