Введение. ?обходимость разработки и применения альтернативных моторных топлив обусловлена двумя основными взаимосвязанными причинамиНеобходимость разработки и применения альтернативных моторных топлив обусловлена двумя основными взаимосвязанными причинами: - быстрым истощением запасов нефти на Земле; - ухудшением экологической обстановки во многих странах, в первую очередь в развитых странах. Запасы нефти в недрах Земли ограничены, затраты на ее добычу и транспортировку постоянно возрастают и при сохранении современных темпов роста добычи и потребления разведанных запасов нефти хватит на 40-50 лет. В настоящее время нефть является практически единственным источником производства моторных топлив, на получение которых расходуется около 50 % (1,7 млрд т из 3,5) добываемой нефти. Такой колоссальный расход нефти на производство моторных топлив обусловлен быстрым ростом автомобильного парка - в настоящее время в мире эксплуатируется более 600 млн автомобилей и к 2010 г. их количество по одним прогнозам возрастет до 800 млн, а по другим даже - до 1 млрд, что приводит к росту числа автомобилей на 1000 человек во многих странах (рис. 1) [1].
Рис. 1. Количество автомобилей на 1000 человек в разных странах В нашей стране также отмечается увеличение количества автомобилей, которое характеризуется следующими данными (табл. 1). Таблица 1 - Динамика роста автомобилей в России (млн шт.) [23]
B 1985 г. в СССР на 1000 жителей приходилось 45 автомобилей, в 2001 г. в России - 140, а к 2010 г. ожидается 245, что соответствует современному количеству автомобилей в Москве. Быстрый рост автомобильного транспорта приводит к пересмотру привычного взгляда на нефть как на основной и стабильный источник получения моторных топлив и поиску заменителей нефтяного горючего. Эксплуатация такого автомобильного парка оказывает негативное влияние на окружающую среду за счет выброса отработавших газов автомобилей в атмосферу. Транспорт стал одним из массовых источников загрязнения окружающей среды в большинстве стран мира, на его долю приходится от 50 до 60% в общем объеме выбросов, а в крупных городах - от 80 до 9 и более. Наиболее токсичными веществами в отработавш газах автомобилей являются оксид углерода (СО), оксиды азота (NOX) и несгоревшие углеводороды (СН). В крупных городах США на долю автотранспорта приходится 85-97 % всех выбросов оксида углерода, и его концентрация в отработавших газах автомобилей может достигать 7 % об. Концентрация оксидов азота в отработавших газах составляет от 0,1 до 0,5 % об., и по этому показателю автотранспорт является лидером по загрязнению атмосферы среди других видов транспорта, также как и по выбросам несгоревших углеводородов, содержание которых в отработавших газах автомобилей может достигать 0,5 % об. В России из 35 млн т в год вредных выбросов от ра личных транспортных средств 89 % приходится на автомобильный транспорт, 8 % - на железнодорожный, 2 % - на авиационный и 1 % - на водный [3]. Один автомобиль поглощает ежегодно в среднем 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработавшими газами 800 кг оксида углерода, 40 кг оксидов азота, почти 20 различных углеводородов. Только в Москве среднесуточный выброс токсичных веществ с отработавшими газами автомобилей составляет около 8 тыс. т, в том числе 6 тыс. т оксида углерода, 1,3 тыс. т несгоревших углеводородов, почти 500 т оксидов азота. Подробная характеристика состава отработавших газов различных видов транспорта, их токсические свойстваи воздействие на человека приведены в [3]. Автотранспорт характеризуется следующими особенностями выбросов [2]: - малая высота выбросов, что приводит к непосредственному контакту и прямому воздействию на человека; относительно низкая степень рассеивания и удаления вредных веществ от источника; - нахождение в районах с высокой плотностью населения; - многокомпонентность и высокая токсичность; - мобильность источника, усложняющая и усиливающая эффект воздействия токсичных веществ; - возможность преобразования компонентов отработавших газов и образование при этом вторичных более токсичных продуктов; - зависимость состава выбросов не только от качества топлива и режима работы двигателя, но и от параметров окружающей среды (температуры, высоты над уровнем моря и т.п.). В то же время выбросы промышленных предприятий являются стационарными, характеризуются высокой концентрацией вредных веществ и небольшим количеством устройств, выводящих вредные вещества в окружающую среду и расположенных, как правило, на значительной высоте, что позволяет проводить эффективные мероприятия по борьбе с токсичностью выбросов промышленных предприятий. Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям при продолжающемся увеличении транспортных потоков приводит к непрерывному возрастанию загрязнения атмосферного воздуха. Предложены различные методики расчета экономического ущерба от выброса токсичных веществ с отработавшими газами автомобилей. Такая методика разработана в НАМИ, аналогичная методика приведена в [4]. Независимыми экспертами фирмы «British Gas» оценку экономического ущерба предлагается проводить по следующим критериям: 1. Потепление климата за счет парникового эффекта от СО2и в связи с этим: - подъем уровня Мирового океана и необходимость строительства дамб для защиты от моря; - потери урожая в результате изменения климата. 2. Кислотные дожди, вызванные присутствием в отработавших газах оксидов серы и азота, приводящие к потере урожая и древесины в лесах, а также повреждение зданий и памятников. 3. Ухудшение здоровья людей при контакте с токсичными веществами отработавших газов. Оцененный экономический ущерб (ф.ст./км пробега) составляет при использовании: - бензина - 0,01; - дизельного топлива - 0,026; - природного газа - менее 0,002. Постоянное ужесточение норм на содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) и повышение требований по улучшению топлдвной экономичности стимулируют исследования по созданию принципиально новых автомобильных двигателей, отвечающих самым жестким мировым стандартам с одновременным улучшением качества моторных топлив, также отвечающих современным и перспективным требованиям по эксплуатационным и экологическим показателям. Наряду с внедрением вторичных процессов переработки нефти (алкилирование, изомеризация и др.), позволяющих улучшить качество моторных топлив, значительное внимание уделяется разработке различных присадок и добавок, придающих моторным топливам такие свойства, в том числе экологические, которые принципиально не могут быть достигнуты технологическими процессами производства топлив. Вместе с тем эти факторы - необходимость экономии нефтяных ресурсов и улучшение эксплуатационных и особенно экологических свойств топлив - обусловливают поиски эффективных способов получения и использования заменителей нефтяных топлив для автомобилей, получивших общее название альтернативных. К альтернативным топливам в настоящее время относят: 1. Природный газ: метан (СН4); 2. Сжиженные углеводородные газы: пропан (С3Н8), бутан (С4Н,О); 3. Спирты: метанол (СН3ОН) и этанол (С2Н5ОН) и продукты на их основе; 4. Биотоплива; 5. Диметиловый эфир (СН3ОСН3); 6. Водород (Н2). Общепризнано, что применение на транспорте альтернативных топлив снижает содержание СО2 и токсичных веществ в отработавших газах автомобилей. Однако продолжаются споры среди специалистов по степени снижения выбросов и возможности фактического увеличения степени загрязнения воздуха вследствие образования других загрязняющих компонентов при сгорании альтернативных топлив. Управление по охране окружающей среды (ЕРА) считает, что альтернативные топлива снижают выбросы озонообразующих углеводородов на 80 % и более. По данным Международного центра по качеству топлива (МЦКТ) при мировом потреблении в 2000 г. моторных топлив в количестве 1,55 млрд т, в том числе бензина - 950 млн. т; дизельного топлива - 600 млн т; доля альтернативных видов топлива составила всего 27 млн т (1,7%). К альтернативным источникам энергии для автомобилей следует также отнести электроэнергию, использование которой позволяет не только полностью решить проблему выброса токсичных веществ при эксплуатации электромобилей, но и позволяет экономить нефтяные ресурсы при выработке электроэнергии, необходимой для зарядки аккумуляторов электромобилей, на атомных электростанциях, гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на угле, природном газе и других ненефтяных топливах. С определенной долей условности к альтернативным моторным топливам можно отнести нефтяные топлива, в состав которых введены различные компоненты и добавки ненефтяного происхождения. К таким топливам могут быть отнесены смесевые топлива, т.е. топлива, содержащие в частности низкомолекулярные спирты (метанол, этанол), а также автомобильные бензины, содержащие такие компоненты, как простые эфиры (МТБЭ и др.). Введение последних в бензины допускается до 15 % мае., что позволит экономить такое же количество бензина или до 30 % нефти, принимая выход бензиновой фракции ка уровне 50 %. Даже при современном уровне выработки МТБЭ около 25 млн т в год его использование позволит сэкономить около 50 млн т нефти. За рубежом (США, Бразилия) нашли достаточно широкое применение топлива, содержащие до 95% метанола (М-95), 85 и 95% этанола (Е-85 и Е-95), в которых содержание бензина, выполняющего в сущности роль одоранта, составляет всего 5-15%. Широкое использование таких топлив позволяет экономить значительные количества нефти. Введение в состав бензинов кислородсодержащих продуктов позволяет существенно снижать содержание токсичных веществ отработавших газах автомобилей. Таким образом решаются две основные задачи - экономия нефти и улучшение экологических свойств - стоящие перед альтернативными топливами. Закон об энергетической политике, принятый в США в 1992 г., устанавливает, что к альтернативным транспортным топливам относятся сжиженный нефтяной газ, природный газ, смеси, содержащие не менее 85 % спирта, водород и электроэнергия [27]. Более общая классификация альтернативных топлив с разделением их на три группы приведена в [21]. К первой группе отнесены нефтяные топлива с добавками ненефтяного происхождения (спирты, эфиры и пр.), которые по эксплуатционным свойствам близки к традиционным нефтяным топливам. Ко второй группе относятся синтетические жидкие топлива, близкие по свойствам к традиционным нефтяным топливам, но получаемые при переработке газообразного, твердого или жидкого сырья (природный газ, уголь, горючие сланцы, тяжелые нефти и т.п.). В частности, переработка природного газа в синтез-газ и далее в метанол или углеводороды, так называемая технология GTL (Gas to Liquid - газ в жидкость). В третью группу входят ненефтяные топлива, существенно отличающиеся по физико-химическим и эксплуатационным свойствам от традиционных нефтяных топлив (спиртовые топлива, природный и попутный газ, водород и т.п.). При использовании первых двух групп альтернативных топлив иногда возникает необходимость в незначительном изменении топливной системы автомобиля. Использование топлив третьей группы требует существенной модернизации топливной системы автомобиля, В 2001 г. использование альтернативных топлив в разных штатах США было весьма неравномерным. Так, в штате Калифорния этот показатель составлял 16 % от общего потребления альтернативных топлив в США, в штате Техас - 10 %, в 10 штатах он колебался от 2 до 5 %, и на долю остальных 38 штатов приходились оставшиеся 38 % потребления альтернативных топлив. Прогноз в использовании альтернативных топлив до 2015 г. за рубежом приведен на рис. 2 [1].
Рис. 2. Прогноз использования альтернативных топлив В табл. 2 представлены физико-химические характеристики нефтяных и некоторых альтернативных моторных топлив. Характеристики других альтернативных топлив приведены в соответствующих разделах. Таблица 2 - Физико-химические и эксплуатационные свойства нефтяных и некоторых альтернативных топлив
*При 2МПа; **При 20°К. Основными критериями для оценки эффективности применения различных видов топлива в двигателях служат: уровень вредных выбросов, затраты на топливо, инфраструктура применения топлива и стоимость двигателя. Эти критерии выбраны как наиболее важные по следующим соображениям. В настоящее время постоянно ужесточаются нормы на допустимые вредные •выбросы автомобилем, что вынуждает конструкторов искать новые решения для удовлетворения этих норм. Одним из путей существенного улучшения экологических характеристик двигателей является применение «экологически чистых» альтернативных топлив (метанола, природного газа и др.), так как эти топлива позволяют не только снизить выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами, но и уменьшить потребление нефтяных топлив. Второй критерий оценки - затраты на топливо и инфраструктуру - дает возможность оценить издержки на производство, доставку, распределение топлива и эксплуатацию транспортного средства. При работе на альтернативном топливе может существенно изменяться расход горючего на единицу работы, выполняемой автомобилем. Кроме того, цена альтернативного топлива также отличается от цены применяемого сейчас нефтяного топлива. Третий критерий - стоимость двигателя - характеризует затраты на конвертацию двигателя для работы на альтернативном топливе. В зависимости от вида применяемого топлива могут требоваться различные изменения в конструкции двигателя и его систем от достаточно простых (перерегулировка топливной аппаратуры) до существенного изменения конструкции двигателя (установка газовой аппаратуры). Таким образом, сложность модернизации двигателя будет существенно сказываться на его стоимости. До настоящего времени не существует единой концепции перехода на производство и использование альтернативных моторных топлив. Поэтому первым шагом в решении этой проблемы является рассмотрение всех видов возможных альтернативных моторных топлив и анализ перспективности их использования. В табл. 3 представлена оценка относительной эффективности использования различных видов топлива на автотранспорте. Таблица 3 - Оценка относительной эффективности использования альтернативных топлив на автотранспорте [21]
