Еще раз про газ

Автор: Г.С. Яицких, П.А. Вахрушин (АО «ИПН»), К.Э. Колесников (ООО «Би.Cи.Си»)

Опубликовано в журнале Химическая техника №8/2017

Современное мировое сообщество особой целью для себя ставит повышение эффективности использования энергетических ресурсов и улучшение экологической ситуации в мире. Основными инициаторами развития этих направлений являются густонаселенные страны Европы, не имеющие, по сути, собственных запасов энергоресурсов. Около 30% мирового энергопотребления (более 22% для РФ) приходится на транспортный сектор [1], в котором с целью повышения эффективности и экологичности потребления энергоресурсов активно развиваются и внедряются альтернативные источники энергии, преимущественно биотопливо, газомоторное топливо (ГМТ) и электроэнергия. В 2011 г. Еврокомиссия приняла «Стратегию по транспорту», устанавливающую, что к 2050 г. в городах Европы не должно остаться автомобилей, использующих бензин и дизельное топливо (ДТ) [2].

В мире каждый год увеличивается количество выпускаемых транспортных средств на альтернативных источниках энергии, а как следствие и доля использования этих источников в общем энергопотреблении на транспорте [3]. На рис. 1 представлена динамика продаж автомобилей на альтернативных источниках энергии в Европе. ГМТ в настоящее время является наиболее востребованным альтернативным видом топлива, что объясняется наличием ряда преимуществ перед традиционными и альтернативными видами топлива. Для России основным стимулом развития внутреннего рынка газомоторного топлива является необходимость диверсификации направлений сбыта природного газа, связанная с замедлением роста спроса на природный газ со стороны европейских стран и снижением мирового уровня цен на энергоресурсы.

ГМТ можно разделить на три вида топлива:

• сжиженный углеводородный газ (СУГ), представляющий собой смесь пропана и бутана, получаемый в основном из нефти;
• компримированный природный газ (КПГ) – преимущественно метан, сжатый до давления 20…25 МПа;
• сжиженный природный газ (СПГ) – преимущественно метан в жидком состоянии, что обеспечивается следующими условиями: давление до 0,5 МПа и температура до –161,5°С.

СУГ уже сейчас является достаточно распространенным видом автомобильного топлива, однако из-за большого спроса на него как со стороны автомобильного транспорта, так и со стороны других потребителей (бытового сектора, нефтехимической промышленности и пр.), диктующего повышение цен на СУГ, уже сейчас начинает представлять большой интерес использование КПГ и СПГ в качестве автомобильного топлива. Мировой среднегодовой прирост автомобилей на КПГ и СПГ – 26%, мировой спрос на природный газ для транспорта в 2012 г. составил 42 млрд. м3 и может вырасти до 200 млрд. м³ в 2020 г. [4]. Такое стремительное развитие рынка ГМТ обосновано рядом экономических и экологических преимуществ использования природного газа.

Преимущества применения природного газа

Низкая стоимость применения КПГ и СПГ в двигателе определяется следующим:

• существенно более низкой ценой на КПГ и СПГ по срав-нению с СУГ, бензином и дизельным топливом – цены различаются в 2–4 раза [5–7];
• более низким удельным расходом топлива – на 10–15% меньше по сравнению с расходом жидкого топлива [6,8].
  

Экологичность природного газа (рис. 2) в сжатом и сжиженном состоянии объясняется рядом его свойств [8]:

1. Полнота сгорания природного газа: снижение выбросов СО, сажи, углеводородов (УВ), в том числе полиароматических;

2. Равномерное распределение топлива в цилиндре и, как следствие, отсутствие зон перегрева: снижение выбросов оксидов азота;

3. Сравнительно низкое относительное содержание углерода в метане – 75% (для бензина этот показатель равен 85%, для дизельного топлива – 87%): снижение выбросов СО₂.

Более длительный срок службы двигателя, работающего на природном газе, что обусловлено исключением образования вредных отложений в двигателе, уменьшением трения и износа, а также высокими антидетонационными свойствами метана (что положительно сказывается на продолжительности работы бензиновых двигателей). По разным источникам ресурс хода двигателя увеличивается в 1,5–2 раза [6, 7].

Недостатки применения природного газа

Главным недостатком, препятствующим широкому применению КПГ и СПГ в автомобильном транспорте, является слабо развитая инфраструктура. Объем реализации КПГ в России в 2015 г. составил 433 млн. м³, в то время как в Иране, главном потребителе КПГ, общий спрос достиг 6 млрд. м³ [1, 5, 6]. Парк автомобилей, работающих на КПГ, в Иране составляет более 3 млн., в то время как в РФ таких автомобилей насчитывается около 110 тыс. [9]. Слабая инфраструктура, представленная 270 АГНКС (автомобильные газонаполнительные компрессорные станции) сильно замедляет рост спроса на газомоторную технику и как следствие на ГМТ. Нужно также отметить высокую стоимость строительства АГНКС по сравнению со стоимостью автомобильной газозаправочной станции СУГ (АГЗС): АГНКС стоит в 5–7 раз дороже АГЗС [4].

Другими недостатками являются более низкие технические характеристики газомоторных транспортных средств по сравнению с традиционными [6–8]:

• уменьшение мощности двигателя и максимальной скорости движения автомобиля, работающего на ГМТ;
• увеличение массы транспортного средства и уменьшение его багажного отделения (для легковых автомобилей) из-за необходимости установки газового баллона;
• уменьшение запаса хода автомобиля на одной заправке;
  
• необходимость периодического освидетельствования баллонов высокого давления.

Из этих недостатков наиболее значимым является уменьшение запаса хода, который также усугубляется малоразвитой инфраструктурой заправки ГМТ.

Мнимые недостатки

Использование природного газа в качестве моторного топлива небезопасно? На самом деле это мнение ошибочно по трем причинам [6, 9]:

• температура самовоспламенения метана 537°С, в то время как температура самовоспламенения бензина 250…370°С;
  
• нижний предел взрываемости метана составляет 5% против 1% для автомобильного бензина;
• метан легко улетучивается в случае утечки, так как он легче воздуха.

Транспортные средства на ГМТ дорого стоят, переоборудование обычных транспортных средств – также дорогостоящее мероприятие и практически не окупается? Это мнение тоже ошибочно. Стоимость переоборудования легкового или малотоннажного грузового автомобиля на КПГ составляет около 100 тыс. руб. Экономия с каждых 100 км пробега для таких автомобилей составит около 200…250 руб. Таким образом, установка оборудования окупится уже через 40…50 тыс. км. Установка оборудования для ГМТ на грузовой транспорт, автобус или сельскохозяйственную технику обойдется в 300 тыс. руб. При экономии с каждых 100 км по 400…500 руб. установка оборудования должна окупиться через 60…75 тыс. км. Переход на ГМТ будет особенно выгоден для потребителей, активно использующих транспортные средства: предприятий ЖКХ, общественного транспорта, сельского хозяйства, компаний занимающихся грузо- и пассажироперевозками и др. [7].

Таким образом, расширение использования ГМТ в России сдерживается, в основном, недостаточно развитой инфраструктурой. Мировое сообщество уже накопило большой опыт мероприятий по государственной поддержке рынка ГМТ (табл. 1), опираясь на который, России крайне желательно выстроить собственную стратегию развития этого рынка на своей территории [6, 8, 10]. Основные принципы стимулирования развития ГМТ в России отражены во многих правительственных документах:

• Энергетическая стратегия России: к 2020 г. газовые виды топлива должны заменять до 10…12 млн. т нефтепродуктов/год;
  
• ФЗ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» от 23.11.2009;
• Постановление Правительства Российской Федерации и инициатива ПАО «Газпром» по финансированию создания необходимой инфраструктуры в 2013 г.

Можно предложить ряд дополнительных мер государственного стимулирования, оптимальных в условиях РФ:

• обязательное приобретение бюджетными организациями, а также предприятиями общественного транспорта автомобилей на ГМТ;
  
• применение налоговых и кредитных льгот ко всем участникам рынка газомоторного топлива;
• субсидирование переоборудования автомобилей под ГМТ, а также частичная или полная компенсация разницы в стоимости автомобилей на жидком и газовом топливе.
  

