Så fungerar naturgasfordon

Nästa upp Alternativa bränslen som aldrig kom ur labbet Så fungerar elbilar Curiosity Project:Varför skulle vi vilja bli av med privata fordon?

Grodan Kermit sa en gång:"Det är inte så lätt att vara grön." Även om han inte syftade på bilar, verkar hans observation särskilt passande för bilindustrin idag:Att designa, utveckla och marknadsföra "gröna" bilar har inte varit en lätt uppgift, vilket är anledningen till att bensindrivna fordon fortfarande styr vägen och fossila bränslen står fortfarande för nästan 75 procent av världens energiförbrukning. När bensinpriserna stiger i höjden och oron över skadliga utsläppshöjningar kommer bilar som körs på alternativa bränslekällor att bli allt viktigare. Ett naturgasfordon, eller NGV, är det perfekta exemplet på en sådan bil – den är bränslesnål, miljövänlig och erbjuder en relativt låg ägandekostnad.

Bildgalleri för alternativa bränslefordon

David McNew/Getty Images
En hushållstank för naturgas, Phill, av FuelMaker är ansluten till ett Honda Civic NGV naturgasfordon. Se bilder på alternativa bränslefordon.

Den här artikeln kommer att förklara grundidén med NGV, titta på de unika designutmaningarna som är involverade och undersöka fördelarna med denna teknik.

Upptäckt Vissa forskare spekulerar i att människor som bor i Mellanöstern upptäckte denna egenskap hos naturgas mellan 6000 och 2000 f.Kr. när blixten antände naturgas som sipprade från marken. Kineserna brände naturgas så tidigt som 211 f.Kr. till torrt bergsalt som hittats i kalksten. De borrade också de första kända naturgasbrunnarna med hjälp av bambustolpar och primitiva bitar, men de kunde bara nå djup på 500 fot. Av

Innehåll

1. Grundläggande om naturgas
2. Från Field till Ford
3. Fordonsdesign med naturgas
4. Fördelar och nackdelar

>Grundläggande om naturgas

Ordet "gas" är ett förvirrande begrepp eftersom det används för att beskriva många olika ämnen som är lika men inte exakt lika. Till exempel är "gasen" du stoppar i din bil bensin, en komponent av råolja eller petroleum. Petroleum är en mörk, klibbig flytande blandning av föreningar som bildas under jorden genom förfallet av forntida marina djur.

Naturgas kommer också från forntida organismers förfall, men den tar naturligt en gasform istället för en flytande form. Naturgas förekommer vanligtvis i samband med råolja. Det härrör från både landväxter och akvatiskt organiskt material och bildar över eller under oljefyndigheter. Det löses ofta i råolja vid de höga tryck som finns i en reservoar. Det finns också reservoarer av naturgas, så kallade icke-associerad gas, som bara innehåller gas och ingen olja.

Naturgas består främst av metan och andra kolvätegaser. Kolväten är organiska föreningar som endast består av elementen kol och väte. Kolvätena i naturgas kallas mättade kolväten eftersom de innehåller väte och kol bundna med enkelbindningar. Som diagrammen visar är metan det enklaste mättade kolvätet.

Liksom bensin är naturgas brännbar, vilket innebär att den kan användas i en förbränningsmotor som bensin. Men bilar som kunde bränna naturgas dök inte upp på platsen förrän på 1930-talet.

>Från Field till Ford

Vi utvinner naturgas som fångas i underjordiska reservoarer genom att borra brunnar i jorden. En modern brunn, utrustad med borrkronor med diamanter, kan borra till djup som närmar sig 25 000 fot.

Utvinning och bearbetning De flesta moderna brunnar utvinner både råolja och naturgas på samma gång. En del naturgas kan användas eftersom den kommer från brunnen utan någon raffinering, men de flesta kräver bearbetning. Naturgasbehandling består av att separera alla olika kolväten och vätskor från den "våta" naturgasen tills den är "torr". Torr naturgas är ren metan, vilket är det bästa bränslet för många konsumenttillämpningar, inklusive naturgasfordon.

