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Come funzionano i veicoli a gas naturale

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Kermit the Frog una volta disse:"Non è così facile essere verdi". Sebbene non si riferisse alle automobili, la sua osservazione sembra particolarmente appropriata per l'industria automobilistica di oggi:progettare, sviluppare e commercializzare auto "verdi" non è stato un compito facile, motivo per cui i veicoli a benzina dominano ancora la strada e i combustibili fossili rappresentano ancora quasi il 75% del consumo energetico mondiale. Con l'aumento dei prezzi della benzina e la preoccupazione per le emissioni nocive, tuttavia, le auto che funzionano con fonti di carburante alternative diventeranno sempre più importanti. Un veicolo a gas naturale, o NGV, è l'esempio perfetto di un'auto del genere:è a basso consumo di carburante, rispettosa dell'ambiente e offre un costo di proprietà relativamente basso.

Galleria di immagini di veicoli a carburante alternativo

David McNew/Getty Images
Un apparecchio per il rifornimento domestico a gas naturale, Phill, di FuelMaker è collegato a un veicolo a gas naturale Honda Civic NGV. Guarda le immagini dei veicoli a carburante alternativo.

Questo articolo spiegherà l'idea di base dei veicoli a metano, esaminerà le sfide di progettazione uniche coinvolte ed esaminerà i vantaggi e i vantaggi di questa tecnologia.

ScopertaAlcuni studiosi ipotizzano che le persone che vivono in Medio Oriente abbiano scoperto questa proprietà del gas naturale tra il 6000 e il 2000 aC quando i fulmini hanno acceso il gas naturale che filtrava dal suolo. I cinesi bruciarono gas naturale già nel 211 a.C. per essiccare il salgemma trovato nella roccia calcarea. Hanno anche perforato i primi pozzi di gas naturale conosciuti, utilizzando pali di bambù e punte primitive, ma sono stati in grado di raggiungere solo una profondità di 500 piedi. I

Contenuti

Nozioni di base sul gas naturale
Da Field a Ford
Progettazione di veicoli a gas naturale
Vantaggi e svantaggi

>Nozioni di base sul gas naturale

La parola "gas" è un termine confuso perché è usato per descrivere molte sostanze diverse che sono simili ma non esattamente uguali. Ad esempio, il "gas" che metti nella tua auto è benzina, un componente del petrolio greggio o petrolio. Il petrolio è una miscela liquida scura e appiccicosa di composti formati sottoterra dal decadimento di antichi animali marini.

Anche il gas naturale deriva dal decadimento di organismi antichi, ma assume naturalmente una forma gassosa anziché liquida. Il gas naturale si trova comunemente in associazione con il petrolio greggio. È derivato sia dalle piante terrestri che dalla materia organica acquatica e si forma sopra o sotto i depositi di petrolio. Viene spesso disciolto nel petrolio greggio alle alte pressioni esistenti in un giacimento. Esistono anche giacimenti di gas naturale, detti gas non associati, che contengono solo gas e niente petrolio.

Il gas naturale è costituito principalmente da metano e altri gas idrocarburici. Gli idrocarburi sono composti organici composti solo dagli elementi carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi nel gas naturale sono chiamati idrocarburi saturi perché contengono idrogeno e carbonio legati insieme da legami singoli. Come mostrano i diagrammi, il metano è l'idrocarburo saturo più semplice.

Come la benzina, il gas naturale è combustibile, il che significa che può essere utilizzato in un motore a combustione come la benzina. Ma le auto in grado di bruciare gas naturale non sono apparse sulla scena fino agli anni '30.

>Dal campo alla Ford

Estraiamo il gas naturale intrappolato nei giacimenti sotterranei perforando pozzi nel terreno. Un pozzo moderno, dotato di punte diamantate, può perforare fino a una profondità di circa 25.000 piedi.

Estrazione e lavorazioneLa maggior parte dei pozzi moderni estrae contemporaneamente petrolio greggio e gas naturale. Parte del gas naturale può essere utilizzato poiché proviene dal pozzo senza alcuna raffinazione, ma la maggior parte richiede una lavorazione. Il trattamento del gas naturale consiste nel separare tutti i vari idrocarburi e fluidi dal gas naturale "umido" fino a renderlo "secco". Il gas naturale secco è puro metano, che è il carburante preferito per molte applicazioni di consumo, compresi i veicoli a gas naturale.

