PŘÍSPĚVEK PLYNOFIKOVANÉ AUTOBUSOVÉ DOPRAVY K OZDRAVĚNÍ OVZDUŠÍ VE MĚSTECH MOST A LITVÍNOV Beroun Stanislav1), Scholz Celestýn1), Tuček Gerhard2) 1) Katedra strojů průmyslové dopravy, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci 2) Dopravní podnik měst Mostu a Litvínova Úvod Jednou z možností k výraznému snížení výfukových emisí z dopravy je plynofikace určité části vozidel. Plynofikace motorových vozidel má největší význam pro autobusovou a komunální dopravu ve větších městech (ale i pro místa s lázeňským nebo rekreačním režimem), kde jsou původní naftové motory nahrazeny motory plynovými: z hlediska celkového znečišťování ovzduší je ovšem opodstatněné i použití plynných paliv jako alternativy za benzinová paliva v kategoriích osobních a lehkých užitkových automobilů. Mezi plyny, na které se dnes nejvíce obrací pozornost jako na paliva pro motorová vozidla, patří tekuté rafinérské plyny (LPG), označované u nás častěji podle jejich dvou podstatných složek jako propan-butan a dále zemní plyn (NG), tvořený z 96-98% metanem. Plynná uhlovodíková paliva se proti klasickým kapalným palivům odlišují ve fyzikálních i chemických vlastnostech: pro použití v pístových spalovacích motorech je významná jejich schopnost snadno tvořit kvalitní směs vně i uvnitř válce motoru, dále široké rozmezí zápalnosti s ohledem na bohatost směsi, vysoká výhřevnost a vysoká antidetonační odolnost uvedených plynných paliv. Všechny zmíněné vlastnosti umožňují realizovat pracovní oběh motoru s relativně vysokým kompresním poměrem a tedy s předpokladem vysoké celkové účinnosti motoru. Plynná paliva mají proti klasickým kapalným palivům ropného původu velkou přednost ve výrazně jednodušším chemickém složení a struktuře uhlovodíků: to zajišťuje minimalizaci emisí některých skupin uhlovodíků ve výfukových plynech, které jsou považovány za hygienicky nejrizikovější a to jak uhlovodíků obsažených v palivu (kupř. lehkých aromátů typu benzen v benzinových palivech), tak těch skupin, které vznikají v průběhu spalovacího procesu ve válci motoru (např. polycyklické aromáty). Další příznivou vlastností plynných paliv je menší hmotnostní podíl uhlíku v 1 kg paliva - u LPG (60/40) je to 0,825 kg C, u NG (CH4) potom 0,75 kg C, klasická kapalná paliva (benzin, nafta) mají v 1 kg cca 0,86 - 0,87 kg C: tato skutečnost vede v optimalizovaném provedení plynového motoru k nižší produkci CO2. Velkou výhodou plynných paliv před klasickými kapalnými palivy je dokonalá těsnost palivového systému, která minimalizuje úniky paliva do ovzduší při plnění nádrží, provedení palivového systému na plynná paliva rovněž zvyšuje odolnost proti požáru (např. při havárii motoru nebo vozidla). Dopravní podnik měst Mostu a Litvínova (DPmML) se pro plynofikaci autobusové MHD rozhodl již počátkem roku 1991. S podporou Městského úřadu v Mostě i v dalších orgánech státní správy a se souhlasem výrobců autobusů KAROSA a motorů LIAZ byl založen projekt, kterým se podařilo zajistit profesionální průmyslovou výrobu plynofikovaných autobusů KAROSA (zpočátku formou přestaveb, později stavbou nových vozidel) tak, že v roce 1998 byl plně plynofikován provoz autobusové MHD v obou provozovnách DPmML (v r. 1996 v Litvínově 35 autobusů, dokončení v r. 1999 v Mostě – 54 autobusů). Celý projekt plynofikace byl realizován týmem, vytvořeným z pracovníků katedry strojů průmyslové
dopravy Technické univerzity v Liberci (KSD TUL), DPmML a Krušnohorských strojíren Komořany (KSK). Postupně bylo připraveno a zavedeno do výroby 5 variant autobusových motorů typu ML 636 PB na LPG s výkony od 147 do 185 kW (ve všech případech spalování velmi chudých směsí, jednotlivé varianty se odlišují provedením a způsobem regulace motoru a seřízením výkonových parametrů): vývoj plynových přeplňovaných motorů typu ML 636 PB byl proveden na KSD TUL a všechny připravené typy motorů splňují emisní limity podle EHK 49 (EURO II). Výrobu prototypů plynofikovaných autobusů, jejich provozní zkoušky a optimalizační práce na autobusech zajišťoval DPmML, plynofikované autobusy potom byly vyráběny v KSK (ve spolupráci s Liazem a Karosou). Celkový pohled na uspořádání plynofikovaného autobusu KAROSA B 731 ukazuje schematický nákres na obr.1 s vyznačením a rozmístěním hlavních skupin plynového motoru, palivového systému vozidla a ovládacích a řídících sestav pohonné jednotky na LPG.
