Odbiorca końcowy CNG

[Gerard Bartłomiejczyk]

Czy stacja tankowania pojazdów gazem ziemnym jest zakończeniem gazociągu?


Pojęcia:

CNG – Compressed Natural Gas (sprężony gaz ziemny)
Nm3 – normalny metr sześcienny (jednostka rozliczeniowa, oznaczająca ilość suchego gazu zawartą
w objętości 1m3 przy ciśnieniu 101,325kPa i temperaturze 00C)


Wstęp.

Wszyscy wiemy, jakim dobrym nośnikiem energii jest gaz ziemny. Przyzwyczajeni jesteśmy do użytkowania kuchenek gazowych, pieców centralnego ogrzewania, podgrzewaczy wody, itp. Są to urządzenia bardzo wygodne w obsłudze między innymi, dlatego, że paliwo do nich jest dostarczane siecią podziemnych gazociągów. Nie obarczamy się zmartwieniem, że zabraknie paliwa w najmniej oczekiwanym momencie. Podpisujemy umowę z lokalnym zakładem gazowniczym, który doprowadza do naszego domu, czy mieszkania rurę z gazem i stajemy się odbiorcą gazu ziemnego. Wykorzystujemy to paliwo dla własnych potrzeb.
Światowy trend ku ekologii, oraz rozwijający się rynek motoryzacyjny otworzył przed gazem ziemnym zastowanie go jako paliwa napędzającego silniki pojazdów mechanicznych na szeroką skalę.
Dyrektoriat Generalny Energii i Transportu UE przedstawił optymalny scenariusz rozwoju rynku paliw dla środków transportu, który zakłada procentowy udział CNG na rok 2020 w wysokości 10%. Udział innych paliw substytucyjnych w tym samym roku ma wynieść; 8% dla biopaliw, a 5% dla wodoru. Biogaz o zawartości 60-65% metanu, będącego głównym składnikiem gazu ziemnego pozyskiwany jest między innymi w biogazowniach, szczególnie podczas utylizacji wywaru gorzelnianego. Wytworzony w ten sposób biogaz jest skraplany i wykorzystywany w niektórych miastach UE jako napęd gazowy pojazdów samochodowych. Również autobusów. Metan zaczyna być stosowany w bateriach paliwowych, gdyż stosunkowo łatwo z niego pozyskuje się wodór.
Pozyskiwaniem wodoru z gazu ziemnego zajmuje się już wiele ośrodków badawczych na świecie. Metan (CH4) to gaz, którego skład stanowi jeden atom węgla związany, aż z czterema atomami wodoru.
Z tych powodów udział CNG w tej grupie paliw ma największy wskaźnik procentowy. Powoduje to rozwój rynku CNG również w Polsce. Zastąpienie nawet kilku procent paliw ropopochodnych innymi paliwami wydłuży czas eksploatacji zasobów naturalnych ropy naftowej, doprowadzi do dywersyfikacji paliw silnikowych, co w konsekwencji wprowadzi konkurencję na tym rynku i spadek cen, a wobec tego rozbudowę sieci stacji i sieci istniejących gazociągów.
Ogólnodostępne stacje tankowania pojazdów gazem ziemnym z wyglądu nie różnią się od stacji tankowania paliwami płynnymi. Czynności, jakie wykonują kierowcy w celu zatankowania samochodu zasilanego CNG nie różnią się niczym od procedur, jakie wykonują tankując paliwa płynne.
Główne elementy stacji tankowania paliwami płynnymi stanowi magazyn paliwa i dystrybutor, wraz z pompą podająca to paliwo z magazynu do dystrybutora.
W składzie stacji tankowania CNG może występować magazyn paliwa, ale nie musi. Posiadanie magazynu gazu nie jest koniecznym elementem dystrybucji (tylko w niektórych rodzajach stacji), ale jego brak wiąże się przede wszystkim z pogorszeniem ekonomii, niezawodności, czy szybkości tankowania. Punkt tankowania CNG możemy zminimalizować do rozmiarów szafki kuchennej, naściennej i umieścić we własnym garażu, (jeżeli taki posiadamy w budynku podłączonym do sieci gazowej).
Technologia dystrybucji i magazynowania gazu ziemnego jako paliwa silnikowego stwarza więcej możliwości dostaw do klienta niż dystrybucja paliw ropopochodnych. Jest paliwem uznanym za najbezpieczniejsze z dostępnych obecnie na rynku paliw, wpływającym o wiele mniej negatywnie na środowisko naturalne niż benzyna, olej napędowy, czy LPG.
Dlatego na podstawie kilku rodzajów stacji podłączonych na stałe do gazociągu postarajmy się odpowiedzieć na postawione w tytule pytanie.

Stacja tankowania gazem ziemnym sprężonym stanowi miejsce, w którym odbywa się dystrybucja gazu ziemnego o ciśnieniu powyżej 20MPa w postaci gazowej.

1.Stację połączoną trwale do sieci gazowej stanowi zespół urządzeń, który pobiera gaz bezpośrednio z sieci gazowej i podnosi jego ciśnienie w celu dalszej dystrybucji przede wszystkim jako paliwa napędowego dla środków transportu. Wyodrębnić należy w tej grupie ze względu na możliwość przemieszczania niektórych głównych elementów stacje;
a) Stacjonarne,
b) Mobilne,
c) Stacjonarno-mobilne.

Ad. 1a. Stacja stacjonarna to kompletny zespół urządzeń przeznaczonych do dystrybucji CNG, trwale posadowiony w określonym miejscu.

Ad.1b. Stacja mobilna, to kompletny zespół urządzeń przeznaczonych do dystrybucji CNG zabudowany na podwoziu jezdnym, którego praca możliwa jest po podłączeniu go do gazociągu. Ten typ stacji umożliwia czasowe uruchomienie jej w danej lokalizacji, przeznaczany jest często do zaznajomienia potencjalnych odbiorców gazu ziemnego z formą wykorzystania go jako paliwa samochodowego. Ponadto ze względu na swój czasowy charakter możliwe jest uruchomienie takiej stacji przy zastosowaniu uproszczonych procedur.

Ad.1c. Stacja stacjonarno-mobilna składa się z dwóch elementów. Jednego, trwale posadowionego i drugiego ruchomego. Ścisły związek z siecią gazową stanowi wariant, w którym to sprężarka podłączona jest do sieci gazowej na stałe, a element ruchomy stanowi magazyn sprężonego gazu. Tankowanie samochodów odbywa się z magazynów, których kilka obsługuje jedna sprężarka o bardzo dużej wydajności, lub grupa takich sprężarek. Magazyny są dowożone cyklicznie do sprężarki, a po zatankowaniu rozwożone na miejsce rozładunku. Tankowanie magazynów musi być wykonywane odpowiednio często, aby zapewnić ciągłość dystrybucji CNG.

2.Możemy wyróżnić stacje biorąc pod uwagę dostęp grup klientów na;
a) Publiczne,
b) Niepubliczne (zakładowe),
c) Przydomowe.

Ad.2a. Stacja publiczna jest dostępna dla wszystkich klientów.

Ad.2b. Stacja niepubliczna (zakładowa) dostępna jest wyłącznie dla określonej grupy odbiorców. Najczęściej zlokalizowana jest na terenie zamkniętym określonego zakładu, nie świadczy usług dla odbiorców spoza tego zakładu. Powodem tego może być wydajność dopasowana do floty zakładowej, lub brak koncesji na obrót gazem ziemnym.

Ad.2c. Stacja przydomowa przeznaczona jest dla jednego gospodarstwa domowego, bądź kilku gospodarstw sąsiedzkich. Posiada zdecydowanie ograniczoną wydajność do zatankowania jednego, lub kilku pojazdów na dobę, np. ciągnika rolniczego, czy kosiarki ogrodowej itp. Dystrybutor gazu ograniczony jest do niezbędnego minimum; węża i szybkozłącza.

3.Ze względu na czas napełnienia zbiorników pojazdu gazem wyróżniamy stacje;
a) Szybkiego tankowania,
b) Wolnego tankowania.

Ad.3a. Stacja szybkiego tankowania umożliwia pełne zatankowanie całkowicie opróżnionych zbiorników pojazdu osobowego, dostawczego, lub ciężarowego sprężonym gazem ziemnym w czasie kilku minut (od 2 do 4min.) Rozwiązanie to jest stosowane przede wszystkim w stacjach publicznych.

Ad.3b. Stacja wolnego tankowania wykonuje pełne zatankowanie całkowicie opróżnionych zbiorników pojazdu sprężonym gazem ziemnym w czasie wynoszącym kilka godzin.
Podczas powolnego procesu temperatura wtłaczanego gazu jest stała, bliska temperaturze otoczenia. Jest to korzystne, gdyż po uzyskaniu maksymalnego ciśnienia w zbiorniku nie następuje jego obniżenie spowodowane spadkiem temperatury gazu. Ten typ tankowania pozwala na równomierne rozłożenie zapotrzebowania energii w poszczególnych godzinach pracy urządzeń stacji. Najczęściej wykorzystywany jest przez komunikację miejską, lub flotę pojazdów, która z założenia garażuje kilka godzin na placu postojowym. Budowane są wielostanowiskowe rampy do tankowania nawet kilkuset pojazdów jednocześnie. Wykorzystany jest czas postoju pojazdów na ich zatankowanie. Fakt, że postój trwa kilka godzin nie oznacza niskiej wydajności systemu tylko precyzyjne zminimalizowanie kosztów stacji do określonych potrzeb. Wielostanowiskowa stacja przeznaczona do wolnego, jednoczesnego tankowania kilkunastu autobusów może zatankować bardzo szybko podłączony tylko jeden pojazd.
Również stacja przydomowa przy zastosowaniu magazynu CNG, mimo niskiej wydajności sprężarki umożliwi szybkie zatankowanie samochodu. Dlatego może powinno się nazywać taką stację wielostanowiskową, a nie wolnego tankowania, gdyż w naszym społeczeństwie pokutuje przekonanie, że tankowanie samochodu gazem ziemnym trwa bardzo długo. A to nie jest prawda.

4.Stacje tankowania CNG można podzielić z uwagi na związek z dystrybucją innych paliw na;
a) Niezależne,
b) Wchodzące w skład stacji paliw płynnych.

Ad.4a. Stacja niezależna to obiekt umożliwiający dystrybucję tylko i wyłącznie paliwa CNG.

Ad.4b. Stacja wchodząca w skład stacji paliw płynnych to stacja paliw płynnych, na której dokonywana jest również dystrybucja CNG.

5.Podział stacji tankowania sprężonym gazem ziemnym ze względu na lokalizację zespołu urządzeń stacji w stosunku do poziomu gruntu (nie dotyczy lokalizacji dystrybutora);
a) Naziemne,
b) Zagłębione poniżej poziomu gruntu,
c) Nadziemne.

Ad. 5a. Stacja naziemna to zespół urządzeń służących do dystrybucji CNG zabudowany bezpośrednio na poziomie gruntu.

Ad.5b. Stacja zagłębiona poniżej poziomu gruntu to zespół urządzeń zapewniających dystrybucję CNG i umieszczonych pod poziomem gruntu.
Takie rozwiązanie zmniejsza strefy występowania niebezpieczeństw zagrożenia wybuchem i zwiększa wyciszenie pracy urządzeń umożliwiając budowę stacji nawet na bardzo małym terenie.


Ad. 5c. Stacja nadziemna.
Główne urządzenia stacji znajdują się nad stanowiskami do tankowania (na dachu wiaty osłaniającej dystrybutory i klientów przed deszczem). Dzięki temu ulega zmniejszeniu teren, jaki zajmuje stacja. Ewentualne rozszczelnienie głównych urządzeń stacji uniemożliwia pojawienie się gazu w bezpośredniej bliskości tankowanego pojazdu, a może wystąpić wyłącznie ponad nim.

Zasada działania stacji tankowania CNG.

Omówienie poszczególnych elementów stacji tankowania CNG na przykładzie stacji o publicznym charakterze budowanej najczęściej; stacjonarnej, trwale podłączona do sieci gazowej, szybkiego tankowania, sprężarkowej, której napęd stanowi przeważnie silnik elektryczny.
Główne elementy takiej stacji to; system filtrująco-osuszający, napęd, kompresor, układ chłodzący, magazyn gazu sprężonego, układ sterujący, aparatura kontrolno-pomiarowa i dystrybutor. Niezależna budowa, bądź pełna integracja ze stacją paliw płynnych nie wpływa na zmianę poszczególnych elementów stanowiących pełne wyposażenie stacji z wyjątkiem dystrybutora.
Stacja zasilana jest w gaz ziemny z sieci gazowej (sieć wysokoprężna poprawia ekonomię systemu) poprzez system filtrująco-osuszający. Sprężarka gazu ziemnego podwyższa jego ciśnienie powyżej 20MPa. Podwyższaniu ciśnienia gazu towarzyszy wzrost jego temperatury. Stąd konieczność schładzania go do temperatury otoczenia. Zatankowanie zbiorników magazynu gazem o ciśnieniu 20-35MPa (zależnie od zastosowanych urządzeń) powoduje automatyczne wyłączenie kompresora.
Dystrybucja następuje poprzez podłączenia odbiornika (głównie samochodu) z dystrybutorem CNG. Różnica ciśnień pomiędzy magazynem, a zbiornikiem samochodu powoduje pobór gazu z magazynu. Opróżnienie magazynu do ustalonej wartości przez kilka pojazdów powoduje włączenie kompresora gazu. Wyłączenie go nastąpi po kolejnym zatankowaniu magazynu.
Niezawodność takiego systemu może zapewnić drugi kompresor, którego włączenie następuje wtedy, gdy korzystanie z pierwszego jest niemożliwe, np.; remont kompresora, jego awaria, itp. W przypadku awarii obu kompresorów istnieje ciągle możliwość zatankowania pewnej ilości samochodów zmagazynowanym gazem.
Dystrybucji CNG można dokonywać również bezpośrednio z kompresora, z pominięciem magazynu. Magazyn gazu zapewnia jednak szybkie tankowanie nawet mimo zastosowania kompresora o niewielkiej wydajności i stabilizuje temperaturę gazu, co powoduje leprze zatankowanie zbiorników pojazdu bez robienia przerwy na ostygnięcie gazu (dotyczy starszych typów stacji, które nie stabilizowały temperatury CNG). Wyposażenie stacji tankowania w magazyn gazu pozwala również na rzadsze uruchamianie kompresora, co powoduje oszczędność energii elektrycznej. Umożliwia stosowanie kompresorów o niższych wydajnościach godzinowych.

System dokładnego filtrowania i osuszania gazu.

Zespół filtrów i separatorów ma zapewnić dostarczenie czystego gazu do kompresora. Wychwytuje z gazu ewentualne zanieczyszczenia stałe, olej, oraz wodę. Dzięki temu zabezpiecza tworzeniu się korków lodowych w instalacji stacji i pojazdu. Wpływa pozytywnie na niezawodność pracy poszczególnych urządzeń stacji i poprawia jakość dystrybuowanego paliwa.

Kompresor gazu.

Kompresor gazu jest najważniejszym urządzeniem stacji sprężarkowej o wydajności od kilku do kilkuset Nm3/h podnoszącym ciśnienie gazu zależnie od modelu w przedziale 20–35MPa. Osprzęt kompresora stanowi; silnik napędowy, układ sterowania, magistrale gazowe wysokiego ciśnienia, dźwiękochłonna obudowa, zbiornik wydmuchowy, aparatura zaporowo-upustowa, międzystopniowe zbiorniki kondensatów, wymiennik ciepła, filtry wylotowe, itp.
Wpływ na wydajność danego modelu kompresora ma moc silnika napędowego i ciśnienie dostarczanego gazu.


Magazyn CNG.

Jest to butla, zbiornik, lub wiązka butli o odpowiednio dobranej pojemności zgromadzonego gazu ziemnego pod ciśnieniem 20-35MPa. Magazyn CNG często umieszczony jest w obudowie ochronnej.
Za budową magazynu składającego się z wiązki kilku butli przemawia możliwość wyłączenia każdej butli pojedynczo, co zapewnia korzystanie z gazu zgromadzonego w pozostałych butlach bez konieczności wyłączenia z pracy całego magazynu.
Rozładunek magazynu gazu metodą naczyń połączonych i równowagi ciśnienia ze zbiornikiem pojazdu powoduje, że w magazynie pozostaną pewne ilości gazu. Aby maksymalnie wykorzystać zmagazynowany gaz wiązka butli dzielona jest na trzy sekcje (nisko, średnio i wysoko ciśnieniową), które umożliwiają kaskadowy rozładunek magazynu gazu, za pomocą panelu sterującego.

Dystrybutor CNG.

Najprostszą formę dystrybutora łączącego odbiornik (najczęściej samochód, butlę luzem, wiązkę butli, motorynkę, ciągnik rolniczy, kosiarkę ogrodową itp.) z kompresorem gazu, lub z magazynem CNG stanowi wąż zakończony szybkozłączem.
Dystrybutory zależnie od potrzeb wyposażane są w urządzenia pomiarowe określające wagowo ilości wydanego gazu, oraz terminale do przyjmowania należności za CNG, które obsługiwane są samodzielnie przez kierowcę tankowanego pojazdu. Optycznie niczym nie różnią się od dystrybutorów umieszczonych na stacji paliw płynnych.
Standardowe wyposażenie dystrybutora stanowią zawory bezpieczeństwa uniemożliwiające przetankowanie odbiornika gazem. Każdy dystrybutor wyposażony jest również w zawór zrywny, którego zadziałanie następuje w przypadku rozszczelnienia połączenia dystrybutor–samochód. Zastosowanie takiego zaworu eliminuje możliwość zaistnienia niebezpieczeństwa rozerwanie węża dystrybutora.
Dystrybutor gazu ziemnego może być umieszczony na wspólnej wysepce z dystrybutorami paliw płynnych, lub stanowić element zespolonego dystrybutora kilku paliw samochodowych. W najnowocześniejszych rozwiązaniach takie dystrybutory CNG uzyskały priorytet pierwszeństwa, co oznacza, że kierowca pojazdu dwupaliwowego może zatankować gaz ziemny, odwiesić pistolet na miejsce i rozpocząć tankowanie benzyną. Dystrybutor naliczy sumę należności za dwa paliwa.

Podsumowanie.

Stacja tankowania sprężonym gazem ziemnym może być rozpatrywana jako zakończenie gazociągu dla typów stacji; niepublicznej (zakładowej), przydomowej (garażowej), oraz nazywanej wolnego tankowania. Użytkownicy takich stacji staną się docelowymi odbiorcami gazu ziemnego. Pozostałe stacje z założenia mają gaz dystrybuować dalej. Czy w takim wypadku nie należałoby rozróżnić grup odbiorców gazu? Jeżeli użytkujemy paliwo na cele własne powinniśmy podlegać pod przepisy gospodarowania energią. Jeżeli chcemy zarabiać na odsprzedaży nośnika energetycznego może powinny być rozliczani w myśl przepisów handlowych? Są to zagadnienia bardzo poważne, których rozwiązania należy dopatrywać się w polityce państwa. CNG jako paliwo silnikowe zmniejsza negatywny wpływ oddziaływania pojazdów na środowisko. Jego ekologiczne zalety doceniło wiele państw, a szczególnie miast i dużych aglomeracji miejskich w europie i na świecie. Dofinansowuje budowę stacji tankowania CNG, wprowadza systemy ulg i zwolnień podatkowych dla użytkowników i producentów takich pojazdów. Realizuje programy długoterminowe mające na celu spopularyzowanie tego paliwa, dzięki czemu wzbudza zainteresowanie inwestorów. Transport miejski; autobusy, pojazdy dostawcze, taksówki, pojazdy oczyszczania miasta i służb porządkowych zyskały preferencje dla zasilania CNG. W Stanach Zjednoczonych radiowozy policyjne coraz częściej stosują to paliwo, gdyż samochód ostrzelany z broni maszynowej nie wybucha. Organizatorzy imprez masowych w czasie, których gwałtownie wzrasta ruch komunikacyjny stosują do pojazdów CNG. Regionalnie i czasowo wprowadzane są nakazy użytkowania samochodów z napędem gazowym. Biuletyny miejskie informują o korporacjach taksówkowych posiadających wyłącznie auta zasilane CNG, z których usług skorzystanie nie przyczynia się do zanieczyszczania powietrza w mieście.
Mam nadzieję, że pokazałem jak stacja tankowania CNG może spowodować wydłużenie gazociągu i wzbudzić zainteresowanie nowych odbiorców i pośredników, które powinny wpłynąć pozytywnie na rozbudowę istniejącej sieci gazowniczej w Polsce.

Gerard Bartłomiejczyk


(W artykule wykorzystano materiały własne i Stowarzyszenia Użytkowników Pojazdów Zasilanych Gazem Ziemnym "NGV Polska")