Per tutto il 19° secolo l'uso del gas naturale è rimasto localizzato perché non c'era modo di trasportare grandi quantità di gas su lunghe distanze. Nel 1890, l'invenzione di un raccordo per tubazioni a tenuta stagna permise di trasportare miglia di gas dalla sorgente. I miglioramenti nella tecnologia dei gasdotti continuarono nei due decenni successivi fino a quando la trasmissione del gas a lunga distanza non divenne pratica. Dal 1927 al 1931, i lavoratori hanno costruito più di 10 principali sistemi di trasmissione del gas naturale negli Stati Uniti, rendendo il gas naturale una valida fonte di energia per molte applicazioni. La carenza di petrolio alla fine degli anni '60 e all'inizio degli anni '70 ha portato un rinnovato interesse per il gas naturale come fonte di carburante, in particolare per le automobili.

Oggi, i proprietari di veicoli a gas naturale possono fare il pieno in una delle 1.300 stazioni di rifornimento situate negli Stati Uniti. Honda offre anche una pompa del gas naturale personale alle persone che acquistano la sua Civic alimentata a gas naturale. La pompa utilizza le linee del gas naturale esistenti di una casa e può essere installata da $ 500 a $ 1500.

Nella prossima sezione parleremo di come sono progettati i veicoli a gas naturale.

BiogasIl gas naturale non è l'unica fonte di metano. Il metano può essere ottenuto anche dalla fermentazione di materia organica, come il letame, in bassi livelli di ossigeno. In tali condizioni, i batteri utilizzeranno i nutrienti nel letame come fonte di cibo e rilasceranno metano e anidride carbonica come prodotti di scarto. Questo metano, noto come biogas, può essere raccolto e utilizzato come fonte di combustibile.

>Progettazione di veicoli a gas naturale

I veicoli a gas naturale utilizzano gli stessi principi di base dei veicoli a benzina. In altre parole, il carburante (in questo caso il gas naturale) viene miscelato con l'aria nel cilindro di un motore a quattro tempi e quindi acceso da una candela per muovere un pistone su e giù. Sebbene ci siano alcune differenze tra gas naturale e benzina in termini di infiammabilità e temperature di accensione (vedi grafico sotto), gli stessi veicoli a metano operano sugli stessi concetti fondamentali dei veicoli a benzina.

Proprietà	Gas naturale	Benzina	Diesel
Limiti di infiammabilità (volume % nell'aria)	5-15	1.4-7.6	0,6-5,5
Autoaccensione Temperatura (^° F)	842	572	446
Picco di fiamma Temperatura (^° F)	3423	3591	3729

Tuttavia, sono necessarie alcune modifiche per far funzionare un NGV in modo efficiente. Queste modifiche riguardano principalmente il serbatoio del carburante, il motore e il telaio.

Stoccaggio carburante
La maggior parte dei veicoli a metano funziona utilizzando gas naturale compresso, quindi il carburante occupa meno spazio. In una stazione di rifornimento, il gas viene compresso a 3.000-3.600 libbre per pollice quadrato prima di essere pompato in cilindri ad alta pressione a forma di tubo che sono attaccati alla parte posteriore, superiore o sottocarro del veicolo. I serbatoi di stoccaggio dei primi NGV erano ingombranti e occupavano gran parte dello spazio di carico del veicolo, ma sono stati sviluppati cilindri più nuovi e più leggeri. Chiamati Integrated Storage Systems (ISS), questi cilindri interamente compositi sono contenuti all'interno di un guscio in fibra di vetro e schiuma che assorbe gli urti per proteggerli in caso di incidente. I cilindri hanno anche un diametro più piccolo in modo che tre di loro possano essere alloggiati insieme in una dimensione e una forma simili a un normale serbatoio di benzina.

Immagine per gentile concessione del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University

Modifiche al motore
Quando il motore di un NGV viene avviato, il gas naturale scorre dai cilindri di accumulo in una linea del carburante. Vicino al motore, il gas naturale entra in un regolatore per ridurre la pressione. Quindi il gas viene alimentato attraverso un sistema di iniezione di carburante gassoso multipunto, che introduce il carburante nei cilindri. Sensori e computer regolano la miscela aria-carburante in modo che quando una candela accende il gas, esso bruci in modo efficiente. Un motore a gas naturale include anche alluminio forgiato, pistoni ad alta compressione, sedi delle valvole di scarico temprate in nichel-tungsteno e un convertitore catalitico specifico per il metano.

