ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 63 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΙΝΗΣΗ ΤΩΝ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Δελλής Πολυχρόνης PhD, DIC, Eur Ing, CENG, MIMECHE, Διπλωματούχος Μηχανολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, Επιστημονικός Συνεργάτης Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε. Ρέτζιος Ευάγγελος Πτυχιούχος Μηχανολόγος Μηχανικός Τεχνολογικής Εκπαίδευσης, Εκπαιδευτικός Μηχανολογίας (Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε.) ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα δημοσίευση παρουσιάζονται κάποιες από τις νέες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται ή πρόκειται να χρησιμοποιηθούν στο κοντινό μέλλον στην αυτοκίνηση. Οι τεχνολογίες αυτές στοχεύουν κυρίως σε δύο παράγοντες: α) τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων από τα οχήματα, καθώς και την εναρμόνιση των αυτοκινητοβιομηχανιών, με τους κανόνες της Ευρωπαϊκής Ένωσης περί εκπεμπόμενων ρύπων β) την εξοικονόμηση ενέργειας, με χρήση συστημάτων, τα οποία θα εκμεταλλεύονται κυρίως τη θερμότητα που αποβάλλεται από μία Μ.Ε.Κ. Αρχικά, παρουσιάζεται η υβριδική τεχνολογία, η χρήση της οποίας παρουσιάζει σημαντική μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, καθώς επίσης εξοικονομείται ένα σημαντικό ποσό ενέργειας η οποία χρησιμοποιείται ως πηγή για την κίνηση του οχήματος. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στο υδρογόνο και τα βιοκαύσιμα. Με τη χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο σε μία Μ.Ε.Κ παρατηρείται αύξηση της απόδοσης του κινητήρα

64 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ με σχεδόν μηδενικούς ρύπους. Όσον αφορά στη χρήση βιοκαυσίμων ως καύσιμο σε μία Μ.Ε.Κ, παρουσιάζεται μείωση του CO 2 και γενικότερα των αερίων ρύπων 2-5%. Μία άλλη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε πειραματικό στάδιο για εξοικονόμηση ενέργειας, εκμεταλλευόμενη την αποβαλλόμενη θερμότητα της Μ.Ε.Κ, είναι το σύστημα συνδυασμένου κύκλου το οποίο σε συνδυασμό με τη λειτουργία του υπόλοιπου συστήματος παραγωγής και μετάδοσης της ισχύος, αυξάνει τη συνολική ισχύ του οχήματος έως και 15%. Επίσης, η χρήση της τεχνολογίας HCCI μειώνει σημαντικά τις εκπομπές οξειδίων του αζώτου από τον κινητήρα, παρέχει οικονομία καυσίμου έως 15% και αυξάνει την απόδοση του κινητήρα. Η χρήση των κυψελών καυσίμου στην αυτοκίνηση επιφέρει σημαντική μείωση στους ρύπους, αλλά και 5-15% μεγαλύτερη απόδοση σε σχέση με τις Μ.Ε.Κ. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία κατασκευής των κινητήρων εσωτερικής καύσης, σε συνδυασμό με εκείνη των παρελκόμενων διατάξεων και συστημάτων τους (καταλυτικοί μετατροπείς, διάφορες ηλεκτρονικές διατάξεις για διαχείριση της καύσης κλπ), έχουν επιφέρει σημαντική βελτίωση στο μεγάλο πρόβλημα της ρύπανσης του περιβάλλοντος και σε εκείνο της παραγωγής αερίων του θερμοκηπίου, τα ευεργετικά αποτελέσματα της οποίας ακυρώνονται σε μεγάλο βαθμό, λόγω της ταχύτατης αύξησης του αριθμού των οχημάτων που κυκλοφορούν, της κακής διαχείρισης της κυκλοφορίας τους στις πόλεις και από το γεγονός της αδυναμίας του αποτελεσματικού ελέγχου της συντήρησης των κινητήρων παλαιότερης τεχνολογίας και των συναφών συστημάτων. Στην παρούσα δημοσίευση γίνεται μια ανασκόπηση των νέων τεχνολογιών που εφαρμόζονται ή πρόκειται να εφαρμοστούν στον τομέα της αυτοκίνησης. Παρουσιάζονται τεχνικές που ήδη έχουν αρχίσει να εφαρμόζονται. όπως η υβριδική τεχνολογία, και τεχνικές που πρόκειται να εφαρμοστούν, όπως τα εναλλακτικά καύσιμα, οι κυψέλες καυσίμου, καθώς και καινοτομίες που συμβάλλουν στην μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης για την κίνηση των οχημάτων, αλλά και στην καλύτερη διαχείριση της προσδιδόμενης ενέργειας.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 65 2 ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ Μία από τις τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν και αρχίζουν πλέον να παράγονται μαζικά είναι η υβριδική τεχνολογία στα αυτοκίνητα (υβριδικά οχήματα). Με τον όρο «υβριδικό όχημα» εννοούμε το όχημα που χρησιμοποιεί δύο διαφορετικά κινητήρια συστήματα για την κίνηση του. Το ένα κινητήριο σύστημα είναι μία Μ.Ε.Κ. η οποία λειτουργεί καταναλώνοντας κάποιο καύσιμο και το άλλο είναι ένας ηλεκτροκινητήρας, ο οποίος τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι ότι από τη συνεργασία των δύο αυτών κινητήριων συστημάτων επιτυγχάνεται η πρόωση του οχήματος. [1] Με τη χρήση των υβριδικών οχημάτων παρουσιάστηκε σημαντική βελτίωση στη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων και των αερίων που συμβάλλουν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, σε συνδυασμό με τη σημαντική μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και την αύξηση της απόδοσης των οχημάτων. Ένας λόγος που συμβαίνει αυτό είναι ότι η Μ.Ε.Κ λειτουργεί σε περιοχή φορτίου με τον καλύτερο βαθμό απόδοσης. Αυτό επιτυγχάνεται με τη συμμέτοχη του ηλεκτροκινητήρα στην κίνηση του οχήματος (προσδίδοντας επιπλέον ισχύ), όταν η Μ.Ε.Κ. λειτουργεί με υψηλό φορτίο. Επίσης, στην εξοικονόμηση καυσίμου, άρα και στις μειωμένες εκπομπές ρύπων, συμβάλλει και το σύστημα αναγεννητικής πέδησης που παρουσιάζεται παρακάτω. Το σύστημα αυτό εκμεταλλευόμενο την επιβράδυνση του οχήματος, προσδίδει ένα ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας για τη φόρτιση των μπαταριών, το οποίο σε διαφορετική περίπτωση θα έπρεπε να παραχθεί από τη Μ.Ε.Κ., άρα θα υπήρχε μεγαλύτερη κατανάλωση, πράγμα που τελικά δεν συμβαίνει. Τα υβριδικά συστήματα μετάδοσης ισχύος ανάλογα με τη συνδεσμολογία τους διακρίνονται σε τρείς τύπους: Σειριακά συστήματα μετάδοσης ισχύος Παράλληλα συστήματα μετάδοσης ισχύος Σειριακά/Παράλληλα (μεικτά) συστήματα μετάδοσης ισχύος

