\ l -e-, \ Vattenfall MAJ 1987 n s meddelde NR ll STU-infrmati!l NR 630-19117
Författare Mats Ekelund, Göran Fermbäck, Bernt Karlssn Titel (svenska/engelska) Naturgas- ch bigasdrivna bussar - förstudie av demnstratinsprjekt Serie Nr TFB-meddelande 11 + sep bilagedel {ing~ å~n i STUB publikatinsserie) :SBN ISSN 0283-9105 Publiceringsdatum Juni 1987 Utgivare Sammanfattning (svenska) För att naturgas ska kunna vinna insteg sm alternativt drivmedel i Sverige bör man vara förvissad m att den i en utvecklad mtrknfiguratin kan erbjuda signifikant förbättrade emissinsvärden. Förstudiens slutsats, baserat på ett antal kntakter, är att en utveckling av mtrer för naturgasdrift bör kunna ge önskat resultat. Tekniska förändringar ch ptimeringar för att nå dessa låga emissinsvärden är trligtvis möjliga att utföra. Ett demnstratinsprjekt bör ckså innehålla utveckling av lättviktstanksystem samt infrastruktur i frm av tankstatiner även i praktiska driftprv. Transprtfrskningsberedningen, Svenska lkaltrafikföreningen, styrelsen för teknisk utveckling, Vattenfall Sammanfattning (engelska) In rder t give natural gas a psitin as an alternative fuel in Sweden it shuld be clear that an ptimized engine cnfiguratin culd meet demands fr significantly seduced exhaust emissins. The reprt tells, after a number f cntacts, that i t culd be wrth develping engins fr use f natural gas. Technical ptimicatins and changes are suppsed t be available in rder t reach lw emissin levets. An R& D prject shuld ats include the develpment f a tanksystem and infrastructure such as filting statins. TF8s dn r 168/86-6012 TFB-rapprter försäljs genm Liber Distributin. 162 89 Stckhlm. Tel 08 739 96 00. Övriga TFB publikatiner i TF B-meddelande. TF B-stencil. TFB nytt m fj) beställs ch erhalles direkt från Transprtfrskningsberedningen. Man kan dessutm abnnera pa TFB-meddelande inm lika delmråden samt på nyhetsbladet TFB-nytt
Svjet-tg nu på gas Svjetuninen har udvik.let til et lkmtiv, p{lnatw~ Et mer rendret med bl.a et nyt kntrlsystem, så den kan frb~nde naturgassen uden prblemer, ap lyser det svjetiske ny hedsbureau APN. Prttypen kf) rer på en blanding af gas g diesellie, idet llen er nji!!dvendig fr sikker antrendin'g af gassen. Samme princip har HT i yjvrlgt anvendt i sin naturgasdrevne frsji!!gsbus. Det er tanken senere at gå ver til ren gasdrift, hvilket dg kra!ver f!llrst installatin af gnisttamdingssystem i dieselmtren. Det er umuligt at antrende gassen i cylindrene ved kmpressinsvanne alen. Lkmtivet kan ifqlge en svjetisk ekspert medbringe gas nk til t ciages krsel Gassen lagres kmprimeret i syv tryktanke. Hvis det nye lkmtiv kmmer i daglig drift, skal det isrer ske på banestrrekninger i tret beflkede mråder. Frklaringen er, at naturgas sm brrendstf er meget lidt frurenende. jan.i, t lfr/~l 1;("-ike-e ~-- ~, ~c
FÖRSTUDIE AV DEMONSTRATIONSPROJEKT MED NATURGAS- OCH BIOGASDRIVNA BUSSAR FÖRORD SAMMANF A TTNJNG FÖRKORTNINGAR OCH BEGREPP l. INLEDNING l. l Bakgrund 1.2 Malsättning 1.3 Malgrupp 1.4 Avgränsningar SJDA l 3 5 6 6 8 8 8 2. MOTIV OCH FÖRUTSÄTTNJNGAR FÖR DEMONSTRATIONSPROJEKT 2.1 Mtiv 2.2 Krav i praktiska demnstratinsprjekt 2.3 Förutsättningar 2.4 Demstrat i anspr je k t 9 9 9 9 11 3. INFRASTRUKTUR OCH ENERGITILLGÄNGAR 3.1 Naturgastillförsel 3.2 Naturgasens egenskaper 3.3 Tankningsanläggning 3.4 säkerhet 3.5 Beredskapsaspekter 12!2 14 15 17!B 4. FORDONSTEKNIK 4.1 Tankar 4.2 Bränslesystem 4.3 Mtrknvertering 4.4 Förbrukningstal 4.5 Teknik för emissinsbegränsningar 4.6 Säkerhet 20 20 21 24 25 26 30 5. KOSTNADER FÖR STORSKALIG DRIFT 5.1 Förutsättningar 5.2 Bränslekstnader 5.3 Tankningsanläggning 5.4 Knvertering av bussar 5.5 Kstnadssammanställning 5.6 Rekmmendatin 32 32 32 33 34 35 36
!l 6. MILJÖ 37 6.1 Emissinskrav för bussar 37 6.2 Bränslets sammansättning 38 6.3 Emissinsmätning av naturgasdrivna bussar 39 6.4 Mutagena effekter 40 6.5 Miljöeffekter vid tillförsel av naturgas 41 6.6 Miljöeffekter vid tillförsel av bigas 42 7. PROVBÄNKSKÖRNINGAR 43 7.1 Allmänt 43 7.2 Prvplatser 44 7.3 Prv av tekniska alternativ 46 7.4 Kstnader 48 7.5 Rekmmendatiner 48 8. DEMONSTRATIDNSPRDJEKT 49 MED NATURGASDRIVNA BUSSAR 8.1 Allmänt 49 8.2 Plats för demnstratinsprjektet 49 8.3 Lkalisering av tankplats ch depå 50 8.4 Förslag till genmförande 50 8.5 Kstnadssammanställning 51 8.6 Rekmmendatiner 52 9. DEMONSTRA TIONSPROJEKT 53 MED BIOGASDRIVNA BUSSAR 9.1 Allmänt 53 9.2 Förädling av bigas 53 9.3 Lkalisering av förädlings- ch tankningsanläggning 58 9.4 Förslag till genmförande 61 9.5 Investerings- ch driftkstnader för bigasprduk t iansan l ägg n in g 6] 9.6 Kstnadssammanställning 62 9.7 Rekmmendatiner 63 lo. SVENSKA UTVECKLINGSMÖJLIGHETER AV 64 TEKNIK FÖR BIO- OCH NATURGASDRIVNA FORDON 10.1 Allmänt 64 10.2 Katalysatrer 64 10.3 Blandningsutrustning 64 10.4 Lagringstankar 65 10.5 Mtrutveckling för naturgas sm drivmedel 65 10.6 Ratinell tankningsutrustning 66 HEFERENSLIST A 67 Bilagr i separat häfte BILAGA l: BILAGA 2: BILAGA 3: Budgetffert frön ORF Budgetffert fr an TNO Presentatinsmaterial fran United Stirling
