Альтернативные автомобильные топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативные автомобильные топлива

Растущий интерес к альтернативным видам топлива для легковых и грузовых автомобилей обусловлен тремя существенными соображениями:

? альтернативные виды топлива, как правило, дают меньше выбросов, усиливающих смог, загрязнение воздуха и глобальное потепление;

? большинство альтернативных видов топлива производится из неисчерпаемых запасов;

? использование альтернативных видов топлива позволяет любому государству повысить энергетическую независимость и безопасность.

Закон об энергетической политике определяет восемь альтернативных видов топлива. Некоторые из них уже широко используются, другие еще не повсеместно доступны или находятся в экспериментальной стадии. Но все обладают потенциалом для обеспечения полной или частичной замены бензина и дизельного топлива. К таким видам топлива относят: спирт, биологическое топливо, газ, водород, топливные элементы, электричество.



1. Спирты

Этанол (этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, часто в просторечии просто «спирт» или алкоголь) - C₂H₅OH или CH₃-CH₂-OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Существует 2 основных способа получения этанола-микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Известный с давних времён способ получения этанола - спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т.п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий (образование в клетках растений виноградного сахара происходит в соответствии с уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О + энергия = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Этот процесс называется фотосинтезом, потому что необходимую для него энергию дает солнечный свет). Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и прочее. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C₆H₁₂O₆ > 2C₂H₅OH + 2CO₂

В промышленности, наряду с первым способом, используют гидратацию этилена:

CH₂=CH₂ + H₂O > C₂H₅OH.

Первым использовал этанол в качестве моторного топлива Генри Форд, который в 1880 г. создал первый автомобиль, работающий на этаноле. Возможность использования спиртов в качестве моторного топлива была показана также в 1902 г., когда на конкурсе в Париже были выставлены более 70 карбюраторных двигателей, работающих на этаноле и смесях этанола с бензином.

Этанол может использоваться как топливо в т.ч. для ракетных двигателей (так, 70%-й водный этанол использовался в качестве топлива в первой в мире серийной баллистической ракете -- немецкой «Фау-2»), двигателей внутреннего сгорания, бытовых, походных и лабораторных нагревательных приборов (т.н. "спиртовок"), грелок для туристов и военнослужащих. Ограниченно (в силу своей гигроскопичности) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов--Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Топливный этанол делится на биоэтанол и этанол, полученный другими методами (из отходов пластмасс, синтезированный из газа и т.п.).

Биоэтанол -- это жидкое этанол содержащее топливо, получаемое специальными заводами из крахмала, целлюлозо и сахаросодержащего сырья по системе укороченной дистилляции (позволяет получать качество достаточное для использования в качестве топлива) содержит метанол и сивушные масла, что делает его совершенно непригодным для питья. Применяется в чистом виде (точнее в видеазеотропа 96,6%), а чаще в смеси с бензином (так называемый газохол) или дизельным топливом. Производство и использование биоэтанола увеличивается в большинстве стран мира, как более экологичная и возобновляемая альтернатива нефти.

Полноценно использовать биоэтанол способны лишь автомобили с соответствующим двигателемили с универсальным Flex-Fuel (способен потреблять смеси бензин/этанол с любым соотношением). Бензиновый двигатель способен потреблять бензин с добавкой этанола не более 30%, возможно также переоборудование обычного бензинового двигателя, но это экономически нецелесообразно.

Проблемой является недостаточная смешиваемость бензина и дизельного топлива с этанолом, из-за чего последний нередко выслаивается (при низких температурах всегда).

Преимуществом смесей этанола с другими видами топлива перед «чистым» этанолом является лучшая зажигаемость, благодаря низкому содержанию влаги, тогда как «чистый» этанол (марка E100, с практическим содержанием C₂H₅OH 96,6%) является неразделяемым дистилляцией азеотропом. Разделение же иными способами невыгодно. При добавлении этанола к бензину или дизелю происходит выслаивание воды.

Метанол (метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, метилгидрат, гидрооксид метила) - CH₃OH, простейший одноатомный спирт, бесцветная ядовитая жидкость. Метанол - это первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. Современный промышленный метод получения - каталитический синтез из оксида углерода CO и водорода 2H₂ (синтезгаз) при следующих условиях: температура - 250°C, катализатор - смесь ZnO (оксид цинка) и CuO (оксид меди); давление - 7МПа :

CO + 2 H₂ > CH₃OH.

Синтез газ получают газификацией твердого топлива (см. генераторный газ) или каталитической конверсией углеводородов природного газа с водяным паром:

СН₄+Н₂0->СО+ЗН_2..

Преимущества спиртов по сравнению с бензинами:

1) высокая детонационная стойкость;

2) обеспечивается более полное и стабильное сгорание в камере сгорания двигателя, лучше наполнение цилиндров;

3) в результате более полного сгорания меньше выбросы СО и СН с отработавшими газами; намного меньше концентрация полициклических ароматических углеводородов в выхлопных газах;

4) в результате меньшей температуры горения спиртов меньше эмиссия окислов азота;

5) ресурсы получения биоэтанола являются возобновляемыми;

Недостатки спиртов по сравнению с бензинами:

1) теплотворная способность спиртов на 30-40% меньше и как следствие почти в 2 раза больше расход топлива;

2) наличие в спиртах гидроксильной группы ОН повышает их химическую активность, что вызывает коррозию в первую очередь цветных металлов Pb, Sn, Cu, поэтому некоторые детали из меди и цинка заменяются на никелиевые;

3) спирты отрицательно воздействуют на прокладочные материалы бензиновых двигателей;

4) теплота испарения спиртов в 3 раза выше, ниже давление насыщенных паров, практически отсутствуют очень легкие фракции и как следствие у спиртов неудовлетворительны пусковые качества при низких температурах;

5) спирты гигроскопичны, а присутствие воды вызывает коррозию металлов;

6) выше эмиссия альдегидов с отработавшими газами;

7) метанол очень ядовит.

