Czas na metan? Paliwa alternatywne: CNG i LNG pod lupą

Do gazu ziemnego przekonuje się coraz więcej odbiorców. Część ze względów ekologicznych, część mobilizowana jest zmieniającymi się normami i przepisami oraz rozwijającą się infrastrukturą. Uchwalona rok temu ustawa o elektromobilności i paliwach alternatywnych na pewno przyczyni się do większego zainteresowania paliwami CNG i LNG. Głównie dlatego, że zaliczane są do bezemisyjnych, a pojazdy nimi zasilane traktuje się na równi z „elektrykami”.

2019-05-27 12:55:37
Poziom :

Autobusy napędzane sprężonym gazem ziemnym CNG jeżdżą po największych stolicach europejskich. Światowymi liderami w użytkowaniu gazu ziemnego są: Argentyna (ok. 1,5 mln aut), Brazylia i… Pakistan. Obecnie wielu producentów ciężarówek wprowadza modele zasilane CNG lub LNG. W transporcie długodystansowym lepiej sprawdza się gaz skroplony LNG, bo zapewnia dłuższy zasięg na jednym zbiorniku. Iveco podaje, że na rynku użytkowanych jest ponad 20 tys. ich pojazdów. Na ulicach pojawia się coraz więcej samochodów dostawczych i osobowych ze zbiornikami na metan.

Charakterystyka paliw gazowych

Żeby przybliżyć temat, zacznijmy od definicji. CNG (ang. compressed natural gas) to gaz ziemny sprężony do 20–25 MPa, stosowany w silnikach z zapłonem iskrowym i samoczynnym. Na świecie jeżdżą ponad 4 miliony samochodów zasilanych CNG. Wartość energetyczna 1 m3 w warunkach normalnych jest w przybliżeniu równa wartości energetycznej 1 litra benzyny. Masa 1 m3 gazu ziemnego w warunkach normalnych wynosi w przybliżeniu 0,7 kg i zależy od składu gazu. Głównym składnikiem CNG jest metan – najprostszy węglowodór, który przy odpowiednim dostępie powietrza spala się całkowicie, bez emisji cząstek stałych.

LNG (ang. liquefied natural gas) to gaz ziemny w stanie ciekłym, tj. w temperaturze poniżej162°C. Podczas skraplania jego objętość zmniejsza się 630 razy, dzięki czemu gęstość energii ciekłego gazu ziemnego wzrasta. Skraplaniu gazu ziemnego towarzyszy oczyszczenie go m.in. z dwutlenku węgla, azotu, mieszaniny propanu i butanu. Jest to bardzo czyste paliwo o liczbie oktanowej 130.

LCNG to gaz CNG uzyskiwany z LNG. Jest lepszy jakościowo od gazu sieciowego i utrzymuje stale niską temperaturę, co wpływa na zwiększenie zasięgu pojazdu. Ponadto stacja LCNG cechuje się aż 4-krotnie mniejszym zapotrzebowaniem na energię elektryczną niż klasyczne kompresory CNG.

Do paliw alternatywnych nie zalicza się LPG uzyskiwanego przy rafinacji ropy naftowej ze względów na większą emisję zanieczyszczeń w porównaniu z CNG. Gaz propan-butan jest wolny od azotu paliwowego, dlatego też obecność tych wybitnie szkodliwych związków w spalinach jest w przypadku spalania LPG znacznie niższa niż w przypadku spalania benzyn lub oleju napędowego. LPG jako paliwo dla transportu jest źródłem czystszej energii, ponieważ emituje ok. 20% mniej związków węgla niż benzyna. Redukcja zanieczyszczeń w transporcie dzięki LPG może wynosić: ok. 10–15% mniej CO2, 20% mniej CO, ok. 60% mniej węglowodorów.

Historia i zastosowanie

Gaz ziemny do napędu silników jest używany z powodzeniem od lat 30. XX wieku równocześnie z LPG. Auta wykorzystujące CNG jeździły przed wojną we Włoszech, Wielkiej Brytanii, Czechach i Rosji. Sposób magazynowania paliwa wymuszał zainstalowanie na dachu każdego auta ogromnego gumowego balonu, do którego tankowano metan. Taka konstrukcja ograniczała prędkość maksymalną, parametry jezdne (w tym podatność na przewrócenie przy podmuchach wiatru bocznego) czy mobilność wynikającą z napotkanych na trasach wiaduktów lub tuneli. Największym problemem był jednak mały zasięg pojazdu, który wynosił 50–70 kilometrów.

Problemy eksploatacyjne oraz spadek cen paliw naftowych po II wojnie światowej były przyczyną odejścia od aut z metanowymi balonami na dachu. Ale nie wszędzie. Autobusy z takimi zbiornikami jeździły w Chinach do lat 90. XX wieku! Z biegiem czasu pojazdy zasilane metanem udowodniły, że są realną alternatywą dla aut zasilanych produktami naftowymi.

Na całym świecie użytkowanych jest  ok. 23 mln aut zasilanych CNG i LNG, co stanowi 1,3% całkowitej liczby pojazdów. W Europie jeździ ich 2 mln, najwięcej we Włoszech i Niemczech. Prawdopodobne jest, że do 2020 r. liczba samochodów na gaz wzrośnie nawet do 10 mln. Powodów jest kilka, ale najważniejsze to: ekologia, niższe koszty eksploatacji, rosnąca infrastruktura i popularność oraz regulacje prawne, a także przywileje czy dopłaty (Niemcy).

Ustawa o elektromobilności

W Polsce sytuacja wygląda nie najlepiej. Mamy  ok. 30 stacji tankowania CNG. W Europie jest ich  ok. 4,5 tys., a na całym świecie prawie 30 tys. Pojawił się na szczęście cień nadziei. Z rządowego dokumentu „Krajowe ramy polityki rozwoju infrastruktury paliw alternatywnych” wynika, że do 2020 r. powinno powstać 70 stacji CNG. Według Polskiego Stowarzyszenia Paliw Alternatywnych za rok na krajowych drogach może jeździć 9,5 tys., a pięć lat później nawet 54 tys. pojazdów z CNG (dziś jest ich tylko 4 tys.). Wolniej się będzie rozwijał się rynek LNG. Do 2025 r. liczba stacji LNG ma wzrosnąć do co najmniej kilkunastu, a liczba pojazdów napędzanych tym paliwem do 3 tys.

Prezydent Andrzej Duda 12 grudnia 2018 r. podpisał ustawę z dnia 9 listopada o zmianie ustawy Prawo energetyczne oraz niektórych innych ustaw, która promuje pojazdy elektryczne, wodorowe i na gaz ziemny. Ważny zapis mówi o tym, że jednostki samorządu terytorialnego zamieszkałe przez ponad 50 tys. mieszkańców od 1 stycznia 2025 r. muszą zlecać zadania publiczne związane z przewozami firmom mającym co najmniej 30-procentowy udział w użytkowanym taborze pojazdów elektrycznych lub zasilanych gazem ziemnym. Etap przejściowy mówi o 10-procentowym udziale takich pojazdów do 2020 r. Ustawa przewiduje również podobne regulacje dla komunikacji miejskiej i 30-procentowy udział autobusów zeroemisyjnych od 1 stycznia 2028 r. Zapis ten stwarza szansę na rozwój komunikacji miejskiej opartej na gazie ziemnym, ponieważ „elektryki” są blisko dwa razy droższe.

Ustawa ustala także strefy czystego transportu, które mogą być tworzone przez jednostki samorządu terytorialnego na obszarach zwartej zabudowy mieszkaniowej z koncentracją budynków użyteczności publicznej. W myśl przepisów w strefach takich będą faworyzowane pojazdy o zerowej lub niskiej emisji.

Instalacje gazowe

Niestety koszty zakupu i utrzymania samochodów wykorzystujących paliwa alternatywne są wyższe niż napędzanych paliwami ropopochodnymi.

Wśród aut zasilanych CNG większość wykorzystuje instalacje fabryczne. Przypadki indywidualnego montażu są bardzo rzadkie. Wiąże się to głównie z wygospodarowaniem miejsca na butle gazowe, tak aby samochód nie stracił walorów użytkowych oraz z przystosowaniem silnika do innych parametrów spalania. Największe różnice pomiędzy instalacją LPG a CNG to: inne zbiorniki, sztywne, stalowe przewody i dwu- lub trzystopniowe reduktory.

Przykładowa instalacja do CNG składa się z wiązki przewodów ze złączem i sterownika, który stanowi uniwersalną część instalacji gazowej. W zależności od parametrów silnika dobierane są jej pozostałe komponenty: wtryskiwacze w listwie, MAP sensor z czujnikiem temperatury gazu, zintegrowany przełącznik, dwu- lub trzystopniowy reduktor, filtr.

