Газ как топливо для автомобилей
В последнее время в России то цены на традиционное автомобильное топливо вырастут, то вдруг начинаются разговоры о введении социальных норм на электроэнергию, а новостные агентства каждый день дают новости про сжиженный природный газ, который ведь явно отличается от газа, бегущего по трубам газопроводов. При этом мельтешат самые разные единицы измерения — литры, тонны, кубометры, киловатты, в которых запутаться проще простого. Для использования в качестве топлива стали предлагать газ, причем газ разный — тут и пропан-бутан, и метан, и даже газ сжиженный, у каждого из них своя цена, которая то за кубометр, то за литр. Почему цены разные, какие из них и за какой именно газ самые выгодные, продавцы газа как моторного топлива разъяснять и не пытаются, а знание хотя бы основных моментов — полезно для кошелька любого автовладельца. Для того чтобы понимать, что лежит в основе ценообразования, стоит систематизировать знания, припомнить кое-что из школьной программы. При этом вполне достаточно знаний арифметики на уровне пропорций и процентов, ничего более сложного — этого хватит для того, чтобы оценить все это разнообразие видов энергетических ресурсов с точки зрения кошелька. При этом мы, конечно, будем помнить, что кошелек сам по себе противоречит основному закону физики — чем он тяжелее, тем с ним легче.
Нефть, газ и домашнее вино
Для начала — несколько слов о том, что нам предлагают на автозаправках разного типа с точки зрения химии и физики. Бензин, дизельное топливо, три разных типа газомоторного топлива — это все плоды трудовой деятельности нефтегазовых химиков и специалистов, умеющих поднимать давление в емкостях. Предупреждаем сразу — слишком глубоких технических описаний не последует, в этот раз попробуем использовать «идеологию» из одного бородатого анекдота. «Как же мне плохо-то… Что вчера было, где я вообще нахожусь? — Гостиница «Центральная», номер… — К черту подробности! Город какой?»
Откуда на заправках вообще берутся пропан-бутановые смеси, которые мы для краткости далее обозначим как СУГ, сжиженное углеводородное топливо? Из нефтяных и газовых скважин и из жадности их владельцев — ну, или, если угодно, из экономической целесообразности. То, что мы называем «природный газ», на самом деле всегда целое ассорти, пусть и сходны по многим свойствам, но разных газов. Что природный газ, что нефть — это результат разложения всяческих древних микроорганизмов (динозавры тут ни при чем) в недрах Земли, попавших в условия, когда доступ атмосферного воздуха исключен. А подземные пласты — это ведь не химическая лаборатория со стерильными условиями, тут сплошная стихия, действия которой во многом аналогичны процессу самогоноварения или приготовления вина в домашних условиях. Накидали какой-то «основы» — яблок, свеклы, винограда, ягод каких-то — добавили сахара и дрожжей, закупорили поплотнее и оставили в покое на какое-то время. Какие там газы образуются в процессе брожения, от нас с вами уже не зависит — их там много, если по запахам судить. Все то же самое происходит и под землей, разве что объемы емкостей побольше. Не может под землей образоваться газ только одного вида, всегда будет смесь разных. Не может под землей образоваться жидкость под названием «нефть», в которой не будут содержаться пузырьков газа. Больше того — как и в закупоренной бутылке шампанского, нефтяные газы (их, кстати, так и называют — «попутные») норовят собраться на самый верх, чтобы при отвинчивании проволочки пробка с эффектным хлопком улетела в потолок. Это, конечно, веселье за столом увеличивает, но хозяевам застолья потом приходится все результаты этого эффекта тряпочкой убирать, ругаясь при этом сквозь зубы. Нефтяникам вот только нефть нужна, но как только бур пробивает верхнюю часть подземной емкости — в трубу врывается газ и, пока он весь не выйдет, нефть в трубу втиснуться не может. Никакого веселья, емкости под землей большие, газа много, выходит он долго, а время — это, как известно, деньги. Да и компрессоры и трубопроводы, по которым нефть разбегается от скважин, рассчитаны на перекачку жидкости, а не газа, он и тут лишний на этом празднике жизни. Раньше такой попутный газ просто сжигали, все эти «нефтяные факелы», которые мы видим в старых кинохрониках — это и был процесс уничтожения «безобразия», которое всякие древние микроорганизмы под землей устраивают. Но в наше время и экологи на такой способ избавления от попутного газа стойку делают, и нефтяные химики сообразили, что в факелах денежные купюры горят — попутный газ это не только головная боль нефтяника, но и вполне приличные деньги, которые за него можно получить, если с умом к делу подойти. Нужно просто отделить его от нефти и использовать по назначению. Отделить, конечно, далеко не просто, это отдельная сложная технология, но нефтяники ее с каждым годом осваивают все лучше.
