Wprowadzenie do technologii LNG w transporcie
Ciągnik do transportu długodystansowego zasilany gazem? To wciąż nowość w naszych realiach, dlatego z podekscytowaniem odbyliśmy jazdę próbną Scanią G410 LNG. Ciągnik ze średnią kabiną połączono ze standardową trzyosiową naczepą z pełnym obciążeniem. Podstawowy atrybut: skroplony gaz ziemny jako paliwo jest bardziej ekologiczny, ale powinien być też bardziej ekonomiczny niż olej napędowy.
Silnik i osiągi
Silnik OC13 Euro 6 o mocy 410 KM bazuje na znanym silniku 13-litrowym, ale został skonstruowany od nowa i wyposażony w zapłon iskrowy. Tak jak w silniku benzynowym, spalanie inicjowane jest za pomocą świec zapłonowych. To jak dotąd najmocniejszy silnik gazowy Scanii. Osiąga moc taką samą, jak jednostka wysokoprężna o tej samej pojemności, a moment obrotowy zbliżony. Dokładnie diesel 410-konny uzyskuje 2.150 Nm momentu obrotowego, podczas gdy jednostka gazowa - 2.000 Nm, co czyni ją nieco mniej elastyczną, a więc niekiedy dochodzi do częstszej redukcji biegu, w sytuacjach gdy ropniak wyciągnąłby się na wyższym przełożeniu.
Konstruktorzy Scanii sprytnie ustawili oprogramowanie zautomatyzowanej skrzyni biegów Opticruise, która nie trzyma się kurczowo niskich obrotów, przeciągając je, aby zminimalizować efekt niższego momentu. Nawet w trybie ekonomicznym nie spadają one raczej poniżej 1000 obr./min, co w przypadku diesla jest częste. Jej oprogramowanie jest jednak dostosowane do krzywej momentu obrotowego silnika - moment maksymalną wartość uzyskuje w zakresie 1.100-1.400 obr./min.
Skrzynia biegów i układ napędowy
Skrzynia Opticruise zapewnia płynną i szybką zmianę przełożeń. Można wybrać jeden z programów: Economy, Standard i Power, w zależności od zapotrzebowania na jazdę oszczędną lub dynamiczną. Kierowca ma do dyspozycji 12 biegów (plus dwa biegi wsteczne). Bieg 11 to przełożenie bezpośrednie 1:1, a dwunastka jest tzw. nadbiegiem, zapewniającym jazdę na relatywnie niskich obrotach. Z przełożeniem tylnej osi 2.92, przy prędkości 80 km/h obroty silnika nieznacznie przekraczają 1000/min.
Systemy hamowania i wspomagania kierowcy
W wytracaniu prędkości pomaga pięciostopniowy retarder R4100D, o mocy maksymalnej 500 kW i maksymalnym momencie obrotowym 4.100 Nm. Nie ma tu hamulca silnikowego, bo przy rozprężonym silniku z zapłonem iskrowym skuteczność tego zwalniacza byłaby minimalna. Jednak retarder jest na tyle skuteczny, że używanie hamulca zasadniczego, przy przewidującej jeździe, można sprowadzić do minimum i oszczędzać w ten sposób klocki hamulcowe.
Oczywiście w takim pojeździe nie mogło zabraknąć tempomatu, z kontrolą prędkości na zjazdach, który w tym przypadku wyposażono w funkcję Platooning, a więc można „uczepić się” innej ciężarówki w stosunkowo małej odległości. Funkcja tempomatu przewidującego topografię pozwala niemal w pełni zdać się na automatyczny dobór prędkości. Kolejny pomocnik kierowcy to asystent pasa ruchu. Nie przewidziano systemu automatycznego przełączania skrzyni na bieg neutralny. Podobnie jak w przypadku hamulca silnikowego, element ten nie miałby w przypadku silnika gazowego uzasadnienia, nie sprzyjałby wyraźnemu ograniczeniu spalania.
Koszty eksploatacji i paliwo
Dla użytkownika priorytetem są koszty eksploatacji, a zatem, przede wszystkim, wydatki na paliwo. Średnie spalanie podczas jazdy próbnej na autostradzie (na wyświetlaczu możemy odczytać zużycie gazu w kilogramach), przy średniej prędkości 80 km/h wyniosło 22,8 kg gazu na 100 km, a na zwykłej pagórkowatej drodze - 28,6 kg/100 km. Jednak realne jest, przy oszczędnym stylu jazdy, zejście do około 20 kg na 100 km, a z lekkim ładunkiem jeszcze niżej. Jeden z przewoźników jeżdżący do Hiszpanii zazwyczaj z 15 t ładunku zużywa nawet 18 kg LNG na 100 km.
Jakie to koszty w porównaniu z jazdą na oleju napędowym? Po uwolnieniu gazu z akcyzy ceny na stacjach znacznie spadły (o 67 groszy na litrze). Dziś można kupić LNG za 3,20 zł za kg, a nawet za 2,50 zł za kg. Nawet przy cenie LNG 3,20 zł za kg brutto koszt przejechania 100 km na autostradzie, biorąc pod uwagę przeciętne zużycie 22,8 kg LNG na 100 km, wyniesie około 73 zł, natomiast w trudniejszych warunkach - blisko 92 zł. Gdyby przyjąć w miarę oszczędną jazdę na ON i zużycie np. 25 l/100 km, to przy cenie 5,0 zł/l ON koszt przejechania 100 km wyniósłby 125 zł (zatem na gazie jedzie się w takiej sytuacji nawet ponad 40 proc. taniej!), a w trudniejszych warunkach (zakładając spalanie 28 l ON/100 km) - 140 zł. Różnica jest znaczna, jak widać na gazie jeździ się dużo taniej. Tak jest dziś. Oczywiście wszystko zależy od tego, jak dalej kształtować się będą ceny tych paliw, jaka będzie polityka fiskalna państwa, które może, ale nie musi tworzyć warunków preferencyjnych dla paliw bardziej ekologicznych.
Obliczenia zasięgu dla konkretnego pojazdu i kierowcy: średnie spalanie ON mnożymy przez współczynnik 0,8. Dla przykładu, 25 l ON x 0,8 = 20, co oznacza przewidywane zużycie gazu na 100 km. Pojemność zbiorników LNG (w kg) dzielimy przez ten wskaźnik (w naszym przypadku 378 kg : 20 = 18,9) i mnożymy przez 100, co daje zasięg na LNG aż 1.890 km! Na tym nie koniec, ponieważ taki ciągnik można zaopatrzyć w dwa zbiorniki po 550 l każdy (w sumie 1.100 l), dzięki czemu zasięg jeszcze znacznie wzrośnie.
W teście Scanii R410 LNG uzyskaliśmy zużycie gazu 19,6 kg/100 km. Przyjmując średnią cenę 3,82 zł/kg, przejechanie 100 km kosztowało nas ok. 75 zł, a zakładając, że takim samym zestawem, ale z 410-konnym silnikiem Diesla uzyska spalanie na identycznym poziomie (masowo, gęstość ON to 0,845 kg/l), czyli 23,2 l/100 km przy średniej cenie ON 4,8 zł/l koszt przejechania to 111 zł - jest to niemal o 48% więcej!
Serwisowanie i konserwacja
Planując koszty związane z eksploatacją silnika gazowego trzeba też wziąć pod uwagę, że takie silniki mają niestety krótsze niż diesle okresy między przeglądami. Scania wydłużyła ten interwał, dla pojazdów mało obciążonych do 60 tys. km, a dla obciążonych do 45 tys. km, po którym należy wymienić świece i olej (obecnie jego długość warunkuje przede wszystkim żywotność świec). To wyraźny postęp w stosunku do poprzedniej generacji silników zasilanych gazem, które wymagały wymiany świec co 30 tys. km (a jeszcze dwa lata temu - co 15 tys. km), ale nadal częstotliwość ta jest większa niż w przypadku jednostek zasilanych ON.
