Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Odstartováno: Šlápni na plyn!

Plynové dopravní perspektivy
 |  15. 6. 2006
 |  Vesmír 85, 352, 2006/6

Auta a autobusy těžko mohou jezdit na zemní plyn, když ho nemají kde načerpat. Proč by však někdo stavěl plnicí stanice, jestliže je skoro nikdo nepotřebuje? Jak ze začarovaného kruhu? Abychom mohli využívat výhody zemního plynu také v dopravě, musí napřed někdo zajistit jeho dostupnost. Potřebuje však nějakou záruku, že se mu vynaložené prostředky vrátí. Proto 16. března 2006 podepsali na pražském Žofíně představitelé státu a devíti plynárenských firem Dohodu o rozšíření zemního plynu jako alternativního paliva v dopravě. Stlačený zemní plyn dostal od státu zelenou ve formě stabilizované spotřební daně do roku 2020, plynaři převzali závazek vytvořit infrastrukturu, aby se „plynová doprava“ mohla vůbec rozvinout.

Proč zemní plyn?

Zemní plyn jako motorové palivo nabízí řadu výhod: nízkou cenu, vysoké oktanové číslo, 1) nemá problémy s emisními limity, protože ho z 98 % tvoří metan, který má při hoření ideální poměr vodíku a uhlíku. 2) Ve srovnání s benzinem má zemní plyn potenciál snížit emise CO2 o 10–15 %. Vozidla na zemní plyn produkují podstatně méně škodlivin, nejen oxidů dusíku, oxidu uhelnatého a uhličitého a pevných částic (viz tab. obrázek a článek na s. 344), ale i rakovinotvorných látek (polyaromatických uhlovodíků, aldehydů, aromatických uhlovodíků včetně benzenu). Do zemního plynu se nemíchají antidetonační přísady s karcinogenními účinky. Spaliny z motorů na zemní plyn neobsahují oxid siřičitý. Plynové motory mají tišší chod, hlučnost plynových autobusů je při srovnání s naftovými díky „měkčímu“ spalování nižší o 50 % vně vozidel, o 60–70 % uvnitř. Při tankování nevznikají žádné ztráty paliva zaviněné odpařováním a nehrozí kontaminace půdy při úniku pohonných hmot, jako je tomu u nafty či benzinu. O dalších přednostech zemního plynu jsme již referovali (Vesmír 84, 588, 2005/10).

Evropská komise se v prosinci 2001 zabývala užitím alternativních paliv v dopravě. Sledovala především dva cíle: zvýšit energetickou jistotu (tj. snížit závislost na ropných produktech) a zlepšit ochranu životního prostředí (snížit produkci CO2 jako hlavního skleníkového plynu). Komise představila strategii, pomocí níž by tehdejších 15 států Evropské unie mělo do roku 2020 nahradit 20 % benzinu a nafty. Po rozšíření EU se tyto iniciativy týkají i České republiky. Komise konstatovala, že pouze tři alternativní paliva či technologie mají šanci nahradit z více než 5 % spotřebu motorových paliv v příštích 20 letech, jsou to: a) biopaliva, b) zemní plyn, c) vodík a palivové články.

Pro zemní plyn požaduje akční plán náhradu 10 % dnešních ropných pohonných hmot do roku 2020. V konkrétních číslech to v Evropě představuje:

  • 23,5 milionu vozidel na zemní plyn (dnes jich je více než půl milionu),
  • spotřebu zemního plynu jako motorového paliva ve výši 47 miliard m3 (dnes to je více než 1,5 miliardy m3),
  • 20 tisíc plnicích stanic zemního plynu (dnes jich je 2100).

Zemní plyn v dopravě má však i své nevýhody. Zatím jsou vozidla na CNG dražší, jsou těžší, protože tlaková nádoba váží více než benzinová nádrž a zabírá i více místa. Vozidla na CNG mají menší dojezd při srovnání s klasickými palivy a přestavované motory mají nižší výkon (proto je lepší dát přednost motorům primárně konstruovaným pro zemní plyn). Pro auta na zemní plyn jsou zpřísněna bezpečnostní opatření při opravách, garážování a kontrolách.

