IGNACIUK Piotr 1 GIL Leszek 2 Analiza porównawcza techniczno-ekonomicznych aspektów eksploatacji autobusów miejskich zasilanych olejem napędowym i gazem CNG WSTĘP Główną rolę w upowszechnianiu zasilania silników spalinowych gazem ziemnym odgrywają względy ekologiczne i ekonomiczne. Silniki zasilane gazem ziemnym w postaci CNG lub LNG emitują znacznie mniej związków toksycznych niż ich odpowiedniki zasilane olejem napędowym lub benzyną [4,5, 6]. Przyjmując, że 1,1 nm 3 (metr sześcienny w warunkach normalnych) gazu odpowiada 1 dm 3 benzyny podnoszona jest zazwyczaj kwestia niższej ceny jednostkowej gazu. Obecnie wszyscy czołowi producenci samochodów mają w swojej ofercie pojazdy zasilane gazem CNG lub LNG. Duże zasoby gazu sprawiają, że jest to paliwo mogące konkurować z olejem napędowym i benzyną. Istotnym czynnikiem ograniczającym upowszechnienie stosowania gazu ziemnego jako paliwa silnikowego jest sposób jego magazynowania w pojeździe. Gaz ziemny w postaci lotnej sprężony do ciśnienia rzędu 220 bar wymaga stosowania wytrzymałych, zajmujących dużą objętość i ciężkich zbiorników ciśnieniowych. Zbiorniki te znacznie podrażają koszt instalacji zasilania gazem CNG. Pewnym rozwiązaniem wymienionych problemów jest zastosowanie gazu w postaci skroplonej- LNG. Zbiornik gazu LNG jest zbiornikiem stosunkowo lekkim- jednak i tu pojawia się problemniska temperatura w jakiej musi być utrzymywany gaz -161 C. W tym przypadku jednak objętość gazu w stosunku do objętości oleju napędowego lub benzyny, na której pojazd wykona taki sam przebieg jest porównywalna. Co więcej skroplony gaz ziemny jest wyjątkowo czysty. W Europie oraz na Świecie obserwujemy duży wzrost zainteresowania paliwem gazowym. W Polsce działa jednak zaledwie ok. 27 ogólnodostępnych stacji tankowania CNG (stan w roku 2014) i nie było żadnej ogólnodostępnej stacji tankowania LNG (wykorzystywane pojazdy tankowano ze stacji- cysterny) [1,2,3]. W krajach UE prognozowany jest stały wzrost liczby pojazdów zasilanych gazem CNG i LNG. Przyjęty przez Parlament Europejski pakiet "Czysta energia dla transportu" zakłada, że państwa członkowskie powinny do roku 2020 rozwinąć infrastrukturę tankowania gazem CNG tak by odległość pomiędzy kolejnymi stacjami nie przekraczała 150km. Jednocześnie rozważana jest możliwość wprowadzenia zerowej stawki akcyzy na gaz ziemny. Niewielka ilość eksploatowanych na terenie kraju pojazdów CNG spowodowała, że autorzy postanowili porównać rzeczywiste koszty ponoszone przez użytkownika samochodu zasilanego CNG w stosunku do analogicznego pojazdu zasilanego paliwem konwencjonalnym. Przeprowadzoną analizę postanowiono uzupełnić o porównanie wybranych technicznych aspektów użytkowania rozpytywanych pojazdów. Wyniki tych analiz pozwolą na wyjaśnienie przyczyn małej popularności tego paliwa. 1. OBIEKTY BADAŃ Do badań porównawczych wybrano autobusy komunikacji miejskiej MZK w Przemyślu. Miejski Zakład Komunikacji w Przemyślu jest jednym z pierwszych przedsiębiorstw transportowych w Polsce, które wykorzystuje autobusy zasilane gazem CNG. Do badań porównawczych wybrano porównywalne konstrukcyjnie autobusy marki Jelcz. Dane techniczne badanych autobusów zestawiono w tabeli 1. 1 Politechnika Lubelska w Lublinie, Wydział Mechaniczny, 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, Tel. 81 5384259, e-mail: p.ignaciuk@pollub.pl 2 Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie, Lublin, ul. Projektowa 4, 3703
