Mi hajtsa a járműveket? 3. rész: A fosszilis üzemanyagok

Egy nemrégiben publikált cseh kutatás számba vette és részletesen elemezte a közlekedés területén üzemanyagként felhasználható különböző energiaforrásokat. Tényleg olyan jó a CNG, mint amilyennek beállítják? Mit hozhat a jövő? Földgáz, CNG, dízel, és ami mögöttük van.

Sorozatunk előző részében megvizsgáltuk a villamos hajtás érdemeit és hátrányait, most pedig a fosszilis eredetű üzemanyagok tulajdonságait vesszük számba pro és kontra.

Elöljáróban meg kell jegyezni, hogy a fosszilis üzemanyagoknak nincs szabványos formája. Mivel természetes anyagok, összetételük a lelőhelyük földrajzi adottságai szerint változik. A szabványos, pontos számítások érdekében hozták létre az EN16258 kóddal jelöl normát, mely megszabja az energiafogyasztáshoz szükséges üzemanyagok jellemzőit, valamint az üzemanyagok által létrehozott, üvegházhatást okozó gázok mennyiségének határát. A norma két számítási módszert határoz meg: az egyik a jármű üzemanyag-hasznosítását vizsgáló, úgynevezett „tartálytól a kerékig”, a másik pedig a „kúttól a kerékig”, ami magában foglalja az előző módszert, továbbá értékeli az üzemanyag szállításának és finomításának folyamatát is a nyersolajként történő kitermeléstől kezdve az azt felhasználó járművel bezárólag. Természetesen mindkét módszernek megvannak a maga előnyei és hátrányai. Az utóbbi magában foglalja a teljes feldolgozási és felhasználási ciklust, azonban fix értékeket használ, melyek nem tükrözik a tényleges üzemi körülményeket. A módszert most az üzemeltető szemszögéből vizsgáljuk, ami közelít a „tartálytól a kerékig” módszeréhez, és tisztán különválasztja a szállítási-, valamint az energiatevékenységeket és felelősségeket. Ráadásul a „tartálytól a kerékig” megfelel a járművek üzemanyag-fogyasztási és káros kipufogógáz-kibocsátási értékelése során jelenleg alkalmazott gyakorlatnak. Fontos megjegyezni, hogy a „kúttól a kerékig” nem az adatbázisban való keresésre, hanem a matematika, fizika, kémia és biológia alapismereteire épít, még akkor is, ha ezekből a tárgyakból esetleg csak általános iskolai szintű adatok állnak rendelkezésre. Az eredmény azonban teljesen nyilvánvaló.

A szénhidrogén-üzemanyagokban az energiát a hidrogén és a szén is tárolja. Az üzemanyag elégésekor oxidáció zajlik le, az exoterm reakció során pedig hő szabadul fel. Az egyes szénhidrogén-üzemanyagok közötti különbség az üzemanyagban található szén arányában rejlik, ami meghatározza az égési folyamat során kibocsátott szén-dioxid mennyiségét. A szén-dioxid 12-es atomsúlyú szenet és nehezebb, 16-os atomsúlyú oxigént tartalmaz. Egy kilogramm szén elégetésekor 3,67 kilogramm szén-dioxid keletkezik.

Földgáz

Szénhidrogén-üzemanyag például a teljes mértékben fosszilis földgáz (másnéven hidrogén-karbid), ami jelentős mértékben tartalmaz egy szénatomból és négy hidrogénatomból álló metánt (CH₄), a mérték a gázmezők különbözőségétől függ. A folyékony szénhidrogén-üzemanyagokkal szemben a metán nagyobb részben tartalmaz hidrogént. Ez az égés során hőt termel, de a szénnel szemben nem hoz létre szén-dioxidot. Vagyis üzemanyagként alkalmazva a földgáz jóval kisebb ökológiai lábnyomot hagy maga után, mint más szénhidrogén-üzemanyagok. A földgáz 1 kWh hasznosítható hőenergiává történő alakítása 1 kWh energiát, 1 kWh fosszilis üzemanyag-teljesítményt és 0,214 kg szén-dioxid kibocsátását jelenti. Nem szabad azonban figyelmen kívül hagyni, hogy a gázolajéval megegyező hasznos hőenergiával bíró földgáz égése a gázolaj égésekor keletkező szén-dioxidnak csak a 80 százalékát termeli annak ellenére, hogy mindkettő fosszilis üzemanyagnak számít. A benzinnel összehasonlítva azonos fűtőértéken 79 százalék a szén-dioxid-kibocsátása. A földgáz 73 százalékban, a gázolaj 88 százalékban, az autók számára előállított benzin pedig 89 százalékban tartalmaz szenet, ezek elégetésekor kilogrammonként 2,68, 3,21 és 3,25 kilogramm szén-dioxid-keletkezik. Vagyis az ökológiai lábnyom 0,214, 0,268 és 0,271 kilogramm szén-dioxid kWh-ként.

