Kapitola III. Nové technologie pro energetický management vozidel

3.1 Nové motory
Celosvětově stoupající poptávka po osobních automobilech je spojena s obavou o zvyšování skleníkových plynů, kde zplodiny dopravních prostředků hrají nemalou roli.  Velké vědecké týmy a výrobní inženýři pracují na vývoji nových pohonných hmot a lepším využití stávajících fosilních paliv. Technologie jako přímé vstřikování paliva, variabilní časování ventilů a deaktivace válců může snížit hlavní zdroje energetických ztrát motoru: odpadní teplo a tření motoru.
Citelný nárůst cen pohonných hmot směřuje zákazníky k nákupu vozidel s lepším výkonem, však současně cenové relace těchto automobilů jsou vysoké pro běžného zákazníka.
Moderní motory s vnitřním spalováním pohánějí celou řadu osobních a nákladních automobilů, motocykly a motorové čluny. Nejvýkonnější benzinové jmotory dnes běžně vyráběných automobilů převedou jen 20 -25 % chemické energie paliva na práci. Moderní dieselové nebo benzín-elektrické hybridní motory mohou dosahovat 25-35 % využití paliva, však na úkor vyšší ceny. V současné době hybridní automobily s vodíkovým/elektrickým  pohonem dokážou převést až 60% energie z plynného vodíku na hybnou sílu.
Kde je možno ztracenou energii získat zpět? Existuje několik možnosti v provozu vozidla, kde jde reálně unikající energií získat zpět (Tabulka 3.1). Největší ztráty se vyskytují za provozu motoru, a to tepelné ztráty motoru přímo, okolo 40%, a ztráty na výfuku okolo 20%. Pak následují ztráty při chodu motoru na prázdno, zrychlování a pumpovací ztráty, vše okolo 25 %. Ztráty na trakci, což jsou především odpor pneumatik k vozovce, aerodynamické tření a hmotnost vozidla, pojmou dalších až 15%.  
Výkon může být vylepšen ve všech vzpomínaných oblastech, i velmi malé vylepšení může vést v důsledku k značným úsporám na palivu.
Z hlediska ekonomického je stále nejvýhodnější alterovat motor, kde při přijatelných nákladech získáme dlouhodobě až 12% úspory na palivu. Frikce součástek motoru je jedním z faktorů, které je slibné upravit, a to geometrií pohybujících se částí, lubrikanty a design. 
 
Tab. 3.1. Řešení energetických ztrát provozu vozidla

 

Místa ztrát energie

% možný zisk energie

Řešení

odpadní teplo motoru

20

Nové typy motorů (přímé vstřikování, vysokotlaká spalovací komora)

třecí teplo motoru

15

Vylepšení geometrie součástí, lubrikanty

teplo na výfuku
 

20

Turbonabíječ (zásobuje motor stlačeným vzduchem=lepší spalování

trakční

15

Změna aerodynamiky a hmotnosti vozidla, snížení odporu pneumatik

volnoběh, zrychlování

20

Klidový ventil, stop-start systém, deaktivace válce

převodovka

10

6-ti rychlostní, kontinuální převod,  duální spojka,
 

 
V budoucnu je snaha sestrojit „super motor”, který bude mít tyto přednosti: přímé vstřikování paliva, s kontinuálně variabilním časovačem pístové záklopky, v kombinaci s hybrid-elektromotorem a turbonabíjením.  V tomto hypotetickém systému  samotné baterie budou použity pro malé rychlosti jízdy, později  při vyšších rychlostech bude motor přepínat mezi různými módy a různými cykly pro spalovací motory (např. Atkinsonův nebo Ottův cyklus), jež konvenční motory používají pouze jeden.
Hybridní motor a turbonabíjení budou poskytovat přímo energii při zrychlování. Výfukové plyny, které jsou zdrojem energie, budou zachycovány k výrobě elektřiny , kterou bude nabíjena baterie. Optimalizace motoru na polovinu až třetinu současné velikosti a snížení frikčních ztrát přinese značné úspory. Další klíčovou záležitosti bude vyvinutí softwaru, který bude řídit a určovat nejvhodnější provozní parametry při různých rychlostech a okolních podmínkách. [1, 2]
 
