50
Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 1 ELEKTRIČNI AUTOMOBIL realnost ili utopija? (10 godina poslije, 2008-2018) dr.sc. Darko Vyroubal, prof. V.Š. Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje Veleučilište u Karlovcu, Udruga „Nikola Tesla”

ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 1

ELEKTRIČNI AUTOMOBIL

realnost ili utopija?

(10 godina poslije, 2008-2018)

dr.sc. Darko Vyroubal, prof. V.Š.

Veleučilište u Karlovcu

Javno predavanje

Veleučilište u Karlovcu, Udruga „Nikola Tesla”

Page 2: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2

Nova ideja ? – Evo malo povijesti 1832-1839 Robert Anderson

prva baterijska kočija (automobil !?!).

1899 Thomas Alva Edison pokušava, pa odustaje (Slika 2a)

u međuvremenu, mnogo pokušaja,

ratovi, naftne krize, interesi krupnog kapitala i automobilske

industrije, prljava politika ...

1988 G.M. misli ozbiljno (?) s EV1, ali odustaje (?) 2003. (Slika 2b)

Sl.2a Edisonov automobil

Sl. 2b G.M. uništava EV1

Page 3: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 3

Zašto električni automobil ? • Zalihe nafte se

iscrpljuju (možda još

oko 50 godina)

• Zagađenje zraka

postaje nepodnošljivo

• Raste koncentracija

stakleničkih plinova

(CO2 , NOx)

Sl.3 “Sunčani” dan u New Yorku

Page 4: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 4

Zašto električni automobil ?

• Raste globalno zagrijavanje

• Bez obzira na metodu proračuna, projekcija predviđa prosječno povećanje temperature za 2-5 ºC do kraja 21. stoljeća

• Ako tako nastavimo, uništiti ćemo Zemlju (topljenje leda, porast razine mora, oluje...)!

Sl. 4 Projekcija globalnog zagrijavanja

Page 5: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

„Istina, cijela istina, ništa osim

istine ...” • Al Gore je 90’ godina

dizao „uzbunu” gornjim

grafikonom, a istina je

drugačija.

• Kroz povijest je

temperatura Zemlje

drastično oscilirala!

• Uzroci su različiti, ali

najviše varijacija Zemljine

orbite i erupcije vulkana.

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 5

Sl.5 Varijacija temperature Zemlje

u posljednjih 1000 godina.

Page 6: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

Temperatura Zemlje u

posljednjih 4500 godina

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 6

Sl.6 Kolebanje temperature Zemlje u posljednjih 4500 god.

Page 7: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 7

“Čisti” električni automobil

Pogon Elektronika Spremnik

energije

Akumulator

“Ultra”

kondenzator

Nadzorno

računalo

Pretvarač

Električni

motor(i)

Izvor

električne

energije

Sl.7 “Čisti” električni automobil firme “Tesla Motors” model 2007

Page 8: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 8

Elektromotor – skoro idealno!

• Jednostavna, robusna i provjerena konstrukcija

• Reverzibilnost – pogon i kočnica istovremeno!

• Izvrsna regulacija – mjenjač i diferencijal više nisu potrebni!

• Pogodan za ugradnju direktno u kotač – “pogon na sva četiri”

• Efikasnost ~ 90% Sl.8 Ugradnja elektromotora u kotač

Page 9: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 9

Elektronika – skoro idealno!

• Provjerena, razvijena i jeftina tehnologija

• Jednostavna promjena funkcija izmjenom “software-a”

• Upravlja tokom energije – iz spremnika energije (akumulator, “ultra” kondenzator) prema motoru u vožnji, te nazad u spremnik pri kočenju! Sl.9 Tipični modul auto-elektronike

Page 10: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 10

Akumulator – počinju problemi!

Sl.10 Usporedba benzina i akumulatora raznih tehnologija

Benzin 12300 Wh/kg (44,4 MJ/kg) – 65 puta više od najboljeg akumulatora!

