Kaasuautot

Polttomoottoreissa käytettävistä polttoaineista yleisimpiä ovat nestemäiset fossiiliset polttoaineet, kuten bensiini ja diesel. Moottoria voidaan käyttää myös kaasumaisilla polttoaineilla. Kaasun käyttäminen voi kannattaa, jos sitä on alueellisesti helposti saatavilla, jos sen hinta on muita polttoaineita halvempi, tai jos sillä voidaan vähentää paikallisia pakokaasu- ja melupäästöjä.

Kaasujen etu bensiiniin ja dieseliin verrattuna on niiden puhtaampi palaminen. Varsinkin hiukkaspäästöjä syntyy ratkaisevasti vähemmän. Sitä vastoin hiilivetypäästöt voivat tietyillä kaasuilla olla suuremmat.

Kaasuautojen tekniikka

Kaasua käyttävien polttomoottoreiden tekniikka perustuu pitkälti bensiinimoottoreiden tekniikkaan. Polttoaineen varastoinnissa on kuitenkin selvä ero, sillä kaasu varastoidaan paineistettuna painesäiliöissä. Säiliöt pitää tehdä kestämään paineen lisäksi mahdollisia ulkopuolisia iskuja, joten niiden turvallisuusvaatimukset ovat hyvin tiukat, eikä kuka tahansa saa tehdä kaasujärjestelmien asennuksia ja huoltoja.

Koska kaasu kestää hyvin puristusta syttymättä, tarvitaan moottorissa kipinäsytytys bensiinimoottorin tapaan. Moottori voi olla joko pelkästään kaasulla toimiva, jolloin bensiinin suihkutusjärjestelmä on korvattu kaasunsyöttöjärjestelmällä, tai kaksoispolttoaineauto, jossa on syöttöjärjestelmät kummallekin polttoaineelle ja näin ollen mahdollisuus käyttää sekä kaasua että bensiiniä. Jos moottori toimii pelkästään kaasulla, voidaan sen puristussuhdetta kasvattaa, mikä parantaa hyötysuhdetta ja polttoainetaloutta jonkin verran. Kaksoispolttoaineautojen toimintasäteet kaasulla ovat yleensä useita satoja kilometrejä, minkä lisäksi myös bensiinikäytöllä on kohtuullinen toimintasäde ajatellen sellaista aluetta, jossa ei ole kaasutankkausmahdollisuutta.

Raskaamman kaluston kaasukäyttöiset moottorit on usein muunnettu dieselmoottorista. Tällöin moottoriin on jouduttu lisäämään sytytysjärjestelmä.

Yksi variaatio on dieselautosta kehitetty niin sanottu dual-fuel-auto, joka toimii kaasun ja dieselin seoksella, jolloin kaasun sekaan syötetään dieselöljyä vaihtelevissa määrin. Tällainen moottori ei tarvitse sytytysjärjestelmää, koska dieselöljy sytyttää myös palotilaan syötetyn kaasun. Tyhjäkäynnillä ja matalilla kuormituksilla moottori toimii suurimmaksi osaksi dieselillä, mutta kuormituksen kasvaessa kaasun osuus käytetystä polttoaineesta lisääntyy, ja dieselin osuus on enää noin 10 prosenttia. Dieselin käytön takia tällainen moottori ei ole päästöiltään yhtä puhdas kuin pelkkää kaasua käyttävä moottori.

Polttomoottoreiden lisäksi kaasun käyttö liikennepolttoaineena on mahdollista hyödyntämällä sitä sähköenergian tuotannossa. Polttoainekenno tai polttokenno (Fuel Cell) on sähkökemiallinen laite, jossa ulkopuolista reaktioainetta syöttämällä voidaan tuottaa sähköenergiaa. Reaktioaineeksi sopivat muun muassa vety- ja maakaasu. Kaasun sisältämä energia voidaan muuttaa sähköenergiaksi, jolla ajoneuvoa voidaan liikuttaa sähkömoottorin avulla.