Наиболее часто спирты используются как добавка к бензинам. Оптимальная добавка спирта - от 5 до 20%: при таких концентрациях бензино-спиртовая смесь характеризуется удовлетворительными эксплуатационными свойствами и дает заметный экономический эффект. Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок спиртов, является низкая стабильность бензино-спиртовых смесей и особенно чувствительность их к воде. Различие плотности бензина и спирта и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь ведет к ее немедленному расслоению и осаждению водно-спиртовой фазы. Склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. Например, при содержании от 0,2 до 1,0% (об.) воды в топливной смеси температура расслаивания повышается от -20 до +10°С, т. е. такая смесь практически непригодна для эксплуатации. Для стабилизации бензино-спиртовых смесей используют присадки - пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты.

За рубежом используются топлива под названием газохолЕ10 (10% этанола + 90% бензина), Е85 (85% этанола + 90% бензина), М15 (15% метанола + 85% бензина). В России в соответствии с ГОСТ Р 52201-2004топлива, содержащие5-10% этанола и 90-95% бензина, получили название бензанол.

2. Биологические топлива

Биодизельное топливо представляет собой альтернативный вид топлива на основе растительных масел или животных жиров, даже тех, которые остаются в ресторанах после приготовления пищи. Двигатели транспортных средств можно модифицировать так, чтобы можно было сжигать биодизельное топливо в чистом виде; биодизельное топливо можно также смешивать с углеводородным дизельным топливом и использовать в неадаптированных двигателях. Биодизельное топливо безопасно, поддается биохимическому разложению и снижает содержание веществ, загрязняющих воздух таких как, твердые примеси, монооксид углерода и углеводороды.

Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них - это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз... Производство именно такого топлива, получившее название SunDiesel, начала немецкая химическая компания Choren Industriers при поддержке концернов DaimlerChrysler и Volkswagen. После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора - и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «СО2-нейтрально» по отношению к окружающей среде - при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте. Чистота такой биосолярки тоже играет положительную роль - испытания показали, что она позволяет выполнять нормы токсичности Евро 4 даже тем двигателям, которые рассчитаны только на Евро 3. Конечно, пока литр «солнечной» солярки дороже обычной. По оценкам авторов проекта, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей.

Вторая - это добавление рапсового масла в дизельное топливо. Именно добавление, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. В качестве горючего применяются сложные эфиры рапсового масла, добавляемые в количестве от 5 до 30% в дизельное топливо или используемые самостоятельно (биодизель). Интересно, что в ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин, сульфат калия).

Положительные факторы биодизельного топлива:

- меньше выбросы вредных веществ;

- запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в процессе выращивания;

- в ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия);

Отрицательные факторы биодизельного топлива:

- себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива;

- требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель;

- эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью;

- ниже мощность двигателя и выше расход горючего;

Третий вид биологического топлива - синтетическое горючее. Современные технологии переработки углеводородов позволяют производить синтетическое дизельное топливо и синтетический бензин. В качестве сырья используются отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Особенности разработанных технологических процессов заключаются в том, что из одного и того же сырья могут получаться различные виды топлива. Первое в мире синтетическое дизельное топливо, в 2003-м году, разработала корпорация DaimlerChrysler. Новое топливо, которое разработчики назвали BIOTROLL, производится из древесных отходов, а при его сгорании в атмосферу вообще не выбрасывается углекислый газ. Биотопливо можно смешивать с обычной соляркой, улучшая экологические показатели дизельных двигателей, однако пока не получены точные данные о том, возможна ли эксплуатация современных дизельных двигателей только на новом виде топлива без проведения каких-либо доработок. Первая заправка, на которой можно пополнить баки новым топливом, уже функционирует в Штутгарте.

Преимущества биологического топлива:

- Можно получить требуемые характеристики топлива;

- В синтетическом дизтопливе отсутствует сера;

- Выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании «нефтяного» горючего;

- Запасы сырья неограниченны.

Недостатки биологического топлива:

- Высокие затраты энергии для производства горючего;

- Необходимы значительные вложения средств для создания предприятий по выпуску синтетического топлива и создание структуры накопления, поставки и подготовки сырья.

3. Водород

Водород можно смешивать с природным газом для создания альтернативного вида топлива для транспортных средств, в которых используются некоторые виды двигателей внутреннего сгорания. Водород также используется в транспортных средствах с топливными элементами, работающими на электричестве, вырабатываемом в результате реакции, которая происходит при соединении водорода и кислорода в топливной ячейке.

