CNG
PLYNNÁ PALIVA - plynem poháněná silniční vozidla jsou již desetiletí v četných zemích světa úspěšně zavedena; - celosvětově je dnes poháněno plynem okolo 2,136.10 9 vozidel majících k dispozici 3000 čerpacích stanic. Monovalentní vozidla: jsou poháněna pouze plynem. Bivalentní vozidla: při pohonu na plyn a současně i na benzin, tento systém je umožněn tím, že provoz na plyn nepotřebuje žádných zvláštních konstrukčních opatření oproti provozu na benzin.
ZEMNÍ PLYN - zemní plyn vznikl přibližně před 600 miliony lety; - odumřelé organismy se před miliony lety ukládaly na dně oceánu, tato organická hmota začala časem kamenět v jednotlivých vrstvách; - bez přístupu vzduchu a pod vysokým tlakem probíhaly chemické reakce, které v průběhu milionů let přeměnily tyto organické substance na plynné uhlovodíky; - jedná se však o neobnovitelný zdroj energie. Z hlediska těžby jsou obvyklé následující způsoby získávání surového plynu: 1) těžba z ložisek určených pro těžbu surového zemního plynu (plynové vrty); 2) sekundární těžba z ložisek určených pro těžbu ropy; 3) těžba z kondenzačních vrtů (vystupuje směs kapalných uhlovodíků a zemního plynu, jenž je dodatečně oddělován).
- zemní plyn se však může vyskytovat i v nekonvenčních formách, jakými jsou nedávno objevené hydráty methanu (tvořené mřížkou zmrzlé vody obklopující molekuly methanu). Vyskytuje se ve formě: CNG Compressed natural gas, neboli stlačený zemní plyn; LNG Liquified natural gas, neboli zkapalněný zemní plyn. Vrtnou věž zpravidla tvoří: ocelové potrubí uvnitř vrtu, zařízení na ústí vrtu s uzavíracími kohouty, čerpadlo a jeho nosná konstrukce. Hloubka těchto vrtů dosahuje od 100 až do 8000 m. Vytěžený zemní plyn je posléze zpracován, kde je primárně zapotřebí zbavit jej nečistot procesy: 1) odstranění ropy a tekutých uhlovodíkových kondenzátů; 2) odstranění vody a vodní páry; 3) separace kapalných podílů; 4) odstranění CO 2 a síry.
Ad 1) Zemní plyn je v kapalné ropě obsažen vlivem vysokého tlaku v podloží. Po vytěžení této směsi může docházet k oddělení plynu a kapaliny již poklesem tlaku (až z 20 MPa na 0,2 MPa). K tomuto účelu slouží konvenční separátor, který je složen z rozměrné nádoby (tanku), do které je přiváděna surovina. Vlivem gravitační síly dochází k oddělování kapalných látek od lehčích plynů. Jestliže se ale plyn tímto principem neodděluje, je nejčastěji používán speciální nízkoteplotní separátor pracující s rozdílnými tlaky procházejícího plynu. Ten je škrcen a jeho následnou expanzí dochází ke změně teploty a odstranění ropných kondenzátů z plynu. Ad 2) Principem odstranění vod a vodní páry je především vysušení zemního plynu, pokud není voda odstraněna již v ústí vrtu separací. Voda je odstraňována buď absorpcí (pohlcení vodní páry dehydratační látkou), nebo adsorpcí (kondenzace vodní páry).
Ad 3) Separace kapalných uhlovodíků je efektivně prováděna frakční destilací na principu odlišného bodu varu každého z obsažených kapalných uhlovodíků. Nejdříve dochází k produkci lehčích uhlovodíků s kratším uhlovodíkovým řetězcem a posléze uhlovodíků těžších. Ad 4) V surovém zemním plynu se síra vyskytuje ve formě sirovodíku H 2 S a její odstraňování je nazýváno tzv. aminovým slazením zemního plynu, jehož prvotní procedura je známá pod označením Girdlerův proces. Plyn se sírou je přiveden do nádoby (věže), ve které je přítomen amoniakální roztok, který se sírou snadno reaguje (absorbuje). [1]
Světové zásoby zemního plynu [1]
Mapa plynovodní sítě Evropy [2]
Mapa plynovodního systému v ČR [3]
VLASTNOSTI ZEMNÍHO PLYNU - plyn je bezbarvý, hořlavý a se vzduchem vybuchující, není jedovatý; - má vynikající odolnost vůči klepání (nižší hlučnost); - může být vyšší stupeň přeplňování, proto je měrný výkon přeplňovaných motorů větší než u benzinových; - při spalování zemního plynu dochází k nižší produkci skleníkových plynů, nejsou produkovány pevné částice ani síra; - termická účinnost zemního plynu dosahuje až 44 %. Jelikož má zemní plyn poměrně malý obsah uhlíku, je tvorba CO 2 výrazně menší, než u srovnatelných fosilních paliv; - poměrně nízká je i produkce NO x. Zemního plynu jako pohonu spalovacích motorů se využívá jak u osobních automobilů, dodávkových automobilů, autobusů a nákladní vozidel. - v případě nákladních vozidel se většinou používá paliva CNG pro vozidla se speciálními komunálními nástavbami určené pro město (např. popelářské vozy).
Složení surového zemního plynu
Parametry zemního plynu dle ČSN 38 6110
- celkové zásoby zemního plynu jsou odhadovány dle různých zdrojů na 100-200 let; - odhad světové zásoby činí okolo 5,11.10 14 m 3 ; - hlavní složkou zemního plynu je methan CH 4, který je zastoupen průměrně z 95-98%; - dále obsahuje celou řadu jiných složek jako propanu, butanu, sirovodíku H 2 S, CO 2, dusíku a dalších; - podíl methanu i příměsí se liší především podle místa naleziště. Přeprava zemního plynu - zemní plyn je přepravován přibližně z 80 % dálkovými a tranzitními plynovody, zbytek tankery jako zkapalněný plyn; - evropská soustava plynovodů měří více než půl milionu kilometrů; - do České republiky je CNG dopravován především tranzitním plynovodem z Ruska (cca 75 %), zbytek je dopravován z Norska.
- plynovody rozlišujeme podle maximálního provozního přetlaku na: 1) nízkotlaké (do 5 kpa); 2) středotlaké (do 400 kpa); 3) vysokotlaké (do 4 MPa); 4) velmi vysokotlaké (nad 4 MPa). Podle funkce rozeznáváme tři typy plynovodů: 1) shromažďovací (v lokalitě těžby nebo zpracování, tlak do 0,5 MPa); 2) mezistátní, hlavní (dlouhé vzdálenosti, tlak 1,5 až 10,5 MPa); 3) distribuční (v distribuční síti, přetlak do 50 kpa). [4]
KONSTRUKCE VOZIDEL NA CNG Základními komponenty systému CNG jsou: Plnící ventil sloužící k plnění tlakové nádoby vozidla plynem na CNG plnících stanicích. Může být umístěn v motorovém prostoru (u přestavbových automobilů), u čerpacího otvoru klasických paliv nebo samostatně. Tlakové nádoby + multiventil, palivová nádrž (objem zpravidla 70-100 l) je osazena armaturami pro bezpečný a spolehlivý provoz multiventil, který uzavírá tlakovou nádobu při vypnutém zapalování, řídí odběr plynu z nádoby a v případě poruchy potrubí automaticky přeruší průtok plynu, vypustí plyn při přetlaku (v případě požáru odpustí tepelná pojistka zemní plyn z nádoby). Tlakové nádoby jsou převážně ocelové, z hlediska snížení hmotnosti (při zajištění stejné pevnosti) se vyrábějí také nádoby z hliníkových nebo kompozitních materiálů. Tlakové nádoby se u sériově vyráběných vozidel s pohonem na CNG nacházejí pod vozidlem (či jiných vhodných prostorách, u autobusů se nachází také na střeše), u přestavbových automobilů bývají umístěny převážně v zavazadlovém prostoru.
