Zbogom, nafta? (alternativna goriva in pogoni)

Katero gorivo bo v (bližnji? ) prihodnosti poganjalo naše avtomobile? Bo to vodik, biodizel ali kaj drugega? So hibridni avtomobili rešitev ali zgolj prehodna evolucijska stopnja v razvoju čistega avtomobila? Bodo čisti avtomobili rešili planet?

8. 1. 2008

Če boste vprašali povprečnega Slovenca (ali katerega drugega Evropejca) o glavnem krivcu za segrevanje Zemlje, se pravi za izpuste toplogrednih plinov, bo pokazal na avtomobile. Ti oziroma ves transport in z njim povezano pridobivanje fosilnih goriv so res pomemben krivec, še zdaleč pa ne največji.

Izpustom ogljikovega dioksida pripisujejo 72-odstotni delež med povzročitelji učinka tople grede. Po podatkih za leto 2000 so največ tega plina pridelale termoelektrarne, in sicer 21, 3 odstotka, industrijski procesi pa so prispevali še dodatnih 16, 8 odstotka plinov, skupaj torej kar 38, 1 odstotka. Na tretjem mestu so bile s 14 odstotki emisije iz transportnih goriv, kar znaša dobro tretjino toplogrednih plinov, ki jih proizvedejo termoelektrarne in industrijski procesi.

Toda ker je treba k temu prišteti še delež ogljikovega dioksida, ki nastane pri pridobivanju fosilnih goriv, in strah pred pospešeno motorizacijo razvijajočih se gigantov, kot sta Kitajska in Indija, je prav avtomobilska industrija tista, na katero v zadnjem času najbolj pritiskajo z zahtevami po zmanjšanih izpustih toplogrednih plinov. Podrobneje si oglejmo rešitve, ki bodo v prihodnosti vgrajene v prevozna sredstva in s katerimi naj bi prispevali k ohranitvi okolja, v katerem bodo živeli naši potomci.

Hibridni pogon

Zamisel o takih pogonih nikakor ni nova. Vendar pa je šele Toyotin tržni uspeh s prvim serijsko izdelanim hibridnim priusom vzbudil dovolj veliko pozornost javnosti in drugih avtomobilih proizvajalcev, da so tudi ti začeli resneje razmišljati o razvoju hibridnih sistemov. Danes obstaja že kar nekaj hibridnih avtomobilov, ki imajo tako v serijski kot prototipni različici enak cilj – zmanjševanje porabe goriva in posledično zmanjševanje emisije toplogrednih plinov.

Pri hibridni tehniki gre za povezavo običajnega motorja z notranjim izgorevanjem in elektromotorja. Slednji ima dve nalogi. Prva je, da pomaga motorju z notranjim zgorevanjem ali pa da povsem samostojno poganja vozilo. In druga, da deluje kot generator, ki proizvaja elektriko iz presežka kinetične energije bodisi motorja bodisi drugih pogonskih sklopov avtomobila.

Obstajata zaporedni in vzporedni tip hibridnega sistema. Pri prvem sta motor z notranjim zgorevanjem in elektromotor vezana zaporedno, torej tako, da motor vedno poganja električni generator, ta pa proizvaja električno energijo, ki jo pošilja bodisi neposredno v elektromotor bodisi posredno v akumulator, od koder se po potrebi napaja elektromotor in poganja avtomobil. Za ta tip je značilno, da motor z notranjim zgorevanjem običajno deluje v ozkem območju vrtljajev svoje največje učinkovitosti, tako da se njegove delovne okoliščine med vožnjo le malo spreminjajo.

Pri vzporednem tipu sta motor z notranjim zgorevanjem in elektromotor vezana vzporedno, kar pomeni, da lahko vozilo poganja eden ali drugi, lahko pa tudi oba hkrati. Tako se njuna pogonska moč sešteje (elektromotor se napaja iz akumulatorja, v katerem se shranjuje električna energija), kar poveča zmogljivosti avtomobila ob nespremenjeni porabi goriva. Posebnost tega sistema je, da je vgrajen le en elektromotor, ki opravlja tako funkcijo elektromotorja kot funkcijo generatorja električne energije.