Тезис "водород - топливо будущего" звучит всё чаще. Большинство крупных автопроизводителей проводит опыты с топливными элементами. Такие экспериментальные автомобили в большом количестве мелькают на выставках. На данный момент существуют два вида применения водорода в автомобилях. Первый - это топливные элементы.

Ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте - сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества. BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ"). Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но низкой (253 градуса Цельсия ниже нуля) температуре. Соответственно, в первом случае нам нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором - мощнейшая теплоизоляция.

Первый вариант более опасен, но зато в таком баке водород может сохраняться долго. Во втором случае безопасность куда выше, но на неделю-другую водородный автомобиль на стоянку не поставишь. Точнее, поставишь, но водород хоть медленно, но будет нагреваться. Давление вырастет, и предохранительный клапан начнёт стравливать дорогое топливо в атмосферу. Mazda выбрала вариант с баком высокого давления, BMW - с жидким водородом.

Немцы понимают все недостатки своей схемы, но сейчас BMW уже экспериментирует с необычной системой хранения, которую будет ставить на следующие свои водородные машины. Пока автомобиль эксплуатируется, из окружающей атмосферы вырабатывается жидкий воздух и закачивается в промежуток между стенками водородного бака и внешней теплоизоляцией. В таком баке водород почти не нагревается, пока испаряется жидкий воздух во внешней "рубашке". С таким устройством, говорят в BMW, водород в бездействующей машине может сохраняться почти без потерь примерно 12 дней. Итак, BMW и Mazda нанесли двойной удар по стану сторонников топливных элементов. Хотя стоимость последних постоянно снижается, а технологии совершенствуются, не исключено, что именно серийные ДВС на водороде откроют новую эру на дорогах планеты. Вот прогноз баварцев. В последующие три года водородные заправки (хоть по одной) построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях. До 2010 года первые двухтопливные авто появятся в магазинах. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч. В 2025 году четверть мирового автопарка будет питаться водородом. Какую пропорцию среди водородных машин составят машины с ДВС и авто на топливных элементах - деликатные немцы уточнять не стали.

4. Электричество

альтернативный биологический топливо преимущество

Электричество может использоваться в качестве альтернативного вида топлива для транспортных средств с питанием от аккумуляторных батарей, или работающих на топливных элементах. Работающие от батарей электрические транспортные средства накапливают энергию в батареях, которые заряжаются путем подключения транспортного средства к стандартному источнику питания. Транспортные средства на топливных элементах работают на электрической энергии, которая вырабатывается за счет электрохимической реакции, имеющей место при соединении водорода и кислорода. Топливные элементы производят электроэнергию без внутреннего сгорания и загрязнения окружающей среды.

Компания Бэйкер начала производить автомобили с электроприводом в 1897 году, но после слияния в 1914 году с компанией Paуx и Ланг отказалась от их производства. В изображенной здесь модели 1902 года Voiturette, которая имела длину примерно 2,4 м, конструкторы Бэйкер использовали прогрессивные технические новинки. Запас хода этой модели был очень ограничен, так как батареи необходимо было подзаряжать каждые 6-8 часов. На основе этой модели был разработан вариант со стреловидной формой корпуса для спортивных гонок - так называемая Торпедо Кид, которая выиграла несколько национальных гонок.

Чем привлекателен электромобиль, наверно, представляет каждый. Тем не менее, мы еще раз напомним об этом. В первую очередь, он почти не дает выброса вредных веществ. Ядовитых газов, попадающих в атмосферу при зарядке и разрядке аккумуляторных батарей, несравненно меньше, чем при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Чтобы отапливать электромобили зимой, на них устанавливают автономные обогреватели, потребляющие бензин или дизельное топливо. Но они, понятно, не загрязняют атмосферу так сильно, как ДВС. Второе преимущество - простота устройства. Электродвигатель обладает очень привлекательной для транспортных средств характеристикой: на малых скоростях вращения у него большой крутящий момент, что очень важно, когда нужно тронуться с места или преодолеть трудный участок дороги. ДВС же развивает максимальный крутящий момент при средних оборотах, поэтому, если требуется большое усилие на малых, его приходится увеличивать с помощью коробки передач. Троллейбусы, например, в таком агрегате не нуждаются. Не требуется он и электромобилю, поэтому управлять им проще, чем автомобилем с механической коробкой передач.

Третье преимущество вытекает из второго. Электромобиль не требует столь тщательного ухода, как обычное авто: меньше регулировок, не потребляет много масла, проще система охлаждения, а топливная (если не считать отопитель) вообще отсутствует.

И все же электромобиль устроен не так просто, как может показаться: ему необходимы сложные преобразователи напряжения и много тяжелых и громоздких аккумуляторов, которые трудно разместить. Да и с экологией дело обстоит не столь блестяще, как это представляется с первого взгляда.

Главный же недостаток, который сдерживает внедрение электромобилей, - малая энергоемкость батарей. Бак с бензином малолитражки весит около 50 кг, обеспечивая запас хода более полутысячи километров. Батареи весят обычно больше 100 кг (а то и несколько сотен), а пробег не превышает 100 км, причем при движении с небольшой скоростью.

5. Природный газ

Природный газ представляет собой альтернативный вид топлива, которое полностью сгорает и уже сейчас повсеместно доступно потребителям многих стран за счет снабжения природным газом домов и производственных объектов. При использовании в транспортных средствах, работающих на природном газе (автомобилях и грузовиках со специально спроектированными двигателями), природный газ дает значительно меньше вредных выбросов, чем бензин или дизельное топливо.