* В затратах энергии учтены добыча, транспорт и переработка первичного энергоносителя в моторное топливо. ** Стоимость единицы пробега определена применительно к 6-местному автомобилю с конвертированным на газовое топливо двигателем. Основополагающая роль в разработке и широком использовании альтернативных топлив с улучшенными экологическими свойствами принадлежит государственным органам. Так, в соответствии с «Законом о чистом воздухе», принятом государственными органами США в 1970 г. и последующими поправками и дополнениями к нему, запрещено использование этилированных бензинов, предусмотрено широкое использование различных кислородсодержащих добавок, существенно изменена структура вторичных процессов переработки нефти с развитием таких процессов, как каталитический крекинг, изомеризация, алкилирование и т.п. В течение почти 15 лет реализация этих мероприятий потребовала инвестиций на сумму более 13 млрд долл. К 2010 г. в США 30% потребляемого моторного топлива должно быть заменено альтернативным. Аналогичные законы были приняты практически во всех развитых странах. В результате с 1993 по 1999 г. количество вредных веществ в отработавших газах автомобилей за рубежом снизилось почти в 2 раза [9]. В России в последние годы также уделяется определенное внимание решению этих вопросов. В соответствии с одобренной Правительством РФ концепцией развития отечественного автомобилестроения на период до 2010 г. приоритетными направлениями являются: использование альтернативных видов топлива (водород, метанол, этанол, диметиловый эфир, биотопливо); создание топливных элементов и комбинированных энергетических установок. Постановлением Правительства Москвы № 170 от 12.03.2002 г. «О городской целевой программе использования альтернативных видов моторного топлива» поставлена задача по переводу автомобилей с бензина на водород, с дизельного топлива на диметиловый эфир. В настоящее время наибольшее применение на автотранспорте в качестве альтернативных моторных топлив получили: сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ, этанол, метанол и продукты на их основе. В качестве моторного топлива сжиженный нефтяной газ используют более 7 млн автомобилей, в основном это страны Азии и Западной Европы. Более 2 млн автомобилей используют сжатый природный газ (Аргентина, Италия, Новая Зеландия и др.) [25]. Среди альтернативных топлив наибольшее внимание в ближайшей перспективе в США уделяется использованию природного газа, о чем свидетельствуют данные, приведенные в табл. 4 [9]. Таблица 4 - Экспертные оценки по переводу транспорта на альтернативные виды топлива в США до 2010 г.
Европейский совет и Парламент предлагают странам-участницам увеличивать долю альтернативных видов топлива следующими темпами (табл. 5) [1]. Таблица 5
По мнению ученых, широкое коммерческое использование для автотранспорта таких альтернативных видов топлива и энергии, как водород, топливные элементы, электричество, основанные на возобновляемых источниках, можно ожидать не ранее 50-х гг. XXI в. Корреспонденты газеты «Известия» (№ от 28.10.2003 г. и 09.01.2004 г.) по материалам автосалонов в Токио (октябрь 2003 г.) и Детройте (январь 2004 г.) сообщают, «...что сегодня практически все лидеры мирового автопрома работают над созданием нового экономичного и экологичного двигателя для своих автомобилей. Он придет на смену работающему на углеводородах двигателю внутреннего сгорания, выхлопы которого сегодня чрезмерно загрязняют окружающую среду. В каждой компании свой взгляд на решение этой проблемы. Так, компания Toyota, третий в мире производитель автомобилей, ведет разработку в области гибридного двигателя. Первый гибридный автомобиль «PRIUS» Toyota представила в 1997 г. Автомобиль с таким двигателем половину времени приводится в движение обычным двигателем внутреннего сгорания, а в остальное время - электродвигателем от аккумуляторов, которые заряжаются во