Startovací čára

Zemní plyn může sloužit v klasických spalovacích motorech – benzinových nebo přímo plynových. Tato vozidla potřebují zásobník stlačeného plynu a vstřikovací systém. Zemní plyn se používá stlačený na 200 barů 3) (CNG – Compressed Natural Gas) nebo kapalný (při teplotě –162 °C, LNG – Liquefied Natural Gas). V současnosti se dává přednost vysokotlaké verzi. Dnes jezdí na zemní plyn v České republice asi 460 vozidel. Tomu odpovídá i síť plnicích stanic: 11 veřejných (dvě v Praze, po jedné v Plzni, Liberci, Českých Budějovicích, Horní Suché, Frýdku-Místku, Hradci Králové, Prostějově, Znojmu a Jeseníku) a 8 neveřejných (především v areálech Dopravního podniku Ústeckého kraje). V Evropské unii využívá CNG nejvíce Itálie (400 tisíc vozidel, 550 stanic), následuje Německo (35 tisíc vozidel, 680 stanic) a Francie (méně než 10 tisíc vozidel), pak už to nestojí za řeč. V 60 zemích světa jezdí na CNG více než 4,6 milionu vozidel (z toho skoro 1,5 milionu v Argentině), existuje asi 9 tisíc plnicích stanic a pro pohon se spotřebuje zhruba 12 miliard m3 zemního plynu. 4)

CNG a bezpečnost

Výbušná je pouze 5–15% směs zemního plynu se vzduchem, při nižších koncentracích se nic neděje, při vyšších zemní plyn jen hoří. Vozidla na zemní plyn jsou proto bezpečnější než ta, která používají benzin, naftu nebo směs zkapalněných rafinérských plynů obsahujících převážně propan-butan s menším množstvím vyšších uhlovodíků (LPG – Liquefied Petroleum Gas). Dokládají to fyzikální vlastnosti zemního plynu a způsoby jeho uložení:

  • zemní plyn je oproti kapalným palivům (benzinu, naftě, LPG) lehčí než vzduch,
  • zápalná teplota zemního plynu je ve srovnání s benzinem dvojnásobná,
  • silnostěnné plynové tlakové nádoby, vyráběné z oceli, hliníku nebo kompozitních materiálů, jsou bezpečnější než tenkostěnné nádrže na kapalné pohonné hmoty.

Tlakové nádoby procházejí zkouškami, které jsou mnohem přísnější než u nádrží na kapalná paliva. Ověřuje se odolnost proti nárazu, požáru a zvýšení tlaku. Tlakové nádoby jsou vybaveny řadou pojistek. Při haváriích plynových vozidel, kdy byl automobil zcela zničen, nebo při požáru garáže plynových autobusů nedošlo k významnějšímu poškození plynových nádob.

Filmové záznamy testů tlakových nádob vypadají jako ukázky z akčních filmů. Pod nádobami se rozdělávají hranice, střílí se do nich z ručních zbraní a vybuchují na nich pěchotní granáty. Auta narážejí do betonových stěn a podpalují se autobusy. Nic zvláštního se však neděje – buď se nestane vůbec nic, nebo obsah nádob „spořádaně“ vyhoří, aniž dojde k výbuchu a roztržení nádrže. To všechno už předváděl francouzský Gaz de France, když r. 1991 přesvědčoval o bezpečnosti veřejnost. U nás mají tyto testy proběhnout letos.

Nahlédnutí do historie

Zemní plyn jako pohonná látka není žádná převratná novinka. Spíše si jen připomínáme počátky spalovacích motorů. V minulosti již sloužilo několik hořlavých plynů. K nejdůležitějším patřily svítiplyn a zemní plyn, ale používaly se také další – důlní plyn (metan), dřevoplyn, kalový plyn, generátorový plyn, vysokopecní plyn a acetylen. Dnes se nejvíce využívá propan-butan (LPG), zemní plyn (především CNG, v menší míře LNG) a bioplyn. Budoucnost – spíše vzdálenější – vzhlíží k vodíku, ať již ve formě stlačeného či zkapalněného plynu, nebo zdroje elektřiny v palivových článcích.

První vehikl s výbušným motorem poháněl plyn, nikoli benzin či nafta. Patentoval ho r. 1807 švýcarský vojenský vysloužilec Issac de Rivaz. Vůz dokonce postavil a veřejně zkoušel. Jeho motor měl válec, v němž se elektricky zapalovala směs svítiplynu a vzduchu. Píst, který výbuchy vytlačovaly vzhůru, klesal svou váhou a atmosférickým tlakem vzduchu, přitom ozubeným hřebenem poháněl soukolí, které pohyb přenášelo na kola vozu.

Za vynálezce výbušného motoru je však považován Francouz belgického původu Jean Joseph Etienne Lenoir, který motor dokázal použít prakticky. Dne 10. listopadu 1859 získal patent na motor poháněný svítiplynem a již r. 1860 začal stavět vůz, s nímž r. 1863 ujel 18 km – z Paříže na její předměstí Joinville le Pont a zpět. Pohyboval se rychlostí 6 km/hod. Plynový motor měl úspěch a zdokonalovali ho další vynálezci v Německu (Gottlieb Wilhelm Daimler, Karl Friedrich Benz, Nikolaus August Otto, Carl Langer, Wilhelm Mylbach) aj. Zemní plyn (metan) byl poprvé použit v Ottově spalovacím motoru r. 1872. Brzy se začaly uplatňovat i kapalné pohonné hmoty, a to nejdříve petrolej (1863), později benzin (1873) a nafta. Ty se pak staly koncem 19., a zejména v 20. století rozhodujícími. O návrat plynových vozidel se v první polovině 20. století postaral nedostatek kapalných pohonných hmot za první i druhé světové války. Mnohé státy měly dostatečná ložiska uhlí a nejsnazší bylo nahradit benzin svítiplynem. Angličané připevňovali na nákladní auta gumové balony naplněné svítiplynem. Použití stlačeného plynu k pohonu automobilů, stále ještě svítiplynu, má své počátky kolem r. 1930 ve Francii a brzy se rozšířilo do dalších evropských zemí. Byly vyráběny kompresní tankovací stanice, tlakové láhve, přestavována vozidla, stlačený svítiplyn se začal běžně používat. Zkapalněné uhlovodíkové plyny v Evropě sloužily od počátku třicátých let. V Porúří poháněly r. 1934 asi 50 nákladních automobilů, o tři roky později jezdilo v Říši na tekutý plyn již 12 tisíc nákladních aut. Tekutý plyn se získával jako vedlejší produkt při výrobě benzinu z uhlí. Ve využití zemního plynu pro pohon vozidel má primát Itálie. Umožnila to snadná dostupnost zemního plynu z vlastní těžby ve třicátých letech minulého století. V městské hromadné dopravě byl plyn poprvé použit pro pohon tramvají – r. 1893 jich v Drážďanech jezdilo 6, dosahovaly rychlosti 10–12 km/hod a měly dojezd až 40 km.

V českých zemích se automobil se spalovacím benzinovým motorem objevil v Praze okolo r. 1895, plyn se u nás v dopravě používal až r. 1936. Šlo o stlačený svítiplyn, který poháněl auta, autobusy a traktory. Autobusy na stlačený svítiplyn jezdily v Praze, Hradci Králové a v dalších českých městech. Za druhé světové války byl pro nedostatek benzinu zvýšen počet tankovacích stanic stlačeného svítiplynu pro pohon automobilů v Praze, takže ke stanici v michelské plynárně přibyla stanice před Masarykovým nádražím a na ostrově Štvanice. Zemní plyn se jako pohonná hmota začal znovu uplatňovat v České republice od r. 1981, kdy byla provedena první přestavba vozidla na zemní plyn. Prvních pět autobusů poháněných stlačeným zemním plynem zahájilo v Praze provoz r. 1991. Tehdy se znovu zavedly plynové autobusy v městské dopravě i v dalších městech – v Havířově, Frýdku-Místku, Uherském Hradišti a Prostějově. Nová síť plnicích stanic bude zprvu sledovat dálnice a silnice 1. třídy s ohledem na rozmístění středotlakých plynovodů a bude usilovat o zavádění vozidel na plynový pohon u lokálních provozovatelů (např. při zásobování, u dopravních podniků a při údržbě měst).

Literatura

www.cng.cz, duben 2006
Kolektiv autorů, Plynárenství 1847–1997, ATYPO, Praha 1997
Rudolf Novák, Kronika plynárenství, MILPO, Praha 1997
Rudolf Novák, Plynárenské muzeum – průvodce, Pražská plynárenská, a. s., Praha 1999

Poznámky

1) Oktanové číslo – charakterizuje míru předčasných samozápalů (detonací) benzinového motoru. Vyšší hodnoty znamenají vyšší odolnost a vyšší výkon motoru. Hodnoty lze zvyšovat buď úpravou složení benzinu, nebo aditivy. Oktanová čísla automobilových benzinů mají zpravidla hodnotu 87–100, u zemního plynu 130.
2) Při hoření jakékoli dostupné organické látky využitelné jako palivo spalovacích motorů vzniká více CO2 než při hoření metanu (1 uhlík z metanu shoří na jednu molekulu oxidu uhličitého a dvě molekuly vody). Snadno si to připomeneme na rovnici ze základní školy: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.
3) V Evropě užíváme pro CNG bary; jednotka SI pro tlak je pascal (Pa). Rozlišujeme technickou atmosféru (at.) a fyzikální, absolutní atmosféru (atm.); 1 at. = 98 066,5 Pa; 1 atm. = 101 325 Pa; 1 bar = 105 Pa; 1 Pa = 1 N/m2.
4) Objemové údaje o plynech jsou ošidné, protože objem plynu je veličina závislá na teplotě, tlaku, tedy i nadmořské výšce. Plynoměry však objem měří, je to dáno jejich technologií. Klasickým odběratelům plynu objem nic neříká, navíc jeho složení může být rozdílné (např. norský a ruský zemní plyn se liší), a tím je různá i výhřevnost. Proto bylo zavedeno účtování v kWh, aby odběratel měl přehled, kolik energie (nikoli kubíků) spotřeboval. U zemního plynu v dopravě to je zase jiné. Původně se CNG měřil v m3, a to bylo pro motoristu jednoduché (byť nepřesné), protože 1 m3 se zhruba rovnal 1 l benzinu (ZP má výhřevnost 34 MJ/m3, benzin 33 MJ/l). U nových stanic se dnes spotřeba plynu měří v kg pomocí hmotnostních měřidel. Na rozdíl od proměnlivého objemu 1 kg plynu váží pořád 1 kg. Měřidla jsou velmi přesná (měří na základě Coriollisových sil), ale velmi drahá. V praxi uvádění hmotnosti CNG zákazníky mate (1 kg CNG dnes stojí 20–23 Kč) a nedovedou si cenu porovnat s benzinem. Obdobně 1 litr LPG se nerovná co do výhřevnosti 1 litru benzinu.

CNG (Compressed Natural Gas) – stlačený zemní plyn

LNG (Liquefied Natural Gas) – zkapalněný zemní plyn

LPG (Liquefied Petroleum Gas) – propan-butan

NGV (Natural Gas Vehicles) – vozidla s pohonem na zemní plyn

KAŽDÉ MOTOROVÉ PALIVO MÁ JINÝ ENERGETICKÝ OBSAH. PRO POROVNÁNÍ ZHRUBA PLATÍ

1 kg CNG 1,4 m3 CNG

1 litr benzinu 1,0 m3 CNG

1 litr nafty 1,2 m3 CNG

1 litr LPG 0,8 m3 CNG

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Technické vědy

O autorovi

Stanislav Vaněk

RNDr. Stanislav Vaněk (*1952) vystudoval biologii na PřF UK v Praze, krátce pracoval v Krajském středisku památkové péče a ochrany přírody v Ústí nad Labem, v časopise Živa a v Ústavu krajinné ekologie ČSAV. Deset let se v oddělení klinické hematologie 2. FN v Praze zabýval imunologií a zejména průtokovou cytometrií. K zájmům patří fotografie (absolvoval Institut výtvarné fotografie a Pražskou fotografickou školu) a horolezectví.
Vaněk Stanislav

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné