Univerzita Pardubice Dopravní fakulta Jana Pernera šk. rok 2003/2004, letní semestr I. ročník (obor DI-DC) - kombinované studium Roman Růžek 26.4.2004 Název práce: Znečištění ovzduší, zlepšení situace využitím alternativních pohonů, pohony LPG. Prohlášení Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpal, v práci řádně cituji. Anotace Moje semestrální práce pojednává o problematice znečišťování ovzduší výfukovými plyny, které produkují automobily. Chci zde ukázat možnosti zmírnění tohoto problému využitím alternativních pohonů vozidel. Možností jak omezit emise škodlivých plynů do ovzduší je celá řada. Ukáži zde možnosti využití náhradních pohonných látek, protože je toto téma velmi aktuální. Vzduch, který nám automobily znečisťují jsme přece nuceni denně dýchat při cestě do zaměstnání, při nákupech i procházkách městem, a proto je bychom měli vynaložit maximální snahy pro zlepšení tohoto stavu. Přímo ukáži praktický příklad a jeho přínos k dané problematice.
Klíčová slova: alternativní pohon LPG CNG vodík sluneční energie emise výfukové plyny ovzduší Obsah Dopravní fakulta Jana Pernera... 1 Obsah... 2 1. Úvod... 3 2. Výfukové plyny... 3 3. Alternativní pohony... 4 4. Pohony CNG a LPG... 7 5. Klady a zápory pohonu vozidel propan-butanem (LPG)... 8 6. Přestavba silničních vozidel na pohon LPG... 9 7. Ekonomika a návratnost pohonu LPG... 11 8. Praktické zkušenosti s provozem auta na pohon LPG... 11 9. Závěr... 14 10. Literatura... 14-2 -
1. Úvod S nárůstem počtu obyvatelstva zeměkoule dochází zároveň k nárůstu počtu dopravních prostředků a tím pádem i k nárůstu výfukových zplodin z těchto vozidel. Tyto působí negativně na životní prostředí, které je neustále více a více znečišťováno. Díky tomu dopravní prostředky a vlastní podíl dopravy svůj podíl na znečišťování ovzduší neustále zvyšují. Největší část na znečistění ovzduší, vznikající v dopravním procesu připadá na dopravu silniční. Důsledkem nedokonalého spalování pohonných hmot, unikají do ovzduší oxid uhličitý, oxid dusíku, oxid uhelnatý, olovo, uhlovodíky, prachové částice a další škodlivé látky. Úniky všech těchto vyjmenovaných látek můžeme v dnešní době různými metodami omezovat. Mezi tyto metody patří kupříkladu různé druhy filtrů, katalyzátory, různé alternativní pohony a řada dalších. Přes všechny tyto opatření se množství unikajících látek do ovzduší rok od roku zvyšuje. Jak jsem uvedl největší měrou se na znečištění životního prostředí podílí automobilová doprava ta ničí především ovzduší. Doprava jako taková má vliv i na znečištění půdy a vod. Dochází k tomu v první řadě tak, že výfukové plyny se dostanou do země spolu s dešťovou vodou, dochází k různým haváriím (např. cisterny s jedovatými látkami, dopravní nehody - dojde k průniku olejů a paliv do zeminy atd.). Mezi další iniciátory znečištění patří i hluk, vibrace, zvyšování hustoty jednotlivých dopravních sítí (záběr půdy) i úpravou stávajících dopravních cest (především říční doprava). Člověk se do budoucna musí životnímu prostředí maximálně přizpůsobit a hledat cesty k nejlepší možné variantě jak pro sebe, tak pro přírodu. Omezit zbytečné cesty, sami aktivně být šetrní k životnímu prostředí a snažit se nalézat optimální variant přepravy by mělo být v budoucnu samozřejmostí. Pokud budeme životní prostředí přehlížet a budeme k němu bezohlední, může se to jednou vymstít nám všem na našem zdraví. 2. Výfukové plyny Oxid uhličitý CO 2 : nemá vliv na lidské zdraví, ale jde o nejdůležitější skleníkový plyn, způsobující asi z 50% celkové oteplování atmosféry. Spálením jednoho litru benzínu vznikne 2,4 kg CO 2, zatímco spálením litru nafty vznikne 2,7 kg CO 2. Nejvíce CO 2 produkuje silniční doprava - téměř 80%. Oxidy dusíku - NO, NO 2 : tyto plyny hrají spolu s oxidy síry hlavní roli při tvorbě kyselého deště. V Evropě způsobují asi jednu třetinu okyselení dešťových srážek. Oxid dusičitý navíc způsobuje snižování odolnosti vůči virovým onemocněním, bronchitidě a zápalu plic. Oxid uhelnatý - CO: tento plyn není považován za škodlivý vůči neživé přírodě, ale má vliv na živé organismy. Způsobuje zpomalování reflexů, zbavuje tělo kyslíku a zvyšuje výskyt bolestí hlavy. Uhlovodíky - C x H y : - 3 -
benzínové motory vylučují mnohem větší množství těchto látek než odpovídající motory dieselové. Některé uhlovodíky (např. benzen) jsou karcinogenní, jiné způsobují ospalost, dráždění očí a kašel. Olovo - Pb: je přidáváno do paliva jako antidetonátor. Je vysoce toxické, zejména pro děti a těhotné ženy. Emise olova z dopravy v ČR od roku 1989 klesají z 405 tun/rok na 208 tun/rok v roce 1994. Je to způsobené 74 násobným zvýšením spotřeby bezolovnatého benzínu a snížením maximální koncentrace olova v benzínu v roce 1992 na hodnotu 0,15 g/l. Přesto jde stále o vysoké koncentrace olova v ovzduší. Prachové částice: Hlavním zdrojem jsou naftové motory. Z chemického hlediska jde o různorodou směs organických a anorganických látek (40% uhlík, 25% nespálený olej, 14% sírany, 7% nespálené palivo, 13% ostatní). Jsou potencionálně