Przeglądy i eksploatacja

Osprzęt do gazu ziemnego jest bardzo podobny do osprzętu do LPG, ale przystosowany do dużo wyższego ciśnienia.

Dla bezpieczeństwa wszystkie przewody, którymi przepływa gaz, są ze stali, a nie z tworzyw. Zazwyczaj są wykonane z jednego kawałka przewodu i zaginane za pomocą specjalnych narzędzi dostępnych w specjalistycznych serwisach. Butle na metan wytwarzane są w technologii bezszwowej. Najpopularniejsze ze względu na cenę są zbiorniki stalowe. W celach bezpieczeństwa narzucono niezwykle rygorystyczne procedury ich produkcji oraz przeglądów. Kwestię przeglądów reguluje Transportowy Dozór Techniczny.

TDT wyznaczył  ok. 50 stacji w całej Polsce, które mają odpowiednie uprawnienia do czynności związanych z przygotowaniem do badań zbiorników oraz ich montażem i demontażem. Badania doraźne wykonywane są co trzy lata. Do umówionego warsztatu przyjeżdża inspektor z TDT i dokonuje rewizji oraz sprawdza szczelność. Koszt takiego badania to  ok. 400 zł. dla serwisu oraz po 200-250 za każdą butlę i dojazd urzędnika. Sytuacja jest bardziej skomplikowana w przypadku butli, które mają więcej niż 10 lat. Wtedy konieczne jest wymontowanie zbiorników i dokonanie rewizji zewnętrznej, wewnętrznej oraz próba wodna. Serwis może wymienić skorodowane przewody i odświeżyć butle (piaskowanie, malowanie).Tu koszty zdecydowanie rosną, a badanie może kosztować  ok. 700 zł. za butlę. Przed zakupem auta używanego warto sprawdzić także stan silnika. Tu nie zawsze musi się to skończyć rozczarowaniem. Zaletą fabrycznych instalacji jest fakt, że silniki są przygotowane do zasilania gazem i większej temperatury spalania.

Stacje tankowania

Przy zamawianiu urządzeń dla małych i średnich firm można tak zaprojektować instalację, żeby mogła zostać poddana rozbudowie w miarę zwiększających się potrzeb. W domu wystarczy mały kompresor, który przez noc napełni zbiornik, zużywając niewiele prądu. W fazie projektowej najważniejsze jest określenie dobowe i godzinowe zapotrzebowania na metan z gazociągu. Do zatankowania zbiorników konieczna jest sprężarka, która ma duży wpływ na wydajność tankowania. Przy większej flocie instalacja może się składać z kilku kompresorów i dystrybutorów. Przy mniejszych urządzeniach czas tankowania znacząco się wydłuża. Aby go skrócić, można zastosować magazyn gazu, składający się z wiązek, czyli kilku butli. Sprężarka tłoczy metan do takiego magazynu, a następnie dzięki różnicy ciśnień do zbiornika pojazdu, co skraca czas tankowania. Magazyn może być także mobilnym punktem tankowania. Stacja CNG może mieć dodatkowe opcje,  na przykład być zintegrowana z systemem FuelCard umożliwiającym rozpoznawanie i autoryzację tankowania firmowych pojazdów oraz tworzenie kompletnego raportu poboru paliwa (gazu).  

Firmy na polskim rynku

Na naszym rynku tylko kilka firm oferuje swoje pojazdy z fabrycznymi instalacjami CNG. Samochody na metan są specjalnie projektowane i modyfikowane, ale z wykorzystaniem modeli bazowych. Auto na CNG oprócz specjalnej instalacji musi pomieścić butle na gaz, od czego zależy jego zasięg. Zazwyczaj montuje się od 2 do 5 butli. W samochodach dostawczych istnieje możliwość montażu większej liczby zbiorników, ale ich waga istotnie wpływa na ładowność pojazdu.

Wicelider rynku sprzedaży samochodów dostawczych, Fiat Professional, ma największą ofertę samochodów z CNG. To 4 modele w 17 różnych wariantach, zależnych od rozstawu osi, długości, wysokości czy przeszklenia kabiny. Napędzają je silniki zasilane metanem oraz benzyną. Najmniejszy z nich ma pojemność 0,9 l i montowany jest w Pandzie. Większe Fiorino ma motor 1.4 8V, a Doblo – w jego mocniejszą wersję z turbosprężarką. Największe Ducato napędza 3-litrowa i 4-cylindrowa rzędówka.

Panda (od 59 409 zł) na CNG powstała na bazie wersji 4x4. Jeden ze zbiorników zamocowano wzdłużnie, w tunelu przeznaczonym na wał napędowy. Drugi jest pod bagażnikiem, przez co nie mieści się w nim koło zapasowe. W modelu tym nie ma możliwości montażu haka do przyczepy. Po opróżnieniu butli z CNG przełączenie na benzynę następuje automatycznie. Deklarowany przez producenta zasięg na obu paliwach wynosi ponad 1000 km. Standardowa wersja1.3 MultiJet 80 KM jest tańsza o 3 tys. zł.

Fiorino (od 54 600 zł) także posiada dwa zbiorniki metanu, podobnie rozmieszczone (bez możliwości montażu haka), o łącznej pojemności 77 l. Przestrzeń transportowa w tym wypadku zmniejszyła się tylko o 0,3 m3, a podłoga w przedziale ładunkowym pozostała płaska na całej długości. Fiorino ma pełnowymiarowy zbiornik paliwa, dzięki czemu jego całkowity zasięg może wynieść nawet 900 km.

Doblo Natural Power (od 73 615 zł) występuje w opcji ze zwiększoną ładownością i jest oferowany w wersji krótkiej i z dłuższym o 35 cm rozstawem osi, ale tylko w standardowej wysokości. Średni dostawczak może być wyposażony w 4 lub 5 butli na metan, których pojemność wynosi odpowiednio 95 lub 130 l. W tym modelu zbiorniki także nie zmniejszają przestrzeni transportowej. Cena wersji zasilanej metanem jest o blisko 7 tys. wyższa od odpowiednika benzynowego. 

Ducato Natural Power (od  121 000 zł) zajmuje 13 pozycję w cenniku. Dostępne są wersje ze średnim i największym rozstawem osi (3450, 4035 mm) w rozmiarach od L2H1 do L4H3 oraz dwóch DMC (3,5 i 4 t) o ładowności: 890–1395 kg. Pięć zbiorników na gaz (trzy o objętości geometrycznej 40 l i dwa 50-litrowe) umieszczono poprzecznie do osi pojazdu. Dodatkowy zbiornik benzyny jest traktowany jako rezerwowy i pozwala na przejechanie  ok. 100 km. Niestety w przypadku Ducato wersje napędzane metanem mają o 400 kg mniejszą ładowność. Za Ducato z CNG trzeba zapłacić 15 tys. więcej niż za diesla.

Kolejny włoski samochód na metan to Iveco Daily (od  153 000 zł) – trzeci chętnie kupowany dostawczak. Iveco auta na gaz sprzedaje od 1998 r. Obecny model Daily to już trzecia generacja, w sprzedaży od 2014 r. Daily Natural Power dostępne są jako furgony oraz podwozia o DMC od 3,5 do 7,2 t, z 3-litrowym silnikiem jak w Ducato. W zależności od wersji nadwozia i tonażu Daily może być wyposażone w 4 lub 6 butli o łącznej pojemności od 168 do 302 l (w największej 7-tonowej ciężarówce). Cztery zbiorniki umieszczone są w centralnej części podwozia, wzdłużnie. Dwa dodatkowe w tylnej części. Zbiornik na benzynę ma symboliczną pojemność 14 l, co wystarcza na blisko 80 kilometrów.

Volkswagen ma tylko jeden model: Caddy (od 90 011 zł). Posiada on jednak wiele wariantów wyposażenia wersji osobowych oraz towarowych i dwa rozstawy osi (Maxi jest o 47 cm dłuższy). Standardowa wersja 5-osobowa kosztuje tyle samo co dostawcza (Furgon). Silnik 1,4 TGI bazuje na znanej jednostce TSI, ale ze względu na wysoką liczbę oktanową gazu, wyższe ciśnienia i temperatury musiały zajść zmiany w układzie zaworowym i korbowo-tłokowym. Zmieniono kolektor dolotowy oraz wtryskiwacze. Modyfikacji została poddana także turbina, która musi pracować w wyższych temperaturach. Silnik zawsze jest uruchamiany na benzynie, na gaz przełącza się po rozgrzaniu.

LNG

LNG to skroplony gaz ziemny wysokometanowy, zamieniony w postać płynną dla ułatwienia transportowania i magazynowania w miejscach znajdujących się poza zasięgiem tradycyjnych sieci gazowych. Skroplony gaz ziemny LNG jest (bezpieczny) lżejszy od powietrza i szybko odparowuje. Wykorzystanie LNG wymaga specjalnej infrastruktury, co zmniejsza popularność tego paliwa. Do korzystania z niego zachęca natomiast jego większa wydajność i możliwość magazynowania w zbiornikach ciężarówki, co zwiększa zasięg pojazdu.

Kilogram LNG kosztuje mniej niż litr oleju napędowego, a jest przy tym o blisko 40% bardziej wydajny. Iveco, w teście porównawczym Stralisa zasilanego LNG i jego odpowiednika na olej napędowy uzyskało 15% oszczędności na paliwie (23,6 kg LNG kontra 27,7 l ON). Ekonomia to jednak nie wszystko. Pojazd napędzany gazem jest też cichszy, nie potrzebuje Ad-Blue i nie emituje cząstek stałych.

Dostawa paliwa na stację obsługującą płynny metan odbywa się specjalnymi cysternami kriogenicznymi. Cysterna kriogeniczna transportuje LNG z fabryki skraplania do stacji regazyfikacji. Z cysterny gaz przetłaczany jest do kriogenicznych zbiorników, a następnie pompa tłoczy paliwo do dystrybutora LNG, skąd odmierzona ilość przez standaryzowaną końcówkę trafia do zbiornika. Ze zbiorników LNG może być podany przez pompę do parownic, które zamieniają postać ciekłą paliwa w lotną, sprężoną pod ciśnieniem 250 bar. Bufor CNG pozwala na magazynowanie paliwa do „szybkiego” tankowania CNG.

Oprócz stacji stacjonarnych LNG istnieją stacje mobilne, które składają się z kriogenicznej cysterny i pompy. Pompa może być zainstalowana w cysternie lub jako oddzielne urządzenie. Z takiego rozwiązania korzystały warszawskie MZA. Każdą procedurę tankowania zaczyna się od uziemienia cysterny. Za pomocą pompy i łączącego rurarzu gaz przepompowywany jest do zbiornika. Przed rozpoczęciem tankowania trzeba przygotować zbiornik i obniżyć w nim ciśnienie. Po podłączeniu węża dokonuje się azotowania, co zapewni jego odgazowanie. Następnie podawana jest faza gazowa w postaci ciekłej. Obserwacja manometrów pozwala przy odpowiedniej wartości zakończyć tankowanie. Podczas odłączania rurarzu wąż ponownie się odgazowuje przez azotowanie.

Polityka rządów niektórych państw (Niemcy, Włochy, Holandia) motywuje przedsiębiorców do inwestowania we flotę zasilaną metanem. Mogą oni korzystać z dopłat, ulg podatkowych i niższych opłat. Na przykład w Finlandii kierowca korzystający z samochodu na metan może załadować do zestawu dodatkową tonę ładunku. W Polsce od dawna zapowiadane jest zniesienie akcyzy na gaz ziemny.

W związku ze znowelizowaną ustawą o elektromobilności i paliwach alternatywnych można się spodziewać dużo większego zainteresowania flotą na LNG. Obecnie w Polsce jeździ kilkaset autobusów zasilanych metanem, a zapowiadane są dalsze zakupy. Cena takiego autobusu jest wyższa od dieslowskiego odpowiednika tylko o 5–10%.

W celu propagowania paliw alternatywnych powstała dyrektywa unijna, która określa (od 2025 r.)  odległość między dwiema stacjami z LNG. Będzie mogła ona wynosić maksymalnie 400 km.

Autorem tekstu jest Paweł Rosłoń. Tekst ukazał się w Magazynie FLOTA 4/2019.

Za pomoc w przygotowaniu dziękujmy Bartłomiejowi Kamińskiemu z portalu cng.auto.pl oraz firmom: ASF, Cryogas, AG Centrum, MZA.

patroni merytoryczni
  • PZPM
  • PZWLP
  • PSPA
  • ZPL
  • SKFS
  • SPRM
  • Piszcz i Wspolnicy
  • ITS
  • GFP Legal
  • PZPO
  • Partnerstwo dla bezpieczenstwa drogowego
  • PGM
ZNAJDŹ NAS: