Pedeorelha | Come funzionano i veicoli a gas naturale

Rudolf Cole
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-Kermit the Frog una volta disse: "Non è così facile essere verdi". Sebbene non si riferisse alle automobili, la sua osservazione sembra particolarmente appropriata per l'industria automobilistica di oggi: progettare, sviluppare e commercializzare auto "verdi" non è stato un compito facile, motivo per cui i veicoli a benzina dominano ancora la strada e i combustibili fossili rappresentano ancora quasi il 75 per cento del consumo energetico mondiale. Con l'aumento dei prezzi della benzina e la preoccupazione per le emissioni nocive, tuttavia, le auto che funzionano con fonti di carburante alternative diventeranno sempre più importanti. Un veicolo a gas naturale, o NGV, è l'esempio perfetto di un'auto del genere: è a basso consumo di carburante, rispettosa dell'ambiente e offre un costo di proprietà relativamente basso.

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David McNew / Getty Images
Un apparecchio di rifornimento domestico a gas naturale, Phill, di FuelMaker è collegato a un veicolo a gas naturale Honda Civic NGV. Guarda le foto dei veicoli a carburante alternativo.

Questo articolo spiegherà l'idea di base dei NGV, esaminerà le sfide di progettazione uniche coinvolte ed esaminerà i vantaggi e i benefici di questa tecnologia.

Scoperta Alcuni studiosi ipotizzano che le persone che vivono in Medio Oriente abbiano scoperto questa proprietà del gas naturale tra il 6000 e il 2000 aC, quando i fulmini hanno acceso il gas naturale che filtra dal terreno. I cinesi bruciarono gas naturale già nel 211 aC per essiccare il salgemma trovato nella roccia calcarea. Hanno anche perforato i primi pozzi di gas naturale conosciuti, utilizzando pali di bambù e bit primitivi, ma sono stati in grado di raggiungere solo profondità di 500 piedi. -

La parola "gas" è un termine confuso perché viene utilizzata per descrivere molte sostanze diverse che sono simili ma non esattamente uguali. Ad esempio, il "gas" che metti nella tua auto è la benzina, un componente del petrolio greggio o il petrolio. Il petrolio è una miscela liquida scura e appiccicosa di composti formati sottoterra dal decadimento di antichi animali marini.

Il gas naturale proviene anche dal decadimento di organismi antichi, ma assume naturalmente una forma gassosa anziché una forma liquida. Il gas naturale si trova comunemente in associazione al petrolio greggio. È derivato sia dalle piante terrestri che dalla materia organica acquatica e si forma sopra o sotto i depositi di petrolio. È spesso disciolto nel petrolio greggio alle alte pressioni esistenti in un giacimento. Esistono anche serbatoi di gas naturale, noti come gas non associato, che contengono solo gas e non petrolio.

Il gas naturale è costituito principalmente da metano e altri gas idrocarburici. Gli idrocarburi sono composti organici composti solo dagli elementi carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi nel gas naturale sono chiamati idrocarburi saturi perché contengono idrogeno e carbonio legati insieme da singoli legami. Come mostrano i diagrammi, il metano è l'idrocarburo saturo più semplice.

Come la benzina, il gas naturale è combustibile, il che significa che può essere utilizzato in un motore a combustione come la benzina. Ma le auto che potevano bruciare gas naturale non apparvero sulla scena fino agli anni '30.

Estraiamo il gas naturale intrappolato in serbatoi sotterranei perforando pozzi nella terra. Un pozzo moderno, dotato di punte diamantate, può perforare a profondità che si avvicinano a 25.000 piedi.

Estrazione e lavorazione La maggior parte dei pozzi moderni estrae contemporaneamente petrolio greggio e gas naturale. Un po 'di gas naturale può essere utilizzato poiché proviene dal pozzo senza alcuna raffinazione, ma la maggior parte richiede l'elaborazione. Il trattamento del gas naturale consiste nel separare tutti i vari idrocarburi e fluidi dal gas naturale "umido" fino a quando non è "secco". Il gas naturale secco è metano puro, che è il carburante preferito per molte applicazioni di consumo, compresi i veicoli a gas naturale.