время работы топливного двигателя. Как правило, ДВС работает при движении за городом, когда может осуществляться наиболее экономичный и экологичный режим работы топливного двигателя; в городе используется электродвигатель с нулевым выбросом отработавших газов. В 2002 г. Toyota продала 37 тыс. таких автомобилей, к 2012 г. Toyota предполагает в своих цехах производить только гибридные автомобили. На автосалоне в Детройте (США, январь 2004 г.) журналистами, освещающими работу салона, автомобиль «PRIUS» был признан автомобилем 2004 г., что объясняется не только высокой экологичностью этого автомобиля, но и расходом всего чуть более 3,5 л топлива на 100 км, а бензин в США дорог. Цена этого автомобиля составляет около 20 тыс. долл.. Другой японский производитель «Suzuki» работает над созданием двигателя на водородных топливных элементах, который планируется к постановке на конвейер к 2010 г. Однако производство таких двигателей пока еще очень дорого, они не безопасны, громоздки, с малым запасом хода. Большинство разработчиков и производителей, работающих в области создания новых двигателей, сходятся во мнении, что в ближайшие годы имеет смысл говорить о появлении на рынке лишь автомобилей с гибридными двигателями. По словам председателя Кембриджской ассоциации энергетических исследований Дэниела Ерчина, «Будущее автомобильных двигателей именно за гибридами. Существующие технологии пока не позволяют создать двигатели, которые одновременно были бы эффективны в использовании, дешевы в производстве и эксплуатации, не загрязняли окружающую среду. Разработчики электродвигателей и двигателей, работающих на водороде, пока одинаково далеки от решения этой проблемы». ГАЗОВОЕ ТОПЛИВО К газовым топливам относятся газообразные углеводороды, которые добываются из недр земли при разработке газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений. Газообразные углеводороды, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений, принято называть собственно природным газом, а природный газ, добываемый из нефтяных месторождений, часто называют попутным газом. Основным компонентом природных газов является метан (СН4), содержание которого в зависимости от источника колеблется в широких пределах - от 50 до 90% об. и более в газовых и газоконденсатных месторождениях и от 30 до 80% об. в нефтяных месторождениях. В природных газах содержатся также другие газообразные углеводороды - этан (С2Н6), пропан (С3Н6), бутан (С4Ню нормальный и изостроения). Кроме перечисленных углеводородов в состав природных газов некоторых месторождений входят азот (N2), диоксид углерода (СО2), сероводород (H2S) и некоторые другие. Содержание этих компонентов колеблется от десятых долей процента до нескольких и даже десятков процентов. В частности, в природном газе Астраханского газоконденсатного месторождения содержание сероводорода достигает 24-25 % об. и диоксида углерода 14-15 % об. Добытый из недр земли природный газ подвергают очистке от примесей и осушке с последующим разделением на компоненты, которые направляются для дальнейшего использования или переработки. Полученный таким образом метан с различным содержанием других газообразных углеводородов и примесей (разной степени очистки в зависимости от направления дальнейшего использования) применяется в основном как топливо для получения электро- и тепловой энергии, в коммунально-бытовом секторе и в меньшей степени как моторное топливо в виде сжатого (компримирован-ного) природного газа или сжиженного природного газа - КПГ и СПГ соответственно. При использовании природного газа в карбюраторных двигателях 1 м~ газа эквивалентен 7 л бензина для легковых автомобилей и 1,2 л бензина для грузовых. Этан направляется на переработку с получением раз-дичных химических продуктов, в том числе полимерных материалов. Большая часть пропана и бутана также используется как сырье для химической переработки и.меньшая часть в виде сжиженного газа как моторное топливо и топливо для бытовых нужд. Учитывая то, что содержание пропана и бутана в попутных газах нефтяных месторождений значительно выше по сравнению с газами газовых и газоконденсатных месторождений, и то, что основную массу жидких пропана и бутана получают из попутного газа нефтяных месторождений, общепринятым для этих газов названием является сжиженный нефтяной газ (СНГ). Сравнение стоимости различных видов моторного топлива в некоторых зарубежных странах приведено в табл. 6. Таблица 6 - Стоимость различных видов автомобильного топлива [6] (данные 1999 г.)
