Paliwa alternatywne w autobusach: CNG (część I)
W ostatnich latach w motoryzacji coraz częściej mówi się o alternatywnych w stosunku do ropy naftowej źródłach energii. Wzrastające wymagania co do czystości spalin, duże wahania cen ropy naftowej i perspektywa szybkiego ograniczenia zasobów złóż tego surowca sprawiają, że obecnie coraz popularniejsze stają się pojazdy zasilane CNG i biopaliwami.
Gaz ziemny wydobywa się z pokładów zebranych w przestrzeniach występujących w skorupie ziemskiej. Pokłady gazu ziemnego występują samodzielnie, czasem też towarzyszą złożom ropy naftowej i węgla kamiennego. Skład chemiczny gazu ziemnego jest uzależniony od miejsca wydobycia, jednak zwykle główny jego składnik, metan, stanowi ok. 90%. Ponadto w skład gazu ziemnego wchodzą: etan, propan, butan, tlenek węgla i inne związki organiczne oraz mineralne. Skrót CNG wywodzi się od angielskiej nazwy Compressed Natural Gas, czyli sprężony gaz ziemny. Do napędu autobusów stosuje się gaz ziemny w postaci sprężonej do 20–25 MPa. Warto zauważyć, że oprócz sprężania przed zastosowaniem w silnikach gazu ziemnego nie poddaje się żadnej innej obróbce. CNG charakteryzuje się wysoką temperaturą zapłonu (630 °C) i palnością tylko w mieszance z powietrzem przy określonych proporcjach (tzw. mieszanka stechiometryczna lub uboga), przez co uznaje się go za jedno z najbezpieczniejszych paliw. Dodatkowym czynnikiem poprawiającym bezpieczeństwo eksploatacji CNG jest to, że w przypadku rozszczelnienia zbiornika gaz rozpręża się i ochładza, co zmniejsza prawdopodobieństwo zapłonu. Wartość energetyczna 1 m3 CNG jest w przybliżeniu równa wartości energetycznej 1 litra benzyny. Masa 1 m3 gazu ziemnego w warunkach normalnych wynosi w przybliżeniu 0,7 kg.
| |
Zastosowanie CNG
Pomimo wielu zalet gaz ziemny wciąż nie zdobył w Polsce większej popularności. W przeciwieństwie do LPG, który można zatankować niemalże na każdej stacji benzynowej na terenie całego kraju, punktów sprzedających CNG jest bardzo niewiele. Oczywiście budowa stacji tankowania CNG jest kosztowną inwestycją i może zwrócić się jedynie przy odpowiednim jej wykorzystaniu. Głównym problemem przy stosowaniu CNG do napędu samochodów jest znaczna masa zbiorników na gaz, która wynika z dużego ciśnienia CNG. Właśnie ze względu na to CNG nie rozpowszechnił się w samochodach osobowych. Dużo łatwiej stosować CNG w pojazdach użytkowych (mniejszy stosunek masy butli z gazem do całkowitej masy pojazdu). Najczęstszym obszarem zastosowania stały się autobusy, głównie miejskie. Butle kompozytowe na CNG umieszcza się w nich zwykle na dachu (w konstrukcjach niskopodłogowych), w starszych modelach (np. Jelcz 120 M/4) pod podłogą. Dobowe przebiegi autobusów miejskich kształtują się w granicach 300 km, dlatego nie ma potrzeby instalowania w nich zbyt wielu ciężkich butli.
Warto więc zastanowić się, czy w świetle niestabilnych cen ropy naftowej gaz ziemny nie jest ciekawą alternatywą dla przedsiębiorstw komunikacji miejskiej. Najnowocześniejsze rozwiązania technologiczne wykorzystujące odnawialne źródła energii (napęd wodorowy – ogniwa paliwowe i spalinowe silniki wodorowe) wciąż nie są jeszcze produkowane na skalę masową, a pojedyncze dostępne modele autobusów wyposażonych w taki napęd należą do prototypowych serii i są niezwykle drogie. Podobnie zaporową cenę mają autobusy hybrydowe (nawet polski Solaris swoje hybrydowe Urbino sprzedaje jak dotąd wyłącznie za granicą, właśnie z powodu ceny). Autobusy z silnikami zasilanymi CNG zaś są produkowane seryjnie już od wielu lat, a ich cena jest niewiele wyższa niż w przypadku modeli napędzanych olejem napędowym. Warto pamiętać, że komunikacja miejska jest dotowana przez budżety lokalnych samorządów, dla których inwestycja w CNG (stacja tankowania i tabor) może mieć pozytywny wymiar co najmniej w dwóch aspektach: niższe koszty utrzymania linii oraz unijne dotacje na wykorzystywanie ekologicznego paliwa w komunikacji miejskiej.
