capítulo 2: conceptos del vehículo...
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www.h2training.eu Capítulo 2: Conceptos del Vehículo Alternativo
Este capítulo da una visión general de los principios de funcionamiento y conceptos de propulsión alternativa
y presenta ejemplos de coches. Se centra en vehículos de pila combustible.
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Contenidos
1. Introducción: las leyes de emisiones españolas y estadounidenses
2. Motores de Combustión Interna (MCI)
Motores diesel y gasolina
Motor rotatorio (Motor Wankel)
3. Unidades híbrido
Híbrido suave
Híbrido pleno
Híbrido enchufables
4. Unidades eléctricas
Baterías
Pilas combustible
5. Vehículos de pila combustible
Tipos y conceptos de coches
Componentes
Eficacia
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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EURO estándars de emisión
Motor gasolina Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6
Aplicación Junio 1992 Ene.1996 Ene.2000 Ene.2005 Sept.2009 Sept.2014
CO [mg/km] 3160 2200 2300 1000 1000 1000
HC [mg/km] X X 200 100 100 100
HC + NOx [mg/km] 1130 500 X X X X
NOx [mg/km] X X 150 80 60 60
NMHC* [mg/km] X X X X 68 68 X: no valor crítico, *NMHC: no-Metano-Hidrocarbonos
Gasolina (emisiones en mg/km)
Diesel (emisiones en mg/km)Fuente: Aigle/Krien/Marz2007, 19
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Motor diesel Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6
Aplicación Junio 1992 Ene.1996 Ene.2000 Ene.2005 Sept.2009 Sept.2014
CO [mg/km] 2720 100 640 500 500 500
HC + Nox [mg/km] X 700/ 900* 560 300 230 170
NOx [mg/km] X X 500 250 180 80
PM [mg/km] 140 80/ 100* 50 25 5 5 X: no valor crítico, *Valores más altos para la introducción en el mercado de motores de encendido directo
Fuente: Aigle/Krien/Marz2007, 19
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EURO estándares de emisión: Óxidos de Nitrógeno y Partículas
180
80
500
250
606080
150
0
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200
300
400
500
600
Euro 31.1.2000
Euro 4 1.1.2005
Euro 51.9.2009
Euro 61.9.2014
NO
x [
mg
/km
]
Diesel Benzin
50
25
5 55 5
180
80
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Euro 11.6.92
Euro 21.1.96
Euro 31.1.00
Euro 4 1.1.05
Euro 51.9.09
Euro 61.9.14
Per
ikel
PM
[m
g/k
m]
Diesel
DI-Benzin
Oxidos Nitrógeno
Partículas
Fuente:Aigle/Krien/Marz2007,72
Fuente:Aigle/Krien/Marz2007,77
OxN y Partículas son amenazas para la salud.
En especial se sospecha que las nano partículas (NP) son peligrosas.
Los motores diesel emiten muchos mas OxN y NP que los motores de gasolina.
Los filtros para partículas y tratamientos posteriores de escapes de OxN son necesarios para un diesel “limpio”.
Restricciones para coches diesel más viejos en áreas urbanas. (directriz de la UE en asunto particular)
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
B
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Acta de emisiones bajas de California
California tiene la ley de emisiones más fuerte en de todo el mundo.
California afirma tener una cuota de mercado del 4% de Vehículos de Emisión Cero (ZEV)
Vehículos híbridos y de gas natural pueden ser acreditados.
ZEV son sólo vehículos de pila combustible y de batería.
Nota 1: No hay límite para CO2
Nota 2: ¡La producción de un combustible produce emisiones!
LEV - Vehículos de Emisión BajaULEV – Ultra Baja E. VSULEV - Super Ultra Baja E. V.EZEV – Equivalente Cero E. V.PZEV1 - Parcial Cero E. V.ZEV – Vehículos de Emisión Cero
Data: Aigle/Krien/Marz 2007, 24own Illustration
0
10
20
30
40
50
LEV ULEV SULEV EZEV PZEV1 ZEV
Em
isio
nes
[m
g/k
m]
NOx NMOG
HCHO PMParte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Visión General de los Combustibles
Los combustibles de la izquierda son usados en motores diesel. (diesel-ICE)
Los combustibles de la derecha son compatibles con motores gasolina (Otto-ICE)
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Fuente:Aigle/Krien/Marz2007, 43
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Motores de Combustión Interna (ICE)Principio
Invención en 1876
Primer motor de ciclo de cuatro tiempos desarrollado por Nikolaus August Otto
Primer automóvil en 1886
Desarrollado por Gottfried Daimler y Carl Benz
Principio de los cuatro tiempos:
Admisión
Compresión
Expansión
Escape
Tipos de motor
Motor diesel (autoencendido)
Motor OttoNikolaus Otto Rudolph Diesel
Fuente: Wikipedia 2007
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Source: WBZU 2007
Gases de escape
Válvula de escape
Pistón
Cilindro
Biela
Cigüeñal
Dirección de rotación
Válvula de admisión
Bujía
Mezcla aire-carburante
Segmentos de Pistón
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Un ejemplo: DaimlerChrysler BlueTec.¿El Diesel más limpio jamás conocido?