13
12
10
4 3
14 2
Obr.1:
1 5
9 11
7 8
6
1 - Plynový zážehový přeplňovaný motor typu ML 636 PB 2 - Mezichladič plnícího vzduchu 3 - Směšovač s ovládáním a regulací motoru 4 - Odpařovač s regulátorem tlaku plynu 5 - Elektronický zapalovací systém motoru 6 - Tlakové nádrže na LPG (5x120 dm3 objem, plnění 5x90 dm3) 7 - Spojovací blok s elektromagnetickými ventily pro odběr LPG 8 - Plnící ventil LPG 9 - Přívod LPG k odpařovači 10 - Elektronická řídící jednotka (EŘJ) 11 - Elektrický obvod zapalování a EŘJ 12, 13 - Elektrické obvody EŘJ - palivový systém 14 - Kontrolní a ovládací panel
Celkem bylo vyrobeno 89 autobusů v typech B 731 TP, B 731 TR, B 732 TP, B 741 TBP a B 931, které jezdí v provozovnách DPmML Litvínov a Most. Roční proběh všech autobusů v obou provozovnách je cca 3 600 tis. km, největší podíl (2 054 tis. km) nese typ B 731 TP. Průměrný roční proběh na 1 autobus se pohybuje v relativně širokém rozsahu, od 20 tis. km do 50 tis. km: roční počet ujetých km závisí na typu a způsobu provozního nasazení autobusu – nejvyšší proběh mají autobusy B 741 TBP, autobusy typu B 731 TP ujedou ročně průměrně 40 tis. km.
Průměrná spotřeba LPG v celém dopravním podniku je 79,25 l/100 km: nejvyšší spotřebu 108,5 l/100 km mají autobusy B 741 TBP (kloubový autobus), u autobusů B 731 TP (největší podíl na celkových výkonech DPmML) je průměrná spotřeba 73,15 l/100 km. Průměrné vytížení autobusů v provozu se odhaduje na 60%. Emisní zatížení ovzduší provozem autobusů MHD Výfukové emise z autobusů MHD do ovzduší lze výpočtově odhadnout podle spotřebovaného paliva, ujetých kilometrů a provozních (výkonových a emisních) parametrů autobusových motorů. Při řešení projektu plynofikace autobusové MHD Mostu a Litvínova byla provedena kalkulace ekologického efektu náhrady naftových motorů plynovými motory na LPG: výpočty vycházely jak z provozních údajů Dopravního podniku (spotřeba paliva, ujeté km), tak z výsledků emisních měření autobusových motorů. Porovnání produkce emisí naftovými a plynovými motory pro podmínky provozovny Most DPmML ukazuje výpočtový odhad, podrobně vysvětlený v [2]. Výpočet roční produkce výfukových emisí je provedený jednak pro naftové motory LIAZ ML 636 M (P)-M1.2A (provedení 1991-1993) v autobusech Karosa B 731, které lze považovat za většinového představitele autobusů MHD (podle registru vozidel je průměrné stáří autobusů Karosa v ČR 10 roků), jednak pro případ nových naftových motorů ML 636 E-M1.2C (naftové motory podle EURO II) v jejich optimalizovaném provedení z r. 1996 pro autobusy Karosa B 931. Celkové roční emise z provozu autobusů s naftovými motory na území města Most v jednotlivých složkách výfukových škodlivin s uvažováním emisních vlastností naftových motorů ukazuje souhrnný přehled: výpočet je založen na zjednodušujícím předpokladu, že v uvedených obdobích byly všechny autobusy vybaveny výše uvedeným typem motoru. 1991-1993:
MPM/N = 2,39 t/rok
1996: MPM/N = 0,72 t/rok
MNOx/N = 62,80 t/rok
MNOx/N = 33,43 t/rok
MHC/N = 6,21 t/rok
