Gaz ziemny - paliwo silnikowe, proste użytkowanie

[Gerard Bartłomiejczyk]

Warszawa, marzec 2007r.

Autor: Gerard Bartłomiejczyk
e-mail:gerard.bartlomiejczyk@op.pl

Poniższy artykuł prezentowany był na 29 Międzynarodowej Konferencji Naukowej KONES 2003, która odbyła się w Wiśle w dniach 14-17 września 2003 roku. Postanowiłem go przytoczyć z niewielkimi tylko poprawkami, gdyż uważam, że doskonale się nadaje, aby dokonać ogólnej prezentacji gazu ziemnego jako paliwa napędowego. Mam nadzieję, że pozbawiony zdjęć i tabel nadal będzie przydatny i czytelny.

Gaz ziemny – paliwo silnikowe
proste użytkowanie

Wstęp.

Samochody zasilane gazem ziemnym są obecnie produkowane na świecie przez wiele koncernów samochodowych, takich jak Mercedes, Volvo, Ford, Fiat, Volkswagen, Honda czy Opel. Prawie wszyscy producenci autobusów mają w swojej ofercie autobusy zasilane tym paliwem. Wieloletnie doświadczenia sprawiły, że układy zasilania alternatywnego są tak samo niezawodne jak tradycyjnymi paliwami płynnymi.
Gaz ziemny od paliw płynnych i „autogazu” różni przede wszystkim forma gazowa, w jakiej występuje w środowisku. Ma mniejszą gęstość, co w konsekwencji powoduje zgromadzenie mniejszej energii w jednostce objętości. Dlatego gromadzony jest w pojeździe w postaci sprężonej (CNG). Wymaga to zamontowania w samochodzie butli, w których gaz ziemny jest sprężony do około 200 bar, urządzenia redukującego to ciśnienie do ciśnienia zasilania silnika, oraz kilku urządzeń czuwających nad pracą systemu. Zwiększenie ilości gazu w zbiorniku pojazdu można uzyskać przez zwiększenie ciśnienia, pod jakim gaz jest zgromadzony w zbiorniku, lub dzięki zmagazynowaniu go w zbiorniku kriogenicznym w postaci skroplonej. Ta forma magazynowania gazu ziemnego w pojazdach w Europie nie jest jak dotąd rozpowszechniona.

Tankowanie sprężonego gazu ziemnego.

Dla kierowcy napełnienie butli pojazdu sprężonym gazem ziemnym nie różni się od napełniania baku benzyną.

Na stacji ogólnodostępnej trwa prawie tyle samo czasu, a istotną różnicę stanowi tylko wlew paliwa. W przypadku tankowania gazu ziemnego musi być zachowana szczelność połączenia pojazdu z dystrybutorem gazu. Dlatego tradycyjny nalewak benzynowy zastąpiono szczelnym szybkozłączem. Podczas tankowania samochodu gazem ziemnym kierowca nie wdycha oparów paliwa, nie występuje też emisja tego paliwa do atmosfery.

Przyłącze, umożliwiające zatankowanie pojazdu gazem, umieszczane jest w sąsiedztwie wlewu paliwa płynnego. Dostęp do niego chroniony jest przez wspólną z wlewem benzyny klapkę, lub dodatkowym korkiem, którego demontaż następuje po użyciu kluczyka. Umieszczenie tego przyłącza, po tej samej stronie, co wlew paliwa płynnego, uczyniło łatwiejszym tankowanie samochodu dwupaliwowego. Każdy kierowca przyzwyczajony jest do lokalizacji tego wlewu i automatycznie dokonuje wyboru stanowiska do tankowania. Dla własnej wygody wybierając zawsze dystrybutor znajdujący się po tej samej stronie, co wlew paliwa.

Dystrybutor CNG.

