Gazowe napędy w transporcie publicznym

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

Autobusy miejskie, których „zmierzch” zapowiadano jeszcze niedawno, pozostają jednym z najbardziej popularnych środków komunikacji zbiorowej, głównie z uwagi na stosunkowo niskie koszty zakupu i eksploatacji. Nie wymagają utrzymania skomplikowanej i kosztownej infrastruktury, jak tramwaje czy trolejbusy. Coraz częściej we flotach operatorów miejskich znajdują się pojazdy napędzane niekonwencjonalnie: z wykorzystaniem paliwa gazowego, alkoholu czy hybrydowego układu napędowego.

Gaz ziemny jest paliwem ekologicznym i tanim, w porównaniu do ropopochodnych. Umożliwia pewne uniezależnienie kosztów eksploatacji od ropy naftowej, której ceny są nieprzewidywalne i nie do końca wynikają z zasad wolnego rynku. Ponadto upowszechnianie napędu gazowego bywa określane, chyba słusznie, jako „płynne” przejście do zasilania wodorem.

Jednym z polskich przewoźników o kilkuletnich doświadczeniach w użytkowaniu autobusów miejskich zasilanych CNG jest MPK Rzeszów, które ma pojazdy gazowe od 2004 r. Obecnie jest to największa flota autobusów CNG, licząca 40 pojazdów. Pojazdy miejskie na gaz ziemny są w Rzeszowie stosowane od dość dawna, z przerwą w okresie przemian ustrojowych: w latach 80. XX w. tamtejszy PTHW miał kilkanaście gazowych Żuków i Starów. Taki sposób zasilania jest tam atrakcyjny z uwagi na dostępność złóż gazu pod znacznym ciśnieniem (15 MPa). Znacznie obniża to koszty sprężania do wymaganych 20 MPa.

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

Pomysł przejścia na zasilanie gazem części pojazdów komunikacji miejskiej jest związany z dużą gęstością zaludnienia aglomeracji rzeszowskiej, obejmującej miasto i 8 sąsiednich gmin, które zamieszkuje około 300 tys. osób. Obsługuje ją flota 192 autobusów (w tym wspomnianych 40 zasilanych CNG). W tym roku MPK przewiezie 38 mln pasażerów przy łącznym przebiegu 9960 tys. km.

Pojazdami zasilanymi sprężonym gazem ziemnym zainteresowano się w latach 2000/2001. W tym okresie na polskim rynku nie były jeszcze dostępne autobusy z fabrycznymi silnikami gazowymi, tabor gazowy opierał się na silnikach Raba lub Mielec, adaptowanych do zasilania gazem ziemnym przez wyspecjalizowane firmy. Doświadczenia z eksploatacji tych silników były zróżnicowane i władze MPK Rzeszów nie chciały powielać błędów innych przewoźników. Ponadto w tym okresie zaczęły wchodzić do eksploatacji autobusy niskopodłogowe, a polskie firmy nie oferowały takiego taboru zasilanego CNG. Dlatego „gazyfikację” odwlekano w czasie. Dopiero w 2003 r. nastąpił silny nacisk władz regionu na uruchomienie komunikacji miejskiej w oparciu o autobusy zasilane gazem. Kontakt z Zakładem Gazowniczym w Rzeszowie zaowocował podpisaniem listu intencyjnego w sprawie budowy 3-stanowiskowej stacji sprężania. Określono w nim także cenę gazu,która nie powinna przekraczać 50% ceny oleju napędowego. Na początku przyjęto plan zakupu 5 autobusów z zakładanym rocznym zużyciem około 27 m³ gazu na pojazd. Założenia posłużyły do oceny ekonomicznej przedsięwzięcia. W tym czasie w ofercie Jelcza pojawił się niskopodłogowy autobus gazowy M125M/4, który po pierwszych testach trafił na próbną eksploatację do Rzeszowa. Wcześniej modernizacji poddano 2 Jelcze 120M, które w ramach naprawy głównej w zakładach w Solcu Kujawskim przygotowano do montażu gazowego układu zasilania: wzmocniono kratownicę, w której mocuje się później silnik i grubościenne butle do przechowywania CNG. Montaż zbiorników gazu (10 o łącznej pojemności geometrycznej 675 dm³, co umożliwia zatankowanie 150 m³sprężonego do 20 MPa gazu ziemnego) i silników wykonano w firmie Mielec Diesel Gas. W takiej konfiguracji przy średnim zużyciu 46-48 m³/100 km autobusy osiągały przebiegi około 300 km, co na niektórych liniach było niewystarczające. Dlatego zwiększono pojemność zbiorników o kolejną butlę 80 dm³, co zwiększyło zasięg o 35 km. Autobusy były tankowane z pobliskich odwiertów. Skłoniło to Zakład Gazowniczy do uruchomienia tymczasowej stacji sprężania o wydajności 60 m³/h, która przy zastosowaniu akumulatora ciśnienia, złożonego z 25 butli, umożliwiała zatankowanie dwóch pojazdów w czasie 1-2 godzin w zależności od stopnia napełnienia zbiorników. Stacja była modernizowana w miarę przybywania pojazdów. W 2004 r. uruchomiono nowy obiekt ze sprężarką o wydajności 300 m³/h. Obecną wydajność, 900 m³/h osiągnięto po zamontowaniu drugiej sprężarki. W gazowej flocie MPK Rzeszów znajduje się obecnie 40 autobusów: 2 Jelcze 120M zmodernizowane w 2003 r., 11 Jelczy M125M/4 z lat 2004-2006, 9 Solarisów Urbino z 2006 r. oraz 10 Jelczy M120M/4 z 2006 r. i 8 Jelczy M121M/4 z 2007 r.

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

Głównymi zaletami silników zasilanych gazem ziemnym są bardzo niska emisja toksycznych składników spalin oraz obniżona głośność (o 3 do 7 dB - 3 dB oznacza dwukrotne zmniejszenie odczuwalnego hałasu), co jest niezwykle istotne w ruchu miejskim. Wynika to z zasady działania silników, które pracują wg obiegu Otto (przy zapłonie iskrowym) i charakteryzują się mniejszym przyrostem ciśnienia na oOWK (bardziej miękka praca), co objawia się znacznie mniejszym hałasem. Wbrew powszechnym opiniom gaz ziemny jest również jednym z bezpieczniejszych paliwa silnikowych. W przypadku rozszczelnienia instalacji CNG gaz unosi się do góry nie stwarzając zagrożenia wybuchowego, które jest znikome z uwagi na wąskie granice zapalności: od 5 do 12% zawartości w powietrzu.

Postęp w technologii gazu ziemnego doprowadził do poziomu bliskiego zastosowania w transporcie skroplonego gazu ziemnego LNG. Jest to bardzo ciekawa alternatywa dla sprężonego gazu ziemnego dzięki 580 razy większej gęstości. Umożliwia to zmniejszenie objętości i masy stosowanych w autobusach zbiorników gazu, ułatwiając jego wykorzystanie w transporcie. Skraplanie gazu ziemnego wymaga obniżenia i utrzymywania temperatury poniżej temperatury wrzenia, która dla czystego metanu wynosi -161,2^oC. Gęstość gazu ziemnego wynosi w tym stanie skupienia 425 kg/m³. Wszystkie stosowane obecnie konstrukcje pojazdów wykorzystują LNG tylko do magazynowania paliwa, do silnika gaz jest podawany w postaci odparowanej.

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

Jak utrzymują znawcy tematu, napędy gazowe stanowią ogniwo pośrednie w kierunku wprowadzenia najczystszego z możliwych silników o spalaniu wewnętrznym: zasilanego wodorem i teoretycznie emitującego tylko parę wodną. Prace nad takimi pojazdami są prowadzone od lat, niektóre firmy już je testowały, lecz cały czas nie są to pojazdy seryjne. Za zastosowaniem wodoru jako paliwa silnikowego przemawia jego powszechna dostępność - 92,7% materii we wszechświecie stanowi wodór. Ma on również bardzo dużą wartość opałową około 120 MJ/kg, podczas gdy benzyna tylko 47 MJ/kg. Wodór ma jeszcze inne korzystne właściwości jako paliwo silnikowe, tzn. szerokie granice zapalności (4-75% objętościowo), wymaga niewielkiej energii zapłonu przy stosunkowo dużej temperaturze zapłonu 585^oC. Wykazuje on również duży współczynnik dyfuzji w powietrzu, co ułatwia tworzenie jednorodnych mieszanek. Niestety bardzo mała gęstość (0,0837 kg/m³) powoduje, że odpowiednikiem energetycznym zbiornika oleju napędowego o pojemności 500 dm³ (400 kg ON) jest 8000 dm³ gazowego wodoru lub 2100 dm³ ciekłego wodoru. Często wodór jest przechowywany, szczególnie w zastosowaniach trakcyjnych, w postaci wodorków, związany z różnymi metalami (MeH). Odpowiednikiem 1 kg ON jest 4,5 kg MeH, co daje 1725 kg masy zbiornika równoważnego 400 kg oleju napędowego.

Wodór jest pozyskiwany z gazu ziemnego (48%), ropy naftowej (30%), węgla (18%) i wody (4%). Najtańszymi metodami pozyskiwania wodoru są wytwarzanie z gazu ziemnego i węgla.

Są dwa sposoby wykorzystywania wodoru w transporcie publicznym. Pierwszy z nich promuje firma MAN, polega ona na zasilaniu wodorem klasycznych silników o spalaniu wewnętrznym pracujących wg obiegu Otto. Drugą metodą jest wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem wodoru w ogniwach paliwowych. Wodór w wyniku przejścia przez specjalną powłokę wytwarza różnicę potencjałów niezbędną do zasilania silnika elektrycznego. Ten drugi sposób jest wykorzystywany przez Mercedesa.

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

Na początku czerwca na kongresie UITP w Wiedniu miał światową premierę Mercedes-Benz Citaro FuelCELL Hybrid. Doświadczenia MB w zakresienapędu z wykorzystaniem ogniw paliwowych są bardzo duże, pierwszy na świecie autobus z ogniwami paliwowymi to także dzieło Mercedesa (Nebus z 1997 r.). Od 2003 r. 36 autobusów z ogniwami paliwowymi było testowanych przez 12 przewoźników na 3 kontynentach. Łączny czas eksploatacji wynosił 135 tys. godzin, w czasie których przejechano około 2 mln km. Autobusy Citaro FuelCELL Hybrid niedługo trafią do użytkowników w kilku miastach Europy. Najnowszy pojazd łączy doświadczenia zebrane z eksploatacji ogniw paliwowych i hybrydowych układów napędowych (Citaro G Blue Tec Hybrid). Citaro FuelCELL Hybrid wykorzystuje wiele elementów z tego ostatniego: osie z silnikami w piastach kół, baterie ogniw litowo-jonowych do gromadzenia odzyskiwanej energii hamowania oraz elementy wyposażenia elektrycznego. Zastosowanie odzysku energii hamowania powoduje, że pojazd będzie zużywał znacznie mniej wodoru niż przy „klasycznym” napędzie z wykorzystaniem ogniw paliwowych. Na obecnym etapie rozwoju i technologii wytwarzania wodoru przyczyni się to do ograniczenia emisji przy produkcji tego gazu. Autobus charakteryzuje się zerową emisją, jest przy tym bardzo cichy, co jest idealne z punktu widzenia eksploatacji w centrach miast.

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

W stosunku do wersji wyposażonej wyłącznie w ogniwa paliwowe, zmniejszono liczbę butli do magazynowania wodoru z 9 do 7. Zmiana wynika z konieczności zmniejszenia masy pojazdu w celu pomieszczenia baterii (1 butla to około 100 kg oszczędności). Zastosowano kompozytowe zbiorniki firmy Dynetek, przeznaczone do magazynowania wodoru pod ciśnieniem 35 MPa. W jej ofercie są również butle wodorowe do zastosowań transportowych pracujące pod ciśnieniem 25 i 70 MPa. Ogniwa paliwowe pochodzą z firmy Ballard i mają moc po 150 kW każde.

Co ciekawe, Czesi, także opracowali autobus z ogniwami paliwowymi TriHyBus, będący wynikiem współpracy Skody oraz firm Proton i Linde, przy pomocy rządu czeskiego i finansowym wsparciu środkami z Unii Europejskiej. Pojazd jest zbudowany na bazie autobusu Irisbus Citelis w odmianie 12 metrowej. Zastosowano elektryczny asynchroniczny silnik Skoda o mocy 120 kW, ogniwa paliwowe o mocy 48 kW dostarczyła firma Proton, a zbiorniki do magazynowania oraz zaopatrzenie w wodoru zapewnił dystrybutor gazów Linde. Autobus jest wyposażony w system odzysku energii kinetycznej w czasie hamowania. Jest ona gromadzona w baterii 22 ogniw litowo-jonowych (maks. 100 kW, 26 kWh, 422 V), 4 kondensatorach (17,8 F; maks. 780 V, 200 kW, energia użyteczna 0,32 kWh). Około 20 kg sprężonego do 35 MPa wodoru, służącego do wytwarzania energii w ogniwie paliwowym, jest gromadzone w 4 kompozytowych zbiornikach o łącznej pojemności 820 dm³ (mówi się o zwiększeniu ciśnienia magazynowania wodoru do 70 MPa). Tak wyposażony pojazd ma masę 14 t, przy DMC 18 t i zasięg około 250 km przy zużyciu wodoru 7,5 kg/100 km, co odpowiada około 20 dm³ ON/100 km. Maksymalna prędkość jest określana na 65 km/h, co w ruchu miejskim jest w zupełności wystarczające. Autobus będzie eksploatowany w normalnym ruchu liniowym w firmie Nerabus, należącej do Veolia Transport.

fot. gazeo.plTransport - Technika Motoryzacyjna

Berliński przewoźnik miejski BVG jest użytkownikiem 14 autobusów napędzanych wodorem. Cztery z nich to 4 MAN Lion’s City z wolnossącymi silnikami H2876 UH1 o mocy 150 kW i maksymalnym momencie obrotowym 760 Nm w zakresie 1100-1400 obr/min. Silniki te spełniają z zapasem obecne i przyszłościowe normy emisji spalin. Emisja NO_x wynosi 0,2 g/kWh (Euro 5 dopuszcza 2,0 g/kWh), HC 0,04 g/kWh (Euro 5: 0,46 g/kWh), a cząstek stałych zaledwie 0,005 g/kWh (Euro 5: 0,02 g/kWh). Emisja tlenku węgla jest niemierzalna.

Ponadto 10 autobusów wyposażono w nowsze silniki MAN H2876 LUH01 o mocy 200 kW przy 2200 obr./min i momencie obrotowym około 1000 Nm. Oba silniki mają pojemność skokową 12,8 dm³, mocniejszy jest turbodoładowany z chłodzeniem powietrza doładowującego i ma wtrysk bezpośredni wodoru, dzięki czemu może być zasilany mieszankami ubogimi. Wodór jest gromadzony pod ciśnieniem 35 MPa w 10 butlach o łącznej pojemności 2050 dm³ umieszczonych na dachu.