Page 11: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 11

Ograničenja akumulatora (2008) Karakteristika Olovni NiMH, NiCd Li-Ion

Životni vijek 3-5 godina 2-3 godine 2-3 godine

Punjenje 5 sati 2 sata 45 min

Pražnjenje <5 C [Ah]xh <10 C [Ah]xh <10 C [Ah]xh

Energija (Wh/kg) 50-60 60-85 150-200

Snaga (W/kg) 70-150 150-200 300-1500

Ciklusa 500-800 500-1000 1200

Održavanje Voda Nema Nema

Sigurnost H2, požar! T>120°C, požar! T>130°C, požar!

Ekologija Olovo, H2SO4 Teški metali Skoro “zelen”

Page 12: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 12

Građa Li-Ion akumulatora

Sl.12 Građa Li-ion akumulatora

Separator

Anoda

Katoda

Katodni spoj

Anodni spoj Donji izolator

PTC Ventil Brtva Kapa

(pozitvni pol)

Gornji izolator

Kućište

(negativni pol)

•Anoda – grafit, TiS2

•Katoda – složeni oksid (LiFePO4 kod automobilskih akumulatora)

•Između anode i katode mehanički separator od izolatora, propustan za Li+ ione (mrežica)

•Sve u gel elektrolitu

Page 13: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 13

Kako radi Li-Ion akumulator ?

• Punjenje – Li+ ioni se izvlače iz katode i ugrađuju u anodu

• Pražnjenje – Li+ ioni se izvlače iz anode i vraćaju u katodu

ANODA ANODA

KATODA KATODA SEPARATOR SEPARATOR

ELEKTROLIT: POLIMERNI GEL

IZVOR

ELEKTROLIT: POLIMERNI GEL

TERET

STRUJA STRUJA ELEKTRONI

ELEKTRONI

PUNJENJE PRAŽNJENJE

Sl.13 Procesi u Li-Ion akumulatoru

Page 14: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 14

Nova “nano-zvijezda” na nebu • “Altairnano” akumulator na

bazi nano-titanata (Li4Ti5O12)

• Brzo punjenje – do 85% za 1 minutu!

• Vijek 20 godina s 15000 ciklusa punjenja/pražnjenja

• Velika snaga – 4 kW/kg

• Temperatura -50°C do +75°C

• Siguran do +250°C

• Potpuno “zelen” – nema otrova

• Ali, specifična energija još je 130 puta manja od benzina!

Sl.14 Nano-kuglice titanata, promjer 40 nm, efektivna površina 100m2 /g !!!

Page 15: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

Li-Ion akumulatori (2018)

Sl.15 Karakteristike Li-Ion akumulatora

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 15

Materijal LiFePO4 LiMn2O4 LiCoO2 Li(NixCoyMnz)O2

Napon ćelije 3,4 V 3,8 V 3,7 V 3,6 V

Energija

(Wh/kg) 442-476 380-456 499-555 576-792

Ciklusa 2000-5000 500-2000 500-1000 800-2000

Sigurnost izvrsna dobra slaba slaba

Cijena

(1000$/toni) 7,7-14,7 4,4-8,8 50-57 22-29

Page 16: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

Sigurnost Li-Ion akumulatora

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 16

• Temperaturno

područje usko za

automobile (-30°C -

+55°C)

• Broj slučajeva

požara stalno raste

(automobili, avioni

mobiteli, računala)

• Uzrok često

nejasan!

Sl.16 Dijagram sigurnog područja rada Li-Ion akumulatora

Page 17: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

Stanje/napredak akumulatora

(tipični automobili 2018) Parametar Nissan Leaf Renault ZOE BMW i3 Tesla S

Energija (kWh) 30 42 33 99

Težina (kg) 294 300 280 690

Energija (Wh/kg) 102 142 219 143

Hlađenje prirodno

zračno

prisilno

zračno

prisilno

vodeno

prisilno

vodeno

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 17

• Gustoća energije (Wh/kg) se gotovo nije promijenila od

2008, čak je iz raznih praktičnih razloga i nešto manja!

• „Altairnano” je svoje specifikacije UMANJIO 4-5 puta!

• Akumulator čini 1/3 do 1/2 težine vozila!

Page 18: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 18

Kondenzatorski spremnik energije

Sl.18 Građa kondenzatora

Negativna elektroda

Izolator

Pozitivna elektroda

•Jednostavna konstrukcija – dvije (metalne) elektrode, između izolator

•Kapacitet kondenzatora – proporcionalan veličini (površini) elektroda, a obrnuto proporcionalan razmaku

•Spremljena energija proporcionalna kapacitetu, ali i kvadratu napona ! (W=CxU2/2)

Page 19: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 19

Princip “ultra” kondenzatora

• Povećanje kapaciteta

- povećanjem površine

ili smanjenjem

razmaka elektroda, ali

i povećanjem napona!

• Povećanje napona

traži veći razmak

• Rješenje – povećanje

površine!

Separator

Elektrolit

Ugljikova

nano-cijev

Sl.19 Princip “ultra” kondenzatora

Page 20: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 20

Građa „ultra” kondenzatora

Sl.20 “Vlati” (nano-cijevi) ugljika u “ultra” kondenzatoru

• Elektrode – “vlati” (nano-cijevi) ugljika, velika aktivna površina za određeni volumen

• Elektrolit – vodljiva želatina, nije kritičan!

• Separator – sprečava dodir elektroda, a propušta ione (fina mrežica)

• Ključ je nano tehnologija!

Page 21: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 21

Usporedba spremnika energije

• Kondenzatori – velika

snaga, ali mala energija

• “Ultra” kondenzatori – velika

snaga i povećana energija

• Akumulatori – velika

energija, mala snaga

• Gorive ćelije (o njima

kasnije) – još veća energija,

ali još manja snaga

• Kontradiktorne mogućnosti! Sl.21 Usporedba spremnika energije

Page 22: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 22

Dodatni problemi – punjenje!

• Potrebna nova infrastruktura – stanice za punjenje!

• Rukovanje mora biti sigurno i jednostavno

• Za brzo punjenje potrebna ogromna električna snaga!

• Punjenje “preko noći” pogodno samo za neke korisnike

Sl.22 Punjenje električnog automobila

Page 23: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 23

“Čisti” elektro-auto, zaključak

• Elektromotor – idealan pogon, dobra regulacija, dobra iskoristivost, reverzibilnost toka energije, nije potreban mjenjač i diferencijal!

• Elektronika – jeftina, razvijena tehnologija, lako prilagodljiva specifičnoj primjeni (software)

• Spremnik energije – trenutno ne postoji tehnologija koja daje veliku specifičnu energiju i istovremeno veliku specifičnu snagu, još uvijek oko 100 puta slabije od benzina!

• Potrebna nova infrastruktura za punjenje!

Page 24: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 24

“Klasični” hibridni automobil • Klasični motor puni

akumulator u vožnji

• Akumulator napaja elektromotor

• Po potrebi oba motora rade istovremeno

• Klasični motor radi u skoro optimalnom režimu – bolja iskoristivost i manje zagađenje

• Skupa i komplicirana izvedba!

Inverter, punjač, elektronika, prijenos

Utikač Benzinski ili diesel-motor

Akumulator

Energetski kabel

Sl.24 Struktura hibridnog automobila

Elektromotor

Page 25: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 25

“Klasični” hibridni automobil

Kemijska

energija

goriva Mehanička

energija

(klasični motor) Električna

energija

(akumulator) Mehanička

energija

(elektromotor)

Trostruka pretvorba energije – mala iskoristivost!