3.2    Automobilové baterie pro elektromotory
Pro současné požadavky na hybridní/elektrická vozidla je důležitý vývoj automobilových baterií. Problematika CO2 znečištění, a tím pádem znečištění velkých urbanizovaných míst, může být řešena z hlediska transportu nahrazením vozidel se spalovacími motory (internal combustion engine (ICE)) ideálně vozidly s nulovými emisemi jakými jsou elektromobily (electric vehicles (EVs)), nebo  s řízenými emisemi hybridní elektrická vozidla (full hybrid electric vehicles (HEVs)) anebo elektromobily tzv. do zástrčky (plug-in electric vehicles (PHEVs)).
V současnosti hybridní automobily více dostupné než automobily typu plug-in, které je však možné předělat na úspornější plug-in. Například nejprodávanější Toyota Prius vybavená dalšími bateriemi, které mohou mít uloženo dva až sedmkrát více energie než ty původní, bude mít spotřebu 4 až 2,8 l na 100 km. Energie použita z baterie je přímou úměrou velikosti a typu baterie.
Střední složitelnosti energie dosáhneme s běžnými olověnými bateriemi na bázi kyselin. Tyto baterie jsou schopny ukládat okolo 2 – 3 kWh. Hlavní výhodou těchto baterií je cena, dále pak poměrně neškodný provoz a bezpečnost. Životnost olověných baterií není příliš vysoká ve srovnání s jinými typy baterií jak i množství uložené energie je poměrně nízké, což vede k aplikaci větší a těžších sad v automobilu.
Velké množství energie jsou schopny uložit Li-iontové baterie, které se blíží hodnotám 10kWh.
PHEVs využívající Li-baterie jsou lehčí, protože tyto baterie poskytují dostatečné množství energie v menším počtu namontovaném do vozidla. V elektrickém modu je možné vozidlo provozovat na vzdálenost 40 až 60 km. Nevýhodou je pořizovací náklad. Samotné baterie pro vozidlo se v současnosti pohybují okolo $ 10 000. Bezpečnost a životnost baterií je rovněž diskutabilní.
Střední energetický přínos poskytují nikl-kov hybridní (NiMH) baterie. PHEVs s těmito bateriemi mají energií okolo 4 až 5 kWh. Výhodou těchto baterií je, že výkon, životnost a bezpečnostní charakteristiky jsou již dobře pochopeny a zvládnuty po stránce technologické. Nevýhodou stále zůstává nižší skladovací kapacity než u Li-baterií. [3]

Pokročilé automobilové technologie předpokládají využití iontových lithiových baterií. Tyto baterie procházejí vývojem, kde největší důraz se klade na výkon, hmotnost a finanční náklady.  
Vývoj se ubírá dvěmi směry, baterie na bází fosfátové chemie mají zachovávat schopnost nabíjení  baterie, a baterie Li-ion , které budou umožňovat vylepšení specifické energie a výkonu baterie o 2% ročně.
Výrobci automobilů vyžadují baterie, které budou mít životnost 15 let a vydrží nabíjení 5000 cyklů, což je o podstatně více než současně dostupné lithiové v běžných zařízeních umožňují. Cílem je cenová relace 300 $ za použitelnou kW/h uložení pro baterii, která bude napájet automobil na vzdálenost 60-ti km. V květnu 2010 bylo americkým General Motors oznámeno, že jejich baterie jsou schopny pokořit  65 -ti km pomyslnou hranici jízdy na elektřinu. Poté se automaticky nastartuje motor na běžné pohonné hmoty. První baterie budou namontovány do vozidla Chevrolet Volt electric, které představuje úplně novou generaci amerických automobilů, nejen úspornou ale i „zelenou“ variantu.
Výzkum v oblasti baterií je neustále velmi populární a produktivní. Jsou navrhovány další alternativy z jiných než konvenčních materiálů. Lithium-ion baterie mají výbornou hustotu energie a proto jsou atraktivním zdrojem energie pro elektrická vozidla a přenosnou elektroniku. Obsahují však anorganické elektrody,  které  jsou vyrobeny z omezených zdrojů minerálů a navíc se vyrábějí neekologickým způsobem, a to vysokoteplotním procesem. Výzkum se v současnosti zaměřuje na udržitelné zdroje materiálů a  oxocarbony , které byly shledány jako velice slibné pro materiál kladné elektrody.
Redox-aktivní Li-organická sůl, připravena z obnovitelných zdrojů, byla použita jako materiál elektrody pro lithium-ion baterie.  
Tetralithium oxocarbonová sůl Li4C6O6 byla připravena přímo z tetrahydroxybenzochinonu, který může být připraven v podobě vodného roztoku z cukru rostlin. Může být také připravena z dilithné soli  (Li2C6O6)  zahřátím v inertní atmosféře. Tato disproporcionální reakce v pevné fází je neobvyklá pro organické sloučeniny. Testy této sloučeniny pro kladnou elektrodu Li- baterie vykazují dobré elektrochemické parametry a reverzibilitu. Sůl Li4C6O6  může být redukována na Li2C6O6   nebo oxidována na  Li6C6O6 , proto může být použita pro konstrukci symetrických Li- článků (Obr. 3.1).

