Pedeorelha | Como funcionam os veículos a gás natural

Thomas Dalton
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ngv Car Culture / Car Culture Collection / Getty Images -

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-Caco, o Sapo, disse uma vez: "Não é tão fácil ser verde." Embora ele não estivesse se referindo a carros, sua observação parece particularmente apropriada para a indústria automobilística hoje: projetar, desenvolver e comercializar carros "verdes" não tem sido uma tarefa fácil, por isso os veículos movidos a gasolina ainda dominam as estradas e os combustíveis fósseis ainda representam quase 75% do consumo mundial de energia. À medida que os preços da gasolina disparam e a preocupação com as emissões prejudiciais aumenta, os carros que funcionam com fontes alternativas de combustível se tornarão cada vez mais importantes. Um veículo a gás natural, ou GNV, é o exemplo perfeito de tal carro - é eficiente em termos de combustível, amigo do ambiente e oferece um custo de propriedade relativamente baixo.

Galeria de imagens de veículos de combustível alternativo

David McNew / Getty Images
Um aparelho de reabastecimento doméstico a gás natural, Phill, da FuelMaker está conectado a um veículo Honda Civic NGV a gás natural. Veja fotos de veículos movidos a combustível alternativo.

Este artigo irá explicar a ideia básica dos GNVs, olhar para os desafios de design exclusivos envolvidos e examinar as vantagens e benefícios desta tecnologia.

Descoberta Alguns estudiosos especulam que as pessoas que vivem no Oriente Médio descobriram essa propriedade do gás natural entre 6.000 e 2.000 aC, quando relâmpagos acenderam o gás natural que vazava do solo. Os chineses queimaram gás natural já em 211 aC para secar o sal-gema encontrado na rocha calcária. Eles também perfuraram os primeiros poços de gás natural conhecidos, usando hastes de bambu e brocas primitivas, mas só conseguiram atingir profundidades de 500 pés. -

A palavra "gás" é um termo confuso porque é usada para descrever muitas substâncias diferentes que são semelhantes, mas não exatamente iguais. Por exemplo, a "gasolina" que você coloca no carro é a gasolina, um componente do petróleo bruto ou petróleo. O petróleo é uma mistura líquida escura e pegajosa de compostos formados no subsolo pela decomposição de antigos animais marinhos.

O gás natural também vem da decomposição de organismos antigos, mas naturalmente assume a forma gasosa em vez da forma líquida. O gás natural geralmente ocorre em associação com o petróleo bruto. É derivado de plantas terrestres e matéria orgânica aquática e se forma acima ou abaixo de depósitos de óleo. Muitas vezes é dissolvido em petróleo bruto nas altas pressões existentes em um reservatório. Existem também reservatórios de gás natural, conhecidos como gás não associado, que contêm apenas gás e nenhum óleo.

O gás natural consiste principalmente em metano e outros gases de hidrocarbonetos. Os hidrocarbonetos são compostos orgânicos compostos apenas pelos elementos carbono e hidrogênio. Os hidrocarbonetos do gás natural são chamados de hidrocarbonetos saturados porque contêm hidrogênio e carbono unidos por ligações simples. Como mostram os diagramas, o metano é o hidrocarboneto saturado mais simples.

Como a gasolina, o gás natural é combustível, o que significa que pode ser usado em um motor de combustão como a gasolina. Mas os carros que podiam queimar gás natural não apareceram em cena até a década de 1930.

Extraímos gás natural aprisionado em reservatórios subterrâneos por meio da perfuração de poços na terra. Um poço moderno, equipado com brocas cravejadas de diamante, pode perfurar em profundidades próximas de 25.000 pés.

Extração e processamento A maioria dos poços modernos extraem petróleo bruto e gás natural ao mesmo tempo. Algum gás natural pode ser usado conforme sai do poço sem qualquer refino, mas a maioria requer processamento. O processamento do gás natural consiste em separar todos os vários hidrocarbonetos e fluidos do gás natural "úmido" até que esteja "seco". O gás natural seco é metano puro, que é o combustível preferido para muitas aplicações de consumo, incluindo veículos a gás natural.