Under hela 1800-talet förblev användningen av naturgas lokaliserad eftersom det inte fanns något sätt att transportera stora mängder gas över långa avstånd. 1890 gjorde uppfinningen av en läcksäker rörledningskoppling det möjligt att transportera gasmil från källan. Förbättringar av rörledningsteknik fortsatte under de kommande två decennierna tills långdistansgasöverföring blev praktisk. Från 1927 till 1931 byggde arbetare mer än 10 stora naturgasöverföringssystem i USA, vilket gjorde naturgas till en livskraftig energikälla för många tillämpningar. Oljebristen i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet väckte förnyat intresse för naturgas som bränslekälla, särskilt för bilar.

Idag kan ägare av naturgasfordon fylla sina bilar på en av 1 300 bensinstationer i USA. Honda erbjuder också en personlig naturgaspump till personer som köper dess naturgasdrivna Civic. Pumpen använder ett hems befintliga naturgasledningar och kan installeras för $500 till $1500.

I nästa avsnitt kommer vi att diskutera hur naturgasfordon är utformade.

BiogasNaturgas är inte den enda källan till metan. Metan kan också erhållas genom att jäsa organiskt material, såsom gödsel, i låga nivåer av syre. Under sådana förhållanden kommer bakterier att använda näringsämnena i gödsel som matkälla och kommer att frigöra metan och koldioxid som avfallsprodukter. Denna metan, känd som biogas, kan samlas in och användas som bränslekälla.

>Fordonsdesign med naturgas

Naturgasfordon använder samma grundläggande principer som bensindrivna fordon. Med andra ord blandas bränslet (naturgas i detta fall) med luft i cylindern på en fyrtaktsmotor och antänds sedan av ett tändstift för att flytta en kolv upp och ner. Även om det finns vissa skillnader mellan naturgas och bensin när det gäller brännbarhet och antändningstemperaturer (se diagrammet nedan), arbetar NGV själva på samma grundläggande koncept som bensindrivna fordon.

Egenskap	Naturgas	Bensin	Diesel
Antändbarhetsgränser (volym % i luft)	5-15	1.4-7.6	0,6-5,5
Auto-tändning Temperatur ( ° F)	842	572	446
Peak Flame Temperatur ( ° F)	3423	3591	3729

Ändå krävs vissa modifieringar för att en NGV ska fungera effektivt. Dessa förändringar är främst i bränsletanken, motorn och chassit.

Bränslelagring
De flesta NGV:er använder komprimerad naturgas så att bränslet tar mindre plats. Vid en tankstation komprimeras gasen till 3 000-3 600 pund per kvadrattum innan den pumpas in i högtrycksrörformade cylindrar som är fästa på fordonets bakre, övre eller underrede. Lagringstankarna i tidiga NGV var skrymmande och tog upp mycket av fordonets lastutrymme, men nyare, lättare cylindrar har utvecklats. Dessa helt sammansatta cylindrar, som kallas Integrated Storage Systems (ISS), är inneslutna i ett skal av glasfiber och stötdämpande skum för att skydda dem i händelse av en krasch. Cylindrarna har också en mindre diameter så att tre av dem kan inrymmas tillsammans i en storlek och form som liknar en konventionell bensintank.

Bild med tillstånd från Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Motorändringar
När motorn i en NGV startas strömmar naturgas från lagringscylindrarna in i en bränsleledning. Nära motorn kommer naturgasen in i en regulator för att minska trycket. Sedan matas gasen genom ett flerpunkts gasformigt bränsleinsprutningssystem, som för in bränslet i cylindrarna. Sensorer och datorer justerar bränsle-luftblandningen så att när ett tändstift tänder gasen brinner det effektivt. En naturgasmotor inkluderar även smidd aluminium, högkompressionskolvar, härdade nickel-volfram avgasventilsäten och en metanspecifik katalysator.

