jest dobrym paliwem silnikowym

Paliwa ropopochodne są podstawowym źródłem zasilania silników pojazdów samochodowych. Zmniejszające się zasoby ropy naftowej i wysoka cena oraz systematyczny wzrost efektu cieplarnianego wywołany zwiększoną emisją CO2 rzutuje na potrzebę poszukiwania paliw alternatywnych, przyjaznych dla środowiska naturalnego. Współczesny świat zdał sobie sprawę, że stanął przed poważnym zagrożeniem ekologicznym wywołanym emisją CO2 pochodzącego w znacznej mierze z transportu samochodowego. Coraz częściej uważa się, że istnieje bardziej realne niebezpieczeństwo przekroczenia bariery ekologicznej. Dużą nadzieję wśród paliw alternatywnych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym upatruje się w paliwach pochodzenia roślinnego, tj. w biopaliwie i bioetanolu oraz gazie ziemnym (CNG, LNG).

Dzisiejsza dominacja paliw płynnych opartych na ropie naftowej powoduje, że mało kto pamięta, iż pierwsza konstrukcja niskoprężnego spalinowego silnika tłokowego (N. A. Otto 1878r.) zasilana była gazem. Gaz ziemny jest obecnie jedynym paliwem, które może sprostać wzrastającym wymaganiom ochrony środowiska. Wykorzystanie gazu ziemnego jako paliwa silnikowego budzi coraz większe zainteresowanie. Przy uwzględnieniu dotychczasowego postępu w rozwoju systemów zasilania, paliwo to można bardzo rozpowszechnić na szeroką skalę. Według M. Flekiewicza gaz ziemny powinien w pierwszej kolejności być wykorzystany do zasilania silników eksploatowanych w ruchu miejskim (komunikacja autobusowa miejska i samochody służb komunalnych).

Gaz ziemny jako paliwo silnikowe
Gaz ziemny jest surowcem energetycznym odgrywającym coraz większe znaczenie w gospodarce każdego kraju. Zużycie gazu w Polsce rocznie wynosi ok. 13,7 mld m3, co w przeliczeniu na jednego mieszkańca, udział w krajowym bilansie energetycznym jest najniższy w Unii Europejskiej. Gaz zużywany w Polsce pochodzi w około 30% z wydobycia własnego, które kształtuje się na poziomie 4,3 mld m3, natomiast gaz z importu w 2007 r. stanowił ok. 9,3 mld. m3 głównie z Rosji (ok. 6,2 mld m3 tj. 67% gazu importowanego) oraz z krajów Azji Środkowej (ok. 2,3 mld m3 czyli 24,6% gazu importowanego), Niemiec (ok. 0,8 mld.m3 tj. 8,% gazu importowanego), Ukrainy (4,2 mld m3) i Czech (0,3 mln m3). Gaz ziemny to kopalniane paliwo naturalne, będące mieszaniną lekkich węglowodorów szeregu parafinowanego. Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan CH4 , którego zawartość waha się w granicach 83-98% (V/V). W zależności od złoża w gazie ziemnym mogą znajdować się różne ilości węglowodorów cięższych (o więcej niż 5 atomów węgla w cząsteczce) oraz zanieczyszczenia: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, powietrze, argon i inne w ilościach śladowych.

Jako zalety paliwa gazowego CNG wymienia się następujące cechy:
- wysoka liczba oktanowa ok. 130 jednostek;
- zerowa emisja kancerogennych węglowodorów aromatycznych: benzenu i 1,3 butadienu;
- mała emisja cząstek stałych (PM);
- niska emisja par paliwa (emisja z całego pojazdu);
- zmniejszona emisja dwutlenku węgla;
- rozszerzone granice zapalności (możliwości pracy na mieszankach ubogich);
- niższą temperaturę spalania adiabatycznego prowadzącą do obniżenia emisji tlenków azotu (NOx);
- wyższą temperaturę zapłonu (649OC a benzyna ok. 315OC), mniejsze niebezpieczeństwo samozapłonu poprawia bezpieczeństwo eksploatacji;
- składniki paliwa nie są bezpośrednio toksyczne;
- zmniejszony poziom hałasu pracy silnika;
- stabilna praca tłokowych silników spalinowych w szerokim zakresie zmian współczynnika nadmiaru powietrza,
- gaz ziemny CNG jest paliwem bezpiecznym od LPG, jest lżejszy od powietrza – uchodząc poprzez nieszczelności nie gromadzi się przy podłożu.