Gubitak prve pretvorbe

Gubitak druge pretvorbe

Gubitak treće pretvorbe

Page 26: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 26

“Klasični” hibridni automobil

Prednosti

• Klasični motor radi u

boljem režimu – bolja

iskoristivost

• Klasični motor ne radi

uvijek (gradski promet)

• Upotreba plinske turbine

– veća snaga iz manjeg

stroja, bolja iskoristivost

Mane

• Koristi fosilna goriva

• Komplicirana konstrukcija (mjenjač, diferencijal)

• Dodatna težina (akumulator, elektromotor)

• Dodatna cijena (elektronika, elektromotor, akumulator)

• Trostruka pretvorba energije

Rezultat je neriješen – koliko prednosti, toliko mana!

Page 27: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 27

“Novi” hibridni automobil

Sl.27 “Honda 2005 FCX” – hibridni automobil sa gorivim ćelijama i pogonom na vodik

Spremnici vodika Gorive

ćelije

“Ultra” kondenzatori

Pogonska grupa

(elektromotor i elektronika)

Hladnjak gorivih ćelija

Ovlaživač gorivih ćelija

Page 28: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 28

Gorive ćelije - “novi” izvor energije

• Princip otkriven 1839

• Prve komercijalne ćelije 1955 (Grubb-Niedrach)

• NASA ih koristi od 1959 uspješno sve do 1971 (Apolo13 – “Houston, we have had a problem”), ali i dalje nastavlja s primjenom

• Danas masovna primjena (vozila, vojska, svemirski program ...)

Sl.28 Izgled tipične automobilske gorive ćelije

Page 29: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 29

Tipovi gorivih ćelija

Vodikova s alkalijskom membranom

Vodikova s PEM membranom

Metanol goriva ćelija (direktna)

Vodikova s fosfornom kiselinom

Vodikova s tekućim polikarbonatom

Vodikova s krutim oksidom

“Hladne” ćelije 20-100 ºC

“Vruće” ćelije 200-1000 ºC

Gorivo

Anoda

Elektrolit Katoda

Kisik (iz zraka)

Otpadne tvari na katodi (H2O ili CO2)

Otpadne tvari na anodi (H2O ili CO2)

Page 30: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 30

Vodikova PEM goriva ćelija • Polimerna (PEM) membrana

(elektrolit) zadržava elektrone na anodi, a propušta ione vodika (goriva) prema katodi

• Ioni se na katodi neutraliziraju oksidantom (kisik iz zraka)

• Reakcija (H2 ćelija): 2H2+O2=2H2O+toplina+ električna energija

• Reakcija je potpuno“zelena” – nusprodukt je voda, ali i toplina!

• Troši vodik, ali i kisik iz zraka! Sl.30 Struktura H2 gorive ćelije

Višak goriva

Dovod goriva

Anoda

Elektrolit

Katoda

Ulaz zraka

Izlaz vode

Tok električne struje

Page 31: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 31

Vodikova PEM goriva ćelija

• Cijena: 1000 $/kW

• Cijena PEM (Proton

Exchange Membrane)

membrane: 10-400 $/m2

• Vijek ćelije: 5000 sati

• Efikasnost ćelije: 40-50%

• Efikasnost automobila

(spremnik-kotač): 36%

(za najbolji današnji diesel

automobil: 22%)

Sl.31 Automobilska PEM vodikova goriva ćelija snage 13 kW

Page 32: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 32

Problemi s vodikom - zapaljivost • Vodik je idealno gorivo

(čisto sagorijevanje - voda)

• Proizvodi se iz vode (elektroliza - troši se električna energija!)

• Izuzetno zapaljiv!

• Katastrofa “Hindenburga” za dugo odgodila primjenu vodika do “Apolo” programa

• Potrebna posebna tehnologija proizvodnje, transporta i manipulacije

Sl.32 Katastrofa dirižabla “Hindenburg” (1938) punjenog vodikom

Page 33: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 33

Problemi s vodikom - spremnik • Vodik ima veliku masenu specifičnu energiju (Wh/kg), ali

malu volumnu (Wh/L) – potrebno tlačenje vodika

• Tlak u spremniku 250-300 bar! Vrlo opasno!