Az üzemanyag ökológiai lábnyoma viszont csak az egyik tényező a hasznosság értékelése során. Fontos az üzemanyag mennyisége is, hogy ugyanahhoz az eredményhez mennyit szükséges belőle elégetni. Kulcsfontosságú a hajtással rendelkező járművek szempontjából, ahol a hatékonyság, vagyis az adott tömeg elszállításának képessége összefüggésben áll az energiaszükséglettel. Az ökológiai lábnyomok elemzése során figyelembe kell venni azt is, hogy csak a fosszilis üzemanyagokat értékelik ki, és nem a bioüzemanyagot tartalmazó megújuló energiaforrásokat. Ezeket a jelenben zajló biológiai folyamatokkal hozzák létre, ezért nem növelik folyamatosan a légkör szén-dioxid-tartalmát. A bioüzemanyagok elégetése a természetes szén-dioxid-ciklus része. A növények fotoszintézissel vonják ki a levegőből a szén-dioxidot, amit lebomlásuk vagy elégésük során juttatnak vissza. Minden élő szervezet, így az állatok és az emberek is szén-dioxidot termelnek a légzés, az emésztés, az ürítés, valamint elpusztulásukat követően a lebomlás során. Az állati szervezetek a „természetes üzemanyagnak” számító szénhidrátokból, amiloidokból (fehérjefragmensekből) és zsírokból szerzik az energiát. Ezek azonban természetes módon növelik a szén-dioxidot, így nem okoznak folyamatos emelkedést az üvegházhatású gázok koncentrációjában. A szén-dioxid levegőből történő természetes absztrakcióját és visszakerülését grafikusan is ábrázolni lehet. Mivel a legtöbb földrész az északi félgömbön található, a szén-dioxid természetes légköri koncentrációja az északi félgömbön nyáron és kora ősszel a növények növekedésével párhuzamosan csökken, majd késő ősszel, télen és kora tavasszal megnő: ekkor zajlik leginkább az elhalt szerves anyagok rothadása. Erre a mindössze maximum 2 ppm-es szezonális szén-dioxid-ingadozással bíró, szinuszoidális mintára kerül rá az antropogén szén-dioxid-kibocsátás hatványozottan növekvő görbéje.

Gázolaj

A száz százalékban fosszilis üzemanyagnak számító gázolaj 1 kWh hasznosítható hőenergiává történő alakítása 1 kWh energiát, 1 kWh fosszilisüzemanyag-teljesítményt és 0,268 kg szén-dioxodot jelent.

Kevert dízel

Csehországban jelenleg kevert gázolajat használnak a dízelüzemű járművekhez, ami körülbelül 6 százalékban tartalmaz zsírsav-metil-észtert (FAME), melyet repcéből állítanak elő. Ennek a magában fosszilisnek nem számító üzemanyagnak az égése nem adódik hozzá a légkör antropogén szén-dioxid-koncentrációjához, mivel a repce más szerves anyagokhoz hasonlóan fotoszintézis útján nő. A 6 százalékos zsírsav-metil-észtert tartalmazó kevert dízel 1 kWh hasznosítható hőenergiává történő alakítása 1 kWh energiát, a 94 százalékban fosszilis eredete okán 0,94 kWh fosszilis üzemanyag-teljesítményt és 0,268 kg szén-dioxid kibocsátását jelenti.