Motor diesel V6
Cilindrada: 2987 ccm
Potencia máxima : 154 kW
Par máximo: 526 Nm
Consumo: 7,0 Liter/km
Autonomía: 1200 km
Velocidad máxima: 250 km/h
Aceleración 0-100 km/h: 6.6 sec
NOx postratamiento de los gases de escape (DeNOx)
Coste: 39.780 EUR
Mercedes E320 BluetecIntroducción en mercado US en 2007,(Permiso en 45 Estados)
Part e1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Discusión: ¿el futuro de los motores diesel?Tecnología Establecida frente a tracciones alternativas
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El Hidrógeno ICE –Una unidad convencional con un nuevo combustible El diseño de un motor H2 es similar
al de un motor gasolina.
Las diferencias resultan de las especificaciones del hidrógeno y medidas constructivas son necesarias para evitar petardeos.
Los coches con un H2-ICE son considerados como PZEV en California.
Las emisiones de NOx ocurren porque el nitrógeno está en el gas de combustión.
El H2-ICE es menos eficiente que los de pila combustible.
BMW planea probar 100 coches con un H2-ICE en 2008 (Hybrogen7)
Hydrogen7 from BMWFuente: BMW 2006
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Debate: La mayoría de los fabricantes consideran el hidrógeno en combinación con las pilas combustibles como el concepto de futuro. ¿Por qué BMW se centra en los H2-ICE? B
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Rotation-Engine: Principio
Primer motor en 1954:
Felix Wankel
Primera adopción
Audi Ro80 (until 1977)
Principio de los cuatro tiempos
Pero: un pistón rotatorio es usado en lugar de un pistón linear.
Ventaja principal:
Diseño compacto
Felix Wankel
Fuente: HyCar 2006
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Toma de aire
Escape de gases
Eje excéntrico
Boquilla inyectora H2 Conectada eléctricamente
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Un ejemplo: Mazda´s RX-8 Hidrógeno REEl último “signo de vida” del motor de Wankel?
Dos motores rotatorios
Bivalente: Gasolina e Hidrógeno (CGH2)
Cilindrada: 2x654ccm (1.308ccm)
Maxima potencia motor: Max. potencia gasolina: 154 kW
Max potencia Hidrógeno: 80 kW
Par motor gasolina: 222 Nm
Hidrógeno:140 Nm
Depósito Hidrógeno: 110 Litros (@350 bar)
Depósito gasolina 61 Litros
Autonomía: Hidrógeno: 100 km
Gasolina: 549 km
Velocidad máxima 170 km/h (H2 mode)
Peso: 1460 kg
Precio: prototipo de coche
Mazda-RX8Fuente: Mazda 2006
Part 1
Part 2
Part 3
Part 4
Part 5
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Coches Híbridos
Invención en 1902
Ferdinand Porsche
Primer vehículo producido en masa en 1997
Toyota Prius
Hoy:
Toyota vendió cientos de miles de coches del modelo “Prius II” en todo el mundo. Principalmente en US y Japón (ver gráfico)
La mayoría de los fabricantes de coches desarrollan coches híbridos hoy.
Idea base:
Apoyo del motor de combustión por un motor eléctrico.
Almacenaje de energía eléctrica en baterías, ej. energía de arranque
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Fuente: Manager-Magazin 2005
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Coches Híbridos: Principios y conceptos
Diferentes formas de coches híbridos
Micro-Híbridos: electric start&stop automatic
Híbridos Suaves: recuperación de energía de frenado
Los híbridos plenos pueden conducirse en modo eléctrico
Diferente estructura de tracción
Híbridos Paralelos
Híbridos en Serie
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Fuente: Aigle/Marz 2007, 65B
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Híbridos Paralelos y en Serie
En un sistema paralelo el ICE y el motor eléctrico pueden transmitir el poder a la transmisión. Ventaja principal: ambas
tracciones pueden ser usadas simultáneamente.