l FÖRORD Miljöfrågrna ställs alltmer i fkus då persntransprter diskuteras. Dieseldrivna bussar är en typ av frdn sm fta utsätts för härd kritik för sin, enligt mängas mening, negativa inverkan på luftmiljön speciellt i tätrter. Vi avser inte att här diskutera huruvida kritiken är berättigad eller ej. Det kan dck knstateras, att bussarnas andel av luftförreningarna i begränsade mråden i tätrter är ganska str ch blir prprtinellt än större, dä katalytisk rening av avgaser frän persnbilar slagit igenm med full kraft mt mitten eller slutet på 1990-talet. Det är rimligt att anta, att emissinskraven p ä bussar pä längre sikt kmmer att bli minst desamma, sm man redan nu frmulerat ch beslutat m för lätta bensindrivna frdn. De bestämmelser beträffande emissiner frän tunga frdn, där dieseldrift dminerar, sm föreslagits börja gälla fr m 1995 ars mdeller, är med säkerhet endast att betrakta sm ett steg pa vägen mt mycket strängare krav. Mt bakgrund av denna situatin bör pririteringen av utvecklingsinsatser pa drivsystem För bussar alltmer ga mt satsningar på emissinsförbättrande åtgärder. Inte minst busstrafikföretagen, sm har ett hårdnande tryck pil sig att vidta åtgärder mt avgaserna, pressar nu pa för att utvecklingen mt ny dieselmtrteknik eller annan "miljövänligare" teknik skat! gå snabbare ch ske mera målmedvetet. Det är i denna situatin, sm föreliggande förstudie har tillkmmit. Den har utarbetats pa uppdrag av en grupp intressenter bestäende av bl a Transprtfrskningsberedningen (TFB), styrelsen för Teknisk Utveckling (STU), Svenska Lkaltrafikföreningen (SL TF), Vattenfall, Vlv ch Saab-Scania. TFB, STU ch Vattenfall har svarat för kstnaderna. Förstudien är utarbetad av en prjektgrupp bestående av Ragnar Thörnblm, SL (prjektledare), Thmas Carlqvist, Vattenfall (prjektsekreterare) samt tre knsulter, där Mats Ekelund, HB Eken, varit huvudredaktör. De övriga knsulterna har varit Göran Fermbäck, Therells, ch Aernt Karlssn, K-Knsult. Förstudien kan sägas vara ett slags nulägesheskrivning av naturgastekniken för bussdrift kmbinerad med rekmmendatiner m bänkprvningsförsök med mtrer ch demnstratinsförsök med bussar i linjetrafik, där naturgasens (bigasens) ptential sm miljövänligt bränsle för bussdrift skall undersökas. Naturgas är ett av flera drivmedelsalternativ, sm trs ha en gd ptential när det gäller möjligheter till låga emissinsnivåer för avgaser vid frdnsdrift. I ett läge, när naturgasen tycks bli ett för alla de nrdiska länderna plitiskt mycket intressant energialternativ, framstar det sm angeläget att drivmedelstillämpningen p~ frdn undersöks ur alla aspekter, inte minst vad gäller miljöfr~grna. I denna förstudie förekmmer begreppet "signifikant förbättrade emissinvärden". Med detta menas en ernissinsniv~, sm kan sägas mtsvara den, sm kan uppntls med trevägskatalysatr på en välutvecklad mdern bensindriven persnbilsmtr. Begreppet har inget samband med förslag till lagkrav för tunga frdn i Sverige eller nägn annanstans i världen. T stället menas härmed en kravniv~, sm skulle tänkas kunna bli uppställd för bussar pä mycket läng sikt ch sm kan vara en m~lsättning för utveckling av naturgasdrift för
2 sadana frdn. Utvecklingen bör då vara stegvis upplagd sä, att m ptentialen hs naturgasen inte befinnes medge sa läga emissiner, sil skall utvecklingen avbrytas till förmän för andra alternativ, sm kan vara intressantare. I denna förstudie har ambitinen varit att avstå från spekulativa resnemang ch argumenteringar i plemik med andra drivmedel eller tekniska lösningar. Sädant kan ibland förekmma i studier av lika slag, men en bjektiv ch saklig debatt gagnas inte därav. Förhppningsvis skall förstudlen därför inte ses sm en partsinlaga frän naturgasintressenter, utan istället betraktas sm i första hand en "State-f-the-Art" studie med presentatiner av id~er mkring frtsatt prjektarbete ch utveckling. Förstudien får gärna citeras m källan anges. Var förhppning är att lösryckta bitar ur materialet placeras i sitt rätta sammanhang ch inte används sa att missförständ uppstår. Slutligen är det prjektgruppens förhppning att materialet i förstudien ska utgöra tillräcklig grund för frtsatta diskussiner ch beslut. stckhalm i maj 1987 Ragnar Thörnblm Prjektledare
3 SAMMANFATTNING Mälsättningen med denna förstudie är att undersöka huruvida man genm att genmföra demnstratinsprjekt med naturgasdrivna ch bigasdrivna bussar skulle kunna p<'l:visa att signifikant förbättrade emissiner frän busstrafik kan uppnäs. Dessutm är mälsättningen att beskriva hur sädana demnstratinsprjekt kan utfrmas. studien visar att demnstratinsprjekt kan vara meningsfulla att genmföra:-- I demnstratinsprjekt med naturgas/bigas jämförs miljöeffekter i förhällande till hittills tillämpad ch prvad teknik. Inriktningen är att avgöra m det är meningsfullt att bedriva frskning ch utveckling kring mtrer, tanksystem ch infrastruktur mm för bussdrift. Bakgrunden är att nu gällande eller föreslagen lagstiftning beträffande emissiner enligt miljödepartementet på läng sikt kmmer att skärpas kraftigt. Begreppet ''signifikant förbättrade emissinsvärden", är en nivå avsevärt lägre än vad man med dagens teknik uppnär med serieprducerade dieselmtrer. Det bör kraftigt understrykas att mälsättningen är frmulerad i denna förstudie ch inte refererar till lagkrav. Värdena är sa valda att kravnivlln i strt kan sägas vara den samma sm för bensindrivna persnbilar med trevägskatalytisk avgasrening. TNO, Delft, Hlland ch Ontari Research Faundatian i Trnt, Kanada, bedömer dessa nivåer sm möjliga att nä med Ottknverterade naturgasdrivna tunga dieselmtrer av den typ sm används i bussar. För att minska emissinerna ch nä uppställda mäl kan t ex följande utrustning ch teknik enskilt eller i kmbinatin prvas på en naturgasdriven mtr: Trevägskatalysatr Lambda snd Oxiderande katalysatr (tvavägskatalysatr) Luftöversktt Laddluftkylning (intercler), kmpressr (turb) Avgasätercirkulatin Blandarutrustning Förändrat förbränningsrum Förändring av kamaxeltider Arbet!t med denna-- rapprt har visat -att det inte g är att hämta -~fl8renheter frän prjekt _med höga krav. p ä emissiner frän annat h(lfct Världen. Det är därför ett alltför strt steg att för emissins _prövning päbörja ett demnstratinsprjekt direkt med naturgasdrivna bussar i trafik. Erfarenheter frän tidigare Ottknverterade bussmtrer visar att mfattande ch metdisk kmpnent- ch mtrutveckling behövs för att uppfylla de nämnda emissinsmälen. Denna utveckling kan endast göras i ett mtrlabratrium. Utprvning av frdnstanksystem ch för frdnsdrift erfrderlig infrastruktur kan med fördel ske parallellt med denna mtrutveckling. För sädana funktinsprv kan bussar med ptimerade naturgasmtrer användas.