Spalany gaz możemy uznać za „suche” paliwo w przeciwieństwie do oleju napędowego nie smarujące powierzchni, z którymi ma styczność. Główną przyczyną tego, że rzeczywiście interwały międzyprzeglądowe są skrócone (silnik gazowy OC13 - co 45 tys. km, silnik wysokoprężny DC13 - co 90 tys. km), jest to, że spalanie gazu odbywa się w wyższych temperaturach niż oleju napędowego, podobnie wyższą temperaturę mają gazy wylotowe opuszczające silnik gazowy niż te w silniku wysokoprężnym. Wyższe temperatury spalin oznaczają większe obciążenia cieplne kolektora wylotowego i związane z tym odkształcenia. Z drugiej strony niższy stopień sprężania silnika gazowego (w silniku gazowym OC13 to 12,6:1, w silniku wysokoprężnym DC 13 to 18,1:1) i mniejsze maksymalne ciśnienia spalania to w konsekwencji mniejsze siły przenoszone na elementy układu korbowo-tłokowego silnika i panewki łożysk. Tym samym wydłuża się ich żywotność. Świece zapłonowe zostały dobrane pod kątem spalania mieszanek gazowych, ich trwałość przekracza 50 tys. km, we wcześniejszych rozwiązaniach „wytrzymywały” zaledwie 30-35 tys.
Bezpieczeństwo i obsługa paliwa LNG
Czy jazda lub postój z gazem w zbiornikach może przysporzyć jakichś kłopotów? Podczas jazdy w zasadzie nie ma problemu. Konstruktorzy umieścili zawory do tankowania w tylnej części zbiornika. To rozwiązanie, które zmniejsza ryzyko uszkodzenia zaworu w przypadku uderzenia go kamieniem czy odłamkiem wystrzeliwującym spod kół.
Gorzej może być podczas dłuższego postoju. Użytkownik gazowej Scanii otrzymuje wraz z pojazdem informację o zależności między dniami postoju a ciśnieniem gazu w zbiornikach. Wyjaśnia ona jak ciśnienie gazu może zmieniać się w czasie, gdy pojazd nie pracuje. Skroplony gaz musi być przechowywany w temperaturze minus 162 stopni Celsjusza, a w czasie dłuższego postoju temperatura ta wzrasta, a gaz częściowo odparowuje, zwiększając swoją objętość, co sygnalizują wskaźniki ciśnienia na zbiornikach. Wówczas zawór bezpieczeństwa wypuszcza nadmiaru gazu w powietrze, doprowadzając ciśnienie do normy. Według przedstawicieli producenta, trzydniowy postój na parkingu nie powinien spowodować zadziałania zaworu upustowego, a więc uszczerbku w zbiornikach. Gaz ogrzeje się w takiej sytuacji w minimalnym stopniu. Lepiej jednak nie tankować na zapas, jeśli ciężarówka ma przez dłuższy czas nie jeździć. Gdybyśmy zostawili ją na sześć tygodni, paliwo mogłoby nam wyparować.
A tankowanie? W Polsce obsługują je pracownicy stacji, ale poszczególne kraje mają różne zasady - w krajach zachodnich wykonuje to samodzielnie kierowca i przewoźnik operujący za granicą musi zadbać o przeszkolenie kierowcy, który być może będzie musiał sam dolewać gazu. Osoba tankująca musi znać zasady bezpieczeństwa oraz sposoby udzielania pierwszej pomocy. Wszakże skroplony gaz ma minus 162 st. C. Istotnym zagrożeniem jest to, że tankowany gaz w postaci skroplonej ma temperaturę -162°C, co stwarza ryzyko odmrożenia. Gaz ziemny w postaci płynnej jest niepalny, aby doszło do zapłonu, płyn musi najpierw wyparować i muszą być zachowane odpowiednie proporcje między gazem ziemnym a powietrzem. Metan jest palny tylko w postaci gazowej w stężeniu 5-15% w połączeniu z powietrzem.
