PANNON LNG Projekt ACTION 1. TANULMÁNY

Átírás

1 UNDER THE CONNECTING EUROPE FACILITY (CEF) - TRANSPORT SECTOR AGREEMENT No. INEA/CEF/TRAN/M2014/ PANNON LNG Projekt ACTION 1. TANULMÁNY 1.1. Fejezet Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorokban, versenyképességi kérdések alakulása Lektorált változat A PAN-LNG Projektet az Európai Bizottság a ConnectingEuropean Facilities eszközén keresztül támogatja. A tanulmány tartalmáért a dokumentum készítői felelnek, az nem feltétlenül tükrözi az Európai Unió véleményét. Sem a CEF, sem az Európai Bizottság nem felel a tanulmányban található adatok felhasználásának következményeiért. Tanulmány készítésének kezdete Tanulmány státusza Lektorált változat Kiadás dátuma Nyilvánossá kerülés dátuma Tanulmányban résztvevők, intézetek Domanovszky Henrik, MGKKE Dr. Emőd István, BME GJT Héjj Demeter, MGKKE Molnár Tamás, MGKKE Dr. Németh Huba, BME GJT Nyerges Ádám, BME GJT Dr. Szalay Zsolt, BME GJT Tanulmányt készítő csoport vezetője Nyerges Ádám PAN-LNG Tanulmánykészítés vezető Domanovszky Henrik Tanulmányt lektorálta Dr. Lakatos István, SZE Gépészmérnöki Kar

2 2 FEJEZET ÖSSZEFOGLALÓ BEMUTATÁSA A tartósan fenntartható mobilizáció vitathatatlan társadalmi cél. Éppen úgy vitathatatlan, mint az energiafogyasztás és a vele járó környezeti terhelések csökkentésének szükségessége. Az utóbbi idők erőfeszítései már jelentős változásokat eredményeztek a közúti közlekedésben manapság általánosan használatos belsőégésű motorok fogyasztását és kipufogógázainak károsanyag-tartalmát illetően. Bár ezen a területen még számos fejlesztési lehetőség kiaknázatlan, a fogyatkozó készletek tükrében felderengett a jelenlegi kőolajalapú gazdaság vége, ami a kőolajból kinyert hajtóanyagok alternatíváinak kutatására kényszerít. A gépjárművek hajtásrendszerének és hajtóanyagának rendkívül sokféle, gyakran ellentétes szempontnak, igénynek, kívánalomnak kell megfelelnie, amelyeket az eddig számba vett megoldások különböző mértékben elégítenek ki. Közülük kiválasztani a legoptimálisabbat csak az elvárt tulajdonságok bizonyos sorrendjének felállításával képzelhető el, ami nemcsak az igények sokfélesége, hanem azok térbeli és időbeli változásai miatt szinte lehetetlen, de legalábbis csak megfelelő fenntartásokkal kezelhető. Manapság több mint millió gépkocsi rója a Föld útjait, miközben feléli a világ olajtermelésének felét. Szaporodásuk üteme mindenkor jóval meghaladta a népesség növekedését óta a személyautók száma évente átlagosan 4,7 %-kal, a tehergépkocsiké és autóbuszoké évi átlag 5,1 %-kal növekszik. A rohamos fejlődés következtében az olajfelhasználás üteme gyorsabban nő, mint a kitermelésé, és a globális és szűkebb környezetre való hatások szintén aggasztóak. A gépjárművek okozta légszennyezés jelentősen hozzájárul a világméretű környezeti gondokhoz. Egyetlen üzemanyag tartálynyi benzinből mintegy 200 kg üvegházhatást fokozó szén-dioxid (CO 2 ) is keletkezhet. Ma már a motorok konstrukcióját és a motorhajtó anyagok összetételét a környezetvédelmi előírások döntően befolyásolják. Az Amerikai Egyesült Államokban a `60-as évek közepén, míg Európában a `70-es évek elején hozták a károsanyag-kibocsátás korlátozására vonatkozó első rendeleteket, amelyek azóta folyamatos szigorításokon esnek át. A manapság használatos modern benzin (Otto)- és dízelmotorok károsanyag-kibocsátása csak töredéke lehet a évvel korábbi elődeikének. Ez összefüggésben áll a fogyasztáscsökkentést eredményező korszerű technikai megoldások alkalmazásával, amelyek segítségével Amerikában csaknem felére, Európában pedig negyedével csökkent az autók átlagfogyasztása az elmúlt 25 évben. ([789]Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) A projekt célja a közúti közlekedés jövőjének a vizsgálata a földgáznak, mint motorhajtóanyagnak a felhasználása szempontjából, és igazolása annak, hogy a CNG és LNG tüzelőanyagként való alkalmazásának van létjogosultsága Európában és Magyarországon ben már az 1 milliárdos lélektani határt is átlépte a gépjárművek száma

3 Az első fejezetben a járművek műszaki oldalával foglalkozunk. Először végigvesszük, hogy milyen megoldásra váró problémák vannak jelenleg a közúti közlekedésben, melyek műszaki jellegű változást igényelnek. Majd áttekintésre és alapos összehasonlításra kerülnek a korszerű járműhajtások és motorhajtó anyagok. Részletesebben bemutatjuk a földgázt, mint tüzelőanyagot, valamint a földgáznak a közúti járművekben felhasználható formáját: a sűrített (CNG) és az cseppfolyósított (LNG) földgázt. Mivel a közlekedésben a földgáz leginkább a belső égésű motorok hajtóanyaga lehet, ezért röviden bemutatásra kerülnek a hagyományos belső égésű motorok is. Áttekintjük a földgázzal üzemeltetett belső égésű motorokat, értékeljük a tulajdonságaikat teljesítményszintjeik szerint csoportosítva. A földgázzal hajtott járművek több szempontból is más üzemeltetési jellemzőkkel rendelkeznek. Fontos ezért megvizsgálni a CNG-s és LNG-s járműveket hatótáv, útvonalra eső tüzelőanyag fogyasztás valamint tüzelőanyag utántölthetőség szempontjából. A gáz halmazállapotú tüzelőanyagok tárolása több ok miatt is problémás, ezért kitérünk a CNG és LNG tartályok problémakörére a hozzátartozó előírásokkal együtt. A földgázhajtás jövője szempontjából fontos lehet más közlekedési szektornak is a földgázigénye. A jövőben a vasúti és a vízi közlekedésben szintén megjelenhet a földgázigény, ennek műszaki feltételei külön fejezetben kerülnek tárgyalásra. Végül összegezzük a földgázhajtás elterjedését segítő és hátráltató motívumokat, majd jármű-műszaki szempontból megállapítjuk, hogy a következő évtizedben milyen mértékű elterjedés várható. A fejezet stílusára és szóhasználatára a gépészmérnöki szemlélet jellemző, így a probléma megközelítése és bizonyos fogalmak használata eltérhet más tudományágakétól. Az alternatív tüzelőanyagok és hajtások összehasonlításánál nagyon fontosnak tartottuk az objektivitást. Mivel a műszaki feltételek mellett még nagyon sok egyéb motívum is szerepet játszik az egyes hajtási módok versenyében, ezért az első fejezetben még nem lehet számszerűsíteni a földgázhajtás jövőbeni elterjedtségét. Az első fejezet fő feladata főként természettudományos szempontból a földgáznak, mint a közlekedésben alkalmazható tüzelőanyag versenyképességének a vizsgálata. 3

4 4 TARTALOM JEGYZÉK FEJEZET ÖSSZEFOGLALÓ BEMUTATÁSA 2 TARTALOM JEGYZÉK Szakirodalom áttekintése és kivonata A közúti közlekedés jelene, emissziós problémák Károsanyagok Üvegházhatást fokozó emisszió Zajemisszió Törvényi korlátozások Alternatív hajtóanyagok és hajtások Hajtóanyagokkal szemben támasztott követelmények Energiaforrások Tüzelőanyagok Villamos energia Fosszilis és megújuló energiahordozók Járműhajtások Belső égésű motoros hajtások Villamos hajtás Hibrid rendszerek Tüzelőanyag cella Tüzelőanyagok és hajtások tulajdonságainak összehasonlítása Energiasűrűség Környezeti hatások értékelése Releváns hajtóanyagok és hajtásrendszerek A földgáz, mint tüzelőanyag tulajdonságai Általános tulajdonságok A földgáz tulajdonságainak a megállapítása A földgáz tárolása a járműben: CNG és LNG A földgáz alkalmazása belső égésű motor üzemeltetésére Mono-fuel földgázmotorok Dual-fuel földgázmotorok Bi-fuel földgázmotorok A földgázüzemű járművek tulajdonságai és üzemeltetése Járműkínálat, járművek felépítése Üzemeltetés költsége, hatótávolság Vizsgálati összefoglaló földgázmotoros buszok emissziós eredményeiről Hibrid földgázmotoros megoldások Földgázmotorok versenyképessége felhasználási mód szerint CNG és LNG tárolása és utántöltése gépjárművekben Gázüzemű járművek biztonságos üzemeltetése és forgalomba helyezése A közúti járművek gázüzemével kapcsolatos forgalomba helyezési és forgalomban tartási műszaki feltételek CNG palackok LNG tartályok A tüzelőanyag utántölthetőség követelményei A CNG és az LNG alkalmazhatósága vasúti és vízi járművekben Földgázhajtású járművekkel kapcsolatos költségek Vásárlás költsége Üzemeltetés költsége Mi várható a jövőben? RÖVIDÍTÉSEK ÉS FOGALMAK MAGYARÁZATA ÁBRAJEGYZÉK MELLÉKLETEK 147

5 Szakirodalom áttekintése és kivonata A források összegyűjtésében köszönettel tartozunk a KTI-nek, és az MGKKE-nek, akik rendelkezésünkre bocsátották a korábban összegyűjtött forrásanyagaikat és új források felkutatásában is aktívan részt vettek. Köszönettel tartozunk a DanubeTruck Kft-nek is, akik nagy segítséget nyújtottak az Iveco modellkínálat emissziós eredményeinek a vizsgálatában, és emellett szakmai kérdésekben is sokat segítettek. Nagyon fontos megérteni, hogy milyen okok miatt van szükség a közlekedésben új tüzelőanyagok és hajtási módok kutatására. Sajnos a probléma összetettsége és a politikaigazdasági vonatkozások miatt nehéz a tisztánlátás a tekintetben, hogy egy adott országban milyen hajtási módot célszerű alkalmazni. Ezért ennek a tanulmánynak, és ezen belül az első fejezetnek a fő célja, hogy részletekbemenően összehasonlítsa a számba vehető megoldásokat. Mivel ebben a fejezetben csak a műszaki-természettudományi háttérrel foglalkozunk, ezért könnyebb lesz objektív véleményt alkotni. A különböző tüzelőanyagok és hajtási módok összehasonlítása után pedig minden lényeges szempontból meg fogjuk vizsgálni a földgázzal hajtott járművek tulajdonságait. Az forrásgyűjtésnél a bevezetésben vázolt témaköröket kutattuk fel. Az első néhány fejezetbe épp azért került egy viszonylag alapos kitekintés, mert pusztán a földgázhajtással kapcsolatos irodalmak elemzése nem eredményezne objektív összehasonlítási alapot. Az alternatív tüzelőanyagok és hajtások kutatása manapság divatos témakör, éppen ezért nagyszámú szakirodalom található hozzájuk. Bár törekvés van rá, mindent átfogó összehasonlítás a témakörben nehezen készíthető, ezért mi is több helyről gyűjtöttük össze az információkat. A belső égésű motoros hajtások összehasonlításához szintén nagyszámú irodalom állt rendelkezésünkre, és itt a hazai szakmai tapasztalat is nagy segítségünkre volt. Az egész közlekedési ágazatnak, és ezen belül a hagyományos járműhajtásoknak szigorú törvényi szabályozásoknak kell megfelelniük. Ezek a szabályozások a jármű forgalomba állításakor és üzemeltetés közben is meg kell felelniük. Az ide vonatkozó rendeletek az ENSZ EGB előírások. A földgáz és a biogáz alapú tüzelőanyagok előnyeire már sok helyen felfigyeltek, és a témában viszonylag sok dokumentum ad hasznos információkat. Itt fontos feladat volt, hogy elkülönítsük a reklámanyagok tartalmát, amelyek sok esetben túloznak, valamint az objektív eredményeket alapuló értékelést, melyek viszont sokszor kevesebb információtartalommal rendelkeznek. A legjobban összehasonlítható eredményeket a járművek típusbizonyítványai adták, és emellett számos nagyon hasznos tudományos publikációt is kiértékeltünk.

6 A földgázmotoros járművek üzemeltetési tapasztalataihoz a leghasznosabb források az egyes szállítmányozással vagy utas szállítással foglalkozó cégek tanulmányai voltak. A vizsgált flotta méretétől függően a pénzügyi eredmények kiértékelésre kerültek. A jogszabályi környezet már felkészült CNG-s és az LNG-s járművek jóváhagyására. Az ide vonatkozó ENSZ EGB előírások részletesen tartalmazzák, hogy a tüzelőanyag ellátó rendszerben milyen alkatrészeknek kell lenniük, és hogy milyen vizsgálatoknak kell őket alávetni. A CNG és az LNG járművekben történő felhasználásának a terjedése miatt a tüzelőanyag tároló edények is fejlődésnek indultak, ebben a témakörben is bemutatunk néhány új fejlesztést. A járművek vételárának az alakulásában figyelembe vettük a különféle hajtásrendszerekkel szerelt járművek jelenlegi árát, valamint azt, hogy a jövőben mely alkatrészek gyártási költsége csökkenhet. Ehhez átnéztük néhány földgázmotoros járműveket is forgalmazó járműgyártó árlistáját. A tanulmány színvonalának az érdekében a fontos tények megállapításánál elsősorban a meglévő járműtechnikai tudományos alapokat és a tudományos cikkek eredményeit vettük figyelembe. A kevésbé objektív tanulmányokban és prezentációkban pedig megmagyarázzuk, hogy az egyes állítások milyen feltételek teljesülésével igazolhatóak. 6

7 A közúti közlekedés jelene, emissziós problémák A motorral hajtott közúti közlekedés körülbelül 130 éves múlttal rendelkezik. Már a XX. század elején nagyon gyorsan elkezdtek terjedni az automobilok. A második világháború után, ahogyan az alsóbb társadalmi rétegek számára is elérhetővé vált az autóvásárlás, a járműipar növekedése töretlen. A növekedést még a 2008-as gazdasági válság se tudta tartósan gátolni. A világ évi járműtermelése rohamosan közelíti az évi 90 millió darab járművet. A járműgyártásnak és járműüzemeltetésnek komoly természeti, gazdasági és társadalmi hatásai vannak. 1. ábra: A világ járműgyártása 1950-től napjainkig ([789] Gas bringing technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) A belső égésű motorral hajtott járművek széleskörű elterjedésével egyre fontosabbá vált a közlekedésnek az élővilágra gyakorolt káros hatása. A probléma legelőször a városokban jelentkezett, ahol a járművek emissziója kis területen fel tudott halmozódni. A 70-es évek elején még egyáltalán nem vonatkoztak előírások a kipufogógázok összetevőire. A városokban élő emberek egészségét nagymértékben rontották a kipufogógázok káros összetevői, emiatt vált szükségessé a törvényi korlátozások bevezetése.

8 8 2. ábra: Az évenkénti legyártott járműszám ([835] Motorization Rate 2013 Worldwide, Organisation Internationale des Constructeurs d'automobiles OICA) A törvényi korlátozások a járművek emisszióját szabályozzák, a cél pedig az imissziónak, azaz a levegő károsanyag tartalmának a csökkentése. A járműegyedek emissziójának a csökkentése azonban nem föltétlen eredményezi a kívánt imissziócsökkentést, ha a bolygónkon a jelenlegihez hasonló mértékben növekszik a járművek darabszáma. A 2. ábrán látható, hogy a forgalomban lévő gépjárművek száma hogyan növekedett a 60-as évek óta. A növekedés rendkívül dinamikus, és a fejlődő országokban várható motorizációs fok robbanás miatt a tendencia várhatóan legalább ilyen dinamikus marad a jövőben. Több jármű nagyobb mértékű levegőszennyezést eredményez, és a jövőnek az egyik fontos kérdése, hogy vajon az emissziós előírások szigorodása mennyire hatékony a járművek darabszámának a nevekedése mellett. 3. ábra: Az értékesített járművek területi megoszlása kontinensenként ([835] Motorization Rate 2013 Worldwide, Organisation Internationale des Constructeurs d'automobiles OICA)

9 A közlekedés környezetterhelése, nemcsak a kipufogógázokban nyilvánul meg. A járműgyártás, a járműüzemeltetés, a hulladékkezelés és az újrahasznosítás mind fontos környezeti externáliával rendelkezik. Mivel a PAN-LNG projekt elsősorban alternatív hajtóanyagokkal és hajtással foglalkozik, ezért ezeket az externáliákat nem elemezzük ki részletesebben Károsanyagok A légkörbe jutó emissziónak a károsanyagok azt a részét képezik, amik az élővilágot közvetlenül károsítják, mérgezik azt. A közlekedésben használatos tüzelőanyagok szénhidrogének. A szénhidrogének tökéletes égésekor csak víz és szén-dioxid keletkezik. A valóságban azonban az égésfolyamatok mindig tökéletlenek, ezért a kipufogógázok egyéb végtermékeket is tartalmaznak. Az égésfolyamatok tökéletlenségének oka, hogy a kémiai folyamatok végbemeneteléhez nagyon rövid idő áll rendelkezésre, valamint reakciókinetikai okok miatt nem is lehetséges, hogy minden molekula oxidációja teljesen végbemenjen. Emellett nagyon fontos szerepe van még annak, hogy a tüzelőanyag szén- és hidrogénatomokon kívül milyen elemeket tartalmaz. Belső égésű motorokban keletkező károsanyagok: - szén-monoxid (CO): színtelen, szagtalan, mérgező gáz. Oxigénhiányos égéskor keletkezik, amikor valamilyen oknál fogva nem tud tovább oxidálódni szén-dioxiddá. Nagyobb mennyiségben belélegezve halált okoz, - elégetlen szénhidrogének (HC): a tüzelőanyagok oxidációja oxigénhiány vagy alacsony lánghőmérséklet miatt megáll. Rengeteg vegyületet jelenthet. Jellemzően nem színtelen, kellemetlen szagú gázok. Belélegezve számtalan betegség okozója lehet, - nitrogén-oxidok (NO x ): nagyon magas lánghőmérsékletnél a levegő nitrogéntartalma is reakcióba lép. Az emberi szervezetet irritáló nagyon mérgező vegyületek. Színük a színtelentől a vöröses-barnáig terjed. Ők okozzák a fotokémiai füstködöt, - szilárd részecskék: az égésfolyamatból származó szilárd részecskéket koromnak hívjuk. Nagyméretű részecskék esetén fekete színű, légúti megbetegedéseket okozhat. A kisméretű részecskék kevésbé láthatók. Felületükön meg tudnak tapadni különböző rákkeltő anyagok. Nagyon kisméretű részecskék ellenállás nélkül át tudnak hatolni a sejtfalon, így bejuttatva a rákkeltő anyagokat az emberi szervezetbe, - kén-dioxid (SO 2 ): a tüzelőanyag kéntartalmából keletkezik. Manapság már a tüzelőanyagok kéntartalma elhanyagolható szintre lett leszorítva. A gáz erősen savas hatású, nagyon káros a természeti és épített környezetre egyaránt. 9

10 Káros anyagok emellett nemcsak a belső égésű motorokban lévő égésfolyamatokból származnak. Környezetterhelést jelentenek még a különböző kopadékok (fék, hajtásrendszer, gumiabroncs, stb.), a különböző kenőanyagok, és a járműüzemeltetésből fakadó hulladékkeletkezés is (beleértve magát a járművet is). Fontos megjegyezni, hogy tárgyilagosan véve, emiatt zéró emissziójú jármű nem létezik. Az életciklus szerinti elemzés (LCA) a járművek gyártási és megsemmisítési folyamatát, környezetterhelését épp úgy figyelembe kell vegye, mint a hajtóanyag előállításával és felhasználásával járó kibocsátást Üvegházhatást fokozó emisszió [790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté Üvegházhatásnak hívjuk azt a jelenséget, mely során a légkör a Földünkre érkező Napenergiát átengedi (a Nap fényének spektrumára átlátszó). A Föld visszaverődő hőmérsékleti sugárzását viszont nem engedi át, számára átlátszatlan. Az üvegházhatásnak fontos szerepe van bolygónk hőháztartásában. Üvegházhatást okozó gázok: - vízgőz, - szén-dioxid, - metán, - nitrogén-dioxid, - fluorozott üvegházhatású gázok (mesterséges gázok). Amennyiben a fentiekben felsorolt gázok mennyisége növekszik a légkörben, akkor a légkör átlaghőmérséklete növekedő tendenciát mutat. Az utóbbi évtizedekben a légkör átlaghőmérsékletének folyamatos növekedése tapasztalható, ami éghajlatváltozást vonhat maga után. Ezt hívják globális felmelegedésnek. Bolygónk vízháztartásának megváltozása beláthatatlan következményekkel járhat az élővilág számára. Fontos megjegyezni, hogy az összefüggés az emberi tevékenység és a globális felmelegedés között nem egyértelműen bizonyított. Az éghajlatkutatók feladatát nagyban nehezíti, hogy az éghajlattal kapcsolatos mérési eredményeink alig több mint 100 évre nyúlnak vissza, a hosszú távú folyamatok vizsgálatához pedig ez nagyon kevés. Mivel nem tudjuk az emberi tevékenység pontos hatását a Föld ökoszisztémájára ezért nagyon fontos, hogy a lehetséges következmények valószínűségét minimalizáljuk. Az emberi tevékenység elsősorban a szén-dioxid kibocsátással járul hozzá az üvegházhatáshoz. Nagyon 10

11 fontos rövidtávú cél, hogy az ipar és a közlekedés szén-dioxid kibocsátását lehetőségeink szerint minimalizáljuk. Az Európai Unió Fehér könyve [833] (Útiterv az egységes európai közlekedési térség megvalósításához Úton egy versenyképes és erőforrás-hatékony közlekedési rendszer felé) is megfogalmazza a jövőbeli célt: A fehér könyv a közlekedés előtt álló problémákkal kapcsolatban fő célként a kőolajimporttól való függőség csökkentését és a CO 2 kibocsátás csökkentését célozza meg. Az EU közlekedési szektorának CO 2 kibocsátási szintjét 2050-re 60%-kal kívánják csökkenteni. A cél eléréséhez az egyik fontos út az új, alternatív hajtóanyagok és járműhajtások kutatása Zajemisszió A környezetbe kerülő kémiai anyagokon kívül a közlekedés másik fontos negatív externáliája a zajszennyezés. A zajterhelés az élővilág számára káros hatású, bár a mértéke nem olyan súlyos, mint a kémiai károsanyagoknak. A zajemissziót sok szempont alapján lehet elemezni: a zaj erőssége, spektruma, folytonossága vagy gyakorisága alapján. A közlekedésben a technikai fejlődésnek a csökkenő zajemissziót is fontos célnak kell tartania az élővilág védelme érdekében Törvényi korlátozások A fejezet az [791] ENSZ EGB R049-es előírásokon alapszik. A valós emissziós eredményekkel kapcsolatos megállapítások az alábbi forrásokon alapulnak: [754] A methodology to estimate real-world vehicle fuel use and emissions based on certification cycle data, Gonc alo O. Duartea, Gonc alo A. Gonc alvesa, Tiago L. Fariasa [755] Analyzing on-road emissions of light-duty vehicles with Portable Emission Measurement Systems (PEMS), European Commission Joint Research Centre Institute for Energy [756] An Assessment of Emissions from Light-Duty Vehicle susing PEMS and Chassis Dynamometer Testing, SAE International - John May, Dirk Bosteels, and Cecile Favre AECC [757] Have the Diesels reached their sell by date?, Peter Els & Colin Pawsey [758] On-Road Testing and PEMS Data Analysis for two Euro 6 Diesel Vehicles, J. May1*, C. Favre1, D. Bosteels1, J. Andersson2, D. Clarke2 and M. Heaney2 [759] Emissions of Euro 3-5 Passenger Cars Measured Over Different Driving Cycles, International Scholarly and Scientific Research & Innovation7(6) 11

12 [760] REAL-WORLD EXHAUST EMISSIONS FROM MODERN DIESEL CARS, White Paper- Vicente Franco, Francisco Posada Sánchez, John German, and Peter Mock A járműgyártás célja elsősorban a gyártók számára a profitszerzés. Az korábban bemutatott szabványos mérési eljárásoknak pedig az egyik fontos célja, hogy könnyen megismételhetőek legyenek. Emiatt a mérési körülmények nagyon pontosan definiálva vannak, a mérési ciklus túlságosan specifikus. Ez azzal jár együtt, hogy a járműgyártók a járművek műszaki paramétereit igyekeznek úgy hangolni, hogy a törvényileg előírt mérési ciklusban a jármű megfelelő eredményeketadjon a típusbizonyítvány megszerzéséhez. Ma már oly mértékben szigorúak a törvényi korlátozások, hogy gyakorlatilag ezek adják a tervezendő járművek (vagy hajtásrendszerek) fő tervezési céljait. Ha viszont a szabványos mérési ciklus nem jól közelíti a valós viszonyokat, akkor nagymértékű eltérések adódhatnak a laboratóriumi mérések és a valós használat között. 3,5 tonna alatti közúti járművek esetén az NEDC menetciklus használata kötelező. Ezt a menetciklust 1970-ben vezették be, azóta mindössze az országúti szakasszal való kiegészítése hozott változást. A menetciklus készítésének idejében az akkori járművek teljesítményszintjéhez igazodott. A mai járművek teljesítménye a többszörösére nőtt a 70-es évek óta, az NEDC menetciklus teljesítésekor a névleges teljesítményüknek csak a töredékét használják fel. A belső égésű motor tüzelőanyag fogyasztása és emissziója így csak nagyon kis terhelésen kerül értékelésre. Természetesen a járműgyártók erre a szakaszra optimalizálják modelljeiket, melyek így a valós használati körülmények között teljesen más eredményeket adnak. Ezért tapasztalható, hogy manapság a gyártó által (az NEDC alapján) megadott fogyasztási értékeknél rendszerint sokkal nagyobb a valós tüzelőanyag fogyasztás. A probléma lényegében mindenki számára ismert, az utóbbi években mégsem történt előrelépés. Az NEDC cikluson kívül már léteznek a valós körülményeket sokkal jobban közelítő ciklusok is, jelenleg azonban még mindig az NEDC alapján állítják ki a típusbizonyítványt. A közelmúlt jelentős eseménye, mely a projekt szempontjából is fontos, a dízelbotrány. Hordozható emissziómérő berendezéssel közúton végzett mérések során jelentős eltéréseket mutattak ki az NEDC menetciklussal mért eredményekhez képest. A korszerű, közvetlen befecskendezésű benzin- és főleg dízelmotoroknál a NO x emisszió a legnehezebben kezelhető károsanyag. A NO x -ok keletkezése az égési csúcshőmérséklettel arányosan növekszik, azaz nagyobb terhelés nagyobb NO x emissziót eredményez. Az NEDC menetciklus emiatt nem tud jellemző eredményt adni egy jármű NO x kibocsátásáról. A valós körülmények között mérhető emisszió minden összetevő esetén magasabb, mint az NEDC ciklus alatt mérhető érték, de közülük a NO x és a CO 2 kibocsátás lépi át jelentősen a törvényileg szabályozott határértéket. Ezekről adnak információt a 6. és a 7. ábrák. A CO 2 kibocsátás mind benzin-, mind dízelmotorok esetén jelentősen meghaladja a határértéket (nincs jelölve a diagramon, mivel 12

13 a határérték nem egy adott járműre, hanem a gyártó flottájára vonatkozik). A NO x emisszió dízelmotorral szerelt járművek esetén akár tízszerese is lehet a határértéknek ábra: Az NEDC menetciklus ([759] Emissions of Euro 3-5 PassengerCarsMeasured Over DifferentDrivingCycles, International Scholarly and Scientific Research & Innovation7(6)) 5. ábra: A WHTC menetciklus ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) A 3,5 tonna feletti össztömegű járművekre más menetciklusok vonatkoznak. A járművek tömegeinek közötti nagy szórás miatt ezeknél a járműveknél csak a belső égésű motort

14 (túlnyomórészt dízelmotor) vizsgálják motorfékpadon. Korábban az ESC és az ETC menetciklus volt érvényben, ma már a WHTC és a WHSC menetciklus alkalmazását írja elő a törvény. Ezek a ciklusok sokkal jobban közelítik a valós körülményeket, ezért a haszonjárművek laboratóriumban mért fogyasztása és emissziója közelebb van a valósághoz. A szigorodó emissziós előírások miatt egyre komplikáltabb károsanyag csökkentő berendezéseket kell a járművekbe beépíteni, amit természetesen a jármű árában a vásárló fizet meg. Haszonjárművek és buszok esetében elsősorban dízelmotorokról beszélünk. Dízelmotoroknál a NO x és a szilárd részecske emisszió együttes csökkentése nehéz feladat, a jövőben a szigorodó előírások miatt a dízelmotoros járművek árának növekedése várható. Az egyes károsanyagokkal kapcsolatos problémák és tendenciák: [733] A policy-relevant summary of black carbon climate science and appropriate emission control strategies, ICCT 14 [734] Discrepancies between type- approval and real-world fuel- consumption and CO 2 values, ICCT; Peter Mock, John German, Anup Bandivadekar, Iddo Riemersma [735] NO X control technologies for Euro 6 Diesel passenger cars, Liuhanzi Yang, Vicente Franco, Alex Campestrini, John German, and Peter Mock [736] Real-world exhaust emissions from modern Diesel cars, Vicente Franco, Francisco Posada Sánchez, John German, and Peter Mock [737] Short-term diesel exhaust inhalation in a controlled human crossover study is associated with changes in DNA methylation of circulating mononuclear cells in asthmatics, Ruiwei Jiang, Meaghan J Jones, Francesco Sava, Michael S Kobor, Christopher Carlsten [738] In-Use Emissions Testing of Light-Duty Diesel Vehicles in the United States, CAFEE, Center for Alternative Fuels, Engines and Emissions - CO 2 emisszió és tüzelőanyag fogyasztás: a két mennyiség arányban van egymással, mivel a tüzelőanyag karbon tartalmából keletkezik az égés során a CO 2. 3,5 tonna össztömeg alatti járművek esetén az NEDC menetciklus elavultsága miatt a valós kibocsátás jelentősen magasabb a határértéknél. A jármű öregedésével az alkatrészek kopása miatt kis mértékben növekedhet, de ez nem jelentős. - CO emisszió: tökéletlen égéskor keletkezik. Katalizátorokkal is jó hatásfokkal csökkenthető a mennyisége, a valós kibocsátás sem jelentős. A katalizátor öregedésével a mennyisége növekszik, ezt hivatott korlátozni az időszakos műszaki felülvizsgálat.

15 Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorban, versenyképességi kérdések - HC emisszió: szintén a tökéletlen égés terméke, de ide tartozik a járműből például a tömítetlenségből fakadó kenőolaj szivárgás is. A kipufogógáz HC tartalma katalizátorokkal szintén jó hatásfokkal csökkenthető, hasonló elven a CO emisszióhoz. A katalizátor öregedésével szintén növekszik a mennyisége. - NO x emisszió: a teljes légköri NO x szennyezésben a közlekedésnek nagy szerepe van, kezelése nehézkes, mivel épp jó minőségű égésfolyamatok kedveznek a keletkezésének (tipikusan közvetlen befecskendezésű benzin- és dízelmotoroknál). Többféle eljárással lehet csökkenteni a mennyiségét, viszont mindegyik megoldás költséges. A leghatékonyabbnak jelenleg az SCR katalizátorok számítanak, viszont ezek jelentősebb többletköltséget és üzemeltetési problémát okoznak. Mennyisége szintén a katalizátorok öregedésével nő. - Szilárd részecske emisszió: elsősorban dízelmotorokra jellemző. Keletkezése a NO x emisszióval kontraproduktív, ami komoly kihívást jelent a dízelmotorok fejlesztésében. Mennyiségét csökkenteni EGR rendszerekkel és részecskeszűrőkkel lehet, mindkét megoldásnál jelentkezhetnek üzemeltetési problémák. Fontos megkülönböztetni a szilárd részecskéket méretük szerint, ugyanis más típusú kárt okoznak az élővilágban. Mennyisége rosszul karbantartott járműveknél jelentős lehet.