Gaz ziemny CNG jako paliwo silnikowe nie jest pozbawione wad, do których zalicza się:
- utrudnione magazynowanie z uwagi na niska gęstość energii;
- ograniczony zasięg poruszania się pojazdu (tylko dla układu jednopaliwowego);
- znaczna masa zbiorników gazu, powoduje wzrost zużycia paliwa;
- konieczność osuszania gazu dla przeciwdziałania zamarzaniu instalacji;
- wydłużony czas tankowania pojazdu;
- częste pogorszenie osiągów dynamicznych silnika (spadek mocy o ok. 10%);
- możliwość występowania zjawiska cofania się płomienia (ewentualne uszkodzenie kolektora dolotowego);

Uwarunkowania decydujące o stosowaniu gazu ziemnego jako paliwa silnikowego
Jednym z głównych argumentów decydującym o stosowaniu gazu ziemnego jako paliwa silnikowego to kryterium ekonomiczne, a następnie aspekt ekologiczny – możliwość zmniejszenia emisji związków toksycznych w spalinach. W warunkach krajowych odniesieniem dla ceny gazu sprężonego ziemnego powinna być cena propanu-butanu. Należy uwzględnić również uwarunkowania techniczne związane z użytkowaniem tego paliwa jak: brak stosowania norm jakościowych, problemy związane z adaptacją nowoczesnych silników samochodowych (kolektory dolotowe wykonane z tworzyw sztucznych i konieczność stosowania drogich układów wtryskowych). Należy również uznać, że sieć dystrybucji LPG jest na tyle rozbudowana (gęsta), iż bez problemów można się na tym paliwie poruszać po całym kraju. Ponadto, masa i wielkość zbiorników LPG jest znacznie korzystniejsza w porównaniu ze stalowymi butlami na sprężony gaz ziemny, natomiast w przypadku butli kompozytowych ich rozpowszechnianie jest utrudnione przez duży wydatek finansowy. Warunkiem koniecznym stosowania gazu ziemnego jako paliwa pojazdów samochodowych jest magazynowanie jego dużej ilości w małej objętości w celu otrzymania wymaganej wartości “gęstości energetycznej” gazu. Technicznie wymaga to w warunkach magazynowania jego sprężenia, skroplenia lub wykorzystania innego zjawiska na zgęszczanie gazu w zbiorniku, na np. adsorpcji. Sprężenie gazu ziemnego wykonuje się do optymalnego ciśnienia w zakresie 17-25 MPa. Dolna granica ciśnienia wynosząca ok. 17 MPa uzasadniona jest minimalną wartością kompresji (współczynnika ściśliwości) metanu w temperaturach otoczenia, natomiast górna granica ciśnienia uwarunkowana względami bezpieczeństwa jest właściwie problemem otwartym. Energia zużyta na sprężanie gazu ziemnego do 20 MPa wynosi 4%. Według N. Warownego krotność wzrostu masy sprężonego gazu ziemnego w tej temperaturze i objętości magazynowania równa się ilorazowi gęstości gazu pod ciśnieniem magazynowania do gęstości gazu dla ciśnienia roboczego silnika, zwykle atmosferycznego. Skroplenie gazu ziemnego jest metodą około trzykrotnie bardziej wydajną od metody sprężania gazu w przeliczeniu na ilość energii magazynowanej w jednostce objętości, ale też jest metodą bardziej energochłonną. Gęstość gazu ziemnego w stanie skroplonym wynosi 0,53 – 0,64% wartości gęstości benzyny i oleju napędowego. Gaz ziemny przed jego skropleniem powinien być dokładnie oczyszczony z wilgoci, dwutlenku węgla i z wyższych węglowodorów. Skroplony gaz ziemny (LNG) to praktycznie prawie czysty metan (99%) z śladami domieszki etanu, azotu i czasami helu, który magazynuje się pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze ok. minus 163oC. Istotnym zagadnieniem dotyczącym oceny użytkowej gazu ziemnego jako paliwa silnikowego to metody magazynowania tego produktu w postaci sprężonej, skroplonej i zaadsorbowanej (skraplanie termoakustyczne).

