Vývoj nákladního vozidla s vodíkovým palivovým článkem

nepublikováno

Cílem projektu je vývoj plně elektrifikovaného nákladního vozidla se zdrojem energie v podobě vodíkového palivového článku. Projekt svým zaměřením reaguje na aktuální potřebu a snahu EU a členských států dlouhodobě a trvale snižovat emise skleníkových plynů ve všech sektorech. Elektrifikace nákladních vozidel se dlouhou dobu jevila jako problematická, ať už z důvodů nedostatečné energetické hustoty baterií nebo náročných podmínek prostředí, v němž jsou nákladní automobily provozovány. Kromě vývoje vodíkového pohonu bude pozornost zaměřena na řešení problémů ovlivňujících užitné vlastnosti vozidla, životnost palivového článku a jeho spolehlivost – eliminace vibrací, vývoje pokročilých vzduchových filtrů a optimalizaci startu za nízkých teplot, na přípravu vozidla pro homologaci a uvedení na trh.

1 Úvod

V roce 2019 byl přijat závazný cíl snížit průměrné emise flotily nových nákladních vozidel o 30 %. Dle dostupných dat z roku 2017 se nákladní vozidla podílela na celkových emisích ze silniční dopravy z 19,2 %, řadí se tedy hned za osobními automobily na druhém místě. Elektrifikace nákladních automobilů se dlouhou dobu jevila být problematická, ať už z důvodů nedostatečné energetické hustoty baterií nebo náročných podmínek prostředí, v němž jsou nákladní automobily provozovány. Pokrok ve vývoji palivových článků a zejména zkušenosti získané během jejich komerčního uplatnění ve vodíkových autobusech ukázaly, že tyto překážky je možné překonat.

Aktivity v projektu se tedy nezabývají jen vývojem elektrifikovaného pohonu pro nákladní automobily, ale jsou zaměřeny zejména na řešení problémů ovlivňujících užitné vlastnosti bezemisního nákladního automobilu. Tyto problémy jsou způsobeny hlavně vnějšími podmínkami prostředí, v němž jsou nákladní vozidla užívána – jedná se především o těžce přístupná místa (lesy), lokality s vysokou prašností (staveniště, doly) a extrémní klimatické podmínky (využití v armádě, hasičský sbor). Výzkumné aktivity projektu se zaměřují na faktory, které negativně ovlivňují životnost palivového článku a tím i spolehlivost vozidla – eliminace vibrací, vývoj pokročilých vzduchových filtrů a optimalizaci startu za nízkých teplot atp. Vodíkový pohon svou podstatou umožní nákladnímu vozidlu dosáhnout obdobných užitných vlastností jako u vozidel s konvenčním spalovacím motorem na fosilní paliva.

Vývoj vozidla probíhá v konsorciu společností s unikátním know-how v rámci České republiky. Společnost ÚJV Řež, a. s. a výzkumná organizace Centrum Výzkumu Řež se dlouhodobě věnují vodíkovým technologiím s využitím v energetice a dopravním sektoru. Řešení navrhovaného projektu přinese společnosti zejména zkušenosti z vývoje nákladních automobilů, které jsou jednou z klíčových aplikačních oblastí vodíkových technologií.

Společnost DEVINN nabyla zkušeností při realizaci předchozích projektů s vodíkovými palivovými články. Průřezově jak s koncepčním návrhem, konstrukcí tak i vlastní realizací. Dosavadní výkony palivových článků nedosahovaly takové výše jako v nákladních automobilech – to je pro společnost velmi vítanou kompetencí. V případě nákladního automobilu a jeho elektrické trakce se jedná o komplexní soubor znalostí, které se realizací projektu prohloubí.

