Εναλλακτικά καύσιμα για αυτοκίνητα.

 Η οικονομική κρίση και οι προσπάθειες περισσότερης προστασίας του περιβάλλοντος είναι οι κυριότεροι παράγοντες που οδηγούν στην χρήση εναλλακτικών λύσεων  κίνησης των οχημάτων.

Ως ευκολότερη εναλλακτική πρόταση που επιλέγεται από όλο και περισσότερους είναι η μετατροπή ενός οχήματος σε όχημα «διπλού καυσίμου». Δηλαδή το όχημα εκτός από τη «κλασική» δυνατότητα λειτουργίας  με βενζίνη ή πετρέλαιο, μπορεί με τη τοποθέτηση ενός επιπλέον συστήματος, να λειτουργεί και με υγραέριο ή με φυσικό αέριο. Το υγραέριο στη χώρα μας επιλέγεται κυρίως από τα ΙΧ, ενώ το φυσικό αέριο από τα κρατικά λεωφορεία.

Τρία είναι τα εναλλακτικά αέρια καύσιμα που χρησιμοποιούνται σήμερα αντί της βενζίνης ή του πετρελαίου, για να μειωθεί η περιβαλλοντική επιβάρυνση της ατμόσφαιρας από το Μονοξείδιο και το Διοξείδιο του Άνθρακα και τους άκαυτους υδρογονάνθρακες (υπόλοιπα άκαυτης βενζίνης ή άκαυτου πετρελαίου) και οξείδια του Αζώτου. Για τον καταναλωτή, που επιλέγει τον δαπανηρό πρόσθετο εξοπλισμό,  το σημαντικότερο κίνητρο είναι η χαμηλότερη φορολογία, την οποία επιλέγουν οι κυβερνήσεις για οικολογικούς λόγους. 

ΥγραέριοLPG (Liquefied Petroleum/Propane Gas),

Το υγραέριο είναι ένα υγροποιημένο  αέριο καύσιμο, που με τη καύση του, παράγει ενέργεια (θερμότητα) στο εσωτερικό των κινητήρων εσωτερικής καύσης (Μ.Ε.Κ), όπως είναι οι κινητήρες υγρών καυσίμων, που χρησιμοποιούν σήμερα τα περισσότερα οχήματα. 

Αποτελείται από ένα μίγμα Προπανίου (C3H8) και Βουτανίου (C4H10). Η αναλογία των αερίων προπανίου – βουτανίου δεν είναι σταθερή και διαφοροποιείται ανάλογα κυρίως με την εξωτερική θερμοκρασία περιβάλλοντος, το κλίμα της κάθε χώρας (θερμό ή ψυχρό) και την εποχή (καλοκαίρι ή χειμώνας) σε ποσοστά 40:60 για το καλοκαίρι και 60:40 για το χειμώνα.

Η αναλογία διαμορφώνεται έτσι ώστε το μίγμα να διατηρεί την υγρή μορφή του μέσα στη ξεχωριστή δεξαμενή (ρεζερβουάρ) υγραερίου του αυτοκινήτου, ακόμα σε υψηλές  θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Με  αυτό τον  τρόπο εξασφαλίζονται ίδιες συνθήκες μεταφοράς, αποθήκευσης και μέτρησης, όπως και με τη βενζίνη.

Σε κανονικές συνθήκες (πίεση 1 ατμόσφαιρα, θερ/σία 20^ο C) το υγραέριο (LPG) είναι αέριο. Με μικρή όμως συμπίεση, ανάλογα με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος υγροποιείται.

Λόγω των φυσικών ιδιοτήτων των δύο αερίων, το βουτάνιο διατηρεί την υγρή του μορφή σε πίεση αποθήκευσης 8-9 bar, ακόμα και σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Αντίθετα το προπάνιο, αρχίζει να ατμοποιείται στη δεξαμενή ακόμα και σε όχι ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες. Ο όγκος του τότε  αυξάνεται κατά 250 φορές και αν είναι εγκλωβισμένο σε δεξαμενή υγραερίου (ρεζερβουάρ) αυξάνεται σημαντικά η πίεση που ασκεί σε αυτήν, έως ότου ανοίξει η ανακουφιστική βαλβίδα πίεσης, η οποία οδηγεί σε εκτόνωση, αλλά και σε  απώλεια καυσίμου. Στην πράξη η δεξαμενή καυσίμου του υγραερίου σε ένα αυτοκίνητο περιέχει πάντα ένα μικρό ποσοστό και «αέριο» υγραέριο, που δεν αρκεί όμως για να ενεργοποιηθεί η  ανακουφιστική βαλβίδα πίεσης της δεξαμενής υγραερίου.  

Φυσικόαέριο CNG, (Compressed Natural Gas) ή LNG, (Liquefied Natural Gas

Το φυσικό αέρο αποτελείται κυρίως από Μεθάνιο (CH2). Ορισμένες ποσότητες του, οι οποίες εμφανίζονται στα διυλιστήρια κατά την εξόρυξη και την επεξεργασία πετρελαίου, καίγονται, επειδή η συλλογή και μεταφορά τους είναι πολυέξοδη και ασύμφορη.

Το φυσικό αέριο είναι πολύ ελαφρύτερο από τα δύο συστατικά του υγραερίου, και για να υγροποιηθεί απαιτούνται πολύ υψηλές πιέσεις ή πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. (βλέπε σχετικό πίνακα).

Για τον λόγο αυτόν, οι τεράστιες ποσότητες εγκλωβισμένου στο υπέδαφος φυσικού αερίου που πρόσφατα εντοπίζονται, προκειμένου να υπάρχουν εκεί όπου πρόκειται να χρησιμοποιηθούν, πρέπει να μεταφερθούν μέσω σωληνώσεων σε πολύ μεγάλες αποστάσεις ή με πλοία σε δεξαμενές υπερβολικά χαμηλής θερμοκρασίας,.

Υδρογόνο (Η2).  Δεν υπάρχει ελεύθερο στη φύση, αποτελεί όμως το ένα εκ των δύο συστατικών του νερού και συνεπώς υπάρχει σε ανεξάντλητες ποσότητες στην Γη. Παράγεται με χημικές διαδικασίες, από ενώσεις που το περιέχουν, όμως η απόκτησή του είναι ενεργοβόρα και συνεπώς ασύμφορη προς το παρόν.  Ως λύση προσφέρεται η χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας για την παραγωγή του (βλέπε σχετικό άρθρο). Η καύση του δεν  δημιουργεί καθόλου καυσαέρια, αλλά μόνο καθαρό νερό.

Συγκριτικά, το μεν Υγραέριο υγροποιείται σε χαμηλές πιέσεις, ώστε να είναι εύκολη η μεταφορά του και η αποθήκευσή του, ενώ το Φυσικό αέριο και ιδιαίτερα το Υδρογόνο δεν είναι πρακτικά υγροποιήσιμα, παρά μόνο σε ιδιαίτερα χαμηλές θερμοκρασίες. Έτσι η μεταφορά του Υγραερίου γίνεται μόνο με σωληνώσεις από το σημείο παραγωγής στο σημείο χρήσης, ενώ το Υδρογόνο χρησιμοποιείται σήμερα μόνο δοκιμαστικά και παράγεται σε μικρές ποσότητες όπου χρειάζεται. 

    Υγραέριο

Θερμαντική ικανότητα	6,9 kWh/L = 12,8 kWh/kg = 46MJ/kg
Αριθμός Οκτανίων	105–115 ROZ (ανάλογα με το ποσοστό Βουτανίου)
Έκλυση διοξειδίου του Άνθρακα (CO2)	1,740–1,780 kg/L (ανάλογα με τη σχέση Προπάνιο/Βουτάνιο)
Δηλητηριώδες	Ιδιαίτερα εύφλεκτο

 Το υγραέριο είναι φιλικότερο προς το περιβάλλον από την βενζίνη. Παρά του ότι η κατανάλωση του είναι αυξημένη ως προς αυτή της βενζίνης, τα καυσαέριά του περιέχουν 20 % λιγότερα οξείδια του Αξώτου, 15 % λιγότερο διοξείδιο του Άνθρακα (CO₂) και 50 % λιγότερους άκαυτους υδρογονάνθρακες, ενώ απαιτούν χαμηλότερες θερμοκρασίες του καταλύτη για την εξουδετέρωσή τους. 

