Gas Naturale per i trasporti

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Gas Naturale per i trasporti2014-04-11T14:50:21+00:00

01. Introduzione
02. Vantaggi ambientali
03. Impieghi
04. Disponibilità
05. Mercato
06. Filiera
07. Rete
08. Veicoli
09. Vantaggi
10. Quadro del sistema applicativo del CNG

01. Introduzione

Il gas naturale è una miscela gassosa composta essenzialmente da metano e, in quantità molto minore, da altri idrocarburi. Nella miscela possono essere presenti piccole quantità di gas inerti come l’azoto e l’anidride carbonica. Si estrae da giacimenti nel sottosuolo a varie profondità (anche diverse migliaia di metri), dove è presente da solo o con altri idrocarburi, dai quali è separato all’estrazione. Se necessario, viene filtrato, e poi immesso nella rete dei gasdotti, pronto all’impiego, senza altri trattamenti. Il suo peso specifico, secondo la provenienza, varia nel campo: ~0,7÷0,8 kg/Nm3. Il peso specifico dell’aria è di circa 1,3 kg/Nm3, quindi il gas naturale è molto più leggero dell’aria, e ciò è un vantaggio, perché in caso di fughe esso si dissipa facilmente negli strati superiori dell’atmosfera, senza provocare ristagni al suolo. Il potere calorifico del gas naturale, rapportato a metro cubo gassoso, varia nel campo: 33-38 MJ, il valore medio è quindi circa 36 MJ/Nm3.

Caratteristiche chimiche e fisiche principali del metano

 caratteristiche
formula
CH4
Emissioni teoriche CO2  kg/kg
2,75
Emissioni teoriche CO2  g/MJ
55,0
Emissioni teoriche CO2 g/kWh
198,0
densità Kg/Nm3 allo stato gassoso
0,71÷0,85
densità Kg/l allo stato liquido
0,41(GNL)
Pci MJ/Nm3 allo stato gassoso (*)
33÷38(media: 36)
Pci MJ/l allo stato liquido
21,1 (GNL)
Pci MJ/kg (medio)
50
T ebollizione a pressione atmosferica °C
-162
Temperatura autoaccensione °C (**)
650
Aria teorica di combustione kg aria / kg carburante
17,2
Limiti di accensione in aria % in vol. di gas, a pressione atmosferica (inferiore÷superiore)
5÷15
RON (research octane number)
133
(*) 1 MJ = ~239 Kcal; 1Kcal = ~0,004 MJ; 1 MJ = ~0,278 kW; 1 kW = ~3,598 MJ;      (**) a pressione atmosferica

Le prime applicazioni del gas naturale nel settore dell’auto risalgono agli anni trenta del secolo scorso. Fu impiegato allora per poter mettere a profitto l’unica fonte energetica di origine fossile che fosse disponibile sul territorio nazionale con una relativa abbondanza, da usare per case e industrie, ma anche per i veicoli. Esso consentiva al paese una qualche autosufficienza, di particolare importanza nella seria situazione politica di allora.

02. Vantaggi ambientali

I trasporti contribuiscono all’inquinamento di origine antropica globalmente per circa il 60%. Nei paesi industrializzati, i trasporti pesano per il 60% sui consumi di petrolio. I combustibili attualmente utilizzati per autotrazione sono per il 99% derivati del petrolio. Nel tempo si è assistito ad una crescita continua di attenzione per il contenimento delle emissioni dei veicoli, che oggi determina un grande interesse per il gas naturale anche nel settore dell’autotrazione (CNG, Compressed Natural Gas). Tra tutti i combustibili non derivati dal petrolio, il CNG è quello che raccoglie in sè la migliore combinazione delle caratteristiche che ne possono fare un’alternativa concreta ai carburanti tradizionali. La combustione del CNG può consentire una forte riduzione delle emissioni inquinanti, sia quelle dannose per il clima, sia quelle pericolose per la salute umana. Se paragonato ad un veicolo a benzina, un veicolo a CNG può consentire una riduzione delle emissioni di anidride carbonica fino al 20-25%; nel confronto col veicolo a gasolio, può ridurre quasi a zero le emissioni di particolato, anche sottile; e può ridurre fino al 90% le emissioni di NOx, sostanze dannose per l’apparato respiratorio e con un elevato effetto serra (in particolare l’NO2). Nei fumi dei motori a CNG è particolarmente basso il contenuto di altri inquinanti pericolosi, come ad esempio gli aromatici. Il gas naturale, quando non è utilizzato in forma liquida (GNL) non necessita del trasporto con autocisterne, a differenza degli altri combustibili, e perciò non incrementa il traffico di superficie, contribuendo a diminuire anche il rischio di incidenti stradali e l’inquinamento indotto dal traffico pesante. Il metano, nel caso del biogas (bio-metano), può anche essere prodotto agevolmente con processi biochimici di trattamento di prodotti vegetali, oppure di sostanze di rifiuto, solide o liquide, con interessanti benefici per l’ambiente in termini locali e globali; e la caratteristica di divenire in questo caso una fonte rinnovabile.

Il biometano prodotto da vegetali coltivati consegue un bilancio del carbonio molto favorevole per l’ambiente. Se prodotto con sostanze di scarto (es. liquami, RSU, scarti di lavorazione agricola) esso può dare addirittura un bilancio del carbonio negativo, cioè sottrae gas serra dall’ambiente, in quanto, oltre a ridurre l’impiego di fonti energetiche fossili, elimina dal bilancio le emissioni inquinanti dovute ai naturali processi di decomposizione dei rifiuti biologici.

03. Impieghi

Finora il gas naturale in autotrazione (NGV, natural gas vehicles), è stato usato in prevalenza allo stato di gas. Per l’immagazzinamento del CNG si ricorre all’elevata pressione di 200 bar, in modo da concentrare una sufficiente quantità d’energia nel serbatoio. Una bombola tradizionale in acciaio (tipo 1) per CNG ha un peso intorno a 0,9 kg/litro di capacità geometrica. Con le bombole in composito, secondo il tipo (tipo 2-3 e 4), si scende a valori intorno a 0,6 kg/litro, e fino a 0,5÷0,4 kg/litro.

Per i motori bi-fuel benzina/CNG (molti veicoli a CNG sono bi-fuel) non ci sono differenze rimarchevoli nel rendimento del motore tra la marcia a CNG e la marcia a benzina. Ma il CNG tende ad avvantaggiarsi, per via del suo più elevato potere indetonante rispetto alla benzina, che consente di progettare motori a più alto rapporto di compressione, e quindi maggior rendimento termodinamico. Questa caratteristica può essere sfruttata bene dai motori dedicati, ottimizzati per il CNG, e dai motori bi-fuel benzina/CNG sovralimentati. La sovralimentazione permette di far funzionare il motore con il miglior rapporto di compressione possibile, sia in funzionamento a benzina che in funzionamento a CNG, grazie alla possibilità di intercambio tra due diverse curve di funzionamento della turbina di sovralimentazione.

Oggi tende a farsi strada anche la soluzione del GNL (gas naturale liquido), nella quale il gas naturale è gestito in forma di liquido, in una gamma di temperature e pressioni che spazia tra -160°C, 1 bar, e -110°C, 20 bar (valori arrotondati, pressioni relative).

04. Disponibilità

Il gas naturale è una forma di energia abbondante in natura, ed è resa disponibile da un ampio novero di fonti di approvvigionamento, che risultano distribuite nel mondo in modo più omogeneo rispetto alle fonti del petrolio. Le riserve mondiali di gas naturale sono analoghe in termini quantitativi a quelle del petrolio. Forse sono addirittura molto più grandi, se si tiene conto delle fonti non tradizionali, come per esempio i giacimenti di shale gas o coal bed gas, e se è vero che i fondi oceanici sono ricchi di idrati di metano (clatrati). Le riserve mondiali stimate di gas naturale nel 2013 ammontano a 200.741 miliardi di Nm3, (164.608 milioni di TEP).