4 Da mtrer, frdnstanksystem ch infrastruktur har utvecklats, sa att uppsatta mal har blivit uppnådda, är det lämpligt att sammanföra dessa system i demnstratinsprjekt. Först i samband med detta kan miljöeffekter i praktisk drift studeras., Ll3_~y_~L_M~Jrn.Q ~_()_IJl St_Gkh.ltn Jlnns_ ~tt intresse för att genmföra demnstratinsprjekt med naturgas,_ bigas ch andra alternativa ----dm vmeoet -rr::~r --ussät. På bada dessa rter finns samman-lag t - 6 St bussar riied Ottknverterade dieselmtrer, vilka f n används för LPG prv. Dessa skulle kunna användas för kmmande demnstratinspr jekt. Naturgas kmmer trligtvis inte att finnas i Stckhlm förrän en bit in pä 1990-talet. Bigas kan prduceras ch förädlas till naturgasnivä i Henriksdals avlppsreningsverk, sm därmed kan användas sm gasprducent för en av SL:s större bussdepäer, Söderdepän. Denna depa, sm är närbelägen, är av flera skäl lämplig för bigasdrivna bussar. Gasen i Henriksdalsverket skulle räcka till att driva 100-125 bussar. Sm slutsats av rapprtens utägesinventering ch de uttalanden sm gjrts av TNO ch ORF ges i denna rapprt rekmmendatiner m utveckling/prv i lika steg enligt följande: Mtrptimering mt uppställda emissinsmäl Med mtrptimering parallell utveckling ch funktinsprvning av tanksystem ch infrastruktur _ Demnstratinsprjekt med bussar i linjetrafik ch med --UEflYttjande av resultaten fran de tva vanstaende punkterna. Prjektmfattningen är da i mindre skala varvid miljöeffekter i verklig drift särskilt studeras. Försök i str s.kata mfattande--en hel bussdepå--med sikte p ä -stu-dier- av säväl miljöeffekter sm eknmi, teknik ch administratin. Det kan under mtrptimeringsarbetet ch de inledande teknikförsöken visa sig nödvändigt att i sidrdnade eller separata prjekt vidareutveckla sädana kmpnenter sm erfrdras för att nä emissinsmälen. Exempel pa sädana kmpnenter är katalysatrer, blandningsutrustning, lagringstankar ch tankningsutrustning. Prjektgruppen har en förhppning m att törstudien utgör tillräckligt underlag för beslut m ch utfrmning av ytterligare prjekt.
5 FÖRKORTNINGAR OCH BEGREPP Ames test Se kap 6.4 Bar/mbar Enhet för tryck CNG Campressed Natural Gas. Vedertagen förkrtning för kmprimerad naturgas CD Klxid ECE Ecnmic Cmissin fr Eurpe ECE R49 Mätning efter 13 mde-cykeln EGR Exhaust Gas Recycling, avgasätercirkulatin EPA Envirnment Prteetian Agency, USA:s SNV FUO Frskning, Utveckling, Demnstratin g/bhp Emissinsmängd i förhällande titt prducerat arbete g/kwh Emissinsmängd i förhällande till prducerat arbete HC Klväteföreningar LPG Llquified Petrleum Gas, "mtrgas" vid frdnsanvändning ML Malmö Lkaltrafik Mutagenicitat Se kap 6.4 NG Naturgas NGV Natural Gas fr Vehicles, Naturgas för frdn Nm3 Nrmalkubikmeter NOx Kvävexider ORF Onatri Research Fundatin, Trnt, Kanada Partiklar Rökpartiklar bestfiende av bl a st ch svavel R 49 Regulatin n 49 R 49 mdifierat Natinella skärpningar av R 49 krav Sign i fikant förbättrade emissinsvärden SL SLTF SNV s u TNO Transient 13mde US F ed Kravnivaer för emissiner, sm endast frmulerats i denna förstudie, se kap 2.3 Strstckhlms Lkaltrafik Svenska Lkaltrafikföreningen statens naturvärdsverk Statens Offentliga Utredningar The Netherlands Organizatin fr Applied Scientific Research (Rad-Vehicles-Research Institute, Departement f Internat Cmbustin Enging) Delft, Hlland Nrmerad emissinsprvningsmetd för att mäta avgasinneh~hl. Metden bygger pa en, så längt möjligt, verklighetsanpassad körcykel. Denna metd kräver mfattande resurser. Nrmerad emissinsprvningsmetd för att mäta avgasinnehäll. Metden bygger pa. förenklat körsätt. Federala USA bestämmelser, mätning sker efter transient-cykeln
6 l. INLEDNING 1.1 Bakgrund Den första naturgasen km till Sverige 1985. Det s k sydgasprjektet tg da sin början. Naturgas frän Danmark km till Skåne för att i huvudsak användas sm prcessenergi i industrin, men ckså sm energi för uppvärmning. Det planeras en vidare utbyggnad av gasledningsnätet till Stckhlm/Gävle. För närvarande förs diskussiner med Nrge, Svjet ch flera länder på den kntinentala delen av Eurpa m leveranser av naturgas till Sverige. Inm landet har även sökande efter naturgas förekmmit, Det mest kända är brrningarna i Siljansringen, sm delvis bygger på nya terier m var gas kan finnas. På Östgötaslätten finns mindre fyndigheter av gas. Försök med utvinning av gas ur klkvalib~er genm kemiska prcesser har förekmmit., Med början 1984 Gb _Q19n~rJld _a_v~jutnirm_ t.ml:fer S;mmaren 1987 g8nffiför-"stofsi'q(j(htms Lkaltra_fik_ ch _Malmö Lkaltrafik försök --med--- sfirllrll8iit~9~.:-s~~---bufisar (tre Vlv ch tre Scania) pa annat -QaSTOi-rTiiQt- bränsle, i dettei-flilf LPG. ttt <iv--mtiven till detta' fö"rsök 'Var-- mrväiltnlni.-i8n 'm b8.tt re-emissiner vilket dck inte uppnåddes. I augusti 1986 arrangerades en världsknferens m gasfrmiga bränslen för frdn, i huvudsak naturgas, i Vancuver, Kanada. J g_~-?e!m~_~r _ ~-~86 fär ~-i~:tällde Vattenfall rpetf en FUD-rapprt med rubriken "Naturgasdr1vna frddn". Transprtfrskningsberedningen (TFB) samlade i nvember 1986 intresserade parter frän industri, näringsliv ch myndigheter till diskussin m förutsättningar för ch möjligheter till FUD-verksamhet med naturgas för frdn. I december 1986 samlade Nrdisk Ministerräds energistyrelse intressenter frän Sverige, Nrge, Danmark ch Finland för liknande diskussiner. I januari 1987 samlades äter den grupp, sm samlats hs TFB i nvember 1986, för knkreta diskussiner. På mötet fattades beslut m framtagande av denna rapprt. Under 1987 kmmer Vattenfall att genmföra en studie med rubriken --- 11 li1-te~!_,-~tinell bevakning_ Och 'UtVärdering med avseende "{Hl teknik, --el<nomi._~c~_.lll_iu~?y_jrdnsdrift rned naturgas". -- Utländska studier hävdar att naturgas sm drivmedel kan förbättra luftkvaliten. Den senaste tidens händelser har skapat en allt bättre grund för diskussiner, undersökningar ch även härdvaruprv med naturgas sm drivmedel för frdn. Eftersm naturgasen i dagsläget är planerad att dras till stckhlm/gävle via Götebrg, kmmer en str del av Sveriges beflkning att kunna betjänas av naturgasen.
Bild 1:1 Naturgasdriven buss, Hamiltn, Ontari, Kanada 7
8 1.2 Malsättning Mälsättningen med denna förstudie är att undersöka m man kan uppnä signifikant förbättrade emissiner frän naturgas- ch bigasdrivna bussar. Mälsättningen är cksa att beskriva hur demnstratinsprjekt med naturgas- ch bigasdrivna bussar kan utfrmas. Krav, mtiv ch förutsättningar beskrivs i kapitel 2. Med demnstratinsprjekt avses i denna förstudie driftförsök med bussar i linjetrafik. l.j MAlgrupp Inneh~Hlet i denna förstudie vänder sig till: Riks-, landstings- ch kmmunalplitiker Statens Naturvardaverk ch andra myndigheter Svenska Lkaltrafikföreningen Svenska frsknings- ch utvecklingsrganisatiner Mtr- ch kmpnenttillverkare Svenska naturgasdistributörer 1.4 Avgränsningar I studien diskuteras möjlig teknik för busstrafik. För övrig frdnsanvändning kan denna förstudie eventuellt ge vägledning för val av teknik. Prduktinen av bigas, i den förädlade frm sm krävs, medger endast drift av begränsade frdnsflttr. Naturgasen finns smmaren 1987 i Skane ch längst västkusten upp till Falkenberg. Varen 1988 kmmer gasen till Götebrg ch 1992-93 beräknas kmma till Stckhlm/Gävle.
