جایگاه سوخت CNG و ساختار آن
گاز طبیعی فشرده یا (CNG (Compressed natural gas سوختی است که عمدتا به عنوان جایگزین برای بنزین و گازوئیل به کار میرود. این سوخت از بنزین و گازوئیل آلایندگی کمتری دارد و در حالت نشت نیز از آنها خطر کمتری دارد. زیرا گاز از هوا سبکتر بوده و به سرعت پراکنده میشود.
CNG با فشرده سازی گاز طبیعی تا اندازهای که حجمی که اشغال میکند به یک درصد حالت اولیه برسد، بدست می‌آید. گاز طبیعی عمدتا از متان تشکیل شده از چاه گاز یا فرآوری زباله ( بیوگاز) بدست می‌آید. این گاز در خودروهای پایه گاز سوز به عنوان سوخت اصلی و در خودروهای دوگانه سوز پایه بنزینی به عنوان سوخت جایگزین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در سال 2013 بیش از 18 میلیون خودرو CNG در دنیا فعال بوده‌اند. که بیشترین سهم از این خودروها مربوط به ایران بوده است. ایران بزرگترین ناوگان خودروهای گاز سوز جهان را با 5/3 میلیون خودرو در اختیار دارد. بعد از ایران پاکستان و آرژانتین با بیش از 2 میلیون خودرو در رتبه بعدی ناوگان CNG دنیا قرار دارند.
اگر بخواهیم مزایا و معایب جایگاه سوخت را به صورت کلی بررسی کنیم؛ آلایندگی گاز طبیعی از بنزین و گازوئیل کمتر است، در ایران گاز طبیعی به وفور و با قیمت مناسب در دسترس است. در مقابل هزینه احداث جایگاه CNG به نسبت جایگاه بنزین و گازوئیل بالاتر است. از طرف دیگر کاهش پیمایش خودرو، افزایش استهلاک خودرو، نیاز به تقویت شاسی و سیستم خنک کاری خودرو، از معایب این سوخت می‌باشد. لازم به ذکر است گاز طبیعی چگالی انرژی پایینی دارد و در حجم مساوی یک چهارم گازوئیل انرژی تولید میکند.
برخلاف جایگاههای سوخت بنزین یا دیزل، جایگاههای CNG، گوناگونی‌های زیادی در اندازه و ظرفیت سیستم توزیع سوخت دارند. احداث و بهره برداری جایگاه سوخت CNG به سادگی جایگاه سوخت بنزین و گازوئیل نیست. برای احداث جایگاه CNG برای عرضه خرده فروشی یا ناوگانی گاز طبیعی لازم است تا محاسبات دقیق و صحیح و ترکیبی انجام گیرد. این محاسبات برای تعیین فشار و نحوه و مقدار ذخیره گاز مورد نیاز با در نظر گرفتن نوع وسایل نقلیه متقاضی سوخت، انجام می‌گیرد.
اگر محاسبات مذکور به صورت صحیح و دقیق انجام پذیرد، نوع و ظرفیت کمپرسور و مقدار ظرفیت مخزن به درستی انتخاب خواهد شد. انتخاب صحیح مخزن و کمپرسور نیز در هزینه سوخت و تعداد خودروهایی که میتوانند در جایگاه سوخت گیری کنند تاثیر گذار است.
برای احداث جایگاه سوخت دو نوع زیر ساخت وجود دارد: 1.سوخت گیری زماندار 2.سوختگیری سریع. تفاوت اصلی این دو نوع ساختار در مقدار ظرفیت سوخت ذخیره شده در دسترس و اندازهی کمپرسور است. این دو متغیر در مقدار سوختی که انتقال مییابد و مدت زمان سوختگیری تاثیر گذار است. اکثر جایگاههای سوخت CNG یکی از ساختار را اجرا میکنند، با این حال جایگاه‌هایی هستند که هر دو ساختار به صورت ترکیبی به کار گیرند.
سوخت گیری سریع
معمولا جایگاههای سوخت پر سرعت برای محلهایی که وسایل نقلیه به صورت تصادفی برای سوختگیری مراجعه میکنند و سوخت گیری سریع برای آنها در اولویت است، مناسب هستند. لذا تمام جایگاههای CNG عمومی حتما این ساختار را دارند. لازم به ذکر است دیسپنسر CNG میتواند در کنار دیسپنسر بنزین و یا دیگر سوختها قرار گیرد.