Jeśli przewożenie skroplonego gazu byłoby niebezpieczne w normalnych warunkach eksploatacji, samochody nie przeszłyby badań homologacyjnych i nie zostałyby dopuszczone do sprzedaży, nie mówiąc o jeździe po drogach. Technologia produkcji butli gazowych, w których przewozi się gaz sprężony CNG, jak i kriogenicznych zbiorników LNG jest bardzo dopracowana - zbiorniki są absolutnie bezpieczne. Producenci zbiorników muszą poddać je badaniom zgodnie z przepisami regulaminu UN/ECE R110. Dotyczy on homologacji określonych elementów pojazdów silnikowych wykorzystujących w układach napędowych sprężony gaz ziemny (CNG) lub skroplony gaz ziemny (LNG). Testy obejmują wiele szczegółowych procedur, m.in. nadciśnieniowe badania wytrzymałościowe, badanie szczelności, odporności na korozję i działanie podwyższonych temperatur, badania z cyklicznymi zmianami ciśnienia, testy trwałościowe i starzenia, badanie odporności na wibracje czy badania na rozerwanie (niszczące). W Polsce zbiorniki na gaz skroplony lub sprężony, służące do zasilania silników spalinowych w pojazdach, podlegają kontroli przez Transportowy Dozór Techniczny. Producenci butli wykonują również swoje wewnętrzne testy.
Dwa zbiorniki zamontowane w ciągniku Scania R410 LNG zostały wyprodukowane przez austriacką firmę Salzburger Aluminium Group SAG - jedynego europejskiego dostawcę zbiorników kriogenicznych stosowanych w samochodach ciężarowych z silnikami zasilanymi LNG. Zbiorniki mają łączną pojemność 711 l, zmieści się w nich ok. 320 kg gazu ziemnego- producent określa zasięg operacyjny na 1100 km.
Kabina i komfort pracy kierowcy
Kabina sypialna G20 ma trzy wersje, z niskim, normalnym (w prezentowanym pojeździe) i wysokim sufitem. Szoferka o wysokości 3.350 mm to propozycja dla użytkowników, którzy ze względu na wagę, wysokość lub koszty szukają wszechstronnej kabiny zamontowany niżej na podwoziu, aby zapewnić niższe i bardziej komfortowe wsiadanie. To oczywiście nie jest salon, jak w przypadku kabin serii R czy S, tunel silnika wyraźnie wystaje z podłogi na ponad 20 cm, ale od podłogi do sufitu mamy do dyspozycji 1,80 m. Jest więcej przestrzeni o 10 cm, w porównaniu do analogicznej szoferki poprzedniej generacji.
Fotel kierowcy, z dwoma podłokietnikami, zaopatrzono m.in. w regulację podparcia lędźwiowego i wyżej na plecach, regulację sztywności amortyzacji, ogrzewanie. Obszyta skórą kierownica przyjemnie leży w dłoniach. Welurowa tapicerka jest przyjemna w dotyku. Do tego klimatyzacja automatyczna. W szoferce ulokowano tylko jedną leżankę, więc na tylnej ścianie znalazło się miejsca na moduł schowka, a jak wiemy, miejsc do przechowywania różnych przedmiotów w uporządkowany sposób nigdy nie jest w ciężarówce za wiele. Do schowków pod leżanką można się dostać zarówno od wewnątrz, jak i od zewnątrz kabiny.
Ciekawym rozwiązaniem jest wentylacja postojowa, która może pracować bez uruchamiania silnika. Elektrycznie sterowane szyby można obsługiwać sekwencyjnie - jednym dotykiem uruchamiając pełne otwarcie lub zamknięcie. Oczywiście nie mogło zabraknąć elektrycznych lusterek. Zadbano o estetyczne wykończenie wnętrza, dobre wrażenie robią drewnopodobne listwy. Efektem jest przyjemne środowisko pracy.
Co ważne dla przepracowanych lub niedospanych kierowców - czujnik uwagi cały czas kontroluje reakcje szofera i kiedy wykryje objawy przemęczenia czy skłonność do zasypiania, sygnalizuje dźwiękiem, że czas zrobić przerwę i odpocząć. Ogrzewanie postojowe nie korzysta z gazu - posiada malutki zbiornik na olej napędowy, więc działa tak jak w pojazdach z dieslem.
W czasie jazdy próbnej gazowcem nie dostrzegliśmy innych, większych różnic w porównaniu z dieslem, pod względem obsługi w czasie jazdy, czy też ogólnego zachowania na drodze. Wyczulone ucho wychwyci zapewne, że na gazie w kabinie jest nieco ciszej, bo zapłon iskrowy sprzyja obniżeniu hałasu.
Zasięg i infrastruktura tankowania
W dwóch zbiornikach prezentowanego pojazdu (406 i 352 litry) mieści się w sumie 378 kg skroplonego gazu. Na nizinnej autostradzie lub drodze ekspresowej, bez napinania się, przy wspomnianym zużyciu 22,8 kg/100 km można na takim zapasie przejechać nawet ponad 1.600 km. Taki zasięg znacznie przekracza trasę, jaką pokonuje kierowca ciężarówki w ciągu jednego dnia roboczego.
Trzeba jednak wziąć pod uwagę, że korzystający z pojazdu gazowego przewoźnik musi dostosować pokonywane przez niego trasy do możliwości tankowania. Jeśli musielibyśmy szukać stacji z LNG to mogłoby się skończyć unieruchomieniem zestawu i holowaniem. Jest problem nierozwiniętej sieci stacji tankowania gazu. W Polsce tych stacji mamy jak na lekarstwo, aktualnie jest pięć placówek, w tym tylko jedna publiczna - w Śremie, gdzie powiedziano nam, że stacja jest otwarta w godz. od 7.00 do 15.00. To nie zachęca. W Niemczech i innych krajach na Zachodzie wygląda to lepiej. Jednak dostępność LNG rośnie w Europie dzięki rozwijanej infrastrukturze.
Jej dalszy rozwój mają przyspieszyć m.in. działania podejmowane przez konsorcjum BioLNG EuroNet, którego częścią jest Scania. Zaplanowano zbudowanie 39 stacji LNG, które będą stanowić część ogólnoeuropejskiej sieci w Belgii, Francji, Niemczech, Holandii, Polsce i Hiszpanii. Zostaną rozmieszczone co 400 km wzdłuż głównych korytarzy sieci drogowych.
Planując trasę, warto upewnić się, że wizyta na stacji LNG zakończy się sukcesem, tj. stacja będzie otwarta lub nie będzie na niej akurat tankowania zbiorników. Trwa to około 2 godzin, ale później potrzeba jeszcze 2-3 godzin, aby się wyrównały ciśnienia w zbiornikach.
W przypadku ciągnika Scania R410 LNG zbiornik po lewej stronie pojazdu ma pojemność 406 l. Ponieważ w ciągniku moduł układu oczyszczania spalin jest zamontowany standardowo - w identyczny sposób jak w samochodach z silnikami Diesla zbiornik LNG z prawej strony pojazdu musi być mniejszy (352 l). Ze względu na specyfikę pracy układów LNG pojemność użyteczna zbiorników to ok.85% ich wielkości geometrycznej i jest to odpowiednio 383 l i 328 l. Łącznie można zabrać zatem 711 l LNG, a uwzględniając gęstość objętościową gazu ziemnego (0,45 kg/l) w zbiornikach, przewozi się ok. 320 kg. Zakładając średnie zużycie gazu na poziomie 25kg/100 km, maksymalny zasięg tak wyposażonego ciągnika to 1280 km. Warto jednak zachować rezerwę bezpieczeństwa, ponieważ powyższe obliczenia nie uwzględniały chociażby odparowania gazu ze zbiorników.
Ekologia i wpływ na środowisko
Przedstawiciele Scanii zdecydowanie potwierdzają, że silniki zasilane gazem emitują o 10 proc. mniej CO2 niż wysokoprężne, a emisja toksycznych tlenków azotu jest o ponad 60 proc. niższa, w porównaniu z dieslami. Dodatkowo, dzięki właściwościom gazu ziemnego możliwe jest całkowite wyeliminowanie emisji cząstek stałych. Przekonujące jest to, że dzięki temu można realizować zadania transportowe nawet w tych miastach, które posiadają restrykcyjne przepisy dotyczące pojazdów ciężarowych, służące poprawie jakości powietrza oraz zwieszające komfort mieszkańców. Dotyczy to także obniżonego hałasu.
Innowacje i przyszłość technologii gazowej
Zjednoczone Królestwo Wielkiej Brytanii i Irlandii Północnej to jeden z tych rynków, na których gazowe ciężarówki doczekały się wielkiego renesansu popularności. To zasługa między innymi szybko rozwijającej się produkcji biometanu, czyli przetwarzania odpadów spożywczych i rolniczych w paliwo znane pod skrótem bio-CNG. Scania postanowiła sięgnąć po rozwiązanie, które od lat znane jest z rynku chińskiego. Mianowicie zbiorniki gazu umieszczono nie tylko na bokach ramy, ale też za kabiną kierowcy, ustawiając je tam jeden nad drugim. Zwiększyło to pojemność zbiorników o ponad połowę i pozwoliło osiągnąć około 600 kilometrów zasięgu na jednym tankowaniu, całkiem sensownie, jak na ciągnik na gaz sprężony. Podkreślam bowiem, że mowa tutaj o zbiornikach na sprężony gaz CNG/bio-CNG, a nie na płynny gaz LNG/bio-LNG.
Metan powstaje wskutek rozkładu odpadów organicznych - obornika, ścieków, resztek jedzenia. Pierwszym krokiem jest fermentacja beztlenowa, a kolejnym rozkład przyspieszany przez bakterie. Tak powstaje mieszanina gazów zawierająca około 50-60% metanu. Pozostałą część stanowi głównie CO2. Następnie biogaz jest oczyszczany. Usuwa się CO2 i powstaje biometan zawierający co najmniej 97% metanu. Metan powstający z odpadów nie marnuje się, a dodatkowo uzyskujemy cenne produkty uboczne. Np. nawóz naturalny powstający z recyklingu fosforu i azotu, a także CO2 wykorzystywane w przemyśle. Działające już wysypiska śmieci będą funkcjonować jeszcze przez wiele lat, wydzielając metan. Metan ten można wychwycić i przetworzyć na gaz do kuchenek, zastępujący drewno i węgiel drzewny lub zasilać nim generator prądu. Ponieważ emisja CO2 jest redukowana na kilku etapach i odbywa się w obiegu zamkniętym, możliwa jest redukcja CO2 o ponad 100%.
Podsumowanie techniczne
Bohater testu: ciągnik Scania R410 4x2 LNG z silnikiem OC13 zasilanym ziemnym, przewożonym w postaci skroplonej, połączony z naczepą kurtynową marki Wielton.
Silnik: Scania OC13 101 Euro VI zasilany gazem ziemnym, pojemność skokowa 12,7 dm3, maksymalna moc 410 KM (301kW) przy 1900 obr/min, maksymalny moment obrotowy 2000 Nm w zakresie 1100-1400 obr/min.
Zbiorniki LNG: Dwa zbiorniki o łącznej pojemności 711 l, mieszczące ok. 320 kg gazu ziemnego.
Skrzynia biegów: Zautomatyzowana 12-biegowa Opticruise.
Retarder: Pięciostopniowy R4100D, maksymalna moc 500 kW.
Kabina: G20 (średnia), z możliwością wyboru wysokości sufitu.
Systemy wspomagające kierowcę: Tempomat z funkcją Platooning, asystent pasa ruchu, czujnik uwagi.