TATRA TRUCKS a.s. získá v rámci svého zapojení do projektu znalosti a zkušenosti pro vývoj prototypů nové generace nákladních vozidel s vodíkovým pohonem, při jejichž konstrukci bude využito inovativních konstrukčních řešení. Produkcí nákladních vozidel s minimálními či nulovými emisemi při zachování jejich potřebné provozní efektivity společnost plánuje zvýšit svou konkurenceschopnost a technologický náskok na trhu. Velkou přidanou hodnotou pro vývoj nového řešení je široká možnost využití vozu značky TATRA. Nový produkt, nákladní vozidlo s vodíkovým pohonem, má podle provedených průzkumů trhu a analýzy poptávky velký obchodní potenciál v ČR i v zahraničí. Pravděpodobnými odběrateli nového výrobku budou dopravní a distribuční firmy, podniky komunálních služeb, složky integrovaného záchranného systému, a to nejen v ČR, ale i v zahraničí. S částí konkrétních potenciálních odběratelů už také proběhla obchodní jednání o možných dodávkách vozů TATRA s vodíkovým pohonem. Výsledkem projektu tak bude funkční prototyp nákladního vozidla nové generace s vodíkovým pohonem. Prototyp projde všemi potřebnými zkouškami a testováním. Po dokončení procesu homologace bude na trh uveden nový výrobek pod značkou TATRA.

Vysoká škola chemicko-technologická se problematice palivových článků věnuje dlouhodobě. Jako součást teamu 5 projektů EU věnovaným PEM palivových článků tak získala unikátní know-how v rámci ČR. V rámci svého výzkumu se posouvá od fundamentálního popisu k aplikačním otázkám použití palivových článků.

Výzkum a vývoj nákladního automobilu s pohonem na bázi vodíkového palivového článku je rozdělen na tři fáze:

ETAPA 1 – Koncepce pohonu vozidla
ETAPA 2 – Realizace nákladního automobilu
ETAPA 3 – Testování nákladního automobilu, optimalizace a příprava na typové schválení

2 Charakteristika vodíkového vozidla

První etapa se zaměřila na definování výsledných charakteristik vodíkového nákladního automobilu. Koncepci lze rozdělit do tří fází. První fáze se zabývala architekturou pohonu, která vychází zejména ze strategie jízdy s hlavním vlivem na volbu výkonových parametrů elektrifikovaného pohonu (elektromotor, palivový článek, baterie). Stanovení výkonových parametrů proběhlo na základě modelování energetických toků v rámci vozidla na definovaných jízdních profilech. Následoval návrh architektury elektroniky a kabelových svazků. Důraz byl kladen na návrh chlazení výkonové elektroniky a palivového článku. S ohledem na vznik velkého množství nízkopotenciálního tepla je nutno optimalizovat teplosměnnou plochu výměníku tepla. Výzkumné aktivity sestávaly z identifikace možných kontaminantů nacházejících se v lokalitě použití nákladního vozidla. Zjištění sloužilo k navržení optimální strategie k odstranění těchto nečistot ze vzduchu přiváděného do palivového článku, aby nedošlo k nevratnému poklesu aktivity katalyzátoru, a tedy snížení životnosti palivového článku. V neposlední řadě byla provedena analýza možných řešení problematiky startu palivového článku za extrémně nízkých teplot.

2.1 Definování strategie jízdy a modelování energetických toků

Prvním krokem projektu bylo vytipování vhodného vozidla a zadání variant jízdního výkonu. TATRA TRUCKS a.s. si vytkla za cíl postavit auto do těžkých podmínek a pro co největší zatížení. Jedná se o čtyř nápravové provedení s uspořádáním 1+3 s řízenou první a poslední nápravou, kabinou řady Force (s možností integrované ochrany ROPS/FOPS pro práci v dolech) a s celkovou hmotností 44 tun (viz obrázek 1).

Dle zadání TATRA Trucks, a.s. bude jízdní profil nákladního vozidla pro práci v důlním a stavebním prostředí dle následujícího diagramu (obrázek 2).

Dle zadání byly pro výkon pohonné jednotky uvažovány dvě varianty jízdního cyklu. První cyklus zohledňuje kontinuální provoz při maximální rychlosti 85 km.h^-1 se stoupáním do 1 %. Druhý cyklus se zaměřuje na maximální možné stoupání do 56 % v těžebním prostředí. Výstupem byly požadavky na výkon pohonného systému pro jednotlivé jízdní cykly.

Energetická bilance se sestává z výkonu pohonné jednotky, palivového článku, bateriového soustavy, zdvihacího a podpůrného systému. Výkon pohonné jednotky lze vypočítat z hnací síly. Hnací síla je síla, která je přenesena od pohonné jednotky na kola vozidla. Aby vozidlo bylo schopno pohybu, musí být hodnota hnací síly v každém okamžiku minimálně rovna hodnotě odpovídající okamžitému celkovému odpor působícího na vozidlo. Hnací výkon k překonání jízdních odporů, který musí být přiveden na kola vozidla lze určit ze vztahu:

Kde P_h je hnací síla, F_h je potřebná hnací síla na kolech vozidla, v je rychlost vozidla, M_k je moment působící na kolo, které stojí na nepohyblivé podložce a r_d je dynamický poloměr kola.

Po dosažení do rovnice s celkovým jízdním odporem dostaneme vztah:

Za překladů, že vozidlo netáhne přívěs (odpor přívěsu nulový), za bezvětří (výsledná relativní rychlost vzduchu je rovna rychlosti vozidla) a odpor zrychlení bude nulový, tak po dosažení do rovnice dostaneme vztah:

Kde f je součinitel valivého odporu, G je tíhová síla, α je úhel stoupání vozovky, ρ je hustota vzduchu, S_x je čelní plocha vozidla a c_x je součinitel vzdušného odporu. Ze vztahu je patrné, že potřebný výkon pro překonání odporu valivého a stoupání vzrůstá lineárně s rychlostí jízdy v. Ovšem potřebný výkon pro překonání odpor vzdušného vzrůstá s druhou mocninou rychlostí jízdy v. Součet výkonu pohonné jednotky, zdvihacího a podpůrného systému udává maximální výkon palivového článku a bateriového systému. Výkon pohonné jednotky pro první jízdní cyklus vychází na 313 kWh a 272 kWh pak pro druhý cyklus.

2.2 Dimenzování hlavních komponent pohonu

Dimenzování hlavních komponent pohonu (palivový článek, akumulátory, tlakové nádoby vodíku, elektromotor) a jejich výběr. Z výpočtů uvedených v předchozí kapitole je zřejmé, že vhodným pohonným systémem bude elektromotor s výkonem okolo 500 kW vzhledem k požadavku na rozsah otáček a pracovní body kroutícího momentu. Pro tyto účely byla předběžně zvolena pohonná jednotka s rozsahem výkonu 500 kW až 580 kW. Z výpočtů dále vyplývá, že celkový minimální výkon palivového článku bude okolo cca 200 kW a bateriového systému min. 580 kW (musí pokrýt maximální výkon motoru v případě odstavení článku). Na základě vstupů od ostatních členů konsorcia vytipovala firma DEVINN základní komponenty pro elektrifikaci dieselového vozidla Tatra:

Elektromotor – špičkový výkon odhadován 580 kW – trvalý výkon 500 kW
Baterie – kapacita odhadována 154 kWh
Měniče dle finální varianty motoru
Nádoby na H2 dle finálního odsouhlasení s TATRA TRUCKS, a.s.
S tím vším spojený elektromateriál do 1000 V
Převodovka (vícestupňová), nutná pro zajištění požadovaných jízdních parametrů bude dodána firmou TATRA TRUCKS, a.s.

2.3 Návrh architektury elektroniky včetně nízko a vysokonapěťových kabelových svazků

Spolu s partnery z konsorcia byly postupně voleny různé varianty elektroniky vozu tak, aby po schválení od TATRA TRUCKS, a.s. prototyp do nejvyšší možné míry v rámci rozpočtu projektu vyhověl současným požadavkům na dieselové vozidlo stejné kategorie.