Ao longo do século 19, o uso do gás natural permaneceu localizado, pois não havia como transportar grandes quantidades de gás em longas distâncias. Em 1890, a invenção de um acoplamento de duto à prova de vazamentos tornou possível o transporte de gás a quilômetros da fonte. Os aprimoramentos na tecnologia de dutos continuaram nas duas décadas seguintes, até que a transmissão de gás de longa distância se tornasse prática. De 1927 a 1931, os trabalhadores construíram mais de 10 grandes sistemas de transmissão de gás natural nos Estados Unidos, tornando o gás natural uma fonte de energia viável para muitas aplicações. A escassez de petróleo no final dos anos 1960 e início dos anos 1970 trouxe um interesse renovado pelo gás natural como fonte de combustível, especialmente para automóveis.

Hoje, os proprietários de veículos a gás natural podem abastecer seus carros em um dos 1.300 postos de abastecimento localizados nos Estados Unidos. A Honda também oferece uma bomba de gás natural pessoal para quem comprar seu Civic movido a gás natural. A bomba usa as linhas de gás natural existentes em uma casa e pode ser instalada por $ 500 a $ 1500.

Na próxima seção, discutiremos como os veículos a gás natural são projetados.

Biogás O gás natural não é a única fonte de metano. O metano também pode ser obtido pela fermentação de matéria orgânica, como esterco, em baixos níveis de oxigênio. Nessas condições, as bactérias usarão os nutrientes do esterco como fonte de alimento e liberarão metano e dióxido de carbono como resíduos. Esse metano, conhecido como biogás, pode ser coletado e usado como fonte de combustível. Os veículos a gás natural usam os mesmos princípios básicos dos veículos movidos a gasolina. Em outras palavras, o combustível (gás natural, neste caso) é misturado ao ar no cilindro de um motor de quatro tempos e depois aceso por uma vela de ignição para mover o pistão para cima e para baixo. Embora existam algumas diferenças entre o gás natural e a gasolina em termos de inflamabilidade e temperaturas de ignição (ver gráfico abaixo), os próprios GNVs operam com os mesmos conceitos fundamentais dos veículos movidos a gasolina.

Propriedade	Gás natural	Gasolina	Diesel
Limites de inflamabilidade (% de volume no ar)	5-15	1,4-7,6	0,6-5,5
Auto-ignição Temperatura (^°F)	842	572	446
Peak Flame Temperatura (^°F)	3423	3591	3729

Ainda assim, algumas modificações são necessárias para que um GNV funcione de forma eficiente. Essas mudanças são principalmente no tanque de armazenamento de combustível, no motor e no chassi.

Armazenamento de combustível
A maioria dos GNVs opera com gás natural comprimido, de forma que o combustível ocupa menos espaço. Em um posto de abastecimento, o gás é comprimido para 3.000-3.600 libras por polegada quadrada antes de ser bombeado para cilindros em forma de tubo de alta pressão que são fixados na parte traseira, superior ou inferior do veículo. Os tanques de armazenamento dos primeiros GNVs eram volumosos e ocupavam grande parte do espaço de carga do veículo, mas cilindros mais novos e leves foram desenvolvidos. Chamados de Sistemas Integrados de Armazenamento (ISSs), esses cilindros totalmente compostos estão contidos em uma carcaça de fibra de vidro e espuma de absorção de impacto para protegê-los em caso de colisão. Os cilindros também têm um diâmetro menor, de modo que três deles podem ser alojados juntos em um tamanho e formato semelhante a um tanque de gasolina convencional.

Imagem cortesia do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins

Modificações do motor
Quando o motor em um GNV é ligado, o gás natural flui dos cilindros de armazenamento para uma linha de combustível. Perto do motor, o gás natural entra em um regulador para reduzir a pressão. Em seguida, o gás é alimentado por um sistema multiponto de injeção de combustível gasoso, que introduz o combustível nos cilindros. Sensores e computadores ajustam a mistura ar-combustível de modo que, quando uma vela de ignição acende o gás, ele queima com eficiência. Um motor a gás natural também inclui alumínio forjado, pistões de alta compressão, sedes de válvula de escape de níquel-tungstênio endurecido e um conversor catalítico específico para metano.