На газе (светильном) поршневые двигатели внутреннего сгорания работали еще в доавтомобильную эпоху. Теперь для питания автомобильных двигателей используют два различных типа газообразного топлива - метан или пропан-бутановую смесь.

Сжатый газ (метан, природный газ, биогаз) достаточно давно используется как горючее для ДВС. Метан - это тот самый природный газ, который по магистральным газопроводам поступает в крупные города и сгорает в конфорках бытовых газовых плит. Так как запасы метана практически неограниченны, он очень дешев. Возможно переоборудование для работы на метане практически любых бензиновых двигателей (карбюраторных, инжекторных) и даже дизельных (хотя объем доработок последних существенно выше и это не всегда экономически целесообразно). Кроме традиционной добычи газа, метан можно получать при переработке органических отходов (биогаз). Но при использовании метана в качестве моторного топлива возникает одна проблема - компактно его можно хранить только в сжатом виде под давлением в 250 атмосфер, для чего нужны очень прочные баллоны. Если делать их из стали, то придется возить с собой батарею баллонов весом до полутора тонн - такой балласт могут взять на борт только грузовики и автобусы, да и то ценой существенного уменьшения грузоподъемности. А ведь при малейших утечках есть еще и проблемы взрывобезопасности.

Преимущества:

- Значительные запасы и возможность получения из возобновляемых источников;

- Меньше токсичность выхлопных газов;

- Конструктивные изменения в бензиновых автомобилях незначительные, но больше, чем при переоборудовании на сжиженный газ.

Недостатки:

- Большие, тяжелые и дорогостоящие газовые баллоны;

- Более высокая по сравнению с преоборудованием на сжиженный газ стоимость работы;

- При транспортировке природного газа возможны его утечки;

Сжиженный газ. Этот вид моторного газообразного топлива распространен куда шире. Это пропан-бутановая смесь - сопутствующий газ, который получают при добыче и переработке нефти (продукты стабилизации газового конденсата, попутный газ при добыче нефти и природный газ (при его переработке). Пропан-бутан можно хранить в сжиженном виде под давлением в 16 атмосфер, а стальной баллон емкостью 50-80 л, который вполне подойдет для обычного легкового автомобиля, весит не более 40-70 килограммов.

Как и дизельное топливо, пропан-бутановая смесь бывает летней и зимней, и вызвано это разделение тоже особенностями сезонной эксплуатации. Дело в том, что пропан испаряется при -45°С, а бутан - при -0,5°С. Летом смесь на 75% состоит из бутана, а на 25% - из пропана, и при низких температурах она просто не сможет перейти в газообразное состояние. Поэтому зимний состав пропан-бутановой смеси содержит 75% пропана и 25% бутана. Запуск карбюраторного двигателя на газе возможен и при отрицательных температурах. Однако специалисты рекомендуют при температуре воздуха ниже +5°С пускать двигатель на бензине и переходить на газ спустя некоторое время. Кроме того, даже летом нужно давать двигателю хоть иногда поработать на бензине - для промывки карбюратора. Если этого периодически не делать, то его жиклеры забиваются смолами и грязью, которые неизбежно сопровождают плохо очищенный отечественный газ. Кстати, в соответствии с сезонной сортностью немного изменяется и антидетонационная стойкость газовой смеси.

Пропан имеет октановое число 110, а бутан - 95, поэтому октановое число пропан-бутана может варьироваться от 99 до 106. Еще одним видом сжиженного газа является диметиловый эфир, который, в ближайшие годы, может стать основной альтернативой дизельному топливу. Диметилэфир - это сжиженный газ, который вырабатывается из природного метана. Он характеризуется высоким цетановым числом (55-60 против 40-55 у нефтяного дизельного топлива) и полным отсутствием сажи в выхлопе. Для использования этого вида топлива не придется создавать новую инфраструктуру АЗС - достаточно сделать их двухтопливными, а на машину поставить комплект газовой аппаратуры. Кстати, эфир вдвое дешевле солярки, но расход его вдвое выше.

Преимущества:

- Цены ниже, чем на бензин (но выше, чем на сжатый газ);

- Возможно переоборудование практически любых бензиновых двигателей внутреннего сгорания;

- Наличие дополнительной топливной системы; - Меньше токсичность отработавших газов.

Недостатки:

- При температуре ниже 0°С (т. е. зимой) необходим запуск и прогрев на бензине;

- Запасы ограничены;

- Дополнительные расходы на установку и обслуживание.

Понимая, что запасы ископаемых энергоресурсов ограничены, а использование ядерных технологий связано со значительным риском и упирается в проблему захоронения радиоактивных отходов, люди все активнее пытаются поставить себе на службу альтернативные источники энергии. Возобновляемые ресурсы обладают в сумме энергетическим потенциалом, в 3 тысячи раз превышающим сегодняшние потребности человечества. Правда, использованию поддается лишь незначительная часть этого потенциала, но даже этого - уже при нынешнем уровне развития техники - достаточно, чтобы перекрыть энергопотребности почти в 6 раз. Одной лишь солнечной энергии хватило бы с лихвой.

И все же инженеры продолжают изыскивать все новые и новые альтернативные энергоресурсы - или возвращаются к старым идеям, некогда признанным бесперспективными и потому отвергнутым, а теперь снова сулящим успех.

