A kritikus hőmérséklet átka
Közönséges nyomáson (\(\approx 1\ \mathrm{bar}=10^5\ \mathrm{Pa}\)) és közönséges hőmérsékleten (mondjuk \(20\ \mathrm{{}^{\circ} C}\)‑on) a gázok sűrűsége kicsi, vagyis egységnyi térfogatba (egy $1\ \mathrm{m^3}$‑es tartályba) viszonylag kevés tömegű gáz fér bele. Márpedig a gáz elégetésével belőle felszabadítható energia a gáz tömegével egyenesen arányos.
Nézzük, a legelterjedtebb gázok sűrűségét \(20\ \mathrm{{}^{\circ} C}\) hőmérsékleten és \(101\ 325\ \mathrm{Pa}\) nyomáson:
| sűrűség \(\mathrm{\displaystyle \frac{kg}{\ m^3}}\) | |
| földgáz | 0,7-0,9 |
| metán, $\mathrm{CH_4}$ | 0,67 |
| propán, $\mathrm{C_3H_8}$ | 1,9 |
| bután, $\mathrm{C_4H_10}$ | 2,5 |
| $\mathrm{LPG}$ | 2-2,7 |
A földgáz összetétele lelőhelyenként eltérő, de min. $80\unicode{x2013} 90\%$‑ban metán. Az LPG (liquefied petroleum gas) járművekben (autók, targoncák) használatos gázkeveréket jelent, mely fő összetevői a propán és bután (pluszban még nagyobb szénatomszámú szénhidrogéneket is tartalmazhat).
A táblázat alapján látható, hogy az "üzemanyag gázok" sűrűsége közönséges nyomáson és hőmérsékleten, tehát gáz állapotban meglehetősen kicsi (összehasonlításképp a vízé $1000\ \mathrm{\displaystyle \frac{kg}{\ m^3}}$). Ez ugyan nem őrült nagy probléma, ha a kitermelőhely és a fogyasztó között gazdaságos kiépíteni egy csővezetéket (például Oroszország és az európai fogyasztók között). De van, amikor nem lehetséges mindez, például a Japán szigeteit mély (és földrengések sújtotta) tengerek veszik körül. Ezért Japánba nem lehet csővezetéken eljuttatni a gázt. Másik eset, amikor a kitermelő van a tengerben (például Nigéria tengeri olaj- és gázmezői), vagy a termelőhely esik távol a nagy fogyasztóktól (pl. Katar). Ilyenkor tartályhajókban vagyunk kénytelenek szállítani a gázt.
De mit tehetünk, hogy adott térfogatú tartályba minél több anyag férjen be? Két lehetőség van:
- közönséges hőmérsékleten maradva, nagy nyomás alkalmazásával összepréseljük (komprimáljuk)
- cseppfolyósítjuk (kondenzáljuk)
Mivel cseppfolyósítás kizárólag a kritikus hőmérséklet alatt leheteséges, emiatt meg kell néznünk az egyes gázösszetevők kritikus hőmérséklet- és kritikus nyomás értékeit:
| \(T_{\mathrm{C}}\) kritikus hőmérséklet | \(p_{\mathrm{C}}\) kritikus nyomás | |
| metán | $-83\ \mathrm{{}^\circ C}$ | $46\ \mathrm{bar}$ |
| propán | $97\ \mathrm{{}^\circ C}$ | $42\ \mathrm{bar}$ |
| bután | $152\ \mathrm{{}^\circ C}$ | $38\ \mathrm{bar}$ |
Azt látjuk, hogy közönséges nyomásról és hőmérsékletről kiindulva:
- a metánt mindenképpen le kell hűteni, hogy cseppfolyósítható legyen
- a propán és a bután viszonyt cseppfolyósítható közönséges hőmérsékleten is
A földgáz (metán)
Nézzük meg a metán (a földgáz fő összetevője) fázisdiagramját:
(Az ábrán látható "bara" nyomásegység a "bar absoute" azaz abszolút bar rövidítése, ugyanis a gyakorlati életben sokszor a nyomás a légköri nyomáshoz képesti túlnyomást jelenti; például a járművek gumijában lévő $4\ \mathrm{bar}$ nyomás $4\ \mathrm{bar}$ túlnyomást jelent, azaz $5\ \mathrm{bar}$ abszolút nyomást, tehát $5\ \mathrm{bara}$‑t.)
Látjuk, hogy \(-83\ \mathrm{{}^\circ C}\) alatt már cseppfolyósítható, de csak $46\ \mathrm{bar}$ nyomáson. Vagyis egyrészt energiát kellene elhasználnunk, hogy lehűtsük \(-83\ \mathrm{{}^\circ C}\)‑ra, de ezután még csomó energiát kellene befektetnünk, hogy megnöveljük a nyomást (közben folyamatosan elvpnva a hőt tőle), hiszen az összenyomáskor munkát végzünk. Egyszerűbbnek (olcsóbbnak) bizonyult, ha inkább olyan alacsony hőmérsékletre hűtjük le, hogy már közönséges nyomáson cseppfolyósodjon. Az ábráról csak nagyjából olvasható le ez a hőmérséklet: a függőleges (nyomás) tengelyen az $1\ \mathrm{bar}$ értéknél kell húzni képzeletben egy vízszintes vonalat, és megnézni, hogy mekkora hőmérsékletnél van egyensúlyban a folyékony és a gőz fázis. Erre kb. \(-162\ \mathrm{{}^\circ C}\) adódik. Tehát a földgázt úgy szállítják cseppfolyósítva, hogy nagyon lehűtik.
A világ főbb LNG szállításai 2016-ban:
A földgázt (metánt) a fogyasztó országig még el lehet vinni cseppfolyósítva, de amikor mondjuk egy járművet akarunk ezzel hajtani, akkor nem gazdaságos egy hűtőtartályt beépíteni a járműbe. Ilyenkor nincs más lehetőségünk, mint a gáz halmazállapotú metánt nagy nyomással összepréselni. Hogy mennyire, az optimalizációs kérdés: minél nagyobb a nyomás, annál több fér bele a tartályba, de a nagy nyomás műszaki nehézségekkel is jár. A jó kompromisszum (optimális nyomás) $200\unicode{x2013} 250\ \mathrm{bar}$‑nál van. Ezt hívjuk CNG-nek (compressed natural gas). Tehát megspórultuk a cseppfolyós szállítás többletköltségeit, de hogy is állunk? Nézzük meg a sűrűségeket:
| \(\varrho\) sűrűség \(\left(\mathrm{\displaystyle \frac{kg}{\ m^3}}\right)\) | |
| LNG $(-162\ \mathrm{{}^\circ C})$ | 430-480 |
| CNG $(200\unicode{x2013} 250\ \mathrm{bar})$ | 180-215 |
Persze igazából nem is a tömegsűrűség a lényeg, hanem az $1\ \mathrm{cm^3}$ üzemanyagból felszabadítható energia, de most nem ez a témánk, hanem a gázok szállíthatósága.
A "PÉBÉ-gáz"
A PB a propán-bután rövidítése. Nagyon hasonlóan viselkedik a propán, a bután és az izobután, ezért közösen tárgyaljuk, a butánon bemutatva.
Nézzük a bután fázisdiagramját:
Azt látjuk, hogy a bután hűtés nélkül is cseppfolyósítható, mondjuk $20\ \mathrm{{}^\circ C}$ hőmérsékleten ehhez $2\unicode{x2013} 3\ \mathrm{bar}$ nyomás szükséges. Ilyen "hűtés nélkül, nyomással cseppfolyósított" bután (pontosabban izobután) van például az öngyújtókban, vagy a rézcsövek forrasztásánál illetve a cukrászatban használt szúrólángok palackjában is:
A $\mathrm{(H_2)}$ hidrogéngáz
Nézzük a hidrogén fázisdiagramját:
A diagramon azt láthatjuk, hogy a hidrogén kritikus hőmérséklete $-240\ \mathrm{{}^\circ C}$, a kritikus nyomása $12,8\ \mathrm{bar}$. Vagyis ha cseppfolyósítani akarjuk a hidrogént, ahhoz rettenetesen le kellene hűteni, de még így is csak $12,8\ \mathrm{bar}$ nyomással cseppfolyósítható. Ezt választotta a BMW gyár, a hidrogén üzemanyagcellás autójánál. A $-253\ \mathrm{{}^\circ C}$ hőmérsékletű cseppfolyós hidrogént $5\ \mathrm{bar}$ nyomáson egy szuperül hőszigetelt tartályban tárolják. Sajnos a hideg folyadék környezettől való átmelegedése elkerülhetetlen, amitől a nyomás idővel rettenetesen megnőne, ezért inkább egy biztonsági szelep adott nyomásértéknél mindig kiold. Így viszont pár nap alatt aprónként "elszáll, elpárolog" az üzemanyag, ha nem használjuk. Tehát ez a módszer nem hétvégi autósoknak való, de egy városi busznál nem jelentene problémát, hisz az hamarabb használná el a tartály tartalmát, mint hogy elpárologna.
A másik lehetőség a szobahőmérsékleten összepréselt (komprimált) gáz formájában tárolás. A 2014‑től gyártott Toyota Mirai üzemanyagcellás személyautó esetében $700\ \mathrm{bar}$ nyomású komprimált hidrogénből $5\ \mathrm{kg}$‑ot tárolnak a $87,5\ \mathrm{kg}$‑os nyomásálló tartályban:
Ha sikerül áttörést elérni az akkumulátoroknál (vagy a szuperkondenzátoroknál), vagyis kis térfogatban, kis tömegben sok energiát tudunk majd elektromos formában tárolni (és gyorsan fogjuk tudni feltölteni is), akkor a járművek esetében a gázok macerás tárolása cseppfolyós/komprimált formában okafogyottá válik.