Foto cedida pelo Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins
Um motor a gás natural instalado

Modificações de chassi
Algumas modificações na suspensão de um GNV podem ser necessárias para criar espaço para os recipientes de armazenamento de combustível. Na parte traseira do veículo, uma suspensão de braço semi-traseiro às vezes substitui a suspensão de ligação lateral que vem de fábrica em muitos carros movidos a gasolina. Isso cria mais espaço aberto no material rodante traseiro e, ao mesmo tempo, proporciona um percurso suave e confortável. Os GNVs também removem o pneu sobressalente e o macaco, o que permite uma planta baixa. Pneus "vazios", como os Pneus de Mobilidade Estendida da Goodyear Tire, são instalados para compensar o fato de que o pneu sobressalente e o macaco estão faltando.

Foto cedida pelo Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins

Diferenças no reabastecimento
Reabastecer um veículo a gás natural também pode ser um pouco diferente. O ponto de abastecimento normalmente fica na frente do veículo, embora em alguns GNVs, como o Honda Civic GX, o ponto de abastecimento seja na parte traseira. Um GNV pode ser abastecido em uma bomba de "abastecimento rápido" aproximadamente no mesmo tempo que leva para abastecer qualquer veículo movido a gasolina ou diesel. Alternativamente, um GNV pode ser abastecido em cinco a oito horas usando um método de "abastecimento lento". Os postos de abastecimento domésticos oferecidos pela Honda são de abastecimento lento, exigindo que os proprietários de automóveis reabasteçam seus veículos durante a noite.

A seguir, discutiremos quais vantagens os veículos a gás natural têm sobre os veículos movidos a gasolina, bem como as desvantagens.

A maior vantagem dos GNVs é que eles reduzem as emissões ambientalmente prejudiciais. os veículos a gás natural podem atingir uma redução de até 93% nas emissões de monóxido de carbono, 33% de redução nas emissões de vários óxidos de nitrogênio e uma redução de 50% nos hidrocarbonetos reativos quando comparados aos veículos a gasolina. Os GNVs também têm taxas mais altas nas emissões de partículas 10 (PM10). As partículas PM10 transportam e depositam materiais tóxicos pelo ar. Os GNVs que operam em aplicações a diesel podem reduzir as emissões de PM10 por um fator de 10.

Os veículos a gás natural também oferecem estes benefícios:

Os GNVs Construir vs. Comprar podem ser construídos do zero para incluir os aprimoramentos de design descritos acima. Um veículo a gás natural totalmente novo custa de US $ 4.000 a US $ 8.000 a mais do que um veículo a gasolina comparável. Também é possível modificar os veículos convencionais a gasolina para funcionarem com gás natural. Isso também pode ser caro, com as modificações normalmente custando de US $ 3.000 a US $ 5.000. Os veículos que funcionam exclusivamente com gás natural são conhecidos como GNVs "dedicados". Os veículos que podem operar tanto com gás natural quanto com gasolina são conhecidos como veículos "bicombustível". Em veículos bicombustível, o motorista pode mudar com segurança de um combustível para outro enquanto dirige.

Os GNVs são mais seguros. Os tanques de armazenamento de combustível em um GNV são mais grossos e fortes do que os tanques de gasolina ou diesel. Não houve ruptura do tanque de combustível GNV em mais de dois anos nos Estados Unidos.
Os custos do gás natural são inferiores aos da gasolina. Em média, o gás natural custa um terço a menos que a gasolina na bomba.
O gás natural é conveniente e abundante. Uma infraestrutura de gasoduto bem estabelecida existe nos Estados Unidos para fornecer gás natural a quase todas as áreas urbanas e a maioria das áreas suburbanas. Existem mais de 1.300 postos de abastecimento de GNV nos Estados Unidos, e mais estão sendo adicionados todos os dias.
Os preços do gás natural apresentam estabilidade significativa em relação aos preços do petróleo. Historicamente, os preços do gás natural exibiram uma estabilidade de preços significativa em comparação com os preços dos combustíveis derivados do petróleo. Esta estabilidade torna mais fácil planejar com precisão os custos de longo prazo.
Os GNVs têm custos de manutenção mais baixos. Como o gás natural queima de forma tão limpa, resulta em menos desgaste do motor e estende o tempo entre ajustes e trocas de óleo.

Desvantagens
Uma das maiores reclamações sobre os GNVs é que eles não são tão espaçosos quanto os carros a gasolina. Isso ocorre porque os GNVs precisam abrir mão de uma carga preciosa e do espaço do porta-malas para acomodar os cilindros de armazenamento de combustível. Além disso, esses cilindros podem ser caros para projetar e construir - um fator que contribui para os custos gerais mais elevados de um veículo a gás natural em comparação com um carro movido a gasolina.

Foto cedida pelo Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins
Material rodante traseiro mostrando os cilindros de combustível

Outra desvantagem é a autonomia limitada dos GNVs, que normalmente é cerca da metade de um veículo movido a gasolina. Por exemplo, o Civic de gás natural da Honda, o Civic GX, pode ir até 220 milhas sem reabastecer. Um típico Civic movido a gasolina pode andar aproximadamente 350 milhas sem reabastecer. Se um GNV dedicado ficasse sem combustível na estrada, ele teria que ser rebocado para a casa do proprietário ou para um posto de abastecimento de gás natural local, o que pode ser mais difícil de encontrar do que um posto de gasolina "normal".

Por fim, deve-se destacar que o gás natural, assim como a gasolina, é um combustível fóssil e não pode ser considerado um recurso renovável. Embora as reservas de gás natural nos Estados Unidos ainda sejam consideráveis, elas não são inesgotáveis. Alguns prevêem que existem reservas de gás natural suficientes para durar mais 67,1 anos, assumindo que o nível de produção de 2003 continua.

Apesar de algumas das vantagens oferecidas pelos GNVs, elas ainda são relativamente incomuns. De acordo com a Natural Gas Coalition, existem atualmente 130.000 GNVs nas estradas nos Estados Unidos e mais de 2,5 milhões em todo o mundo. Para colocar isso em perspectiva, considere que havia 142,5 milhões de veículos registrados em 2001 - o que significa que os veículos movidos a gás superam os veículos GNVs em quase 1.100 para um nos Estados Unidos. E ainda mais de 40 fabricantes diferentes, incluindo Ford, General Motors, Toyota e Volvo, produzem atualmente NGVs.

Foto cedida pela Honda
O aparelho doméstico de reabastecimento Phill

Duas empresas automotivas que lideram o design e a engenharia do GNV são a Honda e a DaimlerChrysler. A Honda é o primeiro fabricante a oferecer um GNV no varejo - o Honda Civic GX sedan, que também vem com um posto de abastecimento doméstico que a empresa apelidou de "Phill". O Civic GX é um GNV dedicado, o que significa que só pode funcionar com gás natural. A DaimlerChrysler está fabricando um Mercedes classe E que funciona com gasolina e gás natural. Recebe uma classificação de "NGT", que significa "Tecnologia de Gás Natural", e pode viajar 621 milhas com um único abastecimento - 186 milhas usando gás natural e 435 milhas usando gasolina.

Embora veículos como o Civic GX e o E 200 NGT estejam disponíveis apenas em mercados muito limitados (o primeiro em alguns estados ocidentais, o último na Europa), espera-se que os GNVs se tornem mais amplamente disponíveis para os consumidores nas próximas duas décadas, especialmente à medida que o preço do petróleo continua a subir. Quando isso acontecer, ser verde será um pouco mais fácil.

Para mais informações sobre veículos movidos a gás natural e assuntos relacionados, confira os links na próxima página.

Frotas de GNV As frotas com uso intensivo de combustível que viajam muitos quilômetros todos os dias usam gás natural há anos. Isso incluiria frotas de táxis, ônibus de trânsito e escolares, ônibus de aeroporto, veículos de construção, caminhões de lixo, caminhões de entrega e veículos de obras públicas. Por que as frotas são especialmente adequadas ao gás natural? Em primeiro lugar, o maior volume de veículos torna mais econômico convertê-los ou comprá-los imediatamente. Mas, mais importante, os veículos da frota são mantidos de maneira centralizada, tornando o processo de reabastecimento conveniente e confiável.

Muitos caminhões e ônibus de longa distância operam com uma forma diferente de gás natural, chamada gás natural liquefeito, ou GNL. O GNL é feito refrigerando o gás natural a -260 ° F, condensando-o em um líquido. A forma líquida é muito mais densa e, portanto, tem mais energia potencial para a quantidade de espaço que ocupa. Isso significa que mais energia pode ser armazenada na mesma quantidade de espaço em um carro ou caminhão.

Obrigado obrigado a Jeff Beckman por sua ajuda com este artigo.