برای یک جایگاه سوخت که خودروهای سبک در آن سوختگیری میکنند، فضای مورد نیاز برای جایگیری تجهیزات در اندازه یک پارکینگ در نظر گرفته میشود. ایستگاههای سوخت گیری سریع گاز را از خط اصلی در فشار کم میگیرند. سپس در جایگاه از یک کمپرسور برای فشرده کردن آن و افزایش فشار استفاده میکنند. پس از فشرده سازی، گاز درون انشعابات مخازن ذخیره میشود. به این صورت گاز طبیعی فشرده برای سوختگیری سریع در دسترس است.
متقاضیان سوختی که در جایگاهای CNG از نوع سوختگیری سریع اقدام به سوخت گیری میکنند؛ از لحاظ مدت زمان سوختگیری تجربه‌ای مانند سوختگیری در جایگاههای معمول بنزین و گازوئیل دارند. بنابراین برای پرکردن مخزن CNG یک خودرو در جایگاه سوختگیری سریع کمتر از 5 دقیقه که زمان لازم برای پر کردن باک 20 گالنی است، طول می‌کشد. این زمان برای خودروهای سنگین و اتوبوسها دو برابر است.
گاز طبیعی فشرده شده در جایگاه سوخت گیری سریع با فشار بالا (psi 4300) در انشعابات مخزن ذخیره شده است. لذا دیسپنسر میتواند سریعا گاز را به خودرو متقاضی عرضه کند. دیسپنسر برای محاسبه فشار و مقدار گاز عرضه شده به صورت معادل با گالن یا لیتر بنزین ( با در نظر گرفتن دما) از سنسور استفاده میکند.
سوخت گیری زماندار
این نوع از جایگاهها در درجه اول برای سوخت گیری ناوگانها مورد استفاده قرار میگیرند. بهترین عملکرد جایگاه زماندار برای خودروهایی با مخزن بزرگ است که هرشب در مکانی مشخص سوخت گیری میکنند. در این جایگاهها نیز گاز طبیعی با فشار کم از خط اصلی به کمپرسور منتقل میشود.
تفاوت این جایگاهها با جایگاههای سریع در این است که در این جایگاهها برخلاف جایگاههای سریع، گاز بعد از کمپرسور در مخازن فشار بالا ذخیره نمیشود. بلکه به صورت مستقیم از کمپرسور به خودروی متقاضی عرضه میشود. اندازه کمپرسور مورد نیاز بستگی به اندازهی خودروهای ناوگان مورد نظر دارد.
لازم به ذکر است در این مدل هم یک مخزن میانی کوچک وجود دارد. اما وظیفه آن عرضه سوخت به خودروها نیست. هدف از استفاده این مخزن جلوگیری از روشن و خاموش شدنهای بی مورد و پی در پی کمپرسور است. که باعث بالا رفتن مصرف برق، سایش و استهلاک و کوتاه شدن عمر کمپرسور میشود. البته در بعضی موارد در این روش نیز از مخزن ذخیره برای کامل کردن فرآیند سوخت گیری خودروهای سنگین در زمانی که بار جایگاه زیاد است (در طول روز) استفاده میشود.
مدت زمان سوختگیری در این جایگاهها به تعداد خودروهایی که در حال سوخت گیری هستند، اندازهی کمپرسور و مقدار ظرفیت مخزن میانی (بافر) بستگی دارد. لذا فرآیند سوخت گیری ممکن است از چند دقیقه تا چند ساعت زمان ببرد.
یکی از مزیتهای این نوع جایگاههای CNG این است که دما در هنگام بارگیری و فشرده سازی گاز درون مخزن خودرو کمتر بالا میرود. لذا مخزن میتواند مقدار گاز بیشتری در خود جای دهد وکاملتر پر شود. دیگر مزیت این روش این است که مدیر ناوگان میتواند زمان بارگیری خودروهایش را در زمانی انجام دهد که بار کاری جایگاه کم است (مثلا شبها). بدین صورت سوخت گیری خودروها در زمان کمتری انجام میپذیرد.
به طور کلی ساختار و معماری یک جایگاه سوخت CNG از نوع زمانداز بستگی به خودروهای ناوگانی دارد که میخواهند در آنجا سوخت گیری کنند. برای مثال سوخت گیری اتوبوسها نیاز به کمپرسور بزرگتری دارد که بتواند در هر دقیقه معادل 8 تا 9 گالن سوخت عرضه کند. در حالی که کامیونهای جمع آوری زباله میتوانند با کمپرسور کوچکتری که معادل 3 گالن سوخت در دقیقه عرضه میکند، سوخت گیری کنند. برای بعضی از ناوگانها شدت سوختگیری تا نصف گالن در ساعت نیز کافی است. این اختلاف در اندازهی سیستم این نوع جایگاه سوخت CNG باعث میشود که هزینهی احداث آن بسیار متفاوت باشد.