9 2. MOTIV OCH FÖRUTSÄTTNINGAR FÖR DEMONSTRA TIONSPROJEKT 2.1 Mtiv Mtivet till att genmföra demnstratinsprjekt är att undersöka m man med användandet av naturgas/bigas kan nä en signifikant psitiv miljöeffekt i förhallande till hittills tillämpad ch prvad teknik. Inriktningen är att prva m det är meningsfullt att bedriva frskning ch utveckling kring mtrer, tanksystem ch infrastruktur mm för bussdrift. Bakgrunden är att nu gällande eller föreslagen lagstiftning beträffande emissiner pä läng sikt med säkerhet kmmer att skärpas kraftigt. 2.2 Krav i praktiska demnstratinsprjekt l denna förstudie har följande krav uppställts pä praktiska demnstratinsprjekt. Signifikant förbättrade emissiner ska kunna uppnlls (se kapitel 2.3). Detta bör preliminärt kunna pavisas i inledande kmpnentprv. Rimlig eknmi vid strskalig drift Fullgd säkerhet hs tekniksystemet Tryggad tillförsel av drivmedlet Tillräckliga prestanda hs bussar Gällande bestämmelser för frdn ska med rimliga medel kunna uppfyllas 2.3 Förutsättningar Inför studien finns erfarenheter från prv med LPG drivna bussar i Malmö ch i Stckhlm. Malfrmuleringen för dessa prv var annrlunda jämfört med vad sm frmuleras i denna förstudie. Vid genmförandet av i denna rapprt skisserade demnstratinsprjekt finns alltså vissa erfarenheter att bygga vidare pa. Knvertering av dieselmtrer till Ottmtrer har t ex redan skett. Erfarenheten frän användning av gasfrmiga bränslen i bussar finns cksa, liksm erfarenhet av dessa bränslens emissiner. En viktig lärdm av prven med LPG sm bränsle är att emissinsptimering av en dieselmtr vid byte av drivmedel kräver ett mfattande utvecklingsarbete, vilket maste utföras i labratriemiljö. Frskningen ch utvecklingen kring dagens dieselmtrer syftar till att hlllla jämna steg med lagstiftningen i de länder där tillverkarna har sina intressanta marknader. För mätning av emissiner förekmmer i huvudsak tva skilda metder. Dessa är 13 mde-cykeln ch transient-cykeln, där den senare är en mdernare, dyrare ch mera verklighetsanpassad metd. Vid mätningarna registreras f n fyra viktiga emissinsbestandsdelar (CO, HC, NOx ch partiklar)&
lo Da emissinskrav frmuleras, tillämpas f n i Eurpa i huvudsak 13 mde-cykeln ch i Nrdamerika transient-cykeln. Enskilda mätningar enligt dessa bäda metder far inte direkt jämföras med varandra pga mätmetdernas principiella skillnader. Kravnivåer i strt kan dck jämföras i mera generella termer. I denna förstudie används begreppet "signifikant förbättrade emissinsvärden", vilka är avsevärt lägre än vad man med dagens teknik uppnar med serieprducerade dieselmtrer. Det bör kraftigt understrykas att kravnivan är frmulerad i denna förstudie ch inte refererar till lagkrav. Värdena är sa valda att malen i strt kan sägas vara den samma sm kraven för bensindrivna persnbilar med trevägskatalytisk avgasrening. Enligt de bada van beskrivna mätmetderna kan följande t va tabeller beskriva de uppsatta "signifikant förbättrade emissinsvärdena" i relatin till gällande föreslagen lagstiftning för dieselmtrer. CD HC NDx Partiklar US fed 1991 transient (g/kwh) 20.8 1.7 6.7 0.33 signifikant förbättrade emissinsvärden (g/kwh) enligt denna förstudie 2 l 2 O. l Tabell 2:1 Emissinsvärden i jämförelse enligt transient-cykeln Värdena i tabell 2:1 överensstämmer inte helt med de värden sm angivits vid kntakterna med THO ch ORF. Detta berr pä att det under hand har funnits anledning att justera värdena. CD HC NDx Partiklar ECE R 49 13 mde mdifierad (g/kwh) 11.2 2.5 14.4 Ej redvisat Enligt svenskt förslag 1995 (g/kwh) 4.9 1.2 9.0 O. l Signifikant förbättrade emissinsvärden enligt denna förstudie (g/kwh) l l 2 0.05 Tabell 2:2 Emissinsvärden i jämförelse enligt 13 mde-cykeln De signifikt förbättrade emissinsvärdena i tabell 2:2 är valda sä att de kan anses mtsvara värdena i tabell 2:1.
11 2.4 Demnstratinsprjekt studien beskriver ett förfaringssätt där mtrer med kringutrustning ptimeras i prvbänk ch sedan för demnstratinsprjekt mnteras i bussar. Mtiven till detta beskrivs närmare i kapitel 7. Resultaten av inledande bänkprv utvärderas. Utvärderingen resulterar l slutsatser m ch hur demnstratinsprjekt kan genmföras. I sädana prjekt utvärderas: Emissinsnivåer i verkliga tal, i relatin till lagkrav ch i relatin till denna studies målsättning. Praktiska erfarenheter av naturgastragr vid naturgasdrift (tankning, risker ch rutiner) Eknmiska faktrer Möjligheter att köra frdnsflttr pä förädlad bigas. Frdnets körbarhet, tillgänglighet ch prduktinsförmäga. Tva lkaltrafikföretag har visat intresse för eller har för avsikt att genmföra prv med bi-/naturgasdrivna bussar. Dessa företag är Malmö Lkaltrafik ch Strstckhlms Lkaltrafik.