Σε σχέση δηλαδή με την βενζίνη το υγραέριο παρουσιάζει μια αυξημένη ογκομετρικά κατανάλωση από 5 έως 20 %, λόγω της χαμηλής πυκνότητάς του (0,51 έως  0,56 g/cm³, βενζίνη 0,76 g/cm³) και της χαμηλότερης ενεργειακής απόδοσης ανά λίτρο. Έχει όμως υψηλότερη θερμική απόδοση από τη βενζίνη [46 MJ/kg (12,8 kWh/kg) έναντι 43,6 MJ/kg (12,1 kWh/kg)].  Έτσι τελικά η αύξηση κατανάλωσης που διαπιστώνει ο οδηγός να είναι ασήμαντη.

Η εκκίνηση του κινητήρα με σύστημα υγραερίου, γίνεται πρώτα με βενζίνη και στη συνέχεια με το αέριο. Ένα γέμισμα καλύπτει από 350 έως 1000 km ανάλογα με το μέγεθος του δοχείου υγραερίου, ενώ το ρεζερβουάρ βενζίνης παραμένει, τόσο για την εκκίνηση, όσο και για εναλλακτική χρήση.

Η αλλαγή από βενζίνη σε υγραέριο γίνεται εν κινήσει. Είτε χειροκίνητα μέσω διακόπτη, είτε αυτόματα μέσω ενός αισθητήρα θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία λειτουργίας είναι απαραίτητη και για να μην παγώσει το υγραέριο, όταν εκτονώνεται και αεροποιείται στην πολλαπλή εισαγωγής ή στον λεγόμενο πνεύμονα.

Η αποθήκευση γίνεται η σε μπουκάλες που τοποθετούνται στο πορτ-μπαγκάζ ή καλύτερα σε ειδικά δοχεία που τοποθετούνται αντί της ρεζέρβας, οπότε για περιπτώσεις βλάβης ελαστικού, πρέπει να χρησιμοποιηθεί το γνωστό σπρέϋ πλήρωσης ελαστικού ή κάποιος από τους τροχούς ανάγκης, που έχουν πολύ μικρότερο μέγεθος.

Η βενζίνη όταν εισέρχεται στον χώρο καύσης εξατμίζεται και ψύχει εσωτερικά τον κινητήρα. Γι’ αυτό ένα πλούσιο μίγμα, παρόλο που περιέχει περισσότερο καύσιμο δεν αυξάνει την θερμοκρασία λειτουργίας του κινητήρα, αλλά την μειώνει.  Εφόσον λοιπόν στους κυλίνδρους δεν εισάγεται κάποιο υγρό που θα εξατμιστεί, για να ρίξει τη θερμοκρασία, αλλά ένα αέριο, η χρήση υγραερίου δημιουργεί υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας του κινητήρα, με κίνδυνο να υπάρξουν βλάβες σε βαλβίδες και πιστόνια.  Λύσεις ως προς αυτό δίδονται από την χρήση κάποιου πρόσθετου που ψεκάζεται επιπρόσθετα και με ηλεκτρονική ρύθμιση, ώστε να χορηγείται πάντα η  απαιτούμενη ποσότητα, αλλά και να διακόπτεται ο ψεκασμός όσο ο κινητήρας λειτουργεί με βενζίνη. Μπορεί άλλωστε να έχει επιλεγεί από τον κατασκευαστή του οχήματος μια ανθεκτικότερη επιλογή υλικών για τις βαλβίδες και τη βάση βαλβίδων. 