Не всякий газ одинаково полезен
Есть газы, в химической формуле которых много букв и цифр при обозначении молекул, и есть те, в которых их поменьше. Чем меньше букв и мельче цифры — тем легче газ, тут ничего хитрого. Основная составляющая подземных газовых коктейлей называется метан, и так уж сложилось, что его сжигание наиболее выгодно для всех, кто это делает — в процессе сжигания метана образуется больше всего тепла. Газы более тяжелые — это пропан и бутан, горят они тоже жарко, но сжигаются несколько сложнее, требуя большего количества газа для горения. Есть у пропана с бутаном и еще одно не самое приятное для газовых дел мастеров свойство — они превращаются в жидкость, а то и в лед, если повышать давление. А повышать давление приходится — иначе ведь газ по трубе не «побежит», для того компрессорные станции и придуманы. И что получается? В потоке газа под давлением появляется жидкость, а то и крупицы льда, которые при прокачке к стенкам труб газопроводов ведут себя как наждак, а на всяческих стыкующих узлах вообще в ледяные пробки превращаются. Значит, пропан с бутаном нужно извлекать из газовой смеси, оставляя для перекачки практически чистый метан, поскольку он жидкостью становится только при — 162 градусах или под очень высоким давлением — таким, которое в газопроводах заведомо не требуется. Следовательно, и газовики заинтересованы в том, чтобы отделить пропан с бутаном от метана. Чем их в газопроводе меньше — тем меньше риск получить головную боль с жидкостями и льдом внутри труб.
А вот пропан и бутан сжижаются куда как проще даже при нормальной температуре — той, при которой мы с вами стараниями матушки-природы, живем. Потому с транспортировкой СУГ как-то попроще — поднимаем давление и заливаем в баллон. Газ в привычных для любого курильщика зажигалках — это тоже она, пропан-бутановая смесь, СУГ. На практике это означает, что баллоны для СУГ не требуют слишком толстых стенок, они и весят меньше, чем баллоны для метана. Метан сделать жидким не удается, его в баллоны загоняют просто под высоким давлением — 200 атмосфер со всеми вытекающими в виде более толстых стенок и большего веса. Для тех, кто намерен использовать газ как топливо, вся эта физика с химией имеет совершенно практическое значение — газобалонное оборудование (ГБО) для СУГ весит меньше, чем ГБО для метана. СУГ в баллонах — это всего 10−15 атмосфер, всего 5 мм стали в стенках баллонов и более высокая безопасность. Метан в баллонах под давлением принято называть КПГ — компримированный природный газ, дальше мы эту аббревиатуру и используем. Ну, и последнее, что остается сказать в этом физико-химическом-самогонном вступлении, так это только о том, зачем понадобился КПГ, если с СУГ попроще с давлением и весом. Метана в природном подземном газе обычно содержится от 80 до 95% — его просто больше. Второй момент — пропан с бутаном это не только газомоторное топливо, но и весьма ценное сырье для химической промышленности. Третий — СУГ транспортируют в баллонах, а метан бегает по трубам, то есть транспортные расходы во втором случае куда как меньше. Правда, из третьего пункта тут же получаем не самое приятное следствие — АГНКС (автомобильные газонаполнительные компрессорные станции) приходится строить поближе к газовым магистралям, чьи маршруты далеко не всегда совпадают с трассами шоссе. И еще одно сугубо практическое следствие — КПГ дешевле, иначе его покупать не будут: вес баллона, технику безопасности при давлении в 200 атмосфер чем-то приходится компенсировать конечному потребителю.
Пропан-бутановая смесь и метан
Начнём с самого близкого и распространённого на улицах городов вопроса — это ГБО на автобусах, грузовых и легковых автомобилях. В данном случае предполагается очевидным, что ГБО позволяет экономить деньги на топливе, используя более дешёвый СУГ. Мы часто видим на улицах грузовые «Газели» с прикреплённым под кузовом красным газовым баллоном, а значит, это действительно выгодно. Разберёмся, как это работает, и в каких случаях рационально применение ГБО на СУГ для автотранспорта.
СУГ на АЗС состоит из смеси пропана и бутана практически в равных пропорциях 50/50 ±10%, Давление в баллонах с СУГ зависят от температуры и при максимально допустимой для баллона температуры в +45 градусов Цельсия давление составляет не более 16 атмосфер (1,6МПа). При более высокой температуре давление повысится ещё выше и баллон с газом просто взорвётся. Именно по этой причине газовый баллон нельзя держать близко от огня, рядом с отопительными приборами и на прямом солнечном освещении.
Использование СУГ в двигателях внутреннего сгорания возможно как в дизельных, так и бензиновых двигателях. Пропан-бутановый газ воспламеняется при температуре 600−700 градусов Цельсия, что не даёт возможности его использовать в дизельных двигателях в качестве основного топлива, так как в дизельном двигателе воздух при сжатии нагревается не выше 400 градусов Цельсия. Зато излишне высокая температура самовоспламенения газа позволяет подмешивать его в воздух при наполнении цилиндров дизелей без риска детонации газовой смеси на фазе сжатия газовоздушной смеси в цилиндре. Воспламенение сжатой смеси происходит от самовоспламеняющегося дизельного топлива, которое впрыскивают в цилиндр в момент наибольшего сжатия. Другой метод — можно создавать специальные газовые двигатели со свечами зажигания, как у бензиновых, но с более высокой степенью сжатия, как у дизельных ДВС. При этом техническая переделка дизельного двигателя под применение исключительно СУГ обходится дороже, чем аналогичная переделка бензинового двигателя. Частичное же использование газа для дизельного двигателя позволяет на недогруженном двигателе использовать газ в качестве дополнительного топлива с минимальными переделками двигателя, легко переходя к режиму частичной нагрузки на СУГ без полного отключения дизельного топлива.