Per tutto il XIX secolo, l'uso del gas naturale è rimasto localizzato perché non c'era modo di trasportare grandi quantità di gas su lunghe distanze. Nel 1890, l'invenzione di un raccordo per tubazioni a tenuta stagna rese possibile il trasporto di miglia gassose dalla sorgente. I miglioramenti nella tecnologia dei gasdotti continuarono nei due decenni successivi fino a quando la trasmissione del gas a lunga distanza non divenne pratica. Dal 1927 al 1931, i lavoratori costruirono più di 10 principali sistemi di trasmissione del gas naturale negli Stati Uniti, rendendo il gas naturale una fonte di energia praticabile per molte applicazioni. La carenza di petrolio tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70 ha portato un rinnovato interesse per il gas naturale come fonte di carburante, in particolare per le automobili.

Oggi, i proprietari di veicoli a gas naturale possono fare rifornimento in una delle 1.300 stazioni di rifornimento situate negli Stati Uniti. Honda offre anche una pompa del gas naturale personale alle persone che acquistano la sua Civic alimentata a gas naturale. La pompa utilizza le linee di gas naturale esistenti di una casa e può essere installata per $ 500 a $ 1500.

Nella prossima sezione discuteremo come sono progettati i veicoli a gas naturale.

Biogas Il gas naturale non è l'unica fonte di metano. Il metano può anche essere ottenuto fermentando la materia organica, come il letame, a bassi livelli di ossigeno. In tali condizioni, i batteri useranno i nutrienti nel letame come fonte di cibo e rilasceranno metano e anidride carbonica come prodotti di scarto. Questo metano, noto come biogas, può essere raccolto e utilizzato come fonte di combustibile. I veicoli a gas naturale utilizzano gli stessi principi di base dei veicoli a benzina. In altre parole, il carburante (gas naturale in questo caso) viene miscelato con l'aria nel cilindro di un motore a quattro tempi e quindi acceso da una candela per muovere un pistone su e giù. Sebbene ci siano alcune differenze tra il gas naturale e la benzina in termini di infiammabilità e temperature di accensione (vedi grafico sotto), gli stessi veicoli a metano operano sugli stessi concetti fondamentali dei veicoli a benzina.

Proprietà	Gas naturale	Benzina	diesel
Limiti di infiammabilità (volume% in aria)	5-15	1.4-7.6	0.6-5.5
Autoaccensione Temperatura (^°F)	842	572	446
Peak Flame Temperatura (^°F)	3423	3591	3729

Tuttavia, sono necessarie alcune modifiche per far funzionare un NGV in modo efficiente. Queste modifiche riguardano principalmente il serbatoio del carburante, il motore e il telaio.

Stoccaggio del carburante
La maggior parte dei veicoli a metano funziona utilizzando gas naturale compresso, quindi il carburante occupa meno spazio. In una stazione di rifornimento, il gas viene compresso a 3.000-3.600 libbre per pollice quadrato prima di essere pompato in cilindri ad alta pressione a forma di tubo che sono attaccati alla parte posteriore, superiore o sottocarro del veicolo. I serbatoi di stoccaggio dei primi veicoli a metano erano ingombranti e occupavano gran parte dello spazio di carico del veicolo, ma sono state sviluppate bombole più nuove e più leggere. Chiamati sistemi di stoccaggio integrati (ISS), questi cilindri interamente in composito sono contenuti all'interno di un guscio in fibra di vetro e di una schiuma che assorbe gli urti per proteggerli in caso di incidente. I cilindri hanno anche un diametro più piccolo in modo che tre di loro possano essere alloggiati insieme in una dimensione e una forma simili a un serbatoio di benzina convenzionale.

Immagine gentilmente concessa dal Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Modifiche al motore
Quando il motore di un NGV viene avviato, il gas naturale fluisce dai cilindri di stoccaggio in una linea del carburante. Vicino al motore, il gas naturale entra in un regolatore per ridurre la pressione. Quindi il gas passa attraverso un sistema di iniezione del carburante gassoso multipunto, che introduce il carburante nei cilindri. Sensori e computer regolano la miscela aria-carburante in modo che quando una candela accende il gas, brucia in modo efficiente. Un motore a gas naturale include anche alluminio forgiato, pistoni ad alta compressione, sedi delle valvole di scarico in nichel-tungsteno temprato e un convertitore catalitico specifico per il metano.

