1 стр. из 1

До сих пор основной акцент в переводе автотранспорта на природный газ делается на использование сжатого (компримированного) газа (КПГ). Однако, отмечая некоторый прогресс в этой области, следует отметить, что применение КПГ в качестве альтернативного моторного топлива имеет ряд внешних и внутренних недостатков, которые в значительной мере продолжают сдерживать его широкое применение на автомобильном транспорте.

Сжиженный природный газ — моторное топливо XXI века

К внешним недостаткам относятся слабо развитая инфраструктура автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) (около 200 единиц на огромной территории РФ), невозможность создания широкой сети гаражных мини-АГНКС, расположенных на территориях автохозяйств (существующая нормативная база по безопасной эксплуатации требует выполнения условий размещения АГНКС на расстоянии не менее 60 м от других сооружений и объектов) и т. д. Внутренние недостатки связаны с переоснащением автомобилей на КПГ и использованием газобаллонного оборудования, приводящим к увеличению массы топливной системы автомобиля, уменьшению пробега на одной заправке, необходимости периодического освидетельствования баллонов высокого давления и т. д. Так, например, в обычном металлическом баллоне (40 л) при Р=15 МПа (150 кг/см2) содержится около 6 м3, или 4,3 кг газа. Вес тары достигает 70–80 кг, т. е. на долю полезного груза (ПГ) приходится всего 5,5% от общего веса заполненного баллона. В среднем для грузовой машины грузоподъемностью 4,5 т расход ПГ составляет около 250 г на 1 км пути, т. е. одного баллона газа хватает на 16 км пробега. Поэтому, как правило, на автомобиль необходимо устанавливать не менее 8 баллонов высокого давления. При увеличении давления сжатия масса баллонов растет примерно пропорционально плотности сжатого газа, из-за чего добиваться таким способом значительного снижения массы системы его хранения невозможно. Эффективнее использовать более прочные конструктивные материалы, например, армированные стеклопластиковые баллоны, которые имеют массу в 4–4,5 раза меньшую, чем стальные. Однако и стоимость топливной системы автомобиля с этими баллонами, соответственно, также возрастает в 4–5 раз.

Приведенные выше недостатки использования КПГ как моторного топлива показывают, что технологические сложности и риск такого применения природного газа на транспорте полностью переносятся на потребителя. Поэтому даже в условиях многолетнего силового административного давления, льгот по оплате и массированной рекламе, широкого применения КПГ на автотранспорте, особенно частном, не наблюдается.

Значительная часть проблем отпадает с переходом на жидкий природный газ (СПГ). Сжижение уменьшает объем газа, занимаемый в обычных условиях, почти в 600 раз, хранить его можно практически при атмосферном давлении, что позволяет, по сравнению со сжатием газа, уменьшить массу системы хранения ПГ на автомобиле в 3–4 раза, а объем — в 1,5–3 раза. Для грузового автомобиля ЗИЛ-138А, конвертированного на природный газ и оборудованного криогенной емкостью объемом 300 л СПГ, пробег на одной заправке увеличивается в 1,8 раза, а суммарная масса оборудования и топлива уменьшается на 570 кг по сравнению с тем же автомобилем, работающим на КПГ.

Однако, при всей его перспективности в России, применение СПГ на транспорте сдерживается, в основном из-за отсутствия развитой инфраструктуры. Широкое использование напрямую зависит от доступности (с точки зрения издержек) и эффективности заправочных станций СПГ, которые должны обеспечивать такую же простоту в получении и возможности заправки автомобилей СПГ, как и обычным нефтяным топливом.

До настоящего времени производство СПГ для автомобильного транспорта планировалось организовать только за счет создания крупных ожижительных установок на существующих газораспределительных станциях (ГРС) и АГНКС путем их дооснащения необходимым технологическим оборудованием, обеспечивающим получение свыше 500 кг/ч СПГ. Предлагаемые технологии ориентированы на использование избыточного давления магистральных газопроводов и применение традиционных дроссельно-детандерных и вихревых принципов сжижения газа.