66 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 2.1 Σειριακά συστήματα μετάδοσης της ισχύος Στα σειριακά συστήματα μετάδοσης της ισχύος, μία Μ.Ε.Κ. δίνει κίνηση σε μία γεννήτρια, η οποία με τη σειρά της παράγει ηλεκτρική ενέργεια, την οποία διοχετεύει με τη βοήθεια ενός μετατροπέα σε έναν ηλεκτροκινητήρα και μία συστοιχία μπαταριών (συσσωρευτές), όπου στη συνέχεια ο ηλεκτροκινητήρας υποστηριζόμενος και από την μπαταρία κινεί τους τροχούς του οχήματος. Με το σειριακό σύστημα μετάδοσης της ισχύος οι επιδόσεις του οχήματος εξαρτώνται άμεσα από την ισχύ του ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος πρέπει να διαθέτει μεγάλο μέγεθος προκειμένου να αποδίδει την απαιτούμενη ισχύ κάθε φορά. Στο σύστημα αυτό ο κινητήρας (Μ.Ε.Κ.), λειτουργεί σε ιδανικές συνθήκες στροφών και φορτίου για να αποδίδει τη μέγιστη θερμική ισχύ. Σχήμα 1. Σειριακό σύστημα μετάδοσης ισχύος υβριδικού οχήματος 1 2.2 Παράλληλο σύστημα μετάδοσης της ισχύος Στα παράλληλα συστήματα μετάδοσης ισχύος, ο κινητήρας και ο ηλεκτροκινητήρας είναι μόνιμα συνδεδεμένοι με το κιβώτιο ταχυτήτων αλλά ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Έτσι, η ισχύς για την κίνηση των τροχών δίνεται απευθείας από τον κινητήρα, από τον ηλεκτροκινητήρα ή και από τους δύο ταυτόχρονα. Λόγω της έλλειψης γεννήτριας ο ηλεκτροκινητήρας αναγκάζεται να πάρει τον ρόλο της και να μετατρέπει φορτία του κινητήρα σε ηλεκτρική ενέργεια για να φορτίσει τη συστοιχία των μπαταριών. Σε αυτή 1 Περιοδικό R&D, Υβριδική τεχνολογία, Toyota Prius THS II, Νοέμβριος 2003, Τεύχος 5, σελ 48.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 67 τη φάση λειτουργίας ο ηλεκτροκινητήρας δεν συμμετέχει στο έργο για την κίνηση των τροχών του οχήματος. Δηλαδή, σε περίπτωση που το όχημα κινείται με χρήση μόνο του κινητήρα εσωτερικής καύσης, ενώ κινείται σε κεκλιμένο οδόστρωμα ή επιταχύνει, απαιτείται μεγαλύτερη ισχύς από τον κινητήρα από αυτή που αντιστοιχεί όταν κινείται σε συνθήκες ιδανικής θερμικής απόδοσης. Σε αυτή την περίπτωση, ενεργοποιείται ο ηλεκτροκινητήρας ο οποίος προσφέρει την επιπρόσθετη ισχύ που απαιτείται, με αποτέλεσμα ο κινητήρας εσωτερικής καύσης να μην λειτουργεί υπό συνθήκες που θα αύξαναν την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ρύπων. Σχήμα 2. Παράλληλο σύστημα μετάδοσης της ισχύος υβριδικού οχήματος 1 2.3 Σειριακά/Παράλληλα συστήματα μετάδοσης ισχύος Σε αυτό το σύστημα ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μπορεί να κινεί απευθείας τους τροχούς του οχήματος ή να κινούνται μόνο από τον ηλεκτροκινητήρα. Στη λειτουργία του ρελαντί και σε χαμηλές ταχύτητες, το όχημα κινεί μόνο ο ηλεκτροκινητήρας. Σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα, ένα μέρος από την ισχύ του κινητήρα διατίθεται στη γεννήτρια, η οποία παράγει την ηλεκτρική ενέργεια, με την οποία τροφοδοτείται μέσω του μετατροπέα ο ηλεκτροκινητήρας, ο οποίος κινεί τους τροχούς. Το υπόλοιπο της ισχύος του κινητήρα μεταδίδεται απευθείας στους τροχούς. Σε περίπτωση μεγαλύτερης απαίτησης για ισχύ (π.χ. επιτάχυνση), ο Η/Κ τροφοδοτείται με περαιτέρω ενέργεια από τη συστοιχία των μπαταριών.

68 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Σχήμα 3. Σειριακό/Παράλληλο σύστημα μετάδοσης της ισχύος υβριδικού οχήματος 1 Επίσης, σε αυτόν τον τύπο υβριδικού χρησιμοποιείται και το σύστημα της αναγεννητικής πέδησης (regenerative braking) για την παραγωγή ισχύος. Με το σύστημα αυτό γίνεται ανάκτηση ισχύος, όταν το όχημα επιβραδύνει και η κινητική ενέργεια του οχήματος αντί να χάνεται με τη μορφή θερμότητας μετατρέπεται σε ηλεκτρική (ο Η/Κ συμπεριφέρεται ως γεννήτρια) και μέσω του μετατροπέα φορτίζονται οι μπαταρίες του οχήματος. Στο σειριακό/παράλληλο σύστημα μετάδοσης της ισχύος (series/parallel hybrid), ο ηλεκτροκινητήρας συμμετέχει περισσότερο στην κίνηση του οχήματος σε σχέση με το παράλληλο σύστημα που λειτουργεί σαν υποβοήθηση της Μ.Ε.Κ. [1] Η αναγεννητική πέδηση παίζει, ίσως, τον πιο σημαντικό ρόλο στην εξοικονόμηση ενέργειας, άρα και στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Αυτό γίνεται αντιληπτό αν αναφερθεί ότι όταν ένα όχημα βάρους 1500 kg επιβραδύνει από τα 100 km/h στα 0 km/h, χρησιμοποιώντας το σύστημα πέδης, καταναλώνει περίπου 0,16 Kwh σε λίγες δεκάδες μέτρα. Επίσης, όταν το όχημα επιβραδύνει από την ίδια ταχύτητα χωρίς τη χρήση της πέδης παρά μόνο με την επίδραση της τριβής κύλισης (οδόστρωμα ελαστικά) και της αεροδυναμικής αντίστασης, η απόσταση που θα διανύσει είναι περίπου 2 km. Στην απόσταση αυτή των 2 km με την επιβράδυνση του οχήματος υπάρχει κινητική ενέργεια η οποία παραμένει ανεκμετάλλευτη [2]. Η απώλεια της κινητικής ενέργειας και της κατανάλωσης καυσίμου είναι πιο έντονη όταν το όχημα κινείται σε αστικές περιοχές όπου οι στάσεις και οι εκκινήσεις είναι πιο συχνές λόγω της συχνής χρήσης της πέδης.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 69 Με το σύστημα της αναγεννητικής πέδησης όλα τα παραπάνω λειτουργούν ευεργετικά τόσο για την εξοικονόμηση ενέργειας όσο και για την οικονομία καυσίμου. 3 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ 3.1 Υδρογόνο Το υδρογόνο αποτελεί το 90% του σύμπαντος, σε αριθμό ατόμων (75% κατά μάζα), είναι το ελαφρύτερο αέριο στη φύση, ενώ το ενεργειακό περιεχόμενο 0,33 kg/h 2 ισοδυναμεί με αυτό του 1 kg πετρελαίου. Όταν καίγεται, έχει το πλεονέκτημά να μην ρυπαίνει την ατμόσφαιρα, αφού παράγει μόνο θερμότητα, νερό και οξείδια του αζώτου (λόγω των υψηλών θερμοκρασιών). Κάποιες από τις ιδιότητες που το καθιστούν κατάλληλο για χρήση ιδιαίτερα στον χώρο της αυτοκίνησης είναι ότι δεν είναι αυταναφλέξιμο και δεν είναι δηλητηριώδες. Ένα από τα προβλήματα που παρουσιάζονται στη χρήση του υδρογόνου είναι η αποθήκευση του, καθώς 1 γραμμάριο αέριου υδρογόνου καταλαμβάνει περίπου 11 λίτρα χώρου σε ατμοσφαιρική πίεση. Αυτό δυσκολεύει την αποθήκευσή του, μιας και απαιτείται έντονη πίεση αυτού κάτω από μερικές εκατοντάδες ατμόσφαιρες και χρήση δοχείων αποθήκευσης με υψηλή αντοχή σε μεγάλες πιέσεις. Έτσι, λοιπόν, το υδρογόνο μπορεί να αποθηκευθεί: [1] Σε φιάλες αερίου υψηλής πίεσης, έως και 200 bar Ως υγρό σε κρυογονικές δεξαμενές Προσροφημένο σε υλικά με μεγάλη ειδική επιφάνεια και Ροφημένο σε ενδοπλεγματικές θέσεις σε μέταλλα (υδρίδια μετάλλων). Χρήση του υδρογόνου ως καύσιμο για την κίνηση των οχημάτων Οι Μηχανές Εσωτερικής Καύσης μπορούν να μετατραπούν και να χρησιμοποιούν ως καύσιμο το υδρογόνο. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε κυψέλες καυσίμου. Στις κυψέλες καυσίμου το υδρογόνο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και τροφοδοτεί ηλεκτρικούς κινητήρες οι οποίοι με τη σειρά τους κινούν το όχημα. Και στις δύο μεθόδους το κατάλοιπο από την χρήση του υδρογόνου είναι καθαρό νερό (υδρατμοί). Στην παρούσα στιγμή το Mazda RX-8

70 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Hydrogen RE με περιστροφικό κινητήρα (WANKEL) χρησιμοποιεί υδρογόνο με απευθείας έγχυση αυτού στο θάλαμο κάθε ρότορα. Τα πλεονεκτήματα των κινητήρων με ρότορα είναι ότι προσφέρουν διαφορετικούς θαλάμους για την εισαγωγή και την καύση του μίγματος και συνεπώς δεν μπορούν να παρουσιάσουν προβλήματα backfire (ανάφλεξη του υδρογόνου κατά την έγχυση του στην πολλαπλή εισαγωγής λόγω κάποιων θερμών σημείων που μπορεί να υπάρχουν) σαν αυτά που εμφανίζονται σε εμβολοφόρους κινητήρες. Σχήμα 4. Mazda RENESIS, δύο εγχυτήρες υδρογόνου ανά ρότορα 2 Στα μελλοντικά σχέδια εξέλιξης του συγκεκριμένου κινητήρα, προβλέπεται να ενσωματωθεί σε αυτόν υβριδικό σύστημα και ένας ηλεκτρικά υποβοηθούμενος υπερτροφοδότης, με σκοπό την αύξηση της απόδοσης του κινητήρα και την εξοικονόμηση ενεργείας. [3] Επίσης, η αυτοκινητοβιομηχανία της BMW έχει εξελίξει εδώ και χρόνια έναν 12κύλινδρο κινητήρα σχήματος V για τη σειρά 7, ο οποίος τροφοδοτείται και με υδρογόνο και με βενζίνη (dual fuel). Η εταιρεία πρόκειται να κατασκευάσει 100 τέτοια οχήματα, τα οποία θα δοθούν προς ενοικίαση για κάποια χρονική περίοδο, σε επιλεγμένα άτομα, τα οποία ζουν σε μέρη όπου υπάρχει η δυνατότητα ανεφοδιασμού με υδρογόνο. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, θα κυκλοφορούν τα 50 από τα συνολικά 100 οχήματα αυτού του τύπου. [4] Τέλος, ένα άλλο πρωτότυπο όχημα που χρησιμοποιεί το υδρογόνο ως καύσιμο σε ΜΕΚ, είναι το Ford P2000 Hydrogen ICE. Το συγκεκριμένο μοντέλο φέρει έναν δίλιτρο κινητήρα Duratec, ειδικά τροποποιημένο για την καύση συμπιεσμένου αερίου υδρογόνου. Επίσης, ο κινητήρας αυτός είναι 16βάλβιδος με δύο εκκεντροφόρους επικεφαλής (DOHC) 2 http://www.greencarcongress.com/2004/10/mazda_to_lease_.html