12 J. INFRASTRUKTUR OCH ENERGITILLGÄNG 3.1 Naturgastillförsel Gaskällr ch tillförselvägar Sverige har idag inga egna naturgastillgängar sm är lämpade för direkt användning sm frdnsbränsle. Tillgängen pä bi- eller rötgas är pä sina häll gd vilket antyds i kap. 9. För närvarande mäste vi således imprtera all den gas sm är tänkt att användas i frdn. Tillgängen pä gas i var mvärld är gd ch leveranser kan ske frän bäde Danmark, Svjet ch Nrge. Nedanstäende figur visar möjliga imprtvägar ch Sydsveriges förbindelse med det västeurpeiska gasnätet. Naturgas frän kntinenten kan nä Sverige under vissa förutsättningar, nämligen m Sverige skulle imprtera stra gasvlymer söderifrän, eller m nägn störning av prduktinen i de danska Nrdsjöfälten skulle inträffa. ---- Befintliga ch beslutade system ----- Studerade system Trms ' l Traena8 Hallen~ ', Figur 3:1 Framtida tillförsel av naturgas till Sverige
13 Gastillg~nqen bakm de tre beskrivna införelsevägarna är betydande ch deras beräknade varaktighet framgår av följande tabell. Danmark Nrge Svjet Tillganger miljarder m3 150 3 000 35 000 Varaktighet ar 60 100 140 Tabell 3:1 Naturgastillgängar i Sveriges mgivning. Varaktigheten är beräknad sm den tid tillgängarna räcker med ett llrligt uttag pä dagens nivå. Nya fynd förlänger hela tiden tillgangarnas varaktighet. Naturgasen förs in i Sverige genm imprt av dansk gas till Sydgasnätet. stamledningen i detta nät har genm riksdagsbeslut dimensinerats för att klara en större imprt än vad sm är aktuell i första etappen. Den frtsatta utbyggnaden är beslutad upp till Götebrg ch ledningen är idag driftsatt upp till Arstad sm ligger några km utanför Falkenberg. En frtsatt utbyggnad är planerad upp till Stckhlm/Gävle men n~gt slutligt beslut är ännu inte fattat. Utbyggnaden upp till Stckhlm/Gävle skulle kunna ske med en enda tillförselväg via Öresundsledningen frän Danmark. Denna situatin är dck ur beredskapssynpunkt inte tillfredsställande ch därför utreds även andra tillförselalternativ. De tvä mest aktuella alternativen är köp av rysk eller nrsk gas. Den ryska gasen kan föras in i landet via det finska nätet ch en sjöledning i Bttenhavet till stckhlm/gävle. Den nrska gasen kan levereras via flera alternativa vägar. Ur leveranssäkerhetssynpunkt vre det fördelaktigt att f~ en tillförsel narrifrän exempelvis fr~n Haltenbanken. Vattenfall genmför djupgasbrrningar i Siljansringen baserade p~ terier m gasens uppkmst uppställda av prfessr Thmas Gld. Gasen skulle kntinuerligt bildas i jrdens inre ch stiga genm manteln ch skrpan ut i atmsfären. Gasen skulle kunna fängas upp m det i manteln fanns ett mrade med pröst berg undet ett tätt lck. Dessa förutsättningar kan eventuellt vara uppfyllda inm Siljansringen sm är en gammal meternedslagsplats. Vattenfall driver för närvarande ett prjekt med syfte att brra ned till 7 500 meters djup. Brrdjupet var i apri11987 ca 4 000 meter. Den ttala imprtvlymen av naturgas är f n 220 miljner m3 per är mtsvarande ca 2,3 TWh.
14 Transprt av naturgas Naturgasleveranserna till Sverige sker enbart via fasta rörsystem med en kntinuerlig förbindelse mellan gaskällan ch knsumenten. En alternativ möjlighet är att köpa flytande naturgas (LNG) sm levereras med b at fr~n exempelvis Algeriet. Den vätskefasiga naturgasen förångas sedan ch levereras pä vanligt sätt genm ett system av rörledningar. Det system av rörledningar sm transprterar ch distribuerar gasen utfrmas i princip sm fig. 3:2 Föa Fördelningsledning Mttagningsstatin stamledning Förbrukare Figur 3:2 Rörledningssystem för naturgas stamledningen ch grenledningarna utgör högtryckssystemet ch är dimensinerat för ett högsta tryck av BO bar. Berende på driftförutsättningarna kan trycket i lika delar av detta system variera mellan 12 ch BO bar. I mttagningsstatinen reduceras gasens tryck till nrmalt 4 bar ch distribueras sedan ut till de enskilda knsumenterna. I vissa fall reduceras gasens tryck i ytterligare ett steg ned till 100 mbar. I mttagningsstatinen sker ckså en mätning av levererad gasmängd. Vid en eventuell uppbyggnad av ett system för fyllning av gasdrivna frdn är den naturliga placeringen av en tankningsanläggning i distributinsnätets 4 bars system. 3.. 2 Naturgasens egenskaper Naturgas är en gas sm utvinns på samma sätt sm lja. Gasens sammansättning varierar mellan lika källr. Huvudbeständsdelen är metan (CH4) sm är blandat med tyngre klväten säsm etan (CzH6), prpan (C3Ha) ch butan (C4Hr). De flesta naturgaser innehäller
15 cksä varierande mängder brännbara beståndsdelar såsm kvävgas (Nz), kldixid (COz) ch syre (Oz). De gaser sm är aktuella för imprt till Sverige har följande sammansättning enligt Vattenfalls rapprt "Naturgas Hälsa Miljö". Typ av naturgas Dansk gas Tysk gas Svjet T rms Kemisk sammamättning Metan CH 4 vl% 91,1 88,7 98,9 91,6 Etan C 2 H 6 vl OJ 4,7 5,3 0,2 3,6 Prpan C 3 Hs vl% 1,7 1,6 0,0 1,1 Butan C 4 H 10 vl OJ 1,4 0,6 0,0 0,4 ch tyngre klväten Kldixid C02 vlll,' 0,5 1,4 0,0 2,4 Kvävgas N2 vl OJu 0.6 2,4 0,9 0,9 Övre värmevärde (MJ/Nm') 43 42 37 41 Undre värmevärde (MJ/Nm') 39 37 34 37 Relativ densitet 0,62 0,63 0,56 0,62 Tabell 3:2 Jämförelse mellan lika typer av naturgas Relativ densitet är gasens täthet i förhällande tillluftens täthet. Förutm dessa kmpnenter tillsätts en mindre mängd luktmedel i frm av tetrahydrthiphen (C4HgS). Luktmedlet tillsätts i Klagshamn där gasen förs in i Sverige ch avsikten är att en persn med nrmalt luktsinne skall kunna känna "gaslukt" vid kncentratiner sm ligger lägre än 1/5 av gasens undre expssinsgräns. Naturgasen har ett explsinsmråde mellan 5 ch 15 vlymprcent vid blandning med luft. I mtrbränslesammanhang är naturgasen relativt langaamt brinnande ch svårantändlig. Detta innebär att en gasmtr maste ha en tidigare tändtidpunkt än mtsvarande bensinmtr. En psitiv egenskap hs naturgasen är det mycket höga ktantalet 130 (RON) i jämförelse med premiumbensinens 98. Detta möjliggör att mtrer kan utfrmas med högre kmpressinsförhällande ch därmed få en bättre verkningsgrad. 3.3 Tankningsanläggning Lagringen av naturgas i frdn sker i nrmala fall under högt tryck i cylinderfrmade behållare. Det maximala lagringstrycket varierar berende på system mellan 200 bar ch 300 bar. Tankanläggningen måste således kunna leverera gas vid tryck mellan l bar (tanken är tm) ch 200-300 bar da tanken är helt full. Tankningen sker enligt tva skilda principer, snabb resp. längsam fyllning. Den längsamma fytlningsprincipen innebär att ett eller flera frdn kpplas direkt till en gemensam gaskmpressr sm sakta bygger upp trycket parallellt i alla frdn. Berende pa kmpressrns kapacitet i förhällande till antalet frdn tar denna prcess vanligen mellan en