16 16 6. ábra: Benzinmotoros személygépjárművek emissziója többféle menetciklusban és valós körülmények között ([756] An Assessment of EmissionsfromLight-DutyVehiclesusing PEMS and ChassisDynamometer Testing, SAE International - John May, DirkBosteels, and CecileFavre AECC)

17 17 7. ábra: Dízelmotoros személygépjárművek emissziója többféle menetciklusban és valós körülmények között ([756] An Assessment of EmissionsfromLight-DutyVehiclesusing PEMS and ChassisDynamometer Testing, SAE International - John May, DirkBosteels, and CecileFavre AECC)

18 Hajtóanyagokkal szemben támasztott követelmények [789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt A belsőégésű motorral hajtott közúti járművek üzemanyagainak több követelménynek kell megfelelniük: - nagy energiasűrűség, - könnyű kezelhetőség, - szilárd vagy folyékony égéstermékek nélkül égjen, - időben és térben elegendő mennyiségben álljon rendelkezésre, - ne legyen emberre és természetre akut károsodást előidéző hatása, égésterméke, - alkalmazása ne vezessen meteorológiai vagy klimatikus változásokhoz. A ma alkalmazott üzemanyagok, a benzin és a gázolaj az első három feltételt ugyan teljesen kielégítik, sőt a jelenlegi helyzetben részben a 4. pontot is teljesítik, de emellett egyre nagyobb jelentőséget kell tulajdonítanunk az utolsó két környezetvédelmi feltételnek is. Ebből adódóan az autóiparnak és a gépkocsik felhasználóinak számos fontos részterületen még szigorúbb követelményeknek kell megfelelniük. Ezek túlnyomóan ökológiai és gazdasági jellegűek, amelyekben hangsúlyeltolódás figyelhető meg az elmúlt időszakhoz képest. A legfontosabbak: - zajcsökkentés, - károsanyag-kibocsátás csökkentése, - atmoszférába jutó CO 2 csökkentése, - függetlenség a kőolajtól, Alternatív hajtóanyagok és hajtások - függetlenség a fosszilis energiahordozóktól. Ezek közül több ponton jelentős javulást sikerült már elérni. Különösen szép példa erre a modern technikai megoldásokkal (szegénykeverékes, réteges töltés, közvetlen befecskendezés, katalizátorok) a fogyasztáscsökkentéssel párhuzamosan megvalósított CO, HC és NO x emissziók csökkentése az elmúlt néhány évben. Becslések szerint Németországban 2005-ig a személygépkocsik nitrogén-oxid (NO x )kibocsátása a `80-as évek értékének negyede lesz, a szénhidrogének (HC) emissziója a `70-es évekének hatodára esik vissza. Mindenképpen meg kell jegyeznünk azonban, hogy az előírások (és az eredmények többsége is) csak a motor egy szűk működési tartományára vonatkoznak igaz, ebben üzemel leggyakrabban a gépkocsi. Hidegindításkor, nagy fordulatszámon és terhelésen

19 viszont egyelőre szabályozatlan a károsanyag-kibocsátás, és ezekben az üzemállapotokban jóval nagyobbak az emissziós értékek ábra: A környezetbarát hajtásrendszerek fejlődése ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) 9. ábra: A járművekkel szemben támasztott követelmények ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) A gépjárművekben felhasználható ideális üzemanyagok és hajtási módok tulajdonságai tehát a következőkben foglalhatjuk össze: - Járműre és motorra vonatkozóak: o fizikai és kémiai tulajdonságok szűk határok között legyenek, o gyulladási és kopogási hajlam kívánt tartományba essen, o Otto-motorok esetében elegendően magas gőznyomás a hidegindításhoz,

20 Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorban, versenyképességi kérdések o az üzemanyag és égéstermékei ne okozzanak káros lerakódásokat a keverékképző berendezésben, az égéstérben és a kipufogóban, o ne tartalmazzon a katalizátorra káros összetevőket, o csekély igények a motortechnika iránt (pl.: kis befecskendezési nyomás), o tiszta égés, a kipufogógáz egyszerű kezelésével is elérhetőek legyenek az előírt károsanyag-emissziós (NO x, CO, HC) értékek, o magas energiasűrűség, o ne lépjen fel energiaveszteség használaton kívüli járműnél se, o csekély agresszió a motor és az üzemanyag-ellátórendszer anyagaival szemben, o kielégítő kenési tulajdonságok, o összeférhető legyen a kenőolajjal. - Kezelhetőségre és biztonságra vonatkozóak: o tárolhatóság és szállíthatóság normál-hőmérsékleten és nyomáson, o laikusok számára is veszély nélkül kezelhető legyen, o kis gőznyomás a párolgásból adódó veszteségek elkerülésére, o csekély hajlam robbanásveszélyes keverékek képzésére kezeléskor és baleset esetén egyaránt, o a jármű korlátozás nélküli elhelyezhetősége zárt parkolókban, parkolóházakban. - Gazdaságosságra vonatkozóak: o csekély, de legalább hosszútávon kalkulálható költségek, o világszerte rendelkezésre álljon, illetve legalább kiterjedt töltőállomás hálózaton keresztül hozzáférhető legyen a mennyiségileg jelentős járműpiacokon, o alapanyaga nagy mennyiségben álljon rendelkezésre a világ különböző régióiban. - Emberre való hatásokra vonatkozóak: o ne legyen toxikus, o ne legyen karcinogén, o ne váltson ki allergiát, o ne legyen narkotikus, o ne legyen maró hatású, o ne legyen kellemetlen szaga, o könnyen ki- és lemosható legyen. - Környezeti hatásokra vonatkozóak:

21 o előállításkor csekély emisszió, o a kipufogógáz csekély fotokémiai potenciálja (csekély mértékben járuljon hozzá a szmog- és ózonképződéshez), o ne bocsásson ki olyan kémiai elemeket, amelyek a természetes levegőben nem fordulnak elő, o nem szándékos környezetbe jutásakor se károsítsa a talajt, a vizeket, a levegőt, o ne legyen üvegházhatást fokozó, o biológiailag könnyen bontható legyen. Az említett követelmények részben ellentmondásban állnak egymással. Egyértelmű, hogy nincs olyan anyag, amely minden kritériumnak ugyanolyan módon képes megfelelni. A ma széleskörűen elterjedt üzemanyagok, a benzin és a gázolaj sok követelményt képesek kielégíteni, de a környezeti, gazdasági viszonyok folyamatos változásával bizonyos hangsúlyeltolódások mindig megfigyelhetők az igények között. A következőkben a járművek hajtására alkalmazható egyéb lehetőségeket mutatom be röviden. Alternatív energiaforrásnak tekinthetők azok az anyagok, amelyek újrakeletkező (regeneratív) forrásokból fosszilis energiahordozók nélkül nyerhetők, de ide sorolhatók azok a tüzelőanyagok is, amelyek a benzintől és a gázolajtól különböznek, bár nagy részük ugyancsak fosszilis anyagokból kerül ki. Azt mondhatjuk, hogy ezeket az anyagokat környezetvédelmi és gazdasági szempontok hozzák előtérbe Energiaforrások [790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté A közlekedésben, ha csak a járművet vesszük figyelembe, akkor kétféle energiaforrást használunk: tüzelőanyagokat vagy villamos energiát. Ezeket energiahordozóknak és hajtóanyagoknak is szokás nevezni. Mindkettőt valamilyen primer energiaforrásból kell előállítani Tüzelőanyagok A különféle tüzelőanyagok mindig is az egyik legfontosabb energiaforrások voltak az emberiség számára. Az összes tüzelőanyag nagy előnye, hogy nagy energiasűrűségűek és hogy nagyon gyorsan nagy energiamennyiség kinyerhető belőlük. A kapott hőenergiát csak akkor lehet felhasználni, ha valamilyen módon kontrollálni tudjuk az égésfolyamatot. A különféle tüzelőanyagok tulajdonságai alapvetően befolyásolják a velük megvalósítható égésfolyamatot. A kémiai összetétel mellett a tüzelőanyag halmazállapota a legfontosabb tulajdonság, melynek a közlekedésben használatos hajtásokra alapvető hatása van. A tüzelőanyagokból felszabadítható hőmennyiséget többféleképpen is értelmezhetjük, ezáltal értékelhetjük a tüzelőanyag fűtőértékét és égéshőjét (vagy másképpen: alsó és felső 21

22 fűtőértékét). Mivel a belső égésű motorokban a gyors égésfolyamatok miatt nincs idő a vízgőz kicsapódásából kapható energiát felhasználni, ezért ebben a tanulmányban a tüzelőanyagok fűtőértékét (alsó fűtőértékét) fogjuk vizsgálni. A tüzelőanyagok alsó és felső fűtőértékei a mellékletben megtalálhatók. A tüzelőanyagok elégetésével villamos energiát is elő szoktak állítani. A következőkben halmazállapot szerint csoportosítjuk a tüzelőanyagokat. Mivel a közlekedésben tüzelőanyagokkal szinte csak belső égésű motorokat hajtanak, ezért a vizsgálatoknál ez lesz a fő szempont. Szilárd halmazállapotú tüzelőanyagok: A szilárd halmazállapotú tüzelőanyagok leggyakrabban kőszén (esetleg fa) alapúak. Közös jellemzőjük, hogy az égésük során keletkező füst sokkal több károsanyagot tartalmaz, mint a folyékony és a gázhalmazállapotú tüzelőanyagok égéstermékei. A probléma oka, hogy szilárd halmazállapotú tüzelőanyag párolgása elhanyagolhatóan kicsi. Az égés a tüzelőanyag térfogatában történik, az égés minőségét nagyban meghatározza a szilárd tüzelőanyag mérete és belsejének levegővel való átjárhatósága. Gyors és kellően tiszta égésfolyamat nem hozható létre szilárd halmazállapotú tüzelőanyaggal. A közlekedésben nem használatos (csak a gőzgépekben használták), még nem készült olyan belső égésű motor, ami szilárd halmazállapotú tüzelőanyaggal működött volna. Szilárd halmazállapotú tüzelőanyagokkal villamos áramot is elő lehet állítani például szénerőművekben. Mivel ilyenkor is hőerőgépek szolgálnak az energiaátalakításra, ezért az átalakítás hatásfoka hasonló a belső égésű motorokéhoz. Folyékony halmazállapotú tüzelőanyagok A folyékony tüzelőanyagok használata a legelterjedtebb ma a közlekedésben. Ezt három fontos előnyének köszönheti: - gyors, és viszonylag tiszta égésfolyamat valósítható meg velük, - egyszerű és olcsó tartályokban környezeti nyomáson tárolhatók és utántölthetők, - nagy energiasűrűségük van. A legtisztább égésfolyamatot gáz halmazállapotú tüzelőanyagok égése során kapjuk, mivel a gáz halmazállapotú tüzelőanyagok keverednek leggyorsabban a levegővel. Az illékony, de környezeti körülmények között folyékony tüzelőanyagok égésének a tisztasága megközelítheti a gázokét. 22

23 Gáz halmazállapotú tüzelőanyagok 23 Mint ahogyan a korábban is említésre került, a gáz halmazállapotú tüzelőanyagok égése a legtisztább, mivel a levegővel való keveredésük a leggyorsabb. A gáz halmazállapotú tüzelőanyagok tárolása jelenti a velük kapcsolatos problémát. A gázok térfogatra vonatkoztatott energiasűrűsége kicsi, ezért célszerű őket összesűríteni vagy cseppfolyósítani (esetleg elnyeletni valamilyen szilárd halmazállapotú anyagban). Mindkét műveletnek energiaigénye van, és mindkét tárolási mód esetén drágább palackra vagy tartályra van szükség, mint folyadékok esetén. Ráadásul az utántöltésük is nehezebb Villamos energia Az elektromossággal működő gépek legnagyobb előnye, hogy nem termelnek égéstermékeket. Az elektromos áramot viszont valahol elő kell állítani, ami az előállítása helyén pedig jelentős környezetterheléstokozhat. A villamos gépek alkalmazhatóságának a legfontosabb korlátja a villamos energia tárolhatósága. Jelenleg a villamos energia csak jóval kisebb energiasűrűséggel tárolható (mind tömegre és mind térfogatra vonatkoztatva), mint a legtöbb tüzelőanyag energiasűrűsége. A közlekedésben ez meghatározza az adott jármű hatótávolságát. Mivel az elektromos áram jó hatásfokkal könnyedén eljuttatható nagy távolságokra, ezért a villamos gépek akkor rendelkeznek nagy előnnyel, ha a villamos energiát nem kell a villamos géppel együtt tárolni. További nagy előnye a villamos gépeknek, hogy működésük nem jár olyan mértékű hőtermeléssel, mint például a tüzelőanyagok égetése. Ez a villamos gépek jó hatásfokának egyik fő oka Fosszilis és megújuló energiahordozók Az emberi tevékenységek környezetterhelése szempontjából nagyon fontos ez a csoportosítás. A fosszilis (vagy más néven nem megújuló) energiahordozók fő tulajdonsága, hogy a készleteink végesek belőlük, azaz nem biztosítják az emberiség számára a fenntartható fejlődést. A fő előnyük, ami miatt mindmáig főként fosszilis energiahordozókból biztosítjuk az energiaigényünket, az a fosszilis energiahordozók ára. A nem megújuló energiahordozók a Föld mélyéről bányászhatók, vagy nyerhetők ki, és ezek a primer energiahordozók sokszor szinte rögtön, vagy egy alacsonyabb költségű feldolgozás után felhasználhatóvá válnak. Nem megújuló energiahordozók: - kőolaj (jelenleg a közlekedés fő energiaforrása), - földgáz, - kőszén, - radioaktív energiahordozók.

24 A fosszilis energiahordozókkal kivétel nélkül hőenergiát állítunk elő, aminek a további felhasználása már változó. A hőfejlesztés szempontjából megkülönböztetjük a tüzelőanyagokat, melyek oxidáció során alakulnak át égéstermékekké, és megkülönböztetjük az atomenergia forrását, mely során maghasadással következik be az energia felszabadulása. A tüzelőanyagok alkalmazása az égéstermékek miatt súlyosan szennyezi a légkört. Az atomenergia környezetkárosító hatása lényegesen kisebb, viszont a sugárszennyezés kockázata nagyon súlyos. Kizárólag megújuló energiaforrások használatával a fenntartható fejlődés megoldható lenne. A legfontosabb megújuló energiaforrások: - napenergia, - szélenergia, - vízenergia, - geotermikus energia, - biomassza, - növényi alapú tüzelőanyagok. A megújuló energiaforrások használatával sok esetben közvetlenül villamos energiát állítunk elő. Ezeknek a megújuló energiaforrások légköri szennyezése minimális (napenergia, szélenergia, vízenergia). Viszont jellemzően ezekből az energiaforrásokból nehezen állítható elő nagy teljesítmény, általában geográfiai problémák miatt. A biomasszával és a növényi alapú tüzelőanyagokkal hőenergiát lehet előállítani, így a jövőben ezekkel lehet majd a legkönnyebben pótolni a fosszilis tüzelőanyagokat. A megújuló energiaforrások rendszerint lényegesen drágábbak, mint a fosszilis energiahordozók. 24

25 ábra: Jármű hajtóanyagok és alapanyagjaik ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Commission) Járműhajtások Ebben a fejezetben megismerkedhetünk a hagyományos és az alternatív járműhajtásokkal. A csoportosítás elnevezése nem mutatja a téma fontosságát: a hagyományos járműhajtások rendelkeznek olyan nehezen megoldható problémákkal, amelyeket alternatív hajtásrendszerekkel lehet megoldani. Az alternatív megoldások keresésének a fő célja manapság a környezetszennyezés csökkentése. Ez a cél a jövőben a járművek számának várható robbanásszerű növekedése miatt egyre szigorúbb lesz. Az alternatív hajtóanyagok és járműhajtások a nem is túl távoli jövőben már nem is lesznek alternatívak! Az elavult (például külső égésű motor), vagy éppen a nagyon ritka (például bolygódugattyús motor) hajtásrendszerek nem kerülnek tárgyalásra. A fejezet végén összefoglalásként átnézzük, hogy az egyes közlekedési célokra mely járműhajtás a legmegfelelőbb választás Belső égésű motoros hajtások A közúti közlekedésben az utóbbi 100 évben és még ma is a belső égésű motorok alkalmazása egyeduralkodó. A belső égésű motorok kevés tulajdonságukban kiemelkedően alkalmasak a járművek hajtására, elterjedtségüket annak köszönhetik, hogy minden szempontot figyelembe véve mindmáig az egyik, ha nem a legjobb optimumnak számítanak. Működési elvük szerint többféleképpen csoportosíthatjuk a belső égésű motorokat. Egy hengernek a főtengely fordulataira eső munkavégzési ütemek száma alapján megkülönböztetünk 2 és 4 ütemű motorokat. A közúti közlekedésben szinte kizárólag 4 ütemű motorok használatosak. A hengerben lezajló termodinamikai körfolyamat és az

26 égésfolyamat típusa alapján megkülönböztetünk Otto- és dízelmotorokat. Ezen kívül csoportosíthatjuk a belső égésű motorokat aszerint, hogy valamilyen külső áramlástani géppel megnöveljük-e a hengerbe jutó közeg nyomását, ebből a szempontból megkülönböztethetünk szívó- és feltöltéses motorokat. A korszerű belső égésű motorok ma már mind feltöltött motorok. Belső égésű motorok előnyei: - kipróbált, megbízható technika, a nagy gyártási volumen miatt alacsony gyártási költségek, - a hozzájuk alkalmazható tüzelőanyagok nagy teljesítménysűrűségűek, így nagy hatótáv érhető el, - tüzelőanyagok gyors utántölthetősége. A belső égésű motorokkal kapcsolatos problémák: - viszonylag alacsony effektív hatásfok (a primer energiahordozó munkavégzéssé konvertálásának hatásfoka): Otto motoroknál a maximális hatásfok 35-40%, dízelmotoroknál 40-45%. Részterhelésen a hatásfokuk jelentősen lecsökken, - rendkívül sok alkatrészből álló bonyolult gépek, - kipufogógázok üvegházhatást fokozó és az élővilágra káros összetevői, - zajos működés, - nagy fordulatszámon alacsony nyomatékkal üzemelnek, emiatt bonyolult hajtásrendszerek beépítését igénylik a járműbe, - minimális stabil fordulatszámuk van. Az Otto motorokat más néven szikragyújtású motoroknak is nevezik. Az elnevezés az égésfolyamat elindításának a módjából ered. Az Otto motorokban a hengerbe a tüzelőanyag és a levegő keveréke kerül (akár a hengeren kívüli, akár a hengeren belüli, közvetlen befecskendezéssel). Az égésfolyamat beindítása előtt a hengerben lévő keverék homogén vagy közel homogén elegyet alkot. Az égésfolyamatot valamilyen külső hatás, legtöbbször egy elektromos szikra indítja be. Az égésfolyamat lángfront terjedéssel megy végbe a gyulladás helyétől az égéstér faláig. Az ilyen típusú égésfolyamatnak a tüzelőanyaggal szemben támasztott követelménye, hogy az égés a magas hőmérséklet és a nagy nyomás hatására ne induljon be, azaz öngyulladás ne következzen be. Ezt hívjuk a tüzelőanyag kompressziótűrésének és a tüzelőanyag oktánszámával jellemezzük. Otto motorokban az öngyulladásos égés rendellenes égésfolyamat, mely gyors tönkremenetelt okoz a motor szerkezeti elemeiben. 26

27 A dízelmotorok nem igényelnek külső gyújtórendszereket. A hengerbe kizárólag levegő kerül. A keverékképzés a hengerbe történő közvetlen befecskendezéssel történik. Az égésfolyamat kezdete előtt a hengerben lévő tüzelőanyag-levegő keverék inhomogén elegyet alkot. A hengerben fennálló magas hőmérséklet és nagy nyomás hatására a tüzelőanyag önmagától meggyullad. Az égésfolyamat kezdetének az időpontját a befecskendezés időpontjával lehet meghatározni. A dízelmotorok égésfolyamatának a tüzelőanyaggal szemben támasztott követelménye, hogy az öngyulladás könnyen bekövetkezzen. Ennek mértékét jellemzik a tüzelőanyag cetánszámával. A dízelmotorok rendszerint hosszú szénláncokkal rendelkező szénhidrogénekkel működnek. Ezek a tüzelőanyagok folyékony halmazállapotban kerülnek az égéstérbe. A befecskendezés során apró cseppekre bomlanak, és a cseppek felületén történő párolgás határozza meg az égésfolyamat lefutását. A dízelmotoroknál nincsen az Otto motorokhoz hasonló rendellenes égésfolyamat, ebből a szempontból a működésük sokkal robusztusabb. A dízelmotorok égésterében viszont sokkal nagyobb nyomáscsúcsok alakulnak ki, emiatt a dízelmotorok mechanikai terhelése sokkal nagyobb az Otto motorokénál. A dízelmotorok mindig sokkal nehezebbek és robosztusabb felépítésűek, mint az Otto motorok. Az égésfolyamat típusa alapvetően meghatározza a belső égésű motor nyomatékleadását és emisszióját. Hagyományos tüzelőanyagok A közúti közlekedésben lévő belső égésű motoros hajtások ma túlnyomórészt kőolaj alapú folyékony tüzelőanyagokkal üzemelnek: benzinnel és gázolajjal. Benzinnel az Otto motorok, gázolajjal a dízelmotorok üzemeltethetők. A benzin jellemzői: - sűrűsége: kg/m 3, - alsó fűtőértéke: ~43MJ/kg. A benzinmotorok általános jellemzői: - sztöchiometrikus vagy kis mértékben szegény tüzelőanyag-levegő keverékkel üzemelnek, - a keverékképzés a szívócsatornában, vagy korszerűbb konstrukciónál a hengerben történik, - a homogén keverék égése miatt a jellemző károsanyagok: szén-monoxid, elégetlen szénhidrogének, nitrogén-oxidok, - a kipufogógáz károsanyagtartalma viszonylag olcsón és jó hatásfokkal kezelhető hármas hatású katalizátorral, 27

28 Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorban, versenyképességi kérdések - fajlagos fogyasztása és szén-dioxid kibocsátása magasabb a dízelmotorénál, - nyomatékszegényebb a dízelmotornál, viszont magasabb fordulatszámot lehet vele megvalósítani. A gázolaj jellemzői: - sűrűsége: kg/m 3, - alsó fűtőértéke: ~43MJ/kg. A dízelmotorok általános jellemzői: - mindig szegény keverékes üzemmódban működnek, - a keverékképzés a hengerben történik, a keverékképzés és az égésfolyamat itt lényegében azonos folyamat (közvetlen befecskendezés öngyulladással), - alacsonyabb szén-dioxid kibocsátás és fajlagos fogyasztás a benzinmotorokhoz képest (a jobb effektív hatásfok miatt), - az inhomogén keverékképzés miatt a következő károsanyagok keletkezése jellemző: szén-monoxid, elégetlen szénhidrogének, nitrogén-oxidok, szilárd részecskék, - a szén-monoxid és az elégetlen szénhidrogének oxidációs katalizátorokkal olcsón és jó hatásfokkal kezelhetők, - a nitrogén-oxidok nehezen kezelhető károsanyagok. Mennyiségüket az égésfolyamat módosításával (például kipufogógáz visszavezetéssel) vagy kipufogógáz utókezeléssel lehet. Kipufogógáz utókezelés kétféle módon lehetséges: NO x tároló katalizátorral vagy SCR katalizátorral. Mindkét megoldás üzemeltetése újabb problémákat szül. A DeNO x katalizátorok regenerálást igényelnek, az SCR katalizátorok pedig csak segédanyaggal (AdBlue) működnek, - a szilárd részecskék szintén nehezen kezelhető károsanyagok. Mennyiségüket részecskeszűrővel (DPF) lehet csökkenteni, viszont ezek is igényelnek regenerációt, - alacsonyabb fordulatszámon üzemelnek a benzinmotorokhoz képest, viszont nyomatékosabbak, a karakterisztikájuk ideális haszongépjárművekhez.

29 Alternatív tüzelőanyagok 29 A benzinnel és a gázolajjal működő belső égésű motorok sok problémáját ki lehet küszöbölni valamilyen alternatív tüzelőanyaggal történő üzemeltetéssel. Ebben a fejezetben röviden bemutatásra kerülnek a főbb alternatívák. Részletesebb tulajdonságok megtalálhatók a feltűntetett hivatkozásokban. Benzin helyettesítésére alkalmazható alternatív tüzelőanyagok: - LPG (liquifiedpetrolgasolin): fő összetevői a propán és a bután. A földgáz tisztításakor melléktermékként kapható, vagy kőolajból állítják elő, tehát fosszilis tüzelőanyag. Néhány bar nyomáson cseppfolyósítható, a tárolása és az utántöltése is ilyen formában történik. Hátránya, hogy drágább, mint a földgáz alapú tüzelőanyagok, és kevés is van belőle. Mivel normál környezeti körülmények között gáz halmazállapotú, ezért tisztább az égése, mint a benzinnek. - földgáz: elsődleges fosszilis energiahordozó, túlnyomórészt metánt tartalmaz. Normál környezeti körülmények között gáz halmazállapotú, ezért tiszta az égése. Sűrítve (CNG) és cseppfolyósítva (LNG) is tárolható. Mivel ez a tüzelőanyag a projekt fő tárgya, ezért a következő fejezetekben több szempontból is tárgyalásra kerül. - hidrogén: főként fosszilis energiahordozókból (földgáz, kőolaj) állítják elő. Nagyon tiszta az égése, mivel nincs széntartalma, ezért szén-dioxid kibocsátása nincs. Legtöbbször nagy nyomáson tárolják. - biometanol, bioetanol: növényi alapanyagokból állítható elő, viszont az előállítás költsége magas. Folyékony tüzelőanyag, azaz a tárolása kevésbé problémás. Magasabb az oktánszáma a benzinénél. A vízzel korlátlanul elegyedik, ami a tartály és az egyéb szerkezeti elemek korróziójához vezethet. - biogáz: növényi eredetű alapanyagokból vagy bármilyen szerves hulladékból előállítható főként metánt tartalmazó gáz. Az PAN-LNG projekt szempontjából fontos tüzelőanyag, mivel helyettesítheti a földgázt. Emiatt a PAN-LNG projekt egy teljes fejezetben foglalkozik a biogázzal kapcsolatos kérdésekkel. Gázolaj helyettesítésére alkalmazható alternatív tüzelőanyag: - biodízel: növényi eredetű alapanyagokból, azaz megújuló energiaforrásból előállítható tüzelőanyag. A gázolajhoz hasonló tulajdonságú biodízel előállítása több

30 problémába is ütköző feladat. Leggyakrabban használt fajtája a repceolaj-metilészter (RME). Külön csoportban megemlítendőek a szintetikus motorhajtóanyagok. Valamilyen szerves alapanyagból a Fischer-Tropsch eljárással vagy szintetizálással lehet szintetikus tüzelőanyagokat előállítani. A szintetikus tüzelőanyagok használata a közúti közlekedésben nincs elterjedve, ezért részletesebben nem is foglalkozunk vele Villamos hajtás A belső égésű motorok legjobb alternatívája mindig is a villamos hajtás volt. Tisztán villamos meghajtásnál a jármű hajtását villamos motorok végzik, az ehhez szükséges elektromos energiát pedig a járműben kell tárolni. Villamos motor típusok: - korábban egyenáramú motorok, - váltóáramú motorok (aszinkron motorok vagy állandó gerjesztésű szinkron motorok). Elektromos energia tárolása: - akkumulátorokban: az elektródáknak anyaga szerint sokféle fajtája megkülönböztethető. Közös tulajdonságuk, hogy a tüzelőanyagokhoz képest mind a tömegre, mint a térfogatra vonatkoztatott teljesítménysűrűségük alacsony, - kapacitív energiatárolás szuperkondenzátorokkal: gyors tölthetőség és kisüthetőség jellemzi őket, viszont csak kevés energia tárolható bennük. Tisztán villamos hajtás előnyei: - a járműből nem távozik kipufogógáz, azaz égésfolyamatból származó károsanyagot nem bocsájtanak ki, - a jármű lokális CO 2 kibocsátása nulla, - a zajemisszió alacsonyabb a belső égésű motorral hajtott járművekhez képest, - összességében lokálisan környezetbarát, - a villamos gépek hatásfoka lényegesen magasabb a belső égésű motorokhoz képest. Munkaponttól függően az elektromos motor hatásfoka 60-95% (a szekunder energiahordozóból a munkavégzés konvertálásának hatásfoka), - a villamos gépeknek nincs minimális működési fordulatszáma, - a villamos gépeknek alacsonyabb fordulatszámon nagy a nyomatéka, emiatt egyszerűbb erőátviteli rendszerekkel lehet a hajtást továbbítani a kerekekhez, 30

31 Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorban, versenyképességi kérdések - fékezéskor a mozgási energia egy része generátor funkcióval felhasználható az akkumulátorok töltésére, - nagyobb tervezési szabadság a járművek konstrukciós kialakításában, lehetőség nyílik például a kerékagymotorok alkalmazására. 11. ábra: Egy elektromos motor hatásfok jellegmezője ([836] Batterie Elektrische Fahrzeuge in der Praxis, Univ.-Prof. Dr.techn. Bernhard Geringer, Dr. Werner K. Tober, Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, Technische Universität Wien) Tisztán villamos hajtás hátrányai, problémái: - a belső égésű motorokhoz képestkisebb hatótáv lényegesen nagyobb tömeg mellett, ezért elsősorban az akkumulátorok kis teljesítménysűrűsége a felelős, - a töltési folyamat hosszú ideig tart és természetesen energiaveszteséggel jár([836] Batterie Elektrische Fahrzeuge in der Praxis, Univ.-Prof. Dr.techn. Bernhard Geringer, Dr. Werner K. Tober, Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, Technische Universität Wien), Mitsubishi Miev mérési eredményei alapján: o töltési hatásfok: ~94%, o konverter/inverter hatásfok: 83-91%, o akkumulátor energia leadásának a hatásfoka: 88-95%, o akkumulátortöltő vesztesége: ~17,5%, o kábel veszteségek, - az akkumulátorok alapanyagai drágák, mennyiségük véges, a járműben a tömegük jelentős,

32 - akkumulátorok korlátozott élettartama, állapotuk folyamatos felügyeletet igényel, - szűk hőmérsékletablak, - az akkumulátorok ára és a kis gyártási volumen miatt a járművek is túl drágák, - gyártás és megsemmisítés rendkívül jelentős környezetszennyezése, - az elektromos energia forrásának a kérdése: miből és hogyan állítjuk elő, milyen környezeti hatásai vannak? Hibrid rendszerek A hibrid hajtási mód valamilyen két vagy több különböző hajtási mód kombinálását jelenti. A kombinálás célja a jobb összhatásfok elérése, a különböző hajtási módok előnyeinek a jobb kihasználása. A közúti közlekedésben kevés kivételtől eltekintve a villamos meghajtást szokták kombinálni a belső égésű motorokkal. A hajtási elrendezés módjától függően a hibrid rendszerek sokfélék lehetnek. A lényeges eltérés az egyes módokban, hogy a villamos gép és a belső égésű motor milyen arányban vesz részt a jármű mozgatásában. Hibrid hajtások előnyei (belső égésű motor és villamos gép kombinálása): - a belső égésű motor üzemtartománya a jobb hatásfokú tartomány felé tolható el, - a közvetlen villamos hajtás vagy a villamos rásegítés miatt a belső égésű motort eleve alacsony emissziójúra lehet tervezni, emellett bármilyen környezeti szempontból kedvezőbb alternatív tüzelőanyaggal működő belső égésű motor is alkalmazható, - a fékezési energiát el lehet tárolni az akkumulátorban, - a villamos gépekkel könnyebb a jármű elindítása és a belső égésű motornak sem kell egy minimális fordulatszámon üzemelnie, - nem szükséges olyan nagy kapacitású és drága akkumulátor, mint tisztán elektromos hajtás esetén. Hibrid hajtásrendszer hátránya a komplikált és drága technológia, amely rendszerint extra súlyt jelent a járműben Tüzelőanyag cella A tüzelőanyag cellában a kémiailag kötött energiát (tüzelőanyag) lehet átalakítani elektromos energiává. Működési elve a galváneleméhez hasonló, azzal a különbséggel, hogy az áramtermelő folyamatban részt vevő anyagokat folyamatosan bevezetik a tüzelőanyagcellába, a végtermékeket pedig folyton elvezetik. 32

33 A tüzelőanyag cella működéséhez két bemeneti anyagra van szükség: tüzelőanyagra és oxidálószerre. A reaktánsokat elektrolit választja el, amely csak bizonyos ionokat enged át. Emiatt a két elektróda között ionáram jön létre, azaz elektromos áramot termelünk. A tüzelőanyag lehet: hidrogén, szén-monoxid, metán. Az oxidálószer lehet: oxigén, levegő, szén-dioxid. A tüzelőanyag cellának a belső égésű motorokhoz képest magas a hatásfoka, 60-65% körül alakul. A járműben azonban számításba kell venni a tüzelőanyag cellához kapcsolt villamos gépek hatásfokát is. Tüzelőanyagcellás hajtás előnyei: - elektromos energiával üzemeltethető a jármű, és kisebb kapacitású akkumulátorok alkalmazása elegendő a hajtásláncban, - a tüzelőanyag cella jó hatásfoka, - a tüzelőanyag cella nem termel káros anyagokat, - a villanymotoros hajtás emissziómentes. Tüzelőanyag cellás hajtás hátrányai: - a tüzelőanyag cella nagyon drága gyártási költsége (drága alapanyagok), - az akkumulátorok töltési-kisütési vesztesége, inverter/konverter veszteségei, - hőmérséklet ablak, - a membránok nagyon érzékenyek az energiahordozók tisztaságára, - nem hosszútávon stabilan bizonyított technika Tüzelőanyagok és hajtások tulajdonságainak összehasonlítása [790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté Energiasűrűség A korábbi fejezetben már többször értékelésre kerültek az egyes tüzelőanyagok vagy az akkumulátorok energiasűrűség szempontjából. Kétféle energiasűrűségről szokás beszélni: a tömegre, és a térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségről. Mindkét mennyiség fontos jelentéstartalommal bír. Fontos az ismerete például a tüzelőanyagok árának az összehasonlításánál is. Bizonyos tüzelőanyagoknak az árát térfogatra (pl. benzin vagy gázolaj), más tüzelőanyagokat pedig tömeg alapján áraznak (például a CNG). A tömegre vonatkoztatott energiasűrűség tüzelőanyagok esetében maga a fűtőérték. Fontos megemlíteni, hogy a belső égésű motoroknál a fűtőérték helyett az égéshőt szokták alkalmazni, ami kis mértékben mindig kisebb. A tömegre vonatkoztatott energiasűrűség a 33

34 tárolás szempontjából fontos. Minél kisebb a fűtőérték, annál nagyobb tömeget kell elhelyezni azonos energiamennyiség esetén a járműbe, ami minden szempontból kedvezőtlen tulajdonság. A járműben elhelyezendő szükséges energiamennyiséget a megkívánt hatótáv határozza meg. A térfogatra vonatkoztatott energiasűrűség szintén nagyon fontos a járművek esetén. Minél kisebb az értéke, annál nagyobb helyet foglalnak az energia tárolására szolgáló alkatrészek. Mivel egy járműben a rendelkezésre álló hely is erősen korlátozott, ezért a térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségnek is célszerű nagynak lennie. Az egyes tüzelőanyagok és akkumulátorok energiasűrűsége a 12. ábrán látható ábra: Tüzelőanyagok és akkumulátorok energiasűrűsége ([790] alapján - Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté) Megfigyelhető, hogy a tüzelőanyagok energiasűrűsége mind tömegre, mind térfogatra vonatkoztatva sokkal nagyobb az akkumulátorokénál. A tüzelőanyagok energiasűrűségei között jól megfigyelhető a folyadékok és a gázok közötti különbség. A gázok térfogatra vonatkoztatott energiasűrűsége nagymértékben függ a nyomástól. A hidrogén tömegre vonatkoztatott energiasűrűsége a legnagyobb, viszont a térfogra vonatkoztatott energiasűrűség még cseppfolyósított állapotában sem nagy. A tömegre vonatkoztatott energiasűrűség szempontjából a következő sorrend állapítható meg: - hidrogén,

35 - földgáz, - LPG, - gázolaj, - benzin, - alkoholok, - akkumulátorok ábra: Tüzelőanyagok energiasűrűsége ([790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté) A folyékony tüzelőanyagok térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségekedvezőbb más energiahordozókénál. Az LPG és az LNG energiasűrűsége (25,3 MJ/l) csak megközelíteni tudja a benzin és a gázolaj (35,8 MJ/l) értékét, de így is 29 %-kal alacsonyabb. 14. ábra: Tüzelőanyagok energiasűrűségei a befoglaló tartállyal együtt ([790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté)

36 A gyakorlatban a vizsgálatokhoz nem elegendő pusztán a tüzelőanyag energiasűrűségének a vizsgálata, hanem hozzá kell számolni az azt tároló palackot, tartályt vagy bármilyen más edényt is (14. ábra). Ezeknek a tömegét mindenképp hozzá kell számolni az energiasűrűséghez, hiszen ezek nélkül nem tárolható a hajtóanyag. Például nagy nyomáson tárolt gázoknál a nyomásálló tartályok nagy tömege meghatározza az energiasűrűséget Környezeti hatások értékelése [862] JEC WTW study Version 4a - oil based fuels and CNG [863] JEC WTW study Version 4a - Biogas and Synthetic Methane [864] JEC WTW study Version 4a - Electricity [865] JEC WTW study Version 4a - Hydrogen by thermal processes [866] JEC WTW study Version 4a - Hydrogen via electrolysis [869] WELL-TO-WHEELS Appendix 1 - Version 4.a - Summary of WTW Energy and GHG balances [870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS Well-to-wheel hatásfok A well-to-wheel hatásfok (röviden: WTW) azt fejezi ki, hogy milyen hatásfokkal lehet a primer energiahordozóból az energiát a jármű mozgási energiájává átalakítani. Ezzel a hatásfokkal lehetővé válik a közlekedésben használatos összes hajtási mód egy objektív műszaki szempontból történő összehasonlíthatósága. A WTW hatásfok figyelembe veszi: - a fosszilis energiahordozók kinyerésének és feldolgozásának a hatásfokát, - a megújuló energiaforrások előállításának a hatásfokát, - az energiahordozók szállításának a hatásfokát, - az energiahordozók átalakításának a hatásfokát, - a járműben történő felhasználásnak a hatásfokát. A 15. ábrán egy blokkvázlatban láthatjuk a WTW hatásfok összetevőit. Az ábrán fel vannak tűntetve az egyes műveletekhez tartozó közelítően jellemző hatásfokok is.