Foto per gentile concessione del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University
Un motore a gas naturale installato

Modifiche al telaio
Potrebbero essere necessarie alcune modifiche alla sospensione di un NGV per creare spazio per i contenitori di stoccaggio del carburante. Nella parte posteriore del veicolo, una sospensione del braccio oscillante a volte sostituisce la sospensione del collegamento laterale che viene fornita di serie in molte auto a benzina. Questo crea più spazio aperto nel carro posteriore, ma garantisce comunque una guida fluida e confortevole. I NGV rimuovono anche la ruota di scorta e il martinetto, il che consente una pianta piatta. Gli pneumatici "run-flat", come gli pneumatici a mobilità estesa di Goodyear Tire, sono installati per compensare la mancanza della ruota di scorta e del martinetto.

Foto per gentile concessione del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University

Differenze nel rifornimento
Anche il rifornimento di un veicolo a gas naturale potrebbe essere leggermente diverso. Il punto di rifornimento è in genere nella parte anteriore del veicolo, sebbene in alcuni veicoli a metano, come la Honda Civic GX, il punto di rifornimento sia nella parte posteriore. Un NGV può essere alimentato a una pompa di "riempimento rapido" all'incirca nello stesso tempo necessario per alimentare qualsiasi veicolo a benzina o diesel. In alternativa, un NGV può essere rifornito in cinque o otto ore utilizzando un metodo di "rifornimento lento". Le stazioni di rifornimento domestiche offerte da Honda sono del tipo a riempimento lento, e richiedono ai proprietari di auto di fare rifornimento durante la notte.

Successivamente discuteremo quali vantaggi hanno i veicoli a gas naturale rispetto ai veicoli a benzina, nonché gli svantaggi.

>Vantaggi e svantaggi

Il più grande vantaggio dei veicoli a metano è che riducono le emissioni dannose per l'ambiente. i veicoli a gas naturale possono ottenere una riduzione fino al 93% delle emissioni di monossido di carbonio, una riduzione del 33% delle emissioni di vari ossidi di azoto e una riduzione del 50% degli idrocarburi reattivi rispetto ai veicoli a benzina. I NGV hanno anche un tasso di emissioni di particolato 10 (PM10) più elevato. Le particelle PM10 trasportano e depositano materiali tossici nell'aria. I veicoli a metano che operano in applicazioni diesel possono ridurre le emissioni di PM10 di un fattore 10.

I veicoli a metano offrono anche questi vantaggi:

Crea vs. Acquista I veicoli NGV possono essere costruiti da zero per includere i miglioramenti del design descritti sopra. Un veicolo a gas naturale nuovo di zecca costa da $ 4.000 a $ 8.000 in più rispetto a un veicolo a benzina comparabile. È anche possibile modificare i veicoli a benzina convenzionali per funzionare a gas naturale. Anche questo può essere costoso, con le modifiche che in genere costano da $ 3.000 a $ 5.000. I veicoli che funzionano esclusivamente a gas naturale sono noti come NGV "dedicati". I veicoli che possono funzionare sia a gas naturale che a benzina sono noti come veicoli "bi-fuel". Nei veicoli a doppia alimentazione, il conducente può passare in sicurezza da un carburante all'altro durante la guida.

I NGV sono più sicuri. I serbatoi di stoccaggio del carburante su un NGV sono più spessi e più resistenti dei serbatoi di benzina o diesel. Non c'è stata una rottura del serbatoio del carburante NGV in più di due anni negli Stati Uniti.
I costi del gas naturale sono inferiori a quelli della benzina. In media, il gas naturale costa un terzo in meno della benzina alla pompa.
Il gas naturale è conveniente e abbondante. Negli Stati Uniti esiste un'infrastruttura di gasdotti consolidata per fornire gas naturale a quasi tutte le aree urbane e alla maggior parte delle aree suburbane. Ci sono più di 1.300 stazioni di rifornimento di NGV negli Stati Uniti e ogni giorno ne vengono aggiunte altre.
I prezzi del gas naturale hanno mostrato una sostanziale stabilità rispetto ai prezzi del petrolio. Storicamente, i prezzi del gas naturale hanno mostrato una stabilità dei prezzi significativa rispetto ai prezzi dei combustibili derivati dal petrolio. Questa stabilità semplifica la pianificazione accurata dei costi a lungo termine.
I NGV hanno costi di manutenzione inferiori. Poiché il gas naturale brucia in modo così pulito, si traduce in una minore usura del motore e prolunga il tempo tra le messe a punto e i cambi dell'olio.

Svantaggi
Una delle maggiori lamentele sui veicoli a metano è che non sono spaziosi come le auto a benzina. Questo perché i veicoli a metano devono rinunciare allo spazio prezioso per il carico e il bagagliaio per ospitare le bombole di stoccaggio del carburante. Non solo, questi cilindri possono essere costosi da progettare e costruire, un fattore che contribuisce ai costi complessivi più elevati di un veicolo a gas naturale rispetto a un'auto a benzina.

Foto per gentile concessione del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University
Carro posteriore che mostra i cilindri del carburante

Un altro inconveniente è l'autonomia limitata dei veicoli a metano, che in genere è circa la metà di quella di un veicolo a benzina. Ad esempio, la Civic GX a gas naturale di Honda, la Civic GX, può arrivare fino a 220 miglia senza fare rifornimento. Una tipica Civic a benzina può percorrere circa 350 miglia senza fare rifornimento. Se un NGV dedicato finisse il carburante sulla strada, dovrebbe essere rimorchiato a casa del proprietario o in una stazione di rifornimento di gas naturale locale, che potrebbe essere più difficile da trovare di una stazione di servizio "normale".

Infine, va notato che il gas naturale, come la benzina, è un combustibile fossile e non può essere considerato una risorsa rinnovabile. Sebbene le riserve di gas naturale negli Stati Uniti siano ancora considerevoli, non sono inesauribili. Alcuni prevedono che ci siano riserve di gas naturale sufficienti per durare altri 67,1 anni, supponendo che il livello di produzione del 2003 continui.

Nonostante alcuni dei vantaggi offerti dai veicoli a metano, sono ancora relativamente rari. Secondo la Natural Gas Coalition, ci sono attualmente 130.000 NGV in circolazione negli Stati Uniti oggi e più di 2,5 milioni in tutto il mondo. Per mettere questo in prospettiva, si consideri che c'erano 142,5 milioni di veicoli immatricolati nel 2001, il che significa che i veicoli a gas superano di quasi 1.100 veicoli a metano uno negli Stati Uniti. Eppure più di 40 diversi produttori, tra cui Ford, General Motors, Toyota e Volvo, attualmente producono veicoli a metano.

Foto per gentile concessione di Honda
L'apparecchio per il rifornimento domestico di Phill

Due case automobilistiche all'avanguardia nella progettazione e ingegneria NGV sono Honda e DaimlerChrysler. Honda è il primo produttore a offrire un NGV al dettaglio:la berlina Honda Civic GX, che viene fornita anche con una stazione di rifornimento domestica che l'azienda ha soprannominato "Phill". Il Civic GX è un NGV dedicato, il che significa che può funzionare solo a gas naturale. DaimlerChrysler sta producendo una Mercedes di classe E che funziona sia a benzina che a gas naturale. Gli viene assegnata una classificazione di "NGT", che sta per "Natural Gas Technology", e può viaggiare per 621 miglia con un singolo rifornimento:186 miglia con gas naturale e 435 miglia con benzina.

Mentre veicoli come la Civic GX e l'E 200 NGT sono disponibili solo in mercati molto limitati (il primo in alcuni stati occidentali, il secondo in Europa), si prevede che i veicoli a metano diventeranno più ampiamente disponibili per i consumatori nei prossimi due decenni, in particolare poiché il prezzo del petrolio continua a salire. Quando ciò accadrà, essere verdi sarà un po' più facile.

Per maggiori informazioni sui veicoli a metano e argomenti correlati, consulta i link nella pagina successiva.

Flotte NGV Le flotte ad alta intensità di carburante che percorrono molte miglia ogni giorno utilizzano il gas naturale da anni. Ciò includerebbe flotte di taxi, autobus di transito e scuolabus, navette aeroportuali, veicoli da costruzione, camion della spazzatura, camion per le consegne e veicoli per lavori pubblici. Perché le flotte sono particolarmente adatte al gas naturale? In primo luogo, il maggior volume di veicoli rende più economico convertire i veicoli o acquistarli a titolo definitivo. Ma soprattutto, i veicoli della flotta sono sottoposti a manutenzione centralizzata, rendendo il processo di rifornimento comodo e affidabile.

Molti camion e autobus a lungo raggio funzionano con una diversa forma di gas naturale chiamato gas naturale liquefatto o GNL. Il GNL è prodotto refrigerando il gas naturale a -260°F, condensandolo in un liquido. La forma liquida è molto più densa e quindi ha più energia potenziale per la quantità di spazio che occupa. Ciò significa che è possibile immagazzinare più energia nella stessa quantità di spazio su un'auto o un camion.

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GrazieGrazie a Jeff Beckman per la sua assistenza con questo articolo.