Foto med tillstånd från Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory En installerad naturgasmotor

Chassimodifieringar
Vissa modifieringar i upphängningen av en NGV kan krävas för att skapa utrymme för bränslelagringsbehållarna. På baksidan av fordonet ersätter ibland en semi-trailing arm suspension den laterala länkupphängningen som är standard i många bensindrivna bilar. Detta skapar mer öppet utrymme i det bakre underredet, men ger ändå en mjuk och bekväm körning. NGVs tar också bort reservdäcket och domkraften, vilket möjliggör en platt planlösning. "Run-flat"-däck, som Extended Mobility Tyres från Goodyear Tire, installeras för att kompensera för att reservdäcket och domkraften saknas.

Foto med tillstånd från Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Skillnader i tankning
Att tanka ett naturgasfordon kan också vara lite annorlunda. Tankningspunkten är vanligtvis framtill på fordonet, även om i vissa NGV-bilar, som Honda Civic GX, är tankpunkten baktill. En NGV kan tankas vid en "snabbfyllningspump" på ungefär samma tid som det tar att driva alla bensin- eller dieseldrivna fordon. Alternativt kan en NGV tankas på fem till åtta timmar med en "slow-fill"-metod. De hemtankstationer som Honda erbjuder är av sorten som fylls långsamt, vilket kräver att bilägare tankar sina fordon över natten.

Därefter kommer vi att diskutera vilka fördelar naturgasfordon har jämfört med bensindrivna fordon, såväl som nackdelarna.

>Fördelar och nackdelar

Den största fördelen med NGV är att de minskar miljöskadliga utsläpp. naturgasfordon kan uppnå upp till 93 procents minskning av kolmonoxidutsläppen, 33 procents minskning av utsläppen av olika kväveoxider och 50 procents minskning av reaktiva kolväten jämfört med bensinfordon. NGV har också högre utsläpp av partiklar 10 (PM10). PM10-partiklar transporterar och avsätter giftiga material genom luften. NGV som fungerar i dieselapplikationer kan minska PM10-utsläppen med en faktor 10.

Naturgasfordon erbjuder också dessa fördelar:

Bygg vs. Köp NGV kan byggas från grunden för att inkludera designförbättringarna som beskrivs ovan. Ett helt nytt naturgasfordon kostar $4 000 till $8 000 mer än ett jämförbart bensinfordon. Det är också möjligt att modifiera konventionella bensinfordon så att de går på naturgas. Även detta kan vara dyrt, med ändringarna som vanligtvis kostar $3 000 till $5 000. Fordon som körs enbart på naturgas är kända som "dedikerade" NGV. Fordon som kan köras på både naturgas och bensin är kända som "bi-fuel"-fordon. I bi-fuel fordon kan föraren säkert byta från ett bränsle till ett annat under körning.

• NGV är säkrare. Bränslelagringstanken på en NGV är tjockare och starkare än bensin- eller dieseltankar. Det har inte skett ett NGV-bränsletanksbrott på mer än två år i USA.

• Naturgaskostnaderna är lägre än bensin. Naturgas kostar i genomsnitt en tredjedel mindre än bensin vid pumpen.

• Naturgas är bekvämt och rikligt. En väletablerad pipeline-infrastruktur finns i USA för att leverera naturgas till nästan alla stadsområden och de flesta förortsområden. Det finns mer än 1 300 bensinstationer för NGV i USA, och fler läggs till varje dag.

• Naturgaspriserna har uppvisat betydande stabilitet jämfört med oljepriserna. Historiskt sett har naturgaspriserna uppvisat betydande prisstabilitet jämfört med priserna på petroleumbaserade bränslen. Denna stabilitet gör det lättare att planera noggrant för långsiktiga kostnader.

• NGV har lägre underhållskostnader. Eftersom naturgas brinner så rent resulterar det i mindre slitage på motorn och förlänger tiden mellan justeringar och oljebyten.

Nackdelar
Ett av de största klagomålen på NGV är att de inte är lika rymliga som bensinbilar. Detta beror på att NGV måste ge upp dyrbart last- och bagageutrymme för att rymma bränslelagringscylindrarna. Inte bara det, dessa cylindrar kan vara dyra att designa och bygga - en bidragande faktor till de högre totala kostnaderna för ett naturgasfordon jämfört med en bensindriven bil.

Foto med tillstånd från Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory Bakre underrede som visar bränslecylindrar

En annan nackdel är den begränsade räckvidden för NGV, vilket vanligtvis är ungefär hälften av ett bensindrivet fordon. Till exempel kan Hondas naturgas Civic, Civic GX, gå upp till 220 mil utan att tanka. En typisk bensindriven Civic kan åka cirka 350 mil utan att tanka. Om en dedikerad NGV fick slut på bränsle på vägen, måste den bogseras till ägarens hem eller till en lokal bensinstation för naturgas, vilket kan vara svårare att hitta än en "vanlig" bensinmack.

Slutligen bör det noteras att naturgas, liksom bensin, är ett fossilt bränsle och inte kan betraktas som en förnybar resurs. Även om naturgasreserverna i USA fortfarande är betydande, är de inte outtömliga. Vissa förutspår att det finns tillräckligt med naturgasreserver kvar för att räcka i ytterligare 67,1 år, förutsatt att 2003 års produktionsnivå fortsätter.

Trots några av fördelarna med NGV är de fortfarande relativt ovanliga. Enligt Natural Gas Coalition finns det för närvarande 130 000 NGV på vägen i USA idag och mer än 2,5 miljoner över hela världen. För att sätta detta i perspektiv, tänk på att det fanns 142,5 miljoner registrerade fordon 2001 - vilket innebär att gasdrivna fordon är fler än NGV:er med nästan 1 100 till en i USA. Och ändå tillverkar mer än 40 olika tillverkare, inklusive Ford, General Motors, Toyota och Volvo, för närvarande NGV.

Foto med tillstånd från Honda Phill Home Refueling Appliance

Två bilföretag som leder vägen inom NGV-design och konstruktion är Honda och DaimlerChrysler. Honda är den första tillverkaren som erbjuder en NGV för detaljhandeln - Honda Civic GX sedan, som också kommer med en hemtankstation som företaget har kallat "Phill". Civic GX är en dedikerad NGV, vilket innebär att den bara kan köras på naturgas. DaimlerChrysler tillverkar en E-klass Mercedes som går på både bensin och naturgas. Den får en klassificering av "NGT", som står för "Natural Gas Technology", och kan resa 621 miles på en enda tankning - 186 miles med naturgas och 435 miles med bensin.

Medan fordon som Civic GX och E 200 NGT endast är tillgängliga på mycket begränsade marknader (den förra i vissa västerländska delstater, den senare i Europa), förväntas NGV-bilar bli mer allmänt tillgängliga för konsumenterna under de kommande två decennierna, särskilt eftersom oljepriset fortsätter att stiga. När det händer blir det lite lättare att vara grön.

För mer information om naturgasfordon och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

NGV-flottor Bränsleintensiva flottor som reser många mil varje dag har använt naturgas i flera år. Detta skulle inkludera taxiflottor, transit- och skolbussar, flygplatstransfer, entreprenadfordon, sopbilar, leveransbilar och offentliga arbeten. Varför är flottor särskilt lämpade för naturgas? För det första gör den större volymen fordon det mer ekonomiskt att konvertera fordon eller köpa dem direkt. Men ännu viktigare är att fordonsflottan underhålls centralt, vilket gör tankningsprocessen bekväm och pålitlig. Många långdistanslastbilar och bussar kör på en annan form av naturgas som kallas flytande naturgas eller LNG. LNG tillverkas genom att kyla naturgas till -260°F, kondensera den till en vätska. Den flytande formen är mycket tätare och har därmed mer potentiell energi för den mängd utrymme den tar upp. Det betyder att mer energi kan lagras på samma utrymme på en bil eller lastbil.