1. Selekce komponent vodíkového systému a elektropohonu

V prvním roce řešení byly provedeny průzkumy trhu dodavatelů následujících komponent:

Lahve se stlačeným vodíkem s vhodnou certifikací a tlaku 350 bar
Elektromotorů
Palivových článků PEM
Baterií
Frekvenčních měničů
Servomotorů
Vzduchových kompresorů
Klimatizace a topení
Chladičů a ventilátorů

Po prvotním průzkumu trhu byly vedeny konzultace s předními dodavateli o jejich nabízených řešeních. Na základě těchto konzultací a provedených výpočtů byly definovány technické požadavky na palivový článek a bateriovou soustavu. Tyto požadavky posloužily jako základ pro přípravu zadávací dokumentace pro veřejné zakázky na nákup palivového článku a baterií pro prototypové vozidlo, která budou realizována v roce 2022.

1. Analýza řešení studeného startu a analýza možných pokročilých filtračních jednotek

V rámci prvního roku prací byla na pracovišti spoluřešitele (VŠCHT Praha) provedena studie vlivu teplot pod bodem mrazu na výkon a životnost palivového článku. Výsledky jednoznačně prokázaly, že existují dvě cesty, jak řešit tuto problematiku. První je izolace palivového článku do takové míry, aby při odstavení kratším než 12 hodin nedošlo k přílišného poklesu jeho teploty. Pokud by měla být doba odstávky delší, je nutné provést sérii kroků, které zabrání nežádoucím dějům, jenž způsobují degradaci klíčových komponent palivového článku. Optimalizací jednotlivých kroků prodlužujících životnost palivového článku se budeme zabývat v dalším období řešení projektu.

Druhá oblast výzkumné činnosti na pracovišti VŠCHT Praha se věnovala výběru a testování filtru pro zpracování vzduchu pro palivový článek. Na základě průzkumu trhu byli identifikováni potenciální dodavatelé. Tam, kde to bylo možné, byly získány technické parametry nabízených řešení. Ukázalo se, že jsou dostupné filtry pro požadovaný průtok vzduchu, nicméně není jasná jejich sorpční kapacita s ohledem na plynné polutanty. Rovněž byly provedeny testy separační schopnosti tuhých částic u filtru používaném pro spalovací motory. Byla potvrzena vysoká separační schopnost na tuhé částice dostačující i požadavkům pro palivové články, Je tak zvažována možnost doplnění současných filtrů o sorpční lože pro záchyt plynných nečistot.

Závěr

Probíhalo především stanovení celkové koncepce vozidla, výpočty potřebných výkonů (pro jízdu a ostatní spotřeby), bylo proveden indikativní výběr klíčových komponent a proběhla příprava podkladů pro veřejné výběrové řízení pro nákup palivového článku. Probíhaly činnosti související s návrhem řešení pro správnou funkci vozidla za extrémních podmínek (velmi nízké teploty, vibrace, náklony, prašné prostředí).

Stanovení výkonových parametrů proběhlo na základě modelování energetických toků v rámci vozidla na definovaných jízdních profilech. S ohledem na vznik velkého množství nízkopotenciálního tepla je nutno optimalizovat teplosměnnou plochu výměníku tepla.

Výzkumné aktivity sestávaly z identifikace možných kontaminantů nacházejících se v lokalitě použití nákladního vozidla. Zjištění sloužilo k navržení optimální strategie k odstranění těchto nečistot ze vzduchu přiváděného do palivového článku, aby nedošlo k nevratnému poklesu aktivity katalyzátoru, a tedy snížení životnosti palivového článku. V neposlední řadě byla provedena analýza možných řešení problematiky startu palivového článku za extrémně nízkých teplot.

Mezi klíčová zjištění prvního roku patří:

Z důvodu rozdílných parametrů při různých druzích provozu bude nezbytné využití převodovky.
V rámci výběru palivového článku bude zvláštní důraz kladen na široký rozsah provozních teplot okolí a dobré krytí proti prachu a vodě.
Budou prověřeny možnosti propojení chladících okruhů palivového článku, výkonové elektroniky a baterií.
Bude prověřena možnost využití tepelného čerpadla pro zvýšení efektivity chlazení při vysokých teplotách okolí.

Poděkování:

Projekt FW03010014 Vývoj nákladního vozidla s vodíkovým palivovým článek je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu TREND