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 71 και ο βαθμός συμπίεσης είναι 14.5:1. Η απόδοση του συγκεκριμένου κινητήρα είναι κατά 25 30% μεγαλύτερη απ την απόδοση ενός συμβατικού βενζινοκινητήρα. [5] 3.2 Βιοκαύσιμα Βιοκαύσιμα λέγονται τα υγρά καύσιμα που παράγονται από διάφορους τύπους βιομάζας. Τα βιοκαύσιμα παράγονται από φυτικά υλικά, συγκεκριμένα είδη καλλιεργειών και από ανακυκλωμένα ή χρησιμοποιούμενα σπορέλαια. Η χρήση των βιοκαυσίμων στα οχήματα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) από τον τομέα των μεταφορών. Οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τη χρήση βιοκαυσίμων σε απόλυτα νούμερα, μπορεί να μην είναι μικρότερες απ αυτές των συμβατικών καύσιμων, αλλά θεωρητικά, τα φυτά από τα οποία έχει προέλθει η πρώτη ύλη που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των βιοκαυσίμων, έχουν κατά την ανάπτυξή τους δεσμεύσει αντίστοιχες ποσότητες CO 2 από την ατμόσφαιρα. Με αυτό το σκεπτικό η μείωση των εκπομπών CO 2 μπορεί να φτάσει ακόμη και το 70%. Επίσης, πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι εκπομπές CO 2 που προέρχονται από τα μηχανήματα και τα οχήματα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή/καλλιέργεια της πρώτης ύλης, στη συγκομιδή και τη μεταφορά της, καθώς και στη μεταφορά και διανομή των βιοκαυσίμων, τα οποία για τη λειτουργία τους χρησιμοποιούν ορυκτά καύσιμα. Επιπρόσθετα, η χρήση λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων που βασίζονται σε ενώσεις του αζώτου, του θείου και της αμμωνίας έχουν σαν αποτέλεσμα την επιβάρυνση του εδάφους και των υπόγειων υδάτων. Οι κύριες αιτίες για την προώθηση των βιοκαυσίμων είναι: Η συμβολή στην εξασφάλιση της προμήθειας ενέργειας Η συμβολή στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου Η αύξηση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Η συνεχόμενη αύξηση της τιμής του πετρελαίου (ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια) και όλων των καυσίμων που παράγονται από αυτά Η διείσδυση των αγροτικών οικονομιών σε νέες αγορές. Τα κυριότερα είδη των βιοκαυσίμων είναι το βιοντήζελ και η βιοαιθανόλη.

72 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Το βιοντήζελ είναι εναλλακτικό καύσιμο του πετρελαίου κίνησης ενώ η βιοαιθανόλη είναι πρόσθετο για τη βενζίνη ή υποκατάστατο. Η χρήση των βιοκαυσίμων μπορεί να επεκταθεί σε κάθε Μηχανή Εσωτερικής Καύσης. [1] 3.2.1 Βιοντήζελ Το βιοντήζελ είναι μια γενική ονομασία για τους μεθυλεστέρες από οργανική πρώτη ύλη. Το βιοντήζελ μπορεί να παραχθεί από μια μεγάλη γκάμα σπορέλαιων, όπως αυτό από ελαιοκράμβη, από ηλιοτρόπια, από σόγια και το λάδι από κοκκοφοίνικα. Μίγματα βιοντήζελ για τους κινητήρες Το βιοντήζελ μπορεί να αντικαταστήσει τελείως το συμβατικό πετρέλαιο κίνησης ή να αναμιχθεί με αυτό σε διαφορετικές αναλογίες για χρήση του σε πετρελαιοκινητήρες. Η πρακτική της ανάμιξης είναι συνηθισμένη σε πολλές χώρες, με ποσοστό του 5% (δηλαδή το 5% βιοντήζελ και το 95% πετρέλαιο κίνησης). Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του βιοντήζελ μοιάζουν πολύ με του ορυκτού πετρελαίου και οι συμβατικοί κινητήρες δεν χρειάζονται μετατροπές για να χρησιμοποιήσουν μίγματα έως 5%. Οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες μπορούν να λειτουργήσουν με μίγματα έως 30%, αλλά πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή, καθώς η χρήση μιγμάτων που περιέχουν πάνω από 5% βιοντήζελ μπορεί να ακυρώσει αρκετές από τις εγγυήσεις των κατασκευαστών. Είναι σημαντικό το βιοντήζελ να είναι υψηλής ποιότητας. Το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 590, για το πετρέλαιο κίνησης επιτρέπει ανάμιξη μέχρι 5% βιοντήζελ. Η χρήση 100% βιοντήζελ πρέπει να ικανοποιεί το Ευρωπαϊκό πρότυπο EN 14214. Όσον αφορά στην περιβαλλοντική απόδοση της χρήσης του βιοντήζελ, η χρήση 100% βιοντήζελ (πράγμα σπάνιο) μπορεί να μειώσει τις καθαρές εκπομπές CO 2 κατά 40-50%, αντίστοιχα η χρήση μίγματος 5% μειώνει το CO 2 κατά 2-5%. Επίσης, το βιοντήζελ περιέχει αρκετό οξυγόνο (10% κ.β.) που καθιστά την καύση λιγότερο ατελή, με αποτέλεσμα η περιεκτικότητα σε μονοξείδιο του άνθρακα (CO), άκαυστους υδρογονάνθρακες (H/C) και

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 73 σε αιθάλη να είναι πολύ μικρότερη απ ό,τι στο συμβατικό ντήζελ. Οι εκπομπές σωματιδίων (pm) από την καύση καθαρού βιοντήζελ (B100) μειώνονται κατά 47%, ενώ απ την καύση μίγματος 20% βιοντήζελ και 80% ντήζελ (B20), μειώνονται κατά 12%. Αντίθετα, οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NO x ) από τη χρήση βιοντήζελ είναι μεγαλύτερες απ αυτές που προέρχονται από τη χρήση συμβατικού ντήζελ. Πιο συγκεκριμένα, από την καύση καθαρού βιοντήζελ (Β100) εκπέμπονται 10% περισσότερα NO x σε σχέση με το συμβατικό ντήζελ, ενώ από την καύση μίγματος βιοντήζελ (B20) οι εκπομπές NO x είναι μεγαλύτερες κατά 2%. [1] Η χρήση φυτικών ελαίων και μεθυλεστέρων από ελαιοκράμβη έχουν ως αποτέλεσμα λιγότερες εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Επίσης, όταν χρησιμοποιούνται εστέρες λιπαρών οξέων σόγιας παρατηρούνται ελαφρώς μειωμένες εκπομπές μονοξειδίου του άνθρακα, οξειδίων του αζώτου και αιθάλης σε σχέση με το πετρέλαιο, ενώ οι εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων μειώνονται κατά 50%. [6] 3.2.2 Βιοαιθανόλη Μίγματα βιοαιθανόλης για τους κινητήρες Σύμφωνα με το Ευρωπαϊκό πρότυπο ποιότητας EN 228, η βιοαιθανόλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μίγμα 5% με βενζίνη. Η χρήση τέτοιου μίγματος δεν απαιτεί μετατροπή του κινητήρα. Οι ιδιοκτήτες οχημάτων που λειτουργούν με μίγματα βιοαιθανόλης πρέπει να ακολουθούν τις οδηγίες του κάθε κατασκευαστή. Κάποιοι κατασκευαστές οχημάτων προδιαγράφουν ως μέγιστη περιεκτικότητα βιοαιθανόλης σε μίγμα με βενζίνη το 5% κατ όγκο, ενώ άλλοι προδιαγράφουν σαν μέγιστο ποσοστό το 10%. Αν αυτό το όριο ξεπεραστεί, τότε δεν ισχύουν οι εγγυήσεις του οχήματος. Επίσης, σε τροποποιημένους κινητήρες μπορεί να χρησιμοποιηθεί 100% μίγμα βιοαιθανόλης, παρόλο που για την αντιμετώπιση του προβλήματος της εκκίνησης σε χαμηλές θερμοκρασίες απαιτείται η χρήση ενός μικρού ποσοστού πτητικού καυσίμου, συνήθως βενζίνης. Μίγμα 5% βιοαιθανόλης με βενζίνη κατ όγκο σημαίνει 3,4% κατά αναλογία ενέργειας, εφόσον το ενεργειακό περιεχόμενο της βιοαιθανόλης είναι περίπου τα δύο τρίτα αυτού της βενζίνης.

74 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Μετατροπές που απαιτούνται για μίγματα μεγαλύτερα του 5% Σε οχήματα πολλαπλών καυσίμων και συγκεκριμένα σε οχήματα, που λειτουργούν με χρήση βιοαιαθανόλης, αυτή λειτουργεί ως βελτιωτικό οκτανίων. Προσθέτοντας δηλαδή 10% βιοαιθανόλη στη βενζίνη, ο αριθμός οκτανίων της βενζίνης αυξάνεται κατά δύο μονάδες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του φαινομένου της προανάφλεξης του καυσίμου και επιπλέον υπάρχει δυνατότητα αύξησης της σχέσης συμπίεσης, με αποτέλεσμα την καλύτερη καύση, άρα και την αύξηση της απόδοσης του κινητήρα. Ένα μίγμα καυσίμου με 10% βιοαιθανόλη φυσιολογικά θα έχει μια περιεκτικότητα σε οξυγόνο περίπου 3,5%, η οποία και επηρεάζει την αναλογία αέρα καυσίμου. Για τον λόγο αυτό, είναι συνήθως απαραίτητο οι κινητήρες να έχουν μειωμένη αναλογία αέρα - καυσίμου, ώστε να αντισταθμίζεται και το οξυγόνο που περιέχεται στη βιοαιθανόλη του μίγματος. Τα συστήματα ελέγχου του κινητήρα, που διαθέτουν τα περισσότερα σύγχρονα αυτοκίνητα, μπορούν να ρυθμίσουν ηλεκτρονικά την αναλογία αέρα καυσίμου, ώστε να διατηρηθεί η σωστή αναλογία, όταν η βιοαιθανόλη εισάγεται στον κινητήρα. Για κάποια οχήματα, το μέγιστο περιεχόμενο οξυγόνου που μπορούν να αντισταθμίσουν είναι 3,5% (δηλαδή μίγμα με 10% βιοαιθανόλη). Τα μίγματα βιοαιθανόλης έχουν υψηλότερη λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης από την 100% καθαρή βενζίνη. Για αυτό τον λόγο τα μίγματα αυτά παρουσιάζουν μεγαλύτερη δυσκολία στην εκκίνησην όταν η θερμοκρασία του περιβάλλοντος είναι χαμηλή (χειμώνας). Λόγω αυτού του προβλήματοςν κάποια οχήματα διαθέτουν μια μικρή δεξαμενή που περιέχει καθαρή βενζίνη για την εκκίνηση του κινητήρα του οχήματος κατά τις ψυχρές ημέρες του χειμώνα. Οικονομικά δεδομένα και διαθεσιμότητα Η παραγωγή της βιοαιθανόλης κοστίζει δύο έως τρεις φορές περισσότερο από την παραγωγή της βενζίνης από αργό πετρέλαιο. Το κόστος επηρεάζεται, επίσης, από το υψηλό κόστος κεφαλαίου για τον παραγωγικό εξοπλισμό για τις διεργασίες της υδρόλυσης και της ζύμωσης. Εάν επιβληθεί ολόκληρος ο φόρος καυσίμου, η τιμή της βιοαιθανόλης είναι

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 75 υψηλή, γι αυτό χρειάζεται μια ελάττωση του φόρου, ώστε να γίνει η τιμή ανταγωνιστική. Όπως και με το βιοντήζελ, τέτοιες μειώσεις είναι συχνές στην Ευρώπη, και χρησιμοποιούνται ως κίνητρα για την ενθάρρυνση και τη χρήση βιοαιθανόλης. Περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση βιοαιθανόλης Το κύριο πλεονέκτημα της βιοαιθανόλης είναι ότι η χρήση της έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Από τη χρήση 100% βιοαιθανόλης προκύπτει μείωση 50-60% υπολογισμένη σε πλήρη κύκλο ζωής, σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. Αντίθετα, με τη χρήση μιγμάτων έως 5% η μείωση στους αέριους ρύπους ανέρχεται στο 2.5-3%. Όμως, είναι φανερό ότι η χρήση της βιοαιθανόλης μπορεί να βοηθήσει, ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι για την αποτροπή της κλιματικής αλλαγής. Ένα σημαντικό πρόβλημα που παρουσιάζεται στη χρήση των βιοκαυσίμων είναι η μείωση των καλλιεργήσιμων εκτάσεων που διατίθενται για τα σιτηρά, καθώς παρατηρείται ένας ανταγωνισμός μεταξύ καλλιέργειας βιοκαυσίμων και καλλιέργειας τροφίμων. [1] Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται κάποιες τιμές που αφορούν στην ενέργεια που χρησιμοποιείται από διάφορους τύπους καυσίμου, καθώς επίσης και τα αέρια του θερμοκηπίου που προέρχονται από τα καύσιμα αυτά, κατά τη διάρκεια του κύκλου καυσίμου (ανά MJ καυσίμου που χρησιμοποιείται στα οχήματα). [7] Πίνακας 1 MJ/MJ a (%) (gc/mj) 0,21 83 4,9 0,14 88 3,3 0,18 85 4,2 b 0,54 65 5,9 c 0,77 56 36 a, b c

76 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 4 ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ Οι κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells), αποτελούν σήμερα τις σημαντικότερες διατάξεις παραγωγής ενέργειας μέσω του υδρογόνου. Το γεγονός αυτό έχει οδηγήσει πολλές μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες να επικεντρώνουν το ενδιαφέρον τους στον τομέα αυτό. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ηλεκτρικά ή συμβατικά αυτοκίνητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας επιτόπου, αντικαθιστώντας τις μπαταρίες ή τον κινητήρα εσωτερικής καύσης αντίστοιχα και αλλάζοντας τα δεδομένα στον τομέα της αυτονομίας αλλά και της απόδοσης των οχημάτων. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν σήμερα οι διάφοροι τύποι κυψελών καυσίμου, είναι ότι εκτός από καθαρό υδρογόνο, μπορούν να χρησιμοποιήσουν και άλλα είδη καυσίμων τα οποία περιέχουν στη σύνθεσή τους υδρογόνο, χωρίς να μειώνεται σημαντικά η απόδοση τους σε ισχύ. Ένα από τα στοιχεία που χαρακτηρίζουν τις κυψέλες καυσίμου ως πλεονεκτικές διατάξεις είναι η δυνατότητα που έχουν να παράγουν μεγάλα ποσά ενέργειας από το καύσιμο που χρησιμοποιούν (υδρογόνο), με αποτέλεσμα η απόδοση τους να είναι 2 έως 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή των Μ.Ε.Κ. που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα. Από περιβαλλοντικής πλευράς, η μαζική χρήση των κυψελών καυσίμου είναι πιο συμφέρουσα έναντι αυτής των συμβατικών διατάξεων παραγωγής ενέργειας (Μ.Ε.Κ.), λόγω της διεργασίας της ηλεκτρόλυσης. Μια κυψέλη καυσίμου αποτελείται από την άνοδο (anode: αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο), την κάθοδο (cathode: θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο) και τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος μπορεί να είναι κατασκευασμένος από διάφορα υλικά. Ο πιο συνηθισμένος καταλύτης είναι η πολυμερής μεμβράνη (PEMFC: κυψέλη καυσίμου πολυμερούς μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων). Μεταξύ της πολυμερούς μεμβράνης και των δύο ηλεκτροδίων, υπάρχει μια μεταλλική επίστρωση (στρώμα καταλύτη), χάρη στην οποία επιτυγχάνεται η ηλεκτρόλυση. Κατά την ηλεκτρόλυση η άνοδος τροφοδοτείται με υδρογόνο, το οποίο όταν έρθει σε επαφή με τον καταλύτη της ανόδου, διαχωρίζεται σε θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια) και σε ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται μέσω εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος στην κάθοδο, αφού η μεμβράνη δεν επιτρέπει τη διέλευση

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 77 τους μέσω αυτής, διευκολύνοντας έτσι την παραγωγή συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος. Στη συνέχεια, τα πρωτόνια διαπερνούν τη μεμβράνη και ενώνονται με το οξυγόνο, το οποίο έχει διοχετευτεί στην κάθοδο και αποτέλεσμα της ένωσης αυτής, την παραγωγή νερού (υδρατμών). Λόγω της μικρής τάσης που παράγεται (0.7 V) σε μια κυψέλη καυσίμου, συνήθως χρησιμοποιούνται πολλές κυψέλες καυσίμου μαζί, οι οποίες συνδέονται σε σειρά (fuel cell stack: συστοιχία κυψελών καύσιμου), με αποτέλεσμα την αύξηση της παραγόμενης τάσης. [1] Σχήμα 5. Κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 3 4.1 Σύγκριση βαθμού απόδοσης κυψελών καυσίμου με Μ.Ε.Κ Όταν το όχημα καταναλώσει καθαρό υδρογόνο για την τροφοδοσία της κυψέλης καυσίμου αποδεικνύεται ότι ο βαθμός απόδοσης της ηλεκτρικής ισχύος ανέρχεται σε υψηλά ποσοστά έως και 80% περίπου. Τα περισσότερα οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου που έχουν κατασκευαστεί μέχρι και σήμερα δεν έχουν τη δυνατότητα να καταναλώνουν απευθείας καθαρό υδρογόνο, αλλά χρησιμοποιούν υδρογονούχα καύσιμα, τα οποία απαιτούν αναμορφωτή καυσίμου (reformer) για να μετατραπούν σε καθαρό υδρογόνο και 3 http://alternativefuels.about.com/od/researchdevelopment/ig/fuel-cell-diagrams/pem-fuel-cell.htm