Biogáz

A földgázon kívül a növényzet természetes rothadása során keletkező, ezért gyakran mocsárgáznak nevezett biogáz is hasznosítható üzemanyagként. A mocsárgázt azonban elő lehet állítani ipari folyamattal mezőgazdasági vagy ipari tevékenységek során keletkező hulladékanyagok felhasználásával, vagy ipari tevékenységek melléktermékeként is, például szennyvíztisztító berendezésekkel, hulladéklerakókkal, komposztálógödrökkel vagy sertéstelepekkel. A földgázzal ellentétben a biogáz összetétele kifejezetten vegyes, attól függ, hogy miből keletkezett. Az elvárt metántartalom 40-75 százalék közötti, és jelen vannak más egyéb gázok is, például a szén-dioxid vagy a káros hidrogén-szulfid, amiket el kell belőle távolítani a felhasználás előtt. A változatos és potenciálisan mérgező összetevői miatt a biogázt jelenleg nem használják a közúti járművek belsőégésű motorjaihoz. A gázüzemű közúti járművek engedélyezésekor csak a szinte teljes mértékben metánt tartalmazó földgáz számít szabványosnak. Ezzel biztosítják, hogy a kipufogógáz-emisszió szabványos legyen, amit biogázzal nem lehetne elérni. Egy földgázzal üzemelő motor elvileg biogázzal is működne, de csak a metán hozzáadását követően, ami viszont igen költséges eljárás, a végeredmény pedig nem biogáz, hanem biometán, aminek kémiai összetétele a magas metántartalom miatt hasonló a földgázéhoz. A költségek okán a biometán így nem versenyképes a földgázzal szemben. Mindazonáltal a biometán a felmerülő költségek ellenére is megújuló energiaforrásnak számít, és néhány országban, például Svédországban, gondolkodnak a technológia alkalmazásán. A kérdés mindössze az: érdemes-e módosítani a biogázt a járművek hajtásához, vagy hagyják meg nyers, kezeletlen formájában a statikus gépeknél, például kogenerációs (kapcsolt energiatermeléses) erőművekben, vagy hőerőművekben történő használathoz, ahol a hulladékhő előnyét is ki lehet használni.

Az EU-n belül a biogáz jelentős részesedést vívott ki magának az üzemanyagok között. Legtöbbnyire a termelési hely közelében, például állattartó gazdaságoknál vagy szennyvíztisztító telepeken használják fel. Továbbá kogenerációs erőművekben is nagyon hatékonyan lehet hasznosítani. A kogenerációs erőmű és a hőerőmű alapvető eleme egy elektromos generátorral ellátott, dugattyús belsőégésű hajtómű, ami lehet gyújtásos vagy kettős üzemanyagú. A generátor az üzemanyag által kibocsátott hőenergia egyharmadát képes elektromos árammá alakítani, a fennmaradó kétharmad pedig a hűtőfolyadékokat és a kipufogógázt melegíti fel a motorban. Az utóbbit épületek és ipari folyamatok fűtéséhez hőcserélőknél, valamint háztartási és kereskedelmi használatban vízmelegítésnél alkalmazzák. Ezzel a módszerrel felhasználhatóvá válik az üzemanyag által létrehozott energia 80-99 százaléka. A kapcsolt energiatermelésnek azonban vannak korlátai: például a forró vizet – akár közvetlenül, akár fűtésre használják fel – csak egy bizonyos távolságra lehet eljuttatni csővezetékeken keresztül, pláne hideg éghajlaton. Ezért a kogenerációs erőműveknek nagy hőigényű területek, például lakótelepek, lakótömbök, gyárak vagy szállodák közelében kell lenniük. Ezek az erőművek jelenleg földgázt és biogázt is felhasználnak. A vasúti és közúti járműveket tekintve a legtöbb európai országban azonban sokkal inkább a földgázt alkalmazzák.

Egy másik alternatíva: a sűrített földgáz

Más utak is vezetnek a közlekedés folyékony tüzelőanyagtól való függetlenedéséhez. Az egyik ilyen a sűrített földgáz (CNG, Compressed Natural Gas). Néhány országban jelentős állami támogatás áll a CNG-projektek rendelkezésére, például járművek vásárlásához és CNG-kutak telepítéséhez, vagy éppen kedvezményt biztosítanak az üzemeltetésből származó bevétel adójához.

A következő rész a sűrített földgáz tulajdonságaival és lehetséges felhasználási területeivel foglalkozik.

* * *

Indóház Online – Hivatalos oldal: hogy ne maradj le semmiről, ami a földön, a föld alatt, a síneken, a vízen vagy a levegőben történik. Csatlakozz hozzánk! Klikk, és like a Facebookon!