W Katedrze Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej trwają prace nad wspólnym projektem naukowców z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego i spółki Remontowa LNG Systems. Ich efektem mają być nowe konstrukcje zbiorników kriogenicznych przeznaczonych do przechowywania ciekłego gazu ziemnego w środkach transportu.

Transport to obecnie jeden z głównych powodów zanieczyszczenia powietrza w dużych europejskich miastach. Stanowi źródło około 20 proc. gazów cieplarnianych emitowanych do atmosfery na naszym kontynencie i jak dotąd – w odróżnieniu od innych sektorów gospodarki – nie odnotował stopniowego spadku tej emisji. Coraz większe zmiany klimatyczne spowodowane globalnym ociepleniem sprawiają jednak, że europejska wspólnota szuka sposobów na ograniczenie tych zanieczyszczeń. Porozumieniem klimatycznym (popularnie nazywanym paryskim) członkowie Unii Europejskiej zobowiązali się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych o 40 proc. do połowy wieku. Chodzi o to, by zapanować nad globalnym wzrostem średniej temperatury – utrzymując go na poziomie znacznie poniżej 2 stopni Celsjusza ponad poziom sprzed rewolucji przemysłowej (a nawet starając się ograniczyć do 1,5 stopnia).

Mniej zanieczyszczeń z transportu. Ale jak?

Za trzy czwarte gazów cieplarnianych emitowanych przez transport odpowiadają samochody – z czego aż 80 proc. zanieczyszczeń wysyłają do atmosfery pojazdy dostawcze i ciężarowe ważące powyżej 3,5 tony. Kolejne miejsca w tym niechlubnym rankingu zajmują transport lotniczy i morski.

Unia Europejska postawiła sobie szereg zadań do zrealizowania w tej dekadzie, by zmniejszyć środowiskową szkodliwość transportu. Zwiększana będzie sprawność pojazdów, duży nacisk kładzie się na wprowadzanie rozwiązań niskoemisyjnych i prowadzenie prac nad technologiami zeroemisyjnymi. Bardzo konkretnie wskazano też metody poprawy sytuacji dla poszczególnych typów transportu.

W przypadku kołowego mowa m.in. o zwiększaniu świadomości użytkowników pojazdów (poprzez zachęcanie ich do kupowania samochodów mniej szkodzących środowisku), ograniczaniu ruchu w centrach miast (i niewpuszczanie do nich starych aut), inteligentnym sterowaniu ruchem w ośrodkach miejskich czy w końcu poprawianiu jakości paliwa i promowaniu paliw alternatywnych jak wodór, LNG (czyli ciekły gaz ziemny) czy biopaliwa.

Zmiany planowane są także w transporcie morskim – zarówno związane z logistyką transportu (jak ograniczanie prędkości poruszania się statków, co zmniejsza zużycie paliwa, a co za tym idzie emisję gazów cieplarnianych; uwzględnienie przy planowaniu tras czynników atmosferycznych czy organizowanie transportu w mniejszej liczbie większych jednostek), jak i z kwestiami technicznymi – czyli np. zwiększaniem sprawności napędów czy zmniejszaniem oporu ruchu statków poprzez napowietrzanie warstw wody w bezpośrednim kontakcie z kadłubem. Także w przypadku transportu morskiego jednym z zaleceń jest zmiana paliwa na alternatywne – jak wodór, amoniak czy LNG.

- Spośród wszystkich tych propozycji i zadań do zrealizowania największy potencjał ograniczenia emisji gazów cieplarnianych, zarówno w sektorze drogowym, jak i w morskim, ma pomysł zastosowania alternatywnego paliwa – przekonuje dr inż. Michał Stanclik z Katedry Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym. – Wykorzystując wodór, bylibyśmy w stanie zredukować tę emisję nawet do zera. Duże problemy techniczne wiążące się z możliwościami jego używania sprawiają jednak, że postawienie na gaz ziemny wydaje się obecnie najbardziej logicznym wyborem. Szacunki wskazują na to, że zastosowanie LNG na dużą skalę w transporcie pozwoliłoby na ograniczenie jego emisji gazów cieplarnianych nawet o 20 proc.

LNG jest bowiem zwykłym gazem ziemnym, który został oczyszczony i skroplony. Dzięki temu pozbawia się go dwutlenku węgla, azotu, rtęci, węglowodorów ciężkich i wilgoci. W praktyce to w około 95 proc. metan, a jego spalaniu towarzyszy wydzielanie znacząco mniejszej ilości zanieczyszczeń niż w przypadku innych węglowodorów.

Dlatego technologie wiążące się z LNG wskazywane są obecnie jako główne trendy i kierunki rozwoju. Najbardziej ostrożne szacunki mówią o dziesięciokrotnym zwiększeniu liczby ciężarówek zasilanych LNG na europejskich drogach do 2025 r. (w stosunku do danych z 2018 r., gdy takich pojazdów było tu około 4,8 tys.). Te najbardziej optymistyczne wskazują nawet na stukrotności tej liczby. Jako że Polska jest krajem z największą flotą samochodów dostawczych i ciężarowych w całej Europie, wkrótce nad Wisłą zapotrzebowanie na instalacje LNG do tego typu pojazdów może być bardzo duże.

Podobnie jak z instalacjami dla jednostek morskich. Obecnie na całym świecie pływa około 90. tys. dużych statków morskich, zaledwie ułamek procenta z nich stanowią na razie te napędzane ciekłym gazem ziemnym. Liczba ta będzie jednak z pewnością wzrastać – choćby ze względu na zaostrzenie norm w obszarach SECA (z ang. Sulphur Oxide Emission Control Area), czyli na terenach ścisłej kontroli emisji tlenku siarki. Takimi miejscami są m.in. cały akwen Morza Bałtyckiego, Morze Północne i kanał La Manche. Jak podkreśla dr Stanclik, z tego powodu LNG stanie się prawdopodobnie głównym paliwem wykorzystywanym w transporcie na tych wodach.

Projekt z największą grupą stoczniową

Jednostki zasilane ciekłym gazem ziemnym od kilku lat projektuje i buduje największa stoczniowa grupa kapitałowa w Polsce, Remontowa Holding. W 2015 r. jako pierwsza w Europie wybudowała prom z silnikami zasilanymi LNG.
Układ ich zasilania został w pełni zaprojektowany przez zespół prof. Macieja Chorowskiego, kierownika Katedry Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej.

W 2017 r. grupa Remontowa zaczęła kolejny duży projekt z naukowcami z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego PWr, który zyskał finansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Wspólnie z pracownikami spółki Remontowa LNG Systems (to jedna z 25 spółek należących do całego holdingu) opracowują mobilną instalację do bezpiecznego magazynowania i przygotowywania gazu w jednostkach transportowych, która pod kilkoma względami będzie innowacyjna wobec rozwiązań dotychczas wykorzystywanych.

Obecnie pracami kieruje dr Stanclik, który zastąpił przebywającego na urlopie zdrowotnym dr. Polińskiego. Za poszczególne zadania w projekcie odpowiedzialni są: dr hab. inż. Janusz Skrzypacz z Katedry Mechaniki, Maszyn, Urządzeń i Procesów Energetycznych, dr hab. inż. Krzysztof Tomczuk, prof. uczelni, dr hab. inż. Ziemowit Malecha, prof. uczelni, dr inż. Wojciech Gizicki, dr inż. Agnieszka Piotrowska - wszyscy z Katedry Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej – którzy kierują poszczególnymi zespołami w grancie. W sumie nad nowymi rozwiązaniami pracuje 20 osób.

Projektowany zbiornik LPG dla samochodów

- Projekt jest kompleksowy. Najpierw zrobiliśmy rozeznanie na rynku technologii wiążących się z ciekłym gazem ziemnym i zdefiniowaliśmy problemy, jakie na nim występują. Potem zajęliśmy się projektowaniem rozwiązań dla tych problemów – opowiada dr Stanclik. – Obecnie jesteśmy właśnie na etapie projektowym, który zakończy się w czerwcu. Następny jest etap produkcyjny, który potrwa jeszcze dwa lata i będzie oznaczał wykonanie przez firmę opracowanych przez nas systemów, przy naszej pomocy i nadzorze nad ich uruchomieniem.

Węglowe złoże zadziała jak gąbka

Naukowcy z PWr opracowują w zasadzie trzy typy zbiorników do przechowywania LNG – dla samochodów, jednostek morskich i kolejowy. Każdy z nich będzie miał inną budowę i w dużym uproszczeniu będą odpowiednikami baku na paliwo. Największy – dla statków – będzie miał około 100 m sześc. pojemności, najmniejszy – samochodowy – około 1 m sześc. Od instalacji wykorzystywanych obecnie na rynku będzie odróżniała je wartość tzw. holding time, czyli czasu utrzymania.

- Jeśli zbiornik z LNG jest wyłączony z eksploatacji i nie wykorzystuje się tego gazu, po jakimś czasie zaczyna się on ulatniać w skutek różnych procesów termodynamicznych. Ten czas, w którym zbiornik może być nieużywany, nazywa się właśnie holding time. Zwykle to około 15 dni – opowiada dr Stanclik. – Nasze rozwiązania umożliwią wydłużenie tego okresu od kilku dni po nawet nieskończoność. Osiągniemy to m.in. dzięki procesowi adsorpcji fizycznej. W klasycznych systemach gaz, który się ulatnia, trafia bezpośrednio do atmosfery i jest bezpowrotnie tracony. My proponujemy zbudowanie dodatkowego systemu, który zadziała jak gąbka. Wykorzystamy w nim węgiel aktywny, który zmagazynuje pewną ilość gazu, co pozwoli wydłużyć holding time o kilka dni. Drugie rozwiązanie, nad jakim pracujemy, opiera się o system kondensacji. W największym uproszczeniu: budujemy potężny system chłodniczy – dużą jednostkę wytwarzającą moc chłodniczą, która zatrzyma proces powodujący ulatnianie się gazu ze zbiornika. Pozwoli to na przechowywanie gazu w zbiorniku w nieograniczonym czasie, ale niestety nie będzie to system idealny. Będzie wymagał dostarczenia dosyć sporej mocy elektrycznej, a to już wiąże się z kosztami eksploatacji.

Aktualnie naukowcy prowadzą m.in. badania laboratoryjne, które pozwolą im oszacować możliwości wchłaniania złoża adsorpcyjnego. Szukają najbardziej optymalnych warunków dla procesu – a zatem sprawdzają, jakie powinno być m.in. ciśnienie, temperatura czy stopień uziarnienia złoża węglowego, by ta „gąbka” była w stanie zmagazynować jak najwięcej LNG. Biorą też pod uwagę wykorzystanie różnych węgli aktywnych (jest ich kilkadziesiąt).

Projektowany zbiornik LPG dla statków

Nowe systemy dla optymalizacji

Uczestnicy projektu szukają także rozwiązań kilku innych problemów badawczych. Jednym z nich jest kwestia wymiany ciepła między gazem a powierzchnią wymienników ciepła. LNG w zbiorniku jest bowiem przechowywany w formie ciekłej w temperaturze około -140 st. C. Tymczasem forma użytkowa tego gazu musi mieć temperaturę otoczenia. Konieczne jest zatem doprowadzenie pewnej ilości ciepła w wymiennikach. Jak jednak powinny być zbudowane, by ta wymiana była optymalna? Odpowiedzi na to pytanie szukają właśnie naukowcy z jednego z podzespołów w grancie. Aktualnie stosowane rozwiązania wprawdzie spełniają swoje zadanie, ale nie zostały przebadane na tyle, by móc określić, czy możliwa jest ich bardziej wydajna praca. Dlatego naukowcy dokładnie przyglądają się całemu procesowi, by opracować modele i równania pozwalające na zbudowanie najlepszej możliwej wersji takiego systemu.

Zamiarem badaczy jest również opracowanie takiej konstrukcji wymienników ciepła, by były odporne na blokowanie przepływu wskutek chwilowego zaniku obiegu medium grzewczego.

- Kluczowym zagadnieniem związanym z eksploatacją systemów wykorzystujących LNG jest bezpieczeństwo, a zatem m.in. zdolność do pracy niektórych elementów systemu podczas awarii innych – wyjaśnia dr Stanclik. – Jednym z takich elementów jest wymiennik ciepła służący do regazyfikacji LNG, czyli zmiany stanu ciekłego będącej podstawową formą magazynowania LNG do stanu gazowego będącego formą użytkową. Dla przykładu: w transporcie morskim od wymiennika ciepła wymaga się zdolności odparowania nominalnego strumienia ciekłego gazu ziemnego w czasie 60 sekund od momentu zaniku przepływu w obiegu medium grzewczego. W klasycznych konstrukcjach w takiej sytuacji wymiennik oczywiście działa, czyli zachowuje zdolność do regazyfikacji LNG, jednak czynnik grzewczy zostaje zamrożony i uwięziony w wymienniku, tworząc tzw. korek lodowy. Taki wymiennik jest niezdolny do pracy. Nawet gdy znów możliwe jest zasilanie instalacji, przepływ czynnika grzewczego jest niemożliwy ze względu właśnie na korek lodowy. Ponowne uruchomienie takiego wymiennika wymaga pewnego czasu.

Dlatego w zespole trwają prace nad konstrukcją wymiennika ciepła odpornego na takie zjawisko. Naukowcy prowadzą badania nad mechanizmami narostu lodu i wymiany ciepła. Chcą określić parametry eksploatacyjno-konstrukcyjne wymienników ciepła, tak by proces zamarzania przebiegał w ściśle określonych warunkach i nie powodował powstawania zatoru lodowego.

Projektowany zbiornik LPG dla kolei

Jak zmierzyć gaz w zbiorniku?

Od innych zbiorników te opracowywane na Politechnice Wrocławskiej będą odróżniać także nowe systemy pomiarowe i kontrolne. Badacze przygotowują m.in. system, który będzie wskazywał ilość przechowywanego gazu.

- LNG ma tę właściwość, że nie da się wyznaczyć jego ilości w zbiorniku poprzez proste pomiary konkretnych wielkości fizycznych – tłumaczy lider projektu. – W przypadku CNG, czyli powszechnie stosowanego gazu ziemnego w postaci sprężonej, wystarczy pomiar ciśnienia, by określić ilość tego gazu. Jeśli ciśnienie spada, to i gazu jest mniej. Załóżmy więc, że po zatankowaniu do pełna w zbiorniku mamy ciśnienie 10 megapaskali. Kiedy spada do 1 megapaskala, możemy z wystarczającą dokładnością stwierdzić, że w baku pozostała jedna dziesiąta jego objętości. Z LNG nie można tak tego zmierzyć. Na rynku są dostępne różne metody pomiaru. My skonstruowaliśmy czujnik pojemnościowy, który działa jak kondensator o zmiennej pojemności, która zależy od ilości gazu, jaki pozostał w zbiorniku.

Projekt realizowany na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym ma wartość ponad 15 mln zł, z czego ponad połowę stanowi dofinansowanie. Potrwa do lipca 2022 r.

Lucyna Róg