В целом, необходимо признать, что такой подход приемлем для газификации отдаленных районов и создания запасов газа для пиковых нагрузок. В отношении обеспечения автомобильного транспорта СПГ как моторным топливом предлагаемые решения имеют больше негативных факторов, чем положительных, а именно:
 -  неравномерность и рассредоточенность станций по производству СПГ на основе АГНКС и ГРС по огромной территории России;
 -  необходимость создания индустрии производства и сервисного обслуживания криогенных газозаправщиков (метановозов), обеспечивающих доставку СПГ от АГНКС и ГРС к удаленным потребителям;
 -  удаленность АГНКС и ГРС от гаражей и автопредприятий вызовет перерасход топлива и увеличение эксплуатационных затрат только на заправку;
 -  незначительное количество АГНКС и ГРС при массовом переводе автотранспорта на СПГ приведет к проблеме очередей;
 -  значительные потери СПГ при заполнении криогенных метановозов и заправке с их помощью автомобилей (до 40%) и т. д.
 
Для того чтобы убедить значительную часть руководителей автотранспортных предприятий России в переводе своего парка на использование СПГ, необходимо сделать технологию его применения как максимально понятной с технической точки зрения, так и экономически привлекательной.

Безусловно, только наличие широкой сети заправочных станций СПГ, расположенных непосредственно на территории многочисленных и рассредоточенных на больших пространствах РФ автопредприятиях, позволит говорить, что сжиженный природный газ действительно является «моторным топливом ХХI века».

Поэтому для быстрого и широкомасштабного перевода автотранспорта РФ на СПГ необходимо создать такую инфраструктуру его получения, хранения и заправки, которая бы учитывала специфику общественного и промышленного транспорта крупных российских городов (удаленность от АГНКС и ГРС), обеспечивала бы низкую себестоимость топлива, была бы независима от внешних поставщиков и исключала бы промежуточные звенья доставки. Данная инфраструктура должна включать в себя как крупные городские комплексы производства и заправки СПГ, так и гаражные заправочные станции, расположенные непосредственно в автохозяйствах. При этом основная нагрузка по обеспечению автотранспорта СПГ должна ложиться именно на гаражные заправочные станции, а городские комплексы будут предназначаться только для дозаправки промышленного и общественного транспорта при ее эксплуатации в черте городов и при междугородних перевозках.

Проведенные исследования показали, что высокоэффективные гаражные заправочные станции СПГ могут быть созданы за счет применения криогенных машин Стирлинга (КГМ Стирлинга). В настоящее время создан необходимый научно-технический и патентный задел, обеспечивающий решение данной проблемы в кратчайшие сроки.

КГМ Стирлинга относятся к ожижителям, действие которых основано только на внешнем охлаждении. Процесс ожижения природного газа идет при атмосферном давлении, без его предварительного сжатия. Это позволяет делать, с одной стороны, установки по сжижению на основе КГМ Стирлинга компактными и простыми в обслуживании, а, с другой стороны, учитывать уникальную особенность транспортировки природного газа в России, а именно — наличие широкой сети продукционных газопроводов низкого давления (от 0,1 до 0,6 МПа) практически в каждом населенном пункте — от крупных промышленных городов до небольших поселков.

Важной особенностью КГМ Стирлинга является возможность сжижения 100% подаваемого газа низкого давления, в отличие от ожижителей традиционного типа (дроссельно-детандерных установок и вихревых труб), для работы которых необходимо высокое давление и наличие продукционных газопроводов для сброса несжижившейся части (до 97%) первичного газа. При этом эффективность цикла сжижения природного газа с использованием КГМ Стирлинга практически в 2–2,5 раза выше, чем у простых дроссельных и детандерных циклов.

КГМ Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств, при этом вымораживание примесей обеспечивается на специальном устройстве — вымораживателе, в результате чего без дополнительных затрат на химическую очистку получается жидкий продукт, соответствующий требованиям ТУ 51-03-03-85 и ГОСТ 27.577-87 на моторное топливо.

Использование стирлинг-технологий позволяет разработать принципиально новую Концепцию создания инфраструктуры производства СПГ для автомобильного транспорта РФ, которая может быть реализована в кратчайшие сроки. Предлагаемая инфраструктура основана на разумном сочетании небольшого количества крупных муниципальных заправочных комплексов и многочисленных малогабаритных заправочных пунктов и станций, расположенных непосредственно в гаражах частных владельцев и автохозяйств, которые в своей совокупности формируют широкую сеть обеспечения СПГ потребителей.