37 ábra: Néhány hajtásrendszer WTW hatásfokának az értelmezése ([839] Automobil Revue 2001) A WTW hatásfok egy másik értelmezése, hogy mennyi energiára van szükség egy bizonyos távolság megtételéhez. Mivel a WTW hatásfok minden elemének számtalan módja van, ezért a WTW hatásfok meghatározása hatalmas feladat, nem is kívánkozunk ebben a tanulmányban minden részletre kiterjedő vizsgálatot bemutatni. Tanulmányunkban egy 2014-es publikáció alapján állítottuk össze az egyes hajtási módok WTW hatásfokára vonatkozó irányadó megállapításokat. Itt a WTW hatásfok úgy van megadva, hogy 100-km út megtételéhez mennyi MJ-ban kifejezett energiára van szükség. A publikáció nagyon részletesen figyelembe veszi az összes energiahordozónak az összes beszerzési helyét és átalakítási módját. A tanulmány szempontjából nagyon hasznos információ, hogy 2020 utánra is bemutatja az egyes közlekedési módok várható WTW hatásfokát is. A fő összehasonlítási alap mindig a hagyományos benzin- és dízelmotoros hajtás. A tüzelőanyag kinyerése a kőolajból egy jó hatásfokú művelet, és általánosságban kijelenthető, hogy a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása mindig jó hatásfokkal rendelkezik (80-90%). A hagyományos hajtásrendszerek WTW hatásfokában a kedvezőtlenebb eredményeket a járműben történő felhasználás adja, a belsőégésű motoros hajtásrendszerek összhatásfoka 30 % alatt marad. A 16. ábrán megvizsgálhatjuk, hogy a hagyományos tüzelőanyagokkal és a sűrített földgázzal (CNG) működő hajtásrendszerek WTW energiaigénye között mi a különbség. A ([870] WELL-

38 TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission) tanulmány alapján a CNG WTW energiaigénye magasabb a benzin- és dízelmotoros hajtásoknál, viszont a különbség 2020 utánra lényegében minimálisra csökken. Fontos az is, hogy a diagramban lévő összes hajtási változat WTW energiája negyedével csökken a következő évtizedre ábra: A hagyományos és a földgázmotoros hajtásrendszerek WTW energiaigénye ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission) Az alternatív hajtási módokkal kapcsolatos WTW megállapítások: - az elektromos hajtású járművek hatásfoka magasabb a belső égésű motorokénál, viszont az elektromos áram forrása már jelentősen ronthatja a hajtási mód WTW hatásfokát, - a megújuló energiaforrásokból történő tüzelőanyag vagy elektromos áram előállítás rendszerint rossz hatásfokú (20-40%), - a szintetikus tüzelőanyagok előállítása szintén rossz hatásfokú. A 17. ábrán a Shell egy összehasonlítása látható, ahol a szívócső befecskendezéses benzinmotorokat vették bázisul. A dízelmotorok WTW hatásfoka jobb, mint a benzin- és a

39 CNG motoroké. A kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel felszerelt (földgáz-benzin) bi-fuel motorok WTW hatásfoka rosszabb, a tisztán földgázzal működő motorok WTW hatásfoka némileg jobb a hagyományos benzinmotorénál ábra: A hagyományos, hibrid és földgázmotoros hajtások WTW tüzelőanyag fogyasztása egy európai (JRC), valamint egy amerikai (GREET) vizsgálat összehasonlításának eredményeként ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) A WTW hatásfokokról a probléma összetettsége miatt ebben a tanulmányban lehetetlen pontos számadatokkal alátámasztott rangsort állítani a hajtásrendszerekről. A különböző hajtási módok WTW hatásfokának ismerete segíti az objektív gondolkodást. Legfőbb példája ennek, hogy az elektromos járműveket nagyon jó hatásfokú járműveknek tartjuk, de nem szabad az elemzésből kihagyni, hogy az elektromosság hogyan lett előállítva. Ugyanígy érvényes a tüzelőanyag cellás járművekre is, hogy bár a jármű hatásfoka kedvező, a hidrogén előállítása nagy energiaigényű művelet. Az üvegházhatást okozó gázemisszióval foglalkozó fejezetben még visszatérünk a WTW hatásfokok kiértékelésére. A WTW hatásfok két részre bontható: - well-to-tank hatásfok (WTT): a hajtóanyag előállítása és a járműbe juttatása, - tank-to-wheel hatásfok (TTW): a jármű hatásfoka. A WTT hatásfokok és energiaigény vizsgálata egy későbbi alfejezet feladata lesz. A járműműszaki tulajdonságokhoz viszont a TTW hatásfokok vizsgálata hozzátartozik. Tank-to-wheel hatásfok Az egyes járműhajtási módok bemutatásánál már több esetben is említésre kerültek a hajtási módok hatásfokai. Ha a WTW hatásfokból csak azt a részt vesszük figyelembe, hogy a járműben a hajtóanyag milyen hatásfokkal alakítható át a jármű mozgási energiájává, akkor a tank-to-wheel (TTW) hatásfokról beszélünk. Megemlítendő, hogy well-to-tank hatásfok is, mely az energiahordozónak a járműbe történő betöltéséig fejezi ki a műveletek hatásfokát. Ezzel a hatásfokkal a tanulmány egy későbbi alfejezete fog foglalkozni, ahol részletesen bemutatásra kerülnek a tüzelőanyagok előállításai is. Összefoglalva az egyes járműhajtási módoknál leírtakat:

40 - a belsőégésű motoros hajtások hatásfokának maximuma 40%, átlagosan 20-25%, - az villanymotoros hajtások hatásfokának maximuma 80% körül van, átlagosan 40-60% (akkumulátor energia leadás, villanymotor, hajtásrendszer), - a tüzelőanyag cellás hajtás rendszerek hatásfoka 40-50% körül mozog (tüzelőanyag cella, akkumulátor energia leadása, villanymotor, hajtásrendszer). A TTW hatásfok szempontjából tehát a villamos gépek és a tüzelőanyag cella ideálisabb választás a járműhajtásra. A velük kapcsolatos egyéb problémákat viszont már korábban kitárgyaltuk ábra: A benzinmotoros, az LPG motoros és a földgázmotoros hajtáslánc TTW energiaigénye ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission) A belső égésű motorok összehasonlítása: - a dízelmotorok TTW hatásfoka jobb az Otto motorokénál, bár az emissziós határértékek teljesítése érdekében az elmúlt években a dízelmotorok hatásfoka csökkent, - a mai földgázmotorok TTW hatásfoka elmarad a dízelmotorokétól és jellemzően a benzinmotorokéval egyezik, (18. ábra). - a földgázmotorok WTW hatásfokának fejlesztése előtt még nagyon jelentős potenciál van, főként a közvetlen befúvásnak köszönhetően, a mono-fuel motorok nem csak meg fogják haladni a benzinmotorokét, de a dízelek szintjére javulhatnak.

41 Üvegházhatású gáz emisszió 41 A tanulmány elején, a közlekedés környezeti hatásainál már bemutattuk az üvegházhatást, és az azt okozó gázokat. Kifejtettük azt is, hogy korlátozni kell az emberi tevékenységek által a légkörbe juttatott üvegházhatást okozó gázok mennyiségét. Az angol greenhousegas alapján az üvegházhatást fokozó emissziót GHG emissziónak szokás nevezni. Ez magába foglalja az összes üvegházhatást okozó gázemissziót. A WTW hatásfok értelmezése alapján meghatározható az egyes közlekedési módok WTW GHG emissziója is. Ez azt jelenti, hogy az adott energiaforrás kinyeréséből, feldolgozásából, szállításából és közlekedésben történő felhasználásából egy összesített GHG emissziót számolunk. Így a WTW hatásfokhoz hasonlóan egy újabb objektív összehasonlításra alkalmas mennyiséget kaptunk a különböző közlekedésben használatos hajtásrendszerekre. A WTW GHG emisszió szokásos mértékegysége a g/100km, és mivel a szén-dioxid a legfontosabb üvegházhatást okozó gáz, ezért elsősorban arra szokták vonatkoztatni. A WTW GHG emisszióhoz hasonlóan TTW GHG emissziót is lehet vizsgálni. Az alábbiakban néhány forrás alapján összehasonlítjuk az egyes tüzelőanyagokkal vagy elektromossággal hajtott járművek GHG emisszióját. 19. ábra: Hajtóanyagok WTW GHG emissziója a WTW energiaigény függvényében ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission)

42 A 19. ábrán egy a különféle tüzelőanyagokat összehasonlító diagram látható. A WTW energiaigény függvényében van ábrázolva az adott tüzelőanyag GHG emissziója. A benzin- és dízelmotoros hajtás WTW hatásfoka kedvezőbb a tüzelőanyagok nagy többségénél, viszont a GHG emisszió közel a legnagyobb. A legtöbb alternatív tüzelőanyag WTW hatásfoka rosszabb, viszont a GHG emisszió jobb. Különösen igaz ez a megújuló energiaforrásokból származó tüzelőanyagokra, amelyeknek az előállítási energiaigénye magas, viszont a GHG emissziója nagyon alacsony. Egyes tüzelőanyagok előállítása GHG emisszió elnyeléssel jár, mint például a sűrített biogázé (CBG). A sűrített földgáz WTW hatásfoka nagyobb szórást mutat a konvencionális hajtási módokhoz képest, de körülbelül azonos értéket mutat azzal. A GHG emissziója azonban egyértelműen alacsonyabb. A földgáz túlnyomórészt metánt tartalmaz, ami fajlagosan kevesebb szenet és több hidrogént tartalmaz a többi szénhidrogénhez képest. A 20. ábrán megtekinthető, hogy a tüzelőanyagok elégetésével milyen mértékben növekszik a GHG emisszió. A gázolaj elégetésekor több mint 25%-kal több üvegházhatást okozó gáz keletkezik, mint a metán égésekor ábra: Tüzelőanyagok TTW GHG emissziója ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) A 21. és a 22. ábrán többféle hajtási módnak látható a WTW GHG emissziója. A 19. ábrán három csoportba vannak sorolva a hajtási módok: fosszilis hajtóanyagok, bio eredetű hajtóanyagok és elektromos hajtások. A megújuló, bio eredetű hajtóanyagok felhasználása sokkal alacsonyabb GHG emissziót von maga után, biometán használata esetén a csökkenés 95%. Az elektromos hajtások GHG emissziója tág határok között változik, attól függ, hogy az elektromos áram milyen forrásból lett előállítva. Megújuló energiaforrásból előállított elektromos áram esetén a GHG emisszió minimális.

43 ábra: Hajtásrendszerek WTW GHG emissziója ([750] Klopfeigenschaften methanhaltiger Kraftstoffe, Dipl.-Ing. Sebastian Scharlipp, Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Dipl.-Ing. Lukas Urban, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Berner, Dr.-Ing. Michael Grill, Dr.-Ing. Frank Altenschmidt, Dr. Martin Schenk) A 22. ábrán olyan hajtási módok vannak felsorolva, melyek helyi buszközlekedésben lehetnek relevánsak. Az ábrán a WTW GHG emisszió van bemutatva. A földgáz alapú CNG GHG emissziója itt némileg magasabb a dízelmotoros hajtásénál, viszont a korábbi forrásokból tudjuk, hogy ennek oka a CNG előállításában keresendő. Ez pedig a közeljövőben javulni fog mind WTW energiaigény, mind GHG emisszió tekintetében. Fontos eredmény, hogy a dízel-hibrid hajtásrendszerek GHG emissziója 20%-kal jobb az eredeti dízelmotorénál. A földgázmotoros hajtások tekintetében ez azért fontos, mert egy CNG-hibrid motor is ilyen mértékű javulást érne el. 22. ábra: Buszokban alkalmazott hajtásrendszerek WTW GHG emissziója ([810] Erdgasbusse Die einzige wettbewerbsfähige Antriebsalter- native im ÖPVN., Michael Schaarschmidt)

44 A többi eredmény a 22. ábrán is a korábbiakat támasztja alá: GHG emisszió szempontjából a megújuló (és nukleáris) energiaforrásokból származó elektromos áram és a biogáz használata rendkívül kedvező tulajdonságokkal bír Releváns hajtóanyagok és hajtásrendszerek A korábbi fejezetekben bemutatott energiaforrásokkal és járműhajtásokkal kapcsolatos információkat érdemes úgy összegezni, hogy vizsgáljuk meg, mely energiaforrással milyen gép működtethető. A földgázzal kapcsolatos mélyebb információk megismerése előtt célszerű tisztázni, hogy melyek azok a hajtóanyag-járműhajtás párosítások melyek működőképesek lehetnek, és melyek nem. Ezzel le szeretnénk szűkíteni az összehasonlítandó hajtásrendszerek számát. Ezt mutatja be a 23. ábra. A táblázatban alapvetően négyféle hajtástípus szerepel: belsőégésű motoros hajtások, hibrid hajtásrendszerek (belsőégésű motor és villamos gép), tisztán elektromos hajtásrendszerek, tüzelőanyag cellás hajtásrendszerek. Az energiahordozók az elektromosság kivételével mind tüzelőanyagok. A táblázatból könnyen kiolvasható, hogy mely tüzelőanyag mely hajtásrendszer működtetésére alkalmas ábra: Tüzelőanyagok és hajtásrendszerek párosítása ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO- WHEELS ANALYSIS, European Commission), (a szerzők által végrehajtott módosítások narancssárga színnel vannak jelölve) A tanulmány a közlekedés jövőjével foglalkozik. Ezért vizsgáljuk meg, hogy az egyes közlekedési ágazatok számára milyen tüzelőanyagok alkalmasak. Ez látható a 24. táblázatban. Itt a tüzelőanyagok kevésbé részletesen vannak felsorolva, viszont a tanulmány szempontjából fontos, földgáz alapú tüzelőanyagok használhatósága már összehasonlítható.

45 ábra: Hajtásrendszerek közlekedésben való alkalmazhatóságának a vizsgálata ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) Az alkalmazhatóságot döntően a járműben történő tárolhatóság határozza meg. A folyékony tüzelőanyagok minden közlekedési módnál kiválóan alkalmasak a nagy energiasűrűségük miatt. A gáz halmazállapotú tüzelőanyagok elsősorban kisebb tömegű járművek számára ideálisak, kivétel ez alól az LNG. Az elektromosság akkor kedvező, ha kis távolságot kívánunk megtenni vele, vagy nem a járműben tároljuk az elektromos energiát. A ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Commission)tanulmány a következő hajtási módok WTW hatásfokát elemezte ki, azaz ezeknek a hajtási módokat tartja szignifikánsnak a jövőben: - benzinmotoros járművek, - dízelmotoros járművek, - hibrid benzinmotoros járművek, - hibrid dízelmotoros járművek, - alkoholokkal üzemeltetett belső égésű motoros hajtások, - metánnal üzemeltetett belső égésű motoros hajtások, - LPG-vel üzemeltetett belső égésű motoros hajtások, - biodízellel üzemeltetett dízelmotoros hajtások, - szintetikus tüzelőanyagokkal üzemeltetett belső égésű motoros hajtások, - Plug-inHybrid elektromos járművek, - Range-Extenderes hibrid elektromos járművek, - tisztán elektromos járművek, - tüzelőanyag cellás járművek. A következő fejezetekben a földgázzal, mint a belső égésű motorok tüzelőanyagával fogunk foglalkozni.

46 A földgázzal működtethető hajtásrendszerek: 46 - kis teljesítményű Otto motor személygépjárművekben: o kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel, a benzin hagyományos tartályban, a földgáz CNG palackokban tárolva, o tisztán földgázüzemű jármű CNG palackokkal felszerelve, - különféle földgázmotorok hibrid járműhajtásokban (sokféle megoldás lehetséges) elsősorban személygépjárművekben CNG palackokkal, - közepes és nagy teljesítményű dízelmotort helyettesítő földgázmotor haszongépjárművekben és buszokban: o kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel, ahol a gázolaj csak a földgáz-levegő keverék meggyújtására szolgál, a gázolaj hagyományos (de lényegesen kisebb) tartályban, a földgáz CNG palackokban tárolva, o az előbbihez hasonló kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel, de a földgáz LNG tartályban van tárolva, o tisztán földgázüzemű szikragyújtású motor CNG palackokkal, o tisztán földgázüzemű szikragyújtású motor LNG tartállyal, - vasúti földgázmotorok LNG tartállyal: o gázolaj-földgáz kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel, o tisztán földgázüzemű vasúti jármű, - hajómotorok LNG tartállyal: o gázolaj-földgáz kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel, o tisztán földgázüzemű hajómotor. A közúti járművek földgázmotorjai a következő hajtásrendszerekkel lesznek összehasonlítva: - személygépjárművekben a hasonló teljesítményű benzin- és dízelmotorokkal, és a tisztán elektromos hajtással, - haszongépjárművekben és buszokban a hasonló teljesítményű dízelmotorokkal. Minden esetben összehasonlításra kerül, hogy az adott járműben a CNG vagy az LNG a kedvezőbb tüzelőanyag tárolási mód-e.

47 A földgáz, mint tüzelőanyag tulajdonságai Általános tulajdonságok A földgáz széleskörű használata jelenleg nem a közlekedésben jellemző, elsősorban ipari vagy lakossági fűtésre használják. A belső égésű motorokban történő felhasználás még nem olyan széleskörűen elterjedt, hogy az autóipar hatással lehetne a gáz minőségével kapcsolatos szabályozására, bár kétségtelen kísérletek vannak ez irányban. 25. ábra: A földgáz összetétele országonként ([852] Worldwide LNG composition - IGU) A földgáz általános tulajdonságai: [790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté - alsó fűtőérték: ~47MJ/kg (magasabb a benzinénél és a gázolajénál), - összetétel: a földgáz legfőbb összetevője a metán. A főbb összetevők a 25. táblázatban megtekinthetők kinyerési hely szerint. A metán a legegyszerűbb szénhidrogén, a metánmolekulában egy szénatom és négy hidrogénatom egyszeres kovalens kötésekkel kapcsolódik egymáshoz (azaz telített szénhidrogén). Az égés szempontjából ennek a felépítésnek a legnagyobb előnye, hogy a molekula fajlagos széntartalma az egyik legalacsonyabb a szénhidrogének között. A fajlagos széntartalom szoros kapcsolatban áll a szén-dioxid kibocsátással, alacsonyabb fajlagos széntartalom alacsonyabb szén-dioxid kibocsátást eredményez. A szénhidrogének C/H aránya és a tökéletes égés során keletkező CO 2 mennyisége

48 Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorban, versenyképességi kérdések közötti összefüggést mutatja a 26. ábra. Ez a közlekedésben való használat szempontjából nagyon kedvező, hogy pusztán a tüzelőanyag cseréjével már alacsonyabb szén-dioxid kibocsátás várható, - sztöchiometrikus keverési arány esetén (amikor tökéletes égésfolyamatnál az égésterméknek nincs oxigéntartalma) 1kg földgázhoz 17kg levegőt kell keverni. Ez térfogatokban kifejezve: 1 liter földgázhoz kb. 9,5 liter levegő szükséges, - elektromos szikrával 5 és 15 V/V% földgáz-levegő összetételű közeg gyújtható meg. 26. ábra: Tüzelőanyagok CO 2 kibocsátása ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) A földgáz túlnyomórészt metánból áll, emellett főként még néhány szénhidrogén található benne, valamint nitrogéntartalma is van. Mivel gyakorlatilag elhanyagolható mennyiségű más szennyezőanyag van benne, ezért a földgáz elégetésekor tökéletes égés esetén csak víz és szén-dioxid keletkezik. Tökéletlen égés esetén az égéstermékek tartalmazhatnak még elégetlen szénhidrogéneket (elégetlen metán is), szén-monoxidot és nitrogén-oxidokat is. A földgáz kedvező égési tulajdonságai miatt a koromképződés gyakorlatilag ki van zárva, mivel nem tartalmaz olyan összetevőt, amely ezt előidézné, kizárólag az égéstérbe jutó motorolaj és a beszívott levegőben lévő szennyeződésből keletkezhet korom. A belső égésű motorokban történő felhasználáshoz a következő tulajdonságok vizsgálata fontos: - oktánszám: a földgáz oktánszáma lényegesen nagyobb a benzin oktánszámánál, összetételtől függően közötti érték. A magasabb oktánszám jobb kompressziótűrést jelent, azaz a földgázmotorokban nagyobb kompressziót lehet alkalmazni a benzinmotorokénál, ez pedig jobb motorhatásfokot jelenthet. Az oktán

49 Érkező járműtechnológiák a közlekedési szektorban, versenyképességi kérdések skálán viszont ilyen mértékű extrapoláció már nagy hibát eredményezhet, ezért a földgáz kompressziótűrésének a vizsgálatánál a metánszámot szokták alkalmazni. - metánszám: a metánszám jelentéstartalma megegyezik az oktánszáméval, azaz a tüzelőanyag kompressziótűrését fejezi ki. A metánszám skála 0 pontja a tiszta hidrogén öngyulladási hajlama, a 100-as pont pedig a tiszta metán kompressziótűrése. A földgáz metánszáma összetételtől függően tág határok között változhat. A metánszám pontos ismerete, vagy egyenletes minősége a belső égésű motorok optimális működtethetőségének az érdekében fontos lenne. A metánszám kiszámítására jelenleg több metódus is létezik, amelyek nem mindig adnak teljesen azonos eredményt. Ez elsősorban a tengeri hajózásban okoz problémát. - Wobbe-szám: a gáznak egy fúvókán való átömlési tulajdonságairól ad információt, mértékegysége MJ/m 3. Különböző gázbefúvással működő gépeknél akkor lehet helyettesíteni a tüzelőanyagot egy másik gáz halmazállapotú tüzelőanyagra, ha a két gáz Wobbe-száma megegyezik. Így biztosítható, hogy azonos keresztmetszeten ugyanolyan tömegáram jöjjön létre különböző összetételű gázok használatával. 27. ábra: A földgáz metánszámának és Wobbe számának az összefüggése ([855] The Prospects for Natural Gas as a Transport Fuel in Europe, Oxford Institute for Energy Studies)

50 A földgáz tulajdonságainak a megállapítása [794] gasqs test results, gasqs MEMS 50 [795] Gas Quality Sensing gasqs, gasqs MEMS [796] Gas Quality MEMS, gasqs MEMS A földgáz szolgáltatók Európában ma csak a földgáz fűtőértékét és Wobbe-számát garantálják, az MN-t nem, mivel a fűtési célokra való alkalmazás számára ez is elegendő. A közlekedésben, belső égésű motorok tüzelőanyagaként viszont sokkal jobb hatásfokkal használható lenne, ha a metánszám is rögzítve lenne. A probléma áthidalására 2015-ben bemutattak egy olyan gázelemző berendezést, amely a földgáz néhány könnyebben mérhető tulajdonsága alapján kellő pontossággal meg tudja határozni a belső égésű motor számára fontos tulajdonságokat. A MEMS AG terméke, a gasqs, mely többféle verzióban is létezik erre a feladatra lett kifejlesztve. A 26. ábrán megtekinthetők az egyes verziói a terméknek azzal együtt, hogy mit képesek megmérni és meghatározni. 28. ábra: AgasQS fedélzeti földgázelemző kínálata ([795] Gas Quality Sensing gasqs, gasqs MEMS) A készülékkel a gáz mért tulajdonságai: hővezető képesség, fajhő, sűrűség (adott nyomáson). A gáz meghatározott tulajdonságai: fűtőérték, Wobbe-szám, metánszám és az égéshez alkalmazandó légviszony.

51 ábra: AgasQS földgázelemző mért és kalkulált mennyiségei ([795] Gas Quality Sensing gasqs, gasqs MEMS) Ez a gázfelügyeleti rendszer ugyan némi többletköltséggel járhat, viszont a belső égésű motor beállítása és üzeme optimalizálható, ami nagyobb teljesítményt, alacsonyabb üzemeltetési költséget és alacsonyabb környezetterhelést von maga után A földgáz tárolása a járműben: CNG és LNG Környezeti nyomáson a földgáz térfogatra vonatkoztatott energiasűrűsége nagyon alacsony. A járművekben a tüzelőanyag tárolására alkalmas hely erősen korlátolt. Személygépjárművekre és buszokra ez különösen érvényes, mivel ott közvetlenül az utasvagy a csomagtérből foglalja el a helyet. Haszongépjárműveknél és nyerges vontatóknál pedig fontos lehet a nagyon nagy hatótáv, ami miatt a mai gázolajtartályok is óriási méretet öltenek. Nyerges vontatóknál fontos szempont például, hogy a nagy hatótáv segítségével mindig abban az országban tankoljanak, ahol éppen a gázolaj a legolcsóbb, ezzel is csökkentve az üzemeltetési költségeket. A gáz halmazállapotú tüzelőanyagok mindezek miatt környezeti nyomáson való tárolása a járműben nem célszerű, sűrítéssel és cseppfolyósítással viszont többszörösére lehet növelni a térfogatra vonatkoztatott energiasűrűséget. Sűrített földgáz (compressednaturalgas, CNG): A földgázt kompresszor berendezéssel összesűrítik, és nyomástároló palackokban tárolják. 200bar nyomás felett a földgáz egyes összetevői (víz, hosszabb szénláncú szénhidrogének) kicsapódhatnak, ezek a palack alján gyűlhetnek össze, ezért a gáz tisztasága fontos üzemeltetési és biztonságtechnikai kérdés. A sűrített földgázt 200 vagy 250bar névleges nyomáson szokták tárolni.

52 Cseppfolyósított földgáz (liquefiednaturalgas, LNG): 52 A földgáz -160 C környékén cseppfolyósítható. A folyadékok sűrűsége mindig lényegesen nagyobb a gázokénál, ezért a cseppfolyósított földgáz térfogati energiasűrűsége lényegesen nagyobb a sűrített földgázénál. A cseppfolyósított földgázt környezeti nyomáson, speciálisan hőszigetelt, úgynevezett kriogén tartályokban tárolják. A földgáz hőmérséklet-nyomás diagramja a 31. ábrán látható. Az LNG előállítása a CNG hűtésével és nyomásának fokozatos csökkentésével történik. 30. ábra: A földgáz sűrűsége és telítési gőznyomása a hőmérséklet függvényében ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) 31. ábra: Az LNG előállításának lépései ([739] Gas a bridging technology for future mobility? Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf)

53 A CNG és az LNG előállítása energiabefektetést igénylő művelet. A WTW hatásfoknál ennek mértékét meg is vizsgálhattuk. A CNG és az LNG előállítása a tanulmány egy alfejezetében részletesen be lesz mutatva. A32. ábra a térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségről nyújt információt. 1 liter gázolajhoz képest az LNG tartályok 1,6-1,8-szoros, a CNG palackok pedig 5-6-szoros helyigénnyel rendelkeznek. Itt is az energiamennyiség a közös mindhárom esetben. A járműben tárolt energiamennyiség meghatározza a járművel megtehető távolságot, azaz a jármű hatótávolságát ábra: A CNG és az LNG térfogati energiasűrűsége a gázolajhoz képest ([713] LNG fuel of future, DANUBE LNG, E.E.I.G.) Az első kriogén LNG üzemanyagtartályok lényegesen drágábbak voltak, mint a CNG palackok. Ennek a költsége is megjelent a jármű vételárában. A darabszám emelkedésével azonban jelentős árcsökkenés következett be. Kínában az európai árak feléért kínálják a közúti járművekbe szerelhető kriogén tartályokat. A CNG-vel és az LNG-vel elérhető hatótávolság és a jármű vételára nagymértékben meghatározza, hogy milyen kategóriájú járművekben lehet alkalmazni a CNG-t és az LNG-t. Ez már a releváns járműhajtásokkal foglalkozó fejezetben is szóba került. A CNG olyan járműkategóriákban használható, ahol kevésbé számít a jármű hatótávolsága, viszont nagy az árérzékenység. Emiatt CNG-t elsősorban személygépjárművekben, kishaszongépjárművekben és helyi közlekedésben résztvevő buszokban valamint haszongépjárművekben alkalmaznak. Az LNG olyan járműkategóriákban használható, ahol fontos a nagy hatótávolság, és az alacsonyabb üzemeltetési költségek kompenzálják a jelenleg még meglévő magasabb vételárat. Emiatt a közúti közlekedésben LNG-t a nagy távolságú utas- és áruszállításban használatos haszongépjárművekben (tipikusan nyerges vontatókban) és távolsági buszokban alkalmaznak. Emellett az LNG remekül alkalmazható a vasúti és a vízi közlekedésben is. Az ezzel kapcsolatos részletesebb információk külön fejezetben lesznek összefoglalva.

54 ábra: A CNG és az LNG felhasználási módjainak szempontjai ([719] Natural Gas and Dual Fuel Engine Technologies for HDV, RICARDO; Richard Cornwell, Dan Foster, Dr Andy Noble) A CNG-s és LNG-s járművek vételára, a CNG palackok és az LNG kriogén tartályok a későbbiekben külön fejezetben részletesen bemutatásra kerülnek.