Zaradi večjega izkoristka in večjih zmogljivosti se je za uporabo v avtomobilu bolje izkazal vzporedni tip, ki pa še ni dovolj dober hibridni pogon. Inženirji so namreč združili prednosti obeh sistemov v enega ter ga poimenovali mešani hibridni sistem. Njegova prednost je, da sistem glede na vozne okoliščine izbira med pogonom avtomobila izključno z motorjem z notranjim zgorevanjem, pogonom izključno z elektromotorjem ali pogonom s hkratnim delovanjem obeh motorjev. Pri tem je seveda glavno vodilo čim večji izkoristek in čim manjša poraba goriva.

Niti ne toliko slabost kot tehnično dejstvo je, da se hibridni avtomobili izkažejo predvsem pri mestnih vožnjah in pogostih ustavljanjih, ko pride do izraza možnost izklapljanja in ugašanja motorja z notranjim zgorevanjem, na primer pred semaforjem, kar seveda zmanjša porabo goriva.

Na odprtih cestah so ovira predvsem akumulatorji, ki so za zdaj še premalo zmogljivi, da bi zmogli daljše vožnje zgolj z električnim pogonom. Toyoti je sicer v zadnji generaciji priusa uspelo povečati uporabo izključno električnega pogona na razmeroma visoko raven, saj elektrika ne pomaga le pri zagonu bencinskega motorja, temveč je zmožna pognati vozilo tudi do hitrosti nekaj deset kilometrov na uro, preden priskoči na pomoč bencin, a do popolnega električnega hibridnega avtomobila je še dolga pot.

Hibridni tehniki pripisujejo strokovnjaki zaradi njenih glavnih omejitev oziroma pomanjkljivosti (zmogljivost akumulatorjev, pretežno opiranje na pogon z motorjem z notranjim zgorevanjem, prednost predvsem pri mestni vožnji, visoka cena) manjši pomen pri skrbi za zmanjševanje izpusta toplogrednih plinov, kot bi si želeli.

Gorivne celice

Veliko večji pomen pripisujejo tehniki gorivnih celic, katere glavna prednost je izkoristek. Ta je v primerjavi z motorjem z notranjim zgorevanjem večji tudi za več kot 60 odstotkov. To pomeni, da je od dva- do trikrat večji kot pri motorjih z notranjim zgorevanjem, katerih izkoristek znaša najmanj 15 do največ 30 odstotkov. Upoštevati moramo še, da morajo ti zadnji poganjati še številne pomožne agregate in črpalke, ki znižajo navedene vrednosti še za nekaj odstotkov.

Obstaja veliko vrst gorivnih celic, največ možnosti za končno uporabo v avtomobilih pa pripisujejo polimerni gorivni celici, ki jo označujejo s kratico PEMFC (Polymer Exchange Membrane Fuel Cell; protonsko prevodne polimerne membrane, imenujemo jih tudi trdne elektrolitske gorivne celice). Glede na velikost celice sta njeni odliki velika količina proizvedene energije in razmeroma nizka obratovalna temperatura (od 60 do 80 stopinj Celzija), kar celici med drugim omogoča tudi hitro doseganje ustreznih obratovalnih razmer.

Med delovanjem gorivne celice gorivo v njej ne zgoreva, temveč v njej potekajo elektrokemične reakcije, katerih stranska proizvoda sta le električni tok in voda oziroma vodna para. V gorivnih celicah se toplogredni plini torej ne tvorijo.

Na eni strani celice se dovaja vodik skozi posebne kanale na anodo, na drugi strani pa se na katodo dovaja kisik. Pri anodi pospeševalec reakcije (platina) povzroči razbitje vodika na pozitivni ion (proton) in negativni elektron. Polimerska elektrolitska membrana (PEM) dovoljuje prehod do katode le pozitivno nabitim ionom. Negativno nabiti elektroni pa morajo potovati do katode po zunaj celice sklenjenem vodniku, pri čimer nastaja električni tok. Na katodi se elektroni in pozitivno nabiti vodikovi ioni združijo s kisikom in tvorijo vodo, ki izteka iz celice kot stranski proizvod.

Kadar se gorivna celica napaja s čistim vodikom, je njen potencial pretvorbe vodika v elektriko kar 80-odstoten. Pridobljeno elektriko moramo nato pretvoriti v mehansko delo za pogon, ki se preoblikuje v ustrezno obliko v inverterju in elektromotorju, katerih skupni izkoristek je v povprečju približno 80-odstoten.

Upoštevajoč ta dva izkoristka pretvorbe kemično vezane energije vodika v mehansko delo za pogon, ugotovimo, da je izkoristek 64-odstoten. Kako realen je naš hitri teoretični izračun, pojasni Hondin podatek o izkoristku njihovega prototipnega FCX concepta, ki naj bi na opravljenih preizkusih zmogel pretvoriti kar 60 odstotkov energije, vezane na vodik, v pogonsko moč.

Za nazorno primerjavo med izkoristkoma avtomobila na gorivno celico in motorjem z notranjim zgorevanjem navajamo naslednje podatke. Ameriški General Motors, lastnik znamke Opel, je leta 2002, ob predstavitvi tretje generacije vozila na gorivne celice hydrogen3 (v karoserijo opel zafire so vgradili pogon na gorivne celice), posredoval podatke o primerjavi med hydrogenom3, napajanim z gorivnimi celicami, in primerljivo turbodizelsko gnano zafiro.

Porabo in učinkovitost so primerjali v skladu s standardom za merjenje porabe goriva vozil ECE. Rezultati so pokazali 36-odstotni izkoristek pri hydrogenu3 in le 22-odstotni pri turbodizelski zafiri. Seveda ne smemo pozabiti še na emisije ogljikovega dioksida – tega zafira sprosti 177 gramov na prevoženi kilometer, pri hydrogenu3 pa te emisije sploh ni.

Omeniti pa moramo seveda tudi nekatere glavne omejitve, ki gorivnim celicam ob današnjem stanju tehnike še ne omogočajo prodora v serijsko proizvodnjo in širšo uporabo. Prva je vsekakor cena. Cena izdelave namreč po nekaterih podatkih znaša celo 400 evrov na kilovat vgrajene moči. To pomeni, da bi recimo 50-kilovatni pogonski sistem z gorivno celico stal približno 20 tisoč evrov, enako močan motor z notranjim izgorevanjem pa stane le približno tri evrske tisočake.

Druga ovira je vzdržljivost in zanesljivost delovanja celic. Pogosti vklopi in izklopi pogonskega motorja, ki so značilni za vožnjo avtomobila, namreč škodujejo membranam PEM, saj te pri taki rabi čezmerno razpadajo. Kar nekaj razvojnih korakov bo treba napraviti tudi glede zanesljivosti delovanja pri temperaturah nad 100 in tudi pod 0 stopinj Celzija, ko se pojavi težava z zmrzovanjem vode, ki izstopa iz celic kot stranski proizvod.

Membrane PEM morajo biti za prevajanje vodikovih protonov vlažne, kar pomeni, da mora biti razvit tudi ustrezen sistem vlaženja membran. Trenutno je težava temperatura celic nad 80 stopinj Celzija, ko zadostno vlaženje membrane zagotavlja samo poseben visokotlačni vlažilni sistem.

Težava, ki se nanaša bolj na samo gorivo kot na pogonski sistem, pa je doseg vozila z eno polnitvijo posode za gorivo. Trenutno stanje tehnike namreč pozna dva glavna načina hrambe vodika. Prvi je shranjevanje v tekočem agregatnem stanju, v katerem je ohlajen na –253 °C in shranjen v vozilu v toplotno zelo izolirani posodi. Drugi pa je shranjevanje v plinastem stanju pod tlakom 350 ali 700 barov v ustrezno ojačenih tlačnih posodah.

Glede na večjo gostoto utekočinjenega vodika je razumljivo, da je v njej vezane več energije na enoto prostora kot v uplinjenem vodiku, posledica pa so tudi različni doseg vozil. Že omenjeni hydrogen3 ima na primer z eno polnitvijo v 'tekoči' različici (68 litrov oziroma 4, 6 kilograma vodika) doseg približno 400 kilometrov, v 700-barski 'plinasti' (77, 4 litra oziroma 3, 1 kilograma vodika) pa le 270 kilometrov.

Za širšo uporabo gorivnih celic je še nekaj ovir, a te so bolj povezane z vodikom kot gorivom, ne toliko z gorivnimi celicami kot alternativnim pogonskim sistemom (o tem lahko preberete v naslednjem članku).

Električni avtomobil

Doseg z eno polnitvijo je ena večjih težav tudi pri električnih avtomobilih. Žal pa ni to edina težava. Električni avtomobil se na prvi pogled res zdi najčistejša vrsta prevoznega sredstva, saj električni motor ne proizvaja nikakršnih emisij, toda resnica je (običajno) drugačna. Vprašanje je namreč, od kod prihaja elektrika, s katero napolnimo avtomobilske akumulatorje iz hišne vtičnice.

Če je njen vir sončna, vetrna, jedrska ali hidroelektrarna, potem drži, da z vožnjo električnega avtomobila ne proizvajamo toplogrednih plinov. Pri elektriki, ki jo proizvajajo termoelektrarne, pa se je treba zavedati, da so za vsako enoto električne energije v termoelektrarni 'skurjene' približno štiri enote fosilnih goriv.

Ko upoštevamo še ne stoodstotno pretvorbo električne energije v akumulatorjih v mehansko delo in izgube pri prenosu elektrike od elektrarne do hišne vtičnice, dobimo bistveno manjši izkoristek – le še približno 20 odstotkov tiste energije, ki je bila kemično vezana v gorivu, uporabljenem v termoelektrarni. Pri vrednotenju čistosti pogona električnih avtomobilov moramo upoštevati tudi akumulatorje, ki izpraznjeni in zavrženi zelo obremenijo okolje.

*** Iznajdba gorivne celine

Gorivno celico je že daljnega leta 1839 iznašel sir William Grove. Vedel je, da je vodo mogoče 'razbiti' na vodik in kisik tako, da skoznjo pošljemo električni tok (postopek, imenovan elektroliza). Predvideval je, da bi obrnjen postopek omogočal proizvodnjo elektrike in vode. Z eksperimenti s primitivno gorivno celico, ki jo je izdelal sam, je svoja predvidevanja potrdil. Čez 50 let sta znanstvenika Ludwig Mond in Charles Langer med poskusom izdelave praktičnega modela za proizvodnjo elektrike skovala izraz gorivna celica.

Peter Humar (vir: Geo)

Izbrali smo drugačen pristop. Ga boste podprli?
V nasprotju z ostalimi mediji smo se odločili, da svoje spletne vsebine ohranimo brezplačne za vse. V času, ko je sledenje aktualnim informacijam nujno, verjamemo, da si vsak od nas zasluži dostop do natančnega in celovitega pregleda vsebin. Poleg tega pa tudi neomejen dostop do kakovostnih lifestyle vsebin.
Vsak prispevek, velik ali majhen, je dragocen in ključnega pomena za našo uredniško neodvisnost.

Podpri in prispevaj

Na spletnih straneh Adria Media Ljubljana uporabljamo piškotke z namenom zagotavljanja spletne storitve, oglasnih sistemov in funkcionalnosti, ki jih brez njih ne bi mogli nuditi.

Z nadaljnjo uporabo spletnih mest soglašate z uporabo piškotkov.
Če piškotkov ne želite, jih lahko onemogočite v nastavitvah

zapri