MHC/N = 1,91 t/rok
MCO/N = 12,94 t/rok
MCO/N = 8,12 t/rok
Celkové roční emise jednotlivých složek výfukových škodlivin z plynových motorů lze potom určit podobně jako v případě naftového motoru. Výsledek ukazuje souhrnný přehled: MPM/PB = 0,14 t/rok MNOx/PB = 15,28 t/rok MHC/PB = 0,48 t/rok MCO/PB = 5,26 t/rok Porovnáním výše uvedených hodnot lze stanovit, že při náhradě autobusů s naftovými motory autobusy s plynovými motory došlo na území města Most ke snížení zátěže ovzduší emisemi výfukových škodlivin takto: a). porovnání s naftovými motory 1991-1993 PM ... pokles o 2,25 tun/rok NOX .. pokles o 47,52 tun/rok HC ... pokles o 5,73 tun/rok CO ... pokles o 7,68 tun/rok
b). porovnání s naftovými motory 1996 PM ... pokles o 0,58 tun/rok NOX .. pokles o 18,15 tun/rok HC ... pokles o 1,43 tun/rok CO ... pokles o 2,86 tun/rok
Vzhledem k tomu, že emise výfukových škodlivin pravidelně zatěžují bezprostřední ale i vzdálenější okolí komunikací ve městech, kde se zpravidla nachází i zvýšená koncentrace obyvatelstva, je nutno považovat každé snížení výfukových škodlivin za velice prospěšné. Kromě příznivých hodnot výfukových emisí u autobusů s plynovými motory je nutno připomenout i pokles úrovně hlukových emisí těchto autobusů. Autobusy s plynovými motory představují významné snížení zátěže ovzduší výfukovými škodlivinami i proti autobusům s novými motory, které splňují emisní limity podle EURO II a toto snížení je jak v legislativou sledovaných škodlivinách, tak ve skupině hygienicky zvlášť rizikových emisí. Měření, provedená ve spolupráci KSD TU v Liberci, KHS v Ústí n/L a VŠCHT v Praze na novém naftovém motoru LIAZ ML 636 E - M1.2C (EURO II) a plynovém motoru ML 636 PBEM - M1.2C prokazují výrazně nižší emise nejškodlivějších látek ve výfukových plynech u plynového motoru: tabulka T1 naměřených hodnot tuto vlastnost plynových motorů přesvědčivě dokládá. Tabulka T1: Motor
ML 636 E - M1.2C
ML 636 PBEM - M1.2C
(nafta)
(LPG)
Pevné částice PM [g/kWh]
0.33
0.022
PAH
[µg/kWh]
810
82
PAHKARC
[µg/kWh]
2.9
0.15
Pozn.: Měření a výpočtové zpracování výsledků bylo provedeno v režimech podle EHK 49, emise PM byly stanoveny metodikou VŠCHT ve vzorku “surových” výfukových plynů, odváděném stěnovým odběrem z výfukového potrubí do aparatury VŠCHT [1, 3, 4]. Porovnání emisních vlastností naftového a plynového autobusového motoru názorně ukazují i sloupcové grafy na obr. 2 a 3. 60 50
Diesel LPG
PM (g/h)
40 30 20 10 0 1,7,13
4
6
8
Obr.2: Porovnání emisí tuhých částic (PM) autobusového naftového motoru (EURO II) a jeho plynové verze ve vybraných režimech emisního testu ECE 49: PM jsou považovány ze velmi rizikové emise, neboť jsou dýcháním zanášeny do plic, kde dráždí a mechanicky narušují živou tkáň, z povrhu PM desorbují do organizmu další škodliviny, které působí chronicky a následně mohou vyvolat i mutagenitu. Ve většině provozních režimů (a především v rozhodujících) jsou emise PM u plynového motoru cca 10x nižší proti původnímu naftovému motoru [1, 3, 4].
[%] 100
8,104
0,247
0,262
1,692
2,9
0,81
[%] 80
60
DIESEL LPG
3,717 0,554
40
20
0
0,08 NOx [g/kWh]
HC [g/kWh]
CO [g/kWh]
PAH [mg/kWh]
0,15 PAHKARC [µg/kWh]
Obr.3: Porovnání výsledku měření emisí plynných škodlivin autobusového naftového motoru (EURO II) a jeho plynové verze v emisním testu ECE 49 (NOx, HC a CO) a emisí hygienicky rizikových složek skupiny polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH -12 organických sloučenin) a její karcinogenní podskupiny (PAHKARC – 7 organických sloučenin), stanovených váženým průměrem z jednotlivých režimů testu ECE 49. Plynový motor, seřízený na velmi chudou směs, dosahuje nízké emise NOx, kvalitní oxidační katalyzátor (s účinností ηHC > 0,85) zajistí nízké emise HC i CO: velmi nízké emise PAH a PAHKARC u plynového motoru na LPG (proti naftovému motoru cca 10x nižší) jsou důsledkem jednoduché struktury uhlovodíků v LPG (v LPG jsou převážně uhlovodíky typu C3 a C4, nafta obsahuje uhlovodíky typu C10 až C25) [1, 3, 4].
Závěr Celkové hodnocení provedených emisních měření a podrobný výzkum složení výfukových plynů autobusových motorů ukazuje ekologické výhody plynofikovaných motorů proti motorům naftovým jak z hlediska požadavků současné legislativy, tak z pohledu k účinkům výfukových emisí na ovzduší a na následná hygienická rizika jeho znečištění. Nižší emise NOX a zejména velmi nízké emise tuhých částic (PM) jsou účinným opatřením k potlačení vzniku smogových situací (v případě NOX potom i ke snížení okyselování životního prostředí s přímým působením NOX na vegetaci a půdu, kyselé deště a pod.). Smog spolu s přítomností karcinogenních organických látek v ovzduší vytváří podmínky, ve kterých se zdravotní rizika z jednotlivých složek škodlivin ještě zvyšují. Výroba plynových autobusů s motory typu ML 636 PB bohužel skončila již před několika roky, žádné z dalších českých měst se zatím nerozhodlo následovat příkladu DPmML. Rozvoj plynofikace vozidel kategorií M2, M3, N2 a N3 (kde ekologické efekty mohou být největší) v České republice již několik roků téměř stagnuje: je to dáno především situací a problémy v hospodářském systému republiky a pokud se nenalezne vhodný způsob jak znovu oživit zájem dopravců o vozidla s plynovými motory, začne Česká republika v zavádění ekologických a perspektivních dopravních prostředků rychle zaostávat. Určitou nadějí je letošní nabídka nízkopodlažního plynového autobusu Karosa City Bus CNG s plynovým přeplňovaným motorem Renault, skutečný ekologický efekt pro města ale může přinést až větší (a soustředěné) provozní nasazení takových autobusů.
Pro plynové autobusy Karosa s motory typu ML 636 PB je úplná technická dokumentace ke všem variantám v DPmML, který je rovněž kvalifikován realizovat jak výrobu plynových motorů typu ML 636 PB, tak plynofikaci autobusů (s přestavbou naftových motorů z provozu, resp. stavbou nových autobusů s novými plynovými motory). LPG jako ekologické palivo dostává v řadě zemí podporu politických i podnikatelských sfér a je ke škodě programu ochrany a tvorby životního prostředí, že po skončení plynofikace v DPmML nebyl výsledek řešení celého projektu (přes jeho úspěšnou prezentaci dopravcům i představitelům státní správy na všech úrovních) využitý k dalšímu rozšíření ku prospěchu především obyvatel ve městech. Publikace byla vytvořena v rámci projektu MSM „Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka“ LN00B073. Použité prameny 1. Beroun, S., Bartoníček, L., Scholz, C.: Ekologické přínosy plynofikace automobilové
dopravy. Projekt Ministerstva dopravy ČR - odbor silniční dopravy, č .S 401/220/005/96. Technické zprávy projektu, SM 326/97, SM 343/98, SM 353/98, SM 364/00 a SM 386/01, kód projektu CB 401 110 605. 2. Beroun, S., Tuček, G.: Emisní vlastnosti autobusů s plynovými motory ML 636 PB. 4.
mezinárodní konference ekologické městské dopravy. Státní fond životního prostředí Praha a Společnost pro trvale udržitelný život. Karlovy Vary, 2001, sborník str.188-194,pp.7. 3. Šebor a kol.: Vliv druhu a složení paliv na emise motorů, část 1. Výzkumná zpráva
VŠCHT Praha, Ústav technologie ropy a petrochemie, 1997. 4.
Šebor a kol.: Vliv druhu a složení paliva na emise motorů užitkových a malotonážních nákladních automobilů, část 1. . Výzkumná zpráva VŠCHT Praha, Ústav technologie ropy a petrochemie, 1998.