Riserve di gas naturale al 2013 (fonte: ENI – World Oil and Gas Review 2013)

Paese
Riserve di gas
miliardi di metri cubi
TEP
Europa
5.667
4.647
Russia e Asia centrale
63.930
52.423
Medio Oriente
80.625
66.113
Africa
14.637
12.002
Asia – Pacifico
17.074
14.001
Nord America
10.994
9.015
Sud America
7.814
6.407
Mondo
b>200.741
164.608

05. Mercato

Negli ultimi 20 anni il settore NGV è cresciuto costantemente a livello mondiale. Oggi conta oltre 19 milioni di veicoli, con oltre 25.000 distributori di CNG. Almeno 80 paesi hanno un mercato NGV, sviluppato soprattutto in Sud America ed Asia. L’Italia ha il maggior mercato NGV in Europa, e nel mondo è al 7° posto. Il divario del prezzo alla pompa tra CNG e carburante liquido è la molla quasi universalmente impiegata per consentire a questo mercato di sviluppare il suo potenziale. I prezzi alla pompa del CNG nei vari paesi del mondo sono in genere liberi, come i prezzi di tutti gli altri carburanti; e sono diversi per i vari paesi, come diversi sono i prezzi dei carburanti liquidi. Come avviene in Italia e in Europa anche a livello mondiale in genere il differenziale di prezzo alla pompa tra CNG e benzina o gasolio consente un vantaggio economico per l’utilizzatore finale. Sullo scenario mondiale, negli anni i costruttori italiani di impianti e componenti hanno fatto scuola in molti paesi. Quasi tutti i paesi europei hanno un mercato NGV, in genere ancora piccolo. Il parco europeo NGV è oggi di circa 1,3 milioni di veicoli, (~0,4% del circolante). Essi sono serviti da circa 3.000 distributori di metano e bio-metano, che dispongono al loro interno di compressori delle taglie più varie, con una potenzialità di compressione che va da 100 Sm3/h a oltre 2.000 Sm3/h. In Europa si stima un consumo di CNG tra 1,5 e 2 miliardi di Sm3/anno. In Germania, il secondo mercato NGV europeo, ci sono circa 90.000 veicoli a CNG.

In Italia, mentre i prezzi alla pompa dei carburanti liquidi sono espressi in €/litro, Il prezzo alla pompa del CNG è in €/kg. In termini energetici, un chilo di CNG vale circa quanto 2 litri di GPL, 1,5 litri di benzina, e 1,4 litri di gasolio (se si trascura la differenza di rendimento tra il motore Diesel e il motore a scoppio, che tende ad abbassare il rapporto ). Il risparmio economico che si può conseguire con un NGV è indispensabile per consentire lo sviluppo del settore. In questo modo, il costo della trasformazione o il differenziale di prezzo tra un’auto a benzina e un’auto a CNG può essere ripagato in tempi accettabili: ad esempio, un costo di trasformazione di 2.000 € si ripaga in circa 2 anni se si percorrono 15.000 km/anno.

06. Filiera

Il settore NGV italiano vanta una lunga e finora ineguagliata tradizione di esperienza e conseguente leadership tecnologica a livello mondiale. Questo settore si impernia in Italia su un novero di operatori dall’approccio dinamico ed innovativo, che grazie alla loro sfera di attività concretizzata a livello globale, hanno esportato questa tecnologia in tutto il mondo, promuovendone lo sviluppo. In alcune aree geopolitiche la conseguente crescita di questo settore è stata addirittura più marcata e sostenuta rispetto al quadro italiano ed europeo.

Composizione e dimensioni del settore NGV italiano (2013)

Maestranze coinvolte – impiegati nei vari segmenti del settore
~20.000
Vendite annuali di CNG – milioni di Sm3
~960
Distributori stradali di CNG (compresi L-CNG)
~1.000
Distributori autostradali di CNG
~30
Distributori privati per flotte (mezzi pubblici/auto aziendali ecc)
~50
Officine di trasformazione; assistenza; intercambio bombole per ricollaudo
~5.000
Veicoli leggeri a CNG (auto private, taxi, furgoni ecc)
~880.000
Veicoli pesanti a CNG (bus, autocarri, compattatori raccolta RSU ecc)
~3.000
Costruttori (PMI)
~50
Giro d’affari nel segmento commerciale e industriale (milioni di €)
~1.700

07. Rete

La rete distributiva italiana del CNG è stata finora in crescita costante, al ritmo di una cinquantina di nuovi punti vendita all’anno, e oggi conta oltre 1.000 distributori pubblici. Il venduto medio di CNG di ogni punto vendita è vicino al milione di m3/anno. I distributori di costruzione meno recente tendono a vendere di più dei nuovi, che devono ancora raggiungere il regime ottimale. I distributori mono-carburante della prima generazione, hanno in genere compressori potenti, (1.000 – 2.000 Sm3/h) e un maggior numero di colonnine, in grado di erogare quantitativi orari di CNG maggiori. Il settore NGV sta progressivamente “colonizzando” aree sempre più vaste, in zone del territorio nazionale che un tempo erano meno servite. Nelle nuove aree di diffusione, la messa a regime di un nuovo impianto tende a richiedere tempi più lunghi, ed investimenti particolarmente oculati. Anche per questo ormai si preferisce in genere realizzare soltanto distributori multi-carburante, con compressori di taglia medio-piccola (es. 300-400 Sm3/h) minimizzando investimento iniziale e costi operativi. Nella maggior parte dei casi non si parla di costruire un nuovo distributore di CNG, ma di inserire un punto vendita di CNG entro un distributore di benzina e gasolio, preesistente o nuovo. Le soluzioni modulari, e le nuove configurazioni impiantistiche offerte dai costruttori, consentono un avvio meno oneroso, con la possibilità in seguito di adeguarsi alla crescita del proprio mercato locale aggiungendo nuovi moduli di compressione, per i quali l’impianto è predisposto all’origine, oppure adeguando l’impianto stesso, in particolare il compressore ed il suo motore, con modifiche di ridotta entità. Realizzare un distributore di CNG costa più del doppio rispetto ai carburanti liquidi. L’allacciamento alla rete dei metanodotti ha un costo, proporzionale alla distanza, che oltre un certo limite diventa gravoso. Per questo motivo hanno fatto la loro comparsa negli ultimi anni, e si stanno oggi diffondendo, soluzioni del tipo L-CNG. Si tratta d’impianti che non sono allacciati alla rete dei gasdotti. Ricevono GNL che viene immagazzinato in serbatoi criogenici di alcune decine di metri cubi di capacità geometrica. Dal serbatoio il GNL è prelevato e portato ad alla pressione di 200 bar da pompe criogeniche. Il liquido ad alta pressione viene poi vaporizzato e trasformato in CNG da scambiatori di calore che sfruttano il calore dell’aria ambiente. Con questa soluzione si ottiene anche un risparmio di energia meccanica di compressione.

La rete europea è costituita in prevalenza da distributori di piccola taglia (100 – 200 Nm3/h) che sono meno costosi e più veloci da ammortizzare. La Germania ha circa 900 distributori, in genere di dimensioni contenute. Con la Germania, anche Austria, Francia, Russia, Svezia, Svizzera e Ucraina hanno superato la soglia dei 150-200 distributori.

08. Veicoli

Nel 2013 l’immatricolato a CNG ha raggiunto quota 75.156 unità con una crescita di oltre il 26% rispetto al 2012. Le nuove immatricolazioni di modelli a metano hanno rappresentato:

  • il 2,2% del mercato nel 2011,
  • il 3,8% nel 2012,
  • il 5,2% nel 2013.

Il parco nazionale di NGV è di circa 880.000 unità, per un consumo stimato globale di circa 960 milioni di Sm3/anno. Il parco totale di veicoli in Italia è di circa 40,7 milioni, quindi la copertura globale degli NGV è intorno al 2%. Sul mercato italiano ci sono almeno venti modelli a CNG, offerti in varie versioni. Quasi tutti i modelli a CNG sono OEM, cioè progettati e realizzati in fabbrica direttamente a metano.

09. Vantaggi

  • Ridotto impatto ambientale, in termini di emissioni regolamentate, emissioni non regolamentate, ed emissioni di GHG, durante la combustione;
  • Valenza strategica del gas naturale come fattore di diversificazione delle fonti energetiche;
  • Preparazione del campo per il futuro sviluppo del biometano, carburante con gli stessi pregi del gas naturale che in più è rinnovabile; lo stesso vale per l’idrogeno, con un orizzonte temporale molto più lontano.
  • Il gas naturale è trasportato in condotte sotterranee robuste e ben protette, che non hanno nessun impatto sul traffico stradale, e quasi nessun impatto architettonico.
  • Il gas naturale non deve essere immagazzinato in grandi quantità dal distributore di CNG che lo acquista dalla società distributrice. Nel distributore, bastano poche bombole, per smorzare le pulsazioni create nel gas dai pistoni dei compressori, e per ottimizzare il diagramma di carico di questi ultimi al variare del flusso di veicoli da rifornire. Si tratta sempre di una quantità limitata di energia immagazzinata.
  • Non deve essere pagato prima dell’acquisizione.
  • Il gas naturale viene compresso e rivenduto al dettaglio (al cliente automobilista), immediatamente dopo aver raggiunto attraverso la tubazione il distributore, che in tal modo incassa subito i proventi di un prodotto che a sua volta pagherà al fornitore (la società del gas) parecchio tempo dopo la sua vendita al dettaglio. Per i carburanti liquidi ci sono più o meno lunghe permanenze del prodotto in cisterna in attesa della vendita al dettaglio.
  • I mezzi a CNG sono spesso esentati dai provvedimenti di blocco del traffico privato nei periodi di superamento dei valori di soglia degli inquinanti in atmosfera.
  • In alcune regioni i mezzi a CNG godono di esenzione totale o parziale del bollo.
  • Il metano è più leggero dell’aria (pesa poco più della metà). E nel caso di una potenziale fuga dall’impianto di bordo di un veicolo il gas si dissiperà facilmente nell’atmosfera attraverso il sistema di ventilazione della rimessa; anche un sistema di ventilazione naturale può essere sufficiente.

10. Quadro del sistema applicativo del CNG

Componente/aspetto della catena d’uso
 
Sistemi di produzione Estrazione dal giacimento (pozzo) su terraferma o in mare aperto.
Trasporto/distribuzione Metanodotto; centrali di “spinta” lungo la linea (ogni 150 – 200 km).
Stoccaggio nell’impianto del distributore Gruppi di bombole a diversi livelli di pressione; entità di solito limitata, (<3.000 Nm3); spesso è ancora meno (es. 300 Nm3); serve anche per smorzamento pulsazioni di pressione.
Sistema di spinta del carburante nel distributore Compressore per gas, di tipo alternativo multistadio, o oleodinamico; pressione di mandata: 250 bar.
Sistema di erogazione Erogatore mono-prodotto o multi-prodotto in fase gassosa.
Sistema prevalente di misura all’erogatore Misura elettronica di massa.
Connettore di rifornimento L’Italia ha un suo connettore tradizionale; i paesi dell’UE usano il connettore ISO 14469-1 (mezzi leggeri) e ISO 14469-2 (mezzi pesanti).
Sistema di stoccaggio a bordo del veicolo Gas a 200 bar.
Serbatoio di stoccaggio a bordo del veicolo Bombola cilindrica; pressione di esercizio: 200 bar; pressione di collaudo: 300 bar; deve resistere almeno fino alla pressione di 450 bar.
Norme per il serbatoio Regolamento UN ECE R110, (ISO 11439). Le moderne bombole del CNG sono progettate per una vita di esercizio massima di 20 anni, con ispezione periodica (ricollaudo) ogni 4 anni. 
Impianto di bordo, a valle del serbatoio – componenti principali Multi-valvola con valvola di sicurezza fusibile, valvola di intercettazione automatica, valvola automatica contro eccesso di flusso, eventuale valvola di sicurezza contro sovrapressione (es. disco di rottura); regolatore di pressione; indicatore di pressione; valvola di intercettazione manuale.
Sistema di alimentazione del motore Iniettore/i single point o multi point; in fase gassosa.
Unità di misura, e vendita all’erogatore(6) Chilogrammo (potere calorifico medio: 50 MJ/kg).
Autonomia media di marcia a gas del veicolo (auto) Fino a 500 km
Norma nazionale per stazione di servizio DM 24/5 e 28/6 2002 (distributore)

DM 11/09/2008 (self-service ed erogatore multi-prodotto)

Norma armonizzata impianti di bordo ECE ONU R 110 (OEM)

ECE ONU R 115 (trasformazione)

Norme sui parcheggi DM 01/02/1986
Rimessaggio A 0° C e 1 bar ass. il gas naturale è molto più leggero dell’aria; nel remoto caso di trafilamento, si dissipa facilmente nell’atmosfera attraverso il sistema di ventilazione, naturale o forzato, della rimessa. Quindi i veicoli a CNG si parcheggiano in tutte le autorimesse.
Accise (Aprile 2014) 0,00331 €/m3

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