Fot. Autor, Archiwum

Przystosowanie benzynowego silnika do paliw gazowych jest stosunkowo proste i tanie, zapewnia też znaczne korzyści finansowe i ekologiczne. Dlaczego więc większość lekkich pojazdów nadal korzysta z benzyny?

Wraz z rosnącą intensywnością ruchu drogowego o zasięgu krajowym i zagranicznym stale zwiększa się zapotrzebowanie na samochodowe paliwa, chociaż nowoczesne konstrukcje silników są coraz oszczędniejsze w ich zużyciu. Ten wzmożony popyt przy równoczesnym wyczerpywaniu się światowych zasobów ropy naftowej sprawia, że ceny otrzymywanych z niej standardowych paliw (benzyny i oleju napędowego) są coraz wyższe. Sytuacja ta powoduje wzrost zainteresowania użytkowników samochodów osobowych i małych dostawczych paliwami alternatywnymi, takimi jak LPG (Liquified Petroleum Gas) i CNG (Compressed Natural Gas), ponieważ ich spalanie zmniejsza koszty eksploatacji pojazdu, a także – co przy rosnącej ekologicznej świadomości społeczeństw nie jest bez znaczenia – pozwala obniżyć poziom emisji zanieczyszczeń zawartych w spalinach. Z prognoz ekonomicznych wynika jednak, że dominacja benzyny na światowym rynku paliw samochodowych trwać będzie jeszcze przez co najmniej dwadzieścia lat.

Właściwości paliw gazowych

LPG otrzymuje się głównie podczas rafinacji ropy naftowej (stanowi około 2% jej produktów). Można go pozyskać także podczas wydobywania gazu ziemnego, w szczególności na początku odwiertu. Pod względem składu jest to skroplona mieszanina węglowodorów nasyconych, przede wszystkim propanu i butanu; może zawierać także niewielkie ilości metanu, etanu i pentanu oraz węglowodorów nienasyconych. Jej stosowanie w postaci płynnej umożliwia bardziej ekonomiczny transport i przechowywanie, ponieważ objętość gazu w stanie skroplonym jest 260 razy mniejsza, a do skroplenia wystarczy niewielkie ciśnienie – od 0,1 do 0,2 MPa. Substancja ta jest nietoksyczna, nie posiada zapachu, lecz dla bezpieczeństwa przeciwpożarowego dodaje się do niej składniki o drażniącej, nieprzyjemnej woni, sygnalizujące jej obecność w powietrzu.

W wyniku spalania LPG powstają niemal wyłącznie woda i dwutlenek węgla, co obrazują następujące reakcje utleniania propanu (C₃H₈) i butanu (C₄H₁₀):

C₃H₈ + 5 O₂ ' 3 CO₂ + 4 H₂O

2 C₄H₁₀ + 13 O₂ ' 8 CO₂ + 10H₂O

Rynkowa cena detaliczna tego gazu jest o ponad połowę niższa od ceny benzyny, co decyduje o jego rosnącej popularności, zwłaszcza wśród mniej zamożnych użytkowników pojazdów drogowych. W Polsce jest on sprzedawany na prawie każdej stacji paliwowej, a także w dodatkowych placówkach zajmujących się wyłącznie jego dystrybucją.

Samochodowe instalacje zasilania LPG stają się z biegiem lat coraz tańsze, sprawniejsze w sensie uzyskiwanych osiągów silników, a także bardziej niezawodne i oszczędne w zużyciu paliwa. Dzięki temu nakłady na ich zakup i montaż zwracają się stosunkowo szybciej.

CNG jest czystym, sprężonym gazem ziemnym, składającym się głównie z metanu (CH4). Jest również bezbarwny i bezwonny. Warunki jego skraplania są w przeciwieństwie do LPG bardzo trudne, gdyż wymagają ciśnienia powyżej 200 barów lub schłodzenia poniżej –162°C. Reakcja spalania metanu przebiega następująco:

CH₄ + 2 O₂ ' CO₂ + 2 H₂O

Jej produkty to również woda i dwutlenek węgla, lecz mniejszy w porównaniu z propanem i butanem udział węgla w cząsteczce metanu sprawia, że przy jego spalaniu powstaje też mniej dwutlenku węgla, którego emisję zgodnie z polityką międzynarodowych organizacji, w tym Unii Europejskiej, należy systematycznie ograniczać dla ochrony ziemskiej atmosfery przed tzw. efektem cieplarnianym. Paliwo to jako jedyne spełnia całkowicie normy emisji spalin Euro 6, poza tym odznacza się najwyższą liczbą oktanową spośród paliw silnikowych.

Podstawowy sposób pozyskiwania gazu ziemnego to wydobywanie go z podziemnych złóż. Jego główny składnik, metan, powstaje także jako produkt fermentacji metanowej np. odpadów lub biomasy, a także podczas innych procesów w przemyśle wydobywczym i rolniczym. Niekontrolowana emisja metanu (przed jego spaleniem) do atmosfery też jest jedną z przyczyn powstawania efektu cieplarnianego i powiększania się tzw. dziury ozonowej.

Na rynku detalicznym CNG jest przeważnie nieco tańszy od LPG, choć w Polsce akurat odwrotnie, natomiast znacznie drożej kosztuje przystosowana do niego instalacja samochodowa. Inwestycja zatem zwraca się tym szybciej, im większego dotyczy silnika spalającego więcej paliwa.

Samochodowe instalacje LPG i CNG

Rodzaj użytkowanej instalacji musi być dostosowany do konstrukcji benzynowego silnika pojazdu, a dokładniej – do sposobu wytwarzania w nim mieszanki paliwowo-powietrznej.

W starszych modelach, w których do mieszania benzyny z powietrzem stosowane były gaźniki, mieszankę gazowo-powietrzną tworzyły montowane w układach dolotowych proste mieszalniki, do których gaz dostarczało się przez parownik (zamiana stanu płynnego na lotny) i reduktor ciśnienia. Ilość zasysanego gazu zależała od wartości podciśnienia panującego w kolektorze ssącym silnika, co dawało regulację mało precyzyjną i nieekonomiczną.

Zarówno instalacja CNG (z lewej), jak i LPG nie wymagają poważniejszych modyfikacji benzynowego silnika, problemem są tylko zbiorniki paliwa

Wraz z pojawieniem się i rozwojem benzynowych systemów wtryskowych wprowadzono także dozowanie gazu za pomocą elektronicznie sterowanych zaworów, nazywając to przez analogię "wtryskiem gazu". Także i w tym wypadku stosowano początkowo układy jednopunktowe z jednym wspólnym zaworem dozującym gaz dla wszystkich cylindrów, a potem z indywidualnym zaworami dla każdego z nich. Najnowszym systemom bezpośredniego wtrysku benzyny odpowiadają instalacje gazowe najnowszej generacji, w których płynny gaz dozowany prawdziwymi już wtryskiwaczami trafia też wprost do komór spalania bez wcześniejszego odparowywania. Następuje ono dopiero we wnętrzu cylindra, dzięki czemu dozowanie paliwa jest znacznie dokładniejsze.

Zapas LPG w samochodzie przewożony jest w zbiornikach stosunkowo lekkich, o ściankach grubych na ok. 3 mm. CNG natomiast wymaga stalowych pojemników wykonanych metodą bezszwową ze ściankami o grubości powyżej 5 mm. Pojemniki te muszą mieć odpowiednią wytrzymałość ze względu na ciśnienie 20 MPa, pod jakim gaz ziemny musi być przechowywany. Standardowy pojemnik CNG waży około 100 kg i mieści 80 l sprężonego gazu. W pojazdach ciężarowych i autobusach dla uzyskania zasięgu 250 km montuje się zwykle 4–6 takich zbiorników, co jednak zwiększa obciążenie i zajmuje przestrzeń ładunkową. Lżejsze, lecz i droższe, są zbiorniki wykonane z materiałów kompozytowych.

Opłacalność inwestycji

Na ceny paliw wpływa wiele czynników, związanych często z sytuacją polityczną i gospodarczą kraju. W cenie detalicznej LPG 46% stanowią dodatkowe opłaty paliwowe, podatek VAT i akcyza (dla benzyny jest to 52%, a oleju napędowego 41%). Inaczej wyznaczana jest cena CNG. Od 2010 roku stanowi ona 55% średniej hurtowej ceny netto Ekodiesel PKN Orlen z ostatnich czterech tygodni plus stały podatek VAT w wysokości 23%.

