Alternatywne źródła napędzania silnika i samochodu

Alternatywne źródła napędzania silnika to wszystkie te, które są inne od powszechnie stosowanych. W kręgu naszych zainteresowań znajdują się zatem:

• • gaz LPG (ang. Liquefied Petroleum Gas),

• • gaz CNG (ang. Compressed Natural Gas),

• • wodór,

• • biopaliwa,

• • energia elektryczna,

• metanol.

„Od początku istnienia przemysłu motoryzacyjnego podstawowym surowcem paliw do pojazdów były produkty ropopochodne (benzyna, olej napędowy). Inne alternatywne źródła zasilania były tylko obiektem badań naukowców, konstruktorów lub pasjonatów. Szersze zainteresowanie się niekonwencjonalnymi paliwami i wprowadzanie nowych technologii do przemysłu towarzyszyło wystąpieniu na świecie kryzysów paliwowych (związanych z niedoborem paliw lub zwyżką cen wydobywanej ropy naftowej). Do dnia dzisiejszego możemy wyrożnić trzy takie okresy: w Europie po II wojnie światowej, w latach 70. XX w., koniec lat 90. XX w. do chwili obecnej.

Drugim czynnikiem sprzyjającym rozwojowi prac nad alternatywnymi źródłami zasilania pojazdów jest wprowadzanie nowych zaostrzonych norm dotyczących emisji spalin, których silniki zasilane tylko tradycyjnymi paliwami ropopochodnymi nie będą w stanie spełnić. Ostatnim, ale jakże ważnym czynnikiem stymulującym wykorzystanie alternatywnych układów paliwowych jest fakt, że obecnie znane i udokumentowane zasoby ropy naftowej, przy obecnym zużyciu, wystarczą wg szacunkowych danych na 30–40 lat. Do najbardziej spopularyzowanych w eksploatacji lub będących w zaawansowanych stadiach badań naukowych alternatywnych metod zasilania pojazdów zalicza się:

• instalacje LPG i CNG,
• hybrydowe układy napędowe,
• instalacje wodorowe i ogniwa paliwowe,
• oraz ogniwa fotowoltaiczne.

Zasilanie silników spalinowych mieszaniną gazów LPG (Liquified Petroleum Gas, czyli skroplony gaz ropopochodny) nie jest zjawiskiem nowym. Ma on już ponad półwieczną historię. Jak wskazuje nazwa, LPG jest skroploną mieszaniną gazów, których głównymi składnikami są propan oraz butan (n-butan i izobutan). Pierwsze instalacje wykorzystujące mieszaninę propanu z butanem jako paliwa powstały we Włoszech i były wymuszone niedoborem paliw benzynowych po wybuchu II wojny światowej. Układy te wykorzystują koncepcję reduktora umożliwiającego dopasowanie ciśnienia do potrzeb powstawania odpowiedniej mieszanki paliwowo-powietrznej. Ich niewątpliwą zaletą jest możliwość zastosowania tego układu jako alternatywnego paliwa w standardowym silniku benzynowym. W porównaniu z paliwem benzynowym paliwo LPG ma wyższą liczbę oktanową, która w zależności od stosunku zawartości propanu do butanu wynosi od 100 do 110 oktanów, przy podobnym zapotrzebowaniu na powietrze podczas procesu spalania. Jednak w porównaniu z benzyną gaz LPG charakteryzuje się mniejszą o ok. 30% wartością opałową na jednostkę objętości. Dlatego zużycie paliwa przy zasilaniu gazem LPG w porównaniu z zasilaniem silnika benzyną jest większe o 20–30%. Do wad paliwa LPG zalicza się:

• niską temperaturę wrzenia, szczególnie dla butanu, co powoduje problemy przy zasilaniu pojazdu w zimie przy nierozgrzanym silniku,
• słabo miesza się z powietrzem,
• LPG jest gazem cięższy od powietrza i w przypadku nieszczelnej instalacji może gromadzić się pod pojazdem (np. w garażach) i być przyczyną wybuchu.

W zależności od rodzaju silnika, sposobu dostarczania paliwa do silnika (gaźnikowy czy wielopunktowy wtrysk) oraz stopnia zautomatyzowania układu ceny nowych instalacji montowanych w pojazdach samochodowych sięgają kwoty od 1000 PLN do 5000 PLN.

Podobnie jak w przypadku LPG, zastosowanie do zasilania pojazdów paliwa CNG (Compresed Natural Gas – sprężony gaz ziemny) nie jest zjawiskiem nowym. Prace nad układami zasilania CNG postępowały równolegle z pracami nad LPG. Ich zasada wykorzystania jako paliw do zasilania pojazdów jest podobna i opiera się na zamontowaniu zbiornika ze sprężonym, znajdującym się w stanie płynnym gazem, a następnie jego odparowaniu w reduktorze, wymieszaniu z powietrzem i doprowadzeniu do komory spalania   w silniku. Podobnie jak gaz LPG, CNG może być stosowany jako paliwo alternatywne do zasilania silników benzynowych. CNG w porównaniu z paliwami benzynowymi ma dużo większą liczbę oktanową (ok.130), także jego temperatura wrzenia jest dużo niższa niż gazu LPG i wynosi -163°C. Niewątpliwą zaletą tego paliwa jest fakt, że jest lżejsze od powietrza i łatwo się z nim miesza. Zmniejsza to ryzyko wystąpienia wybuchów przy nieszczelnej instalacji. Jest uważane za czyste paliwo, emisja zanieczyszczeń jest ok. 3 razy mniejsza w porównaniu z silnikami zasilanymi olejem napędowym. W Polsce instalacje CNG nie cieszą się obecnie dużym zainteresowaniem, brak także stacji paliw mających w swoim asortymencie gaz ziemny. Obecnie w Polsce jest 8 stacji oferujących CNG i ok. 140 pojazdów nim zasilanych.

Układy hybrydowe wykorzystują do zasilania przynajmniej dwa rodzaje energii.  W motoryzacji stosuje się układy umożliwiające powstanie energii mechanicznej z energii: chemicznej, uzyskiwanej podczas spalania paliwa w silniku i elektrycznej, dostarczanej z silnika elektrycznego zasilanego z układu baterii akumulatorów. Są to układy jeszcze bardzo rzadko spotykane, jednak przodujące firmy motoryzacyjne poświęcają im coraz większą uwagę. Obecnie seryjnie produkowane i oferowane są samochody hybrydowe: Toyota Prius, Fiat Multipla Hybrid, Nisan Tino Hybrid. Pojazdy te charakteryzują się zmniejszonym w porównaniu z klasycznymi układami zasilania zużyciem paliwa, ograniczoną nawet o 50% emisją spalin i cichą pracą. Silnik spalinowy, oprócz zasilania układu napędowego, służy jako źródło energii elektrycznej magazynowanej w akumulatorach. Napęd elektryczny jest napędem głównym, a napęd spalinowy pomocniczym. W odróżnieniu od klasycznych pojazdów, energia hamowania jest również wykorzystywana.

W odróżnieniu od poprzednich alternatywnych źródeł zasilania pojazdów, wodór jako paliwo ciągle jest w fazie badań. Rozpatruje się następujące metody jego wykorzystania: do specjalnych silników spalinowych i do ogniw paliwowych. W obu tych przypadkach emisja zanieczyszczeń praktycznie nie istnieje, ponieważ jedyną substancją powstałą w wyniku spalania wodoru jest woda. Zastosowanie wodoru do zasilania pojazdów umożliwi radykalne zmniejszenie emisji spalin, a po wyczerpaniu zapasów ropy naftowej może stać się głównym źródłem energii.

Idea wykorzystania energii słonecznej do zasilania pojazdów, tak jak innych alternatywnych źródeł, nie jest sprawą nową i sięga drugiej połowy XX w. Jednak ze względu na duże nakłady finansowe, jakie należy ponieść oraz jeszcze ciągle małą sprawność tych układów (do 15% w najnowszych elementach fotowoltaicznych) jest technologią przyszłości. Pojazdy wykorzystujące jako paliwo energię słoneczną są w fazie modeli i prototypów.”