Obr.  3.1.  Schéma organické Li baterie s organickými molekulami na jednotlivých pólech článku při pracovním procesu.

I když pracovní napětí těchto článku je ještě příliš malé pro praktické využití, tato chemická substituce nabízí řadu možnosti jak modulovat oxidačně-redukční potenciál [4,5].
Vrstevnaté Li - Ni-oxidy Li[Ni1-xMx]O2 (M=kov) jsou také žhavými kandidáty na materiál katody. Mají vysokou kapacitu a výborný poměr kapacita-cena. Jejich nevýhodou je nízká tepelná výdrž a krátký životní cyklus baterie, což snižuje jejich použitelnost v současné praxi. Nikl poskytuje materiálu vysokou kapacitu, oproti tomu mangan a kobalt zlepšují termální stabilitu baterie. Při zátěžových testech tento materiál dosáhl parametrů kapacity okolo 209 mA h g-1 a uchoval si 96% své kapacity po dobu 50-ti nabíjecích-vybíjecích cyklů testovací baterie [6].  
Dalším materiálem přitahujícím pozornost z hlediska aplikace pro baterie je ten, kde je křemík použit jako anodový materiál. Křemík vykazuje při provozu nízký vybíjecí potenciál a nejvyšší známou teoretickou kapacitu nabíjení (4200 mA h g-1). Omezení křemíku je ve velké objemové změně, a to až o 400% během vstupování a vystupování lithia do křemíkové struktury během práce, což má za následek práškovatění  křemíku a ztrátu použitelné kapacity. Řešení se nabízí v podobě křemíkových nanodrátků, z nichž vyrobené elektrody mohou akumulovat vysoké pnutí a jako přídavek poskytují dobrý elektrický kontakt a elektrickou vodivost materiálu [7].
 