Foto per gentile concessione del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Un motore a gas naturale installato

Modifiche del telaio
Potrebbero essere necessarie alcune modifiche alla sospensione di un NGV per creare spazio per i contenitori di stoccaggio del carburante. Nella parte posteriore del veicolo, una sospensione a braccio semi-longitudinale a volte sostituisce la sospensione a collegamento laterale che viene fornita di serie in molte auto a benzina. Ciò crea più spazio aperto nel sottocarro posteriore, garantendo comunque una guida fluida e confortevole. I veicoli commerciali leggeri rimuovono anche la ruota di scorta e il martinetto, il che consente una pianta piatta. I pneumatici "run flat", come i pneumatici a mobilità estesa di Goodyear Tyre, sono installati per compensare la mancanza della ruota di scorta e del cric.

Foto per gentile concessione del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Differenze nel rifornimento
Anche il rifornimento di carburante di un veicolo a gas naturale può essere leggermente diverso. Il punto di rifornimento è tipicamente nella parte anteriore del veicolo, sebbene in alcuni veicoli commerciali leggeri, come l'Honda Civic GX, il punto di rifornimento sia nella parte posteriore. Un NGV può essere alimentato con una pompa di "riempimento rapido" all'incirca nello stesso tempo necessario per alimentare qualsiasi veicolo a benzina o diesel. In alternativa, un NGV può essere rifornito in cinque-otto ore utilizzando un metodo di "riempimento lento". Le stazioni di rifornimento domestiche offerte da Honda sono del tipo a riempimento lento, che richiedono ai proprietari di auto di rifornire i loro veicoli durante la notte.

Successivamente discuteremo quali vantaggi hanno i veicoli a gas naturale rispetto ai veicoli a benzina, nonché gli svantaggi.

Il più grande vantaggio degli NGV è che riducono le emissioni dannose per l'ambiente. I veicoli a gas naturale possono ottenere una riduzione fino al 93% delle emissioni di monossido di carbonio, una riduzione del 33% delle emissioni di vari ossidi di azoto e una riduzione del 50% degli idrocarburi reattivi rispetto ai veicoli a benzina. I metani hanno anche un tasso più elevato di emissioni di particolato 10 (PM10). Le particelle di PM10 trasportano e depositano materiali tossici attraverso l'aria. I veicoli commerciali leggeri che operano in applicazioni diesel possono ridurre le emissioni di PM10 di un fattore 10.

I veicoli a gas naturale offrono anche questi vantaggi:

Gli NGV Build vs. Buy possono essere costruiti da zero per includere i miglioramenti di progettazione descritti sopra. Un veicolo a gas naturale nuovo di zecca costa da $ 4.000 a $ 8.000 in più di un veicolo a benzina comparabile. È anche possibile modificare i veicoli a benzina convenzionali per funzionare a gas naturale. Anche questo può essere costoso, con le modifiche che in genere costano da $ 3.000 a $ 5.000. I veicoli che funzionano esclusivamente a gas naturale sono noti come veicoli commerciali leggeri "dedicati". I veicoli che possono funzionare sia a gas naturale che a benzina sono noti come veicoli "bi-fuel". Nei veicoli a doppia alimentazione, il conducente può passare in sicurezza da un carburante all'altro durante la guida.

Gli NGV sono più sicuri. I serbatoi di stoccaggio del carburante su un NGV sono più spessi e resistenti dei serbatoi di benzina o diesel. Non c'è stata una rottura del serbatoio del metano da più di due anni negli Stati Uniti.
I costi del gas naturale sono inferiori a quelli della benzina. In media, il gas naturale costa un terzo in meno della benzina alla pompa.
Il gas naturale è conveniente e abbondante. Negli Stati Uniti esiste un'infrastruttura di gasdotti consolidata per fornire gas naturale a quasi tutte le aree urbane e alla maggior parte delle aree suburbane. Ci sono più di 1.300 stazioni di rifornimento NGV negli Stati Uniti e altre vengono aggiunte ogni giorno.
I prezzi del gas naturale hanno mostrato una stabilità significativa rispetto ai prezzi del petrolio. Storicamente, i prezzi del gas naturale hanno mostrato una significativa stabilità dei prezzi rispetto ai prezzi dei combustibili derivati dal petrolio. Questa stabilità semplifica la pianificazione accurata dei costi a lungo termine.
I NGV hanno costi di manutenzione inferiori. Poiché il gas naturale brucia in modo così pulito, si traduce in una minore usura del motore e prolunga il tempo tra le regolazioni e i cambi dell'olio.

Svantaggi
Una delle maggiori lamentele sui veicoli a metano è che non sono spaziosi come le auto a benzina. Questo perché i veicoli a metano devono rinunciare al prezioso carico e allo spazio nel bagagliaio per ospitare i cilindri di stoccaggio del carburante. Non solo, queste bombole possono essere costose da progettare e costruire, un fattore che contribuisce ai maggiori costi complessivi di un veicolo a gas naturale rispetto a un'auto a benzina.

