Metan z biogazu : nowe paliwo dla pojazdów samochodowych

 

Można go wykorzystać nie tylko do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, ale również do zasilania sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego i jako paliwo samochodowe. Osiągana dzięki temu niezależność energetyczna od paliw kopalnych, ograniczenie emisji zanieczyszczeń i hałasu sprawiają, że paliwo to zyskuje coraz większe znaczenie w strategii paliw odnawialnych.

 

Obecnie w czasach rosnących cen benzyny, oleju napędowego czy LPG oraz nowych dyrektyw Unii Europejskiej dotyczących ochrony środowiska, w tym pakietu energetyczno-klimatycznego UE 3×20 (redukcja o 20% emisji CO₂ i zużycia energii, a wzrost o 20% udziału OZE), coraz większą popularność zyskują samochody z instalacją napędzaną metanem, czyli sprężonym gazem ziemnym (ang. Compressed Natural Gas – CNG). Spowodowane jest to również niższą ceną tego paliwa w porównaniu z benzyną czy olejem napędowym oraz jego wyższą wartością energetyczną i liczbą oktanową.

Metan do zasilania silników samochodowych zwykle pochodzi z gazu ziemnego, ale może być również pozyskiwany z biogazu, produktu fermentacji beztlenowej biomasy, a mianowicie: osadów ściekowych, odchodów zwierzęcych (gnojowicy, obornika), odpadów rolno-spożywczych czy roślin energetycznych (kukurydzy, trawy, buraków cukrowych i innych). Z 1 m³ gnojowicy można uzyskać 20 m³ biogazu, a z 1 m³ obornika 30 m³ biogazu o wartości energetycznej ok. 23 MJ/m³. Powstający w wyniku tego procesu biogaz, mający zasilić silniki samochodowe, musi zostać poddany procesom uzdatniania, które polegają na usunięciu CO₂, wody, H₂S i innych zanieczyszczeń zawartych w surowym biogazie. Wymaganej czystości biogazu zasilającego samochody odpowiadają parametry: minimum 96% metanu i zawartość oparów niższa niż 15mg/Nm³, udział H₂S nie powinien być większy niż 100mg/Nm³, a wielkość cząstek stałych nie może przekraczać 40 mikronów.

W poszczególnych krajach Unii Europejskiej wprowadzane są różne wymogi dotyczące jakości biogazu (CBG) mającego zasilić silnik samochodowy (tab.).

 

Wymagania jakości biogazu zasilającego silniki w wybranych krajach UE

 

Źródło:www.biogasmax.eu

           

Otrzymany w wyniku uzdatniania i następnie sprężania do ciśnienia 20-25 MPa biometan, czyli oczyszczony i uszlachetniony biogaz (CBG – ang. Compressed BioGas) odpowiada jakością i składem chemicznym paliwu, jakim jest gaz ziemny (CNG). Oznacza to, że obydwa te paliwa, gaz ziemny (CNG) i biogaz (CBG), mogą być zamiennie wprowadzane do pojazdów. Biogaz może być też mieszany z gazem ziemnym, co jest jego atutem z punktu widzenia jego transportu.

 

Biogaz (CBG) to paliwo czyste, bezpieczne, odnawialne, a przy jego spalaniu ogranicza się emisję CO₂, zapobiega się zmianom klimatycznym, a to jest korzystne z punktu widzenia ochrony środowiska oraz przyczynia się do ograniczenia smogu w wielkich aglomeracjach miejskich. W porównaniu z olejem napędowym zasilającym pojazdy zastosowanie biometanu ogranicza emisję CO₂ od 75% do 200%. W przypadku zastosowania biopaliw ciekłych, takich jak bioetanol czy biodiesel, ograniczamy emisję CO₂ jedynie o 30-60%. Pojazdy spalające biogaz (CBG) spełniają standardy Euro V oraz normy emisji spalin EEFV (Enhance Environmental Friendly Vehicles) w odniesieniu do pyłu oraz NO_X. Ponadto zasilanie silników biometanem generuje znacznie mniejsze ilości hałasu, biometan spala się całkowicie, nie generując substancji szkodliwych dla zdrowia i nie wydziela sadzy.

Jak wynika z doświadczeńniemieckich czy szwedzkich, biogaz (CBG) jest paliwem tańszym od benzyny lub oleju napędowego. W warunkach polskich jego cena powinna kształtować się na poziomie cen gazu ziemnego (CNG). Wykonany w 2010 r. VII Super Test Ekonomii dla samochodu osobowego zasilanego CNG wykazał, że koszt przejazdu 100 km wyniósł 10,44 zł.

Zasilanie pojazdu paliwem CBG, podobnie jak CNG, gwarantuje większe bezpieczeństwo w czasie jego użytkowania i w czasie wypadku, gdyż istnieje niewielkie ryzyko uszkodzenia zbiornika paliwa, ze względu na jego wytrzymałość (zbiornik ciśnieniowy). W przypadku wypływu gazu następuje redukcja ciśnienia z 20 do 0,1 MPa, której towarzyszy gwałtowny spadek temperatury gazu i pokrywanie małych otworów warstwą lodu, co w znacznym stopniu uniemożliwia wypływ gazu. Do tego należy dodać, że gaz ziemny do stacji tankowania dostarczany jest zwykle za pośrednictwem infrastruktury podziemnej, co eliminuje ryzyko wypadku drogowego z udziałem cysterny oraz uszkodzenia nawierzchni dróg (powstawanie kolein). Przy ewentualnym rozszczelnieniu gazociągu gaz migruje do góry, nie tworzy rozlewów i nie powoduje degradacji środowiska w miejscu uszkodzenia. Dostawy gazu gazociągami trwają nieprzerwanie 24 godziny na dobę.

 

Pojazdy samochodowe napędzane gazem ziemnym (CNG) lub biogazem (CBG) mogą być wyposażone w silniki z zapłonem iskrowym oraz samoczynnym. Mogą być używane zamiennie, gdyż nie wymaga to modyfikacji w budowie silnika. Obydwa paliwa gazowe, dzięki wysokiej kaloryczności, są mniej inwazyjne dla silnika niż inne.

Samochody zasilane gazem ziemnym (CNG) są obecnie produkowane na świecie przez wiele koncernów, takich jak Mercedes, Volvo, Ford, Fiat, Volkswagen, Honda czy Opel. Wieloletnie doświadczenia sprawiły, że układy zasilania gazem są tak samo niezawodne jak tradycyjnymi paliwami płynnymi.

W ostatnich latach potencjał silników gazowych jest z sukcesem demonstrowany na arenie sportowej w rajdach samochodowych. I tak np. w Rajdzie Dakar 2011 brały udział trzy samochody zasilane sprężonym gazem ziemnym (CNG) – dwie Toyoty FJ Cruiser i Toyota Prado, z których dwa ukończyły rajd. Dodać należy, że w przypadku samochodu wyścigowego VW Scirocco, uczestniczącego w wyścigach torowych w ramach DTM, dzięki zasilaniu silnika sprężonym Bio-CNG, ograniczono emisję CO₂ o 80% w stosunku do benzyny. Samochód ten cechował się podczas wyścigu bardzo dużą dynamiką oraz mocą silnika (225 KM).

Pojazdy napędzane CNG/CBG mają również swoje wady, między innymi muszą być wyposażone w stalowe zbiorniki wysokociśnieniowe (do 200 bar) o dużej objętości, które zajmują dużo miejsca i są ciężkie. Alternatywę stanowią zbiorniki kompozytowe, które jednak są znacznie droższe. Poza tym mała gęstość energetyczna gazu pozwala na przejechanie jedynie do 140 km przy pełnym zbiorniku o pojemności 60 litrów. Wysoka cena takiej instalacji (4000-7000 zł), a także mała ilość stacji tankowania CNG (w porównaniu ze stacjami benzynowymi) stanowią również czynnik ograniczający popularyzację tego paliwa. Skutecznym rozwiązaniem są garażowe sprężarki do gazu ziemnego firmy Fuel Maker, jednak obecnie ich cena jest dość wysoka, a czas tankowania pojazdów dość długi (do 8 godzin).

Często spotykane jest rozwiązanie dające możliwość napędzania pojazdów zarówno paliwem gazowym, jak i benzyną. Pojazdy dwupaliwowe (ang. bi-fuels) mogą jeździć na benzynie lub na gazie w zależności od wyboru paliwa. Przykładem tego jest samochód marki Volvo S80 (rys. i fot. 1). Model ten wyposażony jest w pięciocylindrowy silnik o pojemności 2,4 litra typu „bi-fuel”, zasilany CNG, a zbiorniki znajdują się pod nadwoziem. Silnik posiada odrębne systemy paliwowe i automatycznie przełącza się na paliwo benzynowe w momencie wyczerpania się źródła gazu w zbiorniku. Biorąc pod uwagę obecne ceny paliwa, koszty są o 20-60% niższe niż w przypadku silników spalinowych na benzynę, oraz o 20-40% w odniesieniu do silników Diesla. Emisja CO₂ jest mniejsza o ok. 25%.

 

Na świecie używanych jest ok. 7,7 milionów samochodów, 180 tys. autobusów, 144 tys. ciężarówek i 1 milion innych pojazdów napędzanych metanem CNG oraz CBG. Zużywa się 15,4 bilionów Nm³ metanu. Istnieje ok. 13 tys. stacji tankowania (dane z 2008 r.).

W Europie ilość pojazdów zasilanych gazem CBG jest ściśle związana z produkcją biogazu oraz dostępnością infrastruktury sieci tankowania CNG, co możemy obserwować w Niemczech, Włoszech czy w Szwecji.

W Niemczech w związku z dynamicznym rozwojem produkcji biogazu (ok. 3700 biogazowni) i dobrze rozwiniętą siecią stacji tankowania CNG (900 stacji), jest on wykorzystywany w coraz większych ilościach jako paliwo dla pojazdów. W Berlinie znajduje się 11 stacji tankowania paliwa BioCNG (CNG z zawartością 20% biometanu).

W Szwecji biogaz jako paliwo używany jest od lat 90. Liczba pojazdów napędzanych CNG/CBG ciągle rośnie i ma tendencję wzrostową, zwłaszcza wśród pojazdów samochodowych. W 2002 r. było ich 2200, a w 2008 r. już ok. 16 tys. W 2006 r. w Sztokholmie biometanem zasilano 3000 samochodów, 30 autobusów i 30 śmieciarek. Dzisiaj po drogach w Szwecji porusza się ok. 26 tys. pojazdów samochodowych zasilanych zarówno biogazem (CBG), jak i gazem ziemnym (CNG) oraz istnieje ok. 115 publicznych stacji tankowania. Ich budową oraz obsługą zajmuje się szwedzka firma FordonsGas Sverige, która posiada 31 stacji tankowania i osiąga roczną sprzedaż gazu ziemnego oraz oczyszczonego biometanu na poziomie 12 milionów Nm³, przy obrotach w wysokości 9,5 miliona euro. Firma ta jako pierwsza na świecie wprowadziła paliwo oznakowane jako ekologiczne (oficjalny znak ekologiczny „łabędź”). Posiada ono certyfikat całego procesu produkcji, spełnia wymogi wykorzystania biometanu na poziomie co najmniej 30%, ogranicza zużycie energii podczas produkcji i dystrybucji.

Kolejnym przykładem jest Austria, gdzie liczba samochodów z ok. 200 w 2002 r. wzrosła do ok. 4300 w 2008 r. W 2006 r. na terenie Austrii działało ok. 35 stacji CNG, a w lutym 2010 r. ich liczba wzrosła prawie pięciokrotnie i wyniosła 166.

W Polsce biogaz nie jest wykorzystywany jako paliwo transportowe. Produkowany biogaz (155 biogazowni) służy wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej. Nie posiadamy też instalacji do uzdatniania surowego biogazu do jakości CBG i nie produkujemy tego paliwa. Obecnie eksploatowanych jest natomiast ok. 2100 pojazdów CNG i istnieją 33 stacje tankowania CNG, co stwarza pewne możliwości jego wprowadzenia w naszym kraju.

 

Promocja biogazu jako paliwa

Unia Europejska stymuluje kraje członkowskie do zwiększenia wysiłków w zakresie badań nad nowymi technologiami dotyczącymi wykorzystania biogazu jako paliwa. Środki z unijnych i krajowych programów wsparcia dla rozwoju biogazu są przeznaczane między innymi na projekty badawczo-rozwojowe, pilotażowe i promocyjne.

W wielu krajach, w tym i w Polsce, prowadzone są międzynarodowe projekty mające na celu innowacyjne i zrównoważone wykorzystanie paliw metanowych w transporcie, w których uczestniczą różne podmioty: ośrodki naukowo-badawcze, parki technologiczne, agencje rozwoju regionalnego czy samorządy lokalne. Przykładami takich projektów są: MadeGasCar, GasHighWay, BiogasMax, SEBE i inne.

 

Artur Wodołażski, Alina Rejman-Burzyńska, Główny Instytut Górnictwa, Katowice