Strategiczne aspekty zasilania silników spalinowych oraz bariery z tym związane
Rozwój gospodarczy świata przyczynił się w XXI wieku do wzrostu zapotrzebowania na energię. Surowce energetyczne mają kluczowe znaczenie dla polityki państwa. Są one źródłem bogactwa i bezpieczeństwa.
Paliwa ropopochodne są podstawowym źródłem napędu pojazdów samochodowych. Wysoka cena ropy naftowej i systematyczny wzrost zapotrzebowania na paliwa płynne, jak również postępujący wzrost efektu cieplarnianego wywołany zwłaszcza zwiększoną emisją CO2, rzutują na potrzebę poszukiwania paliw alternatywnych, bardziej przyjaznych dla środowiska naturalnego. Współczesny świat zdał sobie sprawę, że stanął przed poważnym zagrożeniem ekologicznym, wywołanym w głównej mierze emisją toksycznych składników spalin, pochodzących z transportu samochodowego. Ochrona powietrza i zasobów naturalnych ziemi stała się istotnym zagadnieniem wpisanym do strategii zrównoważonego rozwoju w XXI wieku. Wśród paliw alternatywnych gazowych z przeznaczeniem do zasilania silników w pojazdach samochodowych czołową pozycję w Polsce zajmuje mieszanina propanu i butanu. Polska stała się krajem, w którym eksploatuje się największą liczbę pojazdów samochodowych napędzanych mieszaniną propan-butan. Duże nadzieje wiąże się z gazem ziemnym (CNG) i (LNG) oraz wodorem. Należy podkreślić, że zainteresowanie gazem ziemnym w kraju ciągle rośnie ze względu na:
- większe naturalne zasoby niż ropy naftowej;
- dywersyfikację paliw silnikowych;
- cechy gazu ziemnego jako dobrego paliwa ekologicznego, bezpiecznego i wygodnego w użytkowaniu.
W trosce o bezpieczeństwo dostaw paliw dla sektora transportowego w Unii Europejskiej, który jest uzależniony od produktów ropopochodnych, rozwój rynku paliw alternatywnych stał się priorytetem polityki energetycznej rządów Wspólnoty. Komisja Europejska sugeruje, że do roku 2020 docelowo udział paliw alternatywnych w transporcie drogowym powinien wzrosnąć do 20 proc. Prognozy dla poszczególnych paliw alternatywnych na rok 2020 oceniają potencjał rynkowy gazu ziemnego na 10 proc., LPG na 5 proc. oraz wodoru na kilka procent. Największy udział CNG w tej grupie paliw założono dzięki dużym zasobom naturalnym gazu na świecie, wysokiemu bezpieczeństwu użytkowania silników zasilanych tym paliwem, jego ekologicznym zaletom oraz opanowanej technologii magazynowania, dystrybucji i użytkowania. Aby to osiągnąć, potrzebne jest duże wsparcie procesu zwiększania popytu wśród konsumentów i długofalowych działań we wszystkich krajach Unii Europejskiej.
Przydatność gazu ziemnego do zasilania silników spalinowych
Gaz ziemny jest mieszaniną gazów o różnym i niepowtarzalnym składnie chemicznym, w zależności od miejsca jego wydobycia i pochodzenia. Głównym składnikiem jest metan (CH4) oraz cięższe węglowodory, jak: etan (C2H6), propan (C3H8), butan (C4H10), azot (N2) i różne związki siarki. Przeciętny skład gazu ziemnego ilustruje wykres 1.
Wykres. 1. Przeciętny skład gazu ziemnego.
Podstawowym dokumentem określającym jakość gazu ziemnego jako paliwa do zasilania silników w pojazdach samochodowych jest norma PN-EN ISO 15403.
Gaz ziemny jako paliwo silnikowe może być wykorzystywany w postaci:
- sprężonej CNG (Compressed Natural Gas),
- skroplonej LNG (Liquefied Natural Gas).
Zasilanie silnika gazem CNG charakteryzuje się małą gęstością zmagazynowanej energii w jednostce objętości (pomimo znacznego sprężenia gazu do ciśnienia ok. 20 MPa), co pociąga za sobą stosowanie zbiorników o dużej objętości i masie. Gaz ziemny CNG można stosować do zasilania silników z zapłonem iskrowym oraz z zapłonem samoczynnym po odpowiednich zmianach konstrukcyjnych. Przeciętnie jednorazowe tankowanie zbiornika paliwa samochodu umożliwia przebieg eksploatacyjny do 300 km. Do pozytywnych cech gazu ziemnego sprężonego CNG należy:
- wysoka liczba oktanowa;
- łatwość mieszania się z powietrzem, dzięki czemu mieszanka jest jednorodna;
- szerokie granice zapłonu mieszanek gazowo-powietrznych, dzięki czemu jest możliwe spalanie mieszanek bardzo ubogich;
- wysoka temperatura samozapłonu (mniejsze niebezpieczeństwo samozapłonu)
- zbliżona do zera zawartość siarki;
- mała emisja cząstek stałych;
- niski poziom emisji tlenków azotu (NOx) dzięki niższej temperaturze spalania.