Przy aktualnych cenach paliw zdecydowanie najniższe koszty eksploatacji generuje pojazd wyposażony w instalację CNG. Różnica kosztów paliwa, w porównaniu z pojazdem zasilanym benzyną, jest ponad trzykrotna. W pojeździe z instalacją LPG koszt paliwa jest niewiele wyższy. Na korzyść tego wariantu przemawia z kolei łatwiejsza dostępność LPG, zwłaszcza przy przejazdach długodystansowych. W całej Polsce działają bowiem obecnie tylko 23 stacje tankowania CNG.

Ważną rolę w dokonywanych kalkulacjach odgrywa również cena instalacji CNG. Montaż układu w niezależnym warsztacie kosztuje co najmniej 5000 zł. Dla porównania instalacje LPG są dostępne już od 1500 zł. Przy takich minimalnych cenach koszt zainstalowania systemu LPG, np. w samochodzie Fiat Doblo, zwraca się już po przejechaniu około 40 000 km, natomiast w przypadku CNG potrzeba na to prawie 120 000 km.

Oprócz głównych korzyści ekonomicznych wynikających z zasilania LPG i CNG trzeba też uwzględniać dodatkowe zalety tych systemów. Należy do nich niewątpliwie wspominany już niski poziom emisji zanieczyszczeń spalin. W globalnej skali upowszechnienie pojazdów gazowych mogłoby w znacznym zredukować negatywny wpływ rosnącego ruchu drogowego na stan środowiska naturalnego.

Poza tym paliwa gazowe pozwalają na zwiększenie trwałości silników, gdyż gaz nie powoduje wypłukiwania ochronnego filmu olejowego ze ścianek cylindrów. Podczas spalania gazu nie tworzą się też zanieczyszczenia, osadzające się zwykle na elementach układu tłokowo-korbowego. W dodatku przy gazowych paliwach silniki pracują ciszej.

Perspektywy rozwojowe

Według prognoz Instytutu Transportu Samochodowego do roku 2020 wzrastać będzie w ogólnym zużyciu motoryzacyjnych nośników energii udział oleju napędowego oraz LPG. Zjawisko to odnosi się w Polsce przede wszystkim do samochodów osobowych. Po roku 2020 przewidywany jest u nas wzrost zainteresowania użytkowników aut osobowych gazem CNG. Liczba zarejestrowanych w naszym kraju pojazdów zasilanych LPG ciągle rośnie. Pod koniec 2011 roku wyniosła 2,5 mln, a rok później już prawie 3 mln. Pod względem popularności instalacji LPG należymy do ścisłej europejskiej i światowej czołówki.

Z lewej: zbiorniki CNG, nawet te lżejsze kompozytowe, nadają się raczej do większych samochodów; z prawej: sprężarka do tankowania CNG z domowej instalacji gazowej (kliknij, aby powiększyć)

Inaczej jest w przypadku instalacji CNG. Po Polskich drogach jeździ obecnie niewiele ponad 2000 wyposażonych w nią pojazdów. Przyczyną tego nie jest wyższa cena jednostkowa tego gazu w stosunku do LPG, gdyż mimo niekorzystnie oddziałującej różnicy i tak koszt pokonania 100 kilometrów takim samym samochodem wypada przy gazie ziemnym o prawie 5 złotych taniej. Ważniejszą rolę odgrywa tu bardziej kłopotliwe użytkowanie samochodowej instalacji gazowej, której niezbędną częścią są ciężkie z powodu koniecznej wysokiej wytrzymałości i trudne do umieszczenia w nadwoziu zbiorniki CNG, a przede wszystkim bardzo niewielka liczba krajowych stacji tankowania. To właśnie niedorozwój tej sieci sprawia, iż samochody napędzane gazem ziemnym mogą być użytkowane tylko na krótkich, lokalnych dystansach.

Sytuację tę mogą zmienić z jednej strony czynniki makroekonomiczne, czyli uzyskanie przez Polskę tańszych dostaw gazu, a z drugiej – lepsze uregulowania legislacyjne zezwalające na korzystanie z małych, indywidualnych sprężarek gazu czerpanego z sieci miejskiej.

Tweet

Piotr Kardasz
Politechnika Wrocławska