Μία επιπλέον αιτία είναι ότι στο υγραέριο δεν υπάρχουν ορισμένα πρόσθετα, τα οποία αναμιγνύονται στη βενζίνη και προστατεύουν τα μέταλλα στις βαλβίδες και τις έδρες των βαλβίδων εξαγωγής. Γι’ αυτό δημιουργούνται αυξημένες διαβρώσεις στα εξαρτήματα αυτά.  Θα πρέπει επομένως και ειδικότερα σε οχήματα με κινητήρες παλιάς τεχνολογίας, να αντικαθίστανται οι έδρες των βαλβίδων εξαγωγής με άλλες από ειδικά κράματα. Ένα πρόσθετο κόστος δηλαδή για τα οχήματα αυτά, όταν γίνει η μετατροπή τους για καύσιμο LPG. Νεότερες κατασκευές με απευθείας ψεκασμό υγραερίου σε υγρή ακόμα μορφή στους κυλίνδρους, δίνουν την καλύτερη λύση, αφού εξαερούμενο το υγραέριο μέσα στον κύλινδρο, προσφέρει την απαραίτητη ψύξη.

Ο αέρας που εισχωρεί στους κυλίνδρους χορηγεί το απαραίτητο για την καύση οξυγόνο.  Όσο πιο ζεστός είναι, τόσο πιο αραιός είναι και τόσο πιο λίγο οξυγόνο προσφέρεται προς καύση και τόσο μικρότερη καθίσταται η απόδοση του κινητήρα. Το υγραέριο όμως που εισέρχεται σε αέρια μορφή, καταλαμβάνει ένα μέρος του χώρου καύσης και περιορίζει έτσι τον διατιθέμενο αέρα με το οξυγόνο.  Κατά 3 % το υγραέριο και έως 10 % το φυσικό αέριο.  Για τον λόγο αυτόν η απόδοση του υγραερίου είναι χαμηλότερη από αυτή της βενζίνης, η οποία ψεκαζόμενη ως υγρό καταλαμβάνει έναν ελάχιστο χώρο στον κύλινδρο.

Συνεργάτες του Πολυτεχνείου της πόλης Saarbrückenκατασκεύασαν μετά από προσπάθειες δύο ετών ένα σύστημα Υγραεριοκίνησης που δεν απαιτεί βενζίνη, ούτε κατά την εκκίνηση, και εκλύει μόνο 90,9 γραμμάρια διοξείδιο ανά χιλιόμετρο. Χρησιμοποιείται ένας απ’ ευθείας ψεκασμός υγραερίου σε υγρή μορφή με πίεση έως 15 bar.

Πλεονέκτημα της χρήσης υγραερίου είναι η ομοιογένεια του μίγματος καυσίμου – αέρα.  Η ομοιογένεια είναι αυτή που μειώνει σημαντικά τα εκπεμπόμενα μονοξείδια και τους άκαυτους υδρογονάνθρακες, ενώ το υγραέριο δίνει μια αντιστοιχία υψηλού βαθμού οκτανίων, από 105 έως και 115.

Θέματα ασφαλείας δεν έχουν παρατηρηθεί μετά από σοβαρές δοκιμές του ADAC, την αντίστοιχη δική μας ΕΛΠΑ, ούτε καν σε περιπτώσεις σοβαρής σύγκρουσης.  Ιδιαίτερα ασφαλές είναι το φυσικό αέριο, που ως πολύ ελαφρύτερο από τον αέρα, διαφεύγει άμεσα προς τον ουρανό, ενώ το υγραέριο ως βαρύτερο του αέρα, είναι δυνατό να συγκεντρωθεί χαμηλά σε κλειστούς χώρους και να εκραγεί με κάποιον σπινθήρα.  Λόγω των χαρακτηριστικών τους αυτών, το μεν υγραέριο αποθηκεύεται σε δεξαμενές στα χαμηλότερα σημεία του οχήματος (θέση ρεζέρβας) για να διαφύγει προς τα κάτω, εκτός οχήματος, ενώ οι φιάλες του φυσικού αερίου τοποθετούνται όσο γίνεται υψηλότερα (πχ. στην οροφή των λεωφορείων).

Χαρακτηριστικά είναι παραδείγματα από άτομα που άνοιγαν το υγραέριο της κουζίνας τους, σε παλαιού τύπου φούρνους, για να αυτοκτονήσουν. Όταν ανησυχούσαν οι δικοί τους και πήγαιναν το βράδυ να δουν τι συμβαίνει, άναβαν το φως μπαίνοντας στον χώρο και με τον σπινθηρισμό του διακόπτη γινόταν μια τρομακτική έκρηξη. Στους σημερινούς φούρνους βέβαια διακόπτεται η παροχή υγραερίου αν δεν ανάψει η φλόγα. 

Έτσι και στα συστήματα αερίου των αυτοκινήτων μια βαλβίδα κλείνει αυτομάτως μόλις η ελάττωση της πίεσης στις σωληνώσεις επισημάνει κάποια σημαντική διαρροή ή την αποκοπή του σωλήνα παροχής. 

Το ίδιο συμβαίνει και με μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, η οποία κλείνει την παροχή αερίου μόλις διακοπεί η ηλεκτροδότηση του οχήματος, πχ τη στιγμή ενός ατυχήματος.

Σε περίπτωση φωτιάς τα δοχεία υγραερίου αντέχουν έως και 35 barκαι διαρρηγνύονται στα 60 έως και 90 bar. Άλλωστε μια βαλβίδα εκτόνωσης ανοίγει πριν την θραύση του δοχείου, επιτρέποντας μια κάπως ελεγχόμενη διαφυγή του αερίου.

Στην Ελλάδα πολλά λεωφορεία και στην Αθήνα και τη Βιέννη όλα των ΜΜΜ, κινούνται με φυσικό αέριο, ενώ υγραέριο χρησιμοποιείται στα ΙΧ, ενώ χρησιμοποιείται σε μεγάλα ποσοστά σε διάφορα κράτη. Στην Νότιο Κορέα 22 %, Ιαπωνία 9 %, Τουρκία 8 %,  Μεξικό 8 %, Αυστραλία 7 %.  Διδεδομένο είναι επίσης στη Κροατία, Ρωσία, Αρμενία, Κίνα, Ταϊλάνδη, Καμπότσα, Βιετνάμ, ΗΠΑ και Καναδά.

Οι πιο χαρακτηριστικές τιμές υγραερίου στην Ευρώπη είναι : Βέλγιο 0,439 € –  Γερμανία 0,764 € –  Γαλλία 0,749 € –  Ελλάδα 0,750 – 0,790 €.  Πάλι σχετικά ακριβότεροι εμείς από τους λοιπούς εταίρους μας.

Συνολικά λαμβανομένων υπόψη και των διαφορών που προκύπτουν από στην   κατανάλωση, την πυκνότητα καυσίμου και την χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση,  προκύπτει μια μείωση του κόστους καυσίμων ενός οχήματος στο 65 % αυτού της βενζίνης, που εξαρτάται φυσικά από την φορο-λογική πολιτική των κυβερνήσεων.

 Αέρια καύσιμα για αυτοκίνητα

Όνομα		Αέριο	Ειδική Ενέργεια σε MJ/l (Diesel: 34)	Πυκνότητα σε kg/m³	Πίεση σε bar	Θερμοκρασία
LPG		Προπάνιο, Βουτάνιο	25	540	2 έως 8	Περιβάλλονντος
CNG		Μεθάνιο	9	130	200 – 250	Περιβάλλονντος
LNG		Μεθάνιο	21	400 έως 500	8	−170 έως −120 °C
H2		Υδρογόνο υπό πίεση		28 έως 40	έως  250 έως  700	Περιβάλλονντος
H2		Υδρογόνο σε υψηλή ψύξη		80	4	−220 °C

Η αιτία των διαφορών απόδοσης έγκειται στη δομή των αερίων καυσίμων, η οποία όσο περισσότερο οξυγόνο δεσμεύει κατά την καύση, τόσο περισσότερη ενέργεια εκλύει. Ένα LPGμόριο Προπάνιου χρειάζεται για να καεί 5 μόρια οξυγόνου και καταλαμβάνει το 4 % του χώρου καύσης εκδιώκοντας αέρα.. Ένα μόριο Βουτάνιου 6,5. Ένα μόριο Μεθανίου (CNG) χρειάζεται για να καεί 2 μόνο μόρια οξυγόνου.  Έτσι χρειαζόμαστε περισσότερο καύσιμο από ότι με το υγραέριο, γι΄ αυτό το CNG  καταλαμβάνει περισσότερο χώρο, δηλαδή το  12 % του χώρου καύσης, που έτσι λείπει για τον αέρα.  Προκύπτει επομένως μια μειωμένη απόδοση, ειδικότερα στις  ανώτερες στροφές  κινητήρων μικρού κυβισμού.

Με χρήση LPGτο εκλυόμενο CO₂  κυμαίνεται μεταξύ του 1740 και 1780 gανά λίτρο, ανάλογα με τη σχέση Προπανίου – Βουτανίου και μειώνει τις εκπομπές CO₂  κατά 15 %  ως προς τη χρήση βενζίνης. Με το CNGμειώνονται τα CO₂  κατά 25 % ως προς τη χρήση βενζίνης.

Συνοπτικά Πλεονεκτήματα – Μειονεκτήματα

Πλεονεκτήματα:

• Καλύτερη καύση στους κυλίνδρους, λόγω ομοιογένειας του  εισερχόμενο μίγματος καυσίμου – αέρα.
• Λιγότεροι ρυπαντές στα καυσαέρια σε σχέση με τη βενζίνη, ενώ ο τριοδικός καταλύτης εξακολουθεί να λειτουργεί και στα υγραεριοκίνητα οχήματα, εξουδετερώνοντας και τα υπόλοιπα των 3 ρυπαντών.
• Αιθάλη (Καπνός) δεν υπάρχει με τη χρήση υγραερίου (LPG). Έτσι δεν υπάρχουν ανθρακώματα και επικαλύψεις στα μέταλλα του κινητήρα.
• Το υγραέριο έχει μεγάλο αριθμό οκτανίων.
• Το κόστος συντήρησης είναι μικρότερο, ο κινητήρας και ο καταλύτης «αντέχουν»  για περισσότερα χιλιόμετρα.
• Δεν επηρεάζεται το σύστημα λίπανσης.
• Παρέχει μεγαλύτερη ασφάλεια από τη βενζίνη.
• Έχει χαμηλότερο κόστος λειτουργίας από τα βενζινοκίνητα οχήματα.

 Μειονεκτήματα:

• Η όλη μετατροπή πρέπει να γίνει από πιστοποιημένο συνεργείο και τα εξαρτήματα της μετατροπής πρέπει να έχουν τις «σωστές» εγκρίσεις τύπου.
• Ενδεχομένως υπάρχει ανάγκη συχνού εφοδιασμού λόγω περιορισμένης χωρητικότητας δεξαμενής καυσίμου.
• Μικρός αριθμός – μέχρι σήμερα – μεικτών πρατηρίων, κάτι που καθιστά δύσκολο τον ανεφοδιασμό.
• Μειωμένη θερμική ενέργεια, που συνεπάγεται ενεργειακή απώλεια. Δηλαδή με την ίδια ποσότητα καυσίμου, διανύονται λιγότερα χιλιόμετρα.
• Σε οχήματα με παλιάς τεχνολογίας κινητήρες, όταν γίνει η μετατροπή για καύσιμο LPG, θα πρέπει ενδεχομένως να αντικαθίστανται οι έδρες  των βαλβίδων εξαγωγής με άλλες από ειδικά κράματα. Αυτό δημιουργεί ένα πρόσθετο κόστος.

Λίνος Κουντουράς