78 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ να καταναλωθούν στη συνέχεια στην κυψέλη καυσίμου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση του βαθμού απόδοσης, λόγω της ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανάται στον αναμορφωτή. Ο βαθμός θερμικής απόδοσης, n th, μιας θερμικής μηχανής, είναι ίσος με τον λόγο του έργου που εκτελεί το σύστημα προς τη θερμότητα που εισήχθη στο σύστημα. n th W Q net in out in 1 (1) in Q Q Q in Q Q out Για αντιστρεπτές διεργασίες ο λόγος των θερμοτήτων μπορεί να αντικατασταθεί από τον λόγο των θερμοκρασιών,, στις οποίες ανταλλάσσονται οι θερμότητες. Η σχέση που προκύπτει για τον βαθμό θερμικής απόδοσης (θερμική απόδοση για τον κύκλο Carnot) είναι: n T L th 1 (2) TH T L είναι η ελάχιστη θερμοκρασία στον κύκλο και T H η μέγιστη Έχοντας ως σημείο αναφοράς το περιβάλλον, το οποίο αποτελεί το ψυχροδοχείο μιας θερμικής μηχανής, η απόδοση του κύκλου Carnot εξαρτάται από την υψηλότερη θερμοκρασία στον κύκλο, όπου όσο μεγαλύτερη είναι αυτή τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η θερμική απόδοση. Για να φτάσει όμως τη μεγαλύτερη δυνατή θερμοκρασία το καύσιμο, χάνει ένα μέρος της χημικής ενέργειας σε αναντίστρεπτες διεργασίες οι οποίες συμβαίνουν κατά τη διαδικασία της καύσης. Wmax, cell G (3) Αντίθετα, οι κυψέλες καυσίμου λειτουργούν σε σταθερές θερμοκρασίες με τα προϊόντα της αντίδρασης να απομακρύνονται στην ίδια θερμοκρασία στην οποία βρίσκονται τα αντιδρώντα. Λόγω αυτής της ισόθερμης αντίδρασης, περισσότερη από τη χημική ενέργεια των αντιδρώντων μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, αντί να καταναλώνεται, ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία των προϊόντων. Η διεργασία της ηλεκτροχημικής μετατροπής είναι λοιπόν λιγότερο αντιστρεπτή από την αντίδραση της καύσης. Επομένως, οι διεργασίες που εκτελούνται στις κυψέλες καυσίμου δεν σχετίζονται με την απόδοση που

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 79 ο κύκλος Carnot ορίζει για τις θερμικές μηχανές στις οποίες το μέγιστο έργο ορίζεται σύμφωνα με την υψηλότερη θερμοκρασία στον κύκλο. Αντίθετα, το μέγιστο έργο, W max,cell, για μια κυψέλη καυσίμου είναι ίσο με την αλλαγή στη συνάρτηση Gibbs, ΔG, μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων. Το έργο μιας κυψέλης καυσίμου, W cell, το οποίο εκτελείται από τα ηλεκτρόνια με τη φόρτιση κινούμενα μέσω μιας διαφοράς δυναμικού, Ε, είναι: Wcell nefe (4) n e είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται ανά mole καυσίμου, F είναι η σταθερά του Faraday (96,485 C/mole -1 ). Για τη σύγκριση μεταξύ θερμικών μηχανών και κυψελών καυσίμου, χρησιμοποιείται η απόδοση που βασίζεται στον Πρώτο Θερμοδυναμικό Νόμο. n th, cell Wcell nefe HHV HHV (5) HHV: η ανώτερη θερμογόνος δύναμη του καυσίμου. Η μέγιστη απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου δίνεται από την τάση ανοιχτού κυκλώματος, Ε, κατά την κατάσταση ισορροπίας,, στην οποία δεν παρατηρείται κίνηση ηλεκτρονίων στην κυψέλη. nefe nth cell (6),.max HHV Η απόδοση, που βασίζεται στον Δεύτερο Θερμοδυναμικό Νόμο (ΒΘΝ), μιας συσκευής μετατροπής ενέργειας, δείχνει τον βαθμό αντιστρεπτότητας συγκρίνοντας το πραγματικό έργο με το μέγιστο δυνατό έργο που μπορεί να παραχθεί. Για τις κυψέλες καυσίμου η απόδοση του ΒΘΝ, είναι ο λόγος διαφορών δυναμικού: Wact Wact n2nd, heat, engine και για τις κυψέλες καυσίμου n W W rev Carnot 2nd, heat, cell n n act rev nfe nfe E E (7) Το μέγιστο έργο που μπορεί να παραχθεί από μία ΜΕΚ καθορίζεται από τον βαθμό θερμικής απόδοσης. Ρεαλιστικές τιμές για αποδόσεις των ΜΕΚ κυμαίνονται από 20% έως 45% για πολύ αποδοτικές μηχανές ντήζελ. Η απόδοση των ΜΕΚ περιορίζεται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, λόγω της μη δυνατότητας λειτουργίας τους σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και λόγω των αναντιστρεπτοτήτων κατά τη διάρκεια λειτουργίας. Η απόδοση των κυψελών καυσίμου δεν σχετίζεται σε αυτούς τους περιορισμούς, με

80 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ αποτέλεσμα να είναι μεγαλύτερη από αυτή των ΜΕΚ. Για την εύρεση της απόδοσης των κυψελών καυσίμου ακολουθείται η παρακάτω διαδικασία: Ισχύει ότι G = H TS, άρα ΔG= ΔH-ΔT, για Τ σταθερή και αντικαθιστώντας τα θερμοδυναμικά δεδομένα στις πρότυπες συνθήκες (P = 1atm και T = 25 C) προκύπτει ότι ΔG = -273,180 J/mol. Η θερμική απόδοση μιας κυψέλης καυσίμου δίνεται από τη σχέση: G n (8) H και αντικαθιστώντας τις τιμές στην παραπάνω σχέση από πίνακες, προκύπτει ότι n = 83%. Η απόδοση αυτή είναι θεωρητική και δεν μπορεί να επιτευχθεί στην πραγματικότητα. Η διαφορά δυναμικού που αντιστοιχεί σε αυτή την τιμή του ΔG από τον τύπο ΔG = -nfe είναι ίση με E =1,23V. Η διαφορά αυτή δυναμικού αντιστοιχεί σε διαφορά δυναμικού ανοιχτού κυκλώματος και αντιστοιχεί σε απόδοση δυναμικού 100% των κυψελών καυσίμου. Με αυτόν τον τρόπο δεν κυκλοφορεί ρεύμα με αποτέλεσμα να μην παράγεται έργο, πράγμα που δείχνει έναν από τους λόγους που μια κυψέλη καυσίμου δεν είναι δυνατόν να λειτουργεί με τέτοια απόδοση. Λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες λόγω της λειτουργίας, ο βαθμός απόδοσης μιας κυψέλης καυσίμου από τη δεξαμενή μέχρι τους τροχούς ανέρχεται στο 40%. Το ποσοστό αυτό είναι μικρότερο από το 60% που έχει προκύψει από άλλες θεωρήσεις, αλλά είναι πολύ μεγαλύτερο απ αυτό των ΜΕΚ ο βαθμός απόδοσης των οποίων κυμαίνεται στο 20% περίπου. Αν θεωρηθεί ότι το υδρογόνο που καταναλώνεται από μια κυψέλη καυσίμου παράγεται από ηλεκτρόλυση, τότε η συνολική απόδοση από το εργοστάσιο παραγωγής του υδρογόνου μέχρι τους τροχούς του αυτοκινήτου είναι 22% για το συμπιεσμένο αέριο υδρογόνο και 17% για το υγρό υδρογόνο. Η απόδοση για την παραγωγή βενζίνης από αργό πετρέλαιο είναι περίπου 73 91% (από το διυλιστήριο ως τις αντλίες των πρατηρίων). Το 88% του πετρελαίου καταλήγει στη δεξαμενή του αυτοκινήτου και από εκεί το 16% της ενέργειας της βενζίνης καταλήγει στους τροχούς ενός σύγχρονου αυτοκινήτου. Άρα, η τελική απόδοση από την παραγωγή της βενζίνης μέχρι την κατανάλωση της στους τροχούς του οχήματος είναι περίπου 14%. [8]

