Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Vodíkový elektrobus – výhody hybridní koncepce autobusu

Technologie zítřka ve svém dětství
 |  10. 12. 2009
 |  Vesmír 88, 800, 2009/12

Ústav jaderného výzkumu Řež spolu s partnery projektu vyvinul moderní a vysoce účinný vůz s vodíkovými palivovými články jako hlavním zdrojem energie. Zvolená koncepce trojitě hybridního pohonu umožnila dosáhnout optimálních provozních parametrů při relativně malém instalovaném výkonu palivových článků. Několik testovacích jízd se standardním městským autobusem po městě Neratovice a přilehlém okolí poskytlo informace o výkonových potřebách autobusu v podmínkách plánovaného provozu. Výkonové prvky i strategie řízení hybridního pohonu jsou tak (s nadsázkou řečeno) ušity přímo na míru lokálním podmínkám provozu autobusu.

TriHyBus (zkratka z anglického Triple Hybrid Hydrogen Bus neboli trihybridní vodíkový autobus) je v prvním přiblížení elektrický vůz s primárním zdrojem elektrické energie v podobě vodíkového palivového článku. Při energeticky náročných režimech jízdy mu asistují elektrické baterie a ultrakapacitory. Systém také umožňuje rekuperaci1) brzdné energie, která vzniká například při dobrzďování nebo při jízdě z kopce. Autobus je brzděn elektricky přibližně do 60 % zdvihu brzdového pedálu a dále již běžnou pneumatickou brzdou. Strategie řízení energetických toků ze tří zdrojů je závislá na aktuální potřebě výkonu, stupni nabití akumulátorů a ultrakapacitorů i na aktuální rychlosti jízdy. Při vysokých rychlostech si autobus ponechává jistou rezervu v kapacitě akumulačních prvků, aby byl schopen pojmout energii vzniklou při brzdění. Při nízkém nabití akumulačních prvků je naopak výkon čerpán z palivového článku a dobíjí tak především trakční baterii. Při plných akumulačních kapacitách lze brzdit do odporníků umístěných na střeše vozidla.

Akumulační prvky tvoří trakční baterie typu Li-Ion, schopné akumulovat až asi 22 kWh a ultrakapacitory o úctyhodné kapacitě 18 F, 2 kWh. Hlavní rozdíl mezi trakční baterií a ultrakapacitory je v maximálním proudovém zatížení. Zatímco baterie je schopna dlouhodobě dodávat výkon přibližně 30 kW, ultrakapacitory jsou schopny poskytnout řádově vyšší výkon. Z provozních testů se ukazuje, že se kapacitory výrazně podílejí na akceleraci vozidla, kde po dobu několika sekund dodávají až 70 % celkového výkonu do trakčního motoru, podobně i energie z brzdění je z větší části směrována do kapacitorů. Baterie je využívána při dlouhodobě energeticky náročnějších režimech jízdy, jako je například jízda do kopce.

Autobus je vybaven třífázovým asynchronním motorem z produkce Škoda Electric. Otáčky motoru jsou řízeny pulzně šířkovou modulací; vzhledem k relativně nízké projektové maximální rychlosti autobusu bylo nutné využít uspořádání bez mechanické převodovky. Motor je umístěn v zadní části vozu, kde je standardně umístěn dieselový motor.

Palivový článek včetně vzduchového kompresoru a řídicí jednotky palivového článku jsou rovněž v zadní části vozu. Baterie jsou umístěny ve spodní části vozu, přibližně v jeho polovině, namísto naftové nádrže. Elektronika řídící pohon, tepelné výměníky chladicího okruhu palivového článku, ultrakapacitory i vodíkové tlakové kompozitní nádoby,2) to vše je umístěno na střeše vozidla.

Vodíková čerpací stanice

Vývoj a realizace čerpací stanice byly plně v kompetenci firmy Linde Gas. Vychází z koncepce, která je osvědčena lety provozu například v rámci projektu CUTE (Clean Urban Transport for Europe). Pro potřeby projektu byla upravena z hlediska skladovací kapacity i požadavku na četnost plnění.

Vodík se ve stanici skladuje v nízkotlakém velkoobjemovém zásobníku při maximálním přetlaku 40 barů v množství potřebném pro týdenní provoz autobusu (asi 125 kg).

Srdcem celé čerpací stanice je kompresorová stanice. V první části stanice se nachází zařízení pro stlačování vodíku a potrubní rozvody, v druhé elektroinstalace a hydraulika. Kompresorová stanice je zejména z bezpečnostních důvodů umístěna v samostatně stojícím betonovém kontejneru, který je chráněn proti výbuchu a současně také představuje ochranu okolí. Vodík je zde stlačován na tlak 300 barů (30 MPa) ve dvou stupních. Oba stupně kompresoru jsou hydraulicky poháněny a jejich plášť chlazen olejem, takže během komprese se teplota mění jen nepatrně. Vodík je ukládán ve dvou sekcích svazků tlakových lahví při tlaku 300 barů a třetí vysokotlaké sekci při tlaku 450 barů.

Před tankováním se nejprve změří počáteční tlak v nádrži vozidla a vzhledem k okolní teplotě a ohřátí plynu se dopočte požadovaný koncový tlak. Nádrž se plní postupně z obou zásobních sekcí, zbytek plnění se odehrává v režimu boosteru, kdy kompresor nasává plyn z vysokotlaké sekce při minimálním tlaku 150 barů. Proces plnění je automaticky ukončen, když koncový tlak dosáhne požadované hodnoty. Celková specifická spotřeba energie při plnicím tlaku 350 barů je asi 0,125 kWh na normální m3.

Čerpací stanice je vybavena dálkovým monitoringem

Na výdejním stojanu jsou dvě tankovací pistole s označením TK-16 a TK-25. Užší koncovku používají osobní automobily a také náš Tri-HyBus, širší koncovkou je vybavena většina ostatních vodíkových autobusů. Čerpací stanice tak bude schopna uspokojit všechna stávající vodíková vozidla. Bude sloužit pro potřeby provozu autobusu, je však přístupná i dalším případným zájemcům. Doba čerpání je přibližně 8 minut pro 350 barů, 20 kg H2.

Poznámky

1) Rekuperace — proces přeměny kinetické energie dopravního prostředku zpět na využitelnou elektrickou energii při elektrodynamickém brzdění. Tato energie se buď ukládá do akumulátorů (ultrakapacitorů) přímo v dopravním prostředku, nebo se vrací do napájecí soustavy (na rozdíl od elektrodynamického brzdění bez rekuperace, kdy se získaná energie maří v odpornících).

2) Kompozitní materiály – materiály složené ze dvou nebo více složek s rozdílnými vlastnostmi, které materiálu dávají vlastnosti, jež žádná z jeho složek nemá. V daném případě byly tlakové lahve vyrobeny z uhlíkových kompozitů, jež vynikají pevností a nízkou hmotností.

Autobus má dojezd 250–300 km, což při množství vodíku 20 kg znamená spotřebu 7–8 kg H2/100 km, což je přepočteno na energii zhruba úspora 35 % oproti dieselovému pohonu (počítáno se spotřebou 32 l/100 km).

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika

O autorech

Aleš Doucek

Luděk Janík

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné