Maa- ja biokaasu (metaani)

Metaani (CH4) on väritöntä, myrkytöntä ja ilmaa lähes puolet kevyempää kaa-sua. Vuotava kaasu nousee näin ollen ylöspäin. Metaani on sekä maakaasun että liikennekäyttöön puhdistetun biokaasun pääkomponentti. Maakaasun koostumus vaihtelee jonkin verran riippuen sen alkuperästä. Suomeen tuleva Länsi-Siperian maakaasu on erittäin puhdasta ja tasalaatuista. Se sisältää 98 % metaania; loput 2 % ovat lähinnä etaania ja typpeä. Myös propaania, hiilidioksidia ja happea on hyvin pieniä pitoisuuksia. Rikkiä Länsi-Siperian maakaasussa ei ole käytännössä lainkaan. (Gasum 2009.)

Biomassasta voidaan valmistaa metaania anaerobisesti mädättämällä tai kaa-sutusreitin kautta. Mädätyksessä biomassa hajotetaan mikro-organismein hapet-tomassa tilassa. Metaanin lisäksi lopputuotteena on kiinteää ja nestemäistä mä-dätettä, hiilidioksidia, typpeä, hiukkasia, rikkivetyjä ja siloksaaneja. Mädätettä voidaan kompostoinnin jälkeen käyttää lannoitteena. Liikennekäyttöä varten biokaasu on puhdistettava siten, että metaanipitoisuus on yli 97 % eli kaasu vas-taa hyvälaatuista maakaasua (Riikonen 2006). Biokaasun puhdistukseen on tar-jolla erilaisia kaupallisia tekniikoita, joista käytetyin on vesipesu.

Termisellä kaasutuksella biomassasta valmistetusta kaasusta voidaan puhdis-tuksen jälkeen valmistaa metaania ns. metaanisynteesissä. Kyseessä on saman-kaltainen prosessi kuin nestemäisten synteettisten polttoaineiden valmistus bio-massasta. Metaanin valmistuksessa kaasutuksen kautta saadusta synteesikaasusta

9. Polttoainevaihtoehdot

edetään metaanisynteesiin, kun taas dieselpolttoainetta valmistettaessa esimer-kiksi Fischer-Tropsch-synteesiin. Raaka-aineena voi olla mikä tahansa hiiltä ja vetyä sisältävä raaka-aine, siis myös öljy tai kivihiili. Termisen kaasutuksen ja me-taanisynteesin kautta valmistettua metaania kutsutaan yleisesti synteettiseksi maa-kaasuksi.

Jatkossa tässä luvussa käsitellään maakaasua. Ajoneuvon kannalta maakaasu ja puhdistettu biokaasu ovat yhdenvertaisia. Ainoa seikka, jonka osalta ne eroa-vat toisistaan, on CO2-tase. Maakaasu on fossiilinen polttoaine, kun taas biokaa-su on nimensä mukaisesti uusiutuva polttoaine. Biokaabiokaa-sun puhdistuskin huomi-oituna sen CO2-tase on varsin edullinen.

Maakaasun tehollinen lämpöarvo on 36 MJ/m³. Näin ollen yksi kuutiometri maakaasua vastaa lämpöarvoltaan varsin tarkkaan yhtä litraa dieselpolttoainetta.

Ajoneuvoissa maakaasua käytetään pääasiassa paineistettuna (Compressed Na-tural Gas, CNG) noin 200 barin paineeseen. Maakaasu voidaan myös nesteyttää –162 ^oC.ssa (Liquified Natural Gas, LNG), jolloin sitä voidaan kuljettaa suurilla LNG-tankkereilla ja säiliöautoilla. Esimerkiksi Japaniin maakaasu viedään nes-teytettynä.

Maakaasukäyttöisten ajoneuvojen käyttöä ei pääsääntöisesti rajoiteta Euroo-passa turvallisuuskysymysten vuoksi. Helsingin Kampin maanalaiseen linja-autoterminaaliin maakaasubussit eivät kuitenkaan saa ajaa. Maakaasubusseja ei huomioitu Kampin terminaalin rakennusvaiheessa, joten rakenteisiin jäi kohtia, joihin kaasu voi kerääntyä.

Suomessa maa- ja biokaasuautot ovat verotuksellisesti edullisia. Henkilöauto-jen CO2-päästöihin perustuva autoverotus tuo etua kaasuautoille. Maa- ja bio-kaasuautot on vapautettu käyttövoimaverosta, ja polttoaineeseen kohdistuu nes-temäisiin polttoaineisiin verrattuna alhainen vero. Tästä huolimatta maakaasuau-tot eivät ole yleistyneet Suomessa merkittävästi.