Napełnianie zbiorników gazem ziemnym dokonywane jest z dystrybutora gazu ziemnego umieszczonego na stacji wielopaliwowej, lub na samodzielnej stacji tankowania gazu ziemnego. Stanowisko do tankowania CNG stanowi dystrybutor obsługiwany przez kierowcę tankowanego pojazdu, optycznie niczym nieróżniący się od dystrybutora paliwa płynnego. Standardowe wyposażenie takiego dystrybutora stanowią zawory bezpieczeństwa uniemożliwiające przetankowanie zbiorników samochodu gazem. Każdy dystrybutor wyposażony jest również w złącze zrywne, którego zadziałanie następuje w przypadku rozszczelnienia połączenia dystrybutor – samochód. Ma on za zadanie uniemożliwić emisję gazu do atmosfery. Zastosowanie takiego złącza eliminuje niebezpieczne następstwa, jakie może nieść ze sobą odjechanie samochodu połączonego z wężem dystrybutora.
Instrukcja obsługi stanowiska napełniania CNG umieszczona jest na panelu czołowym dystrybutora i zapewnia bezpieczne przeprowadzenie procesu tankowania samodzielnie przez kierowcę pojazdu.
Istnieje możliwość tankowania samochodu z własnego, przydomowego punktu tankowania gazem ziemnym, czego nie umożliwiają inne paliwa. Takie punkty tankowania wykorzystywane są na Świecie również do zasilania motocykli, czy kosiarek ogrodowych, których silniki są dużo cichsze od swoich odpowiedników benzynowych. Tym samym zaprzestano magazynowania benzyny w kanistrach na terenie danej posesji.

Rodzaje układów zasilania samochodów CNG.

• Najczęściej występują układy dwupaliwowe. Silnik zasilany jest alternatywnie gazem ziemnym lub benzyną. Taki pojazd oznakowany jest w nazwie modelu dodatkowo BI-FUEL, BIPOWER, bądź skrótem CNG,
• Samochody zasilane wyłącznie gazem ziemnym oznaczone są symbolem BLUPOWER, CNG,
• Zasilane jednocześnie mieszanką gazu i oleju napędowego silniki wysokoprężne samochodów, w których olej stanowi dawkę zapalną oznaczane są symbolem DUAL-FUEL.

Zbiornik gazu ziemnego w samochodach wyposażonych fabrycznie w instalacje gazowe.

W obecnie produkowanych samochodach osobowych i dostawczych, zbiorniki gazu są fabrycznie umieszczone pod podłogą tych pojazdów, dzięki temu przestrzeń bagażowa nie zostaje zmniejszona. Producenci samochodów zapewnili wykorzystanie całej powierzchni bagażowej zwiększając bezpieczeństwo użytkownika i umożliwiając łatwiejszy dostęp do zbiorników CNG. Bezpieczeństwo pasażerów zostało zwiększone, gdyż ewentualne rozszczelnienie zbiornika gazu umieszczonego w bagażniku umożliwiało jego migrację do przedziału pasażerskiego. Umieszczenie butli pod podłogą wykonaną z jednego arkusza blachy prawie całkowicie uniemożliwia takie przeniknięcie gazu. Ułatwia ich demontaż w celu przeprowadzenia okresowej rewizji zbiornika, gdyż demontaż butli umocowanej pod podłogą możliwy jest tylko od dołu pojazdu dzięki użyciu podnośnika, bądź najazdu i może być dokonany mimo umieszczonego w samochodzie ładunku, bez konieczności demontażu specjalistycznej zabudowy jak to ma miejsce w samochodach doposażonych w instalację gazową.

W samochodach ciężarowych butle mocowane są za kabiną kierowcy, bądź pod skrzynią ładunkową bezpośrednio do ramy pojazdu. W autobusach umieszczane są pod podłogą przedziału pasażerskiego, a w niskopodłogowych modelach na dachu w charakterystycznej obudowie.

Samochody wyposażone w instalacje gazowe poza producentem.

