Mi hajtsa a járműveket? 4. rész: A sűrített földgáz

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 részeiben szót ejtettünk a villamos hajtásról, az alapvető fosszilis eredetű üzemanyagokról, azok tulajdonságairól, jelen írás központi témája pedig a fosszilis üzemanyagok egyik újabb szereplője, a sűrített földgáz, vagyis a CNG (Compressed Natural Gas).

Ahogy már korábban is szóba került, az EU szén-dioxid-politikája világos célokat határoz meg: 2030-ra negyven százalékkal kell csökkenteni a szén-dioxid-kibocsátást, továbbá huszonhét százalékra kell növelni a megújuló energiaforrásokból származó üzemanyagok részarányát és az energiahatékonyságot. Kérdéses azonban, hogy el lehet-e ezt érni a jelenlegi dízelüzemű járművek, például a városi buszok CNG-hajtásúvá történő átépítésével.

A földgáz alacsony, mindössze 0,7 g/dm³-es sűrűsége alapvető hátrány a gázolaj 830 g/dm³-ével szemben. Míg egy kilogramm gázolaj egy 1,2 literes tartályban elfér, ugyanilyen tömegű sűrítetlen földgáz raktározásához már egy 1400 literes tartály szükséges. Ahhoz, hogy tényleg fel lehessen használni a járművekben, össze kell sűríteni. Erre hozták létre a sűrített földgázt, ami 20 MPa-os sűrűségével kétszázszor sűrűbb a hagyományos földgáznál. A tárolótartály azonban még így is nagy, több mint ötszöröse a gázolajhoz szükséges méretnek. Ahhoz, hogy a földgáz a gázolajjal egyenlő űrtartalmúvá válhasson, több mint ezerszeres sűrítést, 110 MPa-t kellene alkalmazni. Habár ez a gyakorlatban megtérülne, a gázkompressziós technológia fejlődésének jelenlegi helyzete kereskedelmi szempontból irreálissá teszi.

A földgáz sűrítése két további energetikai következménnyel jár: a gáz préseléséhez, valamint a CNG-t használó járműveknek a nehéz tartályok cipeléséhez is energia kell. Egy kilogramm 13,61 kWh fűtőértékkel bíró földgáz 20 MPa-ra történő összepréselése során 0,02 kWh elektromos energiát használ fel a kompresszor, ez pedig a Csehországban jelenleg érvényes energetikai mixet alapul véve 0,03 kWh fosszilistüzelőanyag-használatot jelent. Az ökológiai lábnyom kWh-ként 0,6 kg szén-dioxid, ami negatív hatással van a CNG energiamérlegére. 20 MPa sűrűségű, 1 kWh hasznos hőenergiájú sűrített földgáz 1,02 kWh energiát, 1,03 kWh fosszilis tüzelőanyagból származó elsődleges energiát, valamint 0,226 kg szén-dioxidot jelent. A Csehországban használt hat százalékos kevert dízellel összehasonlítva, a kompresszióhoz szükséges energiafelhasználás által kibocsátott szén-dioxid mennyiségét tekintve utóbbi 15 százalékkal (0,226 kg), előbbi pedig 11 százalékkal (0,254 kg) alacsonyabb értéket mutat. A teljes energiafogyasztás a CNG-nél 102 százalékra, a fosszilis üzemanyagnál pedig 112 százalékra emelkedik. A 20 MPa-on sűrített földgáz sűrűsége 0,14 kg/dm³. A magas nyomás okán a tárolótartályoknak erősnek kell lenniük, ezért vastag acélból kell, hogy készüljenek. Ezek a tartályok literenként körülbelül 0,9 kilogrammot nyomnak, vagyis 6,4-szer nehezebbek a bennük raktározott gáznál. Valójában a tárolt gáz így körülbelül hétszer nehezebb. Ebből következően ha egy járműre építik, annak több energiára van szüksége a mozgáshoz. A helyzetet tovább bonyolítja, ha a CNG-tartályok egy jelentős tömegfüggő gördülési ellenállással rendelkező városi buszon találhatóak, aminek a gyakori elindulások és megállások okán a fogyasztása is magasabb. A számítások alapján ezeknek a járműveknek hat százalékkal nagyobb az energiaigénye, mint a gázolajjal üzemelőké. A magasabb energiahasználat pedig nagyobb fosszilisüzemanyag-fogyasztást és nagyobb szén-dioxid-kibocsátást eredményez. Egy CNG-üzemű jármű energiamérlege 1 kWh hasznos energiára vetítve 1,08 kWh energia, 1,1 kWh-nyi fosszilis üzemanyag, valamint 0,239 kg szén-dioxid kibocsátása. A CNG-üzemű jármű nehezebb tömegét figyelembe véve a hat százalékos kevert dízelhez képest a szén-dioxid-kibocsátás terén utóbbinál 15, míg előbbinél 5 százalékos csökkenés érhető el. A teljes energiafogyasztás a CNG-nél 108 százalék, míg a kevert dízelnél 119 százalék. Azt azonban hozzá kell tenni, hogy a CNG-tárolás legkorszerűbb technológiáját a kevés fémet tartalmazó, vagy akár teljes mértékben szénszálas kompozitokból készülő tartályok használata jelenti, melyek könnyebbek az acéltartályoknál, de azért még így is elég nagy helyet foglalnak el a hagyományos folyékonyüzemanyag-tartályokhoz képest – és persze drágábbak is. A mérleg nyelvét még a szénszálas kompozittartályok sem billentik a CNG oldalára, legalábbis ami a járművekben történő felhasználást illeti.

A folyékony szénhidrogén-üzemanyagot használó buszok legtöbbjét nem benzin, hanem gázolaj hajtja. A gázolaj előnye a benzinhez képest, hogy alacsonyabb a gyulladáspontja, ezért egyaránt alkalmazható az üzemanyag-befecskendezéses és a kompressziós gyújtású belsőégésű motorokban. A dízelmotorok jóval magasabb hatékonysággal dolgoznak, mint a benzinmotorok. Ezt a körülbelül 42 százalékos értéket a magasabb tömörítési arány és a gázolaj változatosabb összetétele teszi lehetővé. A forró levegőbe fecskendezett üzemanyag meggyullad és azonnal betölti az égésteret. A földgáznak azonban magasabb a gyulladási hőmérséklete, mint amit a levegő sűrítésével el lehet érni, ezért nem lehetséges a földgázt belsőégésű motorok gyújtóanyagaként alkalmazni, mivel azon a légsűrítési szinten nem lobban be. Ennek okán a földgázt gyújtógyertya segítségével kell berobbantani, amit pedig csak Otto-ciklusú, azaz benzinnel üzemelő, szikragyújtásos motorokban lehet véghezvinni. Műszakilag viszont lehetséges a dízelüzemű motorok benzinessé, ezáltal sűrítettföldgáz-üzeművé történő alakítása; a konverzió során azonban a hatékonyság egy kicsit gyengül – a legjobb esetben is 39 százalékos –, az üzemanyag-fogyasztás pedig megnő. Az így módosított Otto-motorok nyolc százalékkal fogyasztanak többet, mint a dízelesek, mivel az Otto-ciklus kompressziós aránya és égési sebessége valamivel alacsonyabb. Az üzemanyagot egy gyújtógyertya robbantja be egy bizonyos ponton, majd az égés fokozatosan terjed tovább oldalirányban, a kompressziós gyújtásnál viszont az összes befecskendezett üzemanyag gyakorlatilag egyszerre robban be az égéstérben. Az alacsony égési sebesség okán azokban a belsőégésű motorokban, melyekben kis átmérőjű hengerek találhatóak, csak szikragyújtást lehet alkalmazni. Nagy hengerátmérőnél nem lehetséges a szikragyújtás, mivel a robbanás túl sokáig tartana. Ebből következően nagyméretű gázüzemű motorok esetében – például erőműveknél vagy a tengerészetnél – kétütemű motorokat használnak, amik levegő-gáz keveréket szívnak be, a robbanás pedig kevés gázolaj mellett, a sűrítéstől keletkező hőtől következik be. A kétütemű motor azonban nem gyakori az átlagos városi buszoknál. Mivel a benzines motor hatékonysága körülbelül nyolc százalékkal alacsonyabb a dízelüzeműekénél, a CNG-vel hajtott benzinmotoroknak körülbelül nyolc százalékkal nagyobb az üzemanyag-fogyasztása is a gázolajos erőforrásokhoz képest. Ebből következően nagyobb az energiafogyasztás, a fosszilisüzemanyag-fogyasztás, valamint a szén-dioxid-kibocsátás is. 1 kWh hasznos energia előállításához egy sűrítettföldgáz-hajtású, alacsonyabb hatékonyságú belsőégésű motorral szerelt jármű 1,16 kWh energiát és 1,18 kWh fosszilisüzemanyag-energiát használ fel, miközben 0,258 kilogramm szén-dioxidot termel.