Виды газового топлива

Автомобильный парк нашей страны значительно вырос за последние годы и его увеличение продолжается. Связанный с этим рост потребления жидкого топлива на транспорте сопровождается истощением хорошо освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые, расположенные в труднодоступных районах. Это, в свою очередь, приводит к удорожанию, как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов.

Между тем страна располагает большими запасами высококачественного моторного топлива, не требующего для использования в двигателях никакой химической переработки. Речь идет о природном газе. Как моторное топливо, природный газ в натуральном виде превосходит нефтяное топливо. При использовании его обеспечиваются высокие технико-экономические показатели в ДВС, так как природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, создает благоприятные условия смесеобразования и обладает широкими пределами воспламенения в смеси с воздухом. По-видимому, по этой причине первые ДВС делались для работы именно на газе.

В конце 40-х и начале 50-х годов в СССР было освоено производство газобаллонных автомобилей, использовавших сжатый природный газ. Несколько тысяч таких автомобилей в течение нескольких лет эксплуатировались в Украине и Поволжье - районах, достаточно обеспеченных в то время природным газом.

Однако начальный уровень газоснабжения и относительно малый в то время объем добычи газа не позволили расширить применение газобаллонных автомобилей, а возросшая потребность других отраслей промышленности (например, по производству удобрений), не обеспеченных приростом добычи, привела, в конечном итоге, к прекращению выпуска таких машин и изъятия их из эксплуатации.

В настоящее время положение в корне изменилось. Отдельные магистральные газопроводы давно объединены в Единую Систему Газоснабжения, которая густой сетью покрывает всю европейскую часть России, Среднюю Азию, Приморский край и остров Сахалин. И газификация продолжается бурными темпами.

Таким образом, имеется комплекс факторов - от высоких качеств природного газа, как моторного топлива, до эффективного уровня развития Единой Системы Газоснабжения - определяющих широкие перспективы применения газового топлива на транспорте.

Косвенным подтверждением целесообразности использования природного газа в качестве топлива для ДВС служит широкое использование его в Италии, США, Японии, ФРГ, Канаде, Нидерландах и т.д.

Горючие газы, применяемые в качестве моторного топлива для автомобилей, можно условно разделить на три основных вида по условиям специфики содержания, влияющей на возможность использования на разных классах автомобилей (легковых, грузовых, автобусов):

1.Сжиженные нефтяные газы (СНГ).

2.Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ).

3.Сжиженные природные газы (СПГ).

Сжиженные нефтяные газы при нормальных температурах (в диапазоне от -20°C до +20°C) и относительно небольших давлениях (1,0...2,0 МПа - 10...20 кгс/см2) находятся в жидком состоянии. Их основные компоненты - этан, пропан, бутан и весьма близкие к ним непредельные углеводороды - этилен, пропилен, бутилен и их изомер. Эти газы получаются при добыче и переработке нефти и поэтому их называют сжиженные нефтяные газы (СНГ). Комплект газового оборудования для СНГ вместе с баллоном весит от 40 до 60кг и вполне подходит для установки на легковых автомобилях. Объем баллона обеспечивает пробег около 300км, что вполне соизмеримо с расчетным пробегом 400км для автомобиля, работающего на бензине.

Компримированные (сжатые) природные газы (КПГ)при нормальных температурах и любых высоких давлениях находятся в газообразном состоянии. К таким газам относятся метан, водород и др. Наибольший интерес для использования в качестве горючего на автомобильном транспорте представляет метан. Он является основной частью добываемых природных газов и составной частью биогаза, получаемого в результате брожения различных канализационных отходов.

Главным недостатком природного газа, как моторного топлива, является очень низкая объемная концентрация энергии. Если теплота сгорания одного литра жидкого топлива равна, примерно, 31426, то у природного газа при нормальных условиях она равна 33,52-35,62 кДж, т.е. почти в 1000 раз меньше. По этой причине для использования газа в качестве моторного топлива на транспортном средстве его надо предварительно сжать до высоких давлений 20-25 МПа и более и заполнить им специальные баллоны.

Для хранения газа под таким давлением выпускаются баллоны из углеродистых и легированных сталей на давление 15-32 МПа. Каждый баллон в незаполненном состоянии весит более 100кг. Использование их на легковом автомобиле не рационально, так как их вес соизмерим с возможной полезной нагрузкой.

В связи с этим их используют на грузовых автомобилях и автобусах.

Однако, несмотря на то, что применяемые в современной практике баллоны пока тяжелы, они полностью обеспечивают среднесуточный пробег автомобиля и могут применяться повторно при списании автомобиля. В некоторых отраслях техники, применяются армированные пластмассовые сосуды, которые легче стальных в 4-4,5 раза. В этом случае массовый показатель хранения КПГ, хотя и остается ниже, чем у бензина, но отличается от него на величину, малосущественную в практике. Но они очень дороги.

Сжиженные природные газы (СПГ)имеют такое же происхождение и состав, как и компримированные природные газы. Они получаются охлаждением метана до минус 162°C. Хранятся в теплоизолированных емкостях.

Независимо от качества теплоизоляции газосодержащих емкостей (сосуды Дюара), температура в них повышается, а следовательно, этот способ содержания газового топлива может быть использован при интенсивной эксплуатации транспортного средства и его безгаражном хранении, так как периодически требуется сброс давления, т.е. выпуск порции газа.