Prężność par gazu ziemnego (metanu).
Oprócz pozytywnych cech gaz ziemny sprężony posiada również cechy niekorzystne, jak:
- niska wartość opałowa mieszanki stechiometrycznej;
- pogorszenie osiągów dynamicznych pojazdu;
- utrudnione magazynowanie gazu ze względu na gęstość energii;
- wymaga sprężenia gazu (strata energii);
- ograniczony zasięg poruszania się pojazdu;
- wydłużony czas tankowania;
- znaczna masa zbiornika;
- konieczność osuszania gazu;
- negatywny wpływ emisji metanu (który jest gazem powodującym efekt cieplarniany);
- możliwość występowania zjawiska cofania się płomienia.
Zastosowanie skroplonego gazu ziemnego LNG pozwala na wyeliminowanie wad związanych z gęstością magazynowanej energii, masą zbiorników oraz problemami wysokiego ciśnienia, co korzystnie wpływa na ekonomię eksploatacji pojazdu i magazynowania gazu. Historia skraplania gazu ziemnego sięga 1900 roku, kiedy to niemiecki naukowiec dr Karl von Linde odkrył metodę rozdzielania gazów poprzez ich skraplanie, po ochłodzeniu poniżej temperatury wrzenia. W 1916 roku Amerykanin Godfrey Cabot jako pierwszy wykorzystał ten patent do skraplania gazu ziemnego. Obecnie proces ten jest bardzo rozpowszechniony. Około 25 proc. światowego obrotu gazem ziemnym odbywa się w jego skroplonej postaci LNG. Możliwości wykorzystania skroplonego gazu ziemnego LNG do napędu pojazdów znane są już od lat sześćdziesiątych, ale większe zainteresowanie tym paliwem nastąpiło dopiero w latach dziewięćdziesiątych, głównie z powodu poszukiwań tzw. czystych paliw silnikowych. Wg ENGVA - ang. European Natural Gas Vehicles Association - do 2020 roku około 20 proc. europejskich pojazdów będzie zasilanych gazem ziemnym.
Wykres. 2. Przeciętny skład gazu ziemnego skroplonego (LNG).
Podczas skraplania gaz ziemny jest oziębiany do temperatury -161,15 °C, objętość gazu redukuje się przy tym zabiegu 630 razy. Dzięki temu gęstość energii skroplonego gazu ziemnego jest bardzo wysoka. Zabieg skraplania wiąże się z bardzo dokładnym oczyszczaniem gazu z dwutlenku węgla (CO2), azotu, propanu-butanu i wilgoci. Jest to bardzo czyste paliwo o liczbie oktanowej ok. 130 jednostek. Do przechowywania skroplonego gazu LNG w samochodzie stosuje się pojemniki kriogeniczne z izolacją proszkowo-próżniową. Umożliwiają one przechowywanie paliwa przez 3 do 4 dni, w tym czasie ciśnienie odprowadzonego gazu nie powinno przekroczyć wartości 0,4 MPa. Przeciętny skład gazu skroplonego LNG ilustruje wykres 2.
Autobus miejski LNG; Orange County Transportation Authority, Kalifornia.
Do głównych zalet paliwa gazowego w stanie ciekłym LNG zalicza się:
- dużą gęstość zmagazynowanej energii w jednostce objętości, dzięki której możliwe jest zwiększenie zasięgu pojazdu przy małej objętości zajmowanej przez zbiornik paliwa;
- możliwość zastosowania LNG do silników przystosowanych do zasilania CNG;
- niska emisja składników toksycznych w spalinach (szczególnie NOx);
- możliwość uzyskania większej mocy silnika przez chłodzenie powietrza dolotowego;
- możliwość uzyskania paliwa CNG przy niższych kosztach o wyższej jakości z paliwa LNG;
- możliwość wykorzystania niskiej temperatury LNG do klimatyzacji w pojeździe lub chłodzenia przewożonego ładunku (nadwozia chłodnicze);
- czas tankowania porównywalny do tankowania ON lub benzyny.
Pomimo wielu zalet, zasilanie silnika ciekłym gazem ziemnym LNG posiada również ujemne cechy, a mianowicie:
- utrudnione przechowywanie paliwa (konieczność stosowania specjalnych drogich zbiorników kriogenicznych);
- wyższy koszt instalacji zasilającej niż w przypadku zasilania CNG;
- zmienny skład gazu i związane z nim różne wartości metanu (zmiana liczny oktanowej paliwa i jego wartości opałowej);
- z uwagi na niską temperaturę przechowywanego gazu stosowane dodatki zapachowe pozostają w fazie ciekłej, z czym związana jest trudność bezpośredniego wykrycia ewentualnych nieszczelności);
- ograniczony czas przechowywania paliwa gazowego LNG (kilka dni), co wymaga zastosowania zewnętrznego chłodzenia.