Основными элементами такой инфраструктуры будут являться:
 -  индивидуальные заправочные пункты производительностью до 50 л/ч СПГ;
 -  гаражные заправочные станции производительностью до 700 л/ч СПГ;
 -  городские (муниципальные) комплексы по сжижению природного газа производительностью свыше 1 т/ч СПГ.
Индивидуальные заправочные пункты. Оснащаются серийно выпускаемыми одноцилиндровыми КГМ Стирлинга.

Могут быть расположены:
 -  на территории коттеджных участков и загородных вилл (для заправки от 1 до 10 автомобилей типа «Волга» в сутки);
 -  в фермерских хозяйствах (для заправки до 5 единиц автотракторной техники);
 -  на удаленных или отдельно расположенных государственных объектах с небольшим количеством автотранспортных средств (таможенные пункты, лесные кордоны и т. д.)
 
Для фермерских хозяйств и других объектов, где нет электроснабжения, в качестве привода предусмотрен газовый двигатель.

Основными источниками природного газа для ИЗК СПГ являются продукционные газопроводы с давлением от 0,1 до 0,6 МПа. Для потребителей, расположенных вне зоны действия существующих газопроводов, предполагается использовать емкости с привозным КПГ. Для этого на месте расположения комплекса создается баллонный модуль. Для заправки часть газа сжижается, остальная часть газа продолжает храниться в компримированном виде. По мере опорожнения баллонов производится их замена.

Гаражные заправочные станции. Создаются с учетом количества и типа транспорта в автохозяйстве. Это может быть таксомоторный парк с легковыми автомобилями «Волга», автобусный парк, автопредприятие с грузовыми автомобилями или гараж промышленного предприятия. Основными источниками топлива для таких станций являются продукционные и магистральные газопроводы с давлением от 0,1 до 7 МПа.

На основе многоцилиндровых КГМ гаражные станции могут создаваться с производительностью до 700 л/ч СПГ.

В настоящее время осуществляется проект создания первой в России и в мире гаражной криогенной заправочной станции СПГ (КриоАЗС). Реализация проекта рассчитана на два этапа. Первый этап включает в себя создание опытно-промышленного образца унифицированного блока по сжижению мощностью 80 л/ч СПГ. В состав блока входит 4 одноцилиндровых КГМ Стирлинга. Второй этап включает в себя создание КриоАЗС на ЗАО «41 автокомбинат г. Москвы».

Крупные городские (муниципальные) комплексы. При создании установок с производительностью свыше 1 т/ч СПГ может быть применен новый цикл сжижения, разработанный автором данной статьи и основанный на принципе комбинированного внутреннего и внешнего охлаждения природного газа. Внутреннее охлаждение достигается за счет изобарного расширения природного газа и его частичного ожижения, после чего неожиженная часть, представленная в виде насыщенных паров низкого давления, подвергается внешнему охлаждению в конденсаторах КГМ Стирлинга. Данный цикл может быть использован на существующих АГНКС и газораспределительных станциях.

С другой стороны, для крупнотоннажного производства СПГ могут быть использованы мощные КГМ Стирлинга зарубежного производства. Так, криогенная машина РРG-2500 (фото 4) при давлении поступающего газа 2 МПа способна обеспечивать производство более 6 т СПГ в сутки. При монтаже этой КГМ к ней требуется подвести только электроэнергию, охлаждающую воду и природный газ. Пусковой период длится менее 30 мин. и осуществляется автоматически. Фирма-производитель гарантирует наработку на отказ в течение 8000 ч и моторесурс до ремонта не менее 20 тыс. часов.

Расчет эффективности и срока окупаемости

Технико-экономические показатели и экономическую эффективность производства и применения взаимозаменяемых моторных топлив следует рассчитывать с учетом полных затрат (капитальных, эксплуатационных и т. д.) по сферам их возникновения, к которым относятся добыча и транспорт сырья; производство самих топлив; топливоснабжение потребителей; производство автотракторной техники с учетом специфики применения альтернативных топлив; эксплуатация автотракторной техники с учетом изменения технико-эксплуатационных показателей, связанных с качеством и особенностями применения альтернативных топлив; природоохранные мероприятия, связанные с загрязнением окружающей среды.

Исследования, выполненные специалистами ОАО «Газпром» и ООО «ВНИИГАЗ», показывают, что использование СПГ в качестве моторного топлива, с точки зрения технико-экономической эффективности, значительно выгоднее, чем КПГ. Согласно результатам технико-экономических обоснований и расчетов, выполненных в этих организациях, система производства, хранения и распределения СПГ имеет более приемлемые показатели, чем аналогичная система для КПГ. Так, при масштабном производстве СПГ удельные капиталовложения на 25–30%, себестоимость на 40%, а суммарные приведенные затраты на «производство-доставку-распределение» для СПГ на 10–30% ниже, чем на аналогичные системы для КПГ.

Принимая во внимание вышеприведенные данные, технико-экономический расчет (ТЭР) эффективности и срока окупаемости заправочной станций производительностью 80 л/ч СПГ на основе стирлинг-технологий строился с учетом всех видов затрат на создание и эксплуатацию заправочной станции, а также затрат на переоборудование автотракторной техники на СПГ. Особенностью ТЭР является отсутствие транспортных затрат на доставку СПГ, поскольку его производство обеспечивается непосредственно в автохозяйствах.

Исходные данные для расчета себестоимости производства СПГ и срока окупаемости гаражных заправочных станций на основе КГМ Стирлинга:
 -  пробег автомобиля в год (ЗИЛ-130) — 30 000 км;
 -  расход бензина за год, при норме 30 л на 100 км — 9 000 л;
 -  стоимость 1 л бензина — 15 руб.;
 -  расход СПГ за год при норме расхода СПГ 40 л на 100 км — 12 000 л;
 -  стоимость переоборудования автомобиля на СПГ — 60 000 руб.,
 -  количество переводимых на СПГ автомобилей ЗИЛ-130 — 38 шт.
 
Предварительные расчеты показали высокую экономическую и экологическую эффективность предлагаемого оборудования. Так, срок окупаемости гаражных заправочных станций СПГ составляет не более 3 лет, а себестоимость СПГ в 2,5 раза дешевле эквивалентного количества бензина. ТЭР был произведен при использовании различных типов КГМ, производимых как у нас в стране, так и за рубежом, а также рассмотрены варианты единичного и серийного производства заправочных станций с КГМ Стирлинга. Результаты расчета представлены в табл.

Табл. Результаты технико-экономического расчета

Результаты ТЭР представлены для автомобиля ЗИЛ-130 с учетом цен на газ и дневного тарифа на электроэнергию в Санкт-Петербурге на 1.02.06. Однако практически на всей территории РФ определена разница в стоимости электроэнергии в ночное и дневное время. Данная величина колеблется в зависимости от региона России от 2 до 4 раз. Поэтому, учитывая эту разницу и сравнительно небольшие объемы СПГ, сжижение природного газа целесообразнее осуществлять в ночное время. В этом случае себестоимость СПГ, получаемого в автохозяйства на основе стирлинг-технологий, может быть дополнительно снижена практически на 20–30%. Более того, использование СПГ в качестве моторного топлива позволяет увеличить ресурс работы двигателя на 15%, а срок службы моторных масел — на 15–20%.

Проектом рассматриваемого Государственной Думой РФ Федерального закона «Об альтернативных моторных топлив…» устанавливаются обязательные для большинства автотранспортных предприятий нормы по переводу автомобилей на газовое топливо — до 20% грузовых автомобилей, автобусов, муниципальных легковых автомобилей и такси за 10 лет. Создание собственных заправочных комплексов СПГ на основе КГМ Стирлинга позволит любому автохозяйству РФ проводить независимую поэтапную политику перевода своего автомобильного парка на СПГ.

Применение стирлинг-технологий позволяет, с одной стороны, создавать высокоэффективные заправочные станции необходимой производительности, доступные по своей стоимости значительной части автохозяйств РФ и состоятельным частным пользователям, а, с другой стороны, сделать применение СПГ в качестве моторного топлива таким же простым и легким, как и традиционными нефтяными видами топлива.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!