Wymagania dotyczące jakości gazu ziemnego jako paliwa silnikowego do napędu poj. samochodowych
Norma ISO 15403 określa wymagania składu gazu ziemnego jako paliwa silnikowego do napędu pojazdów samochodowych, które dotyczą:
- o zawartości wody: dla gazu na wylocie ze stacji sprężania punkt rosy powinien być wystarczająco nisko poniżej najniższej temperatury otoczenia, w której pracuje stacja sprężania i są eksploatowane pojazdy. Zawartość wody nie może przekroczyć 0,03 g/m3 w gazie sprężonym do 250 barów w temperaturze nie niższej niż – 13OC;
- siarki: całkowita zawartość siarki nie może przekroczyć 120 mg/m3, taki poziom zabezpiecza układ katalityczny przed zatruciem. Graniczną wartością dla innych składników siarki jest H2S < 5 mg/m3 a merkaptanów < 15 mg/m3, cząstki: filtr w układzie zasilania o filtracji do 5 mikronów, w układzie wtryskowym 5 mikronów, dla wtryskiwaczy 1 mikron;
- wyższe węglowodory: brak ciekłych;
- CO2: 3% objętościowo;
- wolny tlen: 3% objętościowo;
- glikol – metanol: brak;
- zawartość oleju: na poziomie 70 do 220 ppm.

Sprężony gaz ziemny do napędu pojazdów musi spełnić wysokie wymogi w odniesieniu do jego wilgotności i zawartości cząstek stałych oraz dodatkowo osuszony do wartości ok. 100 mg wody w przeliczeniu na normalny metr sześcienny gazu. Zwykle osuszenie wody w gazie ziemnym prowadzi się dla temperatury odniesienia - 15OC, co odpowiada wykropleniu się 27 mg wody na normalny metr sześcienny gazu. Gaz ziemny, w zależności od źródła pozyskiwania, posiada różny skład chemiczny, który determinuje jego właściwości energetyczne i charakterystykę spalania. Do podstawowych parametrów opisujących charakterystykę energetyczną gazu należą:
- gęstość gazu;
- liczba Wobbe’go;
- wartość opałowa mieszaniny powietrzno-gazowej;
- ciepło spalania;
- liczba metanowa.

Skład chemiczny gazu ziemnego pozyskiwany z kilku źródeł w porównaniu z gazem wzorcowym zamieszczono w tabl. 1. Liczba Wobbe’go jest najbardziej znaczącym parametrem w ocenie przydat-ności gazu ziemnego, jest uzależniona od składu gazu i decyduje o jego kwalifikacji do grupy wysokokalorycznej (H) lub niskokalorycznej (L).Według normy EN 437 liczba Wobbe’go dla gazu wysokokalorycznego powinna mieścić się w przedziale od 48 do 57,80 MJ/m3, natomiast dla gazu niskokalorycznego od 41,5 – 47,3 MJ/m3.. Wartość opałowa mieszaniny powietrzno – gazowej określa moc użytkową możliwą do uzyskania podczas zasilania silnika spalinowego gazem ziemnym o znanym składzie. Gaz ziemny posiada małą wartość opałową w odniesieniu do jednostki objętości. Jest to istotną wadą tego paliwa ze względu na możliwość magazynowania w pojeździe. Metan sprężony do 20 MPa jako główny składnik CNG zajmuje ok. 3,5 raza większą objętość w porównaniu z objętością paliwa silnikowego ciekłego: benzyny lub oleju napędowego. Odmienny skład gazu wymaga jednak zapewnienia odpowiedniej ilości powietrza, dla wytworzenia mieszaniny stechiometrycznej. Ilość ta wzrasta lub maleje w zależności od zawartości gazów obojętnych, maleje również w przypadku obniżenia się zawartości propanu i butanu.

Tablica 1. Skład chemiczny gazu ziemnego pozyskiwany z kilku źródeł w porównaniu z gazem wzorcowym.

Liczba metanowa wyraża odporność na spalanie stukowe i jest odpowiednikiem liczby oktanowej charakteryzującej paliwa benzynowe. Odporność gazu ziemnego na spalanie stukowe znacznie przewyższa odporność benzyn. Zwiększenie jednak ilości zanieczyszczeń, a w szczególności LPG, który bardzo często wprowadzany jest do sieci w przypadkach wzrostu zapotrzebowania, obniża w znacznym stopniu liczbę metanową. Dla zapewnienia stałości istotnych parametrów gazu ziemnego w krajach Unii Europejskiej wprowadzono normę EN 37, która określa wymagania dotyczące składu chemicznego oraz charakterystyki spalania, dzieląc gaz ziemny przeznaczony do zasilania pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi na cztery grupy: G20, G21, G23 i G25. Norma ta określa również dopuszczalne zanieczyszczenie gazu wodą oraz olejami, które mogą pojawić się w gazie w procesie jego sprężania. Gaz ziemny pobieramy z sieci gazowniczej do spalana, musi być poddany ścisłej procedurze filtracji, inaczej zawarte w nim zanieczyszczenia spowodują niszczenie (zużycie) układów tłokowo-korbowych sprężarek. Właściwości konwencjonalnych paliw i alternatywnych gazowych zamieszczono w tabl. 2.