Tab. 1. Wybrane dane techniczne porównywanych autobusów Modernizowany Autobus Miejski Autobus miejski JELCZ autobus miejski JELCZ 120M/1 CNG Jelcz PR110 PR120M PALIWO Gaz CNG Olej napędowy Rodzaj zamontowanego silnika WSK MIELEC SW680 przystosowany MD111M6 do CNG SW680 Pojemność silnika 11100 cm 3 11100,00 cm 3 11100,00 cm 3 Moc silnika 152 kw 138 kw 148 kw przy 2000 obr/min przy 2000 obr/min Maksymalny moment obrotowy 765Nm 730Nm przy 1300 obr/min przy 1300 obr/min Masa własna pojazdu 10620kg 11590 kg 9900 kg Maksymalna masa całkowita pojazdu 17500kg 17000 kg 17500 kg Liczba miejsc siedzących / stojących 34/62 36/43 34/70 Największy dopuszczalny nacisk osi 115 kn 110 kn 110 kn Współczynnik mocy jednostkowej 8,68 W/kg 8,12 W/kg 8,46 W/kg przy 2000 obr/min 743Nm przy 1200 obr/min Autobusy JELCZ PR 110 z silnikami SW 680 zostały przystosowane do zasilania gazem CNG w czasie remontów głównych przez firmę Mielec Diesel Gaz Sp. z o.o. w Mielcu. Wyposażono je w montowane do dolnej kratownicy podwozia butle o łącznej pojemności 900 litrów. Autobusy JELCZ 120M/1 CNG są fabryczne dostosowane do zasilania gazem CNG i zostały wyposażone w silniki MD111M6 wyprodukowane przez WSK MIELEC. Autobusy JELCZ PR 120M są wyposażone w silniki SW 680 zasilane olejem napędowym. Zmodernizowany autobus Jelcz PR110 jest najcięższy i waży o 1690 kg więcej od autobusu zasilanego olejem napędowym i o 970 kg więcej od autobusu JELCZ 120M/1 CNG. Wzrost masy pojazdów zasilanych CNG wynika z konieczności montażu ciężkich butli gazowych i nie pozostaje bez wpływu na ich parametry eksploatacyjne. W przypadku wzrostu masy własnej autobusu konieczne było zmniejszenie ilości (masy) przewożonych pasażerów. Na właściwości trakcyjne autobusów wpływa stosunek mocy silnika do masy całkowitej pojazdu (współczynnik mocy jednostkowej). Najwyższy współczynnik mocy jednostkowej równy 8,68 W/kg posiada autobus JELCZ 120M/1 CNG autobus ten wyposażony jest w silnik o największej mocy 152 kw. Dwa pozostałe autobusy posiadają niższe współczynniki, odpowiednio 8,46 W/kg dla autobusu JELCZ PR120M zasilanego olejem napędowym, oraz 8,12 W/kg dla autobusu JELCZ PR110, w którym silnik SW680 przystosowano do zasilania gazem CNG. 2. ANALIZA PORÓWNAWCZA EKSPLOATCJI BADANYCH AUTOBUSOW Wybierając porównywalne autobusy o zbliżonej konstrukcji różniące się tylko jednostką napędową oraz rodzajem i umiejscowieniem zbiorników paliwa możemy pominąć wszystkie koszty związane z utrzymaniem ich pozostałych układów i podzespołów. Zatem czynnikiem istotnie różnicującym koszty eksploatacji pojazdów będą koszty paliwa oraz napraw silników. Analizę porównawczą bezpośrednich kosztów eksploatacji związanych ze zużyciem paliwa postanowiono przeprowadzić w oparciu rzeczywiste zużycie paliwa na wybranych liniach komunikacyjnych i odniesienia go do sytuacji gdy linie te obsługiwane był by tylko przez pojazdy wykorzystujące dany rodzaj paliwa. 2.1. Analiza przebiegów eksploatacyjnych i kosztów paliwa porównywanych autobusów Analizę przeprowadzono w oparciu o dane udostępnione przez o MZK w Przemyślu. Uzyskane dane obejmowały okres czterech miesięcy (maj, czerwiec, lipiec, sierpień) 2014 r (Sumaryczne miesięczne przebiegi autobusów zestawiono w tabeli 2). Na rysunku 1 przedstawiono graficznie udziały w ilości przejechanych kilometrów przez wszystkie autobusy MZK Przemyśl z rozdziałem na pojazdy zasilane olejem napędowym i sprężonym gazem ziemnym w poszczególnych miesiącach. 3704
Tab. 2. Zestawienie przebiegów kilometrowych wszystkich autobusów MZK Przemyśl w okresie czterech miesięcy Miesiąc Sumaryczny przebieg kilometrowy badanych autobusów zasilanych ON Sumaryczny przebieg kilometrowy badanych autobusów zasilanych CNG Sumaryczny przebieg kilometrowy badanych autobusów MZK Przemyśl Maj 110 628 59 599 170 227 Czerwiec 108 353 55 320 163 373 Lipiec 112 516 55 660 168 176 Sierpień 106 086 52 579 158 665 RAZEM 437 583 223 158 660 741 Rys.1. Wykres porównawczy miesięcznych przebiegów kilometrowych wszystkich autobusów MZK Przemyśl oraz w rozdzieleniu na autobusy zasilane ON i CNG wraz z zaznaczonym udziałem procentowym w rozpatrywanym okresie czasu Analizując wykres na rysunku 1 możemy zauważyć, że autobusy zasilane olejem napędowym realizują średnio 65%, a pojazdy zasilane gazem CNG ok. 35% całkowitego przebiegu wszystkich autobusów. Do dalszych analiz wybrano tylko te linie, które w omawianym okresie były obsługiwane przez wybrane marki autobusów, były to linie 01, 02, 16, 18. W tabeli 3 przedstawiono dla wymienionych linii zestawienie średnich miesięcznych (z czerwca 2014 roku) przebiegów w kilometrach, normatywnego zużycia paliwa wynikającego z przyjętych norm oraz rzeczywistą ilość pobranego paliwa. Jak można zauważyć rzeczywiste zużycie paliw ON i CNG jest dla wszystkich pojazdów wyższe niż przyjęte zużycie normatywne. Dla autobusów zasilanych olejem napędowym było ono wyższe o 9,3%. Natomiast dla autobusów zasilanych gazem CNG rzeczywiste zużycie gazu było, aż o 32,38% wyższe od przyjętego zużycia normatywnego wyrażonego w nm 3. Należy tu jednak zauważyć, że trasy te obsługiwane były w 83% przez autobusy zasilane gazem CNG, zaś autobusy zasilane olejem napędowym były wykorzystywane tylko w ok. 17 % (głównie w okresie szczytu komunikacyjnego oraz jako pojazdy zapasowe). Na rysunku 2 przedstawiono średnie zużycia paliw przez badane autobusy na wybranych trasach komunikacyjnych. 3705
Numer linii Przebieg miesięczny [km] Ilość paliwa należna wg normy [dm 3 ] Ilość pobranego paliwa [dm 3 ] Średnie zużycie paliwa w [dm 3 /100 km] Przebieg miesięczny [km] Ilość paliwa należna wg normy [nm 3 ] Ilość faktycznie pobranego paliwa [nm 3 ] Średnie zużycie gazu na [nm 3 /100 km] Łączna ilość przejechanych kilometrów Tab. 3. Miesięczne zestawienie przebiegów kilometrowych oraz normatywnego i rzeczywistego zużycia paliwa przez badane autobusy (czerwiec 2014) Pojazdy zasilane olejem napędowym Pojazdy zasilane gazem CNG 01 601,7 225,25 256,26 42,6 4933,3 2316.26 3011,78 61,0 5535 02 948,6 334,27 340,96 35,9 5751 2577,72 3504,34 60,9 6085,27 16 638,1 225,01 262,52 41,1 6604,1 3125,76 4307,45 65,2 7242,2 18 442,1 161,95 174,73 39,5 9640 4518,99 5774,69 59,9 10082,1 Razem 2630,6 946,48 1034,5 39,3 26928,8 12538,76 16598,26 61,3 29559,4 Rys. 2. Średnie zużycie paliwa: oleju napędowego i gazu CNG przez badane autobusy na wybranych liniach komunikacyjnych Pojazdy zasilane sprężonym gazem ziemnym przejeżdżają średnio w ciągu miesiąca czerwca na analizowanych liniach 26928,8 km i spalają faktycznie 16598,26 nm 3 gazu ziemnego. Biorąc do obliczeń średnią cenę gazu z analizowanego okresu według danych PGNiG kształtująca się na poziomie 3,3pln za 1 nm 3, możemy obliczyć faktyczne koszty paliwa wynoszące 54474,27 zł. Wyliczona kwota 54474,27 PLN jest to koszt miesięcznej eksploatacji pojazdów na czterech liniach zasilanych gazem ziemnym. Analogicznie obliczony koszt oleju napędowego jaki został zużyty do przejechania 2630,6 km, w tym samym okresie przy założeniu średniej ceny z tego okresu 4,127 zł za 3706
1dm 3 paliwa jaką podaje na swojej stronie internetowej PKN Orlen (dla odbiorców hurtowych) przy średnim zużyciu 39,3 dm 3 na 100 km koszy paliwa kształtuje się na poziomie 4266,6 zł. Następnie przeanalizowano jak kształtowały by się koszty paliwa jeżeli na trasie jeździły wyłącznie autobusy z silnikami zasilanymi gazem CNG. Jeżeli przyjmiemy, że autobusy na badanych liniach spalają średnio po 61,3 nm 3 gazu ziemnego na przejechanie 100 km, to miesięczne zapotrzebowanie na to paliwa potrzebne do obsługi wymienionych tras (29559,4 km) wyniesie 18120 nm 3, koszt jego zakupu przy cenie 3,3 zł za 1nm 3 wyniesie 59796 zł. Analogiczny koszt dla autobusów zasilanych olejem napędowym przy średnim zużyciu paliwa 39,3 dm 3 na 100 km wyniesie 47942,5 zł i będzie o ok. 12 tys. zł niższy niż w przypadku zasilania gazem CNG. Graficzne przedstawienie kosztów paliwa rzeczywiście ponoszonych przez MZK przy obsłudze rozpatrywanych linii oraz teoretycznych kosztów poniesionych gdyby rozpatrywane linie obsługiwały autobusy zasilane tylko gazem CNG lub tylko olejem napędowym przedstawiono na rysunku 3. CNG i ON 58740,87 zl Rys. 3. Rzeczywiste i prognozowane koszty paliwa zużytego przez autobusy celem zabezpieczenia funkcjonowania linii 01,02,16,18 w miesiącu czerwcu 2014 roku Z wykresu przedstawionego na rysunku 3 wynika,że najniższe koszty paliwa generuje wykorzystanie autobusów zasilanych olejem napędowym, a najwyższe gazem CNG. Przy przyjętym poziomie cen koszty zasilania CNG są o ok. 18,8 % wyższe od kosztów zasilania olejem napędowym. W podobny sposób przeanalizowano zużycie rozpatrywanych paliw w całym okresie 4 miesięcy (maj sierpień). Średnie zużycie ON i CNG na wybranych liniach przedstawia rysunek 4. Średnie zużycie oleju napędowego z czterech miesięcy wynosi 39,1 dm 3 /100km, a gazu CNG 61 nm 3 /100 km. Badane autobusy przejechały w tym czasie 120060 km. Rzeczywiste i prognozowane dla oleju napędowego i gazu CNG koszty zużycia paliwa na wymienionych liniach przestawiono na rysunku 5. Z analizy wykresów na rysunku 5 wynika, że zastosowanie tylko pojazdów zasilanych CNG spowodowało by wzrost kosztów paliwa o prawie 25% w stosunku do najtańszej wersji zasilania autobusów olejem napędowym. 3707
Rys. 4. Średnie zużycie oleju napędowego i gazu CNG przez badane autobusy w okresie maj- sierpień 2014 Rys. 5. Rzeczywiste i prognozowane koszty zużytego paliwa w okresie maj-sierpień 2014 przez badane autobusy 2.2. Inne aspekty eksploatacji autobusów zasilanych gazem CNG Z uwagi na fakt, że porównywane pojazdy różniły się zasadniczo tylko układem zasilania silnika oraz zbiornikami paliwa oraz wynikającą z ich masy różną liczbą przewożonych pasażerów, dlatego o różnicach w technicznych aspektach ich obsługi i utrzymana będą decydować silnik i układ paliwowy. W roku 2013 przemyski MZK przeprowadził naprawy 9 silników z pojazdów podlegających analizie. Było to 6 silników SW680 przystosowanych do zasilania CNG oraz 3 silniki SW680 zasilane ON. Najczęstszą usterką występującą w silnikach zasilanych gazem ziemnym są uszkodzenia gniazd zaworowych, które skutkują koniecznością regeneracji głowic silników. Cena naprawy głowic jest w MZK Przemyśl głównym składnikiem podnoszącym koszty remontu silników zasilanych CNG w stosunku do silników zasilanych olejem napędowym. Pozostałe naprawiane elementy silników w obu przypadkach (silników zasilanych CNG i Silników zasilanych olejem napędowym były takie same. Innym czynnikiem różnicującym eksploatację autobusów zasilanych gazem CNG i ON SA koszty i zakresy przeglądów technicznych. Zasilanie gazowe podnosi bezpośredni koszt przeglądu, a dodatkowo pojazdy w których jako paliwo jest stosowany sprężony gaz ziemny muszą przechodzić okresowe badania rewizyjne zbiorników ciśnieniowych co również podnosi koszt eksploatacji takiego pojazdu. Zwiększenie ciężaru całkowitego jednostek po dokonanych modernizacjach powoduje 3708