Forskning av alternativa bilbränslen AutobränsleekonomiHur fungerar alternativa bränslepriserAutoAlternativa bränslenAlternativa bränsleAutoAlternativa bränslen10 Alternativa bränsleidéer som aldrig kom ur labbetAutohybridteknikVilka är de svåraste standarderna att uppfylla för en alternativbränslebil?AutohybridteknikHur alternativa bränsletankstationer ArbeteAutohybridbilsteknikVad är billigast världens alternativa bränsle? AutoBiobränslenÄr algerbiobränsle ett lönsamt alternativ till olja?AutoBiobränslen Främjar oljebolag alternativ energi?AutohybridteknikTopp 10 alternativa bränslen på vägen just nuBiobränslenÄr biobränsle ett rimligt (och säkert) flygbränslealternativ?Autoalternativa bränslenAlternativa bränslenAlternativa bensinfordonAlternativa bränslenAlternativa bränslenAlternativa bränslenAutomatiska bränslenAlternativa bränslen Bränsleceller ArbeteAutoalternativa bränslenHur biodiesel fungerarAutoalternativa bränslenÄr etanol verkligen mer miljövänligt än gas?Autoalternativa bränslenHur mycket majs för etanolAutoalternativa bränslenKan saltvattenbränsle ca. rs?AutoAlternative FuelsHur fungerar naturgasfordonAutoAlternative FuelsE85 Etanol Flex Fuel ÖversiktAutoAlternative FuelsKan etanol skada din motor?AutoAlternative FuelsVad är toppbränsle och hur skiljer det sig från bensin?AutoAlternative FuelsKan en bil köras på kärnkraft?Vetenskaplig forskning om alternativa bränslen ScienceEnergy ProductionVilket är det billigaste nya energialternativet?ScienceGreen ScienceVilken är den billigaste nya alternativa energin?ScienceGreen Science10 galna former av alternativ energiScienceGreen ScienceKommer alternativa bränslen att tömma globala majsförråd?

>Mycket mer information

TackTack till Jeff Beckman för hans hjälp med denna artikel.

Relaterade HowStuffWorks-artiklar

• Så fungerar hybridbilar
• Så fungerar elbilar
• Så fungerar gaspriser
• Så fungerar oljeborrning
• Så fungerar oljeraffinering

Fler bra länkar

• Utbildningsplatsen för Natural Gas Supply Association
• The Natural-Gas Vehicle Coalition
• Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
• Hondas Civic GX-webbplats
• Naturgasfordon -- Pacific Gas &Electric Company

Källor

• Dickson, T.R. Introduktion till kemi, 7:e uppl. New York:John Wiley &
  Sons, Inc.
• Durbin, D. "Honda erbjuder den första återförsäljaren av naturgasfordon och
  hustankstation," The Detroit News. 22 april 2005.
  http://www.detnews.com/2005/autosinsider/0504/22/autos-159034.htm
• Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "naturgas." CD-ROM, 2005.
• GermanCarFans.com.
  http://www.germancarfans.com/news.cfm/newsid/2050207.006
• Hondas Civic GX-webbplats
  http://automobiles.honda.com/models/model_overview.asp?ModelName=Civic+GX&bhcp=1
• Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.
  http://www.jhuapl.edu/programs/trans/ANGV.htm
• Säkerhetsvärld för naturgas.
  http://www.ngridsafetyworld.com/ngsw/more/vehicles.html
• Utbildningswebbplats för Naturgas Supply Association.
  http://www.naturalgas.org/
• Fordon med naturgas. Pacific Gas &Electric Company.
  http://www.pge.com/about_us/environment/natural_gas_vehicles/
• Koalitionen för naturgasfordon. http://www.ngvc.org/ngv/ngvc.nsf
• Forumet för naturgasfordon. http://www.ngv.org/ngv/ngvorg01.nsf
• Parfit, M. "Powering the Future," National Geographic. Augusti 2005, s.
  2-31.
• Wright, Michael och Mukul Patel, red. 2000. Scientific American:Hur
  saker fungerar idag. New York:Crown Publishers.