Bensiinin korvaus

Maakaasu sopii hyvin kipinäsytytteisissä moottoreissa käytettäväksi. Se on erin-omainen bensiinin korvike, ja bensiinimoottori saadaan joko tehdasvalmistuk-sessa tai jälkiasennuktehdasvalmistuk-sessa toimimaan maakaasulla varsin vähäisillä muutoksilla.

Kaasujärjestelmän pääkomponentit ovat kaasusäiliöt, paineensäätimet ja kaasun syöttölaitteisto. Säiliöistä korkeapaineinen kaasu annostellaan paineensäätimien ja syöttölaitteiston kautta ilman kanssa sopivassa seossuhteessa moottoriin.

9. Polttoainevaihtoehdot

Tehohäviö bensiinistä kaasuun siirryttäessä on enimmillään noin 10 %, jos ai-noastaan vaihdetaan polttoaineeksi maakaasu. Tehohäviötä voidaan kuitenkin kompensoida kasvattamalla moottorin puristussuhdetta. Puristussuhteen lisäyk-sen mahdollistaa metaanin oktaaniluku, joka on noin 120, kun bensiinillä luku on 95–99. Maakaasumoottori voidaan myös ahtaa, jolloin tehohäviötä ei esiinny.

Sekä Mercedes-Benzillä, Opelilla että Volkswagenilla on tarjolla ahdettuja maa-kaasuautoja, joiden teho vastaa bensiinimallien tehoja.

Useimmissa henkilöautoissa on käytössä kaksoispolttoainejärjestelmä, joka mahdollistaa ajon joko bensiinillä tai kaasulla ja kasvattaa siten toimintasädettä.

Vaihto bensiinin ja kaasun välillä tapahtuu joko automaattisesti tai painonapista valitsemalla. Edistyneimmät kaksoispolttoainejärjestelmällä varustetut moottorit on optimoitu siten, että auto antaa parhaimman suorituskyvyn ajettaessa kaasul-la. Tällainen maakaasulle optimoitu moottori on esimerkiksi Opel Zafiran va-paasti hengittävä moottoriversio, jossa puristussuhde on 12,8:1 (Opel 2009 a).

Maakaasun ominais-CO2-päästö on 56 g/MJ, kun se bensiinillä ja dieselillä on noin 70 g CO2/MJ. Bensiiniä korvattaessa CO2-päästö pienenee noin 20 %. Me-taani on voimakas kasvihuonekaasu. Niinpä kasvihuonekaasutarkasteluissa tulisi huomioida polttoaineketjun mahdolliset metaanipäästöt ja lisäksi autojen pako-putkesta mahdollisesti tuleva palamaton metaani.

Kemiallisesti yksinkertaisen polttoaineen ansiosta maakaasulla pakokaasujen koostumus ei ole yhtä haitallinen kuin bensiinillä. Kehittynyttä moottoritekniik-kaa käytettäessä bensiini- ja maamoottoritekniik-kaasuauton säännellyissä päästöissä ei välttä-mättä ole merkittäviä eroja.

Kuvassa 9.7 on esitetty läpileikkaus maakaasukäyttöisestä Opel Zafirasta.

Muiden modernien maakaasuautojen tapaan Zafirassa maakaasusäiliöt on sijoi-tettu auton alustaan siten, etteivät ne vie tilaa matkustamosta tai tavaratilasta.

9. Polttoainevaihtoehdot

Kuva 9.7. Maakaasukäyttöinen Opel Zafira (Opel 2009a).

Raskaan kaluston kaasumoottorit

Lähes kaikki nykyiset raskaan kaluston kaasumoottorit perustuvat muunnettuihin dieselmoottoreihin. Maakaasu ei syty itsestään puristussytytteisessä moottorissa (dieselmoottorissa), joten kaasumoottori on muutettava ottomoottoriksi. Kaasu-moottorissa ruiskutussuutin on korvattu sytytystulpalla, ja männässä olevaa palo-tilaa on suurennettu puristussuhteen alentamiseksi. Kaasumoottori on luonnolli-sestikin varustettava kaasun syöttölaitteilla. Nykymoottoreissa käytetään sähköi-sesti ohjattua takaisinkytkettyä polttoaineen suihkutusta – joko imukanavakoh-taista syöttöä tai keskitettyä ns. yksipistesuihkutusta.

Raskaissa ajoneuvoissa maakaasu saa aikaan merkittäviä päästövähenemiä pe-rinteisiin dieselmoottoreihin verrattuna niin säänneltyjen kuin ei-säänneltyjen päästöjen osalta. Tyypillistä kaikenikäisille kaasumoottoreille on erittäin alhaiset hiukkaspäästöt. Varsinkin laihaseosmoottoreissa palamattoman metaanin päästö saattaa nousta korkeaksi, koska metaani on stabiili molekyyli ja vaikeasti hape-tettavissa katalysaattorissa. Metaani ei ole myrkyllistä, mutta koska se on voi-makas kasvihuonekaasu, päästöjä halutaan rajoittaa.