При переводе автотранспорта на СПГ его низкую температуру возможно использовать для компенсации потерь мощности или кондиционирования воздуха в салоне автомобиля.

Переоборудование автомобиля для работы на СПГ заключается в установке специальной криогенной емкости, небольшого испарителя, использующего тепло выпускных газов, и монтаже газовой топливной аппаратуры, которая аналогична применяемой на газобаллонных автомобилях при работе на КПГ. Затраты на получение СПГ в 2-3 раза больше, чем на получение КПГ. Поэтому сжиженный природный газ целесообразно применять на автомобилях-рефрижераторах, где он может выполнять дополнительные функции хладагента для холодильников и кондиционеров.

Анализ зарубежного опыта использования природного газа

Использование природного газа в качестве моторного топлива активно развивается более чем в 80 странах мира. Особенно широкое применение компримированный природный газ (КПГ) и сжиженный природный газ (СПГ) нашли в таких странах, как Иран, Пакистан, Бразилия, США, Германия, Италия и т.д. Мировой парк автомобилей, работающих на КПГ, ежегодно увеличивается на 25-30%. По состоянию на 2013 год в мире насчитывается уже более 17 млн автомобилей, использующих данный вид топлива, что составляет 1,5% от всего мирового парка (рис. 1). Согласно прогнозу Международного газового союза, парк автотранспорта, использующего в качестве топлива природный газ и сжиженный углеводородный газ, может составить к 2020 году 50 млн единиц, а к 2030 году - более 100 млн. единиц.

Рисунок 1. - Рост числа автомобилей в мире, использующих КПГ в качестве топлива, (тыс.ед.)²

За последние 5 лет объем потребления природного газа в качестве моторного топлива вырос более чем в 3 раза. В соответствии со сценарием развития мировой газовой промышленности, рассмотренному на 20-й Мировой газовой конференции, потенциальное мировое потребление природного газа к 2030 году должно возрасти до 4 трлн. м³.Среди развитых стран по объемам потребления КПГ лидируют Южная Корея и США, где в год потребляется соответственно 1116 млн. м³ и 930,24 млн. м³ природного газа в качестве моторного топлива. В Южной Корее высокое потребление природного газа связано с тем, что более 95% городских автобусов используют именно этот вид топлива. Прогнозируется, что к 2020 году автопарк Германии, использующий КПГ в качестве моторного топлива, вырастет до 6,5 млн. автомобилей и составит примерно 30% от всего автопарка.

Меры стимулирования, которые применяются за рубежом имеют четкое деление на организационные, нормативно-технические и финансовые.

К организационным мерам стимулирования можно отнести следующие:

- Запрет на использование дизельного топлива на автомобилях малой и средней грузоподъемности/пассажировместимости (действует в Пакистане, Южной Корее и Бразилии);

- Запрет на использование нефтяных видов моторных топлив на общественном и коммунальном транспорте (действует во Франции).

Нормативно-технические меры стимулирования, в первую очередь касаются норм технологического проектирования заправочных пунктов - автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), многотопливных АЗС и терминалов бункеровки железнодорожного и водного транспорта. К ним можно отнести:

- Запрет на строительство новых заправочных станций без блока

заправки природным газом (действует в Италии);

- Разрешение на строительство АГНКС в черте городской застройки (действует в Турции, Австрии и Южной Корее).

Финансовые меры сводятся преимущественно к уменьшению размеров сборов в бюджеты различных уровней, а именно:

- Выплата владельцам единовременных премий или компенсация части затрат на переоборудование автомобиля для работы на КПГ (в Италии) или на покупку нового автомобиля, использующего КПГ (в Германии);

- Освобождение владельцев от платежей за парковку (в Швеции);

- Освобождение импортного газозаправочного и газоиспользующего оборудования для КПГ от ввозных таможенных пошлин (действует в странах ЕС и Иране);

- Отказ от ценовой привязки природного газа к нефтяному топливу (в странах ЕС), что позволяет устранить внерыночный механизм регулирования стоимости природного газа и способствует развитию рынка природного газа независимо от рынка нефтяных топлив.

По мнению экспертов, мировой опыт свидетельствует о том, что перевод транспорта на природный газ является приоритетным направлением в части обеспечения устойчивого энергетического развития и экологической безопасности страны.

Состояние и приоритеты дальнейшего развития газового бизнеса в Казахстане

Природный газ -- это ценное комплексное сырье. Сейчас основной прирост потребления газа осуществляется главным образом в химической и нефтехимической промышленности, металлургии, машиностроении и на транспорте.

В Казахстане несколько лет назад (январь 2002 г.) Правительственным постановлением была одобрена Концепция развития газовой отрасли республики на период до 2015 г., в которой обозначены этапы наращивания газодобычи путем ввода в эксплуатацию новых и развития существующих месторождений, газоперерабатывающих и других инфраструктурных объектов. В настоящее время Казахстан целенаправленно идет по пути наращивания газового потенциала, включая добывающие и экспортные мощности. Объем добычи газа ежегодно растет. Так, в 1998 г. нефтегазодобывающими предприятиями республики было добыто 8,9 млрд м³газа, а в 2008 г. газодобыча достигла 33,5 млрд м³, т.е. за 10 лет рост составил 3,8 раза. В 2010 г. объем газодобычи возрастет до 35 млрд м³. По прогнозам, к 2015 г. объем добычи газа достигнет 45-50 млрд м³.

Основным углеводородным компонентом природного газа является метан (СН4), представляющий собой наиболее устойчивое соединение из всех нефтяных углеводородов. В различных, но всегда в небольших количествах в природном газе часто присутствуют также другие парафиновые углеводороды (табл.).

Месторождение, площадь	СН4 (Метан)	С2Н6 (этан)	С3Н8 (пропан)	С4Н10 (бутан)	С4Н10+ высш.	СО2 (углекислота)	N2 (азот)
Камышитовое	86,14	7,96	1,37	0,82	0,27	0,43	3,01
Тажигали	67,41	7,19	3,59	1,19	1,29	4,98	2,70
Жетыбай	85,90	9,20	2,60	1,20	0,10	0,88	0,70
Прорва	86,40	3,50	1,50	3,50	2,60	1,00	1,50
Карачаганак	73,76	5,37	2,65	0,48	0,93	5,45	0,72

Природные газы подразделяют на следующие группы:

1) газ чисто газовых месторождений, представляющий собой сухой газ, почти свободный от тяжелых углеводородов;

2) газы, добываемые из газоконденсатных месторождений, -- смесь сухого газа и жидкого углеводородного конденсата;

3) газы, добываемые вместе с нефтью (растворенные газы). Это физические смеси сухого газа, пропан-бутановой фракции (жирного газа) и газового бензина.

Особенность природных газов -- многообразие процессов, их образовавших, что обусловливает различия их составов, форм проявлений в природе. При этом водород, кислород, оксид углерода, сернистый газ встречаются в газе сравнительно редко. Состав природного газа и процентное содержание в нем элементов определяют его теплоту сгорания.

При увеличении содержании гомологов в метане повышается теплота сгорания и улучшается качественная характеристика горючего газа. Отечественные природные газы отличаются тем, что в основе своей казахстанский газ добывается попутно с нефтью и газовым конденсатом. Главной особенностью прогнозируемых ресурсов газа является то, что практически все они располагаются в подсолевых отложениях Прикаспийской впадины, характеризующихся сложностью извлечения из-за больших глубин (более 5 тыс. метров), многокомпонентностью состава и, главное, повышенным содержанием сероводородных соединений. В то же время месторождения с небольшими глубинами и без содержания сернистых соединений располагают сравнительно небольшими запасами газа, имеющими большое локальное значение для газификации местных территорий. Компании предпринимают меры по обратной закачке газа в продуктивные пласты месторождений для поддержания давления и повышения эффективности извлечения жидких компонентов углеводородного сырья.

Запасы газа в Казахстане, утвержденные Государственной комиссией по запасам (ГПЗ), составляют 3,7 трлн м³, в том числе растворенного -- 2,4 трлн м³, свободного -- 1,3 трлн м³. При этом перспективные и прогнозные ресурсы оцениваются в 6-8 трлн м³, что связано с освоением запасов Каспийского моря

В республике основная часть ресурсов газа сосредоточена в следующих крупных разрабатываемых или подготовленных к разработке месторождениях:

1. В соответствии с протоколом заседания ГКЗ от 20 октября 2002 г. по месторождению Кашаган, расположенному на казахстанском шельфе Каспия, запасы газа составляют 969 млрд м³. Причем в акватории Каспия, помимо Кашагана, перспективной считается структура Центральная, расположенная на границе между Россией и Казахстаном в пределах российского сектора Каспия. В конце мая 2008 г. ООО «ЦентрКаспнефтегаз», созданное «Лукойлом» и «Газпромом» на паритетной основе, бурением первой поисковой скважины открыло здесь новое крупное нефтегазоконденсатное месторождение. Ожидается, что запасы данной структуры составят около 2 млрд баррелей нефтяного эквивалента, из которых 45 % могут прийтись на газ, остальные 55 -- на жидкие углеводороды.

2. Свыше 10 лет назад партнерами по Карачаганаку -- «БиДжиГруп», «Эни», «Шеврон» и ЛУКОЙЛ -- было положено начало масштабного освоения запасов Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения. Общая сумма инвестиций в проект на сегодня превышает 10 млрд долларов США, что позволяет применять передовые технологии добычи и переработки углеводородного сырья на этом одном из самых сложных с технической точки зрения месторождений мира. Являясь крупнейшим газовым месторождением в Казахстане, Карачаганак обеспечивает до 45 % общей добычи газа и около 16 % общего объема добычи жидких углеводородов в стране. Вместе с тем инвестиции направляются не только в освоение месторождения, важным приоритетом деятельности «Карачаганак Петролиум Оперейтинг Б.В.» КПО достигнут один из самых высоких в мире показателей утилизации газа. Он составляет на сегодняшний день 99,78 %. По сути, Карачаганак -- единственное нефтегазовое месторождение в Казахстане, где удалось достичь столь внушительного показателя утилизации газа. Это стало возможным, прежде всего, благодаря снижению объема сжигаемого газа. Именно на Карачаганаке впервые в мире применена технология обратной закачки большого объема серосодержащего газа в пласт. Это позволяет поддерживать пластовое давление и добывать большее количество жидких углеводородов.