zmniejszenie ilości przewożonych pasażerów a co za tym idzie podniesienie kosztów przewozu pasażero- kilometra. WNIOSKI Głównym celem przeprowadzonych badań było wykazanie opłacalności stosowania alternatywnego zasilania sprężonym gazem ziemnym CNG autobusów komunikacji miejskiej, nie tylko ze względu na mniejszą emisję szkodliwych dla środowiska zanieczyszczeń w porównaniu z klasycznymi paliwami płynnymi, lecz również ze względu na niższe koszty jednostkowe paliwa gazowego. Jednak uzyskane wyniki badań wykazują, że zasilanie autobusów gazem ziemnym w przypadku przemyskiego zakładu MZK nie jest w pełni opłacalne. Należy podkreślić, pomimo, że badany tabor autobusowy był wysłużony, to jednak wszystkie autobusy (w tym i zasilane klasycznie) były porównywalne. Zestawiając wszystkie (nie tylko opisane w artykule) fakty związane z eksploatacja autobusów CNG i ON widzimy że: Eksploatacja autobusów zasilanych gazem CNG jest bardziej kosztowna od eksploatacji autobusów zasilanych ON z uwagi na koszty paliwa Autobusy dostosowane do zasilania CNG są droższe w zakupie niż autobusy klasyczne Tankowanie gazu CNG trwa dłużej niż tankowanie oleju napędowego Gaz CNG podczas przechowywania w zbiornikach pojazdu może być upuszczany do atmosfery jeśli np. w skutek nagrzania na słońcu jego ciśnienie w zbiorniku przekroczy dopuszczalna wartość 24 MPa Obsługa techniczna i utrzymanie autobusów zasilanych CNG jest kosztowniejsze niż zasilanych ON Gaz CNG jako paliwo pozwala obniżyć emisję szkodliwych substancji emitowanych do atmosfery, co nie jest bez znaczenia w przypadku komunikacji miejskiej i ten aspekt stosowania gazu CNG należy najbardziej podkreślić Streszczenie W artykule przedstawiono porównawczą analizę bezpośrednich kosztów eksploatacji autobusów komunikacji miejskiej zasilanych sprężonym gazem ziemnym CNG oraz klasycznym olejem napędowym. Analizę wykonano na podstawie rzeczywistych danych uzyskanych z obserwacji użytkowania autobusów w MZK Przemyśl. Do badań porównawczych wykorzystano autobusy marki Jelcz o zbliżonej konstrukcji, których silniki były przystosowane do zasilania olejem napędowym oraz gazem CNG. Słowa kluczowe: eksploatacja pojazdów, koszty eksploatacji, paliwo gazowe CNG, autobusy komunikacji miejskiej Comparative analysis of technical and economic aspects of the operation of city buses powered by diesel and CNG Abstract The article presents a comparative analysis of direct operating costs of public transport buses powered by compressed natural gas (CNG) and diesel. The analysis was performed based on actual data obtained from the observation of the use of buses in Municipal Transport Company in Przemyśl (MZK Przemyśl). For comparative studies were used Jelcz buses of similar construction and engines designed to power with diesel and CNG. Keywords: operation of vehicles, operating costs, CNG fuel, public transport buses BIBLIOGRAFIA 1. Budzik G.: Zasilanie silników autobusów komunikacji miejskiej sprężonym gazem ziemnym Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów 2006 2. Kwaśniewski K., Sas J.: Bariery rozwoju rynku sprężonego gazu ziemnego w Polsce. Zeszyty Naukowe AGH. Wiertnictwo Nafta Gaz. Tom 26. Zeszyt 3. Kraków 2009. 3709
3. Orzechowska M., Kryzia D.: Analiza SWOT wykorzystania gazu ziemnego w transporcie drogowym w Polsce. Polityka energetyczna- Energy Policy Journal 2014. Tom 17. Zeszyt 3 4. Romaniszyn K.: Alternatywne zasilanie samochodów benzyną oraz gazami LPG i CNG badania porównawcze dynamiki rozpędzania i emisji spalin. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa 2007 5. Wołoszyn R.: Zalety ekologiczne i ekonomiczne wykorzystania gazu ziemnego do zasilania pojazdów. Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Politechnika Radomska. Referat na Międzynarodowej Konferencji CNG i LNG Blue Corridor 2012. Warszawa 2012 6. Żółtowski A.: Nielimitowana emisja w silnikach zasilanych CNG. Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003 3710