Tablica 2. Właściwości paliw konwencjonalnych i alternatywnych gazowych.

Aspekt ekologiczny i ekonomiczny zasilania silnika sprężonym gazem ziemnym
W stosunku do powszechnie stosowanych obecnie paliw ropopochodnych (benzyna, olej napędowy), gaz ziemny – jak wspomniano – wykazuje wiele istotnych zalet głównie pod względem ekologicznym, a także ekonomicznym. Analizując korzyści ekologiczne stosowania CNG jako paliwa do pojazdów samochodowych, należy mieć również na uwadze, że gaz ziemny wysokometanowy emituje mniej dwutlenku węgla (CO2) spośród paliw silnikowych. Emisja dwutlenku węgla jest jedną z kluczowych przyczyn efektu cieplarnianego. Z samego składu chemicznego paliwa gazowego, jakim jest CNG, wynika, że z uwagi na zwiększony udział wodoru względem węgla w produktach spalania tego paliwa odpowiednio więcej będzie produktów utleniania wodoru (H2O), a mniej produktów spalania węgla pod postacią tlenku i dwutlenku. Przypomnijmy, że przy wykorzystaniu CNG jako paliwa emisja dwutlenku węgla CO2 zmniejsza się o 16% w stosunku do silników zasilanych benzyną, a w przypadku silników o ZS (olej napędowy) zmniejszenie emisji wynosi ok. 13% przy całkowitym wyeliminowaniu jako składnika spalin cząstek stałych. Pomimo wielu zalet paliwa gazowego CNG potwierdzonych w badaniach silnikowych i eksploatacyjnych w kraju, ich rozpowszechnienie na szeroką skalę napotyka na wiele trudności. Zasadnicze trudności to:
- brak realnej polityki proekologicznej na szczeblu centralnym i lokalnym;
- brak łatwo dostępnych środków finansowych;
- ograniczona liczba sieci dystrybucji, stacji tankowania gazem;
- brak niższych stawek podatku dla pojazdów napędzanych gazem CNG
- brak programów rządowych zajmujących się infrastrukturą sprężonego gazu ziemnego.

Wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne stacji tankowania gazem CNG związane są z bardzo energochłonnym procesem sprężania i osuszania gazu. Wspomniane koszty można znacznie obniżyć, gdy gaz ziemny przeznaczony do zasilania silników samochodowych jest pozyskiwany ze źródeł o wysokim ciśnieniu ok. 20 MPa bezpośrednio z odwiertu i zastosowania absorpcyjnej metody głębokiego osuszenia gazu. Wieloletnie doświadczenia w tym zakresie posiada PGNiG Oddział Sanocki Zakładu Nafty i Gazu. Bez dodatkowych preferencji w obecnej chwili eksploatacja pojazdów NGV jest jeszcze kosztowna w stosunku do zasilania silników paliwami konwencjonalnymi. Polityka państwa powinna zmierzać w kierunku poszukiwania alternatywnych paliw do zasilania silników w pojazdach samochodowych. Podyktowane jest to zarówno zmniejszającymi się zapasami paliw płynnych – ropopochodnych, jak i coraz ostrzejszymi normami emisji substancji toksycznych. Zasilanie silników samochodowych gazem ziemnym niesie za sobą wiele cech pozytywnych, z których najważniejszą jest zmniejszenie poziomu zanieczyszczeń powietrza, jak również korzyści ekonomiczne. W Polsce gaz ziemny, przynajmniej na razie, stosowany jest głównie w transporcie miejskim i minimalnym stopniu przez indywidualnych użytkowników samochodowych (brak infrastruktury – stacji tankowania). Bardzo ważnym zagadnieniem dotyczącym promocji zasilania silników gazem ziemnym jest długofalowa polityka państwa zmierzająca do szeregu działań zachęcających użytkowników pojazdów – poprzez odpowiednie subwencje i dotacje.

Janusz Jakóbiec
Aleksander Mazanek