Taustaa Ensimmäiset varsinaiset polttomoottorit olivat kaasukäyttöisiä. Kaasu jäi kuitenkin taka-alalle nestemäisten polttoaineiden yleistyttyä. Useimmat moottorivoimalat toimivat vielä dieselöljyllä tai raskaalla polttoöljyllä, mutta maakaasu on yleistyvä polttoaine. Moottorien tiukkenevat päästörajat tasoittavat tietä kaasumoottoreille. Etenkin hiukkaspäästöt ovat kaasumoottoreissa pienemmät kuin dieselmoottoreissa.
Maakaasun ja nestekaasun ohella mahdollisia polttoaineita ovat puukaasu ja jätevedenpuhdistamoiden sekä maatilojen tuottama biokaasu. Voimaloiden koko vaihtelee muutamasta kymmenestä kilowatista yli sataan megawattiin. Lukumääräisesti valtaosa voimalaitoksista on pieniä alle 1 megawatin yksiköitä. Kaasumoottoria käytetään niin sähköntuotannossa, laivoissa kuin taajamien linja-autoissa.
Periaate Polttomoottorissa polttoaine palaa joko sumupisaroina tai puhtaasti kaasumaisessa olomuodossa. Moottorin ominaispiirteenä on, että polttoaine palaa itse koneessa eli sen sylinterissä. Palamiskaasut tekevät työtä liikuttaen mäntä-kiertokanki-kampiakseli mekanismia.
Polttomoottorin perusperiaate on sama sekä nestemäisillä että kaasumaisilla polttoaineilla. Kummallakin polttoaineella palaminen on homogeenista eli palamisilma ja polttoaine ovat samassa olomuodossa (kaasumaisena).
Jaottelua Kaasumoottoreita on puristus- ja kipinäsytytyksellä. Moottorit voidaan siis jakaa diesel- ja otto-moottoreihin. Puristussytytyksellä olevia kaasumoottoreita kutsutaan diesel-kaasumoottoreiksi tai kaksoispolttoainemoottoreiksi. Kipinäsytytyksellä olevia moottoreita on stökiömetrisellä ja laihalla seoksella toimivia. Stökiömetrisellä seossuhteella toimivassa laitoksessa kaasun ja polttoilman seos on lähellä teoreettista.
Toteutetut laitokset ovat pienehköjä eli alle 200 kilowattia. Laihalla seoksella toimivassa laitoksessa polttoilmaa on tavallisesti kaksinkertainen määrä laskennalliseen tarpeeseen.
Etuja ja haittoja Moottorivoimalaitoksen etuja ovat lyhyt rakennusaika, korkea sähköhyötysuhde ja laaja polttoainevalikoima. Kaksoispolttoainemoottoreissa on mahdollista käyttää myös nestemäistä polttoainetta. Lisäksi moottorivoimalan käynnistys on nopeaa, mikä on tärkeää erityisesti varavoimalle.
Kaasumoottoriin voidaan yhdistää lämmön talteenottokattila, jolloin sähköhyötysuhdetta voitaneen nostaa noin 5 prosenttiyksikköä. Diesel-kaasumoottori vaatii suuren kaasunpaineen (250-450 bar), mikä tekee laitoksesta kalliin.
Kipinäsytytteisellä laihaseosmoottorilla on ylletty pieniin pakokaasupäästöihin. Riippumattomuus nestemäisestä sytytyspolttonesteestä pienentää laitosinvestointia ja vähentää käyttökustannuksia. Kyseisen moottorin haittapuolena on täydellinen riippuvuus kaasusta.
Kun polttoaineena on kaasu, kaasumoottori ja kaasuturbiini ovat kilpailevia ratkaisuja; ei tosin aivan pienimmissä kokoluokissa. Kaasumoottorivoimalan investointikustannukset ja normaalisti myös huoltokustannukset ovat korkeammat kuin kaasuturbiinilla. Tosin sähköhyötysuhdekin on korkeampi. Korkea sähkönhinta suosii kaasumoottoreita, kun taas matala kaasuturbiineita.
sivun alkuun
Prosessi Prosessit ovat tyypillisesti 2- tai 4-tahtisia. Yksi työkierto käsittää neljä vaihetta: Aineen imu sylinteriin, puristus, (syttyminen), paisunta ja palokaasujen poisto. Kaksitahtisessa nämä tapahtuvat yhden kierroksen aikana, kun taas nelitahtisessa kahden kierroksen.
Otto-kaasumoottorissa sylinteriin syötetään polttoilman ja kaasun seos, joka sytytetään sähkökipinällä juuri ennen yläkuolonkohtaa. Palo on räjähdysmäistä ja paine työntää männän alas. Mitä enemmän seosta pystytään puristamaan, sitä enemmän saadaan työtä eli parempi hyötysuhde.
Puristuksella on kuitenkin rajansa, sillä seos lämpenee puristuksessa ja lämpö saattaa sytyttää polttoaineen. Tämä niin sanottu nakutusilmiö on moottorille vaarallinen suurien paine- ja lämpörasitusten vuoksi. Stökiömetristä seossuhdetta käytettäessä moottori nakuttaa herkästi.
Savukaasujen puhdistus on tosin helpompaa kolmitoimikatalysaattorilla. Laihaseosmoottorit eivät ole yhtä herkkiä nakuttamaan. Laihalla seoksella vaarana ovat hiilivetypäästöt, jos palaminen on hidasta tai seos ei syty.
Kaksoispolttoainemoottorilla sylinteriin syötetään polttoilman ja kaasun seos, jota mäntä puristaa. Sytytyspolttoaineena käytetään pientä määrää kevyttä polttoöljyä. Juuri ennen yläkuolonkohtaa sytytyspolttoneste syötetään suurella paineella sylinteriin. Puristus on nostanut lämpötilan korkeaksi ja tämä sytyttää sytytyspolttonesteen.
Kaksoispolttoainemoottorissa on olemassa nakutusvaara, sillä sylinterissä puristetaan sekä kaasua että ilmaa. Diesel-kaasumoottorissa nakutusvaara ei ole yhtä suuri, sillä sylinterissä puristetaan vain ilmaa. Kaasu johdetaan sylinteriin korkealla paineella puristuksen lopussa. Sytytyspolttoneste ruiskutetaan hieman ennen kaasua.
Suurimmat kokonaishyötysuhteet ovat seuraavanlaisia:
- kaksoispolttoainemoottori 41-48 %
- diesel-kaasumoottori 45-47 %
- otto-moottoir: stökiömetrinen 35-37 %
- fotto-moottori: laihaseos 42-45 %
Hyötysuhteeseen vaikuttaa myös käyntinopeus ja voimalaitoksen suuruus. Suurilla hidaskäyntisillä kaksitahti-dieseleillä sähköhyötysuhde on noin 50 prosenttia, keskinopeilla runsaat 45 prosenttia ja pienimmillä nopeakäyntisillä runsaat 30 prosenttia. Uusinta kehitystä edustavilla kaasumoottoreilla hyötysuhde on yli 45 prosenttia. Yhdistetyssä lämmön ja sähkön tuotannossa kaasumoottorilaitosten hyötysuhde on 85-90 prosenttia.
Lähdekirjallisuus
Raiko, R., Saastamoinen, J., Hupa, M. ja Kurki-Suonio, I. 2002. Poltto ja palaminen (2. painos). IFRF - Suomen kansallinen osasto. Jyväskylä.
Energia Suomessa - Tekniikka, talous ja ympäristövaikutukset (3. painos). 2004. VTT. Edita Prima Oy. Helsinki.
sivun alkuun