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 81 Από τους διάφορους τύπους κυψελών καυσίμου, ο πιο κατάλληλος για εφαρμογή στα αυτοκίνητα είναι η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων. Οι κυψέλες καυσίμου αυτού του τύπου έχουν το πλεονέκτημα της μεγάλης διάρκειας ζωής σε συνδυασμό με μικρές απαιτήσεις συντήρησης. Σε περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται καθαρό υδρογόνο, χρησιμοποιείται κάποιο άλλο καύσιμο, που περιέχει στη σύνθεση του υδρογόνο, όπως για παράδειγμα μεθανόλη. Σε αυτή την περίπτωση ένα αέριο μίγμα υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα παράγεται πάνω στο αυτοκίνητο με αντίδραση της μεθανόλης με ατμό (αναμορφωτής) και τη βοήθεια ενός καταλύτη. Σχήμα 6. Αυτοκίνητο κυψελών καυσίμου (HONDA FCX) 4 Οι ηλεκτροκινητήρες αποδίδουν περισσότερη ροπή (άρα και ισχύ) στις χαμηλότερες ταχύτητες, που χαρακτηρίζουν τις περισσότερες συνθήκες οδήγησης. Επίσης, η απόκριση των ηλεκτροκινητήρων στην απαίτηση για επιτάχυνση είναι πιο άμεση. Αποτέλεσμα αυτών των δύο παραγόντων είναι η μεγαλύτερη ευκολία χρήσης των αυτοκινήτων με κυψέλες καυσίμου. Για να είναι άμεσα διαθέσιμη όλη η ισχύς κατά τις εκκινήσεις και τα προσπεράσματα του αυτοκινήτου με κυψέλες καυσίμου, μπορεί σε μερικά να χρησιμοποιείται κάποιο σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας όπως μια συστοιχία από μπαταρίες, ένας σφόνδυλος ή ένας υπερπυκνωτής. Η απόσταση που θα μπορεί να διανύσει ένα αυτοκίνητο που χρησιμοποιεί κυψέλες καυσίμου με έναν μόνο ανεφοδιασμό, θα εξαρτάται από τον τύπο του καυσίμου που θα χρησιμοποιείται. Αν χρησιμοποιείται η μεθανόλη ως καύσιμο, τότε η αυτονομία του είναι συγκρίσιμη με αυτή ενός βενζινοκίνητου αυτοκινήτου. Αν χρησιμοποιείται καθαρό υδρο- 4 http://www.partstrain.com/blog/category/auto-news/mercedes-benz/page/2/

82 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ γόνο τότε η αυτονομία είναι μικρότερη, λόγω της χαμηλότερης ενεργειακής περιεκτικότητας του καθαρού υδρογόνου. Όμως, με τη χρήση της κατάλληλης διάταξης αποθήκευσης υδρογόνου η αυτονομία θα είναι δυνατόν να φτάσει και τα 400 χιλιόμετρα. [1] 5 ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (BMW TurboSteamer) Ένα μεγάλο ποσοστό της ενέργειας που προέρχεται από την καύση του μίγματος αέρα καυσίμου σε ένα κινητήρα εσωτερικής καύσης, αποβάλλεται στο περιβάλλον υπό τη μορφή θερμότητας μέσω των καυσαερίων. Η ομάδα ερευνών και εξέλιξης της BMW, θέλοντας να εκμεταλλευτεί αυτή τη θερμική ενέργεια των καυσαερίων, επινόησε ένα σύστημα, το οποίο θα εκμεταλλεύεται την ενέργεια των καυσαερίων, σε ποσοστό μεγαλύτερο από 80%. Το σύστημα αυτό έχει ως σκοπό την αύξηση της ισχύος στη στροφαλοφόρο άτρακτο (στροφαλοφόρος άξονας) του κινητήρα του οχήματος. Ο όρος συνδυασμένος κύκλος αναφέρεται σε συστήματα με δύο θερμοδυναμικούς κύκλους, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με κάποιο εργαζόμενο ρευστό και λειτουργούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Ο κύκλος υψηλής θερμοκρασίας (κορυφής) αποβάλλει θερμότητα, που ανακτάται και χρησιμοποιείται από τον κύκλο χαμηλής θερμοκρασίας (βάσης) για την παραγωγή πρόσθετης ηλεκτρικής ή μηχανικής ενέργειας, αυξάνοντας έτσι το βαθμό απόδοσης. Οι μηχανικοί της BMW χρησιμοποίησαν τη θερμότητα των καυσαερίων για τη θέρμανση ενός ρευστού, το οποίο στη συνέχεια αλλάζει φάση και γίνεται ατμός. Ο ατμός οδηγείται (προς εκτόνωση) σε ένα στρόβιλο, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με τη στροφαλοφόρο άτρακτο του κινητήρα και η λειτουργία του στηρίζεται στην ίδια αρχή λειτουργίας με του κοινούς ατμοστρόβιλους. Για τη θέρμανση του ρευστού εκτός από τη θερμότητα των καυσαερίων, χρησιμοποιείται, ως δεύτερη πηγή ενέργειας, και η θερμότητα από το σύστημα ψύξης του κινητήρα. Η θερμότητα των καυσαερίων και του συστήματος ψύξης του κινητήρα προσδίδεται στο ρευστό, μέσω εναλλακτών θερμότητας. Η λειτουργία του συστήματος αυτού, το οποίο λειτουργεί ως βοηθητικό, σε συνδυασμό με τη λειτουργία του υπόλοιπου συστήματος παραγωγής και μετάδοσης της ισχύος, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής ισχύος έως και 15%.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 83 Ειδικότερα, η χρήση του συστήματος (σε πειραματικό στάδιο) σε έναν τετρακύλινδρο κινητήρα της BMW κυβισμού 1.8 Lt, είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της ισχύος κατά 10 KW, την αύξηση της ροπής κατά 20 Nm και μείωση της κατανάλωσης πάνω από 15%. Όλα αυτά επετεύχθησαν χωρίς κάποιο ενεργειακό κόστος, παρά μόνο με την εκμετάλλευση της θερμότητας των καυσαερίων και αυτή του συστήματος ψύξης του κινητήρα. Ένα ακόμη πλεονέκτημα αυτού του συστήματος είναι ότι τα εξαρτήματα που το αποτελούν έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε το σύστημα να μην απαιτεί μεγάλο χώρο για την τοποθέτηση του, και χάρη σε αυτό μπορεί να τοποθετηθεί και σε μοντέλα που ήδη έχουν βγει στην παραγωγή ιδιαίτερα στη BMW σειρά 3. Το σύστημα αυτό επιλύει από τη μία μεριά τις αντιφάσεις που υπάρχουν μεταξύ κατανάλωσης και εκπεμπόμενων ρύπων και από την άλλη μεριά της απόδοσης και της ευστροφίας. Για τον λόγο αυτό, η περαιτέρω εξέλιξη του συστήματος αποσκοπεί στην κατασκευή πιο απλών και πιο μικρών εξαρτημάτων που θα αποτελούν το σύστημα. [9] Σχήμα 7. Σύστημα συνδυασμένου κύκλου (BMW TurboSteamer) 5 5 http://www.omniauto.it/foto/popup/28024/bmw-turbosteamer

84 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ 6 HOMOGENEOUS CHARGE COMPRESSION IGNITION 6.1 Τι είναι η τεχνολογία HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) Κινητήρας με λειτουργία αυταναφλεγόμενου ομογενούς μίγματος HCCI ή DiesOtto Το HCCI συνδυάζει τις λειτουργικές ιδιότητες του βενζινοκινητήρα και του πετρελαιοκινητήρα (συνδυασμός κύκλου OTTO και DIESEL). Ως γνωστόν, στον βενζινοκινητήρα το καύσιμο μίγμα αναφλέγεται με χρήση σπινθήρα (σπινθηριστής), ενώ στον πετρελαιοκινητήρα, το καύσιμο μίγμα αυταναφλέγεται (λόγω των υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών που επικρατούν μέσα στο θάλαμο καύσης). Ο πετρελαιοκινητήρας, επειδή λειτουργεί με περίσσεια αέρα (φτωχό μίγμα) και λόγω των υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά τη λειτουργία του, έχει καλύτερη απόδοση και παρουσιάζει μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου. Οι υψηλές όμως θερμοκρασίες λειτουργίας έχουν ως αποτέλεσμα την εκπομπή σε υψηλά ποσοστά οξειδίων του αζώτου (NOx). Από την άλλη πλευρά, οι βενζινοκινητήρες είναι λιγότερο αποδοτικοί και παρουσιάζουν μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου, αλλά δεν εκπέμπουν πολλά οξείδια του αζώτου (NOx). Αυτό οφείλεται και στο γεγονός ότι τα οχήματα με τους συμβατικούς βενζινοκινητήρες, χρησιμοποιούν τριοδικούς καταλύτες με μεγάλο βαθμό απόδοσης. [10] Η τεχνολογία HCCI είναι μια εναλλακτική λειτουργική κατάσταση του κινητήρα κατά την οποία υπάρχει η δυνατότητα μείωσης των εκπεμπόμενων μικροσωματιδίων (pm) καθώς και των οξειδίων του αζώτου (NOx), διατηρώντας ταυτόχρονα υψηλή θερμική απόδοση. Η ιδανική λειτουργία ενός κινητήρα με τεχνολογία HCCI, χαρακτηρίζεται από την καύση φτωχού μίγματος και χημικές αντιδράσεις καύσης χαμηλών θερμοκρασιών, οι οποίες συμβαίνουν ταυτόχρονα σε πολλαπλά σημεία μέσα στον κύλινδρο, χωρίς την παρουσία σπινθήρα. Πρόκειται δηλαδή για μία ελεγχόμενη αυτανάφλεξη του καύσιμου μίγματος. [11] 6.2 Γιατί να χρησιμοποιηθεί η τεχνολογία HCCI Ένας λόγος, στον οποίο οφείλεται η ανάπτυξη και η εφαρμογή της τεχνολογίας HCCI στις Μηχανές Εσωτερικής Καύσης είναι ότι τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει είναι ελάχιστα (ακόμη λιγότερα από αυτά που αρχικά είχαν προβλέψει οι ερευνητές) σε σχέση με τα πλεονεκτήματα που προσφέρει.