Топливные системы газобаллонных автомобилей практически полностью унифицированы и в зависимости от используемого газового топлива (КПГ, СНГ или СПГ) отличаются количеством баллонов и некоторыми регулировочными параметрами работы системы подачи газа в камеру сгорания. Карбюраторные и вообще бензиновые двигатели могут быть переведены на газовое топливо путем установки несложной топливной аппаратуры, включающей устройства для редуцирования давления газа и регулирования его расхода в соответствии с режимом работы двигателя. Особые трудности вызывает применение газового топлива на дизельных двигателях, что связано с плохой самовоспламеняемостью газового топлива (для метана около 537 °С, пропана - 510 °С и бутана - 480 °С). Для организации работы дизельного двигателя на газовом топливе известны следующие способы: - добавление в газовое топливо активирующих добавок, веществ с низкой температурой самовоспламенения типа нитратов или перекисей, что возможно только для СНГ; - использование искрового зажигания, что требует создания напряжения на электродах до 25 кВ и более; этот метод используется на стационарных дизельных установках; - применение впрыска запальной дозы дизельного топлива, работа по так называемому газодизельному режиму - газовое топливо подается в начале, а в конце такта сжатия впрыскивается запальная доза дизельного топлива; этот путь не связан с изменением конструкции двигателя и требует минимального переоборудования; недостаток заключается в расходе, хотя и значительно уменьшенного количества дизельного топлива (на автомобиле КамАЗ-55118 расход дизельного топлива на 100 км составляет 28 л, а при газодизельном режиме - 7 л дизельного топлива и 30 м3 сжатого газа). Естественно, что для хранения газового топлива на обоих типах автомобилей требуется установка специальных емкостей-баллонов. Применение газового топлива позволяет не только сократить расход нефти на производство моторных топлив, но и существенно снизить содержание токсичных веществ в отработавших газах автомобилей. Сравнение традиционного топлива - бензина с природным газом - метаном и нефтяными газами - пропаном и бутаном по содержанию токсичных веществ в отработавших газах приведено в табл. 7, в качестве критерия используется так называемая интегральная экологическая опасность - ИЗО. Таблица 7 - Интегральная экологическая опасность (ИЭО) моторных топлив [6]
Приведенные результаты показывают, что ИЭО для бензина почти в 1000 раз выше по сравнению с газовым топливом. При этом основной вклад в показатель ИЗО вносит содержание мощного канцерогена бенз - a - пирена, но даже без этого фактора ИЭО для бензина в 1,5-2 раза выше ИЭО газовых топлив. Перевод любого двигателя на газовое топливо обеспечит выполнение требований ЕВРО-1 по содержанию токсичных веществ в отработавших газах. Доказана принципиальная возможность создания автомобильного транспорта, работающего на газовом топливе и соответствующего требованиям самой жесткой Калифорнийской программы для двигателей с низкой (LEV-low emission vechicle), ультранизкой (ULEV) и нулевой (ZEV) эмиссией токсичных веществ с отработавшими газами (таблица 8) [7]. Таблица 8 - Допустимые количества выбросов токсичных веществ, г/милю (легковые/грузовые автомобили)
В 2003 г. в штате Калифорния эксплуатировалось 75 % автомобилей, соответствующих требованиям LEV, и 15 % - ULEV Более подробно содержание различных токсичных веществ в отработавших газах автомобилей при работе ча традиционных и газовых топливах в зависимости от режима работы двигателей, температуры окружающей среды и т.п. приведено в приложении. В нашей стране первый практический опыт использования газа на автотранспорте был связан с выпуском в 1939 г. газобаллонных автомобилей (ГБА) ЗИС-30 и ГАЗ-44, а в 50-х гг. - ЗИС-156 и ГАЗ-51Б, которые работали на сжатом природном газе. Несколько тысяч этих автомобилей работали на Украине и в Поволжье, районах основной добычи природного газа в то время. В 1954 г. было начато производство автомобилей ЗИС-156А и ГАЗ-51Ж, работавших на сжиженном пропан-бутановом газе. Однако в 60-е гг. в связи с быстрым развитием нефтеперерабатывающей промышленности и производством больших количеств дешевого нефтяного моторного топлива применение газового топлива на автотранспорте было практически прекращено. В 80-е гг. в связи с необходимостью экономии нефтяных ресурсов и особенно в связи с резким ухудшением экологической обстановки, особенно в крупных городах, объективной необходимостью стала задача широкого использования газового моторного топлива и в первую очередь сжатого природного газа, что связано с развитой системой транспорта природного газа по трубопроводам, растущими объемами добычи природного газа, а также с тем, что сжиженные нефтяные газы с большей эффективностью могут быть переработаны в ценные химические продукты. ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
Прогнозные оценки показывают, что к 2025 г. прирост запасов природного газа в мире составит 147,2 трлн м3, в т.ч. в России более 27 трлн м3. Таблица 10 -Добыча и экспорт природного газа в России (млрд м3/год)
Использование природного газа в качестве альтернативного моторного топлива возможно по следующим направлениям: - компримированный (сжатый) природный газ (КПГ); - сжиженный природный газ (СПГ); - переработка природного газа в жидкие продукты (так называемая технология GTL - gas to liquid - газ в жидкость), которые могут быть использованы непосредственно в качестве моторного топлива или его компонентов, а также перерабатываться в другие продукты, которые в свою очередь могут использоваться в качестве компонентов моторного топлива. Сказанное может быть проиллюстрировано схемой, приведенной на рис. 3.