En un híbrido en serie el ICE funciona como generador para producir energía eléctrica. Sólo el motor eléctrico conduce la transmisión. Ventaja principal: e ICE puede
siempre funcionar con una buena eficacia
En sistemas mezclados, llamados sistemas paralelos-en serie, ambas ventajas pueden ser combinadas. Fuente: Bady 2000
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Un ejemplo: Toyota PriusUna historia de éxito hecha en Japón Motor de combustión: motor Otto de 4
cilindros
Cilindrada:1497 ccm
Potencia Nominal: 57 kW
Torque Nominal : 115 Nm (@ 4000 U/min)
Motor Eléctrico: motor Synchron AC
Potencia Nominal: 50 kW
Par Nominal : 400 Nm (@ 1200 U/min)
Batería: Ni-MH
Consumo: 4,3 Litros
Autonomía: 1050 km
Depósito: 45 Litros
Velocidad Máxima: 170 km/h
Aceleración 0-100km/h: 10,9 sec.
Peso: 1400 kg
Emisiones-CO2: 104 g/km
Precio: 24.070*
Fuente: Toyota 2006
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Toyota Prius
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Vehículos Eléctricos
Vehículo Eléctrico von TrouveFuente: Elektroauto-Tipp 2006
Primer coche eléctrico en 1881:
Gustav Trouve
Un vehículo eléctrico fue el primer coche que alcanzó una Velocidad Máxima de 100 km/h en 1889
Tipos de Baterías:
Acumulador de plomo
Nuevos tipos de baterías
Tipos de motor eléctrico:
Corriente directa (dc)
Corriente alterna (ac)
Los motores eléctricos tienen altos rendimientos y una buena fuerza del motor a revoluciones bajas.
Part 1Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Visión general de Baterías de Tracción Acumuladores de plomo
Tecnología común, pero la densidad de energía es demasiado baja.
Autonomía limitada, las baterías son demasiado pesadas.
Los coches sólo desempeñan un papel en ciertos segmentos de mercado (p. ej. Como coche para la ciudad)
Nuevas tecnologías de baterías
Níquel-cadmio, Níquel e Hidruro Metálico, Litio-Ion
Solo la densidad de energía de las baterías de Litio-Ion es suficiente para alcanzar una autonomía adecuada. El coche eléctrico sale del segmento de mercado.
Problemas: Costes, seguridad y duración
Fuente: Aigle/Marz 2006, 77
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Un ejemplo: Mitshubishi Lancer Evolution:Baterías de Ión-Litio y motores adosados a las ruedas Cuatro motores adosados a las
ruedas sincrónicos
Max. Potencia: 50 kW
Max. Par: 518 Nm
Baterías: Ión-Litio Capacidad 95 AH
Voltaje descarga: 336V
Energía Nominal : 32 kWh
Autonomía: 250 km
Velocidad máxima: 180 km/h
Peso:1590 kg
Emisiones-CO2: 0 (local)
Precio: Prototipo.
Producción en serie prevista para 2010
Mitsubishi Lancer Evolution
Fuente: Mitsubishi 2005
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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El Tesla Roadster
6831 baterías recargables de Ión-Litio son utilizadas en el Tesla
Tiempo de carga de las baterías: 3,5 horas
La duración de la vida de las baterías es suficiente para 100.000 millas (160.900 Km)
Nuevo Rendimiento con baterías de Ión-Litio!
Source: Umweltbrief 2007
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Coches de Pila Combustible
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Historia de los Vehículos-H2
1807: Primer H2-ICE por Francois Isaac de Rivaz 1839: Descubrimiento de la función principal de la pila combustible
por Sir William Grove 1860: motor de gas de 1 cilindro por Jean Joseph Etienne Lenoir.
Producción de H2 por electrolisis a bordo del coche. 1875 - 1890: Desarrollo del motor de combustión interna de cuatro
tiempos para combustibles líquidos por Otto, Benz and Daimler. 1933: Combustión de H2 con reformado de amoníaco a bordo by
Nosk Hybdro 1967: Primer coche eléctrico impulsado por pila combustible por
General Motors. 1970: Primera pila combustible – vehículo de batería híbrida (Austin
A40) aprobado para uso en carretera. Karl Kordesch 1970-1990: Continuación del desarroolo de los H2-ICE.
Especialmente en Japón por Musashi Desde1990: Desarrollo sistemático de unidades de pila combustible
por Mercedes-Benz, Toyota, Opel, Audi, Honda und Ford 1994: Transportador de pila combustible Necar1 por
DaimlerChrysler Desde 2000: Pruebas de mercado con Vehículos-FC (pila
combustible) 2003: Pruebas de mercado con 60 “A-Klasse” impulsados por pila
combustible por DaimlerChrysler (60 coches en todo el mundo) 2006: El gobierno alemán invierte 500 Mio. euros durante más de
diez años para la introducción en el mercado de los vehículos de pila combustible.
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Introducción: Vehículos-FC (pila combustible)Tipos de pilas combustibles
Fuente: Jörissen/Garche 200,17. Aportaciones propias.
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Introducción: Características de los tipos de pila combustible
AFCPEFC / DMFC
PAFC MCFC SOFC
Temperatura baja alta
Catalizador puro menos puro
Especificación del Gas
limpiomenos limpio
Eficacia de la pila baja alta
Complejidad del sistema
alta baja
Tiempo de arranque
inmediato alto
Dinámica alta baja
<100°C Up to 1000°C
Platino metal
4-5.0 H2CnHm
40-50% 50-60%
Sistema de ReformaRef. Interna
Segundos Horas
Fuente: ilustración propia
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
I
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¿Qué tipo para cada aplicación ?
Cargas contínuas
Unidad-CHP para uso industrial
Plantas de carga base
Regla de oro:
Cargas dinámicas
Vehículos-FC (pila recargable)
Unidades-Mini CHP para uso doméstico
Aplicaciones portátiles
Neutralización de picos, UPS
PEFC
(DMFC)
PAFC
MCFC
SOFC
Pero: ¡No hay regla sin excepción !
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Conceptos de vehículos de pila combustible
DaimlerChrysler desarrolló un prototipo (Necar5) con un reformador de metanol a bordo.
Daimler paró sus actividades y siguió el concepto del Hidrógeno.
La mayoría de los fabricantes se centran en almacenaje de hidrógeno directo.
La mayoría de los vehículos utilizan gas de hidrógeno comprimido. Puede ser comprimido hasta 350 bares. En un futuro cercano depósitos de 700 bares estarán disponibles.
El hidrógeno líquido es almacenado en tanques de criógeno. El hidrógeno se licua a menos 253°C
Fuente: Aigle/Marz 2006, 85
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Principales componentes de un H2-FCV
1: Motor eléctrico2: Sistema de pila combustible3: Tanques de alta presión 4: Batería de alto voltaje
A-Klasse de pila combusible de DaimlerChryler Fuente: Stauch 2005
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Flujo de energía en un Vehículo de Pila Combustible
En un coche de combustible la energía química del H2 es convertida en energía eléctrica.
Un ICE convierte la energía térmica del combustible en energía mecánica (proceso-Carnot)
Comparada con el proceso-Carnot la conversión electroquímica es más eficaz.
Fuente: Los Alamos 1999, 5
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Vehículos de Pila Combustible de Metanol (NECAR V)
Especificaciones del Sistema Procesador de Combustible
Combustible: Metanol (CH3OH) Índice de flujo de H2: 60 Nm³/h Eficacia 86% Tiempo de arranque 1 minuto Arranque a bajo 0°C posible Ratio de disminución 1:40 Dinamica1.5 segundos (parado-90% carga) Coste estimado por unidades: $1,750 @ 100,000
unidades/año. $3,550 @ 10,000 unidades/año Dimensiones 800x260x320 mm Volumen / peso 65 lt/ 95 kg
Especificaciones del Sistema de Pila Combutible Potencia del sistema de pila combustible 75 kW el,bruto/
60 kW el,neto Emisiones <SULEV Volumen / peso 332 lt/ 385 kg Eficacia neta del sistema> 40 %
Fuente: Tillmetz/Benz 2006
Fuente: Tillmetz/Benz 2006
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Gráfico de Flujo de un Metanol FCV
Fuente: Los Alamos 1999, 16
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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La Pila de Células de Combustible (Ballard)
Impresionantes logros técnicos en los últimos años.
Ballard es el productor de pilas para coches más conocido a nivel mundial.
Los obstáculos son los costes, la duración y el arranque-frío. Pero es sólo un “pequeño” vacío para el rendimiento de la actual ICE.
Ballard MK902 Light Duty (LD)
Ballard MK902 Heavy Duty (HD)
Data: Budd 2006, 14-17, ilustración propia
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Sistema de Pila Combustible XcellsisTMHY-80
Sistema electrónico de potencia
Bomba refrigerante
Módulo del sistema
Pila combusible (80 kW)
Sistema electrónico de control
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
Fuente: Tillmetz/Benz 2006
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Sistema de depósito para Gas Hidrógeno Comprimido (CHG)
CGH2: hidrógeno gaseoso comprimido.
Presión 35–70 MPa y temperatura ambiente.
Normalmente 2 o 3 contenedores pueden ser colocados en un coche. En autobuses pueden colocarse hasta 8 contendores.
La autonomía oscila de 200km (350 bar) a 500 km (700 bar)
Fuente: Helmolt/Eberle 2007, 837
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Sistema de Depósito para hidrógeno líquido (LH2)
Temperatura de funcionamiento de entre 20 y 30 K y 0.5 al max 1 MPa presión Problema: inevitable flujo principal a través de
Conducción Térmica Convección Radiación Térmica
Un eficiente súper aislamiento de vacío multicapa es necesario (aproximadamente 40 capas de láminas de metal)
Pérdidas de ebullición tras varios días. La energía para licuar el hidrógeno consume el 30% de la energía química
almacenada.
Fuente: Helmolt/Eberle 2007, 838
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Part 5
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Un ejemplo: DaimlerChryslers f-cell
Motor asíncrono de Tres Fases
Potencia Nominal: 65 kW
Torque Nominal : 210 Nm
Sistema de pila combustible
PEFC Ballard Mark 902
Potencia Nominal: 85 kW
Baterías:
NiMh 20kW
Depósito
CGH2@350bar: 1,8 kg
Consumo: equivalente Diesel 4,2
Autonomía: 160 km
Velocidad máxima: 145 km/h
Aceleración: 16 sec
Costes: Prototipo
Pruebas de mercado de 60 coches desde 2002
F-cell DaimlerChrysler
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
¡Sólo agua! B
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GM´s Chevrolet Equinox Célula Combustible
Tracción eléctrica 73 kw motor asíncrono de 3 fases. 94 kw
max
Torque Nominal 320 Nm
Sistema de Célula Combustible Pila: 440 celdas, 93 kW
NiMH batería 35 kW
Vida operativa: 2.5 years, 80.000km
Temperatura operativa: -25 to +45°C
Almacenaje de combustible 3 CGH2 contenedores
70 MPa
4.2. kg hidrógeno
Rendimiento Aceleración: 0-100 km/h in 12s
Velocidad máxima 160 km/h
Autonomía de funcionamiento 320 km
Peso: 2010 kg
Fuente: Helmolt/Eberle 2007, 842
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Comparación de Eficiencia y Emisiones-CO2
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 50 100 150 200
[ Efic
ienc
ia (
%)
]
Tracción Hidrógeno FC Zafira (HydroGen3) Diesel Zafira (motor X20DTL)
1. Gear2. Gear
3. Gear
4. Gear
5. Gear
Eficiencia Media (Ciclo de Conducción Europeo): Eficiencias: 36 % / 22 %Emisiones-CO2 (directas): 0 g/km / 177 g/km
[ Km/h ]
Fuente: Hermann/Winter 2003
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Eficiencia Global de los coches FC (ejemplo DC)
100 % l H2
37,7 % eficiencia global del depósito a la rueda
62,2 % FC-potencia 37,8 % Calor
45,8 % Potencia Convertidor 16,4 % auxiliares
37,7 % Rueda8,1 % convertidor,motor, velocidad,diferencial
Data: Lamm 2002
Parte 1
Parte 2
Parte 3
Parte 4
Parte 5
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Autobuses de Pila Combustible
DaimlerChryslers “Citaro-Bus” basados en la tecnología de la célula combustible.
27 Citaro buses fueron probados de 2003 a 2005 en 9 ciudades europeas.
Tecnología de Pila de Ballard:
Dos módulos “MK902 Heavy Duty“ con 300 kW
Sistema de depósito
9 CGH2-contenedores con 350 bar pueden almacenar 1845 litros
Autonomía
De 200 a 250 kilómetros
Velocidad máxima
approx. 80 kilómetrosFuente: Fuel Cell Bus Club 2004
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Parte 2
Parte 3
Parte 4
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Bus de pila Combustible “Citaro“
B
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H2 Estaciones de Servicio – en todo el mundo
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299 estaciones de servicio en todo el mundo !Fuente: H2stations.org by LBST (LBST 2007)B
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H2 Estaciones de Servicio – Europa
Parte 1
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Parte 3
Parte 4
Parte 5
Fuente: H2stations.org by LBST (LBST 2007)B
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