سوخت گیری به صورت ترکیبی
جایگاههای سوخت ترکیبی شامل تجهیزات هر دون نوع جایگاه سوخت گیری سریع و زماندار در یک سیستم میشوند. خودروهای متقاضی سوخت میتوانند به قسمت سوخت گیری سریع متصل شوند و از طریق انشعابات مخزن ذخیره سازی سوخت گیری شوند. یا در قسمت سوختگیری زماندار به صورت مستقیم از کمپرسور سوخت گیری میشوند.
در واقع خودرو پس از ورود به جایگاه با توجه به نیازاش یکی از دو بخش سوخت گیری سریع و زماندار را انتخاب میکند. البته باید در نظر داشت هزینه احداث و بهره‌برداری جایگاه سوخت ترکیبی از دو نوع جایگاه دیگر بیشتر است. اما اگر قسمت سوخت گیری سریع آن در اختیار عموم قرار داشته باشد میتواند منبع درآمد خوبی باشد.
پرکردن مخزن CNG ، فرآیندی تاثیرپذیر
برخلاف سوختهای مایع که در طیف گستردهای از دما حجم یکسانی دارند. گاز طبیعی فشرده شده یا CNG به طور قابل توجهی با تغییر دما تغییر حجم داده و منقبض و منبسط میشود. به عبارن دیگر گرما باعث میشود مولکولهای گاز جنبش بیشتری داشته باشند و گاز منبسط شود، بالعکس سرما باعث میشود مولکولهای گاز متراکم شوند.
در دما و فشار استاندارد صنعت، یک مخزن CNG معمولا معادل 20 گالن بنزین گنجایش دارد. اما برای مثال در یک روز گرم تابستانی، مولکولهای CNG منبسط خواهند شد. لذا تنها میتوانند تا 75% ظرفیت مخزن در حالت سرد را پر کنند.
تجهیزات سوخت گیری با استفاده از دیسپنسرهای سوخت گیری سریعی که به تنظیم کننده دما مجهز شده‌اند، بهینه میشوند. این تنظیم کننده‌های هوا کمک میکنند تا دما در حالت استاندارد خود حفظ شود. بنابراین خودروها میتوانند تا حداکثر ظرفیت مخزن خود سوخت گیری کنند.
مقدار CNG که میتواند در مخزن خودروها ذخیره شود از عامل‌های گوناگونی تاثیر پذیر است که در زیر مشاهده می‌کنیم:
نرخ سوخت گیری:
اگر نرخ سوخت گیری افزایش یابد، دمای مولکولهای سوخت به طرز چشمگیری افزایش مییابد. زمانی که سوخت گرم میشود، منبسط شده و تراکم مولکولهای آن کاهش مییابد. لذا زمانی که سوخت به فشار استاندارد میرسد به ازای یک حجم مشخص انرژی کمتری میتواند تولید کند. زیرا مولکولهای گازی کمتری در آن حجم وجود دارند.
بنابراین در روش سوختگیری زماندار که با سرعت کمتری انجام میپذیرد، میتوان مخزن را به نسبت روش سریع، کاملتر پر کرد. این روش به مولکولهای CNG اجازه را میدهد تا بر خلاف جنبش زیاد ناشی از گرم و فشرده شدن، متراکم باقی بمانند.
دمای محیط:
دمای محیط بیرون نیز بر دمای CNG تاثیرگذار است. در زمانی که دمای محیط بالا است، مولکولهای CNG کمتر متراکم شده‌اند. لذا در مقایسه با حالت دمای پایین، در حجم مساوی انرژی کمتری تولید میکند. بنابراین مولکولهای CNG که در مخازنی که در محیط گرم قرار دارند ذخیره شده‌اند، انرژی کمتری در واحد حجم نسبت به CNG ذخیره شده در مخازنی که در هوای سرد قرار دارند تولید میکنند.
نرخ فشار :
به طور معمول فشار استاندارد برای سیستم سوخت گیری CNG، psi 3600 است. در بعضی از جایگاهها برای ضریب ایمنی بیشتر اسن فشار تا psi3000 هم میرسد.این فشار با فرض دمای 70 درجه فارنهایت برای محیط، در نظر گرفته شده است.
مخازن سوخت CNG طوری طراحی شده‌اند تا 125% فشار عملکردی خود را بتوانند تحمل کنند. لذا مخزن psi 3000 میتواند تا psi 3750 و مخزن psi 3600 تا psi 4500 را بارگیری شود. این ویژگی به مخزن اجازه میدهد که در روزهای گرم که دمای سوخت ناشی از فشرده سازی و گرمای محیط بالا میرود و منبسط میشود نیز بتوان عملیات سوختگیری را انجام داد. به صورت کلی میتوان گفت به ازای 10 درجه فارنهایت افزایش یا کاهش دما از 70 درجه، فشار psi100 افزایش یا کاهش مییابد.
انوع مخزن CNG :
به طور کلی چهار نوع مخزن داریم. تفاوت این مخزن‌ها در طراحی، روش ساخت و جنس است. جنس مخزن تعیین کننده دما و مقدار سوختی است که میتواند در مخزن ذخیره شود. برای مثال مخازن فیبر کربن در مقایسه با مخازن فولادی گرمای بیشتری در خود ذخیره میکند. لذا به علت منبسط شدن مولکولهای CNG در شرایط قرارگیری در هوای گرم، ظرفیت این مخازن کاهش مییابد.
مراحل پر شدن مخزن سوختگیری سریع CNG
در این قسمت مراحل پر شدن مخزن خودرو در جایگاه از نوع سوخت گیری سریع به صورت مرحله به مرحله توضیح داده میشود.
1. گاز به سرعت سرد میشود؛ CNG به سرعت از دیسپنسر (فشار بالا) به مخزن سوخت خودرو (فشار پایین) حرکت میکند. گاز به علت انبساط شدید سریعا سرد میشود. قانون ژول-تامسون در این حالت قابل مشاهده است.
2. فشار بالا میرود، دما افزایش مییابد؛ با ورود بیشتر گاز به مخزن، فشار آن افزایش مییابد و بدین ترتیب دمای داخلی مخزن بالا میرود. گرمایی که طی این فرآیند تولید میشود گرمای بازتراکم نامیده میشود. با اینکه دما درون مخزن افزایش مییابد، نازل همچنان طبق قانون ژول-تامسون سرد است.
3. گاز گرم میشود؛ از آنجا که مخزن با سرعت زیادی پر میشود، گرمای ایجاد شده در مخزن زمان کافی برای انتقال به محیط اطراف از طریق دیواره مخزن را ندارد. با گرمتر شدن گاز،مولکولها با سرعت و فرکانس بیشتری به یکدیگر و دیواره مخزن برخورد کرده و فشار مخزن افزایش مییابد. بنابراین در یک روز گرم که مولکولهای گاز سریعتر حرکت میکنند تعداد کمتری از آنها در مخزن جای می‌گیرد.
4. مخزن همچنان پر میشود؛ برخلاف سوختهای مایع که نازل زمانی جریان را قطع میکند که سطح مایع درون مخزن خودرو بالا بیاید. نازل و دیسپنسر CNG زمانی جریان را قطع میکنند که مخزن به فشار مطلوب برسد. فشاری که مطلوب با توجه به عوامل گوناگونی تعیین میشود. از جمله آن میتوان به دما و مقدار فشاری که مخزن در صورت افزایش دما میتواند تحمل کند، اشاره کرد.
5. دیسپنسر خاموش میشود، اپراتور قطع میشود؛ معمولا دیسپنسر جریان را زمانی که فشار مخزن به psi 4100 میرسد قطع میکند. عموما در این حالت مخزن معادل 15.5 گالن بنزین پر شده است. به دلیل گرم شدن گاز درون مخزن و اشغال حجم بیشتر، مخزن نمی‌تواند بیتر از این مقدار سوخت گیری شود.
6. سرد شدن گاز تا دمای محیط؛ داخل مخزن پس از پایان عملیات سوختگیری سرد شده و به دمای محیط میرسد و سرعت حرکت مولکولهای گاز کاهش مییابد. فشار گاز مخزن به psi 3600 میرسد. اگر دمای محیط بالا یا پایین برود، فشار مخزن نیز به همین نسبت افزایش و کاهش مییابد. مخزن طوری طراحی شده که بتواند در مقابل این نوسان فشار مقاوم باشد.
در قسمت بعدی مقاله انواع تجهیزات به کار رفته در جایگاه CNG را اعم از درایر، فیلتر، جداساز هوا، دیسپنسر و کمپرسور بررسی خواهیم کرد.
اثر ژول – تامسون: در ترمودینامیک به تغییرات دمای ایجاد شده در اثر تغییرات فشار در آنتالپی ثابت نسبت داده میشود، که بیانگر تغییرات ترمودینامیکی در گاز یا مایع، هنگام عبور از یک ولو یا دریچه متخلخل می‌باشد. به مقدار نسبت این تغییرات نیز ضریب ژول- تامسون گویند.