Kaasumoottori toimii bensiinimoottorin tavoin ottomoottorina. Koska ki-pinäsytytteisen ottomoottorin hyötysuhde on noin 25 % (suht.) dieselmoottorin hyötysuhdetta huonompi, polttoaineen kemiallisesta koostumuksesta johtuva CO2-etu kumoutuu huonomman hyötysuhteen myötä. Niinpä dieselmoottorin ja

9. Polttoainevaihtoehdot

raskaan maakaasumoottorin CO2-päästöt ovat likimain yhtä suuret. Sama pätee koko polttoaineketjun CO2-ekvivalenttipäästöihin. Kipinäsytytyksestä taas on etua alhaisen melutason muodossa.

Caterpillar valmisti yhdessä vaiheessa ns. dual-fuel-moottoreita, joissa imusar-jaan imuilman joukkoon syötetty kaasu sytytettiin dieselruiskutuksella. Tämän konseptin etuna on parempi hyötysuhde ja polttoainejousto, tosin päästöjen kus-tannuksella. Wärtsilä käyttää konseptia menestyksekkäästi suurissa kaasumoot-toreissa. Viime aikoina on ollut merkkejä siitä, että raskaiden ajoneuvojen val-mistajien kiinnostus dual-fuel-ratkaisuja kohtaan olisi heräämässä uudelleen.

Kanadalainen Westport Innovations on jo pitkään kehittänyt maakaasun suo-raruiskutusta. Myös tässä järjestelmässä kaasu sytytetään dieselpolttoaineen avulla, ja moottorin hyötysuhde vastaa dieselmoottorin hyötysuhdetta. Westport on kertonut tekevänsä yhteistyötä muun muassa Cumminsin, Isuzun ja MANin kanssa. Westportin HPDI-tekniikka on nyt kaupallistumassa raskaissa amerikka-laisissa Kenworth-rekkavetureissa (Westport Innovations 2008).

Moottorin lisäksi maakaasuautot eroavat dieselautoista polttoainesäiliöiden osalta. Dieseliin verrattuna maakaasu vaati noin kuusinkertaisen säiliötilavuuden samaa ajomatkaa varten. Matalalattiaisissa busseissa kaasusäiliöt voidaan käy-tännössä sijoittaa vain auton katto-osaan joko pitkittäin tai poikittain. Maakaasu-bussin säiliötilavuus on tyypillisesti 1 000–17 00 l. Kaasun paineen ollessa 200 bar polttoainemäärä vastaa 200–340 litraa dieselpolttoainetta. Kaasusäiliöitä ei voida tyhjentää täysin, ja näin ollen noin 10 % polttoainemäärästä jää hyödyn-tämättä. Näin maakaasubussin toimintamatka on enimmillään 400–450 km.

Kuorma-autoissa säiliötilavuus on yleensä selvästi pienempi, noin 600 l, mikä vastaa noin 120 l dieselpolttoainetta. Niinpä vakiomalliset CNG-kuorma-autot eivät sovellu pitkille matkoille. Ratkaisu voi löytyä lisäsäiliöistä tai nesteytetystä maakaasusta (LNG). Kenworth-rekkavetureissa on käytössä LNG-säiliöt.

Maa- ja biokaasun lähipäästöt henkilöautokalustossa ja raskaassa kalustossa

Maakaasun suhteellista puhtautta on hyödynnetty kehittyvillä markkinoilla, muun muassa Etelä-Amerikassa, jossa on käytössä paljon yksinkertaisella muunnostekniikalla toteutettuja kaasuautoja. Kehittynyttä moottori- ja puhdistin-tekniikkaa käytettäessä erot bensiinin ja maakaasun välillä ovat varsin pienet.

Mainittakoon kuitenkin, että US EPA on nimennyt pelkällä maakaasulla toimi-van Honda Civic GX NGV maakaasuauton maailman puhtaimmaksi

polttomoot-9. Polttoainevaihtoehdot

torikäyttöiseksi autoksi jo kymmenenä peräkkäisenä vuotena. Auto käyttää polt-toaineenaan pelkkää maakaasua (Honda 2009a).