3.3    Vozidla budoucnosti: Elektromobily, Hybridy a malá vozidla
Nejen z hlediska energie, ale i ekologicko-ekonomický faktor trh nutí výrobce automobilů poohlížet se po nových typech a možnostech, jak uspokojit náročného zákazníka. Již několik desetiletí inovační laboratoře vyvíjejí pokročilé typy vozidel. Patří mezi ně elektromobily, čili vozidla na elektrický pohon, hybridní automobily s možnosti řízeného přepínání mezi klasickým spalinovým motorem a elektromotorem , a také vozidla, která jsou úsporná svojí velikosti a technologiemi paliva.
Elektromobily
V současné době vývoj v oblasti elektrických vozidel prudce roste. V podstatě každý měsíc oznamují světové automobilky uvedení na trh nového automobilu s elektrickým motorem.
Za elektrické vozidlo je považován takový dopravní prostředek, který je poháněn elektrickým motorem místo motoru benzinového/dieslového.  Elektrický motor alteruje energii s pomocí řídící jednotky, která řídí množství elektrické energie na základě zrychlování nebo zpomalování jízdy řidiče.  Elektrické automobily (electric vehicle - EV) používají energii z nabíjecích baterií, které jsou nabíjeny z běžné domácí elektrické sítě. Historický vývoj těchto vozidel provázela řada problémů, nevýhodou byla krátká vzdálenost dojezdu na baterii, příliš dlouhé nabíjení baterie, a také nedostatek výrobců ochotných vyvíjet tyto automobily na úrovni benzínových.
Dnešní elekromobily jsou podstatně pokročilejší. Nabíjení baterie  trvá jen několik hodin oproti dřívějším dnům. Velkou výhodou je nezávislost na čerpací stanici, prakticky bezúdržbový provoz vozidla a bez nutnosti kontroly emisí.
Elektrické motory vyvíjejí svůj nejvyšší kroutivý moment od 0 rpm , což je dělá rychlými při zachování tichého provozu zároveň.
Už pár let jezdí po silnicích elektromobily Reva (Obr. 3.2) indického původu. Pohánějí ho buď klasické olověné nebo Li-ion baterie a podle toho se taky rozlišuje jeho výkon, 70 km nebo až 200 km dojezd.  Luxusní provedení dokáže vyvinout rychlost až 120km/h . Nejdůležitějším parametrem je 0% emisí vyrobených tímto úsporným elektrickým vozidlem.

 
Obr. 3.2. Elektromobil Reva na trhu od roku 2001.
 Ale i velké automobilky jakými jsou BMW a Toyota mají ve svém portfoliu elektromobily.
BMW chce v roce 2012 uvést na trh Megacity, který si dal 160 km laťku a vyrobí vozidla v omezené sérii.  Toyota iQ je větší vozidlo než americký Smart ForTwo, který v elektrické podobě nabídne  90-ti km dojezd a také 90km/h rychlost. Dalšími renomovanými společnostmi uvádějícími na trh elektromobily jsou Nissan (Nissan Leaf), Ford (Ford Focus EV and Transit Connect Electric) nebo  Mitsubishi (Mitsubishi iMiEV).
Další elektromobily nabízí např. Toyota , která se spojila s výrobcem elektromobilů Tesla. Výroba bude směřovat nejen k čistě elektromobilům ale i hybridním automobilům, které budou v následujících letech hrát důležitou roli na silnicích.
Hybridní vozidla
Hybridní automobily mají jak motor elektrický a nabíjecí baterie, tak běžný spalovací motor na benzín (Obr. 3.3). Jejich výkon oproti běžnému automobilu je zvýšen o 50%. Zabudovaný počítač vykonává funkci přepínače mezi motory a reguluje výkon automobilu.
Obr. 3.3. Práce motorů hybridního vozidla v různých módech provozu (modifikované z [3]).