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 85 Όταν ο κινητήρας χρησιμοποιεί τη λειτουργία HCCI και λειτουργεί στο μέγιστο της απόδοσης του, η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας που αναπτύσσεται είναι χαμηλότερη από τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας ενός πετρελαιοκινητήρα (για τις ίδιες λειτουργικές συνθήκες), άρα και χαμηλότερη από τη θερμοκρασία στην οποία δημιουργούνται τα οξείδια του αζώτου (NOx) γεγονός που οδηγεί σε ένα κινητήρα με χαμηλές εκπομπές ρύπων. Εκτός από τη βενζίνη ο κινητήρας με τεχνολογία HCCI μπορεί να χρησιμοποιήσει και την αιθανόλη E85 ως καύσιμο, ενισχύοντας έτσι την προσπάθεια που γίνεται για τη χρήση εναλλακτικών καυσίμων και συγκεκριμένα της αιθανόλης Ε85 και των βιοκαυσίμων γενικότερα. [10] Οι κινητήρες HCCI, παρά τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, δεν έχουν ακόμη ευρεία εφαρμογή, λόγω κάποιων δυσκολιών που παρουσιάζουν, σχετικά με τον έλεγχο της αυτανάφλεξης του μίγματος και της ομοιογένειας αυτού. Για την επίλυση των προβλημάτων αυτών, τα οποία παρουσιάζονται κατά τη λειτουργία του κινητήρα HCCI σε ένα ευρύ φάσμα στροφών και φορτίου, πολλές μελέτες εστιάζουν στη λειτουργία του κινητήρα αυτού με προαναμεμιγμένο εργαζόμενο μέσο. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα με προανάμιξη του μίγματος, μια ποσότητα καυσίμου εγχύεται από έναν εγχυτήρα σε ένα διαμορφωμένο θάλαμο στην πολλαπλή εισαγωγής, δίνοντας έτσι περισσότερο χρόνο στο καύσιμο να προλάβει να αεριοποιηθεί, ώστε να δημιουργηθεί ένα καλύτερης ποιότητας μίγμα. Το αποτέλεσμα της εφαρμογής αυτής είναι η σημαντική μείωση της αιθάλης και των οξειδίων του αζώτου, όταν τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται είναι η βενζίνη και το πετρέλαιο. Πιο συγκεκριμένα με τη χρήση βενζίνης στο προαναμεμιγμένο μίγμα παρατηρείται πολύ καλή αεριοποίηση αυτής αλλά παρουσιάζει πρακτικές δυσκολίες διότι απαιτείται εγκατάσταση συστήματος διπλού καυσίμου. Αντίθετα, με τη χρήση πετρελαίου βελτιώνονται τα χαρακτηριστικά των εκπεμπόμενων ρύπων και βελτιώνεται σε μεγάλο βαθμό η αυτανάφλεξη του μίγματος. [11]

86 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Σχήμα 8. Τρόπος ανάφλεξης του καυσίμου σε πετρελαιοκινητήρα, βενζινοκινητήρα και κινητήρα με ομογενή καύση. 6 6.3 Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει η τεχνολογία HCCI είναι: Παρέχει έως και 15% οικονομία καυσίμου. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα με φτωχό μίγμα (όπως ο πετρελαιοκινητήρας) παρουσιάζει, λόγω συμπίεσης, μεγαλύτερο του 15:1, άρα και μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με έναν συμβατικό βενζινοκινητήρα. Η ομοιογενής ανάμιξη του καυσίμου με τον αέρα οδηγεί σε καλύτερη και καθαρότερη (με λίγους ρύπους) καύση. Στην πραγματικότητα, επειδή οι μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας είναι χαμηλότερες από αυτές ενός συμβατικού βενζινοκινητήρα οι εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx) είναι σχεδόν μηδαμινές. Επίσης, το προανεμιγμένο φτωχό μίγμα δεν παράγει αιθάλη. οι κινητήρες με τεχνολογία HCCI μπορούν να λειτουργήσουν χρησιμοποιώντας ως καύσιμο τη βενζίνη, το πετρέλαιο και πολλά από τα εναλλακτικά καύσιμά. [12] 6 http://www.tundraheadquarters.com/blog/2009/03/27/what-is-hcci-engine/

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 87 6.4 Τα μειονεκτήματα του HCCI είναι: Λόγω του υψηλού ρυθμού αύξησης της πίεσης μέσα στον κύλινδρο, μπορεί να προκληθεί φθορά στον κινητήρα Σε σχέση με τους συμβατικούς βενζινοκινητήρες που χρησιμοποιούν σπινθηριστές για την ανάφλεξη του μίγματος, η ελεγχόμενη αυτανάφλεξη του μίγματος παρουσιάζει περισσότερες δυσκολίες. Όταν ο κινητήρας λειτουργεί με χαμηλό φορτίο, η θερμοκρασία του καυσίμου καθώς και η συγκέντρωση του στο μίγμα είναι χαμηλή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να παρουσιάζονται δυσκολίες στην ανάφλεξη του μίγματος και γενικά μειωμένη απόδοση της καύσης. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε αυξημένες εκπομπές άκαυστων υδρογονανθράκων (HC) καθώς επίσης και σε μείωση του ποσοστού μετατροπής του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) σε διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ). [13] Παρουσιάζουν δυσκολία στην παρασκευή ομοιογενούς μίγματος, καθώς και δυσκολία/ αδυναμία λειτουργίας σε πολύ χαμηλά και πολύ υψηλά φορτία. [12] 6.5 Έλεγχος Στη λειτουργική κατάσταση του κινητήρα με HCCI δεν μπορεί να γίνει απευθείας έλεγχος της ανάφλεξης του μίγματος, όπως συμβαίνει στους κινητήρες με σπινθηριστή. Έτσι, μία πρόκληση είναι να ελεγχθεί η χρονική στιγμή που αρχίζει η καύση, καθώς και ο λόγος της θερμότητας που εκλύεται απ αυτή για ένα ευρύ φάσμα λειτουργικών καταστάσεων του κινητήρα [13]. Για να επιτευχθεί η δυναμική λειτουργία ενός τέτοιου κινητήρα το σύστημα διαχείρισης πρέπει να αλλάζει τις συνθήκες υπό τις οποίες πραγματοποιείται η καύση. Για τον λόγο αυτό, το σύστημα διαχείρισης του κινητήρα πρέπει να ελέγχει τον λόγο συμπίεσης, τη θερμοκρασία και την πίεση του εισαγόμενου αέρα, τον λόγο αέρακαυσίμου και το μεταβλητό χρονισμό των βαλβίδων. [12] 6.6 Ισχύς Και στον βενζινοκινητήρα και στον πετρελαιοκινητήρα η ισχύς μπορεί να αυξηθεί, με την αύξηση της ποσότητας του καυσίμου που εισάγεται στο θάλαμο καύσης. Οι κινητήρες

88 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ αυτοί μπορούν να αντέξουν σε μια αύξηση της ισχύος, διότι ο ρυθμός με τον οποίο εκλύεται η θερμότητα από την καύση του μίγματος είναι σχετικά αργός σε αντίθεση με τους κινητήρες HCCI όπου το καύσιμο μίγμα καίγεται ακαριαία. Η αύξηση του λόγου αέρακαυσίμου στον κινητήρα HCCI έχει ως αποτέλεσμα ακόμη υψηλότερες μέγιστές πιέσεις και μεγαλύτερο ποσό της θερμότητας που εκλύεται. Ένας τρόπος για την αύξηση της ισχύος είναι η χρήση καυσίμων τα οποία παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες κατά την αυτανάφλεξη. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των μέγιστων πιέσεων που αναπτύσσονται και του ποσού της θερμότητας που εκλύεται, καθιστώντας έτσι δυνατή της αύξηση του λόγου ισοδυναμίας. Ένας άλλος τρόπος είναι η θερμική διαστροματοποίηση του μίγματος, έτσι ώστε να καίγεται σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, μειώνοντας έτσι τον λόγο της θερμότητας που εκλύεται και αυξάνοντας την ισχύ. Ένας τρίτος τρόπος είναι ο κινητήρας να λειτουργεί στην κατάσταση HCCI μόνο σε συνθήκες μερικού φορτίου. Η θερμική στρωματοποίηση του συμπιεσμένου μίγματος για να γίνει εφαρμόσιμη απαιτούνται περαιτέρω έρευνες, ενώ πιο εντατικά μελετάται η εφαρμογή της τρίτης περίπτωσης (λειτουργία HCCI μόνο σε συνθήκες μερικού φορτίου). [12] 6.7 Ρύποι Η λειτουργία του κινητήρα HCCI με φτωχό μίγμα έχει ως αποτέλεσμα οι μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας να είναι μικρότερες, σε σχέση με αυτές των συμβατικών κινητήρων (βενζινοκινητήρας-πετρελαιοκινητήρας). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ο κινητήρας να κινείται σε πολύ χαμηλά επίπεδα εκπομπής οξειδίων του αζώτου (NOx), σε σχέση με τους συμβατικούς κινητήρες και κυρίως τον πετρελαιοκινητήρα. Ωστόσο, οι χαμηλές μέγιστες θερμοκρασίες, στις οποίες λειτουργεί ο κινητήρας, έχουν ως αποτέλεσμα την ατελή καύση του μίγματος, ιδιαίτερα κοντά στα τοιχώματα του κυλίνδρου, με αποτέλεσμα την εκπομπή μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και άκαυστων υδρογονανθράκων (HC) σε σχετικά υψηλά επίπεδα, σε σχέση με τον βενζινοκινητήρα πριν τον καταλύτη. [12]

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 89 6.8 Διαφορά ελεγχόμενης αυτανάφλεξης από την κρουστική καύση (πειράκια) Σε ένα κινητήρα HCCI, το καύσιμο μίγμα δέχεται υψηλή συμπίεση από το έμβολο του κινητήρα, με αποτέλεσμα να αυταναφλέγεται και να καίγεται σχεδόν ακαριαία. Μέχρι τη στιγμή της ανάφλεξης του μίγματος, οι διαφορές πίεσης που υπάρχουν μεταξύ των διάφορων πεδίων του αερίου είναι σχεδόν αμελητέες, δεν υπάρχει διάδοση κάποιου κρουστικού κύματος, άρα δεν δημιουργείται κρουστική καύση. Ωστόσο, κατά τη λειτουργία σε υψηλά φορτία (υψηλός λόγος αέρα-καυσίμου) είναι πιθανή η εμφάνιση κρουστικής καύσης ακόμη και στον κινητήρα HCCI. [12] 6.9 Εφαρμογές HCCI Μια εφαρμογή του κινητήρα HCCI έγινε από την αυτοκινητοβιομηχανία της Mercedes και συγκεκριμένα στο μοντέλο Mercedes-Benz DiesOtto F 700. Πρόκειται για ένα τετρακύλινδρο εν σειρά κινητήρα, χωρητικότητας 1.8 λίτρων, με μέγιστη ισχύ τα 175 Kw (235 Hp) και μέγιστη ροπή τα 400 Nm. Ο κινητήρας αυτός παράγει ανά λίτρο κυβισμού 97 Kw ισχύ (97 Kw/L) και 220 Nm ροπή (220 Nm/L) με τις στροφές να μην καθορίζονται από τη Mercedes. [14] Τον καινοτόμο αυτό κινητήρα χαρακτηρίζουν τα παρακάτω: Δυνατότητα λειτουργίας με Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). Μεταβλητός χρονισμός βαλβίδων. Δύο υπερτροφοδότες μεταβλητής γεωμετρίας (Variable Geometry Turbo). Μεταβλητός λόγος συμπίεσης (Variable Compression Ratio). Άμεση έγχυση καυσίμου (Direct Fuel Injection). 6.10 Λειτουργία Όταν ο κινητήρας έχει μικρές απαιτήσεις σε φορτίο (λίγες έως μέσες στροφές), λειτουργεί σε κατάσταση HCCI. Σε υψηλά φορτία, λειτουργεί όπως και ο κανονικός βενζινοκινητήρας, δηλαδή για την ανάφλεξη του μίγματος χρησιμοποιείται σπινθηριστής (μπουζί) εκμεταλλευόμενος ταυτόχρονα όλα τα οφέλη που παρέχει η άμεση έγχυση του καυσίμου, η υπερπλήρωση και ο μεταβλητός χρονισμός των βαλβίδων, ώστε να μεγιστοποιήσει την

90 Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ απόδοση του. Οι δύο αυτές διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας επιτυγχάνονται με τη δυνατότητα που παρέχει ο κινητήρας αυτός για μεταβλητό λόγο συμπίεσης. Ο κινητήρας αυτός ο οποίος είναι τοποθετημένος στην S-Class όπως αναφέρουν τα στοιχεία φέρεται να καταναλώνει 6 Lt/100 Km χωρίς πάλι να αναφέρονται οι λειτουργικές συνθήκες του κινητήρα υπό τις οποίες συμβαίνει αυτή η κατανάλωση. [14] Σχήμα 9. F700 by Mercedes DiesOtto engine 7 7 ΤΙ ΠΡΟΒΛΕΠΕΤΑΙ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ 7.1 Υβριδικά και Ηλεκτρικά οχήματα Ήδη στο εξωτερικό κινούνται σε ρυθμούς αλλαγής στον τρόπο μετακίνησης με μέσα μαζικής μεταφοράς, μιας και στα επόμενα 10-15 χρόνια υπολογίζεται ότι πάνω από τα μισά οχήματα θα στηρίζονται στην ηλεκτροκίνηση. Αυτό μπορεί να είναι από ένα απλό σύστημα stop start μέχρι τα υβριδικά οχήματα (HVs: Hybrid Vehicles, Plug-in HVs) ή τα καθαρά ηλεκτρικά οχήματα (EVs: Electric Vehicles). Το σύστημα «stop-start» θέτει αυτόματα εκτός λειτουργίας τον κινητήρα του οχήματος, όταν αυτός πρόκειται να λειτουργήσει στο «ρελαντί», κάτι που συμβαίνει όταν το όχημα ακινητοποιείται σε κάποιο φωτεινό σηματοδότη ή γενικά όταν υπάρχει κυκλοφοριακή συμφόρηση και το όχημα πρόκειται να ακινητοποιηθεί. Όταν ο οδηγός πατήσει το πεντάλ του συμπλέκτη, ο κι- 7 http://www.greencarcongress.com/2007/09/mercedes-benz-i.html

ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΡΟΝΙΚΑ Νοέμβριος - Δεκέμβριος 2010 91 νητήρας ενεργοποιείται ξανά. Με το σύστημα αυτό γίνεται εξοικονόμηση καυσίμου και παράλληλα μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, καθώς και μείωση του θορύβου. Όσον αφορά στα υβριδικά οχήματα, βρίσκονται ένα στάδιο πριν τα καθαρά ηλεκτρικά οχήματα, μιας και το υδρογόνο θεωρείται ότι έχει πολύ μέλλον ακόμη μέχρι να χρησιμοποιηθεί στην καθημερινότητα ως πηγή ενέργειας στην αυτοκίνηση. Στη Μεγάλη Βρετανία, η κυβέρνηση και οι αρμόδιοι θεωρούν δεδομένη τη διείσδυση των υβριδικών και των ηλεκτρικών οχημάτων στην αγορά και τις καθημερινές μετακινήσεις των πολιτών (υπολογίζεται ότι τα ηλεκτρικά οχήματα θα καλύψουν το 10-15% της αγοράς) και για τον λόγο αυτό ενίσχυσαν με 110 εκατομμύρια λίρες τον τομέα έρευνας και ανάπτυξης των ηλεκτρικών και των υβριδικών οχημάτων. Τα προβλήματα που καλούνται να επιλύσουν αφορούν στην κατασκευή δικτύων ηλεκτρισμού από τα οποία θα τροφοδοτούνται με ηλεκτρική ενέργεια τα ηλεκτρικά οχήματα. Το δίκτυο ηλεκτρισμού που θα κατασκευαστεί θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να ανταποκριθεί και στο μέλλον, όπου προβλέπεται να αυξηθεί ο αριθμός των ηλεκτρικών οχημάτων που θα κυκλοφορούν. Με βάση τον αριθμό των ηλεκτρικών οχημάτων και την απαίτηση σε KWh για τη φόρτιση κάθε μπαταρίας, υπολογίζουν την ηλεκτρική ισχύ που πρέπει να έχει το δίκτυο, ώστε να ανταποκριθεί στα νέα δεδομένα (16-22 KWh απαιτούνται για τη φόρτιση μιας μπαταρίας σημερινής τεχνολογίας, χρησιμοποιώντας το ηλεκτρικό δίκτυο της πόλης, και με βάση τον αριθμό τον ηλεκτρικών οχημάτων, αν όλα αυτά φορτίζονταν σε μία νύχτα, θα απαιτούνταν 2GW ηλεκτρικής ισχύος, πράγμα που αποτελεί απότομη αύξηση της ανάγκης σε ηλεκτρική ισχύ από το δίκτυο ). [15] Επειδή στόχος είναι η χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων στις αστικές περιοχές οι αρμόδιοι προτίθενται να κατασκευάσουν έξυπνους ηλεκτρικούς σταθμούς ανεφοδιασμού, στους οποίους τα ηλεκτρικά οχήματα θα φορτίζουν τις μπαταρίες ή θα τις αντικαθιστούν. Σε αυτό, σημαντικό ρόλο θα παίξει και η νέα γενιά μπαταριών, η εξέλιξη των οποίων θα στηρίζεται στη νανοτεχνολογία και η φόρτιση τους θα διαρκεί μόνο λίγα λεπτά, ενώ θα παρέχουν μεγαλύτερη αυτονομία. Ήδη, η αμερικάνικη εταιρεία κατασκευής μπαταριών ALTAIRNANO έχει κατασκευάσει ένα τέτοιο τύπο μπαταριών εν ονόματι NanoSafe, όπου στην ουσία πρόκειται για μια μπαταρία Λιθίου-Τιτανίου, η φόρτιση της οποίας διαρκεί μόνο