55 A földgáz alkalmazása belső égésű motor üzemeltetésére A földgáz, égési tulajdonságainál fogva belső égésű motorokban az Otto körfolyamat megvalósítására alkalmas. Ezért a földgázmotorok viselkedése a legtöbb esetben a benzinmotorokéhoz lesz hasonló. Jelenleg a piacon nem kapható olyan földgázmotor, ahol a motort már az alapoktól a földgázzal való használatra tervezték. Kisebb teljesítményű motorok esetén benzinmotorokat, nagyobb teljesítmény esetén dízelmotorokat építenek át földgázüzemre. Az áttervezés költségei miatt ezek motorok a legtöbb esetben nincsenek az elérhető legjobb tulajdonságokra (teljesítmény, fogyasztás és emisszió) optimalizálva, azaz nagy bennük a fejlesztési potenciál. A földgázmotorok széleskörű elterjedése magával fogja vonni a motorok meredek fejlődési görbéjét is. Ez a PAN-LNG tanulmány egyik fő sarokpontja. A CNG és LNG utántöltő infrastruktúra hiánya miatt ma nagyon kevés tisztán földgázüzemű jármű kapható kereskedelmi forgalomban. Emiatt a földgázüzemű járművek nagy többsége jelenleg kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel működik, hogy a CNG vagy az LNG tartály kifogyása esetén a jármű továbbra is járóképes maradjon. A tisztán földgázüzemű járműveket mono-fuel, a kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel működő járműveket dualfuel vagy bi-fuel járműveknek nevezzük. 34. ábra: A földgázmotorok működési elvei ([719] Natural Gas and Dual Fuel Engine Technologies for HDV, RICARDO; Richard Cornwell, Dan Foster, Dr Andy Noble) Az Otto motorok külső gyújtással rendelkeznek. Földgázmotorok esetén több lehetőség is adott az égésfolyamat beindítására. Ezt legegyszerűbben a benzinmotorokhoz hasonlóan, egy elektromos szikrával lehet megoldani. Az olyan motoroknál, melyek eredetileg dízelmotorok voltak, de átterveztek földgáz-gázolaj kettős üzemű motorra, ott a földgáz levegő keverék az égéstérben egy minimális gázolaj dózissal gyújtható meg. Ez a megoldás további lehetőséget rejt a földgáz-gázolaj arány optimális megválasztására. A 34. ábrán a földgázmotorok most bemutatott csoportosítása tekinthető meg.

56 A CNG és LNG töltőhálózat kiépülésével a jövőben a mono-fuel földgázmotorok egészen biztosan kiszorítják a dual-fuel és a bi-fuel földgázmotorokat. Legfőképpen azért, mert a kettős tüzelőanyag ellátórendszer nagymértékben megnöveli a jármű komplexitását, vételárát és karbantartási költségeit. A mono-fuel és a dual-fuel földgázmotorok tulajdonságai között nem mindig nagy a különbség. A bi-fuel (rendszerint benzin-földgáz) motorok üzemszerűen mindig csak az egyik tüzelőanyaggal működnek, a dual-fuel (rendszerint gázolaj-földgáz) motorokban pedig a gázolaj rendszerint csak az égésfolyamat beindítására szolgál, mennyisége általában sokkal kisebb a befecskendezett földgáznál. Emiatt a mono-fuel motoroknál leírt tulajdonságok a bifuel és a dual-fuel motorokra is sok esetben igazak lesznek. A részletes információkban való elmélyedés előtt fontos hangsúlyozni, hogy a belső égésű motor számára mindegy, hogy a jármű tartály technológiája milyen, azaz CNG vagy LNG üzemanyagot tankolnak, a motornak már csak adott nyomáson rendelkezésre álló földgáz. Ebben a fejezetben ezért elsősorban földgázként fogunk beszélni a tüzelőanyagról. A következő fejezetekben részletesen megvizsgáljuk a földgázmotorok tulajdonságait és konstrukciós jellegzetességeit Mono-fuel földgázmotorok [702] Zukünftige Motorsteuerungen für den CNG-Ottomotor Anforderungen und Lösungen, Roland Herynek, Thorsten Raatz, Heiko Kaiser, Frank Miller, Winfried Langer [703] Antriebskonzept und Auslegung CNG-Motor für den DualX E-Drive im MBtech REPORTER, Dr. P. Dittrich, M. Kühn, Th. Hardt, Dr. B. Blankenbach, A. Kluger [704] Smart and Cost-Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst [705] Fuel Quality Guide, CIMAC [706] About The Influence Of Ambient Conditions On Performance Of Gas Engines, CIMAC [707] TRANSIENT RESPONSE BEHAVIOUR OF GAS ENGINES, CIMAC [708] INFORMATION ABOUT THE USE OF LNG AS ENGINE FUEL, CIMAC [709] Stoichiometric Operation of Natural Gas Engines for Very Low Emissions Applications, CIMAC Joel Hiltner, Michael Flory [710] Erdgas-spezifisches Downsizing Potenziale und Herausforderungen, Ford Werke GmbH, FEV GmbH [711] Catalytic Solutions for Emission Control of Natural Gas Vehicles, ECOCAT Dr. Toni Kinnunen, Osmo Jahkola, Sergio Del Re, Dr. Andreina Moreno, Dr. Kauko Kallinen 56

57 [740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer [741] CULT Powertrain: High Efficient CNG Engine with Direct Injection [742] Neue Energie-Speichertechnologien - der Schlüssel zum Durchbruch alternativer Antriebssysteme, Karl-Friedrich Stracke, Dipl.-Ing. W. Kriegler, MAGNA STEYR AG & Co KG [743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann [744] An Alternative Thermodynamic Cycle for Reciprocating Piston Engines, Prof. N. Jackson, Prof. A. Atkins and J. Eatwell, Dr. R. Morgan [745] VIAVISION, Mit Erdgas nachhaltig MobilDie CO2-freundliche Alternative [746] CNG/LNG Strategy of Daimler Buses, Daimler [747] Effiziente Erdgasmotoren für Pkw Aspekte des Downsizings und des Magerbetriebs, S. Liebsch, U. Walther, R. Tröger, M. Günther [748] Effects of Split Port Fuel / Direct Injection in a CNG Engine, Patrik Soltic, Hannes Biffiger [749] CNG-Direkteinblasung, Dimitri Seboldt, Dr.-Ing. David Lejsek, Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende [750] Klopfeigenschaften methanhaltiger Kraftstoffe, Dipl.-Ing. Sebastian Scharlipp, Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Dipl.-Ing. Lukas Urban, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Berner, Dr.-Ing. Michael Grill, Dr.-Ing. Frank Altenschmidt, Dr. Martin Schenk [751] Efficient, Powerful and Smooth: the Next Generation LPG Engines from Opel, Adam Opel AG [752] Innovatives Fahrzeugkonzept mit bivalenten CNG/LPG Gasantrieb. Ein Weg aus der Nische? Dipl.-Ing. Iraklis Avramopoulos - IAV GmbH [753] Entwicklung von direkt einspritzenden Erdgasinjektoren (DI-CNG) bei Delphi, Dr. Joachim Kiefer, Jean-Francois Preuhs, Dr. Guy Hoffmann - Delphi A tisztán földgázzal üzemelő belső égésű motorokat mono-fuel földgázmotoroknak hívjuk. Az ilyen motorok az Otto körfolyamatot valósítják meg, és működésük a benzinmotorokéhoz hasonló. Az égésfolyamat beindítása mindig szikragyújtással történik. A piacon ma nagyon kevés tisztán földgázüzemű motor található. Eddig elsősorban nagyobb teljesítményű haszongépjárművekben és buszokban terjedtek el, ahol a töltőhálózat hiánya 57

58 miatt kiszámíthatóbban lehet kezelni a jármű útvonalát és a tüzelőanyag utántöltés szükségességét. Keverékképző rendszer Földgázmotoroknál, mivel a tüzelőanyag gáz halmazállapotú, ezért befecskendezés helyett sokszor befúvásról beszélünk. A benzinmotorokhoz hasonlóan a földgázmotoroknál is alapvetően kétféle gázbefúvó rendszert lehet kialakítani a motoron (35. ábra): - szívócső befecskendezés (port fuelinjection, PFI), - közvetlen befecskendezés (directinjection, DI) ábra: Szívócső- és közvetlen befecskendezésű földgázmotor ([753] Entwicklung von direkt einspritzenden Erdgasinjektoren (DI-CNG) bei Delphi, Dr. Joachim Kiefer, Jean-Francois Preuhs, Dr. Guy Hoffmann Delphi) A szívócső befecskendezés tulajdonságai: - egyszerűbb konstrukciós kialakítás, - a földgáz-levegő keveréknek több ideje van összekeveredni, - alacsonyabb befecskendezési nyomás, - olcsóbb konstrukció, - alacsonyabb teljesítmény, mivel a hengerbe már keveréket szívunk, a gáz halmazállapotú tüzelőanyag nagyrészt foglal el a beszívott tömegáramból.

59 A közvetlen befecskendezés tulajdonságai: 59 - nagyobb teljesítmény, mivel a hengerbe csak levegőt kell beszívni, a földgázt pedig zárt szívószelepeknél keverjük hozzá a levegőhöz. Emiatt a hengerben lévő közeg mennyisége (azonos légviszony esetén) több, ami nagyobb felszabaduló hőmennyiséget, azaz nagyobb teljesítményt jelent, - drágább, bonyolultabb konstrukció, kis mértékben magasabb befecskendezési nyomás (16-25 bar elégséges), - rövidebb idő áll rendelkezésre a homogén földgáz-levegő keverék létrejöttéhez, ami magasabb károsanyag kibocsátást is eredményezhet. Mivel más a befecskendezendő tüzelőanyag halmazállapota, ezért a befecskendező-szelep konstrukcióját is meg kell változtatni. Több gyártó is bevezetés előtt áll a földgázhoz való közvetlen befecskendező szelep gyártmányokkal, az alábbiakban a Delphi típusait mutatjuk be. A földgáz befecskendező-szelepei a benzinmotorokéihoz hasonló konstrukcióval rendelkeznek, egyrészt, mert hasonló elven működő motorban működnek, másrészt mert mind a benzin, mind a földgáz nem keni a befecskendező-szelep alkatrészeit, ezért hasonlóan felépítéssel kell rendelkezniük. 36. ábra: A Delphi földgázinjektor fejlesztési lépései ([704] Smart and Cost-Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst)

60 A 36. ábrán az eredeti benzines befecskendező-szelep átalakítása látható földgázhoz (közvetlen befecskendezéshez). A legfontosabb átalakítás a befecskendező-csúcson található, ahol a geometriai kialakítással befolyásolni lehet az égéstérben a földgáz és a levegő keveredését. A hagyományos furatos befecskendező-csúcs helyett ott a kúpos csapos megoldások a kedvezőbbek. A befecskendező-szelepek szolenoid-tekercses működtetésűek. A befecskendező-szelep sugárképe nagymértékben meghatározza az égésfolyamat tulajdonságait. Mivel a gázmotorok elterjedtsége eddig minimális volt, ezért a gázbefúvásos égésfolyamatok tulajdonságainak a kutatásában még rengeteg lehetőség rejlik. A 37. ábrán a DI-CNG befecskendező-szelep felépítése is megtekinthető, bejelölve a fontosabb szerkezeti elemekkel ábra: Delphi földgázinjektor közvetlen befecskendezéshez ([704] Smart and Cost-Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst) A földgáz égéstérbe történő befecskendezéséhez nincs szükség olyan nagy nyomásokra, mint benzin esetében, ahol a folyékony tüzelőanyag gyors cseppekre bomlását és párolgását is biztosítani kell. Míg benzin közvetlen befecskendezésnél néhány száz bar ( bar) a tipikus befecskendezési nyomás, addig földgáznál a Delphi befecskendezési rendszerénél 16 bar is elegendőnek bizonyult. A 40. ábrán egy szívócső befecskendezéshez alkalmaz Delphi gyártmányú befecskendezőszelep látható. Ez a befecskendező-szelep is a benzines változatéhoz hasonlóan működik. A befecskendező-szelepek mellett a tüzelőanyag szivattyú a másik fontos elem a keverékképző rendszerben, amit ki kell cserélni földgáz-kompatibilis megoldásra. Mivel gáz halmazállapotú közeget kell szállítani, ezért itt tüzelőanyag pumpának hívják a berendezést. Szívócső befecskendezésnél a befecskendezési nyomás alacsony (rendszerint csak néhány bar), itt nem olyan számottevő a pumpa teljesítményigénye. Közvetlen befecskendezésű benzinmotoroknál is nagy figyelmet fordítanak a szivattyú teljesítményigényére, ami a nagy befecskendezési nyomásnál nagy lehet (a gyakorlatban a teljesítményigény határozza meg a maximálisan alkalmazható befecskendezési nyomást). A közvetlen befecskendezésű

61 gázmotoroknál a rendszernyomás sokkal alacsonyabb, de a pumpát itt is úgy kell méretezni, hogy jó hatásfokkal működjön ábra: Delphi földgáz-injektor szívócső befecskendezéshez ([704] Smart and Cost-Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst) 39. ábra: Egy benzinmotor, egy szívócső befecskendezésű földgázmotor és egy közvetlen befecskendezésű földgázmotor nyomatékkarakterisztikájának az összehasonlítása ([753] Entwicklung von direkt einspritzenden Erdgasinjektoren (DI-CNG) bei Delphi, Dr. Joachim Kiefer, Jean-Francois Preuhs, Dr. Guy Hoffmann Delphi) A 39. ábrán három nyomaték karakterisztika látható három azonos turbófeltöltésű motorkonstrukción: közvetlen befecskendezésű benzines, közvetlen befecskendezésű földgázos, és szívócső befecskendezésű földgázos. A közvetlen befecskendezésű földgázos motor nyomaték-karakterisztikája majdnem megközelíti a benzinmotorét. A szívócső befecskendezéses földgázmotor nyomatéka alacsony fordulatszám-tartományban némileg kisebb. Ez a korábbiakban kifejtett problémának köszönhető: a földgáz helyet vesz el a levegőtől a szívási ütemben. Amikor a turbófeltöltő eléri a leszabályozási nyomásviszonyát a

62 nyomatékgörbék kiegyenlítődnek, mert a feltöltő-nyomás kompenzálja a szívócső befecskendezés hátrányát. Részterhelésen viszont ezek a motorok mindig gyengébbek, illetve magasabb a tüzelőanyag fogyasztásuk, mint a közvetlen befecskendezéses motornak. A 40. ábrán egy földgáz befecskendező rendszer sémája látható az összes alkatrészével. Látható, hogy a benzinmotorokéhoz hasonló elemekből építkezik ez a rendszer is ábra: CNG tüzelőanyag ellátó rendszer blokkvázlata ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) Légviszony A korszerű benzinmotorokhoz hasonlóan a földgázmotorok is kétféle légviszony stratégiával működhetnek: - károsanyag kibocsátás szempontjából a sztöchiometrikus keverékképzéssel működő motorok a kedvezőbbek és az Euro 6 emissziós elvárásoknak köszönhetően lényegében kizárólagos szerepet nyert. A sztöchiometrikus légviszony esetén az elméleti tökéletes égésfolyamatnál a kipufogógáznak nincs oxigéntartalma, - tüzelőanyag fogyasztás szempontjából a szegény keverékkel üzemelő motorok a kedvezőbbek. Ilyenkor a sztöchiometrikus keverési arányhoz képest több levegőt és kevesebb tüzelőanyagot juttatunk az égéstérbe. Hátránya, hogy nagyon szegény keveréknél a lánghőmérséklet alacsony, ami növelheti az elégetlen szénhidrogén kibocsátást.

63 Töltetcsere rendszer 63 A korszerű belső égésű motorok feltöltött rendszerűek, bármilyen tüzelőanyaggal legyenek is működtetve. A feltöltést leggyakrabban turbófeltöltőre bízzák, ami a legjobb hatásfokot és a legalacsonyabb fogyasztást biztosítja, mivel a kipufogógázok hulladék energiáját hasznosítjuk vele. A benzinmotorokhoz hasonlóan földgázmotoroknál is a jövőt a turbófeltöltéses motorok jelentik. Ezt demonstrálja a 41. ábra is. Többlépcsős feltöltéssel további fogyasztáscsökkenést lehet elérni. 41. ábra: Földgázmotorok fejlődése ([747] Effiziente Erdgasmotoren für Pkw Aspekte des Downsizings und des Magerbetriebs, S. Liebsch, U. Walther, R. Tröger, M. Günther) Kipufogógáz utókezelés A földgázmotorokbármelyik más szénhidrogén égetésénélsokkal tisztább égésfolyamatokkal rendelkeznek. Éppen ezért a földgázmotorok kipufogógáz utókezelő rendszere általánosságban olcsóbb és egyszerűbb minden más típusú belsőégésű motornál. A kipufogógáz utókezelő rendszer felépítése nagymértékben függ attól, hogy a földgázmotor milyen légviszony tartományban működik. A légviszony pedig determinálja, hogy milyen károsanyagok keletkeznek az égéstérben. Sztöchiometrikus keverési aránnyal működő motorok esetén a benzinmotoroknál használatos hármas hatású (TWC) katalizátorok jó hatásfokkal elvégzik a károsanyag

64 kibocsátás csökkentést. Ezek a katalizátorok egyszerűbbek, mint a dízelmotoroknál használatos technológiák és viszonylag olcsóak is. Szegény keverékes üzemben működő földgázmotorok esetén a szén-monoxid és az elégetlen szénhidrogén emisszió lényegesen alacsonyabb, viszont a nitrogén-oxidok kibocsátása magasra emelkedik. Ez esetben a dízelmotoroknál SCR katalizátor használatát szokás alkalmazni, gázmotoroknál azonban inkább választották a sztöchiometrikus keverékképzést ábra: Földgázmotorok működési módjai és kipufogógáz utókezelő rendszerük ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) A kipufogógáz utókezelő rendszer egyszerűsége nagy előnye a földgázmotoroknak. A dízelmotoroknál a szigorodó környezetvédelmi előírások miatt rendkívül komplex és érzékeny befecskendező rendszerek, kipufogógáz visszavezető (EGR) rendszerek, katalizátorok és szűrők jelennek meg. A földgázmotorok emiatt a jövőben lényegesen olcsóbbak lesznek a dízelmotoroknál, ez az árkülönbség kompenzálhatja a CNG és LNG tartályok drágább mivoltát. Emisszió és fogyasztás A földgázmotorok alkalmazásának a két fő hajtóereje az alacsonyabb üzemeltetési költség, és az alacsonyabb szén-dioxid kibocsátás. Az alacsonyabb üzemeltetési költség elsősorban a földgáz alacsonyabb árából fakad, az alacsonyabb szén-dioxid kibocsátás viszont műszaki okokra vezethető vissza. Korábban is kifejtésre került már, de ebben a fejezetben is fontos megemlíteni, hogy a földgáz, mivel molekuláiban fajlagosan kevesebb szénatomot tartalmaz, ezért csak a használata miatt már lényegesen kisebb szén-dioxid kibocsátással kell üzemelnie a

65 motornak. Ezt mutatja be a 43. ábra, ahol a gázolaj elméleti szén-dioxid kibocsátáshoz van hasonlítva a többi tüzelőanyagé. Azonos tüzelőanyag fogyasztás esetén a gázolajhoz képest a földgázzal üzemeltetett motornak 25%-kal alacsonyabb a szén-dioxid kibocsátása, ami jelentős különbség ábra: A tüzelőanyagok szén-dioxid kibocsátása ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) A gyakorlatban ez az eltérés nem ilyen nagyarányú. A dízelmotorok effektív hatásfoka ma még magasabb a sztöchiometrikus keverékkel üzemelő benzin-, vagy földgázmotorokénál. Ennek az egyik oka, hogy a dízelmotorban lényegesen magasabb kompresszió-viszony valósítható meg, a másik ok pedig, hogy a dízelmotor keverékképzése elvben minőségi szabályozású (azaz a terhelés függvényében a beszívott levegő tömegárama nem szabályozott, csak a gázolaj dózist változtatják), így részterhelésen a motor volumetrikus hatásfoka mindig magasabb. A gyakorlatban azonban az emissziós elvárások teljesítése érdekében a dízelmotoroknál is részleges légáramlás szabályozás és az EGR csökkenti a hatásfokot, miközben a modern feltöltő rendszerek, pl. e-booster az Otto motoroknál szinte tetszőleges légtömegáramot hoz létre, rendkívül csekély reakcióidővel. A sztöchiometrikus üzemben működő földgázmotoroknál az elvárásaink, hogy a kibocsátásuk a benzinmotorokénál kedvezőbb, azaz a szén-monoxid, az elégetlen szénhidrogének hasonló szintje mellett a nitrogén-oxidok kibocsátása jelentősen legyen kedvezőbb. Ezenfelül, a modern, közvetlen-befecskendezéses benzinmotorokra is jellemző szilárdrészecske kibocsátás, míg a gázmotorokra ez egyáltalán nem igaz. A dízelmotorokhoz képest a nitrogén-oxidok és a szilárd részecske emisszió nagyságrenddel, vagy nagyságrendekkel alacsonyabb a gázmotoroknál. Mivel a földgázmotoroknak kicsi az elterjedtsége, és emellett több fajtája is van, ezért nem sok olyan forrás található, ahol a földgázmotorok emissziója objektívan össze van hasonlítva más motortípusokkal. Emiatt a leghasznosabb forrás a földgázmotorok emissziójának a

66 vizsgálatára a járművek típusbizonyítványa. A PAN-LNG Tanulmány keretében éppen ezért összehasonlító mérés készül. Személygépjárművek esetén a szabványos menetciklusban (NEDC) a teljes járművet vizsgálják. A földgázmotoros személygépjárművek eredményeit ezért a következő fejezetben, a járműüzemeltetésnél mutatjuk be. Haszongépjárművek esetén a belső égésű motort fékpadon vizsgálják. A vizsgálat során korábban az ETC ciklus volt a szabványos, ma már a WHTC ciklus a kötelező. Az alábbi vizsgálatok során csak tranziens ciklusok mérési eredményeivel foglalkozunk, a stacioner munkapontok eredményei sokkal kevésbé lennének közel a valósághoz. Iveco földgázmotorok Az Iveco haszongépjárművek motorjait az FPT (Fiat Powertain Technologies) gyártja. A 44. táblázatban látható, hogy több kW teljesítménytartományban több földgázmotort is kínál az FPT kisáruszállítógépjárművek, tehergépjárművek, buszok és nyerges vontatók számára. A motorok alapkonstrukciója mindegyik esetben egy-egy hasonló lökettérfogattal rendelkező dízelmotor ábra: Az Ivecoföldgázmotoros termékpaletta (a 2,8 literes motort már nem forgalmazzák) ([797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE) Iveco CNG motorok főbb jellemzői: [797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE - sztöchiometrikus (λ = 1 egyensúlyi) égés, - egyféle üzemanyag = metángáz, - szikragyújtás gyújtógyertyákkal, - szekvenciális Multi-Point (szívócső) befecskendezés, - λ =1keverékképzéshez társítva hármas hatású katalizátor (TWC), - turbófeltöltő, töltőlevegő hűtéssel.

67 ábra: Környezetvédelmi előírások szigorodása ([797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE) Több Iveco gyártmányú jármű típusbizonyítványa alapján kigyűjtöttünk összehasonlítható emissziós értékeket a következő járműkategóriákban: - kisáruszállító (N2): IvecoEurocargo, - vonaljárati busz (M3/I,II): IvecoBus, - nyerges vontató (N3): IvecoStralis. Minden járműkategóriában kiválasztottuk az elérhető földgázmotoros verziót, és ehhez kerestünk egy azonos teljesítményű és közel azonos lökettérfogatú dízelmotoros verziót. Az azonos teljesítményszint a legfontosabb követelmény, hiszen ez biztosítja az összehasonlíthatóságot (a két motor közel azonos menettulajdonságokat biztosít a jármű számára). 46. ábra: Az IvecoEurocargo dízelmotoros és földgázmotoros emissziója típusbizonyítványok alapján ([827] Iveco Eurocargo típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság)

68 A táblázatokból a következő tanulságok vonhatók le: 68 - a dízelmotorok szén-monoxid kibocsátása jelentősen kisebb a határértéknél. A földgázmotorok szén-monoxid kibocsátása lényegesen nagyobb a dízelmotorokénál, de még így is sokkal alacsonyabb a határértéknél, - a nitrogén-oxidok emissziója földgázmotoroknál jelentősen alacsonyabb, mint dízelmotoroknál. Az eltérés 30-80%-ig mozgó skálán változik, - a szilárd részecske emisszió földgázmotoroknál töredékére csökken a dízelmotorokhoz képest. Az IvecoStralisnál kerekítési hibahatárral számolva minden esetben a javulás 90%-os léptékű, - szén-dioxid kibocsátás adat csak az IvecoStralisnál van megadva. A földgázmotor szén-dioxid kibocsátása 10%-kal alacsonyabb a dízelmotorénál, - a WHTC eredmények már fajlagos tüzelőanyag fogyasztás értékeket is tartalmaznak, ezt az alábbi táblázatokban szintén az IvecoStralisnál tüntettük fel. Ahogyan vártuk, a dízelmotor fajlagos tüzelőanyag fogyasztása lényegesen jobb a földgázmotorénál. Ez a különbség a fojtószelepes teljesítmény-szabályozásnak és a szívócső befecskendezésnek köszönhető. Alapjáraton és olyan munkapontokban, ahol a feltöltőnyomás nem magas, a szívócső-befecskendezéses motorok hátrányban vannak. 47. ábra: Az IvecoBus dízelmotoros és földgázmotoros emissziója típusbizonyítványok alapján ([829] IvecoBus típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság)

69 ábra: Az IvecoStralis dízelmotoros és földgázmotoros emissziója típusbizonyítványok alapján ([828] Iveco Stralis típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) Mercedes földgázmotor A Mercedes is széles termékpalettával van jelen a haszongépjárművek és buszok piacán. A 49. ábrán megtekinthető, hogy ezekben a járműkategóriákban milyen motorválasztékkal rendelkezik a cég. Az ábrán a dízelmotor paletta látható, valamint a legújabb M936NGT kódú földgázmotor, melyet az OM936 kódszámú dízelmotorból terveztek át. A földgázmotor részletesebb technikai tulajdonságai az 50. táblázatban láthatók. A motor teljesítménye 220kW, legnagyobb nyomatéka pedig 1200Nm. 49. ábra: Mercedes haszonjármű földgázmotoros termékpaletta ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann)

70 ábra: A Mercedes M936NGT motor tulajdonságai ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) A ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes- Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) forrásban részletesen ki van fejtve, hogy milyen fejlesztéseket végeztek a dízelmotor áttervezésekor. A földgázüzemre való átálláshoz módosították az égésteret, a szívócsatornákat (az EGR rendszert meghagyták a földgázmotoron is), és új turbófeltöltőt is illesztettek a motorhoz. 51. ábra: A Mercedes M936NGT motor szén-dioxid emissziója az OM936 dízelmotorhoz képest ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) Az 50. ábrán és az 51. ábrán két jellegmezőt láthatunk. Az elsőn az OM936 kódszámú dízelmotorhoz képest megvizsgálhatjuk, hogy az új földgázmotor szén-dioxid kibocsátása

71 mennyivel lett alacsonyabb. A jellegmező nagy részén % közötti szén-dioxid kibocsátás csökkenést láthatunk. A dízelmotor szén-dioxid kibocsátása kizárólag alapjárat környékén nagyon kis terhelésen jobb. A hétköznapi használatban a motorok közepes terhelésen és a közepesnél kicsit alacsonyabb fordulatszám tartományban dolgoznak. Ezekben a tartományokban a földgázmotor előnye % körül alakul. Ettől eltér a városi autóbusz üzem, amelynél gyakori a nyomatékgörbe határán történő gyorsítási szakasz, főként hegymenet és csúcsforgalmi időben. Abban a tartományban elérhető a 20 % feletti ÜHG csökkenés ábra: A Mercedes M936NGT szén-dioxid emissziójának a fejlődése az elődjéhez képest ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) Az 52. ábra bemutatja, hogy az előző generációs, Euro V-re képes, évtizeden keresztül szolgálatban lévő M447hLAG kódszámú földgázmotorhoz képest az újabb, M936NGT kódszámú dízelmotor mennyit fejlődött szén-dioxid kibocsátásban, vagyis üzemanyag fogyasztásban. Az eltérés jelentős, egészen 50 százalékig terjed a kibocsátás csökkenés, ami egy motorgeneráció váltásnál nagyon nagy eltérés. Úgy is megfogalmazható, hogy az új motor hatásfoka a munkaterület egy részén épp a duplájára emelkedett. A hétköznapi használatban leggyakrabban működő munkapontoknál is az eltérés eléri a 30%-ot. Ez is azt támasztja alá, hogy a földgázmotorokban még jelentős fejlődési potenciál van, pedig a bemutatott motor sem rendelkezik a közvetlen égéstér gázbefúvással, ami további akár 20 százalékos javulást eredményezhet. Az 53. ábrán az M936MGT földgázmotor WHTC menetciklusban mért eredményei tekinthetők meg. A mért értékek hasonló nagyságrendbe esnek az Iveco motoroknál tapasztaltakkal.

72 ábra: A Mercedes M936NGT motor emissziója típusbizonyítvány alapján ([830] Mercedes M936NGT típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) Végül az 54. ábrán bemutatjuk, hogy az új generációs földgázmotor mennyivel lett rugalmasabb elődjénél. Dacára annak, hogy a 12 literes 447hLA motor névleg 20 kw-tal nagyobb teljesítményű és 50 Nm-rel nyomatékosabb, rugalmasság terén jelentősen elmarad a mintegy 35 %-kal kisebb lökettérfogatú OM936NGT mögött. A diagramon a jármű sebessége látható az idő függvényében teljes terheléses gyorsítás közben. Az újabb buszkigyorsításkor a 75km/h-ás sebességet 10 másodperccel gyorsabban éri el álló helyzetből. Ez a jelentős fejlődés is arra utal, hogy mekkora fejlesztési potenciál van a földgázmotorokban. 54. ábra: A Mercedes M936NGT gyorsulásának a fejlődése az elődjéhez képest ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann)

73 Cummins Westport földgázmotor 73 A Cummins Westport (CWI) a Cummins Inc. észak-amerikai leányvállalata. Az Amerikai Egyesült Államokban szintén jelentős fejlesztések zajlanak a földgázmotoroknál. A Cummins Westport földgázmotorjai sem teljesen új generációsak már, a cég komoly tapasztalatokkal rendelkezik a földgázmotorok területén. A középméretű, 8,9 literes ISL G motorcsaládjának felújításával 2015-ben, a CWI a világon elsőként szerzett igazolást belsőégésű motorra Nulla Közeli (NZ = NearZero) emissziós feltételrendszernek megfelelően. A világon közismerten legkeményebb emisszós feltételeket támasztó kaliforniai intézet (CARB = Californian Air ResourceBoard), tanúsította, hogy a NearZero emissziós szint egyenértékű azzal a 100 % akkumulátorral hajtott teherautóval, amit modern kombinált ciklusú gázerőmű által előállított árammal töltenek. Az Amerikai Egyesült Államokban az EPA (U.S. Environmental Protection Agency) előírások érvényesek a járművek és belső égésű motorok emissziójára. Az EPA előírások rendszerint szigorúbbak az Euro előírásoknál. A 2007-től érvényben lévő EPA előírás nehézgépjárművekre, a WHTC-hez hasonló cikluson futtatva NO x kibocsátás terén mintegy fele akkora emissziót tesz lehetővé. A CWI NZ motorja ennek az értéknek a tizedét produkálta egyszerű hármas hatású katalizátorral és egy kartergáz-szűrő beiktatásával, amely a metán emisszió 70 százalékát képes megakadályozni. Fontos kiemelni, hogy a nagyon kedvező emissziós értékeket bonyolult EGR, SCR, DPF rendszerek nélkül érték el, ami komoly versenyelőnyt jelenthet a motor vételára tekintetében a dízelmotorokkal szemben. 55. ábra: Az ábrán színezve láthatóak azok a módosítások, amelyeket az EPA2013-as megelőző változathoz képest hajtottak végre az NZ érdekében ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport) A gyártó honlapján emellett kiemelik, hogy a motor szilárd részecske emissziója is rendkívül alacsony, és az üvegházhatást okozó gázemisszió is alacsonyabb az EPA határértéknél.

74 ISL G NearZero Natural Gas Engine Certified to NearZero First Mid Range engine in North America to reduce NO x emissions by 90% from EPA 2010~ Oct 5, 2015 October 5, 2015 Cummins Westport Inc. (CWI) today announced the new ISL G NearZero (NZ) NO x natural gas engine is the first Mid Range engine in North America to receive emission certifications from both U.S. Environmental Protection Agency (EPA) and Air Resources Board (ARB) in California that meet the 0.02 g/bhp-hr optional Near Zero NO x Emissions standards for medium-duty truck, urban bus, schoolbus and refuse applications. 74 Cummins Westport ISL G NZ exhaust emissions will be 90% lower than the current EPA NO x limit of 0.2 g/bhp-hr and also meet the 2017 EPA green house gas emission requirements. CWI natural gas engines have met the 2010 EPA standard for particulate matter (0.01 g/bhphr) since ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport) 56. ábra: Az ISL G NZ motor certifikációjában szereplő emissziós értékek ([834] Advanced Clean Transit Technology Symposium, Cummins Westport) 57. ábra: ACummins ISL G NZ motor tulajdonságai ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport)

75 Az ISL G földgázmotor konstrukciós tulajdonságai az57. táblázatban tekinthetők meg. 75 A CWI kínálatában jelenleg jelentős választékkal találhatóak közúti célra készített gázmotorok. Az 54. táblázatban megtekinthető a 2016-tól gyártott CWINZ földgázmotor kínálata. Típus Hengerűrtartalom Teljesítmény Nyomaték ISX 12 G / kw/le Nm ISL G / kw/le Nm ISL G NZ / kw/le Nm ISB 6.7 G / kw/le Nm 58. ábra: A Cummins ISL G NZ motorcsalád nyomaték- és teljesítménykínálata ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport) Korábban szerepelt a Cummins kínálatban egy 15 literes gázos változat is 475 lóerővel, azonban a jelenlegi, modellváltás utáni (2017-es modell), LE teljesítmény kategóriában kínált 15 literes dízelblokk gázos változata még nem került a kínálatba. Zajkibocsátás A dízelmotorok öngyulladásos égésfolyamatánál a földgáz égése kisebb zajkibocsátással jár. A reklámanyagokban a földgázmotorokat 5dB-lel adják meg csöndesebbnek a hasonló teljesítményű dízelmotorokhoz képest. Ha csak a motorok zaját mérjük, akkor ezt a nagyságrendet támasztja alá az 59. ábra is, ahol a korábban is összehasonlított hasonló teljesítményű Mercedes dízel és földgázmotor zajkibocsátása látható a motorfordulatszám függvényében. A két motor közötti különbség fordulatszámtól függetlenül 2-3dB. A típusbizonyítványokból vett táblázatokban, a korábbiakban a mért zajkibocsátást is feltüntettük. A típusbizonyítvány megszerzéséhez szabványosított mérések során az összehasonlított dízel- és földgázmotorok zajszintje közötti különbséget is rendszerint 0 és 2 db között írják.

76 ábra: A Mercedes M936NGT és OM936 motorok zajemissziója ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) A gyakorlatban a jármű zaját (annak erősségét) nem csak a motor zaja határozza meg. Mivel a motor a járműben be van burkolva, ezért a motorzaj egy jelentős szigetelésen keresztül jut a környezetbe. A kipufogórendszer kialakítása szintén nagymértékben befolyásolja a környezet zajterhelését. Emellett a járművek zaját elsősorban a gumiabroncsok gördülési zaja határozza meg, ez pedig elsősorban sebességfüggő (és függ még a gumiabroncs és a talaj tulajdonságaitól is). Ezen okok miatt a gyakorlatban a zaj erősségének a csökkenése nem minden esetben jelentős földgázmotorok alkalmazásával. Ennél többet számít a zaj spektruma, a földgázmotorok járása sokkal lágyabb, ami mindenképp kellemesebb az emberi fül számára. Motor átalakítás és fejlesztési potenciál A mai földgázmotorok, mint ahogyan korábban is említettük, a meglévő benzin-, vagy dízelmotorok átépítéséből jöttek létre. Mivel a földgázhajtású járművek piaca Európában jelenleg kicsi, ezért a motorgyártóknem motiváltak nagy fejlesztési költségeket beleölni a földgázmotorokba. A földgázmotorral hajtott járművek terjedését jelenleg csak az olcsó tüzelőanyag segíti, viszont a töltőállomás infrastruktúra hiánya gátolja. Természetesen, ha a földgázhajtású járművek nagyobb mértékben elterjednek, az magával fogja vonni a földgázmotorok fejlődését is. Egy alap benzin- vagy dízelmotor minden szempontból optimális földgázmotorrá való áttervezésének a lépései: - a földgáz égéséhez ideális égéstér tervezése a földgázüzemhez megfelelő kompresszió-viszonnyal,

77 - az ideális égésfolyamathoz szükséges keverékképző rendszer kialakítása szívócső- vagy közvetlen befecskendezés esetére. Benzin és dízel alapmotorok esetén is a befecskendező-szelepek maradhatnak az eredeti helyükön, - a földgázüzemmel megvalósított munkaciklushoz új szelepnyitási idők tervezése, - új turbófeltöltő illesztése a motorhoz, - kipufogórendszer és kipufogógáz utókezelő rendszer módosítása, - forgattyús mechanizmus kismértékű áttervezése a megváltozott mechanikai igénybevételekhez. A jelenleg használt földgázmotoroknál sok esetben csak az égéstér áttervezését és a keverékképző rendszer cseréjét végezték el. Ezt támasztja alá az is, hogy az újabb generációs földgázmotorok egyes tulajdonságaikban többször 20-40%-os javulást is el tudtak érni (például a fenti 936NGT Mercedesmotor). Ilyen mértékű javulás egy motorgeneráció váltásnál benzin- és dízelmotorok esetén teljesen elképzelhetetlen. A 60. ábrán egy példa látható, hogy az eredeti benzinmotor 8,8-as kompresszió-viszonyát, ha tisztán földgázzal való üzemeltetésnél 13,6-ra megemelik, akkor milyen mértékű hatásfokjavulást lehet elérni. A diagramon az is részletesen fel van tűntetve, hogy milyen gépészeti okok csökkentik az elméleti hatásfoknövekedését ábra: Kompresszió-viszony növelésének hatása földgázmotorokban ([741] CULT Powertrain: High Efficient CNG Engine with Direct Injection)

78 Turbófeltöltéses motorok földgázüzemre való áttervezésénél egy új turbófeltöltő illesztése nagymértékben javíthatja a motor üzemállapotait. A benzinhez képest a földgáz gyorsabb égése miatt a földgázmotorok kipufogógáz hőmérséklete alacsonyabb, ezt a gyújtás időzítésével módosítani lehet. A turbófeltöltő üzemállapotát a kipufogógázok hőmérséklete alapvetően meghatározza. A 61. ábrán három Ford motoros nyomaték karakterisztika látható: benzinmotor, földgázmotor az eredeti turbófeltöltővel és földgázmotor új turbófeltöltővel. Ezek kis lökettérfogatú személygépjármű motorok. A földgázmotor az új turbófeltöltővel alacsony fordulatszám tartományban még nyomatékosabb is az eredeti benzinmotornál ábra: Ford benzin- és földgázmotorok nyomatékkarakteriszikája ([710] Erdgas-spezifisches Downsizing Potenziale und Herausforderungen, Ford Werke GmbH, FEV GmbH) Turbófeltöltéses motornál vezetési kényelem szempontjából nagyon fontos a turbókésedelem csökkentése. Az említett Ford motornál új turbófeltöltővel ezt az időtartamot is csökkenteni lehetett még az eredeti benzinmotorhoz képest is közel 20%-kal. 62. ábra: A turbóillesztés fontossága földgázmotorokban ([710] Erdgas-spezifisches Downsizing Potenziale und Herausforderungen, Ford Werke GmbH, FEV GmbH)

79 Nagy általánosságban viszont a személygépjármű földgázmotorok a jelenlegi fejlettségi szintjükön nyomatékszegényebbek az azonos lökettérfogatú benzinmotorokhoz képest. Ez a legtöbb esetben az eredeti turbófeltöltő megtartásának köszönhető. Egy másik tanulmányban is egy ilyen összehasonlítás található. A motorok adatai a 63. táblázatban, a nyomatékkarakterisztikák a 64. ábrán láthatók. Alacsony fordulatszám tartományban a turbófeltöltővel való rosszabb együttműködés miatt a motor nyomatékszegényebb ábra: Azonos teljesítményű benzin- és földgázmotor összehasonlítása ([703] Antriebskonzept und Auslegung CNG- Motor für den DualX E-Drive im MBtech REPORTER, Dr. P. Dittrich, M. Kühn, Th. Hardt, Dr. B. Blankenbach, A. Kluger) A CNG személygépjárművek tesztjein is gyakran panaszolják a földgázmotorokkal kapcsolatban, hogy gyengébbnek érződnek a hasonló teljesítményű benzinmotorokhoz képest. A földgázhajtás reklámértéke érdekében fontos, hogy a jövőbeli fejlesztéseknél a gyártók nagyobb figyelmet fordítsanak a motor nyomatékkarakterisztikájára. 64. ábra: Benzin- és földgázmotor nyomatékkarakterisztikája ([703] Antriebskonzept und Auslegung CNG-Motor für den DualX E-Drive im MBtech REPORTER, Dr. P. Dittrich, M. Kühn, Th. Hardt, Dr. B. Blankenbach, A. Kluger) Haszongépjárművekben a földgázmotorok a dízelmotorokat helyettesítik. A dízelmotorok a más jellegű teljesítményszabályzozásuk és égésfolyamatuk miatt eleve nyomatékosabbak, mint az Otto körfolyamat elvén működő földgázmotorok. A vezetési élmény szempontjából itt is fontos a nyomatékkarakterisztikák hangolása a földgázmotorokban, mert csak így lehet versenyképes a dízelmotorokkal szemben.

80 Városi buszok emissziójáról ad információt a 65. ábra. A [810] (Erdgasbusse Die einzige wettbewerbsfähige Antriebsalter- native im ÖPVN., Michael Schaarschmidt) tanulmányban földgázhajtású városi buszflották tulajdonságait vizsgálták meg. A haszongépjármű földgázmotorok WHTC-ben mért emissziójánál láthattuk, hogy a dízelmotorokhoz képest a földgázmotorok szén-monoxid és elégetlen szénhidrogén emissziója sokszor magasabb. Említettük azt is, hogy jobb hatásfokú katalizátorral ezek a károsanyagok olcsón és hatékonyan átalakíthatók. A 62. ábrán látható a földgázmotorok tetemes előnye károsanyag kibocsátásban a dízelmotorokhoz képest, és a tanulmányban lévő mérési eredményekben a földgázmotorok szén-monoxid emissziója is lényegesen jobb a dízelmotorokénál ábra: Dízelmotor és földgázmotor károsanyag kibocsátása ([810] Erdgasbusse Die einzige wettbewerbsfähige Antriebsalter- native im ÖPVN., Michael Schaarschmidt) Végül összefoglalva a tisztán földgázzal hajtott belső égésű motorok tulajdonságai: - a szűk piac miatt a motorgyártók eddig nem öltek nagy fejlesztési pénzeket a földgázmotorokba. A kis teljesítményű (személygépjármű) földgázmotorok benzinmotorok, míg a nagy teljesítményű (haszongépjármű) földgázmotorok dízelmotorok konverziójával alakult ki, - az alacsony fejlesztési költségek miatt a jelenlegi földgázmotorok nagy többsége lehetne sokkal takarékosabb és környezetkímélőbb, - a széndioxid emisszió minden motornál legalább 10%-kal csökkent, - a motorok fajlagos fogyasztása némileg nagyobb, de ezt kompenzálja a tüzelőanyag sokkal alacsonyabb ára,

81 - a szén-monoxid és az elégetlen szénhidrogén emisszió több földgázmotornál is magasabb volt a dízelmotorokénál, azonban ezek a károsanyagok könnyen kezelhetőek, - a dízelmotorok nehezen és drágán kezelhető nitrogén-oxid és szilárdrészecske emissziója a földgázmotoroknál jelentéktelen, - a sztöchiometrikus földgázmotorok károsanyag kibocsátása alacsonyabb, mint a szegény keverékes földgázmotoroké, - a sztöchiometrikus földgázmotorok kipufogógáz utókezelése egyszerűen, hatékonyan és olcsón megoldható egy TWC katalizátorral, ami a dízelmotorokhoz képest óriási előny, - a földgázmotorok jelenleg szívócső és közvetlen befecskendezéssel is működhetnek, utóbbi a befecskendező-rendszer komplexitását leszámítva minden szempontból jobb, - a földgáz befecskendező-rendszerek a benzinbefecskendező-rendszerekhez hasonlóak, több gyártó is rendelkezik új fejlesztésekkel. Az alacsony rendszernyomás olcsóbbá teszi a keverékképző rendszert, főleg a dízelmotorokhoz képest, - a jelenlegi földgázmotorok nyomatékszegényebbek a benzinmotorokhoz képest (személygépjárművekben), de ez a probléma a jövőben kiküszöbölhető, - a földgázmotorok a dízelmotoroknál nyomatékszegényebbek a fojtószelepes teljesítményszabályozás miatt Dual-fuel földgázmotorok [789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs A dual-fuel (DF) motorok egyidejűleg kétféle tüzelőanyaggal működnek, azaz kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel rendelkeznek. A működési elva szénhidrogének eltérő összetételéből fakadó különböző égési tulajdonságainak kihasználásán alapul, ahol az égési folyamat rendszerint kompresszió-gyújtással indul. Találni példákat benzin, etanol, LPG és földgáz keverésére, ahol nem minden esetben a gázolaj az égés indító médium. Legújabb példaként a víz (mely természetesen nem szénhidrogén) égéstérbe fecskendezése nevezhető, ahol a felszabaduló oxigén javít az égési folyamat lefolyásán. Mindezidáig szélesebb körben a földgáz-gázolaj DF rendszerek terjedtek el. Az egyes működési rendszereket ezen belül is többféleképp kategorizáljuk. Az egyik alapvető kategorizálás az emissziós vizsgálatoknál a motor besorolását határozza meg. Eszerint van 81

82 1. DF dízelmotor 10 %-ot nem meghaladó földgáz hozzáadással, 2. DF motor % közötti földgáz részaránnyal, 3. DF gázmotor 10 %-ot nem meghaladó gázolaj részaránnyal. 82 A meghatározás energia alapon történik. A tipikusan földgázüzemre átépített dízelmotorok (második és harmadik kategória), ahol a hengerben megmarad az eredeti gázolaj befecskendező rendszer, viszont ráépítenek a motorra (általában a szívócsőbe) egy földgáz befecskendező rendszert is. A dízelmotoroknak rendszerint magasabb a kompresszió-viszonya a földgázmotorokhoz képest, ezért a motor égésterét át kell tervezni. A korszerű dízelmotoroknál az égéstér a dugattyúban van kialakítva, a földgázüzemhez ezért elegendő a dugattyú cseréje. 66. ábra: Dual-fuel dízelmotorok blokkvázlata ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs) A 2., 3. kategóriába tartozó dual-fuel motorok alapvetően földgázzal üzemelnek, ahol a gázolaj feladata a földgáz-levegő keverék begyújtása. A kettős keverékképző rendszer lehetőséget ad a kétféle tüzelőanyag arányával való játékra. A földgázüzemre való átépítés az alacsonyabb üzemeltetési költség mellett az alacsonyabb emisszió elérése érdekében is történik. A következőkben néhány példán keresztül a kétféle tüzelőanyag arányának a függvényében vizsgáljuk meg, hogy néhány dual-fuel motor szilárd részecske emissziója és nitrogén-oxid kibocsátása miként változik. A [740] (DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) forrásban található dual-fuel motoros vizsgálatnál alkalmazott belső égésű motor tulajdonságait tartalmazza a 67. táblázat. A motor a lökettérfogata alapján nehéz haszongépjárművek üzemeltetésére alkalmas.

83 ábra: A vizsgáltdual-fuel motor technikai paraméterei ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) A dízelmotorok emisszióját gyakran szokták olyan diagramon ábrázolni, ahol a két tengelyen a szilárd részecske emisszió és a nitrogén-oxid emisszió van. Az égésfolyamat során ennek a két károsanyagnak a keletkezése egymással kontra produktív, ezért a diagramokban sok dízelmotort megvizsgálva a pontok hiperbolák mentén helyezkednek el. A 68. ábrán látható, hogy a hengerbe jutatott gázolaj-földgáz összetétel függvényében hogyan változik a károsanyag kibocsátás. Mint már többször említettük, a földgáz égése sokkal tisztább, a földgáz részarányának a növelésével a szilárd részecske emisszió a töredékére csökken. 68. ábra: Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) A 69. ábrán egy másik vizsgálatban a szilárd részecskék méret szerinti eloszlását vizsgálhatjuk meg. A földgáz nagyobb arányú használata a motorban itt is jelentős emisszió csökkenést von maga után, a részecskék átlagos mérete a földgáz arányának növelésével némiképp nő.

84 ábra: Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése (méreteloszlás) ([715] Simultane Verbrennung Methan-benzin- und Methan-Diesel-Mischbetrieb, MTZ; Prof. Dr.-Ing rudolf flierl, DIPl.-Wirtsch.-Ing. Arne temp, DIPl.-Ing. AndreAs Wegmann, DIPl.-Ing. Andreas BarroIs, DIPl.-Ing. Stephan Schmitt) Visszatérve a [740] (DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) forrásban dokumentált mérési eredményekre. A tanulmányban elkészítették a dual-fuel földgázmotorok jellegmezőjét úgy, hogy az emissziót az eredeti dízelmotorral hasonlítottákössze. A 70. ábrán a nitrogén-oxid emisszió változás látható. A teljes terhelésű üzemtartományt leszámítva lényegében mindenhol jelentősen csökken a motor nitrogén-oxid kibocsátása. A hétköznapi használat szempontjából itt is fontosabb a kis terhelésű üzemtartomány, itt akár 50 90% is lehet a kibocsátás javulás. 70. ábra: Dual-fuel motor nitrogén-oxid emissziójának csökkenése a teljes üzemtartományban ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer)

85 A 71. ábrán a szilárd részecske emisszió változás látható. Itt az eredmények még drasztikusabbak. A kis terhelésű, de nagy fordulatszámú üzemtartomány kivételével a kibocsátás csökkenés 70 95%-os. A dízelmotorhoz képest a dual-fuel földgázmotor szilárd részecske emissziója valóban elhanyagolható ábra: Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése a teljes üzemtartományban ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) Végül tekintsük meg ugyanennek a motornak a szén-dioxid kibocsátását. Itt a teljes üzemtartományban 5 30 %-kal kedvezőbb eredményeket mutat a DF motor. A különbség kis terhelésen nagyobb (körülbelül 20%), ami itt is kedvező a hétköznapi használatban. 72. ábra: Dual-fuel motor szén-dioxid emissziójának csökkenése a teljes üzemtartományban ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer)

86 A [798] (Erdgas-Diesel-Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH) forrásban egy hasonló haszongépjármű dual-fuel földgázmotort hasonlítottak össze az alapjául szolgáló dízelmotorral. Az emissziós eredmények itt is az eddig tárgyaltakat támasztják alá. A 73. ábrán a károsanyag kibocsátások összehasonlítását láthatjuk. Az eredmények az Iveco földgázmotorok mérési eredményeihez hasonlóak, azaz a szén-monoxid és az elégetlen szénhidrogén kibocsátás magasabb, a nitrogén-oxid és a szilárd részecske kibocsátás viszont alacsonyabb, mint az eredeti dízelmotor esetében. A 74. ábrán metán hozzákeverés arányában a szilárd részecskék méreteloszlás szerinti mennyiségcsökkenést is láthatjuk ábra: Dízelmotor és dual-fuel motor emissziójának összehasonlítása ([798] Erdgas-Diesel-Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH) 74. ábra: Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése ([798] Erdgas-Diesel-Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH)

87 A vizsgálat eredményét foglalja össze a 75. ábra, a szén-dioxid kibocsátás csökkenés itt is 10% környékinek mondható ábra: Dízelmotor és dual-fuel motor emissziójának összehasonlítása ([798] Erdgas-Diesel-Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH) A DF motor fajlagos tüzelőanyag fogyasztását és az effektív hatásfokát pedig a 76. ábra. szemlélteti. A dual-fuel motor hatásfoka lényegében nem változott a dízelmotorhoz képest, a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás viszont néhány százalékkal alacsonyabb lett, ami bíztató eredmény. 76. ábra: Dízelmotor és dual-fuel motor effektív hatásfoka és fajlagos tüzelőanyag fogyasztása ([798] Erdgas-Diesel- Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH)

88 Összefoglalás a dual-fuel földgáz-gázolaj motorokról: 88 - egyszerű, akár utólagos átépíthetőség a dízelmotorokból, - az emissziós tulajdonságai hasonlóak a tisztán földgázmotorokéhoz, miközben a hatásfok értékek a dízellel maradnak azonosak - a motor kizárólag gázolajjal is működőképes marad, így infrastruktúra hiány esetén is üzembiztos, ami sok üzemeltető számára meghatározó érv lehet - a kettős tüzelőanyagellátórendszer kiegészülve a dízelmotorhoz igazodó összetett katalizátor rendszerrel drágábbá és bonyolultabbá, valamint nehezebbé teszi a kelleténél - a mono-fuel földgázmotorok a jövőben ki fogják szorítani a DF rendszert, olcsóbb és egyszerűbb voltukkal, továbbá a teljesen részecskementes emissziónak köszönhetően Bi-fuel földgázmotorok A bi-fuel motorok szintén kettős tüzelőanyag ellátó rendszerrel rendelkeznek, akárcsak a dual-fuel motorok. A bi-fuel motoroknál viszont egyidejűleg csak egy féle tüzelőanyaggal működtetjük a motort. Tipikusan eredetileg benzinmotoros személygépjárműveket alakítanak át úgy, hogy az eredeti benzintartályt esetleg kisebbre cserélik és CNG palackokat helyeznek el a járműben. A jármű eredeti benzinmotorját csak kis mértékben alakítják át, és kap a motor egy újabb befecskendező-rendszert a földgáz számára. Mivel a földgázmotorokhoz képest a benzinmotorok kompresszió-viszonya kisebb, ezért a benzinmotorok földgázzal is működtethetők. A benzinmotorok gyújtórendszere a földgáz-levegő keverék begyújtására változtatás nélkül alkalmas. Egy ilyen rendszer blokksémáját láthatjuk a 77. ábrán is. Természetesen az ilyen motorok egyáltalán nem optimálisak földgázzal való használat szempontjából. Mivel a belső égésű motornak mindkét tüzelőanyag számára meg kell felelnie, ezért mindkét tüzelőanyag hátrányos tulajdonságaihoz is alkalmazkodni kell, ami egyáltalán nem jelent optimális megoldást. A közelmúlt és a jelenlegi CNG-s személygépjárművek zöme bi-fuel rendszerű. A CNG töltőállomás infrastruktúra hiánya miatt célszerű megtartani a járműben a benzinnel való üzemeltetés lehetőségét is. Amennyiben a jövőben kiépül a földgáz töltőállomás infrastruktúra, a bi-fuel motorokat is teljesen ki fogják szorítani a tisztán földgázüzemű motorok.

89 ábra: A Bosch Bifuel Motronic rendszer blokksémája ([844] Gasoline-Engine Management, Robert Bosch GmbH) A 78. táblázatban a VW Caddy típusbizonyítványában szereplő emissziós adatokat hasonlítottuk össze. A földgázmotoros változat benzin-földgáz bi-fuel rendszerű. Emissziós eredményekben egyértelműen a földgázmotor verzió a legjobb, kivéve az elégetlen szénhidrogéneket. A szén-dioxid kibocsátás is szignifikánsan alacsonyabb mind a benzines és mind a dízelmotornál.

90 ábra: VW Caddy benzinmotoros, dízelmotoros és bi-fuel földgázmotoros verzióinak összehasonlítása típusbizonyítványok alapján ([832] VW Caddy típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) A fogyasztási adatokat átszámolva azonos mértékegységre kapjuk, hogy a 100 km-re vetített tüzelőanyag fogyasztásban a dízelmotor és a benzinmotor is jobbnak tűnik a földgázmotornál. Ez a különbség mono-fuel földgázmotor esetén sokkal kisebb lenne, sőt akár el is tűnne. Azonban a fogyasztás és CO 2 adatokat vizsgálat után a kép árnyalódik. Megállapítandó ugyanis, hogy a gázmotoroknál alkalmazott vizsgálati gáz összetétele alacsony sűrűséget képviselhet. Más oldalról pedig, az NEDC ciklusra idomított benzin és dízel járművek mérési profizmusa vélhetően nem jelenik meg a típusbizonyítványokban a gázmotor esetén. Erre a következtetésre juthatunk, amikor a német adatait vizsgáljuk (lekérdezési időpont ), ahol több mint félmillió felhasználó, közel 10 milliárd megtett kilométerének statisztikáját lehet vizsgálni. Mivel a járműgyakoriság lényegesen nagyobb, ezért a Golf VII példáját elemeztük (beállítás: gyártás 2014-től, 110 LE) a gyakorlat és az NEDC összehasonlítása során. A Golf esetén viszonylag stabil mintavételből megállapítható, hogy a benzines változat átlagos többletfogyasztása 33 %, így az az NEDC-hez képest korrigált CO 2 kibocsátás 156 g/km, a BlueMotion dízelváltozat eltérése a fékpadi vizsgálathoz képest + 60 %, így a CO 2 kibocsátás 142 g/km. A földgázos változat eltérése viszonylat alacsony, 21 %-os, a korrigált CO 2 kibocsátása pedig 114 g/km. Az ÜHG elkerülés valós üzemben a benzineshez képest 27 %, a dízelhez mérten pedig 20 százalék. Megállapítható tehát, hogy a még jelentős fejlesztési potenciállal rendelkező 1,4 TGI a közúton már így is nagyon jelentős előnyt mutat a benzin és gázolajos típusváltozatokhoz képest.

91 91 Változat Loggolt járműs zám NEDC átlag 1,2 TSI (110 LE) 64 4,9 l/100 km Spritmonitor átlag és százalékos többlet 6,54 l/100 km + 33 % Spritmonitor fogyasztás eloszlásgörbe 1,6 TDI BlueMotion (110 LE) 164 3,4 l/100 km 5,44 l/100 km + 60 % 1,4 TGI BlueMotion (110 LE) 114 3,4 kg/100 km 4,13 kg/100 km +21 % 79. ábra: VW Golf fogyasztása és CO 2 kibocsátása az NEDC menetciklus és a spiritmonitor.de eredményei alapján ([838] VW Golf CO2 kibocsátása NEDC és valós fogyasztási átlag szerint (spiritmonitor.de alapján), MGKKE)

92 A földgázüzemű járművek tulajdonságai és üzemeltetése Járműkínálat, járművek felépítése A jelenlegi járműkínálat Európában: 1. Személygépjárművek és kishaszongépjárművek esetében több európai járműgyártó is rendelkezik földgázmotoros modellekkel. Legtöbbjük benzin-földgáz bi-fuel rendszerű. Ilyen modelleket már évvel ezelőtt is lehetett kapni, a kezdeti időszakkal szemben azonban ma már csak feltöltött motorokat kínálnak a gyártók. Ezek a járművek minden esetben CNG tartállyal vannak felszerelve, némelyek a súlycsökkentés érdekében kompozit palackkal. 2. Tehergépjárművek, nyerges vontatók és buszok kezdetbencng-s változatok voltak, ma azonban már több LNG-s változat is kapható. Igazán nagy teljesítményű földgázmotor (12-13 literes kategória) az Euro V-ös DF Volvo lejárata óta Európában nincs a piacon, de még 2016-ban érkezik az IVECO-tól és a Scania-tól is. A kisebb hatótáv és általában a középnehéz kategóriára méretezett 300LE körüli teljesítmények miatt eddig elsősorban a helyi közlekedésben jelentek meg a földgázmotoros járművek. A nagy távolságú áruszállításban való elterjedéshez szükség lesz a nagy dízelmotorokhoz hasonló teljesítményű földgázmotorra is ( LE tartományban), aminek a hatótávolsága is elfogadható (LNG). A földgázmotoros járművek felépítése: 3. Személygépjárművek esetén nehezebb a helyzet, ugyanis sokkal fontosabbak a járműben a helykövetelmények. A CNG palackokat rendszerint a hátsó tengely elé és mögé helyezik el, ahol a benzintartály is helyet szokott kapni. Az ilyen járművekben rendszerint a csomagtérben már nincs hely a pótkerék elhelyezésére. A CNG palackoknak nagyobb a tömege, mint az eredeti dízelmotoroknak, ez némiképp megváltoztatja a jármű dinamikai tulajdonságait. 80. ábra: Bi-fuel jármű felépítése CNG tartályokkal ([745] VIAVISION, Mit Erdgas nachhaltig MobilDie CO2-freundliche Alternative)

93 ábra: Mercedes bi-fuel jármű felépítése CNG tartályokkal ([745] VIAVISION, Mit Erdgas nachhaltig MobilDie CO2- freundliche Alternative) 4. Haszongépjárművekben és buszokban a CNG és LNG tartályok elhelyezése lényegesen egyszerűbb. Autóbuszoknál a CNG tartály rendszerint a tetőn helyezhető el, teherautóknál pedig a gázolajtartály helyére kerülnek a palackok. LNG-s változatok egyértelműen a gázolajtartály helyére épített kriogén-tartállyal egyszerűen kialakíthatóak. Személygépjárműveknél a jármű hatótávolsága kevésbé jelent nagy hátrányt, mint a haszonjárműveké. A gyári kialakítású CNG-s személygépjárművek hatótávolsága km közötti, amit a benzintartályok eltérő mértékben egészítenek ki. A kis hatótávolság az elektromos járműveknél szokott nagy problémát okozni, ott viszont a legnagyobb probléma a lassú tölthetőség. Ez azonban a földgázmotoros járművekre nem jellemző. Az LNG-s járművek mintegy 800 km-es hatótávolsága mellett lényegében ugyanolyan gyorsan utántölthetőek, mint dízelek. A CNG-s haszonjárművek utántöltési ideje töltőállomás függvényében némiképp lehet hosszabb Üzemeltetés költsége, hatótávolság A járműüzemeltetés költségének a legjelentősebb hányadát a tüzelőanyag ára teszi ki. A PAN-LNG Tanulmány több fejezete is foglalkozik az energiahordozó költségekkel, ezért eben a fejezetben csak érintőlegesen említendő, hogy a földgáz-hajtás szinte minden országban a kedvező üzemanyagár miatt vonzó.

94 ábra: Tüzelőanyagok árának összehasonlítása energiatartalom szempontjából ([739] Gas a bridging technology for future mobility? Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) A földgázmotorok jelenlegi fejlettségi szintjükkel hasonló vagy némileg magasabb tüzelőanyag fogyasztással működnek a hagyományos motorokhoz képest, a piacképességüket éppen a földgáz (és ezen belül a CNG és az LNG) alacsony és stabil piaci ára adja. A Shell anyagából a 82. ábrán láthatóak a tüzelőanyagok közötti árkülönbségek. Tekintsük a haszonjárművek és buszok üzemeltetési költségét és hatótávolságát. A [797] (CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE) tanulmányban városi közlekedésben kis távolságokat megtevő járművek (3 tengelyes hulladékgyűjtő gépkocsik) üzemeltetési költségeit vizsgálták hosszú időn keresztül. A vizsgált földgázmotoros jármű CNG tartállyal volt felszerelve, és egy azonos típusú és teljesítményű dízelmotoros járművel hasonlították össze. A 83. táblázatban láthatók a mérési eredmények. A vizsgálati időszak alatt 25% költségmegtakarítást sikerült elérni. A használási módjuk miatt a haszonjárművek és a buszok üzemeltetése sokkal könnyebben tervezhető. A CNG buszoknak és haszonjárműveknek elsősorban a helyi, kis távolságú közlekedésben van létjogosultsága a kisebb hatótávolság miatt. A 84. táblázat egy összehasonlítást mutat a dízel, az LNG és a CNG buszok között több szempontból. Itt az LNGs jármű hatótávolsága megegyezik a dízel járműével, a CNG-s busz hatótávolsága némileg kisebb. Érdekes információ még, hogy a tüzelőanyag tároló tartály vagy palack hol helyezkedik el a járműben. A gázolajtankot az első tengely mögé, az LNG tartályt a jármű hátuljába, a CNG palackokat pedig a jármű tetején helyezték el.

95 ábra: Helyi közlekedésű áruterítő haszonjárművek üzemeltetési költségeinek a vizsgálata ([797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE) 84. ábra: Dízelmotoros, CNG és LNG helyi közlekedésben részt vevő buszok tulajdonságainak az összehasonlítása ([713] LNG fuel of future, DANUBE LNG, E.E.I.G.) A nagy távolságú utas- és áruszállításban van jelentősége a hatótávolságnak. Nyergesvontatóknál a dízelmotoros járművek hatótávolsága akár a 2500km-t is elérheti. A nemzetközi fuvarozásban résztvevő cégek jelentős tüzelőanyagköltség megtakarítást tudnak elérni azáltal, hogy az útvonalon mindig abban az országban tankolnak, ahol a

96 legalacsonyabb a gázolaj ára. Ebben a szegmensben a CNG-s járműveknek a kis hatótávolság miatt ( km) nincs létjogosultsága. Az LNG-s járművek nagyobb eséllyel piacképesek a dízelmotoros járművekkel szemben Vizsgálati összefoglaló földgázmotoros buszok emissziós eredményeiről [845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016 A korábbi fejezetekben az emissziós eredményeket elsősorban a típusbizonyítványokban szereplő adatok alapján elemztük ki részletesebben. Sokkal reprezentatívabb képet ad azonban a valós körülmények között mért emisszió. Az MGKKE megbízásából a KTI Nonprofit Kft. Közlekedésinformatikai és -környezeti Igazgatóság Környezetvédelmi és Fenntarthatósági Kutató Központ összehasonlító méréseket végzett dízelmotoros és földgázmotoros helyi közlekedésben részt vevő buszokon. A kipufogógáz összetevőit AVL gyártmányú hordozható emissziómérő berendezéssel (PEMS, Portable Emission Measurement System) mérték. A PEMS rendszer a hátsó tengely mögötti bal oldalon, az ülések kivétele után, azok helyén lett elhelyezve. Az üléstartókra a rendszert tartó keret került rögzítésre, amelyre lett a PEMS felépítve. A mérőrendszer méri a kipufogógáz tömegáramát és az összetételét is. Az emisszió mellett a légköri paraméterek és GPS segítségével a jármű által megtett út mérésre került. A mérést a Miskolc Városi Közlekedési Zrt. járművein végezték, három különböző viszonylaton. A buszok a vizsgálat idejére 6 tonna műterhelést kaptak. Kiválasztott viszonylatok Miskolcon: 29, 31, 35. Viszonylatok fordulóhossza: - 29: 23,6 km, - 31: 16 km, - 35: 9 km. Vizsgálati gyakoriság: 3 mérés/viszonylat Vizsgált károsanyag-komponensek: NO, NO 2, CO, CO 2, THC, O 2, szilárd részecske. A vizsgált járművek: - Dízelmotoros Neoplan 489 EURO IV (2016. március 21.-március 25.) - Földgázmotoros MAN Lions City GL CNG EURO VI (2016. március 29. április 1.) 96

97 ábra: A vizsgált járművek: Neoplen 489 és MAN Lions City GL ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) A vizsgált járművek legfontosabb műszaki paramétereit tartalmazza az alábbi táblázat. Motor teljesítmény [kw] Összlökettérfogat [cm3] Neoplan MAN Tömegek [kg] Saját tömeg Terhelés Méréskori össztömeg Megengedett össztömeg Neoplan MAN ábra: A vizsgált buszok főbb műszaki paraméterei ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) 87. ábra: A hordozható emissziómérő berendezés a buszokba beszerelve ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016)

98 98 29-es viszonylat CO 2 CO NO 2 NO HC részecske [g/teszt] Dízel (EURO IV) ,4 132,8 183,1 5,03 0,0789 Földgáz (EURO VI) ,4 1,3 6,6 5,4 0,0177 Változás [%] es viszonylat CO 2 CO NO 2 NO HC részecske [g/teszt] Dízel (EURO IV) ,04 138,2 155,6 6,23 0,0592 Földgáz (EURO VI) ,31 0,92 7,5 4,89 0,0101 Változás [%] ös viszonylat CO 2 CO NO 2 NO HC részecske [g/teszt] Dízel (EURO IV) ,7 71,1 97,5 1,26 0,0754 Földgáz (EURO VI) ,5 0,51 3,3 5,4 0,0279 Változás [%] ábra: A buszok emissziós eredményei ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) A mért emissziós eredmények majdnem minden esetben a földgázmotoros busz előnyét mutatják a dízelmotorossal szemben (88. ábra): - az üvegházhatást okozó szén-dioxid emisszió csökkenése %-os. Azonos fajlagos fogyasztás esetén a szén-dioxid emisszió csökkenés 25 % lenne, ami azt jelenti, hogy a földgázmotoros busz fajlagos fogyasztása csak kis mértékben marad el a dízelmotorosétól. Ismerve a földgázmotorok jelenlegi fejlettségi szintjét, ez egy kedvező eredmény a földgázmotoros buszok számára, - a mérgező szén-monoxid emisszió csökkenése %-os, - a nitrogén-oxid emisszió csökkenése drasztikus eredményt mutat, közel 100 %-os, - az elégetlen szénhidrogén emisszió az egyetlen károsanyag a földgázmotoros busznál, melynek az eredményei nem bizonyultak minden esetben jobbnak a dízelmotoros buszénál, - a szilárd részecske emisszió a korábbiakhoz hasonlóan itt is lényegesen kisebb a földgázmotoros busznál, körülbelül negyedére csökkent. A 89. a 90. és a 91. táblázatban a szilárd részecske, a szén-dioxid és a nitrogén-oxid emisszió kilométerre vetített mennyiségeinek az összehasonlítása tekinthető meg. A kilométerre eső abszolút mennyiségek a levegő szennyezésének a számításához fontos értékek.

99 99 Viszonylatszám Szilárd részecske [g] Összesen Dízel 0,0789 0,0592 0,0454 CNG 0,0177 0,01 0,0278 Különbség 0,0612 0,0492 0,0176 0,128 Megtett táv 23, ,6 Km-re eső különbség 0, , , , Km-re eső átlagos különbség 0, ábra: A km-re vetített szilárd részecske emisszió ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) Viszonylatszám CO 2 [g] Összesen Dízel CNG Különbség Megtett táv 23, ,6 Km-re eső különbség 298, , , ,7654 Km-re eső átlagos különbség 253, ábra: A km-re vetített CO 2 emisszió ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) Viszonylatszám NO x [g] Összesen Dízel NO 2 132,8 138,2 71,1 342,1 Dízel NO+NO 2 183,1 155,6 97,5 778,3 CNG NO 2 1,3 0,92 0,51 2,73 CNG NO+NO 2 6,6 7,5 3,3 20,13 Megtett táv 23, ,6 Km-re eső átlagos különbség NO 2 6, Km-re eső átlagos különbség NO+NO 2 15, ábra: A km-re vetített NO x emisszió ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016)

100 Hibrid földgázmotoros megoldások A [784] (T. On-line measurement and removal of biogas trace compounds VTT, Arnold M., Kajolinna, Technical Research Centre of Finland) publikáció a range-extenderhibrid hajtáslánc koncepciókat kutató FP7 keretében végrehajtott programról szól. Az eltérő hibridkoncepciókban a villanymotor és különböző belső égésű motorok dolgoznak együtt: 1. egy forgódugattyús benzinmotor (hibrid hajtásrendszerekben előnyös a kompakt építésmódja), 2. egy 3 hengeres benzinmotor, 3. és egy 2 hengeres földgázmotor. A vizsgálatok során hosszú távú tesztelések eredményeképpen megvizsgálták a járművek tüzelőanyag fogyasztását, emisszióját, feltételezhető vételárát és üzemeltetési költségeit. A koncepciókkal szembeni kezdeti elvárások a 92. táblázatban vannak összefoglalva ábra: Az összehasonlított hibrid rendszerek tulajdonságai ([784] T. On-line measurement and removal of biogas trace compounds VTT, Arnold M., Kajolinna, Technical Research Centre of Finland) Miközben a wankel-motoros és a háromhengeres hibrid egy-egy kisautó kategóriába tartozó, a földgáz-hibrid pedig egy 3,5 tonnás áruszállító, a táblázatból látható, hogy fajlagos tüzelőanyag fogyasztásban és ÜHG emisszióban egyértelműen a földgázmotoros hibridhajtás bizonyult a legjobbnak, az eredmények hasonlóak a korábban bemutatott földgázmotoros eredményekhez. A 93. ábrán megtekinthető a földgázmotoros hibrid jármű felépítése. A hajtásrendszert egy Iveco Daily kishaszongépjárműbe szerelték. A típus érdekessége, hogy gyárilag létezik CNG-s,

101 illetve tisztán elektromos változata is, utóbbiból alakították ki a kísérleti modellt. Megmaradt a 30 kw-os aszinkron háromfázisú motor (mely eredetileg csúcsterhelésben 60 kw-ra terhelhető), valamint a két Zebra Z5 NaNiCl 2 akkupakk. A motor földgázellátásáhoza gyári elhelyezésű CNG palackok közül a tömegcsökkentés érdekében csak kettőt tartottak meg (összesen 56 l, mintegy 8 kg gáz). A 3,5 t-ás össztömegű, 8 mázsa hasznos terhelhetőségű Dailyvel szemben támasztott elvárás: városi környezetben egy napi terítési feladat energiahatékony teljesíthetősége, amihez 120 km hatótávolság elégséges, sebessége pedig korlátozott. A vizsgált ciklusban átlagosan 400 méterenkénti megállás, km/h átlagsebesség szerepelt, tipikus csomagszállító feladatkör. A range-extender soros hibrid hajtáslánc koncepcióhoz bőségesen elegendő egy 2 hengeres, 875 köbcentis feltöltött, 12:1- re növelt kompresszió-viszonyú FIAT belsőégésű motor és a hozzákötött generátor együttese, 45 kw névleges kimenő teljesítménnyel ábra: A földgázmotoros hibrid hajtásrendszer felépítése ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) A generátor hatásfok optimumot a kalibrálás során illesztették a belsőégésű motor hatásfok térképéhez. A munkapont meghatározásához az ideális metszéspontot a vibrációs mérés eredményének figyelembevételével határozták meg.

102 ábra: A belsőégésű motor és generátor optimális munkapontjának meghatározása a hatásfok csúcsokon ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) A kísérleti járműveknél azt is vizsgálták, mennyibe kerül az üzemeltetés. A20 kwh kivehető akkuteljesítménnyel mintegy 50 km tisztán elektromos hatótávra és további jó 80 km generátor üzemre képes hibrid Dailynél figyelemreméltó eredményre jutottak. 95. ábra: A vizsgált cikluson alkalmazott stratégia és akkucsomag töltöttség változása (SOC)a 133,92 km megtétele során ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) A 96. ábrán részletesen bemutatják, hogy az üzemeltetési költségek milyen összetevőkből állnak a kétféle hajtási mód esetén. Az üzemeltetési költségeket természetesen nem

103 103 kizárólag a jármű TTW hatásfoka, hanem a földgáz (0,0735 /kwh) és az elektromosság ára (0,15 /kwh) határozza meg döntően. 96. ábra: Földgázmotoros hibrid és tisztán elektromos jármű üzemeltetési költségeinek az összehasonlítása, miközben a CNG ára 0,965 /kg, a hálózati villanyáram ára 0,15 /kwh, ami 0,4 /kwh akkumulátorból származó energiaköltséget eredményez ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) Tizenötezer km éves futásra számolva ahibrid jármű megtett útra vonatkoztatott üzemeltetési költsége 2520, közel 28%-kal alacsonyabb a tisztán elektromosan hajtott jármű 3482 üzemanyag költségénél. Az eredményhez érdemes hozzátenni, hogy a spritmonitor.de nem nagyszámú statisztikája alapján a gyári CNG változat egy jellemzően városi forgalomban (de nyilván sokkal kevésbé szigorú start-stop ciklus alapján) mintegy 12,4 kg/100 km-es fogyasztását alapul véve, a km-es táv gázköltsége Az eredmény elgondolkodtató abból a szempontból is, hogy a jövő járműhajtási módjának a közvélemény egyértelműen a tisztán elektromos hajtást tartja, mely jelentősen költségesebb, mint a gázhajtás Földgázmotorok versenyképessége felhasználási mód szerint CNG palackokban tárolt tüzelőanyag: Személygépjárművek és kishaszongépjárművek számára ideális alternatíva, a hagyományos hajtási módokhoz képest kisebb hatótávolsággal. Jelenleg elsősorban bi-fuel megoldásokkal lehet találkozni, a jövőben a mono-fuel motorok térhódítása várható, mivel a legtöbb szempont alapján kedvezőbbek. Helyi közlekedésre, terítő fuvarozásra a CNG palackokkal szerelt kistehergépjárművek is egy ideális alternatívát képviselnek. Itt nem szükséges a nagy hatótávolság, és a CNG palackok olcsóbb ára az LNG tartályokhoz képest versenyképessé teszi őket. Helyi közlekedésben részt vevő buszok számára a CNG-földgázmotoros hajtás szintén ideális alternatíva, erre számos példa található már ma is Magyarországon is.

104 104 Hibrid hajtásrendszerekben is komoly létjogosultsága van a CNG-földgázmotoros hajtásnak. Ezzel a kombinációval egy igen környezetbarát jármű valósítható meg. Személygépjárművekbe és kishaszongépjárművekbe célszerű alkalmazni elősorban. LNG tartályokban tárolt tüzelőanyag: A CNG-hez képest némi felárért cserébe (drágább tartály) lényegesen nagyobb hatótávolságot kaphatunk. Az LNG tartály összetettsége miatt személygépjárművekben nem igazán alkalmazható. Tehergépkocsikban rendelkezésre áll a hely az LNG tartályok számára, és a nagyobb hatótávolság versenyképessé teheti. Nagyobb áruterítő lefedettség igény esetén ideális megoldás lehet logisztikai tevékenységet végző vállalkozások számára. Távolsági buszjáratokban az LNG-s földgázmotor ideális alternatívája lehet a konvencionális dízelmotoros hajtásrendszereknek. Nyerges vontatóknál szintén versenyképes alternatíva az LNG-s földgázmotor a hagyománonyos dízelmotor mellett. Megfelelő töltőhálózat infrastruktúra esetén akár a nemzetközi fuvarozásban is alkalmazhatóvá válik. A duel-fuel földgázmotorok széleskörű elterjedése a közúti közlekedésben a jövőben nem várható.

105 CNG és LNG tárolása és utántöltése gépjárművekben Gázüzemű járművek biztonságos üzemeltetése és forgalomba helyezése A [792] ENSZ EGB R110-es szabályozás alapján. [789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs A kisfogyasztók hiedelmeivel ellentétben a tűz és robbanásveszély tekintetében a földgáz a legkevésbé kockázatos tüzelőanyag. Közel kétszer könnyebb, mint a levegő ezért baleset esetén igen gyorsan a levegőbe disszipál. Gyulladási hőmérséklete magas, 650 C; ráadásul szűk gyulladási tartománnyal rendelkezik. CNG-levegő elegy 5-15 tf% között gyulladóképes. A CNG tartályok sokkal erősebbek a benzintartályoknál (bár ennek hátrányaként nehezebbek is). Az előírások teljesítése érdekében a fejlesztők több tucat rendkívül szélsőséges tesztnek vetik alá őket: ilyenek az extrém hő és nyomáspróba, lövéspróba, ütközési próba, tűzpróba. A Type I tartályokvastag falú acélból készülnek, egy darabból, hegesztés nélkül készül. Súlya viszonylag tetemes többletsúlyt jelent a járműnek. A Type III és Type IV kompozit-tartályok súlya %-kal kisebb lehet. Ez esetben vékonyabb fémköpenyre (Type III) szénszálat, illetve műanyag hordozófelületre (Type IV) üvegszálat tekernek fel, amit műgyantába ágyaznak. Maximális üzemi nyomás 260 bar lehet (üzemi nyomás éghajlattól függő, de ezt az értéket nem haladhatja meg), ezt a nyomást veszély nélkül el kell viselniük. Minden palackot a névleges nyomás 1,5-szeresére kell tesztelni. A Type III esetében a 700-baros nyomásértékeket is képesek megtartani. A gázpalackokat a jármű legkevésbé sérülékeny részében igyekeznek elhelyezni, amely általában a hátsó tengely előtt, személygépjárművekben a csomagtartó és az utaskabin között jellemző. A palackoksérülésének valószínűsége balesetkor 1-5 %. A német ADAC által végrehajtott törés- és tűzvédelmi-teszt legfontosabb eredményei (87. ábra): 4. A fém vázszerkezetben elhelyezett gáztartályok frontális és oldalirányú ütközés esetén a karosszéria nagymértékű deformációja mellett is megtartották eredeti pozíciójukat. 5. Tömítetlenség a teljes gázrendszerben nem lépett fel. 6. Gázüzemű járműveknél a tűzveszély nem növekszik.

106 ábra: ADAC gázüzemű jármű tűzvédelmi teszt ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs) A megfelelő balesetbiztonsági szintet a tartályra szerelt biztonsági berendezés hivatott biztosítani. A 98. ábrán látható egység biztosítja a palackban lévő gáz biztonságos lezárását. Gyújtás kikapcsolása esetén a mágnesszelep automatikusan elzár. Szükség esetén a kézi szelep is elzárható. A palackszerelvénybe áramláskorlátozó szelepet építenek (integrált visszacsapó szelep): akkor zár, ha a csővezetékben valamilyen okból nagy tömítetlenség keletkezik. (Legfeljebb 1 l/min tüzelőanyagot enged át.) Veszélyes mértékű nyomás és C hőmérséklet hatására a palackban lévő gáz a túlnyomás kialakulásának megelőzése érdekében egy megfelelő mérető furaton távozik (olvadóbiztosító lefúvószelep), ami megvédi a palackot a felrobbanástól. 98. ábra: Gázüzemű járművek biztonsági szelepe ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs) A megbízható üzemelés szempontjából lényeges, hogy gáz tüzelőanyag alkalmazásával a belsőégésű motor mechanikai élettartama várhatóan növekszik, de figyelni kell a szívószelep ülék kopására, valamint a kenőolaj hígulására. Az esetleges meghibásodások eredhetnek a gázösszetételből (víztartalom, páralecsapódás). Gázzal hidegindítási problémák jelentkezhetnek, illetve általában a tüzelőanyag-ellátó rendszer elektronikai elemei okozhatnak hibát (különösen utólagos beépítés esetén). Jogszabályok rögzítik a tüzelőanyag-tartály minősítő eljárását (jóváhagyás ENSZ EGB110 alapján szükséges) és az időszakos felülvizsgálati rendet. A továbbiakban ezért áttekintjük a

107 gázüzemű jármű forgalomba helyezésére és üzemeltetésre vonatkozó jogszabályokat. A vonatkozó jogszabályok folyamatos finomítása, módosítása miatt alkalmazásuk esetén aktualizálásuk szükséges A közúti járművek gázüzemével kapcsolatos forgalomba helyezési és forgalomban tartási műszaki feltételek A közúti járművek műszaki megvizsgálásáról szóló 5/1990. (IV. 12.) KöHÉM rendelet (a továbbiakban: ER.) valamint a közúti járművek forgalomba helyezésének és forgalomban tartásának műszaki feltételeiről szóló 6/1990. (IV. 12.) KöHÉM rendelet (a továbbiakban: MR.) alkalmazásában a gépjárművek gázüzemével kapcsolatos fogalmak meghatározása az alábbi. Autógáz: - a cseppfolyós gáz (propán, propilén, bután, izobután, izobutilén, butilén, valamint ezek elegyei), - a sűrített földgáz (CNG), - egyéb gáz. A jövőben a cseppfolyósított földgázt (LNG) is autógázként kell tekinteni a fogalom meghatározásban is. Gázüzemű jármű az, amelynek üzemanyaga autógáz, ezen belül: - tiszta gázüzemű jármű az, amely kizárólag autógázzal, - vegyes üzemű jármű az, amely egyidejűleg autógázzal és egyéb üzemanyaggal, - kettős üzemű jármű az, amely vagy autógázzal vagy, egyéb üzemanyaggal üzemeltethető. Gázüzemű gépjárművek forgalomba helyezése A forgalomba helyezés előtti vizsgálat elvégzését - általános, sorozat, illetőleg egyedi forgalomba helyezési engedély alapján - az NKH regionális igazgatóságától kell kérni. Nem kell forgalomba helyezés előtti vizsgálatra bemutatni azt a forgalmazó által értékesített járművet, amelynek típusára vonatkozóan az NKH Közép-magyarországi Regionális Igazgatósága a típusjóváhagyási eljárás keretében Megfelelőségi nyilatkozat alkalmazásával történő forgalomba helyezést engedélyezett. Azokat a járműveket, amelyek egyaránt képesek benzin, ill. gáz tüzelőanyaggal működni, de amelyeknél a benzinüzemű rendszer végszüksége esetére, vagy indítás céljából van beépítve 107

108 és a benzintartály legfeljebb 15 liter benzin befogadására alkalmas, a típusvizsgálat céljából olyan járműveknek kell tekinteni, amelyek csak gázüzemre alkalmasak. A sorozat és az egyedi forgalomba helyezési engedély alapján végzett forgalomba helyezés előtti vizsgálat során a forgalomba helyezési engedélyben foglalt adatokkal való egyezést, az azokban foglalt feltételek teljesítését, továbbá - az MR 5-8., 17., 19., 21. -aiban foglaltak kivételével - az üzemeltetési műszaki feltételek megtartását kell ellenőrizni. Forgalomba helyezett gépjárművek tüzelőanyag-ellátó berendezésének átalakítása: A forgalomban levő jármű kialakítása, felszereltsége és tulajdonságai csak abban az esetben változtathatók meg, ha a változás a jármű közlekedésbiztonsági és környezetvédelmi jellemzőit nem rontja le. A változással érintett közlekedésbiztonsági tulajdonságok tekintetében az MR további műszaki feltételeit is alkalmazni kell. A már forgalomba helyezett gépjármű, átalakításához szükséges előzetes engedélyt az NKH regionális igazgatóságától, a járművek sorozatszerű (5 darabot meghaladó mennyiségű) átalakításakor az NKH Közép-magyarországi Regionális Igazgatóságától kell a jármű tulajdonosának kérnie. A kérelemhez csatolni kell az elbíráláshoz szükséges műszaki dokumentációt. Mellékleteiben meghatározott valamely közlekedésbiztonsági vagy környezetvédelmi követelmény tekintetében a jármű gyárilag kialakított jellemzőinek romlását eredményezi. Az átalakított járművet - kivéve a sorozatszerűen átalakított járműveket időszakos vizsgálatra az NKH regionális igazgatóságánál be kell mutatni. A vizsgálatot az átalakításra adott engedély, birtokában lehet kérni A sorozatszerűen átalakított járműveket az NKH regionális igazgatóságánál kell vizsgálatra bemutatni. E vizsgálat elvégzésére a sorozatszerű átalakítást végző gépjárműfenntartó szervezetet az NKH Közép-magyarországi Regionális Igazgatósága - meghatározott feltételekkel feljogosíthatja A gázüzemű járművekre vonatkozó külön rendelkezések A gázüzemű jármű minden egyedi hatósági vizsgálata során be kell mutatni a gázüzemanyag-ellátó berendezés megfelelőségét igazoló, 30 napnál nem régebben kiállított tanúsítást. A tanúsítást a gáz-üzemanyag-ellátó berendezés javítására - a Műszaki Biztonsági Főfelügyelet által - alkalmasnak minősített gépjárműfenntartó szervezet nevében, a gépjárműfenntartó szervezet vezetője által felhatalmazott dolgozója - a külön jogszabály szerint elvégzett gázbiztonsági szemle alapján - állítja ki. A gáz-üzemanyag-ellátó berendezést csak kijelölt gépjárműfenntartó szervezet javíthatja. A gázüzemű jármű hatósági engedélye legfeljebb a gáztartályhoz kiállított megfelelőségi tanúsítvány érvényességéig terjedő időre érvényesíthető. 108

109 ábra: A tanúsítás mintája a gázbiztonsági szemléről (1/1990. (IX. 29.) KHVM rendelet 4. számú melléklete) A gyakorlat azonban azt mutatja, hogy a 99. ábrán feltűntetett gázbiztonsági szemle megtörténtét tanúsító igazolás sajnálatos módon nem szolgálja a szükséges biztonságot. Sem az igazolás eredetisége, sem pedig az R110 előírásaival koherensen, annak következetes végrehajtásáról nem tud az igazolás megnyugtató képet adni. Emiatt a 2/2016 NGM rendelet folyományaként az R110 mellékletének megfelelő vizsgálati protokoll kiállítására és annak zárt informatikai rendszerben történő kezelésére van szükség. A PAN-LNG Projekt részeként erre a problémára is szükséges megoldást találni. A tüzelőanyagellátó berendezésre vonatkozó műszaki feltételek A belő égésű motorral ellátott járművön a tüzelőanyag-tartályt és a tüzelőanyag-vezetéket olyan állapotban kell tartani, hogy a tüzelőanyag azokból ki ne ömöljön, ki ne csepegjen, és ne szivárogjon. A tüzelőanyag-tartályt zárófedéllel kell ellátni. A gázüzemű jármű gázüzemanyagellátó berendezésének jóváhagyási jellel ellátottnak kell lennie, továbbá a járműbe történő beszerelésének és állapotának tanúsítottnak kell lennie. A gáz üzemanyag-ellátó berendezés egyes elemeit a berendezéshez tartozó az NKH regionális igazgatósága, illetőleg az NKH Közép-magyarországi Regionális Igazgatósága által a jármű gázüzeművé történő átalakításának, vagy egyedi forgalomba helyezésének engedélyezési eljárása során jóváhagyott - beszerelési utasításnak megfelelően kell beszerelni és rögzíteni.

110 A gázüzemű jármű gáztartályának: sérülésmentesnek kell lennie, - rendelkeznie kell: o jóváhagyási jellel, amelyet a gáztartály adattábláján a gyártó - 10 évnél nem régebben elvégzett - beütéssel igazolt, vagy o Megfelelőségi Tanúsítvánnyal, vagy Tanúsítvánnyal, amelyet a műszaki biztonsági hatóság területi szerve adott ki a tartályhoz, továbbá - a gyártásától eltelt idő nem haladhatja meg: o cseppfolyósgáz-tartály esetében a 15 évet, o sűrített gáz és egyéb gáztartály esetében a gyártó által meghatározott időtartamot, illetőleg ennek hiányában a 20 évet. A 6/1990 KÖHÉM rendeletben meghatározott CNG jelzés már nem felel meg az európai szabályozásnak. A 94/2014/EK irányelv 7. cikkének iránymutatására a CEN/TC 441 munkacsoport készíti a jelölésekre vonatkozó pren 16942:2015 szabványjavaslatot. A szabványos jelölés formailag és színében meghatározza, hogy a járművek, atöltőállomásokon, az üzemanyag töltőoszlopain és a járműkereskedőknél is azonos és egyértelműen felismerhető jelölést kapjanak, Európa-szerte. A javaslat szerint a benzin típusú üzemanyagok körbe zárva jelölik az etanol tartalmat. A gázolaj típusú üzemanyagok négyzetbe zárva jelölik a biodízel részarányt. A gáz üzemanyagoknál pedig a hegyére állított négyzetekben áll a gáz megnevezése ábra: pren 16942:2015 szabvány javaslat szerinti gázüzemanyagok jelölések A szabványos jelölés szükséges annak érdekében a jövőben elkerülhetővé váljanak azon anomáliák, mint például a 101. ábrán látható jelenlegi duplajelölés.

111 ábra: A miskolci autóbuszokon is értelmetlen jelöléshalmaz található az elavult rendelet miatt A sűrített földgázzal és az egyéb gázzal üzemelő jármű gázüzemanyag-ellátó berendezésének járműbe történő beszerelésére vonatkozó feltételeket az NKH Közép-magyarországi Regionális Igazgatósága határozza meg. A belső égésű motorral ellátott járművön a tüzelőanyag-tartályt, valamint a tüzelőanyagvezetéket úgy kell kialakítani és elhelyezni, hogy a hő- és mechanikai hatásoknak - különösen láng hatásának, valamint az üzemszerű és az éghajlati hőingadozásoknak - kellően ellenálljon, azoktól kellően védve legyen. A gépjármű tüzelőanyag-tartályának betöltő nyílása az úttest szintjétől legfeljebb 1,5 méterre lehet. A tüzelőanyag-tartályt és a tüzelőanyag-vezetéket úgy kell kialakítani és elhelyezni, hogy tüzelőanyag a jármű vezetőfülkéjébe, illetőleg utasterébe ne juthasson. A tüzelőanyagtartály nem helyezhető el a jármű elején közvetlenül a lemezborítás mögött. Az olyan tüzelőanyag-tartályt, amely a motorral közös térben van, úgy kell elhelyezni, illetőleg olyan védelemmel kell ellátni, amely a kigyulladás veszélyét baleset alkalmával is a lehető legkisebbre csökkenti. A kipufogó rendszerre vonatkozó műszaki feltételek A kipufogó rendszernek kellően tömítettnek kell lenni, a kipufogó gáz csak a csővezeték végén távozhat. Minden belső égésű motorral ellátott járművet fel kell szerelni olyan kipufogó csővezetékkel és hangtompító berendezéssel, amely biztosítja, hogy az égéstermék kizárólag a berendezésen keresztül távozzék a szabadba, és amely hatásosan tompítja a kipufogás zaját. A hangtompító berendezésnek olyannak kell lennie, hogy az - szerszámokkal való megbontás nélkül - ne legyen kikapcsolható, illetőleg kiiktatható. A kipufogó csővezeték nem vezethető át, a hangtompító berendezés pedig nem helyezhető el a jármű zárt vezetőfülkéjében, utasterében, illetőleg rakterében, és nem végződhet sem a vezetőfülke, sem az utastér alatt.

112 A kipufogó csővezetéknek az égésterméket hátra, a jármű függőleges felezősíkjával párhuzamosan vagy attól legfeljebb 45 fokkal balra és közel vízszintesen vagy függőlegesen felfelé kell kivezetni. Ha a kipufogó csővezeték az égésterméket függőlegesen felfelé vezeti ki, annak vége a jármű legfelső pontjánál alacsonyabban nem lehet. A menetrendszerű helyi forgalom lebonyolítására kialakított autóbusz kipufogó gázának függőlegesen a jármű legmagasabb pontja fölé való kivezetésével vagy más módon meg kell akadályozni azt, hogy közvetlenül a jármű mellett erős kipufogógáz kiáramlás és kipufogógáz okozta porfelverés legyen. A sűrített/cseppfolyósított földgázzal üzemelő jármű gáz-tüzelőanyag-ellátó berendezésének főbb jóváhagyási szempontjai (ENSZ-EGB 110.számú előírása szerinti kivonat): Az előírásban alkalmazott fogalmak meghatározása: Nyomás a légköri nyomáshoz viszonyított nyomás, hacsak másként nincs meghatározva. Felhasználási nyomás az állandósult nyomást jelenti 15 C gázhőmérsékleten. Vizsgálati nyomás az a nyomás, amelynek az alkatrészt a jóváhagyási vizsgálatban alávetik. Méretezési nyomás jelenti azt a legnagyobb osztályozási nyomást, amelynek igénybevételére az alkatrészt méretezték, és amely szerint a szilárdságát meghatározták. "Üzemi hőmérséklet" a hőmérséklet-tartománynak azt a legnagyobb értékét jelenti, amelynél a meghatározott alkatrész biztonságos és jó működése biztosítva van, és amelyre megtervezték és jóváhagyták." 112 Tartály (vagy palack) nagynyomású földgáz befogadására és tárolására alkalmas nyomástartó edényt jelent, A CNG tartály lehet: - CNG-1 (jellemzően Type I) fém - CNG-2 (jellemzően Type II) fémbélésű és hengeres részén gyantával impregnált folytonos szálerősítéssel rendelkező (abroncs bevonatú) - CNG-3 (jellemzően Type III) fémbélésű és teljes felületén gyantával impregnált folytonos szálerősítéssel rendelkező (teljes bevonatú) - CNG-4 (jellemzően Type IV) nem fémből készült bélésű és gyantával impregnált folytonos szálerősítésű (teljesen összetett szerkezetű)

113 Tank cseppfolyósított földgáz befogadására és tárolására alkalmas hőszigetelt edényt jelent. A tartálytípus olyan tartályokat jelent, amelyek nem különböznek egymástól a méretek és anyagjellemzők tekintetében. A tartályra felszerelt szerelvények a következő (de nem kizárólag ezekre korlátozott) különállóan vagy összeépítve a tartályra felszerelt alkatrészeket jelentik: - Kézi elzáró szelep, - Nyomásérzékelő/mérő, - Nyomáshatároló szelep (nyomásfüggő nyitású), - Nyomáshatároló készülék (hőmérsékletfüggő nyitású), - Automatikus palackszelep, - Áramláskorlátozó szelep, - Gáztömör burkolat. Szelep jelenti azt a készüléket, amellyel egy közeg áramlása befolyásolható (szabályozható, elzárható). Automatikus szelep olyan szelepet jelent, amely kézzel nem működtethető. Automatikus palackszelep olyan a palackra mereven felerősített távműködtetésű szelepet jelent, amely befolyásolja a gázáramlást az üzemanyagrendszerbe. az automatikus palackszelepet távvezérlésű tápszelepének is nevezik. Visszacsapó-szelep jelenti azt az önzáró szelepet, amely a gáz átáramlását csak egy irányban teszi lehetővé. Áramláskorlátozó szelep (túlfolyást megakadályozó szerkezet) jelenti azt a szelepet, amely önműködően lezárja vagy korlátozza a gáz áramlását, ha az áramlás sebessége meghaladja a méretezés alapjául szolgáló értéket. Kézi működtetésű palackszelep jelenti azt a kézi elzáró szelepet, amely mereven fel van szerelve a palackra. Nyomáshatároló szelep (nyomásfüggő nyitású) jelenti azt a biztonsági szelepet, amely megakadályozza, hogy a nyomás túllépje egy előre meghatározott tápoldali nyomás értékét. Szerviz szelep jelenti azt a szelepet, amely akkor van zárva, amikor a jármű karbantartása folyik. Szűrő jelent egy olyan rácsot, amely a gázáramból eltávolítja az idegen szilárd anyagokat. 113

114 Csatlakozó szerelvény jelent egy csőrendszerben, csővezetékben vagy tömlő-vezetékben a csatlakoztatásra szolgáló alkatrészt. Hajlékony üzemanyag vezeték jelenti az olyan hajlékony csövezést vagy tömlőt, amelyen keresztül földgáz áramlik. Merev üzemanyag vezetékek jelenti egy olyan csővezetéket, amelyet nem méreteztek arra, hogy földgáz áramlásával járó, normál üzemeltetés közben hajlítgatásnak legyen kitéve. Gázellátó készülék olyan készüléket jelent, amely gáz-halmazállapotú üzemanyagot vezet a motorba áramló levegőbe (karburátor vagy injektor). Gáz/levegő-keverő olyan szerkezetet jelent, amely a gáznemű tüzelőanyagot és a beszívott levegőt keveri a motor számára. Gáz-befecskendező olyan szerkezetet jelent, amely bevezeti a gáznemű tüzelőanyagot a motorba vagy csatlakoztatott szívórendszerébe. Gázmennyiség szabályozó az a gázáramlás keresztmetszetét szűkítő készülék, amelyet a nyomásszabályozó kiömlési oldalára szereltek a motorba táplált gázmennyiség szabályozására. Gáztömör burkolat jelent egy olyan szerkezetet, amely a gáz-szivárgást a járművön kívülre szellőzteti, beleértve a hozzá csatalakozó szellőztető tömlőt is. Nyomásmérő jelent egy olyan nyomás alatt álló készüléket, amely kijelzi a gáz nyomását. Nyomásszabályozó jelenti azt a készüléket, amelyet a motor gáz-halmazállapotú üzemanyagának tápnyomás-szabályozására használnak. Nyomáshatároló készülék (hőmérsékletfüggő nyitású) jelenti azt a készüléket, amely hőmérséklethatár túllépése esetén a gázt elengedi a palack felhasadás elleni védelmeként. Feltöltő egység vagy töltőcsonk jelenti azt a készüléket, amely a jármű tüzelőanyag-ellátó rendszeréhez csatlakozik, a járműben vagy külső részén van rögzítve, hogy a töltőállomáson az üzemanyagtartály feltölthető legyen. Elektronikus vezérlő egység (CNG/LNG üzemanyaghoz) egy olyan készüléket jelent, amely vezérli a motor gázadagolását, és önműködően elzárja az automatikus szelepet, ha erre biztonsági megfontolásokból szükség van. Alkatrésztípus olyan alkatrészeket jelentenek, amelyek nem különböznek egymástól anyaguk, munkanyomásuk és üzemi hőmérsékletük tekintetében. Az elektronikus vezérlő egység típus olyan vezérlőegységet jelent, amely az alapvető működési elvek szempontjából nem tér el a meghatározottaktól, kismértékű áramköri változásoktól eltekintve. 114

115 Hőcserélő és párologató olyan alkatrészeket jelent, amelyek a cseppfolyósított földgázt sűrített földgázzá alakítja át. CNG/LNG tüzelőanyag-ellátó berendezések jóváhagyásra kötelezett alkatrészei: - a tartály (vagy palack) - a tartályra szerelt szerelvények, - a nyomásszabályozó, - az önműködő elzáró szelep, - kézi elzáró szelep, - gázellátó készülék - gázmennyiség szabályozó, - hajlékony üzemanyag vezeték, - merev üzemanyag-vezeték, - feltöltő egység vagy töltőcsonk, - visszacsapó szelep, vagy egyirányú szelep - nyomáshatároló szelep (nyomásfüggő nyitású) - nyomáshatároló készülék (hőmérsékletfüggő nyitású) - szűrő, - nyomás vagy hőmérsékletérzékelő/jelző, - áramláskorlátozó szelepe, - szerviz-szelep, - elektronikus vezérlő egység, - gáztömör burkolat, - csatlakozó szerelvények, - szellőztető tömlő, - nyomáscsökkentő berendezés, - üzemanyag elosztó, - hőcserélő, párologtató, - földgáz detektor, - üzemanyag szivattyú (LNG-hez). Az alkatrészekből összeépíthető vagy összeszerelhető több funkciós alkotóelem. 115

116 CNG/LNGjármű alkatrészek osztályozása: ábra: A gázüzemű járművekben lévő alkatrészek osztályozásának blokkvázlata ([792] R110 ENSZ EGB előírások) A sűrített földgáz üzemű járműben alkalmazott CNG alkatrészeket az üzemi nyomás és feladat szerint osztályozzák. 0 osztály: Nagynyomású alkatrészek, beleértve csöveket és szerelvényeket, amelyek CNG-t tartalmaznak 3 MPa-ból 26 MPa-ig terjedő nyomás-tartományban. 1 osztály: Közepes nyomású alkatrészek, beleértve, a CNG-t tartalmazó csöveket és szerelvényeket a 450 kpa-tól 3000 kpa-ig (3 MPa) terjedő nyomástartományban. 2 osztály: Kisnyomású alkatrészek, beleértve csöveket és szerelvényeket, amelyek CNG-t tartalmaznak 20 kpa-tól 450 kpa-ig terjedő nyomástartományban.

117 3 osztály: Közepes nyomású alkatrészek, úgymint nagy nyomás hatására működő biztonsági szelepek, vagy a biztonsági szeleppel védet csövek és szerelvények, amelyek CNG-t tartalmaznak 450 kpa-tól 3000 kpa-ig (3 MPa) terjedő nyomástartományba. 4 osztály: 20 kpa-nál kisebb nyomású gázzal érintkezésben lévő alkatrészek. 5 osztály: -40 C-nál alacsonyabb hőmérsékletű közeggel érintkezésben lévő alkatrészek. Egy alkatrész több részből állhat, amelyek mindegyikét, legnagyobb üzemi nyomása és feladata szerint, saját osztályába kell besorolni. Különböző osztályba sorolt alkatrészekre alkalmazott vizsgálatok (kivéve a palackokat) a 103. táblázatban láthatóak ábra: Gázüzemű járművekben lévő alkatrészeken elvégzendő vizsgálatok ([792] R110 ENSZ EGB előírások) A vizsgálatokkal és a jóváhagyási feltételekkel kapcsolatos részletes szabályokat az ENSZ EGB 110. számú előírása tartalmazza CNG palackok A sűrített földgáz tárolása a járműben egyszerűbb feladat, mint a cseppfolyósított földgázé. A sűrített földgáz bar nyomáson történő tárolása nem jelent új műszaki problémát, mivel az iparban számtalan helyen alkalmaznak magas névleges nyomású palackokat (nyomástároló edényeket). A járművekben rendszerint ezeknél kisebb méretű palackokat kell elhelyezni. A nyomástároló edények többféle anyagból készülhetnek (lásd korábbi

118 fejezet), a méretezésükre megbízható eljárások vannak. A 104. ábrán látható egy jellegzetes megoldás, amelyet egy haszonjármű alvázára erősítenek ábra: CNG palackok haszonjárművek számára ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) A földgáz sűrítése egy elég hatékony megoldás a térfogatra vonatkoztatott energiasűrűség megnövelésére. A 105. ábrán három különböző tüzelőanyag sűrűsége látható a nyomás függvényében. A benzin környezeti hőmérsékleten folyékony, a folyadékok pedig közel összenyomhatatlanok. Emiatt a nyomás hatására természetesen nem is változik a sűrűsége, tegyük hozzá, a benzin magas energiasűrűsége miatt nem is szorul sűrítésre. Érdekes összehasonlítás, hogy a földgáz sűrűsége 400 bar-ig milyen hatékonyan megnövelhető, ezzel szemben viszont a hidrogén (amit sok esetben a távoli jövő hajtóanyagának tartanak) sűrűsége kis tendenciával növekszik csak a nyomás függvényében ábra: A benzin, a földgáz és a hidrogén felsűrítése ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich)

119 A CNG palackokkal kapcsolatos problémák: alacsony térfogatra vonatkoztatott energiasűrűség ezt LNG alkalmazásával célszerű kiküszöbölni, - a CNG palackok nagy tömege a szilárdsági követelmények miatt, - a CNG palackok hagyományos alakja nem mindig integrálható könnyen a járműkonstrukcióba (elsősorban személygépjárműveknél). Az utóbbi két probléma kiküszöbölésére több fejlesztés is található. Az egyik megoldás könnyebb, esetleg kompozit anyagból készíteni a CNG palackokat. Ilyen fejlesztésekről láthatunk egy összehasonlítást a 106. táblázatban. Speciális műanyagok alkalmazásával a CNG palackok tömegét majdnem a harmadára is le lehet csökkenteni ábra: CNG palackok különféle anyagokból ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich) A CNG palackok tömegét és a járművekbe való integrálhatóságát is javítani lehet másfajta tartály topológiákkal. Az alábbi ábrák ilyen geometriai kialakításokat mutatnak. A lényegük, hogy a sűrített gáz számára fenntartott konvex térfogatok (melyek gyárthatósági és szilárdsági okokból mindig gömb vagy hengeres kialakításúak) méretét csökkentik, ezáltal a kazántörvénynek megfelelően az adott térben fellépő erő csökken, a falazat szilárdága csökkenthető. A kisebb konvex térfogatok egymáshoz közelebb helyezhetők el, és akár egy egységet is képezhetnek. Ezáltal a belső falak igénybevétele tovább csökken, mivel mindkét oldalról azonos nyomás terheli őket. A belső falak nagymértékben hozzájárulnak a külső héj nagyobb szilárdságához. A nagyobb szilárdság egyúttal kisebb tartály tömeget is jelent. Kívülről pedig a tartályok együttese a mai kompozit tartályoknak megfelelő héjazattal láthatóak el.

120 ábra: Alternatív topológiák CNG palackokhoz ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich) A kisebb méretű konvex térfogatok térbeli elhelyezésével tetszőleges geometriai formát létre lehet hozni, ami sokkal könnyebben elhelyezhető, például a személygépjárművek hátsó tengelye előtt. A 108. ábrán megfigyelhetjük még a korszerű CNG tartály konstrukciók kialakítását ábra: Alternatív CNG palackok felépítése ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich)

121 LNG tartályok A cseppfolyósított földgázt úgynevezett kriogén tartályokban lehet tárolni. A cseppfolyósított gázok tárolásánál a legfontosabb követelmény a hőszigetelőképesség, mivel a közeg hőmérséklete földgáz esetén -160 C. A hőszigetelést kettős falú tartállyal érik el, a két fal között pedig vákuumot hoznak létre és esetleg valamilyen nagyon rossz hővezetésű anyaggal töltik ki. A cseppfolyósított gáz a belső tartályban van, és a jó hőszigetelés miatt nem tud felforrni. A tárolás környezeti nyomáson (illetve maximum néhány bar túlnyomáson) történik. Hogy tartósan ilyen alacsony maradjon a tartályban uralkodó nyomás, járműtartályok eseténegy biztonsági szelep a keletkező gőznyomást bar nyomásnál kinyit és elenged. Ez a gázveszteség a tartályok befogadóképességéhez képest lényegében elhanyagolható és a jármű mintegy heti állásakor sem következik be. Az esetben pedig, ha motort olykor beindítják, a keletkezett gőzt a jármű képes elhasználni. A kriogén tartályok első alkalmazása is az iparban történt, a járművekbe szerelt LNG tartályok ezek kicsinyített másai. Mivel az LNG mint tüzelőanyag elterjedése friss dolog a járműiparban, ezért a kis széria miatt még ezeknek az LNG tartályoknak az ára magas. Ez egyelőre komoly felárat jelent a dízelmotoros konkurens járművekhez képest. A jövőben az LNG széleskörű elterjedésével viszont a tartály költsége szignifikánsan csökkenni fog. A 109. ábrán egy amerikai nyerges vontatóra szerelt LNG tartály látható ábra: LNG tartály egy nyerges vontatón ([722] Powering Transportation, Westport) A tüzelőanyag utántölthetőség követelményei Mivel a CNG és az LNG is a környezetitől eltérő szélsőséges tulajdonságokkal bír, ezért járművek tüzelőanyag tartályainak utántöltése a hagyományos folyékony tüzelőanyagoktóleltérő eljárásokat igényel.

122 A földgáz alapú tüzelőanyagok utántölthetőségének követelményei: biztonság: szikramentes környezet és egyéb sérülésekkel szembeni biztonság, - szivárgás-, azaz veszteségmentesség, - szabványos és állapotát tekintve sérülés- és kopásmentes csatlakozó, - versenyképes töltési sebesség, - könnyű kezelhetőség. A járművekbe történő CNG és LNG utántöltésnek a törvényi előírásai még nem egységesek minden országban. Például nem minden esetben lehet önkiszolgáló egy CNG töltőállomás. Ezeknek a problémáknak a kiküszöbölése a közeljövő feladata.

123 A CNG és az LNG alkalmazhatósága vasúti és vízi járművekben [714] LNG LESAS Rotterdam: LNG Specifications for (Marine) Transport Applications, Ton Bruijstens [716] WÄRTSILÄ MEDIUM SPEED ENGINE PORTFOLIO DEVELOPMENT, CIMAC; Paolo Tonon [717] Railway Perspective, CIMAC; Dr. Paul Flynn Dr. Najeeb Kuzhiyil [718] PROJECT GUIDE BERGEN ENGINE TYPE C FUEL GAS OPERATION, ROLLS-ROYCE MARINE [719] Natural Gas and Dual Fuel Engine Technologies for HDV, RICARDO; Richard Cornwell, Dan Foster, Dr Andy Noble [720] Low Speed Engines Gaseous Gas, CIMAC; Soeren H. Jensen A vasúti és vízi járművek lényegesen nagyobb tömegük miatt sokkal nagyobb teljesítményű hajtásrendszerek alkalmazását igénylik. Ezeknél a hajtásrendszereknél nem minden esetben érvényesek az eddig tárgyalt szempontok. Ez a magas teljesítményszint mellett a pálya különbözőségének is köszönhető: a vasúti közlekedés és a folyami hajózás kötöttpályás közlekedésnek tekinthető. A vasúti közlekedésben két hajtástípus használatos: a villamos meghajtás és a dízelmotoros hajtás. A villamos meghajtás lényegében minden szempontból kedvezőbb a dízel vontatásnál, viszont nincs mindenhol kiépítve a hozzá szükséges felsővezeték rendszer. Ezeken a pályaszakaszokon csak a dízelvontatás jöhet számításba. A vasúti dízelmotorok teljesítményszintje többnyire az 1000kW nagyságrendbe esik. Lehetnek 2 vagy 4 ütemű motorok egy vagy többlépcsős feltöltéssel. A hajómotorok teljesítményszintje nagy szórást mutat a hajók mérete szerint. Az egészen kicsi vízi járművekben, a motorcsónakokban még előfordulnak benzinmotorok, de ezeken kívül itt is a dízelmotoroké a főszerep. Folyami hajókban a haszongépjárművekéhez hasonló 4 ütemű dízelmotorok használatosak. A meghajtandó vízi jármű növekedésével a 2 ütemű dízelmotorok is megjelennek, minden esetben feltöltött motorok. Hajómotoroknál fontos megkülönböztetni a felhasználás helyét, más problémák jelentkeznek a folyami és a tengeri hajózás, azon belül a part menti, illetve a nagy távolságra fojtatott hajózás között. Amennyiben a vízi és vasúti járműveket gázolaj helyettföldgázzal üzemeltetik, a közúti közlekedésben kapott előnyök itt is jelentkeznek: alacsonyabb CO 2 és károsanyag kibocsátás, alacsonyabb tüzelőanyag ár. Környezetvédelmi előírások a vasúti és a vízi járművekre is vonatkoznak, ezek szigorodása kényszerítheti a földgáz alkalmazását ezekben a közlekedési szektorokban. Célszerű megvizsgálni, hogy milyen lehetőségek kínálkoznak a vasúti és vízi járművek földgázzal történő üzemeltetésére. Mivel mindkét közlekedési mód fejlesztési ciklusa

124 rendkívül hosszú (vasúti járművek esetén kb. 20 év, vízi járművek esetén akár 40 év is lehet), ezért a mostani dízelmotoros hajtások korszerű földgázmotorokkal történő kiváltása nem rövidtávú projekt. Elsősorban a meglévő dízelmotorok átalakításával, illetve a már elhasznált gépek cseréjével lehetséges a földgázra történő átállás. A hajók esetében jelenleg erősen előtérbe kerültek a dual-fuel motorok. A dízelmotorok a vasúti és vízi járművekben azzal a nagyon kedvező tulajdonsággal bírnak, hogy viszonylag érzéketlenek a gázolaj minőségére. A megbízhatóság, a robusztusság, a hosszú élettartam és a karbantartás mentesség kiemelten fontos tulajdonság ezekben a közlekedési módokban. A dízelmotorok öngyulladásos égésfolyamata viszonylag problémamentes és nem igényel bonyolult felügyeleti rendszereket. Ebből a szempontból a vasúti és vízi közlekedésben használatos dízelmotorok nagyban különböznek a közúti közlekedésben tárgyaltaknál, azoknál mindig a komplikáltság volt az egyik fontos probléma. A földgázmotorok működése a szikragyújtásos (Otto) motorok elvén működik, azaz az égésfolyamat nem öngyulladás révén, hanem valamilyen irányított külső hatás miatt indul be. A földgáz égése a benzin égéséhez hasonló, a keverék begyújtásának a helyétől az égéstér minden határoló felületéig egy lángfront megy végig. Az ilyen jellegű égésfolyamatnál nagyon fontos, hogy öngyulladás sehol se következzen be. Az Otto motoroknál az öngyulladásos égést detonációs, vagy kopogásos égésnek nevezik. Ez az égésfolyamat rendkívül káros a motor szerkezeti elemeire, ezért ennek a rendellenes égésfolyamatnak az elkerülése nagyon fontos minden kényszergyújtású motorban ábra: A kopogásos égés kiküszöbölése ([716] WÄRTSILÄ MEDIUM SPEED ENGINE PORTFOLIO DEVELOPMENT, CIMAC; Paolo Tonon)

125 A kopogó égés bekövetkezésének a feltételei: túl nagy kompresszió végnyomás, 2. túl magas hőmérsékletű felületek az égéstérben, 3. gyors égéssel rendelkező tüzelőanyag (a benzin és a földgáz ebből a szempontból hasonló) 4. korai gyújtási időpont, 5. lassú lángfront terjedés és alacsony motorfordulatszám. A vasúti és a vízi járművekben lévő dízelmotorok földgázüzeműre való átalakításának műszaki követelményeit elsősorban kopogó égés elkerülése határozza meg. A kopogó égés elkerüléséhez és kontrollálhatóságához alkalmazható műszaki megoldások: 1. alacsonyabb kompresszió-viszony alkalmazása, ehhez a dugattyú cseréje szükséges, 2. szabályozható égési időpont akár kopogásszenzor alkalmazásával (dual-fuel motorok esetén befecskendezési időpont szabályozás, szikragyújtású motorok esetén szabályozható gyújtási időpont, 3. keverékösszetétel pontos szabályozása a kopogásmentes szegény keverékes üzemmód irányába, 4. szelepvezérlés áthangolása, korai vagy késői szívószelep zárás alkalmazása, 5. feltöltő levegő visszahűtő alkalmazása. Az összes megoldásban közös, hogy drágítják és bonyolultabbá teszik a belső égésű motort az eredeti dízelmotorhoz képest, és az új technológiának a megbízhatósága is lehet gyengébb. Az Otto motoroknál a kompresszió-tűrést az oktánszámmal szokás megadni. Mint ahogyan korábban bemutattuk, a földgáz oktánszáma igen magas, ezért az oktánszám skálán csak extrapolációval határozható meg az értéke. Ezért is szokás a földgázalapú tüzelőanyagoknál a metánszám használata. A tengeri és a belföldi hajózásánál is jelentkezhet, hogy a földgáz összetételének megfelelően a metánszám értéke ingadozhat. Mindezek figyelembevételével a földgázmotorok égésszabályozását úgy kell kialakítani, hogy a rendellenes égésfolyamatot lehetőleg kizárják. A tüzelőanyag tárolása mind vasúti, mind vízi járművek esetén nem jelent oly mértékű problémát, mint ahogyan a közúti járműveknél tapasztalhattuk. Mindkét közlekedési ágazatban az LNG jelenti a megoldást, mivel a szállítandó energiamennyisége rendkívül magas. A vasút esetében az üzemanyag elhelyezése nem jelent problémát, ez azonban a hajók esetében nem jelenthető ki, ráadásul az úszóképesség megtartása is fontos szempont.

126 Jelenleg a vasúti járművek esetén a földgázmotorok elterjedtsége elhanyagolható. A meglévő dízelmotorok üzemeltetése lehetséges még biodízellel és szintetikus tüzelőanyagokkal is [717] (Railway Perspective, CIMAC; Dr. Paul Flynn Dr. Najeeb Kuzhiyil). Ezek alkalmazása nem igényli a dízelmotorok nagymértékű átalakítását. Viszont ez utóbbiak nem rendelkeznek olyan mértékű előnyökkel, mint a földgáz (az alternatív tüzelőanyagokkal foglalkozó fejezet alapján) ábra: LNG-s hajóflotta ([714] LNG LESAS Rotterdam: LNG Specifications for (Marine) Transport Applications, Ton Bruijstens) Vízi járművekben az LNG alkalmazására elsősorban a tengeri hajózásban van példa, tapasztalat. Létezik olyan hajózási vállalat, aminek egész flottája van LNG-s hajókból [714] (LNG LESAS Rotterdam: LNG Specifications for (Marine) Transport Applications, Ton Bruijstens). A vasúti és főleg a vízi járművek esetén a földgázzal történő üzemeltetéshez fel lehet még használni az energiatermelés céljára alkalmazott stabilmotorokkal szerzett tapasztalatokat. Ilyen földgázüzemű stabilmotor Magyarországon is több mint 150 üzemel.

127 Földgázhajtású járművekkel kapcsolatos költségek A járművekkel kapcsolatos költségeket két nagy részre bonthatjuk. Az első fő költség a jármű vételára. A másik nagy költség pedig a jármű fenntartási költsége, ami a jármű élettartama során rendszeres kiadást jelent Vásárlás költsége A jármű vételára alapvetően befolyásolja a vásárlói preferenciákat, amennyiben több gyártó több termékét összehasonlítjuk. Egy jármű vételárát több tényező határozza meg: 1. a járműhöz felhasznált alapanyagok költsége, 2. a jármű legyártásának és összeszerelésének költsége, 3. a járművel és a gyártásával kapcsolatos fejlesztési költségek, 4. a járművel és alkatészeivel kapcsolatos logisztikai költségek, 5. a jármű értékesítésével összefüggő költségek, mint pl. a marketing költség, ebben a piaci bevezetés költsége, a hálózat fenntartásának költsége, 6. humán munkaerő költsége, 7. piaci tényezők, mint például ha nagy a kereslet az adott modellre, akkor drágábban is lehet adni, 8. a gyártási volumen költségmódosító hatása, nagy mennyiségben sokszor alacsonyabb lehet a gyártásra fordított költség, a gyártási volumennek általában van egy optimuma. 3,5 tonna alatti járművek vételára (személygépjárművek és kishaszongépjárművek) A versenyben lévő jármű fajták: - benzinmotoros személygépjárművek, - dízelmotoros személygépjárművek és kishaszon-gépjárművek, - CNG-s személy- és haszon-gépjárművek. Az összehasonlításban nem szerepelnek az egyéb alternatív járműhajtások. Ennek oka a korábbiakban már kifejtésre került: a jelenlegi technológiai fejlettségük mellett nem relevánsak ebben az összehasonlításban, emellett a vételáruk is jelenleg lényegesen magasabb a hagyományos járműhajtásokénál. Az összehasonlításban a benzinmotoros járművek rendelkeznek a legalacsonyabb vételárral. Ezért vegyük a benzinmotoros járművek vételárát a viszonyítási alapnak, és vizsgáljuk meg, hogy ezekhez képest a dízelmotoros és a földgázhajtású járművek vételára mekkora.

128 Dízelmotorokkal kapcsolatos fontos gyártási költségek: a nagy égési csúcsnyomás nagy mechanikai igénybevételt jelent, emiatt a dízelmotorok robusztusabbak és nehezebbek is. Gyártási költség többlet ~100, - a magas befecskendezési nyomások (2000bar) miatt a keverékképző rendszerek sokkal drágábbak. Gyártási költség többlet ~300, - a NO x és a szilárdrészecske emissziókezelő berendezések költségei.gyártási költség többlet ~ Jelenleg a dízelmotoros járművek vételára 6-10 százalékkal, jellemzően min euróval magasabb a benzinmotoros járművekénél. Földgázhajtású járművekkel kapcsolatos fontos gyártási költségek: - tüzelőanyag tároló rendszer költségei: a személygépjárműveknél és a kishaszongépjárműveknél elsősorban CNG tartályok jöhetnek szóba, ezek gyártási költsége lényegesen magasabb a folyékony tüzelőanyagot tároló tartályokénál. Ezek gyártási költség többlete típus, méret és darabszám függvényében ~ keverékképző rendszer költségei egyelőre magasabbak abi-fuel rendszerek megkettőzött költségei és az alacsony gyártási volumen miatt.gyártási költség többlet ~200. A földgázhajtású járművek vételára jelenleg 8-12 százalékkal, euróval magasabb a benzinmotoros járművekénél, azaz körülbelül egy árban vannak a dízelmotoros járművekkel. A jövőben várható tendenciák: - a benzinmotoros járművek a műszaki összetétele részben a károsanyag kibocsátás (szilárdrészecske), részben pedig az ÜHG (CO 2 határérték) szigorodásával kis mértékben drágulni fognak, viszont az előírások teljesítése nem lesz akkora kihívás, mint a dízelmotoros járművek esetén, - a dízelmotoros járművek számára a szigorodó környezetvédelmi előírások komplikált emissziókezelő berendezések alkalmazását igénylik. A NO x emisszió alternatív égésfolyamatokkal, fejlett EGR rendszerekkel, SCR vagy DeNO x katalizátorokkal csökkenthető. Az új RDE mérési elvárás szakmai vélemények szerint megbízhatóan méretezett SCR-rendszer alkalmazását igényli, mely gyártási oldalról a

129 legköltségesebb és ezen felül az üzembentartóra is jelentős költséget hárít, emellett alkalmazásuk csökkenti a dízelmotorok tüzelőanyag-fogyasztásbeli előnyét, - a földgázzal működtetett belső égésű motorok hasonló elven működnek a benzinmotorokkal, csak a gáz halmazállapotú tüzelőanyag miatt az égésfolyamatuk még tisztább. Éppen ezért a földgázhajtású járművek számára a szigorodó környezetvédelmi előírások kevésbé jelentenek nagy kihívást, gyakorlatilag a tárgyalt három hajtási mód közül várhatóan a földgázhajtású járművek teljesítik a legkönnyebben a jövőbeli előírásokat. Sem részecskeszűrő alkalmazására, sem pedig költséges NO x -kezelésre nem lesz szükség. - a földgázhajtású járművek terjedésével a nagyobb gyártási volumen miatt a tüzelőanyag tároló rendszer költsége várhatóan alacsonyabb lesz. Személygépjárművek és kishaszon-gépjárművek esetén a következő hipotézist lehet felállítani a járművek vételárára 2030-ra: a dízelmotoros járművek vételára 10-15%-kal lesz magasabb, a CNG-s járművek vételára 5-10%-kal lesz magasabb a benzinmotoros járművekénél. A becslés jelentősen függ a környezetvédelmi előírások szigorodásának, és a földgázhajtású járművek elterjedésének a mértékétől. 3,5 tonna feletti össztömegű járművek (haszongépjárművek és buszok) A versenyben lévő járműfajták: - dízelmotoros járművek, - CNG-s járművek, - LNG-s járművek. Hasonló okokból a kisebb össztömegű kategóriákhoz itt sem vesszük figyelembe az egyéb alternatív járműhajtásokat. Ezekben a kategóriákban egyébként sokkal kevésbé jellemző az alternatív hajtások alkalmazása, ebből a szempontból a személygépjárművek technikája előbb jár. Jelenleg a dízelmotoros járművek vételára a legalacsonyabb, köszönhetően a hajtási mód szinte kizárólagos alkalmazásának. A földgázhajtású haszongépjárművek és buszok elterjedtsége még nem jelentős, viszont már szignifikánsan jelen vannak bizonyos területeken. A dízelmotoros járművekhez képest a CNG-s járművek vételára %-kal magasabb. Az LNG-s járművek vételára Európában kezdetben jelentősen magasabb, miközben Kínában, ahol már LNG-s járműveket széles körben gyártanak, 10 százalékra apadt a felár, ráadásul SCR+DPF nélküli dízeljárművekhez hasonlítva. Fontos megjegyezni, hogy a 129

130 haszongépjárművek vételárát nehezebb összehasonlítani, mivel a forgalmazók rendszerint felépítmény nélküli járműveket adnak. A felépítmény ára csökkenti földgázmotor magasabb vételárának az arányát. Abszolút értékben kifejezve a dízelmotoros modellekhez képest a CNG-s haszongépjárművek és buszok euróval drágábbak Európában jelenleg. Az LNG-s járművek vételára pedig euróval kerülnek többe most még. CNG-s és LNG-s járművek magasabb vételárának az okai: - az alacsony gyártási volumen és a friss fejlesztési költségekárazásával együtt járó drágító hatás, - a CNG nagy nyomású tartályok magasabb ára (a gázolajtankhoz képest), (teherautóknál , autóbuszok kompozit palackjainál akár 5000 ) - az LNG kriogén tartályok magasabb ára (jelenlegi költségszint Európában 8000, amely azonban a kínai gyártók térhódításával akár ra süllyedhet néhány éven belül) - a földgázhajtású járművek alacsonyabb üzemeltetési költsége miatt (alacsonyabb tüzelőanyag ár) a forgalmazók magasabb vételárat mernek érvényesíteni. A jövőben várható tendenciák: - a szigorodó környezetvédelmi előírások nehezebben teljesíthető kihívások a dízelmotorok számára, emiatt precízebb keverékképző rendszerekre és komplikáltabb kipufogógáz utókezelő rendszerekre lesz szükség. Ez egészen bizonyosan magasabb vételárat fog eredményezni, - a földgázüzemű belső égésű motorok számára a jövőbeni környezetvédelmi előírások kisebb kihívást jelentenek a földgáz tisztább égése miatt, azaz az alkalmazandó kipufogógáz utókezelő rendszerek ára is alacsonyabb a dízelmotoros hajtáshoz képest. Emellett a földgázmotorok keverékképző rendszere az alacsonyabb befecskendezési nyomás miatt olcsóbb a dízel keverékképző rendszereknél, - a földgázhajtások terjedésével a kereslet bővülése mellett gyártói kínálat bővülés hatására a CNG palackok és még inkább az LNG tartályok gyártási költsége várhatóan drasztikusan csökkenni fog. A gázolajtartályok árszintjét azonban értelemszerűen nem lehet elérni a jelentős anyagtöbblet és az összetett gyártási technológia miatt. 130

131 A haszongépjárművek és a buszok esetében is nagy hatással van a jövőbeni árakra a környezetvédelmi előírások szigorodásának, és a földgázmotoros hajtások elterjedésének a mértéke. A jövőben a háromféle hajtási mód árai között kiegyenlítődés várható. Óvatos becslés 2030-ra, hogy a CNG-s járművek ára 5-10%-kal akár olcsóbb is lehet a dízelmotoros járműveknél, néhány százalékkal meghaladva a benzines modellek árát. Az LNG-s járművek ára várhatóan a dízelmotoros járművek árával azonos szintre kerül, sőt az LNG tartályok gyártási költségének esésével együtt még olcsóbbá is válhat Üzemeltetés költsége Az üzemeltetési költségek négy nagy részre csoportosíthatók: - tüzelőanyag költsége, - üzemszerű karbantartás és javítások költsége, - egyéb költségek, például adó, biztosítás, útdíj, parkolási engedélyek, stb. A tüzelőanyaggal kapcsolatos költségekről korábbi fejezetekben esett szó. Az üzemszerű karbantartás költségében nincs lényeges különbség a különböző motorral szerelt járművek között. Leszámítva az emisszió kezelő rendszereknél megjelent tervezett karbantartási ráfordításokat, amely az adalékanyag, a részecskeszűrő megújítása címén az üzemeltető felé jelentős terheket ró jelenleg a dízelmotoros járműveknél.a váratlan meghibásodások viszont a jövőben magasabbak lehetnek dízelmotorral szerelt járművek esetén a komplikáltabb műszaki megoldások miatt. Az adózási költségek megállapítása szintén nem ennek a fejezetnek a feladata. Elképzelhető viszont, hogy a jövőben az alacsonyabb emissziójú járművek adókedvezményt kapnak. Ez mindenképpen kedvező a földgázmotoros járművek számára. 131

132 132 Vizsgáljuk meg, hogy az előttünk álló évtizedben milyen motívumok alakíthatják a közlekedés jövőjét, elsősorban a CNG-s és LNG-s földgázmotoros járművek szempontjából! - Mi a felhasználók járművekkel szemben támasztott igénye? A felhasználók legfontosabb igénye a járművek megbízhatósága, alacsony fenntartási költsége és vételára valamint a jó vezethetősége. Az igények természetesen járműkategóriánként változnak. A földgázmotoros járművekkel kapcsolatban részletesen kifejtettük, hogy a különböző felhasználási célok szerint milyen kedvező és hátrányos tulajdonságokkal bírnak. A felhasználók számára a földgázmotoros járművek alacsony üzemeltetési költsége nagyon nagy előny, ami a jövőben egészen biztosan motiválni fogja a hajtási mód terjedését. A kiépítetlen töltőhálózat infrastruktúra és a kisebb hatótávolság jelenleg még komoly hátráltató tényező, de ezek nem a járművekkel kapcsolatos műszaki problémák. A tüzelőanyag utántöltés már műszaki probléma, ami némiképp komplexebb a benzin és a gázolaj utántölthetőségéhez képest. A földgázmotoros járművek megbízhatósága egyáltalán nem különbözik a többi belső égésű motoros járművek megbízhatóságától, sőt a jövőben a dízelmotorokénál egyszerűbb berendezéseknek köszönhetően még jobb is lehet azoknál. A járművek vételárát külön fejezetrészben fejtettük ki, a földgázmotoros járművek vételára a jövőben valószínűleg versenyben lesz a hagyományos tüzelőanyagokkal működő járművekével szemben (ellentétben a villamos hajtással rendelkező járművekkel). A járművek jó vezethetősége szempontjából a földgázmotorok ma még többnyire némileg hátrányban vannak a benzin- és a dízelmotorokhoz képest. Ez a hátrány a földgázmotorok nagyobb költségvetésű fejlesztésével részben kiküszöbölhetőek. A haszongépjárműveknél fontos kérdés lesz, hogy a jövőbeni fölgázmotorok rendelkezni fognak-e olyan kedvező nyomatékkarakterisztikával, mint a dízelmotorok. - Mi a járműgyártók igénye? Mi várható a jövőben? A járműgyártók legfontosabb igénye a profitszerzés. Olyan járművet fognak gyártani, amely eladható. Emiatt a járműgyártók nagyon érzékenyek a felhasználók igényeire. Emellett jellemző, hogy egyensúlyt tartanak abban, hogy a piaci verseny miatt élenjárjanak a műszaki fejlesztésekben, de emellett éppen csak annyi legyen a fejlesztési költség, amennyi szükséges a célok eléréséhez. A járműgyártók számára még nagyon fontos motiváló tényezőket jelent a jogi környezet, ahol a feltételeket rendszerint az állami szervezetek hozzák meg. A járműgyártók több és magasabb műszaki színvonalú földgázhajtású járművet fognak gyártani, ha növekszik rá a felhasználói igény, valamint ha a jogi környezet rákényszeríti őket. A felhasználói igények feltételeit már részleteztük.

133 - Mik a gazdasági igények? 133 A gazdasági igények alapján hozzák meg az egyes államok a jogi követelményeket. Az államok legfontosabb igénye az energiahordozók import és exportjával és a fenntartható fejlődéssel kapcsolatos. Ide tartozik a környezetvédelem is. Az egyes kormányok úgy hozzák létre a jogi környezetet, hogy az az adott ország előbb felsorolt érdekeit szolgálja. Az energiahordozók importja és exportja olyan követelményeket támaszt, amit nagyban meghatároz az adott ország elhelyezkedéseés a rendelkezésre álló ásványkincsi vagyona is. Ezeknek a követelményeknek nincs jármű-műszaki vonzata. A CNG és az LNG árának az adótartalmát viszont a kormányok határozzák meg, és ezzel nagyon nagymértékben befolyásolni tudják a felhasználók preferenciáit. A földgázhajtású járművek terjedésének alapja, hogy a CNG és az LNG ára továbbra is alacsony maradjon. A környezetvédelem szintén fontos motívum, ami meghatározza a jogi környezet alakulását. A járművek emissziójának a korlátozását törvények szabályozzák. A károsanyag kibocsátást járműtípusonként ellenőrzik, az üvegházhatást okozó emissziót járműflottára számítják. Az emissziós előírások szigorodása egyértelműen a földgázmotorok terjedését szorgalmazza, mivel a földgázmotorok gyakorlatilag minden emissziós szempontból kedvezőbbek a benzinés dízelmotoroknál. A járműgyártók flottaátlagára vonatkozó szén-dioxid emissziós előírás szigorodása pedig a járműgyártókat kényszeríti rá az alacsonyabb emissziójú földgázmotorok fejlesztésére és gyártására (a járműgyártóknak büntetést kell fizetni, ha túllépik az előírt szén-dioxid emissziót). A fenntartható fejlődéshez az is hozzátartozik, hogy a közlekedés színvonala egyértelműen meghatározza egy ország gazdasági teljesítményét. - Mi az élővilág igénye? Az élővilág igénye a járművek alacsony emissziója. A WTW hatásfokokat és a GHG emissziót is figyelembe véve a közúti közlekedésben a földgázmotoros hajtások az élen járnak. A károsanyag kibocsátásban a földgázmotorok némiképp jobbak a benzinmotoroknál és sokkal jobbak a dízelmotoroknál. A többi alternatív hajtási mód emissziós problémái részletesen ki lettek fejtve. A közúti közlekedésben manapság a legnehezebben kezelhető károsanyagok a nitrogén-oxidok és a szilárd részecskék. A dízelmotorok számára ezeknek a károsanyagoknak a további csökkentése igen komoly műszaki akadályokba ütköző feladat. Eközben a földgázmotorok éppen ebben a két károsanyag fajtában sokkal kedvezőbbek, ráadásul mindezt egy sokkal egyszerűbb kipufogógáz utókezelő rendszerrel érik el. A közlekedésben az élővilág igényei az emissziós előírásokban és a politikai szándékokban tükröződhetnek. Jármű-műszaki szempontból mi várható a közlekedés belátható jövőjében (2030-ig)? - A belső égésű motorok az alacsony áruk miatt továbbra is hosszútávon döntő szereplői lesznek a közlekedésnek (a kőolaj fogyása ellenére). A nem belső égésű motoros alternatív járműhajtások között jelenleg nem látni olyan átütő fejlődést, amely középtávon alapvetően változást hozna a közlekedésben.

134 134 - A környezetvédelmi előírások továbbra is jelentősen szigorodni fognak. A dízelbotrány miatt a dízelmotorok emissziós problémái nagyobb hangsúlyt fognak kapni. Ez elősegíti az alternatív tüzelőanyagok, és ezen belül a CNG és az LNG terjedését. A szén-dioxid kibocsátás szigorodása szintén a földgázmotorok irányába fogja terelni az autóipart. - A földgázmotorok nagy előnye, hogy bármilyen arányban helyettesíthető biometánnal. A biogáz GHG emissziója rendkívül alacsony, a környezetvédelmi előírások szigorodása így ennek a hajtási módnak is kedvezni fog. - A földgázmotorokra a kereslet növekedni fog, ami maga után vonja, hogy a járműgyártók is komolyabb fejlesztési versenyre lesznek kényszerítve. Emiatt a földgázmotorok teljesítménye, tüzelőanyag fogyasztása és emissziója nagymértékben tovább fog javulni, és a nagyobb gyártási volumen miatt a vételáruk is csökkenő tendenciát fog mutatni. - A személygépjárművek és a kishaszongépjárművek szegmensében a CNG-s járművek elkezdenek terjedni. Belátható időn belül nem fogják kiszorítani a hagyományos motorokat, de az elterjedtségük szignifikáns lesz. - A tehergépjárművek és buszok kategóriájában már most is jelen vannak a földgázhajtású járművek. Ezek a helyi közlekedésben részt vevő buszok és áruterítő haszonjárművek, amelyek CNG-vel vannak felszerelve. Az alacsonyabb üzemeltetési költség miatt valószínűleg ezeknek a részaránya fog a leggyorsabban növekedni a földgázmotoros járműveken belül. - A távolsági buszok és a nemzetközi áruszállításban részt vevő járművek számára kizárólag az LNG jelenthet alternatívát. Mivel a járműgyártók LNG-s modellkínálata még erősen hiányos, ezért ebben a szegmensben az elterjedés később várható. - A földgázmotorok nem valószínű, hogy ki fogják szorítani a hagyományos motorokat, viszont jelenlétük egy nagyságrendbe fog esni a következő évtized végére a hagyományos hajtási módokkal több járműkategóriában is. A földgázhajtások elterjedéséhez szükséges nem műszaki jellegű követelmények: - a CNG és az LNG töltőhálózat infrastruktúra kiépülése, - a földgáz alapú tüzelőanyagok alacsonyabb ára a többi hajtóanyaggal szemben, - a környezetvédelmi előírások szigorodása, - a közszereplők elköteleződése a földgázhajtások felé, - a földgázmotoros hajtások jó marketingje. Összességében természettudományos és műszaki szempontból, a jövő kihívásait figyelembe véve, a CNG és az LNG a közlekedés tüzelőanyagaként középtávon egyértelműen a legjobb alternatíva. A jelenleg még gyerekcipőben járó, megújuló energiaforrásokon alapuló, jövőbeli közlekedés megvalósításához a földgázhajtásra való nagyarányú áttérés egy szükséges lépés.

135 RÖVIDÍTÉSEK ÉS FOGALMAK MAGYARÁZATA Anti-drive away switch: Elhajtást blokkoló kapcsoló: biztonsági kapcsoló, mely megakadályozza a jármű beindítását mialatt az a töltő rendszerhez csatlakozik Approval of a vehicle: Jármű jóváhagyása: nem csak a típusbizonyítvány, de a tanker járművet megtöltő LNG terminál jóváhagyására is szükség van) Automatic valve: Automatikus szelep: solenoid tekerccsel vagy pneumatikus módon működtetett gázszelep Biomethane: biometán: biomassza forrásból előállított biogáznak a leválasztott metán része. A biogáz jellemzően % metánt tartalmaz, valamint szennyező anyagokat, vizet és inert, pl. CO 2 gázkomponenst. A káros összetevők és a víz leválasztása alapvetően szükséges a motorok üzemeltetésének hosszú távú biztosításához, valamint a megfelelő energiatartalom eléréséhez az inert komponensek eltávolítása. A gáztisztítására ún. biometanizáló, vagy purifikáló berendezést alkalmazunk Break-away device: törőszelep: a töltőoszlopon, vagy az üzemanyagtöltő csövön lévő biztonsági szelep, amely mechanikai hatás esetén (pl. jármű elhajtás csatlakoztatott töltőcsővel) elzárja a gáz áramlását Compressed Natural Gas (CNG): nagynyomású sűrített földgáz: szabvány szerint 15 C hőmérsékleten mérve 200 bar nyomású gáz. A palackokba tölthető nyomás a hőmérséklet függvényében változik. A járművek gáz rendszerének minden eleme az R110 szabványnak kell megfeleljen, mely szerint a nagynyomású komponenseket 300 bar felett kell kiállják a próbát. Léteznek 250 bar névleges nyomású, sziget üzemű alkalmazások is, pl. Nagy- Britanniában, ez esetben a jármű teljes rendszerét 1,25x próbanyomáson kell vizsgálni. CNG station: CNG töltőállomás: nagynyomású földgázt, vagy biogázt kiszolgáló kompresszorállomás CNG dispencer: CNG töltőoszlop: CNG üzemanyag kimérő szerkezet, amely a kompresszor berendezés által előállított nagynyomású gázt a töltőcsövön és töltőcsatlakozón keresztül a járműbe juttatja Cryogenic: kriogén: különösen hideg hőmérséklet, melynek célja az anyag halmazállapot változásának bekövetkezése Cryogenic pump: kriogén pumpa: kriogén folyadék (pl. LNG) átfejtésére szolgáló, nyomást előállító pumpa, tipikusan centrifugális (lehetőség szerint az LNG-tartályba történő átfejtésre használják), vagy dugattyús szivattyú (ezt jellemzően nagy nyomású elpárologtatóba való továbbításra alkalmazzuk Cryogenic temperature: kriogén hőmérséklet: az a hőmérséklet mely jellemzően -40 C alatti Delivery pressure or fuelling pressure: Szállítási vagy tankolási nyomás: az a nyomás melyen a gáz a jármű tartályába jut Electronic control unit (ECU): Elektronikus szabályozó eszköz: az az eszköz mely

136 136 szabályozza a motor üzemanyag ellátását és más motor vezérlő funkciókat, paramétereket, valamint automatikusan lezárja az automatikus szelepet ha az biztonságilag szükséges Excess flow valve (excess flow limiting device): átáramlást szabályozó szelep: eszköz mely automatikusan lekapcsolja vagy korlátozza a folyadékáramlást, ha az meghaladja az előre beállított értéket Filling: töltés: az a művelet amely az cseppfolyósított földgáz szállítmánynak, a tankerjárműből az LNG tartályba történő átfejtését foglalja magába Filling unit or receptacle: töltő eszköz, csatlakozó: jármű töltőcsatlakozójára illeszkedő eszköz a töltőcső végén, amelyet jármű üzemanyag tartályának megtöltésére használnak Filter: szűrő: védő szűrő mely eltávolítja az idegen hulladékokat/törmeléket a gázból valamint a folyadékáramból Fitting: csövezésben, vagy védőberendezésben használt kötőelem Fuel rail: üzemanyag szállító-elosztó: nagynyomású cső, mely ellátja az üzemanyag befecskendező szelepeket Fuelling: tankolás: üzemanyag ellátása a töltőoszloptól a jármű üzemanyag tartályáig Fuelling pressure or delivery pressure: tankolási nyomás: az a nyomás melyen az üzemanyag járműbe töltése történik Gas/air mixer: gáz-levegő keverő: gázbefúvó, mely a motor szívócsövében a megkívánt üzemanyag/levegő arány bekeverésére hivatott Gas flow adjuster: gáz áramlás szabályozó: gáz áramlást szabályzó eszköz a motorban Gas injector: gáz befecskendező: a gáz üzemanyag szívócsőbe, vagy égéstérbe befúvását végző szelep Gas supplyd evice: Gáz üzemanyag ellátó berendezés: a szükséges gáznyomást és mennyiséget biztosító egység Gas-tight housing: szoros gáz csőkötés: szivárgás-mentes csőkötés Heat exchanger/vaporizer: hőcserélő/elpárologtató: olyan berendezés, amely a kriogén folyadék halmazállapotból környezeti hőmérsékletre emelt gáz halmazállapotot állít elő, így LCNG töltőállomáson LNG-bőlCNG-t, LNG járműben LNG-ből kisnyomású gázt Inne rvessel or inner tank: belső tartály: a duplafalú üzemanyag tartály belső tároló része Liquefied Natural Gas (LNG): cseppfolyósított földgáz: kriogén folyadék halmazállapotú földgáz, mely hőmérsékletének 1 bar nyomáson C ra csökkentésekor következik be. Ekkor az LNG mintegy 610-szeres sűrűséget ér el a normál gáz légköri nyomásához viszonyítva LNG and LCNG station: LNG és LCNG töltőállomás: olyan töltőállomás, mely az LNG tartályból az LNG és a CNG üzemanyagtartállyal szerelt járművek töltésére egyaránt képes LNG dispenser: LNG töltőoszlop/kútoszlop: LNG üzemanyag kimérő szerkezet LNG filling receptacle or LNG fuelling receptacle: LNG töltő csatlakozó: csatlakozó fejegység, amely a töltőoszlop tömlőjét a jármű tartályának töltőcsonkjához kapcsolja. Három eltérő kialakítás létezik, ezek kompatibilitása biztosított

137 137 LNG fuelling nozzle or LNG nozzle: LNG töltőcsonk: Az LNG tartály töltőcsonkja lehetővé teszi a biztonságos és gyors kapcsolódást, szétválasztást LNG fuelpump: LNG üzemanyag pumpa: Feladata a jármű motorjának üzemanyagigényét kielégítő üzemanyag mennyiség szállítása a tartályból a befecskendező szelepek felé LNG station: LNG töltőállomás: a földgáz cseppfolyósított állapotában a jármű tartályába kimérni alkalmas üzemanyagtöltő állomás LNG storage tank: LNG tároló tartály: rendkívüli szigetelésű tartály, esetenként kiegészítő kriogén nitrogén hűtéssel kondicionált tartály, mely az LNG üzemanyagot lehetőség szerint veszteség nélkül képes tárolni LNG system: LNG rendszer LNG tanker: LNG tartálykocsi: LNG szállítására szolgáló, rendkívüli szigetelésű tartályjármű LNG vehicle tank: LNG jármű üzemanyag tartály: vákuum és perlit szigetelésű üzemanyag tartály, CNG palackokkal azonos módon, az R110 szabványnak kell megfelelnie LCNG station: LCNG töltőállomás: LNG tartályból CNG járműveket kiszolgáló töltőállomás. A cseppfolyósított földgázt nagynyomású elpárologtató berendezésen keresztül szivattyúval átpréselve, a földgáz hőmérséklet hatására felmelegszik (>-40 C) és tágulás helyett első sorban nyomás növekedésen megy keresztül, felvéve a CNG szabvány szerinti nyomását Manual valve: Manuális szelep: azaz kézzel nyitható és zárható gázcsap Natural gas: Földgáz: fosszilis eredetű, nagyrészt metán tartalmú gáz. Pontos összetevőit a gázmezők határozzák meg és befolyásolják azok az átadó pontok, amelyeken a földgáz keresztül halad Non-return valve or checkvalve: Egyirányú szelep: automatikus szelep mely a gáz/ folyadék áramlását csak egy irányban engedi Operating temperatures: Működési hőmérséklet: az a hőmérséklet tartomány, amelyben a rendszert működtetni lehet Outervesselorouterjacket: Külső tartály héj: az LNG tartálynak a külső része, amely a külső mechanikai igénybevétel felvételére szolgál, illetve a külső és belső tartályrész között a szigetelő anyagot, illetve vákuumot megtartja Pressure: Nyomás: a légköri nyomáshoz (vagy más viszonyítási rendszerhez) mért relatív nyomás Pressure regulator: Nyomás szabályozó: a nyomás szabályzó berendezés mindig a kívánt nyomás tartományban állítja elő a gáznyomást Pressure relief valve (dischargevalve): Nyomáscsökkentő szelep: a gáztartály hőmérséklet emelkedés hatására felépülő túlnyomását korlátozó szelep, mely a biztonsági határnyomás elérése esetén kinyit és a határnyomás elérésekor bezár Pressure sensor/indicator: Nyomás érzékelő/jelző: nyomásmérő és kijelző egység Pressurization: Nyomás fokozás: a megkívánt üzemi nyomás előállítása Rigid fuel lines: Merev üzemanyag vezeték: a nem hajlékony, üzemanyag szállítására szolgáló csővezeték

138 138 Safety distance: Biztonsági távolság: mely elsősorban a töltőállomások, gáztartályok (és más gyúlékony anyagot tartalmazó tartályok) körül alkalmazandó biztonsági sávokat jelölik ki Saturation pressure: Gőz nyomás: az LNG tartályban a cseppfolyósított üzemanyag felszíne a hőfelvétel következtében gőzölög. A cseppfolyós rész felszíne feletti gőz halmazállapotú gáz nyomás alá kerül, ez a gőznyomás. Az LNG járműtartályok bar nyomásig melegedhetnek, ennek elérése esetén a nyomáscsökkentő szelep kinyit Service pressureor Operating pressure: Működési nyomás: az a nyomás, amelyet a jármű tartályának töltésénél alkalmaznak Service valve: Szerviz szelep: gáz lezáró szelep mely csak a jármű szerelésénél van zárt állapotban Tank (orvessel): Tartály: LNG tároló tartály Type of tank: Tartály típus Valve: Szelep Vehicle type: Jármű típus Venting: Szellőzés: Nem várt esemény bekövetkezésekor a gáz kiengedése a légkörbe annak érdekében, hogy ne alakuljon ki veszélyes tartálynyomás Venting system: Szellőztető rendszer: A gáz kiengedését kontrollált körülmények között lehetővé tevő rendszer, részei a nyomáscsökkentő szelep és a csövezés.

139 ÁBRA JEGYZÉK 1. ábraa világ járműgyártása 1950-től napjainkig ([789] Gas bringing technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra Az évenkénti legyártott járműszám ([835] Motorization Rate 2013 Worldwide, Organisation Internationale des Constructeurs d'automobiles OICA) ábra Az értékesített járművek területi megoszlása kontinensenként ([835] Motorization Rate 2013 Worldwide, Organisation Internationale des Constructeurs d'automobiles OICA) ábra Az NEDC menetciklus ([759] Emissions of Euro 3-5 PassengerCarsMeasured Over DifferentDrivingCycles, International Scholarly and Scientific Research & Innovation7(6)) ábra A WHTC menetciklus ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) ábra Benzinmotoros személygépjárművek emissziója többféle menetciklusban és valós körülmények között ([756] An Assessment of EmissionsfromLight-DutyVehiclesusing PEMS and ChassisDynamometer Testing, SAE International - John May, DirkBosteels, and CecileFavre AECC) ábra Dízelmotoros személygépjárművek emissziója többféle menetciklusban és valós körülmények között ([756] An Assessment of EmissionsfromLight-DutyVehiclesusing PEMS and ChassisDynamometer Testing, SAE International - John May, DirkBosteels, and CecileFavre AECC) ábra A környezetbarát hajtásrendszerek fejlődése ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) ábra A járművekkel szemben támasztott követelmények ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és gázellátásának vizsgálata, Gubovits Attila, Dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, Dr. Stukovszky Zsolt) ábra Jármű hajtóanyagok és alapanyagjaik ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Commission) ábra Egy elektromos motor hatásfok jellegmezője ([836] Batterie Elektrische Fahrzeuge in der Praxis, Univ.-Prof. Dr.techn. Bernhard Geringer, Dr. Werner K. Tober, Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, Technische Universität Wien) ábra Tüzelőanyagok és akkumulátorok energiasűrűsége ([790] alapján - Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté) ábra Tüzelőanyagok energiasűrűsége ([790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté) ábra Tüzelőanyagok energiasűrűségei a befoglaló tartállyal együtt ([790] Alternatív járműhajtások, Dr. Emőd István, Tölgyesi Zoltán, Zöldy Máté) ábra Néhány hajtásrendszer WTW hatásfokának az értelmezése ([839] Automobil Revue 2001)... 37

140 16. ábra A hagyományos és a földgázmotoros hajtásrendszerek WTW energiaigénye ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission) ábra A hagyományos, hibrid és földgázmotoros hajtások WTW tüzelőanyag fogyasztása egy európai (JRC), valamint egy amerikai (GREET) vizsgálat összehasonlításának eredményeként ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra A benzinmotoros, az LPG motoros és a földgázmotoros hajtáslánc TTW energiaigénye ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission) ábra Hajtóanyagok WTW GHG emissziója a WTW energiaigény függvényében ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Comission) ábra Tüzelőanyagok TTW GHG emissziója ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra Hajtásrendszerek WTW GHG emissziója ([750] Klopfeigenschaften methanhaltiger Kraftstoffe, Dipl.-Ing. Sebastian Scharlipp, Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Dipl.-Ing. Lukas Urban, Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Berner, Dr.-Ing. Michael Grill, Dr.-Ing. Frank Altenschmidt, Dr. Martin Schenk) ábra Buszokban alkalmazott hajtásrendszerek WTW GHG emissziója ([810] Erdgasbusse Die einzige wettbewerbsfähige Antriebsalter- native im ÖPVN., Michael Schaarschmidt) ábra Tüzelőanyagok és hajtásrendszerek párosítása ([870] WELL-TO-WHEELS Report Version 4.a - JEC WELL-TO-WHEELS ANALYSIS, European Commission), (a szerzők által végrehajtott módosítások narancssárga színnel vannak jelölve) ábra Hajtásrendszerek közlekedésben való alkalmazhatóságának a vizsgálata ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábraa földgáz összetétele országonként ([852] Worldwide LNG composition - IGU) ábra Tüzelőanyagok CO 2 kibocsátása ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra A földgáz metánszámának és Wobbe számának az összefüggése ([855] The Prospects for Natural Gas as a Transport Fuel in Europe, Oxford Institute for Energy Studies) ábra AgasQS fedélzeti földgázelemző kínálata ([795] Gas Quality Sensing gasqs, gasqs MEMS) ábra AgasQS földgázelemző mért és kalkulált mennyiségei ([795] Gas Quality Sensing gasqs, gasqs MEMS)

141 30. ábra A földgáz sűrűsége és telítési gőznyomása a hőmérséklet függvényében ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra Az LNG előállításának lépései ([739] Gas a bridging technology for future mobility? Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra A CNG és az LNG térfogati energiasűrűsége a gázolajhoz képest ([713] LNG fuel of future, DANUBE LNG, E.E.I.G.) ábra A CNG és az LNG felhasználási módjainak szempontjai ([719] Natural Gas and Dual Fuel Engine Technologies for HDV, RICARDO; Richard Cornwell, Dan Foster, Dr Andy Noble) ábra A földgázmotorok működési elvei ([719] Natural Gas and Dual Fuel Engine Technologies for HDV, RICARDO; Richard Cornwell, Dan Foster, Dr Andy Noble) ábra Szívócső- és közvetlen befecskendezésű földgázmotor ([753] Entwicklung von direkt einspritzenden Erdgasinjektoren (DI-CNG) bei Delphi, Dr. Joachim Kiefer, Jean- Francois Preuhs, Dr. Guy Hoffmann Delphi) ábraa Delphi földgázinjektor fejlesztési lépései ([704] Smart and Cost-Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst) ábra Delphi földgázinjektor közvetlen befecskendezéshez ([704] Smart and Cost- Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst) ábra Delphi földgáz-injektor szívócső befecskendezéshez ([704] Smart and Cost-Effective Powertrain Strategies, John M. Fuerst) ábra Egy benzinmotor, egy szívócső befecskendezésű földgázmotor és egy közvetlen befecskendezésű földgázmotor nyomatékkarakterisztikájának az összehasonlítása ([753] Entwicklung von direkt einspritzenden Erdgasinjektoren (DI-CNG) bei Delphi, Dr. Joachim Kiefer, Jean-Francois Preuhs, Dr. Guy Hoffmann Delphi) ábra CNG tüzelőanyag ellátó rendszer blokkvázlata ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra Földgázmotorok fejlődése ([747] Effiziente Erdgasmotoren für Pkw Aspekte des Downsizings und des Magerbetriebs, S. Liebsch, U. Walther, R. Tröger, M. Günther) ábra Földgázmotorok működési módjai és kipufogógáz utókezelő rendszerük ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra A tüzelőanyagok szén-dioxid kibocsátása ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra Az Ivecoföldgázmotoros termékpaletta (a 2,8 literes motort már nem forgalmazzák) ([797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE)

142 45. ábra Környezetvédelmi előírások szigorodása ([797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE) ábra Az IvecoEurocargo dízelmotoros és földgázmotoros emissziója típusbizonyítványok alapján ([827] Iveco Eurocargo típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) ábra Az IvecoBus dízelmotoros és földgázmotoros emissziója típusbizonyítványok alapján ([829] IvecoBus típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) ábra Az IvecoStralis dízelmotoros és földgázmotoros emissziója típusbizonyítványok alapján ([828] Iveco Stralis típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) ábra Mercedes haszonjármű földgázmotoros termékpaletta ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra A Mercedes M936NGT motor tulajdonságai ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra A Mercedes M936NGT motor szén-dioxid emissziója az OM936 dízelmotorhoz képest ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra A Mercedes M936NGT szén-dioxid emissziójának a fejlődése az elődjéhez képest ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes- Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra A Mercedes M936NGT motor emissziója típusbizonyítvány alapján ([830] Mercedes M936NGT típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) ábra A Mercedes M936NGT gyorsulásának a fejlődése az elődjéhez képest ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra Az ábrán színezve láthatóak azok a módosítások, amelyeket az EPA2013-as megelőző változathoz képest hajtottak végre az NZ érdekében ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport) ábra Az ISL G NZ motor certifikációjában szereplő emissziós értékek ([834] Advanced Clean Transit Technology Symposium, Cummins Westport) ábra ACummins ISL G NZ motor tulajdonságai ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport) ábra A Cummins ISL G NZ motorcsalád nyomaték- és teljesítménykínálata ([831] Introducing Cummins ISLG NZ, Cummins Westport) ábra A Mercedes M936NGT és OM936 motorok zajemissziója ([743] Der neue Euro VI Erdgasmotor für mittelschwere Nutzfahrzeuge von Mercedes-Benz, Michael Benz, Dr. Kai Hoffmann, Dr. Marko Weirich, Dr. Hans-Otto Herrmann) ábra Kompresszió-viszony növelésének hatása földgázmotorokban ([741] CULT Powertrain: High Efficient CNG Engine with Direct Injection)

143 61. ábra Ford benzin- és földgázmotorok nyomatékkarakteriszikája ([710] Erdgasspezifisches Downsizing Potenziale und Herausforderungen, Ford Werke GmbH, FEV GmbH) ábra A turbóillesztés fontossága földgázmotorokban ([710] Erdgas-spezifisches Downsizing Potenziale und Herausforderungen, Ford Werke GmbH, FEV GmbH) ábra Azonos teljesítményű benzin- és földgázmotor összehasonlítása ([703] Antriebskonzept und Auslegung CNG-Motor für den DualX E-Drive im MBtech REPORTER, Dr. P. Dittrich, M. Kühn, Th. Hardt, Dr. B. Blankenbach, A. Kluger) ábra Benzin- és földgázmotor nyomatékkarakterisztikája ([703] Antriebskonzept und Auslegung CNG-Motor für den DualX E-Drive im MBtech REPORTER, Dr. P. Dittrich, M. Kühn, Th. Hardt, Dr. B. Blankenbach, A. Kluger) ábra Dízelmotor és földgázmotor károsanyag kibocsátása ([810] Erdgasbusse Die einzige wettbewerbsfähige Antriebsalter- native im ÖPVN., Michael Schaarschmidt) ábra Dual-fuel dízelmotorok blokkvázlata ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs) ábra A vizsgáltdual-fuel motor technikai paraméterei ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése (méreteloszlás) ([715] Simultane Verbrennung Methan-benzin- und Methan-Diesel-Mischbetrieb, MTZ; Prof. Dr.-Ing rudolf flierl, DIPl.-Wirtsch.-Ing. Arne temp, DIPl.-Ing. AndreAs Wegmann, DIPl.-Ing. Andreas BarroIs, DIPl.-Ing. Stephan Schmitt) ábra Dual-fuel motor nitrogén-oxid emissziójának csökkenése a teljes üzemtartományban ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése a teljes üzemtartományban ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra Dual-fuel motor szén-dioxid emissziójának csökkenése a teljes üzemtartományban ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra Dízelmotor és dual-fuel motor emissziójának összehasonlítása ([798] Erdgas-Diesel- Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH)

144 74. ábra Dual-fuel motor szilárd részecske emissziójának csökkenése ([798] Erdgas-Diesel- Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH) ábra Dízelmotor és dual-fuel motor emissziójának összehasonlítása ([798] Erdgas-Diesel- Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH) ábra Dízelmotor és dual-fuel motor effektív hatásfoka és fajlagos tüzelőanyag fogyasztása ([798] Erdgas-Diesel-Mischbetrieb, Stadtbahn Saarbrücken GmbH) ábra A Bosch Bifuel Motronic rendszer blokksémája ([844] Gasoline-Engine Management, Robert Bosch GmbH) ábra VW Caddy benzinmotoros, dízelmotoros és bi-fuel földgázmotoros verzióinak összehasonlítása típusbizonyítványok alapján ([832] VW Caddy típusbizonyítvány, Közlekedési hatóság) ábra VW Golf fogyasztása és CO 2 kibocsátása az NEDC menetciklus és a spiritmonitor.de eredményei alapján ([838] VW Golf CO2 kibocsátása NEDC és valós fogyasztási átlag szerint (spiritmonitor.de alapján), MGKKE) ábra Bi-fuel jármű felépítése CNG tartályokkal ([745] VIAVISION, Mit Erdgas nachhaltig MobilDie CO2-freundliche Alternative) ábra Mercedes bi-fuel jármű felépítése CNG tartályokkal ([745] VIAVISION, Mit Erdgas nachhaltig MobilDie CO2-freundliche Alternative) ábra Tüzelőanyagok árának összehasonlítása energiatartalom szempontjából ([739] Gas a bridging technology for future mobility?, Dr. Wolfgang Warnecke, Dr. John Karanikas, Dr. Bruce Levell, Dr. Jens Schreckenberg, Dr. Jörg Adolf) ábra Helyi közlekedésű áruterítő haszonjárművek üzemeltetési költségeinek a vizsgálata ([797] CNG-hajtású IVECO STRALIS alternatív hajtású kommunális- és nehéz-gépjárművek, MGKKE) ábra Dízelmotoros, CNG és LNG helyi közlekedésben részt vevő buszok tulajdonságainak az összehasonlítása ([713] LNG fuel of future, DANUBE LNG, E.E.I.G.) ábra A vizsgált járművek: Neoplen 489 és MAN Lions City GL ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) ábra A vizsgált buszok főbb műszaki paraméterei ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) ábra A hordozható emissziómérő berendezés a buszokba beszerelve ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) ábra A buszok emissziós eredményei ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016)

145 89. ábra A km-re vetített szilárd részecske emisszió ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyag-kibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) ábra A km-re vetített CO 2 emisszió ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyagkibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) ábra A km-re vetített NO x emisszió ([845] Vizsgálati összefoglaló a sűrített földgáz (CNG) és gázolaj tüzelőanyaggal hajtott autóbuszok valós üzemi körülmények közötti károsanyagkibocsátásának összehasonlító méréssorozatáról, MGKKE 2016) ábra Az összehasonlított hibrid rendszerek tulajdonságai ([784] T. On-line measurement and removal of biogas trace compounds VTT, Arnold M., Kajolinna, Technical Research Centre of Finland) ábra A földgázmotoros hibrid hajtásrendszer felépítése ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) ábra A belsőégésű motor és generátor optimális munkapontjának meghatározása a hatásfok csúcsokon ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) ábra A vizsgált cikluson alkalmazott stratégia és akkucsomag töltöttség változása (SOC)a 133,92 km megtétele során ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) ábra Földgázmotoros hibrid és tisztán elektromos jármű üzemeltetési költségeinek az összehasonlítása, miközben a CNG ára 0,965 /kg, a hálózati villanyáram ára 0,15 /kwh, ami 0,4 /kwh akkumulátorból származó energiaköltséget eredményez ([785] Reduction and monitoring of biogas trace compounds VTT Tiedotteita Research Notes 2496, Arnold M.) ábra ADAC gázüzemű jármű tűzvédelmi teszt ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs) ábra Gázüzemű járművek biztonsági szelepe ([789] Földgázzal hajtott gépjármű és a gázellátás rendszerének vizsgálata, Gubovits Attila, dr. Palkovics László, Pézsa Nikolett, dr.stukovszky Zsolt, Szabó Bálint, Trencséni Balázs) ábra A tanúsítás mintája a gázbiztonsági szemléről (1/1990. (IX. 29.) KHVM rendelet 4. számú melléklete) ábra pren 16942:2015 szabvány javaslat szerinti gázüzemanyagok jelölések ábra A miskolci autóbuszokon is értelmetlen jelöléshalmaz található az elavult rendelet miatt ábra A gázüzemű járművekben lévő alkatrészek osztályozásának blokkvázlata ([792] R110 ENSZ EGB előírások) ábra Gázüzemű járművekben lévő alkatrészeken elvégzendő vizsgálatok ([792] R110 ENSZ EGB előírások)

146 104. ábra CNG palackok haszonjárművek számára ([740] DUAL FUEL Potential of combined combustion of CNG and Diesel Fuel, Dipl.-Ing. C. Doppelbauer, Ing. Mario Penz, Dipl.-Ing. Daniel Renner Dr. Karl Masser, Dipl.-Ing. F. Dorfer) ábra A benzin, a földgáz és a hidrogén felsűrítése ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.- Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich) ábra CNG palackok különféle anyagokból ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich) ábra Alternatív topológiák CNG palackokhoz ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich) ábra Alternatív CNG palackok felépítése ([701] Zukunftsweisende Gastankstruktur in Wabenbauweise proof of principle, pl.-ing. Philipp Straßburger, Dipl.-Ing. Roland Schöll, Dr.-Ing. Sivakumara Kannappan Krishnamoorthy, Prof. Dr.-Ing Horst E. Friedrich) ábra LNG tartály egy nyerges vontatón ([722] Powering Transportation, Westport) ábra A kopogásos égés kiküszöbölése ([716] WÄRTSILÄ MEDIUM SPEED ENGINE PORTFOLIO DEVELOPMENT, CIMAC; Paolo Tonon) ábra LNG-s hajóflotta ([714] LNG LESAS Rotterdam: LNG Specifications for (Marine) Transport Applications, Ton Bruijstens)

147 MELLÉKLETEK Tüzelőanyagok alsó és felső fűtőértéke: [837] The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use In Transportation Model, GREET

148 148 Euro emissziós előírások: [791] R049 ENSZ EGB előírások (dieselnet.com alapján)

149 149

150 150