Toyota Prius je v současnosti nejprodávanějším vozidlem této kategorie. Dalšími vozidly  ve formě hybrid jsou Honda Insight a Honda Civic, Toyota Camry , Ford Fusion a Ford Escape, Hyunday Accent a Hyunday Sonata a mnoho jiných.
Hybridní vozidla tzv. do zástrčky (plug-in) ( PHEVs) poskytují výhody elektrického automobilu, a zároveň si uchovávají jízdní vlastnosti běžného automobilu. PHEVs je provozován prakticky po celou dobu běžného provozu (městský a pomalý provoz) v elektrickém módu. Po vyčerpání energie z baterie spalovací motor je používán na dobíjení baterie za provozu
vozidla a nebo převezme řídící roli primárního zdroje energie vozidla do doby než budou baterie dobity.
Existují i typy PHEVs, které používají spalovací motor pouze pro dobíjení baterií, a ne na pohon vozidla, jsou nazývány pokročilá elektrická vozidla (Extended-Range Electric Vehicles  zktratkou E-REVs)
Stále jsou však diskutabilní některá fakta o PHEVs.
Zda váha baterie navíc je příliš zásadní pro provoz vozidla. Řešení bývá v redukci váhy spalovacího motoru. Při vysokých rychlostech je spotřeba paliva ovlivňována především aerodynamikou vozidla, proto výkon je minimálně ovlivněn zátěží navíc, kterou se dá přirovnat k jednomu nebo dvěma pasažérům navíc.
Finanční otázka přidaných baterií zvyšující pořizovací cenu takového vozidla je řešena nákupem tzv. „Ve velkém objemu“ výrobcem automobilů. Cena takto pořízených NiMH nebo Li-baterií navýší cenu vozidla jen o několik tisíc dolarů oproti v současné době prodávaným hybridům. Nabíjení těchto baterií je výhodné v nočních hodinách, levnější elektřinou. Při sečtení všech provozních nákladů vozidla (palivo, servis a údržba) za jeho životnost zjistíme, že vyšší pořizovací náklady budou vyrušeny a provoz vozidla se stává celkově levnějším ve srovnání s běžným např. benzínovým automobilem.
Elektřina, která je použita na dobití baterií z běžné domácí sítě je vždy „zelenější“ než energie potřebná pro provoz vozidla s čistě spalovacím motorem vyrobena z paliva.  Elektřina v nočních hodinách je většinou dodávána z „čistějších elektráren“ jakými jsou vodní elektrárny a elektrárny na zemní plyn. V budoucnosti , kdy PHVEs budou mít na střeše vozidla namontovány fotovoltaické články, ze kterých budou dobíjeny baterie, budou tyto automobily fakticky bez emisí [3, 9].
Srovnání některých výkonů výše diskutovaných automobilů:

-    Hybridní automobil dosáhne na dvojnásobek ekonomického využití paliva ve srovnání s konvenčním automobilem stejné velikosti a kapacity
-    Plug-in hybridní automobil získá okolo dvojnásobku ekonomické spotřeby paliva než  konvenční hybridní vozidlo
-    Plug-in hybridní automobil provozovaný na biopalivo (např. 85% ethanol nebo biodiesel) může eliminovat využívání benzínu
Další zajímavou technologií v oblasti managementu energie vozidel je tzv. stop-start hybridní vozidlo.  Je to nejjednodušší typ úspory s vložením minimálních technologických inovací do stávajících vozidel a mohl by se stát běžným dopravním prostředkem v nejbližší budoucnosti několika let.
 Je složen z jednoduché jednotky ukládající energii, nejčastěji baterie,  a silnějšího a rychleji reagujícího startéru motoru, který může fungovat jako generátor.
Stop-start systém je nazýván rovněž volnoběh-stop systém, protože nespaluje palivo a neprodukuje emise, které běžný motor při volnoběhu vyrábí (Obr. 3.4).
 

Obr. 3.4. Provoz vozidla s technologií stop-start (modifikované z [3]).

V praxi řídící jednotka  automobilového motoru vypne motor již v době kdy automobil zpomaluje nebo  postupně brzdí. Jakmile řidič zmáčkne spojku pro změnu rychlostního stupně  anebo začne zrychlovat   baterie nabije startér motoru, který rychle nastartuje motor.
Stop-start systém je nejlevnější alternativa hybridního vozidla. Adaptací do velkého množství vozidel je možno snížit a optimalizovat spotřebu paliv a tím výrazně přispět k snížení emisí z volnoběhového provozu vozidla, což je nezanedbatelný problém každého velkoměsta [3, 9].
Řada výrobců automobilů zavedla tento systém do svých vozidel již kolem roku 2005. Patří  mezi ně  BMW, Peugeout, Mazda, Citroen a další.
Malé automobily
Z hlediska finačních úspor na čerpací stanici nebo redukci emisí je důležité neopomenout velikost vozidla. Větší vozidla mají ze zásady i větší hmotnost, což je důležitým parametrem spotřeby paliva.
Těžší vozidlo potřebuje více energie a tudíž spotřebovává i více paliva na zrychlování.
Je důležité analyzovat pro jaké účely vozidlo provozujeme, kolik osob ve vozidle běžně cestuje a jak velkou rychlostí v průměru jezdíme.
Malá vozidla jsou s výhodou využívána v městském provozu pro jedno až dvou osobové obsazení. Z nejznámějších malých aut stojí za zmínění Smart ForTwo , Toyota Yaris, Mini Cooper a také nedávno uvedený na trh Nano firmy Tata motors.
Malý Nano je v luxusním provedení 635kg těžký a měří na délku 3m. Objem motoru je 630 cm3 (dvou cylindr) při objemu nádrže 15l a dokáže vyvinout nejvyšší rychlost 105 km/h. Ve vozidle mohou cestovat 4 pasažéři.