Propojovací vysokotlaké plynové potrubí přivádí zemní plyn z tlakové nádoby do regulátoru (při plnění z plnícího ventilu do tlakové nádoby). Manometr ukazuje hodnotu tlaku ve vysokotlaké větvi v plynové zástavbě. Regulátor tlaku plynu slouží k redukci vysokého tlaku na určenou hodnotu, je umístěn v motorovém prostoru a napojen na vnitřní chladící okruh motoru, ze kterého odebírá teplo. Součástí je i uzavírací ventil. [5]
U vozidel s přímým vstřikováním plynu dále: Elektronické vstřikovače, které řídí vstřikování plynu do sacího potrubí, vstřikuje zemní plyn pro každý válec zvlášť (sekvenčně). Palivová lišta přivádí CNG od regulátoru tlaku k jednotlivým vstřikovačům. Krokový motorek, který na základě signálů z řídící jednotky průběžně upravuje množství plynu do směšovače optimálně spotřebě, paliva a výkonu. Směšovač sloužící k mísení paliva a zemního plynu se vzduchem. Přepínač plyn-benzin (součástí je i ukazatel množství paliva) umístěný v zorném poli řidiče. Přepnutím z benzinu na plyn se přerušuje přívod benzinu, otevírá přívod plynu z regulátoru a zapíná se regulace plynu v závislosti na údajích lambda sondy. Elektronická řídící jednotka spolupracuje s benzinovou řídící jednotkou a řídí dávkování plynu dle jízdních režimů a signálu motoru. Katalyzátor s lambda sondou analyzuje složení výfukových plynů. Z těchto údajů elektronická jednotka řídí dávkování plynu.
BEZPEČNOST - pro provoz na CNG je prvořadá bezpečnost; - každý zásobník na zemní plyn je kontrolován na tlak 30MPa (CNG se naplní na tlak 20MPa); - nádoba je vybavena elektronickým ventilem, který umožní propouštění paliva jenom za chodu motoru; - nádrže jsou také jištěny tepelným ventilem, který v případě požáru (při překročení teploty cca 100 C) začíná upouštět uložený plyn, aby nedošlo k výbuchu a upouštěný plyn je případně spalován mimo vůz; - pokud dojde k poškození potrubí a poklesne tlak, další mechanické ventily zabrání úniku plynu z nádrže; - kontrola těsnosti nádrží na plyn a zaručení absolutní těsnosti se provádí po 10ti letech.
VÝHODY CNG - oproti kapalným palivům je výhodou především ekonomický provoz, jelikož ceny zemního plynu jsou zpravidla o polovinu nižší; - ekologičnost spalování - snížení emisí je patrné ve všech parametrech jako NOx, CO, CO 2, PM (pevných částic). Z tohoto hlediska vozidla na zemní plyn mají také mnohem menší podíl na dnes sledovaném globálním oteplování. Do spalovacího prostoru přichází téměř jenom methan (CH 4 ), což je nejjednodušší uhlovodík bez dalších příměsí, a ten je téměř dokonale spalován; - nevznikají také ztráty při tankování, není možná kontaminace půdy únikem paliva na vozovku. Všechny motory na CNG dnes splňují normu EURO V a EEV (Enhanced Environmentally friendly Vehicles);
- lepší směšování zemního plynu se vzduchem umožňuje rovnoměrnější rozptýlení ve směsi a následně lepší spálení v motorovém prostoru, možnost pracovat v režimu s vysokým přebytkem vzduchu; - během kombinované jízdy na plyn a na běžné kapalné palivo je větší dojezdová vzdálenost; - jelikož se plynné palivo neusazuje na stěnách spalovací komory v podobě karbonových úsad, zvyšuje se tím životnost motoru a mazacího oleje; - rychlost a doba plnění CNG je srovnatelná s benzinem a naftou. Pro distribuci se nemusí využívat nákladních cisteren, je proto ekologičtější a s menší ekologickou stopou než distribuce kapalných paliv s vyšší zápalnou teplotou než benzinu
NEVÝHODY CNG - nevýhodou CNG je jednoznačně nízký počet plnících stanic a vyšší pořizovací náklady nejen na přestavbu vozidla, ale i při koupi sériového vozu (duální palivový systém); - u vestaveb palivového systému jsou nutné také revize (dnes již v menší míře) a z hlediska uložení dochází ke zmenšení zavazadlového nebo nákladového prostoru; - u sériově vyráběných CNG aut jsou pravidelné prohlídky a opravy naprosto stejné jako u ostatních vozidel na benzín nebo naftu, palivové zásobníky jsou zcela integrovány do karosérie vozu; - u obou systémů však dochází ke zvýšení hmotnosti vozidla zabudováním ocelových tlakových lahví a tím možné snížení povolené užitné hmotnosti pro náklad. Hmotnost lze snížit zabudováním kompozitních nádrží (až 5 krát lehčí než ocelové), ale i zde je nutno zohlednit vyšší pořizovací náklady; - u přestavěných vozidel je výkon o 5-10 % nižší a menší je i jejich dojezd.
LNG - zemní plyn nachází své využití i ve zkapalněné formě LNG (Liquefied Natural Gas); - jedná se o vysoce čisté palivo s minimální produkcí škodlivých emisí; - oproti CNG je možné zmenšení objemu palivových nádrží s dobou plnění srovnatelnou s klasickými palivy. Zkapalňování zemního plynu - proces zkapalňování surového zemního plynu (po vyčištění) je prováděn v soustavě výměníků tvořících zkapalňovací kolonu; - plyn je postupně ochlazován během několika kaskádových chladících cyklů, až dojde k jeho absolutnímu zkapalnění; - po zkapalnění je LNG uskladňován ve velkých kryogenických zásobnících; - jednotky pro zkapalňování mají však velmi vysokou spotřebu energie.
- zkapalněný zemní plyn je tvořen takřka čistým methanem, který je při atmosférickém tlaku zchlazen na -162 o C; - LNG je namodralá bezbarvá kapalina bez zápachu, není toxická a nezpůsobuje korozi; - má přibližně 600krát menší objem než CNG; - hustota LNG je 400-420 kg.m -3 ; - oproti vodě má méně než poloviční hmotnost; - zápalná teplota LNG je 540 o C; - z hlediska energetického potenciálu 1,5 l LNG odpovídá 1 l benzinu, 1,7 l LNG odpovídá 1 l nafty; - výhřevnost 1 kg LNG je 54,8 MJ, 1 l LNG je 22,2 MJ.
Hlavní nevýhodou LNG je jeho nutné uchovávání za velmi nízkých teplot a ve srovnání s CNG je zapotřebí také složitějších a nákladnějších technologií - negativem jsou i přísnější bezpečnostní opatření při garážování i opravách plynových vozidel; - LNG vyžaduje také jiné technologie plnění vozidel, která při samotném tankování přináší určitá rizika; - při delší odstávce vozidla dochází k samovolnému odparu z nádrže a oproti CNG rozvoz LNG zatěžuje silniční dopravu; - v případě umístění tlakové nádoby v zavazadlovém prostoru, dochází zákonitě k jeho zmenšení a jsou vyšší nároky na izolaci.
- technologický proces zkapalňování zemního plynu souvisí však již s jeho dopravou z rozvojových zemí s bohatými zdroji; - na velké vzdálenosti se LNG přepravuje po moři tankery využívající k pohonu zemní plyn získávaný z odparu v LNG nádržích. Kapacita těchto lodí je více než 100tis. tun. Ve své podstatě se jedná o plovoucí skladovací rezervoáry LNG přizpůsobené k převážení zemního plynu při teplotách okolo -160 o C a nevýrazně vyšším tlaku než atmosférickém. - oproti dřívějším dobám, kdy dopravený LNG se po stlačení vysokotlakými čerpadly odpařoval a dále rozváděl jen potrubím, dnes je určen v kapalné formě pro přímé dodávky koncovým spotřebitelům.
- zkapalněný zemní plyn je možno dodávat do míst, která nejsou plynofikována potrubní sítí, pomocí cisteren (či v budoucnosti cisternovými vlaky); - v přijímacích terminálech se v odpařovačích LNG převádí z kapalné fáze opět do plynného stavu pro další distribuci běžnými plynovody; - k chlazení zásobníků v plnících stanicích se používá kapalného dusíku, čímž odpadají problémy s odparem a uchováním zemního plynu v kapalném stavu; - plnící stanice LNG jsou energeticky méně náročné než stanice CNG a nevyžadují plynovou přípojku; - plnící stanice je tvořena kryogenní nádobou se zásobou zkapalněného LNG. Plyn je dopravován pomocí čerpadla pod vysokým tlakem výparníku, odkud již v plynném stavu plní tlakový zásobník CNG. Odtud je stanice stejná jako pro plnění CNG.
Zdroj obrázků: [1] http://www.tzb-info.cz/1908-co-mozna-nevite-o-zemnim-plynu [2] http://www.tzb-info.cz/1908-co-mozna-nevite-o-zemnim-plynu [3] http://www.tzb-info.cz/1908-co-mozna-nevite-o-zemnim-plynu [4] http://www.euractiv.cz/energetika/clanek/plynovod-stork-propojil-cr-spolskem-009139 [5] http://www.elpigas.cz/cng-v-motorech