• Metalni spremnici zbog vodika postaju krti i lomljivi, pojava pukotina (tzv. “napad vodika”)

• Spojevi i ventili pod vrlo visokim tlakom – moguće propuštanje vodika, vrlo velika opasnost eksplozije! (vožnja na bombi!)

• Spremnik tekućeg vodika – velika gustoća energije (Wh/kg), ali temperatura –253 ºC! Potrebno hlađenje i toplinska izolacija, vrlo skupo i složeno

Page 34: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 34

Problemi s vodikom - infrastruktura

• Postojeća infrastruktura za punjenje tekućim gorivom ne odgovara – ogromni trošak za uvođenje novog sustava

• Potrebna nova infrastruktura za punjenje vodikom u tekućem ili plinovitom stanju – zahtjevni tehnološki zahvati

• Potrebne znatno strože sigurnosne mjere – tehnički izazov!

Page 35: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 35

Zašto baš vodik? • Vodik ima oko tri puta

veću masenu specifičnu energiju od klasičnih fosilnih goriva (nafta, diesel, benzin, propan ...)

• Vodik sagorijeva čisto (nusprodukt je voda!)

• Rezerve vodika su “neograničene” (voda u oceanima)

• Unatoč problemima – rješenje je ipak vodik!

Sl.35 Usporedba specifične energije različitih goriva

Vo

dik

Me

tan

Pro

pan

Na

fta

Be

nzin

Die

se

l

Bio

die

sel

Ug

ljen

Alk

oh

ol

Drv

o

Specifična energija MJ/kg

0 2

0 4

0 6

0 8

0 1

00

12

0 1

40

16

0

Page 36: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 36

Usporedba “čistog” i “hibridnog”

električnog automobila

• “Čisti” električni automobil je skoro četiri puta energetski efikasniji od “hibridnog” s vodikovom gorivom ćelijom

• Problemi izvedbe i infrastrukture su podjednako teški i skupi!

Električna mreža

Efikasnost od mreže do elektro-motora 25%

Efikasnost od mreže do elektro-motora 86%

Elektronika

efikasnost 93%

Li-Ion akumulator

efikasnost 93%

Elektroliza vode

efikasnost 70%

Kompresor vodika

efikasnost 90%

H2 goriva ćelija

efikasnost 40%

“Čisti” (direktni) električni automobil

Proizvodnja vodika “Hibridni” električni automobil

Page 37: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 37

Ponuda na tržištu

• Karakteristike automobila raznih tehnologija uglavnom slijede krivulju na slici

• Vrijedi “velika snaga – velika potrošnja” kao i “štedljiva vožnja – mala snaga” (fizika je neumoljiva!)

• Od trenda znatno odstupa “Tesla Roadster” (ali to je ipak samo mali lagani dvosjed!)

• Kako dalje?

Page 38: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 38

On se ne boji uvesti ZERB! • ZERB (Zero Emission

Regulatory Board) - tijelo države Kalifornije koje nadgleda uvođenje “čistih” automobila do 2025.

• Podupiru se sve tehnologije (napredne standardne, električne, hibridne, “egzotične”...).

• Sve je podložno čistom zraku bez obzira na otpor industrije i politike!

Sl.38 Arnold Schwarzenegger (“Terminator”), guverner Kalifornije je odlučan u borbi za čisti zrak bez obzira na tehničke teškoće i razne otpore politike i industrije

Page 39: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 39

Ne ide lako, ali Arnie je odlučan!

Iniciranje programa

Prvo popuštanje

Opet popuštanje Močni tuži!