W samochodach, wyposażanych w instalacje zasilania silnika CNG indywidualnie przez montażystów, zbiorniki gazu umieszczane są nadal w przedziałach ładunkowych samochodów dostawczych, a w samochodach osobowych w bagażniku. Takie umieszczenie butli spowodowane jest brakiem przygotowanego fabrycznie miejsca pod podłogą samochodu przez producenta. Istnieje możliwość wyposażenia samochodu w zbiorniki stalowe, bądź wykonane z kompozytów polimerowych utworzonych z żywic chemoutwardzalnych, wzmocnionych włóknami szklanymi, węglowymi, czy aramidowymi. Klient może wybrać spośród kilku opcji ilość zbiorników, w które może zostać wyposażony pojazd. Zdecydować o zamontowaniu zbiorników pionowym, lub poziomym. Wybór rodzaju montowanych osłon butli i ich zaworów jest szeroki. Od osłon stalowych, lakierowanych w kolorze nadwozia, do osłon pokrytych materiałem wełnianym, który został zastosowany przez producenta samochodu do wyłożenia bagażnika. Dzięki temu zamontowane zbiorniki stały się mniej widoczne, a klient uzyskał produkt estetyczny i dobry jakościowo.


Krajowi posiadacze samochodów CNG.

Większość samochodów eksploatowanych w Polsce stanowią pojazdy dwupaliwowe. Doposażane w instalacje gazowe w Polsce mają najczęściej przyłącze służące do napełniania butli pojazdu gazem ziemnym umieszczone w komorze silnika. Jest to rozwiązanie umożliwiające zachowanie gwarancji na pojazd nowy, wyposażony w układ zasilania paliwem alternatywnym. Dalekie jest ono jednak od komfortowego. Z każdym tankowaniem powoduje konieczność otwarcia pokrywy silnika. Prowadzi do częstych zabrudzeń odzieży i dłoni. Winno być wykonywane w rękawiczkach uniemożliwiając poparzenie naskórka rozgrzanymi elementami samochodu. Między innymi z tych powodów w Polsce tankowanie gazem jest wykonywane przez pracownika obsługi stacji, a nie indywidualnie przez kierowcę.
W Polsce są zarejestrowane również samochody wyposażone fabrycznie w instalacje CNG. Z każdym miesiącem przybywa sprowadzanych takich aut z zagranicy. Właściciele pojazdów w Polsce, którzy dziś decydują się na pozostawienie w swych samochodach instalacji umożliwiającej zasilanie silnika samochodu sprężonym gazem ziemnym, najczęściej mieszkają w pobliżu punktu tankowania tego paliwa, bądź są często przejazdem w jego okolicy. Samochody sprowadzane do Polski i posiadające dopuszczenia do eksploatacji w kraju wyposażone są często w zbiorniki CNG wykonane z kompozytu węglowego.
Po polskich drogach poruszają się również samochody przystosowane w Polsce fabrycznie do gazu ziemnego. Są to autobusy Jelcz 120M/4 Supero, Jelcz M125M/4 Vecto, Jelcz M121M/4 Mastero których zalety doceniło tylko parę miast w Polsce. Autobusy Volvo 7000CNG, montowane we wrocławskim zakładzie, a na naszych drogach będące przejazdem na trasie z fabryki do punktu docelowego, który znajduje się na terenie Niemiec w Sd Neuhaus, we Francji w Nantes i Montbeliard. Prawdopodobnie pojadą też do Norwegii.
Podobna jest sytuacja z samochodami marki Volkswagen Golf Variant CNG, którego montaż wykonywany był w poznańskich zakładach Volkswagena. Trafiał on na rynek niemiecki. Montowane są seryjnie na terenie Polski instalacje gazu ziemnego również w Volkswagenie Caddy EcoFuel, Fiacie Panda, Solariach Urbino 12, 15, 18 CNG, zmodernizowano także pojazd specjalistyczny typu SM 200 na podwoziu Jelcza....

Samochody zasilane CNG przejeżdżające przez Polskę.

Przybywa osób będących przejazdem przez Polskę, które dysponują samochodami na paliwo jakim jest sprężony gaz ziemny. Coraz częściej są to instalacje fabryczne. Opinie użytkowników tych aut są zawsze bardzo pozytywne. Jedyny mankament, jaki dostrzegają to niemożność przejazdu przez nasz kraj na tym paliwie. Twierdzą, że możliwe jest przejechanie całej Europy na gazie ziemnym z wyjątkiem Polski, w której brak jest stacji dystrybuujących CNG.


Zużycie gazu ziemnego przez pojazdy.

Badanie na hamowni podwoziowej typu Scheneck EMDY 48 samochodu Fiat Multipla wykazało zużycie gazu na 100 km w granicach :
w cyklu miejskim : od 13,36 Nm3, do 14,49 Nm3
w cyklu pozamiejskim : 8,45 Nm3, 8,62 Nm3
w cyklu mieszanym : 10,26 Nm3, 10,79 Nm3
Dla tego samochodu w praktyce średnie zużycie w okresie całorocznym to 13 Nm3. Samochód ten eksploatowany był głównie w mieście. Zużycie 8,45 Nm3/100 km osiągnięte na hamowni, przy pełnych butlach zawierających 41,75 Nm3 pozwoli na przejechanie 494 km. Informacje uzyskane od kilku kierowców pozwoliły na określenie najdłuższego przejazdu na gazie ziemnym pojazdu marki Fiat Multipla wynoszącego 470 km. Różnicę 20 km spowodowała zapewne lokalizacja stacji w centrum miasta, gdyż warunki sprzyjające do płynnej jazdy można uzyskać dopiero po opuszczeniu terenu zabudowanego.


Porównanie zużytego paliwa gazowego do benzyny.

Stosunek zużytego gazu ziemnego do różnicy zużytej benzyny zawierał się w przedziale 1,72 - 1,87samochodów jakie poddałem analizie.

Źródła podają na podstawie różnych badań przelicznik dla samochodów osobowo-dostawczych zawarty pomiędzy 1,1 – 1,4. Przedstawione, większe zużycie gazu spowodowane jest zwiększoną nieznacznie pojemnością silnika aut dwupaliwowych, oraz preferencyjnym używaniem gazu w stosunku do benzyny prezentowanych samochodów. Ponadto zaobserwowano, że kierowcy badanych samochodów nie wyłączali silników na postoju, gdy paliwem zasilającym silnik był gaz ziemny. Kierowcy używali benzyny do uruchomienia zimnego silnika, oraz po zużyciu gazu. Taka sytuacja zachodzi wtedy, gdy pojazd pokonał odległość większą niż ta, którą umożliwia mu pełen zbiornik gazu. Powrót dokonany na benzynie w cyklu pozamiejskim powoduje, że zużycie benzyny liczone na 100 km się zmniejsza. 3 litry benzyny, to około 20 uruchomień zimnego silnika, gdyż na 1 uruchomienie potrzeba do 0,15 litra benzyny. Dlatego zimą potrzeba więcej benzyny, latem zużycie jej może być ograniczone do minimum.

Usterki instalacji gazowych.

Przez cały czas eksploatacji samochodów zasilanych CNG nie stwierdzono usterki samego silnika. Najczęściej zawodnymi elementami instalacji są urządzenia elektroniczne. Częstotliwość ich napraw i regulacji jest porównywalna z zawodnością ich odpowiedników w samochodach, które zasilane są paliwami tradycyjnymi. Samochody dwupaliwowe wyposażone przy przebiegu zerowym w instalację gazową przejechały głównie na gazie już dawno po 100 tys. km. Samochód, w którym zabudowa została dokonana przy stanie licznika 100 tys. km przejechał na CNG kolejnych 30 tys. km. W Polsce najdłuższe przebiegi na gazie ziemnym wynoszą i po 200 tys. km bez poważniejszych napraw.
Podczas 3,5 roku eksploatacji prawie 40 samochodów z instalacjami CNG wykonano następujące naprawy w instalacjach gazowych tych pojazdów;
Wymieniono;
- 3 centralki, ( sterują ilością gazu na podstawie odczytu parametrów pracy silnika )
- 5 silniczków krokowych, ( dozują ilość gazu )
- 2 wariatory, ( zmieniają kąt wyprzedzenia zapłonu )
- 1 emulator, ( odcina wtryskiwacze )
- 3 przełączniki gaz/benzyna,
- 2 zawory do tankowania,
- 1 wskaźnik ciśnienia,
- 1 przewód gazowy,
- 1 manometr,
- 1 pulsator,
Naprawiono;
- 1 elektrozawór,
- 6 reduktorów,
Doszczelniono 2 instalacje.

CNG w Unii Europejskiej.

Komisja Europejska przedstawiła Dyrektywy według, których gaz ziemny zastąpi do roku 2020 10% paliw silnikowych bazujących na ropie naftowej. CNG zakwalifikowano jako paliwo alternatywne. Takim paliwem nie jest LPG, w myśl definicji paliwa alternatywnego zapożyczonej przez Unię Europejską ze Stanów Zjednoczonych, a określającej mianem paliwa alternatywnego wszystkie te paliwa, które nie powstają w wyniku przeróbki ropy naftowej. W tej grupie znalazły się obok gazu ziemnego Biopaliwa. Biogaz o zawartości 60-65% metanu, który jest głównym składnikiem gazu ziemnego pozyskiwany jest również w Biogazowniach, szczególnie podczas utylizacji wywaru gorzelnianego. Wytworzony w ten sposób biogaz jest skraplany i wykorzystywany w niektórych miastach UE jako napęd gazowy pojazdów samochodowych. Również autobusów. Metan ma stać się w niedalekiej przyszłości paliwem w bateriach paliwowych. Zwiastuje to rozwój rynku CNG również w Polsce, a przystąpienie do UE powinno przyspieszyć ten proces.

Podsumowanie.

Wiele państw, a szczególnie miast i dużych aglomeracji miejskich doceniło ekologiczne zalety napędu gazowego. Pojazdy zasilane CNG to inwestycja w środowisko, w którym żyjemy. Pieniądze wydane na zakup samochodu z tym napędem zaprocentują w przyszłości. Treści płynące z sozologii spowodowały, iż wiele państw w znacznym stopniu popiera rozwój rynku CNG. Dofinansowywuje budowę stacji tankowania gazu ziemnego, wprowadza systemy ulg i zwolnień podatkowych dla użytkowników i producentów takich pojazdów. Realizuje programy długoterminowe mające na celu spopularyzowanie tego paliwa, dzięki czemu wzbudza zainteresowanie inwestorów. Transport miejski; autobusy, pojazdy dostawcze, taksówki, pojazdy oczyszczania miasta i służb porządkowych zyskały preferencje dla zasilania CNG. Organizatorzy imprez masowych w czasie, których gwałtownie wzrasta ruch komunikacyjny stosują do pojazdów CNG. Regionalnie i czasowo wprowadzane są nakazy użytkowania samochodów z napędem gazowym. Biuletyny miejskie informują o korporacjach taksówkowych posiadających wyłącznie auta zasilane CNG, z których usług skorzystanie nie przyczynia się do zanieczyszczania powietrza w mieście.

W pracy wykorzystano:

- Materiały własne
- Publikacje prasowe pracowników Instytutu Transportu Politechniki Śląskiej dotyczące instalacji zasilania alternatywnego,
- Protokół Przemysłowego Instytutu Motoryzacji z badania emisji z pojazdu wg regulaminu 83 ECE,
- Materiały z Sympozjum w Inowrocławiu, wrzesień 2001r. "Zrównoważony rozwój miasta ekologiczne aspekty stosowania gazu ziemnego do napędu pojazdów samochodowych",
- Informator " Wegweiser Erdgastanstellen in Deutschland " wydanie 2002 i 2003r.
- Informacje uzyskane od użytkowników samochodów zasilanych gazem ziemnym,
- Publikacje z miesięcznika Autobusy,
- Materiały z VI Międzynarodowej Konferencji Naukowej Silniki Gazowe 2003 konstrukcja, badania, eksploatacja, paliwa odnawialne,
- Materiały z IV Ogólnopolskiej Konferencji Naukowo-Technicznej Pojazd a środowisko 2003r.
- Materiały z I Krajowej Konferencji Odzysk, recykling i gospodarka odpadami zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju w XXI wieku 2003r.
- Materiały reklamowe firmy Opel,
- Materiały prezentowane na Targach Berlińskich Gas Berlin 2003.

W kolejnych artykułach poznamy więcej szczegółów na temat dystrybucji CNG i budowy takich instalacji.