Obr. 3.5. Automobil Nano firmy Tatamotors
3.4.  Vodíkové palivo a palivové články pro vozidla
  Vodík může být využíván pro provoz automobilu dvěmi způsoby. Může být spalován jako palivo v interním spalovacím motoru, který je v podstatě modifikovaný benzínový motor.
Druhou možností je využití v palivových článcích. Vozidla provozovaná na H-palivové články můžou doplnit palivo v době několika minut. A také stejně jak běžné hybridy tyto vozidla uchovávají energií z brždění v bateriích pro pozdější využití. Podstatou palivových článků je technologie vodíku.
Vodík je nosičem energie a ne jejím zdrojem, proto ukládá a doručuje energii v použitelné podobě.  Může být vyráběn s použitím běžně dostupných zdrojů včetně fosilních paliv (jako přírodní plyn a uhlí), obnovitelných zdrojů energie (solární a větrná energie, biomasa) a nukleární energie.
Vodík je velmi čistou energii, neznečišťuje prostředí skleníkovými plyny a dalšími polutanty ovzduší.
Má dva až třikrát vyšší účinnost než tradiční spalovací technologie. Konvenční spalovací benzínový motor v automobilech má účinnost okolo 20% v převodu chemické energie na sílu, která pohání vozidlo za normálních provozních podmínek.
Vodíkové palivové články vozidel, které používají elektrické motory, jsou mnohokráte energeticky účinné a využívají 40-60 % energie paliva, jež koresponduje s více než 50% redukcí spotřeby paliva ve srovnáním s konvenčním motorem s vnitřním  spalováním. Dále je výhodné

to, že palivové články fungují velmi potichu, mají méně pohyblivých částí a jsou použitelné v řadě dalších aplikací.
Plánem pro rok 2010 bylo dosažení gravimetrické kapacity 2 kWh/kg při 0,06 kg H2/kg systému použitelné energie a objemové kapacity 1,5 kWh/l při 0,045 kg H2/l systému použitelné energie.   
Požadované okolní teplotní podmínky jsou v rozmezí –30/50 °C (na slunci) a tepelná zátěž při provozu vozidla –40/85 °C.
Přechodový výkon motoru s H-pohonem je daný možnostmi systému uložení od plné nádrže až po skoro prázdnou. Dva hlavní faktory se poměřují pro tento systém, a to čas tankování a minimální plný průtok. Čas tankování systému, který je exotermním procesem, je silně závislý na termodynamických vlastnostech materiálu. Například entalpie vzniku hydritu anebo absorpční teplo jsou důležitými parametry. Další podstatnou hodnotou u plnění systému jsou výkon tepelného managementu systému pro odvod tepla a jeho vyvedení ze systému.
Jak vodíkový článek funguje? Jednotlivé články jsou složeny elektrolytu umístěného mezi dvě elektrody, anodu a katodu. Bipolární pláty na krajích článku pomáhají distribuovat plyny a slouží jako sběrače jinak kolektory proudu. V palivových článcích typu PEM (Polymer Electrolyte Membrane), které jsou všeobecně považovány za nejvíce slibné co se týče nenáročného transportu, vodík proudí kanálky k anodě, kde katalyzátor rozdělí molekuly vodíku na protonovaný H+ a elektrony. Membrána dovoluje kladným částicím průchod a proud záporných elektronů proudí do externího obvodu katody. Tento tok elektronů je elektřina, která je následně použitá na práci motoru. Na druhé straně článku plynný kyslík, běžně dodávaný z okolní atmosféry prochází kanálky katody. Když se elektrony po výkonu práce vracejí, reagují s kyslíkem a protonovaným vodíkem (který prošel skrz membránu) na katodě a vytvářejí vodu. Tato reakce je exotermní a vyrobené teplo může být použito pro další účely mimo článek.