karcinogenní. Množství emisí v ČR v dopravě (v tisících tun) Rok SO 2 NO x CO CO 2 C x H y Olovo Prach 1994 7,4 199 285,4 9675 72,7 0,2 8 1995 7,4 190 258,6 9535 72,3 0,1 6,7 1996 5,7 174,7 244,6 9235,6 69,3 0,1 5,2 1997 6,3 192,7 269,4 10163 76,7 0,1 5,7 1998 3,7 113,5 367,1 11334 45,1 0,2 4,2 1999 3,8 114,1 364,3 11583 45 0,1 3,7 3. Alternativní pohony Existuje řada možností, jak provozovat silniční dopravu bez využití ropných produktů (nafta, různé druhy benzínů..). Tímto problémem se zabývá řada automobilových výrobců, jsou pořádány různé soutěže tak, aby vývoj šel stále kupředu. Je to potřeba, protože světové zásoby ropných produktů se menší. Hlavním důvodem je tu nutnost snížení emisí v ovzduší a zlepšení životních podmínek nás i celé planety. Existuje celá řada alternativních pohonů, podívejme se na některé z nich. - 4 -
Pohon sluneční energií Jedním z předpokládaných nevyčerpatelných zdrojů energie je slunce. S železnou pravidelností den co den září na naši planetu. Už dříve se lidstvo zabývalo myšlenkou převodu slunečního záření na energii užitečně využitou ve prospěch člověka. Dnešní realitou je využívání slunečních kolektorů, které ohřívají vodu, pohánějí stroje, slouží k napájení zařízení méně náročných elektrických zařízení a v neposlední řadě k výrobě elektrické energie. Těchto vlastností bylo využito i při návrhu pohonu automobilů. Sluneční záření je v těchto automobilech právě pomocí slunečních kolektorů převáděno na elektrickou energii. Tento druh pohonu bohužel není v dnešní době příliš perspektivní, protože s sebou přináší řadu větších či menších problémů. Převod energie totiž není zdaleka efektivní. Sluneční kolektory zabírají příliš velkou plochu, proto je ve slunečním automobilu velice málo místa pro řidiče. O spolujezdci, nebo zavazadlovém prostoru nemluvě. Navíc automobil nemůže být příliš těžký, protože elektrická energie takto získaná by daný automobilový prostředek ani nerozjela. Elektrický pohon Jedním z dalších světlých návrhů, byla realizace automobilu na elektrický pohon. Do automobilu jsou vestavěny elektromotory a vysoce kapacitní bateriové bloky. Ty dodávají šťávu do elektromotorů a umožňují jízdu. Bohužel i tento pohon má svá úskalí. Především velká váha baterií, a jejich postupné vybíjení.dojezd elektromobilů je taktéž velice nedostačující. Vývoj šel dále a byl tu návrh hybridního pohonu. Hybridní pohon Snaha navrhnout ekologicky šetrnější dopravní prostředek vedla ke konstrukci hybridního pohonu. Ve snaze vyřešit problém omezeného dosahu může být elektromobil vybaven elektrickým motorem a spalovacím generátorem (hybridní elektromobil). Na malé vzdálenosti a v nenáročném terénu jezdí vůz na elektřinu. Spalovací motor se použije teprve v náročném terénu a na větší dálky. Tím se výkon a dosah spojují s efektivitou, šetrností k životnímu prostředí, nehlučností a nízkými náklady. Hybridní vůz by se tedy v budoucnu mohl stát velmi kvalitní alternativou, bude ale stále do jisté míry závislý na ropných pohonných hmotách. Pohon na vodík Pohonnými hmotami budoucnosti jsou zřejmě zemní plyn a možná i propan-butan. Zdá se, že by mezi ně mohl patřit i vodík, chemický prvek, o kterém se zdálo mnoha vývojovým pracovníkům nejen v automobilovém průmyslu. Jedna z výhod tohoto chemického prvku spočívá v tom, že ho lze získat z obyčejné vody, které je téměř všude na světě dostatek. Ještě důležitější však je skutečnost, že při spalovacím procesu vzniká opět nezávadná voda. Produkce oxidu uhličitého a uhelnatého je nulová a hodnoty uhlovodíků a sloučenin dusíku ve výfukových plynech jsou přinejmenším srovnatelné s nejmodernějšími motory spalujícími benzin. První problémem byla samotná výroba čistého vodíku a to transformací sluneční energie pomocí solárních článků na elektřinu, která následně elektrolýzou rozdělí molekuly vody na vodík a kyslík. Takto získaný vodík je nutné zchladit až na teplotu -253,5 C, kdy - 5 -
získá kapalné skupenství, které je vhodné pro použití v automobilu. Jestliže by byl vodík skladován v plynném stavu, odpadly by sice problémy spojené s chlazením, ale vznikly by závažnější s uskladněním. Byly by totiž potřeba velké vysokotlaké nádoby, které jsou velmi těžké a nákladné. Energetický potenciál 1 m 3 vodíku je přibližně stejný jako jednoho litru benzinu, což ukazuje prostorovou nákladnost skladování plynného skupenství. Samotná nádrž je poměrně složité zařízení, jehož plášť sestává ze dvou vrstev od sebe oddělených vakuem a 70 hliníkovými fóliemi se skelnou vatou. Izolační schopnosti nádrže jsou udivující. Během jednoho dne vzroste teplota velmi studeného paliva pouze o 1 C. Během tří dnů se však tlak v nádrži zvýší z provozního tlaku 1 bar až čtyřikrát, což je mezní hranice, kdy bezpečnostní ventil přebytečný vodík jednoduše upustí. Po nastartování se uvede do chodu chladicí zařízení, které během 15 minut ustálí teplotu na zmíněných -253,5 C. Nádrž v zavazadlovém prostoru pojme 140 litrů vodíku, odpovídajícímu přibližně čtyřiceti litrům benzinu. Jedna náplň vystačí až na 