Niższe koszty eksploatacji autobusów mogą w dalszej perspektywie przerodzić się w możliwość modernizacji taboru i infrastruktury lub zwiększenie dostępności komunikacyjnej dla obszarów peryferyjnych. Dodatkowym atutem jest prestiż uzyskiwany przez miasto eksploatujące ekologiczne autobusy. Przykładów miast, które zainwestowały w autobusy zasilane CNG, jest wiele. Sztandarowym polskim przykładem jest MPK Rzeszów. Od 2004 r. przedsiębiorstwo z powodzeniem eksploatuje autobusy zasilane CNG. Obecnie firma posiada ok. 40 takich pojazdów. Są to wysokopodłogowe Jelcze 120MM/1 oraz nowoczesne, niskopodłogowe Jelcze M125/4 CNG i M121 M/4 CNG oraz Solarisy Urbino CNG.
| |
Nadwozie autobusów zasilanych CNG pochodzi od standardowych modeli, a jedynym ich wyróżnikiem jest widoczna na dachu obudowa kompozytowych zbiorników na gaz. Zbiorniki takie przystosowane są do przechowywania gazu sprężonego do wysokiego ciśnienia. Wykonuje się je zwykle z polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE) pokrytego kombinacją włókien węglowych i szklanych oraz żywicy. Wyższa cena autobusów zasilanych CNG w stosunku do ceny modeli bazowych wynika z kilku czynników. Przede wszystkim jest to stosunkowo mała skala produkcji, ponadto konieczne jest zastosowanie dość drogich butli oraz zaworów rozprężnych i dodatkowego układu zasilania, a także odpornego na wyższe temperatury układu wydechowego. Obecnie wszyscy liczący się producenci posiadają w swojej ofercie autobusy miejskie zasilanie CNG. Do najpopularniejszych należą: MAN Lion’s City CNG, Solaris Urbino CNG i Volvo 7700 CNG. Do niedawna znaczny udział w sprzedaży autobusów miejskich CNG miał Jelcz z modelem M125/4 CNG Vecto. Niestety, jelczańskie zakłady zostały zlikwidowane, a model Vecto odszedł tym samym do historii.
Przegląd oferty silników
Sprawność silnika zasilanego gazem ziemnym jest nieco mniejsza niż silników Diesla i wynosi około 37% (przy 45% dla silników wysokoprężnych). W konstrukcjach silników CNG wykorzystuje się dwa rodzaje systemów spalania bazujące na mieszankach stechiometrycznych lub ubogich (z nadmiarem powietrza).
| |
Europejskim liderem w produkcji silników zasilanych CNG jest MAN. Sześciocylindrowe, rzędowe silniki gazowe tego niemieckiego producenta napędzają bardzo wiele autobusów różnych marek. Oprócz MAN-a popularnymi producentami silników CNG w Europie są: IVECO, Mercedes-Benz, Cummins, Volvo, Scania i czeski TEDOM. Najpopularniejszy silnik CNG MAN-a to jednostka E 2866 LUH. Silniki z tej serii dostępne są w wersjach: wolnossącej z katalizatorem trójdrożnym (mieszanki stechiometryczne, α = 1) oraz spalającej mieszankę ubogą (α = 1,7), mieszankę z turbodoładowaniem i chłodzeniem powietrza doładowującego (intercooler). Silniki te mają pojemność 12 l i uzyskują moc 180–228 kW (245–310 KM), można więc powiedzieć, że pod względem osiągów są porównywalne ze standardowymi silnikami Diesla. Silniki CNG nie różnią się zresztą wiele od swoich dieslowskich protoplastów. Podstawową różnicą w konstrukcji w porównaniu z pierwowzorem jest zastosowanie świec zapłonowych. Ze względu na bardzo „miękki" przebieg procesu spalania silniki gazowe firmy MAN charakteryzują się także wyjątkowo niskim poziomem hałasu.
Silniki wolnossące CNG oferowane są w wersji pionowej i poziomej, silniki doładowane zaś – wyłącznie w układzie leżącym. Najnowszą propozycją MAN-a w dziedzinie silników zasilanych CNG jest model E2876LUH o pojemności skokowej 12,8 l, i mocy 228 kW (310 KM). Silnik ten, zależnie od potrzeb, może pracować na mieszance stechiometrycznej albo ubogiej. Dzięki temu udało się połączyć zalety obu rozwiązań, czyli niską emisję spalin i niski poziom zużycia paliwa. Amerykański Cummins we współpracy z firmą Westport oferuje kilka typów silników CNG. Najpopularniejszy w dużych autobusach miejskich jest model LG-320 z serii L Gas Plus. Jednostka ma pojemność 8,9 l i osiąga moc 235 kW (320 KM). Silniki z serii L Gas Plus wyposażono w turbosprężarki o zmiennej geometrii oraz elektroniczny układ ECM koordynujący pracę układu paliwowego, czujników silnika i układu wtryskowego. Silnik LG-320 spełnia normy czystości Euro 5 i zalecenia EEV.