A CNG-hajtású benzinmotor szén-dioxid-kibocsátása egy százalékkal magasabb a hat százalékos kevert dízeléhez képest. Ezzel egyidejűleg a teljes energiafogyasztás 116 százalékra, a fosszilisüzemanyag-fogyasztás pedig 128 százalékra nőtt. A „kúttól a kerékig” módszer az ökológiai lábnyom mérése során számításba veszi az üzemanyag előállítása és szállítása során felhasznált energiát is. A földgáz együtthatói (energia: 1,12, szén: 1,15) némileg alacsonyabbak a gázolajénál (1,19 és 1,21) és a hat százalékos kevert dízelénél (1,24 és 1,26). Bizonyos eseteknél azonban megkérdőjelezhető ezen általános együtthatók pontossága. Említésre méltó a kevert dízel magas értéke, ami a repceolaj-metilészter termeléséhez szükséges jelentős energiafelhasználás eredményeként alakul ki. A „kúttól a kerékig” kis mértékben megváltoztatja a „tartálytól a kerékig” módszerrel kiszámolt eredményeket, kedvezőbbnek tüntetve fel a földgázt, ez azonban továbbra sem jelenti azt, hogy a CNG optimális üzemanyag lenne a járművek hajtásához. A dízelüzemű buszok gázüzeműre történő lecserélésével a 2014-es energiacsúcs céljai még közel sem teljesülnek: a CNG csak tovább növeli az energia- és a fosszilisüzemanyag-használatot, továbbá az ökológiai lábnyom is csak minimálisan lesz kisebb.

A csehországi Pardubice közlekedési vállalata, a DP mesta Pardubice felmérést végzett az energiafogyasztást illetően dízel- és gázüzemű buszok egyidejű használatával. A 12 méter hosszú járművekkel végzett tesztek a következő eredményeket hozták: gázolaj használatával 42,32 l/100 km-es fogyasztás (0,83 kg/kWh), ami 11,86 kWh/kg (9,84 kWh/l) fűtőértéket, és 4,17 kWh/km energiafogyasztást jelent. Sűrített földgázt használva a fogyasztás 35,02 kg/100 km volt, 13,61 kWh/kg fűtőértékkel, ez pedig kilométerenként 4,77 kWh energia felhasználását jelenti, ami 14 százalékkal jobb a gázolajénál. Vagyis a gázolaj CNG-re cserélése magasabb üzemanyag-használatot eredményez, ha a gáz sűrítéséhez szükséges energiát nem számoljuk.

Sorozatunk következő írásában a bioüzemanyagokról, a helyi kibocsátásról, valamint a környezetvédelmi zónákról lehet majd tájékozódni.

* * *

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!