Рис. 3. Схема переработки природного газа в моторное топливо Производство жидких продуктов из природного газа, которые могут быть использованы в качестве моторных топлив непосредственно или в качестве компонентов, рассматривается в разделе 1.3. По мнению Мирового совета по энергии, до 2020 г.природный газ представляется как самое технологически подготовленное топливо для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и с точки зрения подготовки автомобиля требующее минимальных затрат на переоборудование автомобиля с жидкого топлива на газообразное, и с точки зрения запасов природного газа, если его высвободить из производства электро- и тепловой энергии, заменив на уголь, энергию атома, гидроэнергию и т. п. Более чем в 50 странах мира существенно активизировалась работа по замене нефтяных моторных топлив альтернативными и, в первую очередь, компримирован-ным природным газом [11]. Только за последние 3-4 года парк автомобилей на этом топливе увеличился почти в 1,5 раза и в настоящее время их число превышает 2 млн, в т.ч. в Аргентине - около 800 тыс., Италии - 370 тыс., Бразилии - 400 тыс., Пакистане - более 200 тыс., США и Индии по 100 тыс., Египте и Китае по 30 - 35 тыс. Европейский Союз в конце 2001 г. выступил с инициативой перевести на газ к 2020 г. 23,5 млн автомобилей стран ЕЭС (10 % от общего числа), для чего потребуется 47,5 млрд м3 природного газа в год. К 2010 г. Япония намерена перевести на КПГ 1 млн автомобилей. Интенсивное использование природного газа в качестве моторного топлива обусловлено следующими его достоинствами: - высокое октановое число (100-105 и 110-115 единиц по моторному и исследовательскому методу соответственно) позволяет использовать его в двигателях со степенью сжатия 10-12; - значительные ресурсы, сравнительная простота подготовки для использования в качестве моторного топлива; самое низкое содержание углерода в молекуле по сравнению с другими углеводородными топливами обеспечивает самое низкое содержание диоксида углерода (СО2) в отработавших газах (в 1,22 и в 1,34 раза меньше по сравнению с бензином и дизельным топливом соответственно) и, следовательно, уменьшает вклад в парниковый эффект; содержание токсичных веществ в отработавших газах в 1,5-2 раза ниже по сравнению с отработавшими газами бензиновых двигателей; сгорание метана происходит в бедных топливовоздушных смесях, что повышает полноту сгорания и ограничивает возможность образования оксида углерода (СО) и других продуктов неполного сгорания; содержание СО в отработавших газах не превышает 0,1-0,2 %об.; в бедных топливовоздушных смесях горение протекает при более низких температурах, что приводит к снижению содержания оксидов азота (NO*) в 2 и более раз; - при сгорании газового топлива практически не образуется нагар в камере сгорания; - скорость горения газовоздушной смеси меньше, чем паровоздушной нефтяных топлив и, следовательно, ниже ударные нагрузки на детали цилин-дро-поршневой группы, работа двигателя становится более мягкой и менее шумной; - отсутствие жидкой фазы в газовоздушной смеси и, как следствие, отсутствие дифференциации октанового числа по цилиндрам, характерное для бензинов; - отсутствие жидкой фазы в газовоздушной смеси, исключает смывание смазки с зеркала цилиндров, что приводит к снижению загрязнения масла и уменьшению нагарообразования; в результате ресурс работы двигателя, его межремонтный пробег увеличивается в 1,4-2 раза, а смена масла провоится в 2-2,5 раза реже; - отсутствие испарения из топливного бака и при заправке; - отсутствие едких запахов в отработавших газах; - транспортировка по трубопроводам, а не перевозка по дорогам. Метан характеризуется достаточно низким озонообразующим потенциалом и в силу своей химической инертности не участвует в фотохимических реакциях образования смога. Обладая максимальным из
|