Foto per gentile concessione del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Sottocarro posteriore che mostra i cilindri del carburante

Un altro svantaggio è la limitata autonomia di guida dei veicoli commerciali leggeri, che in genere è circa la metà di quella di un veicolo a benzina. Ad esempio, la Civic a gas naturale di Honda, la Civic GX, può percorrere fino a 220 miglia senza fare rifornimento. Una tipica Civic a benzina può percorrere circa 350 miglia senza fare rifornimento. Se un metano dedicato esaurisse il carburante sulla strada, dovrebbe essere rimorchiato a casa del proprietario o in una stazione di rifornimento di gas naturale locale, che potrebbe essere più difficile da trovare rispetto a una stazione di servizio "normale".

Infine, va notato che il gas naturale, come la benzina, è un combustibile fossile e non può essere considerato una risorsa rinnovabile. Sebbene le riserve di gas naturale negli Stati Uniti siano ancora considerevoli, non sono inesauribili. Alcuni prevedono che ci siano riserve di gas naturale sufficienti per durare altri 67,1 anni, assumendo che il livello di produzione del 2003 continui.

Nonostante alcuni dei vantaggi offerti dagli NGV, sono ancora relativamente rari. Secondo la Natural Gas Coalition, ci sono attualmente 130.000 veicoli a metano in circolazione negli Stati Uniti oggi e oltre 2,5 milioni in tutto il mondo. Per mettere questo in prospettiva, si consideri che nel 2001 c'erano 142,5 milioni di veicoli immatricolati, il che significa che i veicoli a gas superano i veicoli a metano di quasi 1.100 contro uno negli Stati Uniti. Eppure più di 40 produttori diversi, tra cui Ford, General Motors, Toyota e Volvo, attualmente producono veicoli commerciali leggeri.

Foto per gentile concessione di Honda
L'apparecchio per il rifornimento domestico Phill

Due case automobilistiche all'avanguardia nel design e nell'ingegneria dei veicoli commerciali leggeri sono Honda e DaimlerChrysler. Honda è il primo produttore a offrire un NGV al dettaglio: la berlina Honda Civic GX, che viene anche fornita con una stazione di rifornimento domestica che la società ha soprannominato "Phill". La Civic GX è un NGV dedicato, il che significa che può funzionare solo a gas naturale. DaimlerChrysler sta producendo una Mercedes di classe E che funziona sia a benzina che a gas naturale. Ha una classificazione di "NGT", che sta per "Natural Gas Technology", e può viaggiare per 621 miglia con un solo rifornimento: 186 miglia usando gas naturale e 435 miglia usando benzina.

Mentre veicoli come Civic GX e E 200 NGT sono disponibili solo in mercati molto limitati (il primo in alcuni stati occidentali, il secondo in Europa), si prevede che i veicoli a metano diventeranno più ampiamente disponibili per i consumatori nei prossimi due decenni, in particolare mentre il prezzo del petrolio continua a salire. Quando ciò accadrà, essere verde sarà un po 'più facile.

Per ulteriori informazioni sui veicoli a gas naturale e argomenti correlati, controlla i collegamenti nella pagina successiva.

Flotte NGV Le flotte ad alta intensità di carburante che percorrono molte miglia ogni giorno utilizzano gas naturale da anni. Ciò includerebbe flotte di taxi, autobus di transito e scolastici, navette aeroportuali, veicoli da costruzione, camion della spazzatura, camion per le consegne e veicoli per lavori pubblici. Perché le flotte sono particolarmente adatte al gas naturale? In primo luogo, il volume maggiore di veicoli rende più economico convertire i veicoli o acquistarli a titolo definitivo. Ma ancora più importante, i veicoli della flotta sono gestiti centralmente, rendendo il processo di rifornimento conveniente e affidabile.

Molti camion e autobus a lungo raggio funzionano con una diversa forma di gas naturale chiamato gas naturale liquefatto o GNL. Il GNL viene prodotto refrigerando il gas naturale a -260 ° F, condensandolo in un liquido. La forma liquida è molto più densa e quindi ha più energia potenziale per la quantità di spazio che occupa. Ciò significa che più energia può essere immagazzinata nella stessa quantità di spazio su un'auto o un camion.

Grazie Grazie a Jeff Beckman per la sua assistenza con questo articolo.