Кроме автомобильного транспорта потребителями газомоторного топлива могут быть судовой и железнодорожный транспорт. Первые суда на КПГ были произведены в Австралии в 1982 г., в Канаде в 1985–1988 гг., в Голландии в 1994–2000 гг. На СПГ первые суда, не относящиеся к классу газовозов, были построены в Норвегии в 2000–2003 г. (сейчас норвежская компания Statoil приступила к серийному производству судов на СПГ), в 2008 г. в Бразилии, в 2009–2010 гг. в Китае (применены в Тайланде) [11, 12]. В 2011 г. Швеция, Финляндия, Дания и Эстония подписали соглашение с комиссией ЕС по развитию транспортных систем Европы (TEN-T) по осуществлению проекта «LNG in Baltic Sea Ports» [2]. Также Бельгией и Данией при поддержке ЕС был разработан проект «LNG infrastructure of filling stations and deployment in ships». Целью этих проектов является широкое внедрение судов на СПГ в Балтийском регионе. Нужно отметить и проект COSTA для Средиземного моря (Испания, Великобритания, Португалия, Италия, Греция). В мире сейчас эксплуатируется около 60 судов на СПГ, не относящихся к классу газовозов [13]. В 1995 г. Ленинградским институтом водного транспорта были выполнены успешные эксплуатационные испытания первого в России пассажирского судна на природном газе на базе «Нева-1».

Что касается железнодорожного транспорта, то в настоящее время ОАО «РЖД» заинтересовано в переводе своих локомотивов на СПГ. Уже создан газотурбовоз ГТ-1, работающий на СПГ, который может заменить собой четы-ре дизельных локомотива [11]. К 2030 г. РЖД планирует снизить потребление дизельного топлива почти на треть [14]. Парк газомоторных локомотивов при этом должен увеличиться до 46 единиц.

СПГ или КПГ?

Мировой опыт и мнения экспертов указывают на перспективу использования СПГ на судовом и железнодорожном транспорте, в первую очередь за счет меньших размеров газобаллонного оборудования для СПГ по сравнению с КПГ [11, 12]. В случае применения СПГ и КПГ на автомобильном транспорте победу, скорее всего, одержит тот вид топлива, инфраструктура которого будет более развита, так как стоимость установки оборудования и величина экономии на топливе для обоих видов ГМТ будет примерно одинаковой [9, 15]. Стоимость строительства АГЗС, раздающей СПГ, по мнению некоторых зарубежных экспертов, ниже стоимости АГНКС, потому что АГНКС предполагает наличие дорогостоящего компрессорного оборудования, в то время как для АГЗС это оборудование необязательно. Производство СПГ может осуществляться на так называемых мини-СПГ заводах и транспортироваться газовозами до газозаправочных станций.
В настоящее время в России активно развивается малотоннажное производство сжиженного природного газа (табл. 2) [11]. Эти тенденции могут привести к созданию развитой инфраструктуры для газомоторного транспорта, работающего на СПГ, что может послужить сильным толчком к повсеместному переходу на газомоторное топливо.

Однако необходимо отметить, что при длительном хранении в топливном баке автомобиля (в режиме покоя) происходит постепенный нагрев СПГ и его неизбежные потери в окружающую среду. Например, оставленный под окнами многоэтажного дома на длительное время автомобиль (отпуск, болезнь, командировка) может «порадовать» неповторимым запахом серосодержащего одоранта жителей верхних этажей, особенно в летнее ночное время, а загулявший отпускник может быть удивлен отсутствием топлива в автомобиле.

Совмещенная газораспределительная
станция (ГРС) и АГНКС

Значительные преимущества КПГ могут быть получены при функциональном совмещении ГРС и АГНКС [16]. ГРС является неотъемлемой частью систем газоснабжения городов, поселков, теплоэлектростанций и промышленных предприятий, где используется газ под давлением 0,2…0,6 МПа, в то время как давление в магистральном газопроводе чаще всего около 5,0 МПа. Сегодня в России более 3500 ГРС, и только на нескольких из них смонтированы устройства, позволяющие утилизировать пневматическую энергию дросселируемого газа.

Компримирование меньшей части газа до 2,0…2,5 МПа основным потоком (80–90%), теряющим давление до 0,2… 0,6 МПа, позволяет без дополнительных затрат электрической (и тепловой) энергии, осуществлять заправку автотранспорта с существенно меньшими финансовыми затратами, что повышает привлекательность КПГ (рис. 3) [17].

Заключение

Переход на альтернативное моторное топливо, особенно на природный газ, с каждым годом набирает все большие обороты. Предполагается, что развитие технологий в области газомоторного топлива позволит уже в ближайшем будущем сократить расходы на производство, хранение, транспортировку и поставку ГМТ потребителям, что сделает природный газ еще более привлекательным видом топлива. Кроме того, активным катализатором процесса перехода на газомоторное топливо может стать государственное стимулирование. Расширение применения ГМТ в РФ экономически целесообразно; наиболее важным на данный момент является интенсификация развития этого направления со стороны всех участников рынка: производителя, потребителя и государства.

 

Список литературы

1. Литвиненко В.В. Предпосылки развития внутреннего рынка сжиженного природного газа (СПГ) в качестве газомоторного топлива в Российской Федерации//Ученые записки Международного банковского института. 2016. №16. С. 148–158.

2. Бабич С.В., Краевая А.С., Султанова А.И. Роль российского природного газа в решении проблем развития ГМТ Европы//Сб. научных статей «Развитие экономики в нестабильной международной политической ситуации». Санкт-Петербург, 2016. С. 16–18.

3. European vehicle market statistics (Pocketbook 2016/17)// ICCT. 63 c.

4. Каминский А.В. Перспективы использования газомоторного топлива в России//Вестник Академии. 2013. №3. С. 70–74.

5. Линниченко П.С. Оценка экономического эффекта от перевода автомобильного транспорта предприятия на компримированный природный газ//Вестник Самарского экономического университета. 2014. №11. С. 72–76.

6. Хисамутдинов А.М., Мухаметярова А.Р. Использование компримированного природного газа в качестве моторного топлива//Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 2014. №3. С. 106–115.

7. Николайчук Л.А., Дьяконова В.Д. Современное состояние и перспективы развития рынка газомоторного топлива в России//Интернет-журнал «Науковедение». 2016. №2. С. 1–9.

8. Грязнов М.Б. Применение газомотороного топлива в Российской Федерации: проблемы и перспективы//Вестник Финансового университета. 2013. №4. С. 21–31.

9. Грачев И.Д., Шарапов М.М. Газомоторное топливо как альтернатива традиционным источникам потребления двигателей//Экономика природопользования. 2014. №10. С. 55–62.

10. Никонов И.Д. Методы стимулирования развития рынка газомотороного топлива в Российской Федерации//East European Scientific Journal. 2016. №11. С. 123–125.

12. Беляева М.А., Алексеева Е.В. Перспективы использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива//Молодежный научно-технический вестник. 2016. №7. С. 27.

13. Безюков О.К., Жуков В.А., Ященко О.И. Газомоторное топливо на водном транспорте//Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2014. №6. С. 31–39.

14. Гусев Д.Е., Горохова, В.В. Перспективы использования газомоторного топлива на СВП//Интернет-журнал широкой научной тематики. 2016. №5. С. 1–5.

15. Железнов Д.В., Ляшенко В.В., Муратов А.В. Проблемы и перспективы перевода тягового подвижного состава железных дорог на газомоторное топливо//Вестник транспорта Поволжья. 2016. №1. С. 16–20.

16. Корягин М.Е., Декина А.И. Энергосбережение сельскохозяйственной отрасли Кемеровской области: анализ состояния и перспективы развития//Достижения науки и техники АПК. 2015. №2. С. 53–56.

17. Патент RU 144254. Совмещенная газораспределительная и газонаполнительная станция.

18. Миркин А.З., Яицких Г.С., Краснов А.В., Яицких В.Г. Совмещение ГРС и АГНКС обеспечит значительный экономический эффект//Oil&Gas Journal Russia. 2014. №8. С. 80–82.