Rozwiązania dla tankowania pojazdów gazem CNG – o CNG i NGV
Co to jest gaz ziemny?
Gaz ziemny jest naturalną mieszaniną węglowodorów powstałą w ciągu milionów lat z rozkładu materii organicznej, takiej jak drzewa i zwierzęta.
Zgromadzony jest on typowo pod ziemią w zbiornikach - kieszeniach gazowych lub uwięziony w podłożu, takim jak piasek lub ropa naftowa i jest ekstrahowany bądź jako produkt uboczny ekstrakcji ropy naftowej lub odrębnie jako gaz surowy.
Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan, który zazwyczaj stanowi ponad 90% gazu przesyłanego rurociągiem. Inne węglowodory występujące w niewielkich ilościach w gazie ziemnym, to etan, propan i butan.
Większość zużywanego gazu ziemnego w Wielkiej Brytanii pochodzi z własnych odwiertów na Morzu Północnym. Gaz wytwarzany ze zbiorników zawiera gaz ziemny, ciecze i inne materiały. Konieczne jest oczyszczenie gazu z cieczy i zanieczyszczeń. Najpierw gaz oddziela się od cieczy, takich jak ropa naftowa, kondensat węglowodorów, woda i od porwanych cząstek stałych. Następnie wydzielony gaz podlega dalszej obróbce w celu spełnienia określonych wymagań. Instalacja odwadniająca kontroluje zawartość wody; instalacja obróbki gazu usuwa pewne węglowodory odpowiednie do specyfikacji punktu rosy oraz instalacja odsiarczania gazu usuwa siarczki i inne występujące związki siarki. Gaz ziemny jest bez zapachu, dlatego jest nawaniany, aby posiadał charakterystyczny zapach gazu.
Co oznacza skrót CNG?
CNG (ang. Compressed Natural Gas) oznacza sprężony gaz ziemny; termin używany jest do metanu lub gazu ziemnego sprężonego do podwyższonego ciśnienia (typowo 250 bar). Gaz ziemny pozostaje w stanie gazowym przez cały okres procesu sprężania.
W celu zmaksymalizowania ilości gazu przechowywanego w danej objętości (powiedzmy zbiorniku paliwa) gaz jest sprężany do bardzo wysokich ciśnień i przechowywany w specjalnych butlach.
Gaz sprężany jest przy pomocy wysokociśnieniowych sprężarek tłokowych.
Co oznacza skrót NGV?
NGV (ang. Natural Gas Vehicles) oznacza pojazdy napędzane gazem ziemnym; są to typowe pojazdy przerobione na gaz CNG.
Istnieją trzy rodzaje pojazdów napędzanych gazem (NGV): dedykowane, podwójne i dualne. Pojazdy dedykowane napędzane są tylko gazem ziemnym. Pojazdy na paliwo podwójne napędzane są gazem CNG, ale zachowują zdolność do użycia benzyny jako paliwa rezerwowego. Silnik może być zasilany jednym lub drugim paliwem, ale nie jednocześnie obydwoma paliwami. Stopień sprężania silnika musi pozostać na poziomie odpowiednim dla benzyny. Aktualnie ten typ silnika używany jest prawie wyłącznie w pojazdach poniżej 3,5 t. Silniki na paliwo dualne pochodzą od silników wysokoprężnych. Niewielka ilość oleju napędowego stanowi źródło pilotujące zapłon. Podstawowe paliwo – gaz ziemny mieszany jest z napływającym powietrzem. Zapłon w silnikach dualnych następuje samoczynnie przez sprężanie i nie wymagają one świec zapłonowych.
 Wózki widłowe zasilane CNG – magazyn spedycyjny Qantas w Australii. |
Sprężony gaz ziemny przechowuje się w pojeździe w butlach zamontowanych z tyłu, pod podłogą lub na dachu pojazdu. Gaz ziemny zasilany jest do silnika poprzez regulator wysokiego ciśnienia (znajdujący się najczęściej w przedziale silnikowym), gdzie następuje redukcja ciśnienia. W silnikach gaźnikowych paliwo wpływa do gaźnika (przez specjalny mieszalnik paliwa z powietrzem) pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego przez specjalnie zaprojektowany mieszalnik gazu ziemnego, w którym gaz jest właściwie mieszany z powietrzem. W pojazdach z wtryskiem paliwa gaz napływa do wtryskiwaczy pod stosunkowo niskim ciśnieniem (do około 6 bar, 90-100 psi). W każdym przypadku gaz wpływa następnie do komory spalania silnika, gdzie następuje zapłon i wytworzenie mocy wymaganej do napędu pojazdu. Specjalne zawory elektromagnetyczne uniemożliwiają przedostanie się gazu do silnika, gdy jest on wyłączony. |
 Śmieciarka Onyx CNG –Paryż, Francja. |
W pojazdach na podwójne paliwo przełącznik paliwa kontroluje przepływ gazu ziemnego lub benzyny (W niektórych systemach przełączanie następuje automatycznie, gdy w pojeździe nie ma gazu ziemnego). Na desce rozdzielczej znajduje się wskaźnik paliwa lub jest on umieszczony w normalnym wskaźniku paliwa tak, aby kierowca wiedział, ile gazu ziemnego pozostało w zbiornikach paliwa.
Co to są stacje tankowania CNG?
Stacje tankowania CNG, to termin zbiorczy dla kompletnej instalacji wymaganej do tankowania pojazdu sprężonym gazem ziemnym. Stacja zawiera zasadniczo zasilanie gazu, sprężarkę gazu, butle, panel priorytetowy i dystrybutor.
Stacje CNG mają różne kształty i wymiary, ale wszystkie zawierają podane podstawowe elementy.
Stacje tankowania dzieli się na dwie główne grupy: napełniania czasowego (lub powolnego) i napełniania szybkiego.
Stacje napełniania czasowego wykorzystują sprężarkę do bezpośredniego tankowania pojazdu w określonym okresie czasu, zazwyczaj, gdy pojazd parkuje na noc. Dlatego stacje tego rodzaju nie wymagają drogich dystrybutorów elektronicznych, ale mają ograniczenia, gdyż nie nadają się do publicznego tankowania lub na podjeździe.
Ten typ stacji nadaje się do dużych zajezdni autobusów, gdzie wszystkie pojazdy wracają na noc.
Tankowanie szybkie jest bardziej powszechne dla lekkich pojazdów, jak samochody osobowe i taksówki i nadaje się do podjazdów benzynowych.
W tych stacjach gaz dozowany jest ze zbiorników statycznych pod wysokim ciśnieniem (250 bar). Sprężarki utrzymują zawsze maksymalne ciśnienie przez okresowe wyłączanie i załączanie w zależności od potrzeb, gdy pojazdy pobierają gaz.
Takie rozwiązanie nadaje się idealnie do stacji publicznych lub, gdy wymagane jest szybkie napełnienie, a pojazd musi pojechać w inne miejsce oddalone od stacji tankowania gazu.
Stacje szybkiego napełniania nadają się do samochodów, taksówek, samochodów dostawczych, śmieciarek i samochodów ciężarowych powyżej 3,5 t., lecz mogą tutaj tankować wszystkie pojazdy.
Bezpieczeństwo
CNG, który jest zawsze gazem, jest bezpieczniejszy od tradycyjnych paliw płynnych, jak benzyna czy olej napędowy z kilku powodów. Po pierwsze, w razie przecieku gaz ulotni się szybko do góry, natomiast paliwo płynne rozleje się na ziemi stwarzając zagrożenie pożarowe.
Po drugie, gaz CNG ma znacznie wyższą temperaturę zapłonu niż paliwa płynne (580 stopni C w porównaniu z 220 stopniami C dla benzyny), dlatego w przypadku przecieku gazu mniejsze jest prawdopodobieństwo potencjalnych źródeł zapłonu.
Po trzecie, gaz CNG ma węższy zakres palności, zapłon następuje tylko przy stężeniu w powietrzu w zakresie od 5 do 15% (benzyna pomiędzy 1 i 8% mieszanki w powietrzu).
Gaz ziemny jest również nietoksyczny, nie powoduje korozji i nie zanieczyszcza wód podziemnych.
Spalanie gazu ziemnego nie wytwarza aldehydów w znacznych ilościach lub innych związków trujących w powietrzu, które stanowią problem w przypadku benzyny i niektórych innych paliw alternatywnych.
Inna właściwość bezpieczeństwa polega na tym, że butle zarówno w pojazdach jak i w stacjach tankowania wykonane są z bardzo mocnego materiału oraz są zabezpieczone przy pomocy zaworów nadmiarowych i innych urządzeń zabezpieczających.
Konstrukcja butli podlega wymagającym testom w zakresie pożaru, zderzenia, uszkodzenia mechanicznego itp.
Proces tankowania przy pomocy pompy dozującej jest również bardzo bezpieczny, gdy cała instalacja jest szczelna, co zapobiega przeciekom produktu.
Paliwa alternatywne
Od wielu lat szukano paliw alternatywnych dla transportu.
Nie jest to odkrycie, ale trzeba sobie zdać sprawę z faktu, że rezerwy ropy naftowej są ograniczone i zależność od ropy naftowej stwarza inne problemy, jak bezpieczeństwo dostaw oraz wahania cen.
Główne paliwa alternatywne są następujące:
- Olej napędowy o bardzo niskiej zawartości siarki – jest to olej napędowy, który spełnia specyfikacje Euro4 lub specyfikacje zaproponowane przez Wspólnotę dla Implementacji 4 w 2006. Specyfikacje paliwowe Euro4 opublikowano w Dyrektywie 98/70/EC (European 5 Communities) w 1998, która określa poziom siarki poniżej 50 ppm. Zastąpił on już konwencjonalny olej napędowy z poziomem >1000 ppm i zastąpi olej o niskiej zawartości siarki, który jest obecnie szeroko dostępny i ma zawartość siarki… <500 ppm.
- Biodiesel i Biogaz - Biodiesel jest to nazwa ogólna paliw otrzymywanych na drodze transestryfikacji oleju roślinnego. Uzyskuje się paliwo o właściwościach spalania bardzo podobnych do czystego oleju napędowego, lecz o mniejszej lepkości. Biodiesel, to często ester metylowy oleju rzepakowego (paliwo RME), główny europejski biodiesel. Estryfikowany olej sojowy stanowi główne źródło takiego paliwa w U.S.A. i nazywa się dieslem sojowym.
- Gaz ziemny płynny (ang. Liquefied Natural Gas) - LNG jest również gazem ziemnym, ale w postaci płynnej. Metan przechodzi w stan płynny w temperaturze –161 stopni C i jest na ogół ochładzany do –180 stopni C dla zachowania stanu płynnego; wymaga zbiorników kriogenicznych z izolacją próżniową, aby zachować stan płynny podczas przechowywania.
- Gaz skroplony (ang. Liquefied Petroleum Gas) - LPG stanowi mieszaninę głównie propanu, propylenu, butanu i butylenu, w różnych proporcjach w zależności od miejsca pochodzenia. Składniki LPG, to gazy w normalnych temperaturach i ciśnieniach, ale można łatwo uzyskać postać płynną dla magazynowania. W tym celu zwiększa się ciśnienie do około 8 atmosfer lub zmniejsza się temperaturę.
- Wodór – wodór, to pierwiastek chemiczny o najmniejszej masie cząsteczkowej, który nie występuje na ziemi w stanie wolnym. Ze względu na wysoką reaktywność wiąże się zawsze z innymi molekułami i dlatego do celów paliwa samochodowego musi być wytworzony przez człowieka. Pojazdy mogą spalać czysty wodór w silnikach spalinowych lub używać go w ogniwach paliwowych do napędu silnika elektrycznego. Opcję ogniw paliwowych uważa się za preferowaną w długim okresie czasu, gdyż pozwala uzyskać większą wydajność i stąd większy zasięg przy tej samej ilości paliwa, chociaż wymaga bardziej skomplikowanych zmian w konstrukcji istniejących pojazdów.
- Napęd elektryczny – wiele pojazdów napędzanych jest energią elektryczną, jak wózki widłowe, pojazdy transportu mlecznego, niektóre małe pojazdy osobowe itp. Zasięg pojazdów elektrycznych jest niewielki i wymagają one częstego ładowania, dlatego zastosowanie jest ograniczone do transportu wewnętrznego miejskiego. Pojazdy hybrydowe, jak elektryczne/gazowe będą miały w przyszłości zwiększony zasięg.
Ochrona środowiska
 |
Istnieje wiele powodów, dla których warto zainwestować w paliwa alternatywne. Do nich zaliczamy środowisko, ekonomię i gospodarkę oraz ewolucję technologiczną. Napędzanie pojazdów gazem ziemnym może zmniejszyć lub wyeliminować:
|
Redukcja szkodliwych emisji może być znaczna:
- Dwutlenek węgla – redukcja o 22-24% w porównaniu z benzyną, 10% w porównaniu z dieslem.
- Tlenek węgla – redukcja o 76% w porównaniu z benzyną, CNG i diesel obydwa niskie poziomy
- Tlenki azotu – redukcja o 83% w porównaniu z benzyną, 80% w porównaniu z dieslem
- Węglowodory – redukcja o 88% w porównaniu z benzyną, 80% w porównaniu z dieslem
- Benzen – redukcja o 99% w porównaniu z benzyną, 97% w porównaniu z dieslem
- Ołów – redukcja o 100% w porównaniu z benzyną, nie dotyczy diesla
- Zanieczyszczenia stałe – nie dotyczy benzyny, wyeliminowane dla diesla
- Siarka – prawie 100% redukcja w porównaniu z benzyną, prawie 100% redukcja w porównaniu z dieslem
Gaz ziemny spala się wolniej niż benzyna lub olej napędowy, co zmniejsza zużycie i zwiększa trwałość silnika.
W gazie ziemnym nie ma ołowiu, więc nie zanieczyszcza świec zapłonowych, a ich trwałość zwiększona jest 2 -3 krotnie.
W dużych stacjach tankowania CNG uzasadnione są wydatki na infrastrukturę rurociągów.
Polepszone wykorzystanie zasobów – ulgi fiskalne dla posiadaczy pojazdów NGV ze względów ekonomicznych i zastąpienia oleju napędowego lokalnym paliwem.
Gazu ziemnego sprężonego jest o 30% do 60% mniej niż paliw konwencjonalnych.
Bezpieczeństwo dostaw – zależność państwa od importowanej ropy może stanowić pewną ochronę w przypadku międzynarodowych kryzysów paliwowych, gdyż możliwe jest zastosowanie do celów transportowych lokalnego gazu ziemnego.