400 km jízdy, přičemž poté ji lze opětovně doplnit během několika minut. Pohon vodíkového automobilu zajišťuje jen mírně upravená zážehová pohonná jednotka, která je v případě potřeby, schopna pracovat kromě vodíku i na benzin. Z nádrže paliva se vodík vede pancéřovanými trubicemi v kapalném stavu až ke standardním spalovacím prostorům, kde se mísí se vzduchem, vybuchuje a tím otáčí klikovou hřídelí. Jistou nevýhodou je menší účinnost motorů pracujících s vodíkem. Proto inženýři automobilek pracují s motory o objemech 2,5 až 5 l. Výkony těchto pohonných jednotek dosahují od 80 kw (109 k) do 150 kw (204 k), což je přibližně o 30 % méně než při spalování benzinu.velká péče při vývoji vodíkového pohonu byla věnována bezpečnosti, jejíž úroveň je při používání tlakových zařízení velmi vysoká. Pakliže by se vodík jakýmkoliv způsobem dostal z odolné a pevné nádrže umístěné na bezpečném místě těsně za zadními sedadly, může člověka ohrozit svojí teplotou. Vyšší koncentrace než jaká je ve vzduchu (cca 18 %), se na volném prostranství obávat nemusíme. Jistý problém však nastává v uzavřených prostorech, jako je interiér automobilu. Netoxický vodík není cítit, je bezbarvý a proto je pro člověka špatně rozpoznatelný. Kabina testovacích automobilů je proto vybavena speciálními senzory mapujícími obsah vodíku ve vzduchu. Pakliže jsou naměřeny vyšší hodnoty než je přípustné, elektronika dá povel k otevření střešního okna, stažení všech bočních skel a otevření zavazadlového prostoru, čímž se vodík vyvětrá. Stejné akce nastanou i v případě nehody.použití vodíku pro pohon automobilů se z hlediska celkového ekologického zatížení Země jeví jako nejvhodnější varianta. Proto se ve vývojových pracovištích mnoha automobilek pracuje na jeho dalším využití. V současné době již jezdí elektromobily, které si právě pomocí vodíku vyrábějí v palivových článcích elektrickou energii pro svůj pohon. Podle dostupných informací zdrží prosazování vodíku zejména nedostatečná síť čerpacích stanic, které vyžadují nákladné technologie. V budoucnu lze očekávat velký boj mezi automobily poháněnými ropnými produkty a ekologicky příznivým vodíkem. Problémů, které je třeba vyřešit v souvislosti s jeho uplatněním v provozu milionů motorových vozidel na světě, je však celá řada. Jsou to problémy technické, vyplývající z velmi nízké zkapalňovací teploty tohoto plynu, ale také problémy s jeho získáváním v dostatečném množství způsobem, který by byl energeticky i ekologicky akceptovatelný. Většina výrobců automobilů se však praktickým použitím vodíku případně palivových článků jako zdroje energie pro pohon vozidel vážně zabývá, o čemž svědčí např. projekty německých firem BMW, Mercedes, Opel a samozřejmě i firem japonských a amerických. Firma Opel vlastní studie se čtyřmi různými pohony. Vedle klasického elektromobilu má výrobce vozidlo poháněné palivovými články. Jedná se o vůz s elektromotorem, který však na rozdíl od běžné koncepce nečerpá energii z akumulátorů. Zdrojem je chemická reakce vodíku a kyslíku. Takto poháněný automobil hodlá Opel prodávat nejpozději od roku 2004. Vývoj technologie palivových článků by mělo - 6 -
urychlit zvláštní výzkumné středisko GM v Rüsselsheimu. Třetí varianta představuje možnost hybridního pohonu prostřednictvím kombinace elektromotoru a přeplňovaného naftového agregátu s přímým vstřikováním. Jednodušší je technologie spalování stlačeného zemního plynu přeplňovaným tříválcovým motorem Ecotec 1.0. Unikátní projekt na bezemisní dopravu připravují nyní v Karlových Varech. Součástí projektu jsou i úvahy o využití vodíku pro pohon městských autobusů. Za tímto účelem zástupci města kontaktovali německou firmu Linde, která má s vodíkem značné zkušenosti. Pracovníci dopravního podniku navštívili čerpací stanici na vodík, kterou Linde provozuje v Mnichově a ve spolupráci s konsorciem dalších německých firem testuje provoz autobusů a osobních automobilů poháněných vodíkovým palivem. O projekt se začala zajímat rovněž Škoda Plzeň, která ve spolupráci se zahraniční firmou uvažovala o výrobě autobusů jezdících na vodík. Experti považují vodík za velice perspektivní pohon automobilů i zdroj elektřiny a tepla. Místo jeho přímého spalování v motoru, ale předpovídají mnohem větší perspektivu využití vodíku v palivových článcích, které bez emisí produkují elektřinu a zároveň teplo. Některé přední světové firmy, jako například Siemens již zahájily jejich sériovou výrobu. V USA se sériově začaly vyrábět palivové články o výkonu 200 KW, ale stále jsou značně drahé. Sériová výroba se může hodně změnit. Výroba palivových článků se bude asi koncentrovat do rukou několika velkých firem, podobně jako je tomu u počítačů. Pohon zemním plynem a LPG Další alternativou jak provozovat silniční dopravu bez použití klasických ropných produktů a zároveň možnost snížit emise škodlivých plynů do ovzduší, je používání LPG, nebo zemního plynu jako pohonné látky silničních motorových vozidel. Jelikož se jedná o nejrozšířenější, a nejvíce používané alternativní pohony, s kterými i já mám své praktické zkušenostmi, pojďme se podívat blíže právě na tyto druhy pohonu. Pro bližší přehled je ještě jednou udělaný stručný přehled používaných paliv v příloze č.1. 4. Pohony CNG a LPG Autobusy na zemní plyn. V řeckých Aténách již začalo jezdit prvních čtyřicet autobusů poháněných zemním plynem. Stejné autobusy by měly v letošním roce postupně nahradit téměř tři stovky již zastaralých vozů. Město Atény zvolilo tuto variantu jako způsob snižování znečištění ovzduší. Používání autobusů na zemní plyn by totiž mělo městu umožnit snížit na polovinu emise sloučenin dusíku a až o 85% emise CO. Autobusy jsou francouzské provenience a mají plnou nádrž natankovánu během 4 minut. Hromadná přestavba autobusů na pohon zemním plynem v ČR. Firma EkoGasAuto získala od Ministerstva dopravy osvědčení k hromadné přestavbě autobusů na pohon zemním plynem. Odborníci se domnívají, že nyní by mohlo dojít u autobusů konečně ve velkém k náhradě nafty plynovým pohonem. Zatím přestavěné autobusy se přestavovaly na základě individuálních osvědčení, což je podstatně nákladnější a také zdlouhavější. Je známo, že plynofikace dopravních prostředků představuje nejen přínos pro zlepšení životního prostředí ve městech, ale je rovněž celosvětovým trhem s předpokladem značného růstu. Otázkou zůstává, zda je tento způsob pohonu schopen se prosadit bez účasti rozhodujících plynárenských organizací. Například na Slovensku našla plynofikace autobusů výraznou podporu Slovenského plynárenského priemyslu, š.p. Obdobná podpora v České republice až - 7 -
na vyjímky některých distribučních společností zatím bohužel chybí. Podniky ČSAD BUS Ústí nad Labem společně s výrobcem autobusů firmou SOR vyvinuly nový autobus s pohonem na zemní plyn. Autobus má plynové nádrže umístěny na střeše. Při pěti nádržích má dojezd 400 km a při testech průměrně spotřeboval na sto kilometrů 26,5 kubíků plynu. Přibližně poloviční provozní náklady ve srovnání s autobusy na naftu tak vyrovnávají vyšší pořizovací náklady na autobus. Vynikající jsou zejména ekologické přednosti vozidla. Ve srovnání s rovněž ekologicky příznivými trolejbusy jsou ale autobusy mobilnější neboť nejsou závislé na elektrickém vedení. Jsou také levnější, což potvrzuje i před několika lety zpracovaná studie pro zavedení ekologické dopravy v Havířově, která počítala s částkou miliardy korun pro trolejbusy, ale přestavba několika desítek stávajících autobusů Karosa na plyn stálo pouze několik miliónů korun. Také když se měly obnovovat v Praze trolejbusy na trase do Jinonic, počítala studie s prostředky na ně osmkrát většími než pro autobusy s pohonem na zemní plyn. Nový autobus má i perspektivu uplatnění v zahraničí. V úvahu přichází zejména Paříž, která provozuje 4000 autobusů a ve spolupráci s Gaz de France masivně plynofikuje svůj autopark, dále Německo, kde stát podporuje zavádění ekologické dopravy daňovými úlevami, Itálie s největším počtem automobilů na plyn v Evropě a také Kolumbie a Argentina, kde jezdí nejvíce automobilů s plynovým pohonem. Evropští odborníci oceňují zejména fakt, že u typu SOR 9,5 se jedná o nejmenší autobus s pohonem na plyn, jehož nabídka na evropském trhu zatím chyběla. ČSAD Liberec přestaví zatím tři své autobusy na plyn. Autobusy s plynovým pohonem budou nasazeny nejprve na svoz zaměstnanců pro některé místní firmy. S využitím na pravidelných linkách se počítá až po rozšíření počtu těchto autobusů. Pražská plynárenská má více než třetinu automobilů přestavěných na plyn. Z uvažovaných variant náhrady stále dražší ropy se ukazuje jako nejpříznivější použití zemního plynu. Jeho zásoby jsou podstatně větší než ropy a v případě využití jeho hydrátů ukrytých na dnech světových oceánů by vystačily i na několik staletí. Zemní plyn je díky široké síti plynovodů snadno dostupný a není problém vybudovat síť čerpacích stanic jako je tomu například v Itálii. Jeho předností je také to, že se jedná o velmi čisté palivo vyhovující nejpřísnějším emisním požadavkům. 5. Klady a zápory pohonu vozidel propan-butanem (LPG) Pohon LPG láká, protože plyn stojí zhruba polovinu co srovnatelné množství benzínu, přičemž spotřeba při použití LPG se zvedne pouze asi o tři až deset procent a výkon klesá zhruba o pět až sedm procent. Má to i další výhody. Při tomto pohonu se prodlužuje životnost motorového oleje, který si - na rozdíl od působení tradičních paliv - lépe a déle udržuje potřebné vlastnosti. V motoru se nevytvářejí karbonové usazeniny, čímž se jeho životnost prodlužuje. Plynový pohon produkuje čistší výfukové plyny. Motor nevylučuje dým, prach, saze, oxidy síry, olovo a jiné látky, jako benzin či nafta, a vytváří méně oxidu uhelnatého a nespalitelných uhlovodíků. U přestavěného vozu zůstává možnost cestovat na benzín, dvě plné nádrže značně zvětší dojezd vozidla. V ČR je plně postačující síť čerpadel plynu, plyn levnější než benzín lze tankovat i v sousedních zemích. Ve srovnání se zemním plynem je síť čerpacích stanic daleko širší (čerpací stanice CNG vyjde podstatně dráž). Automobily upravené na LPG mají větší dojezd než vozy, které tankují zemní plyn, a přitom mají menší nádrže, úprava automobilu k pohonu na LPG je levnější než při přestavbě na zemní plyn. Na trhu jsou také automobily sériově upravené k pohonu na LPG. Bohužel, úprava automobilu na propanbutanový pohon vyžaduje investici zhruba od 13 000 do 40 000 korun za pořízení a - 8 -
schválení zařízení ve vozidle, u některých typů automobilů je schvalování komplikované. Zmenšení zavazadlového prostoru o palivovou nádrž. Kruhové nádrže místo rezervního kola jsou poslední dobou zajímavým řešením, ale předpisy na povinnosti vozit rezervu v automobilu trvají. U starších zařízení je třeba počítat s pěti- až sedmiprocentním poklesem výkonu motoru a tříprocentním snížením maximální rychlosti při letně nepatrném a v zimě tří- až desetiprocentním zvýšením spotřeby. Je nutná zvýšená opatrnost při manipulaci a opravách, neboť již dvě procenta plynného LPG ve vzduchu tvoří výbušnou směs. Ve srovnání se zemním plynem, který se v pohonu automobilů rovněž začíná uplatňovat, je LPG těžší než vzduch, a tudíž nebezpečnější při provozu a manipulaci. Ve srovnání se zemním plynem je LPG dražší. U automobilu přestavěného na LPG jsou každoročně - nebo po deseti tisících kilometrech - povinné pravidelné revize. Používat lze jen oficiálně dovezená, schválená a odborně montovaná zařízení. Výroba LPG je vázána na ropu, což ovlivňuje ceny podobně jako u benzínu a nafty. S automobilem upraveným na plynový pohon je zakázán vjezd do některých podzemních garáží. 6. Přestavba silničních vozidel na pohon LPG Postup přestavby motorových vozidel na pohon LPG je vhodné popsat příkladem přestavby naftového motoru, neboť jeho přestava je od jistého kroku téměř totožná s přestavbou benzinového motoru. Přestavba naftového motoru na plynový pohon již není žádnou neznámou. Pražská firma EkoGasAuto přestavěla na LPG také Avii. Její souprava se stala pro přestavbu Avie na LPG první a zatím jediný schválený Ministerstvem dopravy a spojů ČR jako "typ" pro provoz na pozemních komunikacích pro vůz s původně naftovým motorem. Souprava je schválena pro celou typovou řadu Avií 15-31 s nepřeplňovaným motorem. Od první myšlenky k "typovému" schválení však uběhly zhruba 3 roky vývoje, testů, provozních, statických a pak schvalovacích zkoušek, vypracování kompletní dokumentace včetně výkresů, výpočtů atd. Prvním předpokladem byla nutnost dosáhnout provozní spolehlivosti, a to výrazně vyšší, než u přestaveb benzínových motorů, kde je možné při poruše systému LPG jednoduše přepnout na benzín a jet dál. Tato možnost totiž u přestavěného naftového motoru není - vozidlo již jezdí pouze na plyn. Proto padla volba na kvalitní komponenty a díly pro vlastní přestavbu. Následoval dlouhý vývoj - návrhy, počítání, výroba komponentů, provozní zkoušky a na závěr dlouhá série zkoušek na motorové brzdě na Technické univerzitě v Liberci. Tyto zkoušky vedly k optimalizaci výkonu a zároveň k zajištění plnění přísných emisních limitů dle předpisů EHK. Pak již následovaly zkoušky a testy pod dozorem státní zkušebny. Zaplombovaný motor s LPG systémem byl zamontován do zkušebního vozidla a to předáno na státní zkušebnu, kde proběhly dlouhodobé provozní zkoušky spolehlivosti a stálosti seřízení. V čem tedy spočívá princip přestavby naftového motoru na LPG. Přestavba naftového (vznětového) motoru na plyn spočívá v první řadě ve změně systému motoru ze vznětového na zážehový. Proto již nelze motorovou naftu dále používat jako alternativní palivo. Svými vlastnostmi je směs propan-butanu se vzduchem, připravená systémem LPG pro pohon motorových vozidel, velmi blízká směsi rozprášeného benzínu se vzduchem, připravené karburátorem či vstřikovacím systémem. Ale naopak velmi vzdálená motorové naftě, vstříknuté do stlačeného vzduchu. Existují sice duální systémy, kde vznětový motor nasává vzduch s plynem a k zažehnutí je použita vstříknutá nafta (takže motor ve volnoběžných otáčkách běží na naftu, ale pro zvyšování otáček motoru nepřidává vstřikovací čerpadlo naftu, ale přídavné zařízení plyn), nicméně tyto systémy nejsou rozšířeny pro svou technickou náročnost a jen poloviční efekt. Proto tedy v našem případě přestavba na - 9 -
motor zážehový. Ta s sebou ovšem nese dost podstatné zásahy do vlastního motoru. V první řadě jde o snížení kompresního poměru, který je pro pohon LPG zvolen o něco málo vyšší než pro benzín (LPG má vyšší oktanové číslo, spalování však probíhá při vyšší teplotě, takže při ideálním kompresním poměru vzhledem k oktanovému číslu by bylo velmi problematické plnit předepsané limity NO x - proto je zvolen kompromis 10,5 : 1), ale samozřejmě výrazně nižší než pro vznětový motor. Tohoto snížení kompresního poměru je u naší soupravy dosaženo úpravou pístů. Dno pístu je sníženo obrobením a tvar spalovacího prostoru v pístu je rovněž optimalizován. Dalším zásahem do motoru je úprava hlavy válců. Namísto vstřikovacích trysek jsou umístěny zapalovací svíčky. Použity jsou speciální "plynové" svíčky BRISK SILVER se stříbrnou středovou elektrodou, původně vyvíjené pro autobusy poháněné CNG a v poslední době, po náležitém vývoji, přizpůsobení a schválení používané pro osobní benzínové vozy přestavěné na LPG. Místo vstřikovacího čerpadla je umístěn speciální náhon rozdělovače, ten je použit stejně jako ostatní komponenty zapalovací soustavy z vozu Škoda Favorit, tedy bezkontaktní. Dalším důležitým prvkem je elektronický omezovač otáček, nastavený na 3000 ot./min., který má i další bezpečnostní funkce - např. uzavření přívodu plynu při zastavení motoru, automatické sycení pro studený start či uzavírání přívodu plynu při brždění motorem. Poslední důležitou součástí je škrticí klapka, která u vznětového motoru chybí. V naší soupravě je sdružena v jednom tělese se směšovačem (difuzor, kde dochází k mísení již plynného propan-butanu se vzduchem); umístěna je na ústí sacího potrubí a je vybavena elektrickým mikrospínačem volnoběžné polohy škrticí klapky. Vlastní zařízení LPG je již osvědčené z pohonu benzínových vozidel. Reduktor (zplynovač) a elektrický ventil s filtrem je použit od italského výrobce STARGAS právě pro jeho vysokou provozní spolehlivost a bezkonkurenční stálost seřízení. Nádrž (případně lze použít i nádrže dvě) je vzhledem k umístění vně vozidla použita holandská WVM s kovovou plynotěsnou schránkou (na přání uzamykatelnou) a elektrickým provozním ventilem. Nádrž je umístěna podélně na rámu vozu namísto naftové nádrže, která je spolu s celou naftovou soustavou z vozu odstraněna; případná druhá nádrž může být umístěna na druhé straně vozidla. Objem nádrže je 116 litrů - náplň jako vždy u nádrží pro motorová vozidla 80 % - tj. cca 92 litrů kapalného PB. Jako druhá nádrž může být použita také 116 l nebo alternativně 100 l. Provozní vlastnosti, výhody a nevýhody Avií přestavěných na LPG. Motor seřízený dle předepsaných diagnostických parametrů má nepatrně nižší výkon, ale znatelně lepší průběh točivého momentu. Motor má příznivou sílu již z velmi nízkých otáček a ochotně se vytáčí až na 3000 ot./min., kde je nekompromisně zkrocen elektronickým omezovačem. Chod motoru je výrazně klidnější, měkčí a hlavně nesrovnatelně tišší, než při provozu na naftu. K největším přednostem však patří jeho spolehlivé startování i v zimě a naprosto čisté výfukové plyny, které neobsahují pevné částice (nekouří) ani dráždivé látky (nenutí kolemjdoucí chodce k pláči např. při skládání zboží na chodníku pomocí hydraulické plošiny - tedy s motorem v chodu). A samozřejmě plní, a to s velkou rezervou, předepsané emisní limity. K dalším výhodám patří výrazné prodloužení životnosti motoru, vzhledem k nižšímu mechanickému namáhání klikového mechanismu motoru včetně pístů a menšímu opotřebení pístních kroužků - plyn na rozdíl od nafty nenarušuje olejový film na stěnách válců, zvláště při studeném startu. To však předpokládá používání kvalitního motorového oleje (první náplň, 10 litrů - tedy i s rezervou na dolití - je v ceně přestavby), protože teplota spalování ve válcích je vyšší než při provozu na motorovou naftu. S tím souvisejí i problémy s chlazením motoru v letních měsících u zvláště starých vozů, které mají zanesenou či jinak narušenou chladicí soustavu. V takovém případě je nutné chladicí soustavu opravit, dokonale vyčistit, někdy je nezbytné vyměnit starý chladič za nový. Když už jsme u nevýhod, je tu ještě jedna nepříjemnost. Řidič si musí hlídat - 10 -
množství plynu v nádrži, protože jiné palivo nemá k dispozici a LPG v záložním kanystru vozit nelze. Také toto vozidlo, stejně jako jakékoliv jiné s LPG, nesmí zajíždět do podzemních garáží či uzavřených nevětraných prostor (propan-butan je těžší než vzduch a drží se dole u země). Ale zpět k výhodám. Užití vybraných dílů LPG soupravy dále zvyšuje již standardně vysokou provozní bezpečnost, umocněnou tím, že ve voze již není žádné další palivo. A nakonec je tady nesporné snížení provozních nákladů. Spotřeba paliva (měřená v litrech na 100 km) je oproti motorové naftě vyšší o 10-25 % dle stylu jízdy a zatížení vozu. Při normální jízdě s prázdným vozem se spotřeba oproti naftě zvýší jen nepatrně, při jízdě s plně naloženou Avií v kopcovitém terénu však může být vyšší až o zmíněných 25 %. I v tomto extrémním případě však pojede výrazně levněji, než na naftu. 7. Ekonomika a návratnost pohonu LPG Další úspory se projeví při údržbě plynové soustavy a hlavně v již zmiňovaném prodloužení (u Avií značně krátké) životnosti motoru. Při poměrně složitém výpočtu, jehož přehledná tabulka by zde zabrala celou další stranu, dojdeme k závěru, že návratnost původní investice 57.000,- Kč včetně DPH je při současných cenách pohonných hmot cca 30-35 tisíc km. Navíc nyní firma VK Program, a.s., přispívá ke zlepšení našeho životního prostředí v této oblasti naprosto ojedinělou cenovou akcí: pro prvních 50 přestaveb vozů AVIA od 1. 10. 2000 stanovila akční základní cenu 39.900,- Kč. Návratnost této výhodné investice se tak sníží na neuvěřitelných 25 tisíc km. K dalším přednostem přestavby patří i skutečnost, že na rozdíl od přestaveb benzínových motorů může být naftový i ve velmi špatném stavu. Vzhledem k tomu, že při přestavbě je motor částečně rozmontován, je případné spojení přestavby s částečnou či úplnou GO velmi výhodné. Demontáž a zpětná montáž hlavy válců včetně výměny těsnění, demontáž a montáž pístů a pístních kroužků a mnohé další úkony jsou již v ceně přestavby. Legislativa. Celá souprava je, jak už bylo řečeno v úvodu, schválena jako "typ" VK-01- XM Ministerstvem dopravy a spojů České republiky pro provoz na pozemních komunikacích a odpovídá příslušným předpisům EHK. Jako kompletní stavebnice je dodávána našim dealerům, kteří jsou oprávněni tuto přestavbu provádět. Všechny předepsané díly této soupravy mají platnou homologaci. Zákazník tedy stejně jako při přestavbě škodovek (některé schválené soupravy pro jejich přestavby na LPG také vyvíjela firma VK Program, a.s.) přistaví Avii s technickým průkazem do autoservisu (či jiné oprávněné firmy) a po přestavbě (která trvá zpravidla jeden týden) pouze oznámí přestavbu na příslušný Dopravní inspektorát a zaplatí 10,- Kč (kolek) za zápis do OTP vozidla. 8. Praktické zkušenosti s provozem auta na pohon LPG V dnešní době je pohon na propan-butan (dále jen LPG) velice slušně rozšířený. Pořizovací hodnota montážních sad do jednotlivých automobilů se snožuje, a stále další typy vozů jsou schváleny pro hromadnou přestavbu. I já jsem se rozhodl využít tohoto pohonu, a před třemi lety si nechal zabudovat pohon na LPG do svého automobilu značky LADA 1300 u firmy Autogas-centrum v Pardubicích. Instalace byla do druhého dne hotova. Nákres a popis instalovaného zařízení je uveden níže. - 11 -
Obr. Základní schéma systému LPG ve vozidle LADA-VAZ (Autogas-centrum). Legenda: 1.nádrž LPG 2. držák nádrže 3.plynotěsná přihrádka 4. multiventil 5. přípojka dálkového ovládání 6.vedení kap. Fáze PB multivemtilu provozní ventil 7. vedení plnění nádrže 8. provozní ventil 9. vedení kap. Fáze PB provozní ventil výparník 10, Výparník regulátor 11. regulační šroub 12. vedení plynné fáze PB 13. směšovač 14. přepínací modul 15.hadice vodního ohřevu 16. benzínový ventil - 12 -
Obr.2 Schema zapojení systému LPG vozy LADA-VAZ (Autogas Centrum) 1. Výparník regulátor 2. multiventil 3. nádrž LPG 4. přípojka dálkového plnění 5. provozní ventil 6. regulační ventil 7. směšovač 8. čistič vzduchu 9. přívod vzduchu 10. přepínací modul 11. výfuk 12. motor Všechny viditelné uvedené výhody zvětšená životnost motoru a snížení nákladů na dopravu se bezezbytku vyplnil. Motor produkuje čistší výfukové plyny, neboť motory na propan-butan nevylučují dým, prach, saze, oxidy síry, olovo a jiné látky, jako benzin či nafta, a produkují méně oxidu uhelnatého a nespalitelných uhlovodíků (prokazuje to i měření emisí, kterým auto každé dva roky prochází). Prodlužuje se také životnost motoru, ve kterém se nevytvářejí karbonové usazeniny. Zůstává zachována možnost cestovat na benzin a dvě plné nádrže značně zvětší dojezd vozidla. Nevýhodou jsou zde investice v desítkách tisíc korun za pořízení a schválení zařízení ve vozidle, zmenšení zavazadlového prostoru o palivovou nádrž a nutnost zvýšené opatrnosti při manipulaci a opravách. Auta na propan-butan jsou někdy odmítána v podzemních garážích. Jelikož jezdím pravidelně a v průběhu měsíce podniknu spoustu vzdálenějších tras, mnou vynaložené investice se v podobě úspor vrátili už dvakrát zpět. - 13 -
9. Závěr V minulých desetiletích byl výzkum zaměřen především na čištění výfukových plynů po opuštění motorů instalací katalyzátorů (hlavně tzv. trojcestného) do výfukového systému. Katalyzátory ve vozidlech odstraňují emise chemickou reakcí na povrchu jeho aktivní části - nespálené uhlovodíky se mění na oxid uhličitý, vodní páru a dusík. Dnešní řízené katalyzátory snižují emise NO x o 95%, C x H y o 90%, CO o 80%, zatímco neřízené zhruba o 50% až 70%. Řízené katalyzátory však neredukují emise efektivně za všech podmínek, zejména je-li motor studený. Problém je v tom, že téměř všechny emise jsou emitovány během prvních čtyř kilometrů jízdy. Na této vzdálenosti se odehrává většina jízd ve městech. Předpokládá se, že zhruba čtvrtina jízd je zde tak ukončena dříve než katalyzátor začne optimálně pracovat. Omezení škodlivosti automobilů lze provést zejména snížením rychlostních limitů (snížení o cca 10 km/hod znamená redukci CO 2 o zhruba 2%), odstraněním státní podpory automobilismu zavedením placení externích nákladů, zlepšením technologické úrovně vozidel (emise CO 2 je možné do roku 2005 snížit až o 25%) a změnou dělby přepravní práce ve prospěch veřejné dopravy. V současné době jsou již cesty vedoucí ke snížení emisí ze spalovacích motorů značně probádány a tak se výzkum ubírá i jiným směrem a to směrem alternativních pohonných hmot. Dnes znamá alternativní paliva nejen méně narušují životní prostředí, ale také umožňují i levnější přepravování, neboť jejich zásoby jsou značné a proto jsou i levnější než dnes používané ropné produkty. V současné době se velmi rychle zvyšuje počet vozidel přestavených na pohon LPG, jak soukromých, tak i vozidel dopravních a přepravních společností a to je velmi dobře. Je již možné provádět přestavby i u dieselových motorů což je výhodné zajména pro velké firmy zabývající se přepravou osob i nákladů. V této cestě je nyní třeba pokračovat, neboť ostatní projekty nejsou zatím technicky dotažené do konce. Za základní předpoklady budoucího rozvoje plynofikace dopravy u nás je považováno vybudování dostatečné infrastruktury plnicích stanic, spolupráce s provozovateli benzínových čerpacích stanic, zajištění dostatečných kapacit pro hromadné přestavby vozidel, spolupráce s výrobci vozidel, ale hlavně přijetí tohoto způsobu pohonu veřejností - provozovateli plynových vozidel (ekonomická výhodnost, ekologie...) 10. Literatura [1] HLOBIL, Petr. Účinky dopravy na životní prostředí a zdraví obyvatel v ČR [online]. c1996, poslední revize 06.01.1996 [cit.2001-12-07] Dostupné z : < http://www.ecn.cz/env/doprava/vlivcrcz.htm >. [2] PROKOP Miroslav.Avia na LPG[online]. datum publikování, datum poslední revize - neuvedeno [cit.2001-12-07] Dostupné z :< http://www.vk.program.cz/aviaee.htm >. [4] SMRČKA, Vít. Hledá se náhrada benzínu a nafty [online]. ]. datum publikování,datum poslední revize - neuvedeno [cit.2001-12-07] Dostupné z :< http://www.plyn.cz/vodik.htm >. [5] ŠMÍD, Milan. Montážní a instalační instrukce - VAZ. datum publikování,datum poslední revize - neuvedeno [cit.2004-20-04] Dostupné u :< Autogas-centrum >. - 14 -
Příloha č.1: Přehled používaných paliv Benzin - hovoří pro něj nejnižší pořizovací cena automobilu, nejméně náročný provoz, nejširší možnosti tankování, bezproblémový provoz i v kruté zimě (což negarantují všechna naftová a plynová auta). Dále je to levnější pojištění, servis a opravy v porovnání s vozy jiných pohonů, menší nároky na olej a filtry, obvykle delší servisní intervaly ve srovnání s dieselem, menší a levnější akumulátory ve srovnání s diesely. Auta na benzin nepotřebuje roční revize jako plynová auta a bez větších potíží slouží i motory v horším technickém stavu. Benzin je však nejdražší ze všech paliv, náklady na kilometr jízdy jsou největší a Vyšší je i spotřeba ve srovnání s naftovým autem. Nafta jako palivo vykazuje nižší spotřeba ve srovnání s benzinovým vozem. Nafta je levnější než benzin a motor má nízkou spotřeba i při městském cestování. Proti naftě jako palivu však stojí vyšší pořizovací cena naftového auta, častější pravidelný servis, výměny oleje a filtrů u většiny dieselů a dražší opravy. Propan-butan má náklady na pohonné hmoty ve srovnání s benzinem nižší asi o třetinu. Při jeho použití se prodlužuje životnost motorového oleje, který si déle udržuje potřebné vlastnosti. Motor produkuje čistší výfukové plyny, neboť motory na propan-butan nevylučují dým, prach, saze, oxidy síry, olovo a jiné látky, jako benzin či nafta, a produkují méně oxidu uhelnatého a nespalitelných uhlovodíků. Prodlužuje se také životnost motoru, ve kterém se nevytvářejí karbonové usazeniny. Zůstává zachována možnost cestovat na benzin a dvě plné nádrže značně zvětší dojezd vozidla. Nevýhodou jsou zde investice v desítkách tisíc korun za pořízení a schválení zařízení ve vozidle, zmenšení zavazadlového prostoru o palivovou nádrž a nutnost zvýšené opatrnosti při manipulaci a opravách. Auta na propan-butan jsou někdy odmítána v podzemních garážích. Svítiplyn už dnes patří minulosti, ale dříve byl dost jako palivo pro motorová vozidla rozšířen (viz zde). Zemní plyn jako palivo má nejnižší náklady na kilometr jízdy. Oproti propan-butanu je lehčí než vzduch, a tudíž bezpečnější při provozu a manipulaci. Má lepší startovací vlastnosti při nízkých teplotách, než má propan-butan a také světové zásoby zemního plynu jsou podstatně vyšší než u ropy, na kterou je vázána výroba propan-butanu. Významné je i působení na snížení skleníkového efektu, neboť motory produkují kysličníku uhličitého o zhruba 20 procent ve srovnání s klasickými palivy. Naopak vyšší je investice do pořízení a schválení zařízení ve vozidle (okolo 50tis.korun). Značnou nevýhodou je minimum veřejných čerpacích stanic zemního plynu v zemi. Také zmenšení zavazadlového prostoru o objemnou nádrž - ještě větší než u propan-butanu - a několikaprocentní pokles výkonu ve srovnání s benzinem, a dále menší dojezd (220 až 250 km osobní auta a 450 km autobusy) na poměrně velkou nádrž než ostatní paliva jsou mínusem tohoto pohonu. Vodík považují experti za velice perspektivní pohon aut i zdroj elektřiny a tepla. Místo jeho přímého spalování v motoru, ale předpovídají mnohem větší perspektivu využití vodíku v palivových článcích, které bez emisí produkují elektřinu a zároveň teplo. Některé přední světové firmy, jako například Siemens; již zahájily jejich sériovou výrobu. V USA se sériově začaly vyrábět palivové články o výkonu 200 KW. Stále jsou však značně drahé a pro praktické využití tedy problematické. Situaci může změnit sériová výroba, která se bude asi koncentrovat do rukou několika velkých firem jako o počítačů. - 15 -