3. В настоящее время продолжается разработка Амангельдинской группы месторождений (Жамбылская область), которая была введена в опытно-промышленную эксплуатацию в 2002 г., а в промышленную разработку -- в 2008 г. К настоящему моменту в эксплуатации этого месторождения, имеющего важное социально-экономическое значение для стабилизации газоснабжения Южного региона, находятся 25 добывающих скважин.

4. На месторождении Шагырлы-Шомышты (Мангистауская область) с запасами 32,4 млрд. м³газа, владельцем которого является Caspian Gas Corporation, согласно программе разработки ежегодно планируется добывать около 1 млрд. м³газа на первом этапе и до 1,5 млрд. м³в последующем.

5. Согласно 30-летнему контракту между Минэнерго и «КазМунайГазом» предусматривается проведение разведки и добычи сырья на месторождении Урихтау, считающемся весьма перспективным. Для детального изучения геологического строения этого месторождения в период разведки планируется провести сейсморазведочные работы 3D и строительство пяти поисково-разведочных скважин. Добычу газа здесь предполагается начать ориентировочно в 2016 г. и добывать порядка 1,5- 2 млрд. м³в год.

Сейчас из 14 областей Казахстана газифицировано 9, но и по ним есть определенные проблемы. Дело в том, что магистральные газопроводы технологически не связаны между собой. Это не позволяет использовать их для перекачки добываемого дешевого газа в Западном регионе, где сосредоточено 98 % газовых ресурсов, в южные и северные области. В связи с этим сильна зависимость от импорта российского газа для потребителей, к примеру, Костанайской области, и от узбекского -- для южных областей и Алматы. Сегодня весь юг, ежегодно увеличивающий объем потребления, ориентирован на поставки газа из Узбекистана по трубе Ташкент-Бишкек-Алматы, где в период пикового потребления зачастую возникают проблемы.

В Казахстане имеются подземные газовые хранилища: Актюбинское ПХГ (емкостью порядка 200 млн. м³газа); Полторацкое ПХГ (350-400 млн. м³) и Бозой (3,6 млрд. м³газа). Однако в настоящее время объем запаса природного газа в подземных газовых хранилищах республики составляет всего 1,9 млрд. м³.

С целью обеспечения экономической безопасности и стабильного газообеспечения сегодня правительство РК предполагает построить внутренний газопровод Бейнеу -Бозой - Шымкент который как раз позволит обеспечить перетоки газа из западных регионов страны в южные, тем самым обеспечив поставки топлива для Жамбылской ГРЭС и снизив зависимость от поставок узбекского газа. Пропускная способность этой трубы, которая должна быть подсоединена к экспортному газопроводу Туркменистан-Узбекистан-Казахстан-Китай, составит 10 млрд. м³газа в год, однако на первом этапе речь идет лишь о 5 млрд. м³. Сейчас «КазМунайГаз» ведет переговоры с китайской стороной по реализации этого проекта.

На сегодняшний день самыми крупными газоперерабатывающими заводами (ГПЗ) в Казахстане являются Казахстанский, Тенгизский, Карачаганакский и Жанажолский.

В последние годы во всем мире ученые кропотливо ищут и пытаются освоить альтернативные виды топлива для транспортных средств. Особенно это важно для тех регионов, в которых сохраняется неблагоприятная экологическая обстановка, к которым не без основания относится крупнейший город Казахстана - Актобе. Многие годы казахстанские власти с завидной периодичностью поднимают вопросы переведения автомобильного транспорта на экологически чистый и для нас более приемлемый вид горючего - газ. По этому поводу была разработана государственная программа по снижению загрязнения окружающей среды на 2009-2018 годы. Ее цель как раз и заключается в активизации процесса перехода как общественного, так и частного транспорта на использование газового топлива. Прошло шесть лет, но автомобилей на газе больше не стало.

В случае, если правительство Казахстана всерьез займется вопросом использования газа как моторного топлива, в будущем у нас появится шанс получить современные газовые заправочные станции и необходимую инфраструктуру по переоборудованию автотранспорта на КПГ.

Непомерное повышение цен на любой товар обычно приводит к тому, что потребители от него отказываются, либо находят замену: водке - самогон, мясу - соя и так далее. Автомобилисту перестроиться на пеший образ жизни сложно. Значит, надо перестроить машину. Достойная альтернатива бензину есть - газовое топливо. Оно и кошелек водителя бережет, и для окружающей среды безопаснее. Невысокая стоимость газа по сравнению с бензином - важное преимущество, однако не очень-то торопятся казахстанские автолюбители занимать очередь у специалистов, переоборудующих машины для работы на газе. Таким образом, можно предложить следующую идею: согласно мировой практике, стоимость газа должна составлять 40 процентов от стоимости дизельного топлива. Дизельное топливо у нас стоит 111 тенге за литр, а стоимость газа - тенге за кубометр. Если бы стоимость газа составляла 36 тенге, то никого ориентировать не надо было бы, и те программы, которые мы сегодня наметили, пошли бы быстрее.

Еще одним толчком для народа может помочь уменьшение налога на автотранспорт для автомобилей, у которых установлено газовое оборудование в разы, тогда население сами побегут устанавливать себе газ, особенно те, у которых объем свыше 4 литров.

Размещено на Allbest.ru

...