W stajni IVECO znajdziemy bardzo interesującą jednostkę CNG przeznaczoną do autobusów klasy maxi. Jest to silnik Cursor C78 ENT G o pojemności skokowej 7,8 l i mocy 200 kW (272 KM). Silniki typu Cursor CNG wyposażono w sekwencyjny, wielopunktowy wtrysk gazu i nowy układ sterowania silnika, umożliwiający niemal stechiometryczne spalanie mieszanki. Dzięki zastosowanym rozwiązaniom, podobnie jak u konkurentów, włoska jednostka spełnia normę Euro 5 z dużym zapasem i oczywiście również wymagania EEV. Według producenta dużą zaletą jest mała wrażliwość Cursora na niską jakość paliwa.
12-litrowy silnik do autobusów maxi produkuje także Mercedes-Benz. Jednostka OM 447 hLAG osiąga moc 185 kW (252 KM) lub 240 kW (326 KM), w zależności od wersji. Do zasilania niemieccy inżynierowie zastosowali technologię mieszalnika gazu w początkowej części kolektora ssącego. Silnik Mercedesa pracuje na ubogiej mieszance. Oprócz autobusów (Conecto, Citaro) jednostka OM 447 hLAG może napędzać również samochody ciężarowe ze srebrną gwiazdą.
Volvo również ma w ofercie silnik zasilany CNG. Do napędu gazowej wersji autobusu Volvo 7700 służy jednostka G9 A o pojemności 9 l i mocy 191 kW (260 KM) lub 220 kW (300 KM). W silniku tym również spalane są mieszanki ubogie, a zapłon inicjują świece zapłonowe. Konstrukcja szwedzkiego silnika oparta jest, podobnie jak u Mercedesa, na spalaniu ubogiej mieszanki. Silnik Volvo wyposażono w świece zapłonowe. Ciekawym rozwiązaniem Volvo jest możliwość pracy w trybie mieszanym (mixed – lean). Zastosowany system dawkowania paliwa umożliwia zmianę typu spalania pomiędzy spalaniem mieszanki ubogiej i stechiometrycznej. Dzięki temu silnik ma większą sprawność i jednocześnie jest dynamiczny już przy stosunkowo niskich obrotach.
| |
Firma TEDOM oferuje własnej konstrukcji silniki gazowe o pojemności 12 l i mocy 215 kW (292 KM) wyposażone w sekwencyjny wtrysk gazu. Jednostki CNG czeskiej konstrukcji wyposażono w turbosprężarki TEDOM. Silniki TEDOM pracują na mieszance ubogiej.
CNG – rozwiązanie ostateczne?
Moda na ekologię oraz względy ekonomiczne przyczyniły się do tego, że w komunikacji miejskiej w Polsce wykorzystuje się coraz więcej autobusów zasilanych CNG. Obecnie autobusy CNG kursują m.in. w Rzeszowie, Gdyni, Słupsku, Wrocławiu. Oczywiście daleko nam do Stanów Zjednoczonych, Kanady, Australii, Włoch, Francji, Szwecji, Niemiec czy nawet Rosji, jednak trend wzrostowy utrzymuje się. Dzięki swojej specyfice silniki CNG są cichsze i przede wszystkim ich spaliny zawierają mniej toksycznych związków niż silniki Diesla. Na świecie jest obecnie około 1,5 miliona pojazdów zasilanych CNG. Dlaczego więc, skoro sprężony gaz ziemny ma tyle zalet, nie wypiera on ropy naftowej całkowicie?
Najważniejszym problemem jest niewielki zasięg pojazdów napędzanych CNG (rzędu 400 km) oraz niewielką gęstość rozmieszczenia stacji tankowania CNG. Poza tym gaz ziemny podobnie jak ropa naftowa jest paliwem nieodnawialnym, i jego spalanie również wiąże się z emisją do atmosfery zanieczyszczeń, głównie tlenków azotu i tlenku węgla, odpowiedzialnych za powstawanie smogu fotochemicznego. Oprócz tego, w przypadku znacznego rozpowszechnienia CNG wydobycie gazu ziemnego musiałoby przecież wzrosnąć. Właściwą alternatywę dla ropy naftowej (ale i dla gazu ziemnego) stanowią więc paliwa uzyskiwane ze źródeł odnawialnych. Wytwarzane z surowców organicznych biopaliwa – także metan będący odpowiednikiem CNG – stanowią rozwiązanie konkurencyjne i również stają się obiektem zainteresowania inżynierów pracujących dla największych producentów silników w Europie.