Pojazdy napędzane skroplonym gazem ziemnym LNG
Układy zasilania silnika paliwem gazowym LNG są od kilku lat testowane na świecie w wielu pojazdach samochodowych, zwłaszcza w autobusach komunikacji miejskiej oraz samochodach dostawczych i ciężarowych. Paliwo LNG jest pobierane ze zbiornika za pomocą napędzanej hydraulicznie pompy kriogenicznej LNG, która przetłaczając paliwo podnosi jego ciśnienie do około 25 MPa. Następnie paliwo o tak wysokim ciśnieniu jest odparowywane i kierowane do zasobnika oraz sterowanych elektromagnetycznie wtryskiwaczy. Należy podkreślić, że autobusy komunikacji miejskiej stanowią obecnie największą grupę pojazdów napędzanych skroplonym gazem ziemnym LNG, wynika to głównie z łatwiejszej w stosunku do gazu ziemnego sprężonego CNG możliwości zabudowy zbiornika LNG w pojeździe. Nie bez znaczenia są również cena, dostępność czy możliwość dystrybucji paliwa LNG (dostępność do sieci przemysłowej gazu).
Na wykresie drugim przedstawiono autobus napędzany gazem ziemnym LNG – Orange; Kalifornia. Najczęściej gazem ziemnym skroplonym LNG napędzane są autobusy wyposażone w silniki jednopaliwowe o zapłonie iskrowym. W Stanach Zjednoczonych pojazdy dostawcze i ciężarowe stanowią bardzo duży obszar zastosowań napędów skroplonym gazem ziemnym LNG. Należy podkreślić, że liczba pojazdów ciężarowych napędzanych gazem LNG jest zdecydowanie większa niż gazem CNG. Wynika to z poważnych trudności z ulokowaniem takiej ilości butli CNG w pojeździe, by nie spowodować drastycznego ograniczenia jego zasięgu na zmagazynowanym paliwie. W pojazdach tej grupy stosowane są zarówno jednopaliwowe, jak i dwupaliwowe silniki zasilane LNG. Obecnie w Polsce prowadzi się wiele prac badawczych nad wdrożeniem krajowej technologii LNG do zasilania silników w pojazdach mechanicznych z wykorzystaniem lokalnych źródeł gazu, szczególnie na południu kraju.
Bariery i strategie zasilania silników gazem ziemnym skroplonym LNG
Wprowadzenie na rynek ekologicznych paliw silnikowych, takich jak gaz ziemny sprężony CNG i skroplony LNG, wymaga szeregu uwarunkowań opartych o kompleksową analizę techniczno-ekonomiczną. Pomimo szeregu zalet sprężonego gazu ziemnego CNG, pojazdy napędzane tym paliwem stanowią zaledwie znikomą część całkowitej liczby eksploatowanych pojazdów, natomiast gazem ziemnym skroplonym LNG dopiero “raczkuje”. Powodem tego są bariery ekonomiczne i administracyjno-prawne. Czynnikiem bardzo istotnym i chyba najważniejszym z punktu widzenia ekonomii przy korzystaniu z gazu pozasystemowego jest możliwość negocjacji ceny gazu w perspektywie kilku lat. Wszelkie inwestycje w zakresie budowy infrastruktury zasilania silników pojazdów samochodowych gazem ziemnym, zarówno CNG jak i LNG, są kosztowne, a okres i amortyzacji rozłożony na kilka lat. Brak gwarancji, co do możliwości zwrotu poniesionych nakładów nie zachęca do inwestowania. Projekt wprowadzenia gazu ziemnego LNG na polską scenę energetyczną jest dyskutowany od przeszło dziesięciu lat. Miał on być jednym z elementów dywersyfikacji dostaw gazu ziemnego do Polski poprzez wybudowanie na wybrzeżu (w Gdańsku) terminalu dla importowanego LNG. Skroplony gaz LNG miałby pochodzić ze źródeł katarskich lub norweskich. Dla tego projektu wykonane zostało dla PGNiG opracowanie dotyczące opłacalności projektu dostaw LNG do Gdańska w ilości około 3 mld m3 rocznie. Świadomość, że w tego rodzaju zagadnienia LNG angażują się finansowo duże światowe firmy naftowe i gazownicze powinna nam pomóc w pobudzaniu wyobraźni, bez której żaden postęp nie jest możliwy. Aby skorzystać z tej nowej technologii, wchodzącej na rynek gazowy należałoby nawiązać bezpośredni kontakt z jej wynalazcami oraz firmami wdrożeniowymi.
Janusz Jakóbiec
Leszek Konstantynowicz
Komentarze (0)