Podupire se prvi hibrid (Toyota Prius)

Obustavlja se potpora “čistim” električnim

automobilima, potpora samo gorivim ćelijama

GM uništava EV1 prvi “čisti” električni automobil

“Čisti” električni automobil se ponovno rađa! (“Tesla Motors”)

2500 vozila s

gorivim

ćelijama

do 2009

25000 vozila

s gorivim

ćelijama do 2012

Page 40: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 40

Znamo li cijelu istinu?

• Mnoga “egzotična” alternativna rješenja nisu

dobila odgovarajući publicitet.

• Snažni lobby automobilske i naftne industrije

nadzire dostupnost informacija.

• Bez obzira na vrstu, uspješnost alternativnog

rješenja znači smrt klasične automobilske

industrije i prateće infrastrukture – urota?

• Da vidimo što se još nudi...

Page 41: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 41

Što to tamo gori?

• Vjerovali ili ne – morska voda gori !!!

• John Kanzius (2007) pobudio morsku vodu elektromagnetskim impulsima – izazvao izdvajanje vodika (gorivo!)

• Za sada efikasnost samo 76% (potrebno više elektromagnetske energije nego što se dobije energije vodika) – razvoj?

Sl.41 Originalna fotografija prvog eksperimenta sagorijevanja morske vode (izdvojenog vodika)

Page 42: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 42

Aluminijski akumulator

• Aluminijska baterija postoji već dugo, ali i problemi: ne može se puniti, već obnoviti zamjenom Al-elektroda, taloži se “blato” (Al-hidroksid) koje treba odstraniti i reciklirati.

• Rainer Partanen 1989 osniva tvrtku “Europositron”, skuplja investitore i tvrdi da će do 2010 imati Al-akumulator (s mogućnošću punjenja!) za automobil, baziran na srednjoškolskoj kemiji (ne otkriva detalje!): 80 kWh/40 lit./60 kg, 2100 Wh/lit., 1330 Wh/kg, 3000 ciklusa punjenja/pražnjenja, –40ºC <T< +70ºC, vijek 10-30 godina.

• Počinju “zločesti” napisi u novinama, tužbe za prijevaru – obična prijevara ili urota automobilske industrije?

Page 43: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 43

“Zebra” baterija

• Izumljena u Južnoj Africi (otuda ime “Zebra”).

• Ni – pozitivna elektroda, rastaljeni Na – negativna elekroda, rastaljeni NaAlCl4 elektrolit (obična kuhinjska sol s dodatkom alumunija).

• Radna temperatura 400-700ºC (mora se prvo zagrijati).

• Za sada se uspješno koristi kao velika back-up baterija (UPS) u elektroenergetskim sustavima – Anchorage, Alaska; Cupertino, Claifornia; Japan itd.

• 1985 razvijena Na-NiCl2 baterija manje snage (pogodna i za automobile) za napajanje raketa (neaktivna do

lansiranja, aktivira se toplinom raketnih plinova).

Page 44: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 44

Vodena baterija!

• Laki metali (Aluminij, Litij, Natrij, Bor) sagorijevaju u vodi

• Bor je izuzetno teško zapaljiv u zraku, te je neotrovan, kao i njegovi produkti sagorijevanja u vodi.

• University of Minnesota i Weizmann institut iz Izraela razvijaju automobilsku bateriju (prototip se očekuje 2009): 18 kg bora + 45 litara vode = 5 kg vodika = 40 lit. benzina.

• Proizvodnja vodika se regulira protokom vode preko bora u prahu – “vodik na zahtjev”, ne treba spremnik vodika!

• Nusprodukt je borov oksid koji je neotrovan i može se lako elektrolizom reciklirati nazad u bor.

• Punjenje baterije vodom, zamjena istrošenog bora.

Page 45: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 45

Nuklearna baterija • Nuklearna baterija bazirana na b-raspadu nuklearnih

izotopa koristi se već preko 40 godina u “deep space” svemirskom programu (letjelice lansirane izvan zemljine orbite – nema opasnosti od pada na zemlju!).

b-zrake su elektroni koji se skupljaju na negativnom polu baterije, a preko strujnog kruga se vraćaju na pozitivni pol.