16 ch sex timmar. Det nrmala förfarandet är att IJÖra detta under natten. När fullt txyck uppnatts sl<is kmpressrn autmatiskt ifrt'ln. Fördelarna med denna typ av anlä~jqninq är att kmpressrkapaciteten kan väljas n<jgt lägre dt'l lämye tid suk till förfgande vid tankningen. Den tempen1turhöjninq <>Om gasen f:"jr vid kmprimeringen hinner cksa utjämnas vilket innebär en bättre fyllnadsqrad i frdnets lagringstankar. Bild 3:1 Kmpressrstatin för W.ngsEHn fyllning Bild 3:2 Tryckstegsmanmetrar i krnpressranli:igqninq
17 Det andra systemet med snabbfyllning utnyttjas pa tankanläggningar av typ knventinella "mackar". Här lagras gasen i ett batteri av stälcylindrar, s k mellanlager, vid ett tryck pa ca 350 bar. Vid tankningen ansluts mellanlagret till frdnets tankar ch gasen strömmar frän cylindrarna med högre tryck till tankarna i frdnet. Prceduren tar ca 5 minuter frän helt tm till fylld tank. Fördelen med systemet är att frdnet kan fyllaspä krt tid. Kmpressrn måste arbeta upp ett högre tryck än vad sm krävs i frdnet vilket innebär en högre energikstnad för kmprimeringen. Detta kan i viss män undvikas genm att använda fler mellanlager med lika tryck sm successivt kpplas in vartefter trycket i frdnets lagringstankar stiger. Denna mkppling mellan lika mellanlager sker helt autmatiskt under tankningsförlppet. De kmpressrer sm används är klvkmpressrer där gasen kmprimeras i flera steg, vanligen 3 till 5 st. Mellan stegen kyls gasen för att öka kmpressrns ttala verkningsgrad. Energiåtgången är ca 0,3 kwh per m3 naturgas vilket är ca 3% av gasens energiinnehäll ch ca 10% av den mekaniska energi sm gasen, efter förbränning i frdnets mtr, prducerat. Kmpressrerna drivs nrmalt med en elmtar vilket ställer krav pa att elmatning finns tillgänglig där tankanläggningen skall uppföras. Där elmatning saknas kan en gasmtrdriven kmpressr användas. Den förbrukar då 10-15% av den gasmängd sm kmprimeras. Anslutningen av frdnet görs via en gasslang ch ett speciellt munstycke sm är utfrmat för att förhindra gasläckage. Den gas sm fylls i frdnet måste pa nagt sätt mätas för att en kund skall kunna debiteras. Under fyllningsförlppet ändras hela tiden tryck ch temperatur i tankningsanläggningens lika delar vilket försvårar fiödesmätningen. För detta ändamäl har det utvecklats en speciell typ av mätare sm direkt mäter massflödet. Nägn kmpensering för tryck ch temperatur behöver därmed inte göras. 3.4 Säkerhet Användningen av naturgas är en av de minst lycksdrabbade frmer för energianvändning sm tillämpas. Orsaken är att hela distributinen sker i fast installerade rörledningar med förhällandevis fä arbetsmment där människr kan skadas. Den största riskkällan är kundernas installatiner där bristfällig hantering ch eftersatt underhäll kan leda till lyckstillbud. I Hlland, sm är ett av de största gasanvänderländerna i Eurpa, har antalet lyckr per miljn abnnenter ch ar minskat frän llo är 1952, till 20 ar 1982. Den vanligaste rsaken till lyckr hs knsumenterna är förgiftning genm den klxid sm bildas vid förbränningen i en dåligt skött eller dåligt justerad värmeapparat med avgasröret mynnande inmhus (mycket vanliga i Sverige). Den näst största lycksrisken är brand eller explsin.
l B Vid distributin av naturgasen frän gaskällan ch ut till knsumenten sker mycket fä tillbud ch detta är den säkraste delen av naturgassystemet. De lyckr sm händer rsakas till största delen vid grävarbeten där ledningen skadas av entreprenadmaskiner. Vid användning av naturgas sm mtrbränsle tillkmmer ett led i distributinskedjan, tankningsanläggningen. Riskkällrna är främst läckage av gas frän kmpressrer ch täta anslutningar mt frdnen. Vad gäller säkerhetsaspekt p ä frdn hänvisas till avsnitt 4.6. Även de tankar sm används för mellanlagring på en snabbtankningsanläggning är en säkerhetsrisk. I dessa tankar finns en betydande energimängd lagrnd sm kan frigöras vid exempelvis brand inm mrädet. För att öka säkerheten vid tankning förses kpplingsmunstycket där fyllningsslangen ansluts med en kntakt sm förhindrar start av frdnet sa länge tankningen pagar. Andra typer av liknande atgärder kan användas för att höja säkerheten m det visar sig vara nödvändigt. Jämförs tankning av gas med tankning av bensin är lycksriskerna avsevärt färre vid gastankning. Gasen är hela tiden innesluten i tryckkärl eller rörledningar ch kan därmed inte blandas med luften sä att en explsiv blandning uppstår. Vid tankning av bensin finns alltid en viss mängd av bensinångan blandad med luft i prprtiner inm explsinsmrädet. Det är endast avsaknaden av en tillräckligt str gnista sm förhindrar att varje tankningstillfälle slutar med en explsin. En av de säkerhetsmässigt största fördelarna med naturgasen i jämförelse med alla andra flytande bränslen är att gasen vid ett läckagetillbud stiger uppät ch försvinner frän platsen. Flytande bränslen ligger istället kvar pä marken ch utgör en brandfara ända till de sanerats. 3.5 Beredskapaspekter Den gas sm idag distribueras till naturgasknsumenterna förs in i Sverige via Danmark sm är den enda befintliga införselvägen. Ett leveransavbrtt innebär att samtliga knsumenter påverkas. Denna situatin kmmer att kvarstä tills ytterligare en inmatningspunkt i systemet blir verklighet. För att förbättra beredskapssituatinen vid en eventuell störning tecknas en del stra knsumenter pil avbrytbara kntrakt. Detta innebär att dessa knsumenter behllller sin ljeeldningsmöjlighet ch vid en eventuell gasbrist växlar bränsle. Pä detta sätt kan förbrukningen i gasnätet minskas radikalt ch den mängd gas sm finns lagrad i ledningsnätet kan räcka till övriga knsumenter i flera dagar, även vid ett fullständigt avbrtt i leveranserna frän Danmark. För att ytterligare öka uthålligheten vid leveransavbrtt planeras underjrdiska naturgaslager kmbinerat med nödförsörjng av prpan/luft. Prpan/luft blandningen har förbränningsegenskaper sm liknar naturgasens ch kan ersätta denna vid förbränning i pannr ch liknande.
19 Sm bränsle i CNG-frdn duger den däremt inte p g a skilda fysikaliska egenskaper sasm kndensatinstryck ch liknande. En fyllningsstatin för CNG-frdn maste sthedes kpplas till den del av naturgasnätet sm alltid planeras ha sin försörjning tryggad. Sannlikheten för att ett leveransavbrtt skall ske är dck mycket liten. Energidistributinen med hjälp av ledningsbunden naturgas är ett av de mest pålitliga system sm finns. Om man definierar ett leveranssäkerhetsindex sm den genmsnittliga gasmängd sm inte levererats dividerat med den mängd sm skulle ha levererats m nllgt avbrtt ej skett, fik detta index ett värde pä l x I0-4 för det svenska nätet. Detta är en lika tag riskfaktr sm vilket annat nu tillämpat energidistributinssystem sm helst. Denna siffra täcker samtliga levernsavbrttsrisker frän gaskällan i nrdsjön ch fram till den enskilda gasknsumenten. Genm att en bussfltta knverterad till CNG inte har nägt alternativt bränsle kmmer dessa knsumenter att pririteras vid ett leveransbrtt vilket ökar leveranssäkerheten avsevärt.
20 4. FORDONSTEKN!K 4.1 Tankar Lagringen av naturgas i frdn kan ske enligt tre principer: kmprimering, absrptin eller i flytande frm. Den vanligaste frmen är kmprimering till ett tryck mellan 200 bar ch 300 bar ch lagring i cylinderfrmade tankar. Lagringssystemet bestar av ett fyllningsmunstycke, ledningar till ch fran tankarna, säkerhetsventiler, manuella avstängningsventiler pa varje tank ch en tryckreduceringsventil l ledningen fram till mtrn. Ttalvlymen för lagret berr pa erfrderlig kapacitet ch maximalt lagringstryck. Ju högre lagringstrycket är dest mer gas pa en given vlym. För en innerstadsbuss krävs en körsträcka pa minst 300 km mellan tankningarna ch med en förbrukning pä ca 5.5 m3 gas per 10 km mäste ttalt 165 m3 gas lagras pä bussen. Med ett maximalt lagringstryck pä 200 bar behövs ca 700 liters lagringsvlym. Med 300 bars tryck behövs ca 500 liters vlym. Tankarna utfrmas sm cylindrar med en diameter mellan lod mm ch 300 mm ch kan tillverkas i lika material säsm stal, glasfiberarmerad plast eller armerad aluminium. Cylindrarnas längd anpassas efter mntageutrymmet i frdnen. Det höga lagringstrycket ställer stra krav pa cylindrarnas hällfasthet ch därmed blir gdstjcklekarna i cylinderväggarna stra. Tillverkas behållarna i stal resulterar detta cksa i hög vikt. Andra material än stal ger möjligheter att reducera lagrets vikt, tabell 4:1 ger ttalvikten för nägra lika tanktyper. Cylinderdimensiner mm längd diameter vlym Antal Tankmm mm liter vikt ca stal 980 316 60 11,7 700 stal/glasfiber 1118 356 81 8,5 560 Aluminium/ glasfiber 1200 75 9,3 500 Kmpsite 350 Tabell4:1 Tankvikt för ett frdnslager med 200 bars tryck ch 700 liters vlym Ovanstäende siffrr gäller enbart lagringstankarnas vikt. Den lagrade naturgasen är inte medräknad. För att kunna placera tillräckligt str tankvlym i bussen mäste fler utrymmen än den befintliga dieseltankens plats utnyttjas. Berende pa chassiutförande kan lika utrymmen under bussen användas för att placera tankarna. Finns inte tillräcklig plats under bussen kan t ex taket utnyttjas.
21 Bild 4:1 Naturgastankar placerade pi'\ undersidan av bussen Rild l~:2 Fyllningsans!utninq vid bmkning med tryckmanmeter 4~2 Bränslesystem Rräns\esystemets huvudkmpnenter är tryckreglerutrustning, blandare samt eventuell styrutrustning. Är frrlnet utrustat för tvf:!lbränsledrift i nögn frm tillkrnmer utrustning för det andra bränslesystemet.
22 Utfrmningen av systemet hänger samman med typen av mtr. När det gäller dieselmtrer finns följande mtralternativ. Blanddrift gas/diesel Dieseltändning Knvertering till Ottmtrer Vidare kan vart ch ett av vanstäende knverteringssätt kmpletteras med turbkmpressr eller utfrmas sm sugmtr. Vid blanddrift, sm är den enklaste knverteringen, tillsätts naturgasen i insugsluften till mtrn. Mängden naturgas styrs av belastningen så att gasflödet ökar vid högre mtrmment ch blir nll vid tmgång. Styrningen av NG-flödet sker pä signal frän mtrns rdinarie insprutningspump samt tryck ch eventuellt flöde i insugsröret. >- Systemen kan vara både mekaniskt ch elektrniskt reglerade. }-.,vr ~ c C1l ::J CY (]) ::J 4-,~ v engine lad _.,.. Fig 4:1 Bränslefördelning NG/diesel vid blanddrift I systemen med dieseltändning sprutas endast en sa str mängd diesel in i förbränningsrummet att gas/luftblandningen kan antändas (fig 4:2). Vid full effekt mtsvarar tänddieseln mellan 5% ch 10% av den tillförda energin. Resterande bränsle tillförs i frm av gas med insugsluften. Mängden diesel är i detta system relativt knstant i hela belastningsmradet ch andelen av ttalt tillförd bränslemängd stiger därför med sjunkande belastning. Systemet lämpar sig bäst för statinära mtrer sm har en hög ch jämn belastning. Bränslesystemet utfrmas i princippasamma sätt sm vid blanddrift.
23 l l l gaseus fuel l engine lad ->- Fig 4:2 Bränslefördelning NG/diesel vid dieseltändning Bränsletillförseln för en Ottmtr sker i sin enklaste frm via en tryckregulatr ch en venturiblandare. Regulatrn är da inställd pa ett tryck sm ligger nagt under atmsfärstryck. Da mtrn är stppad stänger saledes tryckregulatrn helt eftersm trycket i ventriblandaren ch insugsröret stiger till atmsfärstryck. När mtrn startas sjunker det statiska trycket i venturin ch mtrn suger in gas ch luft. Systemet kan utvecklas med hjälp av ett elektrniskt reglersystem sm styr gastillförseln med ledning av en mängd insignaler. >- ~ ~ c r :J - -(j) :J Fig 4:3 ~ \'J" ~," gaseus fuel l f l l l l l l l engine lad _,. Bränsletillförsel NG i Ottmtr
24 Den tryckregulatr sm ingar i samtliga system förses fta med värmning fran mtrns kylsystem. Värmningen är till för att kmpensera den temperatursänkning sm blir följden av tryckreduktinen från lagringstankarnas tryck till insugssystemets tryck. 4.3 Mtrknvertering Bussar är nästan undantagslöst försedda med dieselmtrer ch det är denna mtrtyp man måste utga ifran vid en knvertering till naturgasdrift. De möjligheter sm finns är mbyggnad till blandbränsledrift eller mbyggnad till Ottmtr med gnisttändning av bränslet. Den ur energisynpunkt mest intressanta knverteringsprincipen är mbyggnad till Ottmtr, av bl a följande anledningar: Bussen förbrukar 100% naturgas. Bussen behöver endast ett bränslesystem. Denna mtrtyp har med dagens teknik visat sig bättre kunna nä låga emissiner. Nackdelarna är: Knverteringen av mtrn är mfattande ch emissinsptimeringen kräven stra insatser i labratriemiljö. Inget reservbränsle att tillgå. Ombyggnaden fran dieselmtr till Ottmtr innebär att tpplcket förses med tändstift istället för insprutningsmunstycken. Vidare maste kmpressinen sänkas till ca 12:1 ch mtrn förses med en gas/luftblandare.
25 t l i Bild 4:3 Utfrmning av klv efter sänkt kmpressin (dieselklv med pik) Med Ottmtrn följer cks~ en möjlighet att utnyttja den katalytiska avgasreningen vilket skulle kunna möjliggöra en radikal sänkning av emissinsnivan i jämförelse med dagens dieselbussar. (se kap. 4.5) 4.4 Förbrukningstal En stadsbuss med dieselmtr förbrukar ca 5 liter diesel per 10 km med stra variatiner berende pä körförhallanden längs den aktuella körsträckan. De bussar sm byggts m för drift pa LPG ch prvkörts i Stckhlm ch Malmö har förbrukat ca 20% mer bränsle än dieselbussar räknat per energienhet. Förklaringen till den högre förbrukningen ligger till stra delar i att den ursprungliga dieselmtrn är resultatet av en läng utveckling med sikte p~ ll'!lg dieselförbrukning. Den knverterade mtrn är ur denna synpunkt mindre ptimerad. En annan förklaring är Ottmtrns lägre kmpressinsförh~llande sm gör att den teretiska verkningsgraden blir lägre. Den övre kmpressinsgränsen för en naturgasmtr är ca 13:1 medan dieselmtrer fta har ett kmpressinsförhällande pä 19:1. Jämförs förbrukningssiffrr fran flera knverterade bussar visar sig naturgasförbruknin len ligga p ä ca 1,1 m3 NG per liter diesel. Energiinnehället i en Nm naturgas mtsvarar en liten diesel.
26 4~5 Teknik för emissinsbegränsningar Ett av de starkaste argumenten för att införa naturgasdrivna frdn är möjligheterna att införa en effektiv avgasrening ch därmed nä lägre emissiner än frän dagens dieselbussar. Några miljökrav med undantag av rökbegränsning finns inte i Sverige. En frivillig mälsättning bland trafikföretagen är att uppfylla de krav sm gäller för USA 1988-90. Genm att utnyttja dagens bästa dieselteknik kan dessa krav redan nu uppfyllas av de svenska tillverkarna. Pa persnbilssidan kmmer nya avgasbestämmelser 1989. För att uppfylla dessa krav mäste biltillverkarna, med dagens kända teknik, införa katalytisk avgasrening. Förutm att begränsa utsläppen av CD, HC ch NOx har en katalysatr en psitiv effekt cksft när det gäller icke reglerade emissiner. För att minska emissinerna ch nä uppsatta krav kan följande utrustning ch teknik enskilt eller i kmbinatin användas pa en naturgasdriven mtr. T revägskatalysatr Ett sätt att begränsa em!ssjonerna är att förse mtrn med en trevägskatalysatr sm reducerar CD, HC, NDx ch förbrända prdukter. Förutm den xiderande färmagan kan trevägskatalysatrn även reducera NOx till rent kväve (N2), vilket ingär sm en naturlig del i Juften. De syremlekyler sm da frigörs xiderar CO ch HC. KBt..!,utm D<'ll <hva <M n,.,_,,i"'im a <M adel 'leta~;k>l sm llggt~ pil yliln av den perl erade Oeram;l., karnn Figur 4:4 Trevägskatalysatr
27 Den reducerande reaktinen NOx till Nz ch Oz sker inte vid luftöversktt (Lambda > l) i förbränningen. Pä samma sätt kan xiderande reaktinen inte ske vid Juftundersktt (Lambda < 1). För att det hela skall fungera krävs exakt stökimetrisk förbränning (Lambda = l) med ett mycket snävt tleransmråde pä Lambdaskalan. Lambda snd Med en nrmal gasblandare eller förgasare klarar man inte att hälla bränsle/luftblandningen inm ett snävt definierat mråde. För att klara detta införs ett äterkpplat reglersystem med följande funktin. I mtrns avgasrör mäts förbränningens Lambdavärde med en s k Lambdasnd sm är gjrd för att ge en mycket exakt signal. Signalen frm snden matas in i en elektrnisk styrenhet sm jämför signalen med ett förinställt Lambdavärde. Vid en eventuell avvikelse påverkar styrenheten tillförseln av bränslet så att rätt blandningsförhällande ch därmed Lambdavärde atertas. Vid stökimetrisk förbränning blir förbränningstemperaturen sm högst vilket kan resultera i mtrskadr p g a lkal överhettningar. Detta går dck att mtverka. Oxiderande katalysatr (tvavägskatalysatr) Den xiderande katalysatrn kallas ckså tvåvägskatalysatr p g a att den initierar tva xiderande reaktiner i avgaserna 1. 2 c + 2 blir z c 2 2. HxCx + Oz blir H20 + COz De kvarvarande förbrända beståndsdelarena i avgaserna reagerar på katalytisk väg med syre. F.:tt krav för att dessa reaktiner skall ske är att avgaserna innehäller ett luftöversktt. Den katalytiska reaktinen sker pä en yta av någn ädelmetall sm lagts på en stmme av keramiskt material. Katalysatrer av denna typ har en mycket begränsad effekt pa NOx-halten i avgaserna. NOx-halten kan istället begränsas vid förbränningen i mtrn. En möjlighet att göra detta är genm en sänkning av förbränningstemperaturen genm ett extremt strt luftöversktt eller avgasätercirkulatin (EGR). Figur 4.5 visar hur avgasemissinerna påverkas av blandningsförhållandet mellan bränsle ch luft (Lambda).
28 Luftöversktt fullp"'"' \ \ \ x ',../ \ ' '' ' ' ' \JS) j ' j l ' l u.~.~ 1>.6 u.7 u.~ u.~ j l ' ' -.., ' ' ' ' ' ' ' ' ' '.-~- Fig 4:5 Avgaseffekter vid lika bränsleluftblandningar (Källa: SNV Studsvlk).., ' ' ' ' ' ' ' ' Mängden luft i förhihiande till mängden bränsle mäts där utgångsläget, varken fet eller mager blandning, är ca 15,5 kg luft/kg bränsle för en dieselmtr (Lambda = l, stökimetrisk blandning). En ökning till luftöversktt, t ex lambda = 1,5, sänker NOx ch CO. Priset för sänkningen är minskad effekt. Leddluftkylning (intercler), kmpressr (turb) Gasfrmiga bränslen har större vlym än angerna frän flytande bränslen ch upptar därmed en större del av de tillgängliga insugsvlymer vilket ttalt sett innebär att en mindre mängd bränsle/luft tillförs. Ett sätt att kmpensera denna effektförlust är att inför en ktnpressr sm trycker in önskad gasmängd i cylindern. Kmprimeringen av insugsluften medför cksa att temperaturen höjs vilket har en negativ effekt pa bäde fyllnadsgraden Onsugsluftens densitet sjunker vid stigande temperatur) ch förbränningstemperaturen. Dessa negativa effekter kan begränsas med en laddluftkylare sm mnteras mellan kmpressrn ch mtrns insugsrör. Kylningen sker med mtrns kylvatten eller mgivningsluften. Leddluftkylaren har en psitiv effekt pa framför allt N02C. De flesta nya bussmtrer är idag försedda med turb (kmpressr) ch ibland även laddluftkylare. För att fa ut samma effekt ur mtrerna efter knverteringen maste även gasmtrerna utrustas med turbkmpressr ch laddluftkylare.
29 Avgasätercirkulatinen (EGR) Bildandet av NOx-mlekyler berr p!} tillgangen pä kväve ch syre (luft). Då ett luftundersktt uppstar kmmer nästan allt tillgängligt syre att förbrukas i förbränningen. Om avgaserna aterförs minskar luftinblandningen ch bildningen av NOx-mlekyler förhindras. Denna åtgärd minskar dck effektuttaget någt. EGR minskar ckså temperaturen vid förbränning vilket ytterligare minskar NOx bildningen. Blandarutrustning Mänga av de ptimeringar sm kan göras i en mtr är avhängiga av att bränsle/luftblandningen kan styras mycket nggrannt. Med utveckling av venturin (insugningskanalen) kan styrutrustningens signaler msättas i en nggrannt reglerad blandning. -- - -- 12 ' 3 rs. POS. 6 7 B c D A Main adjustment screw B Lambda valva C Venturi gas mixer D Thrttle valve gas mixer 1 Ad justment screw- valve 2 Spring- valvc 3 Membrane- valve 4 Cmpensatin bre 5 Annular chamber 6 Trpeda shaped flw-bdy 7 Annular chamber 8 Bre fr manifld depressin 9 Butterfly I die bypass 1 Idle bypass actjustment F"few 2 Gas val ve 3 Gas valveseat Fig 4:6 Mekaniska delen av en blandarutrustning, utvecklad av TNO där venturiutfrmningen är anpassad för att enkelt kunna svara pä de regleringssignaler sm ges av t ex en Lambda snd. Förbränningsrummet Vid Lambdavärden högre än ett föreligger ett luftöversktt vilket dels sänker halten förbränt genm den rikligare tillgängen pä syre, dels NOx-halten tack vare en lägre förbränningstemperatur. Den rekatin sm svarar för bildandet av kvävexid är nämligen starkt temperaturberende ch vid läga temperaturer under ca 7c sker i strt sett ingen xidatin av luftens kväve.