Feb 8, 2014

E-Catで走るプリウスを考える

E-Catの権利を取得したプライベートベンチャー企業は、Industrial Heat, LLC です。
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気が早いですが、E-Cat を自動車、乗用車に搭載することを考えます。

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乗用車は、自分が乗っているプリウス程度を想定

自動車のエネルギー事情を熱力学的にまとめて置く。

プリウスは、速度 100 km/h で高速道路を巡航すると、燃費は、20km/L 程度。
したがって、高速道路では一時間で 5Lのガソリンを消費する。

普段乗りでも制限速度以内で丁寧に運転すれば、燃費は、20km/L 程度、
この場合は市街地のため平均時速は、30km/h程度になる。
したがって一時間で1.5Lのガソリンを消費する。

明らかに高速道路のほうがガソリン消費量が多い。

1Lのガソリンの熱量(=仕事量)は、約 34.5MJです。
5Lでは、34.5*5 = 172.5 MJです。
これを一時間 3600 秒 で消費します。

これは、 W(仕事率) = J(仕事量) / s という式から

172.5 * 1000 / 3600 = 47.9 kW

です。

kWを自動車用の馬力(PS)に変換するには、約 1.35倍します。

47.9*1.35 = 64.6 (PS)です。

しかし、エンジン出力は、
プリウスのエンジンは通常のエンジンより熱効率がいいアトキンソンサイクルエンジンなので
とりあえずガソリン熱量の約35%と仮定すれば、

47.9*0.35 = 16.8 kW
64.6*0.35 = 22.6 PS

プリウスは、ハイブリッドカーですから、
高速道路での一定速度での巡航では、
エンジン出力が中心になります。
実際に運転すると解りますが、
細かい道路アップダウンでの速度変動で、
バッテリへの運動エネルギー回生とモーターでの再利用を繰り返します。

つまり、プリウス程度の乗用車が最も燃料を消費するのは、
高速道路を100km/hで巡航しているときで、
そのときの燃料消費は、5 L/h であり、
熱量換算では、172.5 MJ/h
W(仕事率)に換算すると、 47.9 kW
馬力換算では、 64.6 (PS) の熱量
ただし、エンジンから取り出される推進力は、 35% で
22.6 (PS)。

モーターの電気エネルギーから運動エネルギーへの変換効率は、
最近のハイブリッド技術の発展に期待して約85%を想定します。

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E-Cat の仕様性能は、まだ謎が多いですが、
これまでの情報から、
自動車のエンジンのようにアクセルワークで
出力熱量を増減させることはできないと考えられます。

つまり、熱くなったらそのままというデバイスです。

せいぜい半日運転して、半日休む、
あるいは、半年間連続運転する、とかであり、
出力調整はできない、運転開始から10分程度で最大出力に到達、
そのままキープという感じでしょうか。

また、E-Catは、入力電力が必要で、それは出力熱の 10% 程度
 (出力/入力比 COP 10 程度という意味、
  実際は20-40と思われるが
  ここまでで知られているE-Catの確実値を使う)
  に相当します。

また、熱から発電機を回して電気エネルギーとする効率は、
熱空気タービン型の発電機を想定して、30% とします。

熱空気タービン型の発電機とした理由は、軽量だからです。
スターリングエンジンという外燃機関もありますが、
ピストン型であること、冷却装置が大型化するため、
自動車搭載は困難と思います。
30%は今後の技術開発を見込んだ数字です、
現状の技術ならは20-25ぐらいのはずです。

(ここの記事では、概算計算ですから、
 プラスマイナス20%の変動を最後に考えればよろしいです)

自動車を100km/hで巡航で走らせるためには、
16.8 kw の出力が必要で
変換ロスを考えるとモーター入力は、

16.8/0.85 = 19.8 kW です。

これを発電するわけですから、発電効率を考えると

19.8/0.3 = 66 kW の熱出力が必要です。

ところが、E-Cat自体への入力電力が必要ですから、
その分増しです。
つまり、総合必要熱出力を X とすると、式ができて

x * 0.3 = 19.8 + x / 10

両辺を10倍

3 X = 198 + x

移行

2 X = 198

X = 198 / 2

X = 99 kW ほぼ 100 kW

です。

E-Cat を自動車(プリウスクラス)に搭載するとなると、
E-Catに求められる出力は、約 100 kWとなります。

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プリウスは、ハイブリッドシステムとして、
運動エネルギーを発電回生していますが、
E-Catになると、E-Catの発熱がすごすぎて
回生システムは、不要になります。

構成図は、

 [E-Cat]->[発電機]->([バッテーリー])->[モーター]->[車輪]

です。

詳しく見ると、
E-Catは、 100 kW の定常出力を持ちます。
発電機は、100 kWの熱入力から、30%の効率で、 33.3 kW を発電します。
電力の一部 10 kW は、 E-Cat のフィードバック入力となります。
残りの電力 23.3 kW は、低速走行中はモーターへ行きますが、
余りがありますから、余りはすべて、バッテーリーへ貯めます。

発進時や急加速時は、バッテーリーからも電力をモーターへ供給します。
モーターは、130 kW(180 PS) クラスのモーターにします。

E-Catと発電機からコンスタントに出て来る23.3 kW で、

sqrt(23.3/19.8) = 1.08

ですから、108km/hで巡航が可能です。
(速度を出すには、二乗のパワーが要ると仮定)

もちろん、バッテーリーがあるので、
一時的に200km/hまで追い越し加速することは可能です。

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E-Catプリウスは、給油不要、充電不要です。
半年から一年に一度、小型軽量の燃料カートリッジを交換するだけです。

E-Catプリウスの燃料カートリッジは、ニッケルナノパウダーと水素ガスからできています。
実は、水素ガスは、水の電気分解で簡単に作ることができます。
ニッケルは、50円玉とかでご存知の、ありふれた金属です。
ナノパウダーにすることが手間です。

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このE-Catプリウスは、停車中も駐車中も熱いです。
E-Catその物はずっと100 kWで発熱している、発電は 23.3 kW 、からです。

23.3 kW  は、100Vの家庭電力では、 233 A です。
普通の家庭の電力契約は、30A - 50A 程度ですから、
これをはるかに5倍-10倍近く上回ります。

家に戻ったE-Catプリウスは、発電機兼温水器となります。
家庭には、容量が半日程度分の蓄電池と温水槽(5000L)が用意されます。
温水槽(5000L)で暖房もできます。

つまり、E-Catプリウスがあれば、
電力会社はもちろんガス会社も不要になります。

マンション住まいやアパート住まい向けには、
100 kW E-Cat、あるいは大型のE-Catが据え付けられるので、
やはり、電力会社とガス会社が不要になります。

電力会社とガス会社は、E-Cat 販売メンテナンス会社に
一刻も速く衣替えしないといけません。
原発にこだわっていること自体がナンセンスです。

電気と熱がただ同然になりますので、
雨水を貯めて、自動で蒸留して飲水にできるようになります。
こうなると、水道も不要になります。

生ゴミも電動シュレッターと保温型微生物処理装置を導入できで、
家庭菜園の肥料にできます。

農家であれば、余った熱と電力で温室の暖房と照明ができます。
つまり、作物を屋内で安く安定して高品質で作れるようになります。
農業の工場化が始まります。

余った電力は、電力会社に売れますが、
誰もがE-Catプリウスになると電力が余るので、
いずれ売れなくなります。