Tärkeimmät liikennepolttoaineena käytettävät kaasut

Metaania (CH₄) syntyy luonnossa jatkuvasti lahoamisprosessissa. Tällöin kaasua kutsutaan biokaasuksi. Metaania on kertynyt myös suuriksi esiintymiksi maakerrosten alle, jolloin se on fossiilista maakaasua. Metaania voidaan myös valmistaa synteettisesti esimerkiksi vetykaasusta ja hiilidioksidista.

Maa- ja biokaasu ovat puhdistettuina koostumukseltaan samanlaisia, ja niitä voidaan syöttää samaan kaasuverkkoon. Liikenteessä käytettäessä metaani paineistetaan noin 200 barin paineeseen (Compressed Natural Gas, CNG ja Compressed Biogas, CBG).

Metaania voidaan käyttää myös nesteytettynä (Liquified Natural/Biogas, LNG ja LBG), jolloin pysyäkseen nestemäisessä olomuodossa sen lämpötila täytyy pitää alle -162 celsiusasteessa. Nesteytettyä metaania käytetään lähinnä laivoissa. LNG:tä käyttäviä hyötyajoneuvoja on jonkin verran, mutta suuren energiatiheyden kääntöpuolella ovat erittäin korkeat tankin eristysvaatimukset, mikä hankaloittaa LNG:n liikennekäyttöä.

Nestekaasu (Liquified Petroleum Gas, LPG) on suurimmaksi osaksi propaania (C₃H₈) tai propaanin ja butaanin (C₄H₁₀) seosta. Nestekaasu syntyy öljynjalostuksen sivutuotteena, ja on näin ollen fossiilinen polttoaine. Nestekaasu on tuttu muun muassa kaasugrilleistä ja asuntovaunuista, ja sitä saa monilta huoltoasemilta pulloissa. Nestekaasun varastointi onkin metaania paljon helpompaa, sillä se vaatii vain noin 10 barin tankkipaineen. Nestekaasua käytetään polttoainekäytön lisäksi yhä useammin aerosolituotteiden ponneaineena.

Dimetyylieetteri, DME (C₂H₆O) on ilmakehän paineessa kaasumaisessa olomuodossa, mutta nesteytyy nestekaasun tavoin jo melko pienessä paineessa. DME:tä voidaan valmistaa maakaasusta, mutta raaka-aineena voidaan käyttää myös hiiltä ja biomassaa, sekä selluprosessin sivutuotteena syntyvää mustalipeää.

DME soveltuu käytettäväksi polttoaineena dieselmoottoreissa, sillä sitä voidaan varastoida ja ruiskuttaa moottoriin nesteenä. DME vaatii kuitenkin täysin tavallisesta dieselmoottorista poikkeavan polttoainejärjestelmän, jossa polttoaine varastoidaan painesäiliöihin. Myös DME:n huono voitelevuus aiheuttaa polttoaineen syöttöjärjestelmään muutostarpeita dieselöljyyn verrattuna. Maakaasusta DME eroaa siten, että sitä ei voi sekoittaa fossiiliseen dieselöljyyn.

Puukaasu (CO) on hiilimonoksidi- eli häkäpitoista kaasua, jota syntyy kuumassa ja vähähappisessa palamisessa. Polttoaineeksi käy mikä hyvänsä kuiva, kasvisperäinen biomassa kiinteässä olomuodossa. Polttoainepulan aikana 1940-luvulla Suomessa muunnettiin autoja käymään puukaasulla, ja polttoaineena käytettiin tyypillisesti puuhaketta.

Häkäkaasua voidaan käyttää bensiinimoottoreissa ja joissakin dieselmoottoreissa. Vaikka häkä on hiilidioksidineutraali polttoaine, sitä käyttävät lähinnä harrastajat, sillä laitteisto on kookas ja sen käyttö vaatii asiantuntemusta ja esivalmisteluista ennen liikkeelle lähtöä.

Puukaasun liikennekäyttöä on rajoittanut myös se, ettei 1.7.1987 jälkeen rekisteröityä autoa voi käytännössä muuttaa puukaasukäyttöiseksi, koska silloin  astuivat voimaan henkilöautoilla tiukemmat päästörajat ja päästöistä pitää tämän jälkeen olla ajosyklillä todennetut hyväksytyllä polttoaineella tehdyt mittaukset. EU ei ole hyväksynyt puukaasua liikennepolttoaineeksi, eikä sille ole määritetty päästöjen raja-arvoja, joten uudempien autojen muuntaminen puukaasukäyttöisiksi vaatisi polttoainehyväksynnän ja lakimuutoksen.

Vety (H₂) ei ole luonnossa vapaana esiintyvä kaasu, vaan se pitää aina valmistaa esimerkiksi jostain hiilivedystä tai vedestä. Vetyä voi käyttää polttomoottorissa tai sähköä tuottavassa polttokennossa. Vedyn käyttö tuottaa pakokaasuina lähinnä vesihöyryä, joten sen käyttö ratkaisisi liikenteen lähipäästöongelmat. Vedyn ongelma on kuitenkin se, että sähköön verrattuna sen liikennekäyttö kuluttaa enemmän energiaa, koska vety joudutaan valmistamaan elektrolyysillä ja paineistamaan, sekä varastoimaan tai siirtämään se jakeluverkostoon ennen autoon tankkausta.

Autojen säiliöissä vetysäiliöiden paine on noin 700 baria, vaihtoehtoisesti vety voidaan varastoida nestemäisenä alle -253 celsiusasteen lämpötilassa. Jos vedyn valmistuksessa ei voida käyttää uusiutuvaa energiaa, kuten esimerkiksi tuulivoimaa, saattaa vedyn liikennepolttoaineena käyttö tuottaa selvästi enemmän hiilidioksidipäästöjä kuin akkusähköautoissa käytettävä verkosta ladattava sähkö.

Tulevaisuudennäkymät

Kaasun käyttö liikennepolttoaineena antaa tiettyjä etuja puhtaan palamisensa ansiosta, ja usein hinnoittelukin puoltaa kaasun polttoainekäyttöä. Alueellisesti vaihteleva kaasun saatavuus rajoittaa kaasuautojen yleistymistä. Myös kaasuautojen poikkeavaa tekniikkaa saatetaan vierastaa, ja kaasuautoille asetetaan rajoituksia joissakin pysäköintihalleissa, joissa ilmanvaihto ei ole riittävä.

Kaasuista suurin potentiaali näyttää tällä hetkellä olevan metaanilla. Biokaasua syntyy ympäri maailmaa muun muassa maatiloilla ja kaatopaikoilla, minkä lisäksi teollisuudessa käytetään paljon putkiverkoston kautta toimitettavaa maakaasua, mikä mahdollistaa tankkausverkoston laajentamisen. Biokaasun käyttö maakaasun rinnalla auttaa täyttämään EU:n asettamat biopolttoainevaatimukset, ja sen alueellinen tuottaminen vähentää riippuvuutta fossiilisista tuontipolttoaineista.

DME on myös lupaava polttoaine, jos sitä pystytään valmistamaan uusiutuvista raaka-aineista. Parhaiten siitä hyötyisivät alueet, joilla on saatavilla paljon paperiteollisuuden sivutuotteena syntyvää raaka-ainetta.

Vetyä pidetään yhtenä vaihtoehtona tulevaisuuden polttoaineeksi. Ennen vetymoottoreiden ja polttokennojen laajempaa käyttöönottoa pitää kuitenkin ratkaista se, millä energialla vetyä tuotetaan, miten sitä varastoidaan ja miten jakelu hoidetaan.