• Vijek baterije može biti više desetaka do stotina godina, zavisno o vremenu raspada nuklearnog materijala.

• Nove generacije su posve sigurne – nuklearna reakcija je neaktivna sve dok ne počne izvlačenje struje iz baterije!

• Strah od nuklearne energije (Hirošima, Černobil, terorizam) za sada ne dozvoljava široku primjenu u automobilima.

Page 46: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 46

“Heretička” fizika

• Razne “heretičke” teorije nude “rog izobilja”:

- “hladna” fuzija (dokazano nije fuzija, ali što je?)

- “hydrino” teorija “malog vodika” (Randell Mills)

- “free energy” praznog prostora (čista fantazija ?)

• Službena fizika ih za sada ne priznaje, ali za neke nema

čvrstog dokaza o pogrešnim pretpostavkama, a nema ni

objašnjenja za rezultate nekih eksperimenata koje

pokušava objasniti “heretička” fizika.

• Sjetimo se da su sve nove ideje uvijek u početku bile

“heretičke”. Tko zna što nosi budućnost ?

Page 47: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

Alternativna rješenja (2018)

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 47

• Voda koja gori – John Kanzius umro 2009. Nema

informacija o nastavku istraživanja.

• Aluminijski akumulator – „Europositron” samo izdaje

dionice, još nema prototipa, suđenje Raineru Partanenu.

• „Zebra” baterija – proizvodi tvrtka MES-DEA, nejasne

specifikacije i primjena, ne spominje se električni auto.

• Vodena baterija – nema novih podataka.

• „Hydrino” – tvrtka postoji, nema proizvod već samo

(neprovjerenu) teoriju koju nudi investitorima.

• Hladna fuzija i „Free Energy” – i dalje mašta nepriznata

od egzaktne fizike.

Page 48: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

Je li električni automobil „zelen”?

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 48

Sl.48 Troškovi proizvodnje i eksploatacije automobila s raznim pogonom

• Struju za punjenje treba

proizvesti (ugljen, nafta,

vjetar, sunce, nuklearke)

• Materijali za električni

auto su skupi ili rijetki

(aluminij za šasiju,

neodymium za magnete

elektromotora, bakar za

električne dijelove,

kemikalije za baterije)

• Troškovi recikliranja

Page 49: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 49

I, konačno - realnost ili utopija ?

• Na osnovu svega iznesenog ne mogu zaključiti je li električni automobil “bliska realnost” ili tek “vrlo daleka realnost”, tj. praktički utopija.

• Nedvojbeno je da će prijelaz na novu vrstu pogona biti nezamislivo skup.

• Automobilska industrija i naftni lobby će do zadnjeg mogućeg trenutka odgađati promjene.

• Ogromna sredstva se ulažu kako u unapređenje klasične tehnologije, tako i u nova rješenja.

• Osim “službenih” novih rješenja ima i mnogo alternativnih.

• Vjerujem da se nešto ipak “iza brda valja” !!!

Page 50: ELEKTRIČNI AUTOMOBIL - bib.irb.hr · Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje 10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 2 Nova ideja ? – Evo malo

Veleučilište u Karlovcu Javno predavanje

10.5.2018. D. Vyroubal: Električni automobil - realnost ili utopija? Sl. 50

Zaključak (2018. kao i 2008. !)

• Vozači starije generacije gotovo sigurno neće voziti “električni” automobil !!!

• Vozači mlađe generacije će vjerojatno ipak voziti neku verziju “električnog” automobila.

• Naši unuci će gotovo sigurno voziti “električni automobil”, a možda i neku sasvim drugu vrstu !!!

• Preporuka: Vozimo polako i pažljivo, skromnim osobnim doprinosom ćemo smanjiti zagađenje i možda spasiti planet za našu djecu i unuke !!!