Euroopassa tarjolla olevat maakaasuautot ovat lähes poikkeuksetta kaksois-polttoaineautoja, joissa käynnistys tapahtuu bensiinillä. Bensiinikäynnistyksellä taataan, että bensiinin suihkutusjärjestelmä säilyy toimintakunnossa. Koska val-taosa päästöistä syntyy heti käynnistyksen jälkeen ennen kuin pakokaasujen puhdistusjärjestelmä alkaa toimia, ei bensiini- ja kaksoispolttoaineauton päästö-profiileissa ole juurikaan eroja.

Volkswagenin uusi VW Passat 1.4 TSI EcoFuel -maakaasuauto sai kuitenkin äskettäin ensimmäisenä autona maksimaaliset viisi ”ekotähteä” (92 pistettä 100 pisteen maksimimäärästä) saksalaisen ADAC-autojärjestön arvioinnissa. Auto on ADACin mukaan ympäristöystävällisin tähän asti arvioiduista 893 autosta.

Malli on energiatehokas ja tuottaa dieselautoa vähemmän CO2-päästöjä, ilman dieselin haitallisia hiukkasia (ADAC 2009).

VTT on vuodesta 2002 lähtien tehnyt pakokaasulaboratoriossaan mittauksia yli sadalle erilaiselle bussille todellisuutta vastaavissa kuormitustilanteissa. Kaa-subussit ovat olleet erityisen mielenkiinnon kohteena. Iästä riippumatta kaasu-bussien hiukkaspäästöt ovat hyvin alhaiset, parhaimpien hiukkassuodattimella varustettujen dieselbussien tasoa. NOx-päästöt vaihtelevat auton tekniikan mu-kaan. Stoikiometrisella seoksella toimivat kolmitoimikatalysaattorilla varustetut bussit saavuttavat hyvinkin alhaisen NOx-tason, kun taas laihaseostekniikka tuottaa dieseltasoa olevan NOx-päästön.

Kuvassa 9.8 on esitetty uusimpien Euro IV, Euro V ja EEV-tasoisten bussien NOx- ja hiukkaspäästöt Braunschweig-kaupunkisyklissä. Kuvaan on merkitty myös Euro II ja Euro III -autojen keskimääräiset arvot ja eri päästöluokkia vas-taavat ”laatikot”. Kuvasta nähdään, että suurin osa EEV-kaasubusseista (vihreät ympyrät) antaa todellisuudessakin EEV-tason suorituskyvyn. Euro IV, V ja EEV-luokkia edustavien dieselbussien tuloksissa sen sijaan on merkittävää ha-jontaa. Yksikään EEV-diesel ei todellisuudessa yllä EEV-päästötasoon, ja Euro IV -autot ovat keksimäärin vain Euro III -tasoa.

Vuonna 2004 VTT teki perusteellisen tutkimuksen diesel- ja kaasubussien säännellyistä ja sääntelemättömistä päästöistä. Tutkimuksen tulokset tiivistettiin seuraavasti:

Tulokset osoittavat että hiukkaspäästöjen suhteen, sekä massan että hiukkas-ten lukumäärän osalta, maakaasuautot vastaavat CRT-hiukkassuodattimella varustettua autoa. Molemmilla tekniikoilla hiukkasten lukumäärät ovat kaksi

9. Polttoainevaihtoehdot

kertaluokkaa pienemmät verrattuna dieselmoottoriin ilman pakokaasujen jäl-kikäsittelyä. Maakaasuautojen hiukkaslukumäärissä ei havaittu mitään poik-keavuuksia. Katalysaattoreilla varustettujen kaasuautojen formaldehydipääs-töt olivat alhaiset, samaten PAH-pääsformaldehydipääs-töt. Maakaasuautojen pakokaasujen ge-notoksisuus Ames-testillä mitattuna oli erittäin alhainen. Sertifiointiluokasta riippuen maakaasuautot tarjoavat joko vastaavat tai huomattavasti alhai-semmat NOx-päästöt Euro 3 -dieselautoihin verrattuna. (Nylund et al. 2004.)

NOx and PM emissions over the Braunschweig city bus -cycle

0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

PM g/km

NOx g/km

Diesel Euro 2 average Diesel Euro 3 average Diesel Euro 4 Euro limits (by factor 1.8)

Euro 1

Kuva 9.8. Kaupunkibussien todelliset NOx- ja hiukkaspäästöt (VTT 2009).

Maa- ja biokaasu verrattuna bensiiniin ja dieselpolttoaineeseen:

• päästöedut: PM, NOx (stoikiometrisillä moottoreilla), pakokaasujen alhainen reaktiivisuus

• päästöhaitat: suuret kokonaishiilivetypäästöt ovat pääasiassa metaa-nia, joka ei aiheuta terveyshaittoja mutta joka on voimakas kasvihuo-nekaasu

• käytettävyys: vaatii erikoisajoneuvoa.

9. Polttoainevaihtoehdot