Obr. 3.6. Vodíkový palivový článek.
 
3.5  „Zelená“ paliva-biopaliva
Práce vyrobená palivovým článkem záleží na několika faktorech. Mezi tyto faktory můžeme zařadit typ palivového článku, velikost, teplotu,  která je potřebná pro provoz a tlak při kterém jsou plyny dodávány. Jediný palivový článek vyrobí asi 1volt , což je elektřina stěží postačující pro tu nejmenší aplikaci. Proto individuální články jsou spojené do série, a tak jejich výkon po sečtení je využitelný
 (Termín palivový článek - “fuel cell” se často vztahuje k sérii článků v celku ale i jedinému článku).  V závislosti na aplikaci články mohou být sestaveny jen z několika nebo stovek individuálních článku pospolu. Škálovatelnost dělá palivové články ideální pro široké spektrum aplikací např. laptop (50-100 Watts) vozidlo(50-125 kW), anebo centrální elektrárna (1-200 MW a více) [10, 11].
Fosilní paliva jsou v současné době majoritním druhem pohonu pro vozidla. Je to však zdroj, který se jednoho dne vyčerpá. Civilizace se ovšem nezastaví, a proto je třeba přemýšlet o stále nových, účinnějších alternativách těchto „historických“ paliv.
Vědci se snaží přeměnit zemědělské přebytky, dřevo a rychle rostoucí trávy na různorodá biopaliva, dokonce i palivo pro tryskové motory.
První generace biopaliv
První generace biopaliv je připravena z poživatelných částí biomasy,  kterou primárně v Americe představuje kukuřice a  sojové boby, a v Brazilií cukrová třtina. Rafinerie vyrábějící tato biopaliva jsou ve světě provozovány, jen USA je jich kolem 200. Však paliva první generace nejsou dlouhodobým řešením. Výnos z farem musí uspokojit požadavky lidí, zvířat a jen přebytky jsou zpracovávány do podoby biopaliva.
Tato varianta nastává v době, kdy je dobrá až nadprůměrná úroda, ale v chudých letech by při stejné poptávce vzrostla cena základní suroviny neúměrně a nebo by rafinerie stagnovaly. Dalším negativním faktorem jsou emise těchto biopaliv. Celkové emise pěstování, sběru a výroby kukuřičného biopaliva jsou nezanedbatelné, proto „ekologická vizitka“ paliva je sporná.
 
Druhá generace biopaliv
Druhá generace biopaliv vyrobena z nejedlých částí rostlin je nejvíce přátelská k životnímu prostředí a slibná s ohledem na technologický proces. Většina těchto biopaliv, také nazývaných „grassoline“ z angličtiny grass = tráva, gasoline = benzín, bude vyrobena z lodyh

kukuřice, obilovin, travin a také ze zbytku po zpracování dřeva. Rychle rostoucí traviny a dřeviny jsou souhrnně nazývány „energetická úroda“( anglicky „energy crop“), jelikož jsou pěstovány za účelem výroby paliva. Tyto vstupní suroviny pro biopaliva musí být vyprodukovány za velice nízkých nákladů, jsou běžně dostupné a nejsou ve sporu s produkci potravinových rostlin. Většina rostlin těchto „energetických úrod“ je schopna růst na okrajových  oblastech zemědělských půd, kde pěstování  jiných plodin není rentabilní. Některé z těchto rostlin poslouží dvakrát, jako například rychle rostoucí vrba, která dekontaminuje půdu znečištěnou odpadními vodami nebo těžkými kovy.
Novější cestou jak získat biopalivo, oproti původní fermentaci organické hmoty, je štěpení celulózy.
Celulóza je vytvořena přírodou tak, aby dala rostlině strukturu. Materiál je sestaven z pevných systémů vzájemně uzamčených molekul, které umožňují vertikální růst rostlině.

Obr. 3.7.  Trvaviny pro výrobu biopaliv
V zásadě tento proces zahrnuje nejdříve rozbití pevné biomasy na menší molekuly a pak následuje rafinování do podoby paliva. Destrukce biomasy může mít několik podob. Nízkoteplotní   (50 – 200°C)  metoda vyrábí cukry, které mohou být fermentovány na ethanol a další paliva, velmi podobnou metodou jak jsou dosud zpracovávány kukuřice nebo cukernaté plodiny. Destrukce za vysokých teplot (300-600°C) vyrábí bioolej , který pak může být rafinován na benzín nebo naftu. Extrémně vysoké teploty (nad 700°C) vyrábějí plyn, který může být konvertován na tekuté palivo.  Všechny 3 metody jsou momentálně na jedné startovní čáře, co se týče efektivity výroby. Extrémní teploty budou snad vhodnější pro dřevnou hmotu a nízkoteplotní pro jemné traviny.
Syngas
Vysoce teplotní výroba syngasu (syntetického plynu) je technicky nejvíce pokročilá. Syngas je směsí oxidu uhelnatého a vodíku. Sygas může být připraven z jakéhokoli typu prekurzoru obsahujícího uhlík.  Vyrobený syngas je transformován později na jeden z typických druhů paliv: naftu, benzin nebo ethanol procesem Fischerovy -Tropschovy syntézy.  
Fischer–Tropsch proces je set chemických reakcí, které převádějí  mix CO a H na kapalné uhlovodíky.
V procesu vznikají žádoucí a nežádoucí produkty.
(2n+1) H2 + n CO → CnH(2n+2) + n H2O
kde n je celé kladné číslo. n=1 (methan) je většinou nežádoucí produkt.
První krok výroby syngasu je možno nazvat zplyňováním. Biomasa je v reaktoru zahřívána na teploty vyšší než 700°C. Do reaktoru je přiváděn kyslík nebo vodní pára, která podpoří vznik oxidu uhelnatého, vodíku a dehtového zbytku. Plyn je stlačen a dehet je odstraněn z reaktoru. Stlačený plyn pak proudí skrz speciální katalyzátor, který podporuje žádané reakce. Tato katalytická reakce představuje nemalé náklady, které by mohly úspěch biopaliv ohrozit.
Podobné podmínky, za kterých vznikala ropa v kambrijském období ze zooplanktonu a řas, můžeme vytvořit uměle pro vznik bioropy. V rafineriích se nejdříve zahřeje biomasa na teploty 300 až 600 °C v bezkyslíkové atmosféře. Teplota rozbije biomasu na pevnou hmotu podobnou koksu a bioropu, plus plyny procesu.
Touto metodou vyrobená bioropa je nejlevnější biopalivo na trhu. Proces může být provozován i relativně malou fabrikou, která se bude nacházet blízko pole s biomasou a tím pádem sníží náklady na výrobu. Tato surová nafta je však velmi kyselá a jen velmi obtížně použitelná přímo.
Vědci se snaží vytvořit proces, který by ve dvou fázích  převede nejdříve pevnou biomasu a pak ropu na palivo v jediném reaktoru.
Stále vysokou pozornost přitahuje tradiční mechanizmus výroby biopaliva a to cestou fermentace. Desítky metod a testů bylo odzkoušeno pro degradaci celulózy a hemicelulózy – vláken, která vážou celulózu uvnitř- na cukerné jednotky. Některé z cest předpokládají ohřev biomasy, nebo ozáření gama paprsky anebo pomletí na jemnou břečku či podrobení vysokoteplotní páře. Je rovněž možná genetická modifikace mikroorganizmů, které by prováděly rozklad [12-19].  
Budoucnost syntetického benzinu a nafty je taky spojena s biozdroji mořských řas nebo i komunálního odpadu.

 

There are currently no posts in this category.