Что везут — на том и едут
Именно такое частичное использование газа в дизельном двигателе позволяет экономить топливо на судах-метановозах, сжигая испаряющийся из криогенных ёмкостей газ в судовых двигателях. Мы называем суда, перевозящие СПГ, «метановозами», поскольку технология сжижения природного газа обеспечивает доведение доли метана до 98−99%, поэтому отпарной газ представляет собой практически чистый метан. В случае использования СПГ на судах-метановозах экономия наиболее велика, так как газовое топливо оказывается бесплатным, ведь иначе его пришлось бы просто сбрасывать в атмосферу вообще без полезного использования или сжигать на факеле, или возвращать в жидкое состояние судовым сжижающим оборудованием, тоже расходующим этот же газ. Когда метановоз идёт с грузом постоянно испаряющегося СПГ, то он на максимальной мощности двигателей сжигает испаряющийся газ, немножко тратя солярку на обеспечение режима воспламенения газовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. А когда судно-метановоз идёт обратно пустым, то в качестве топлива целиком используется только солярка, но при этом двигатель опять же на половинной мощности — из-за меньшего сопротивления движению пустого судна.
Согласно расчётам, по данным о конструкции современного крупного судна-метановоза, за счёт испарения от теплопритоков будет испаряться около 787 грамм в секунду жидкого метана.
При сжигании 787 г/секунду метана в дизельном двигателе корабля с КПД 50% можно получить тяговую мощность, обозначаемую буквой N, для расчета которой нужно использовать следующие данные:
- КПД двигателя, принимаемого за 50%;
- теплоту сгорания метана в мегаджоулях на кубометр — 33,5;
- количество испаряющегося метана в килограммах — 0,787;
- плотность метана при температуре 0 градусов Цельсия в килограммах на кубометр — 0,71.
Умножаем и делим, ничего сложного:
N = 33,5×0,787×50% / 0,71 = 18,6 МВт
Суда подобного размера оснащаются двигателями мощностью 60−70 тысяч лошадиных сил или 45−55 МВт.
Таким образом, отпарной газ способен обеспечить до 18 МВт (40% номинальной мощности) на винтах корабля при использовании газа одновременно с основным дизельным топливом. 40% мощности за счет испарения СПГ — очень серьезный результат, если, повторимся, помнить о том, что в противном случае метан просто испарится. Без использования выпарного метана не только теряется очевидная прибыль, возникает и не менее очевидная экологическая проблема — ведь метан является основной причиной глобального потепления. Так что выпарной метан как топливо для танкеров-газовозов как добавка к судовому топливу — сплошная польза и предотвращение вреда.
Во время стоянки имеет смысл включать судовую сжижающую установку, которая с затратой 20% выпарного газа вернёт остальные 80% обратно в хранилище в жидком виде, тем самым снизив безвозвратные потери до 0,27% в день.
От танкеров-газовозов — к автомобилям
При подаче метано-воздушной смеси в цилиндр (вместо впрыска дизельного топлива непосредственно в уже наполненный воздухом цилиндр) происходит снижение наполнения цилиндров кислородом приблизительно на 25%, что приводит к падению максимальной мощности двигателя на те же 25%. При использовании тяжёлой пропан-бутановой смеси наполнение кислородом снижается значительно меньше, а именно на 12−13%.
Если принять во внимание падение мощности двигателя при переходе с жидкого топлива на газ, то такой метод экономии применим только для относительно ненагруженных автомобилей, где максимальная мощность требуется или редко, или вообще никогда. К таким недогруженным типам автомобилей как раз и относятся лёгкие грузовые автомобили типа «Газели» и все легковые автомобили, ездящие полупустыми и перевозящие всего одного водителя. Для серийных тяжёлых больших грузовиков экономия на газовом топливе бессмысленна или даже вредна.
Отдельно можно рассмотреть использования СУГ в качестве топлива для городских автобусов, так как тут начинает влиять не только вопрос экономии, но и вопросы безопасности городской среды. Выхлоп от сжигания СУГ значительно чище по составу и почти не пахнет в отличие от дизельных двигателей на солярке, когда вонь и сажа из выхлопной трубы превращают пространство вокруг автобусов в зону локального экологического бедствия. Те же соображения распространяются к применению СУГ на огромных карьерных самосвалах. Там СУГ применяют не только из-за экономии на топливе по цене, но и для улучшения экологической обстановки в глубоких котлованах-разрезах рудных и угольных месторождений. При отсутствии сильных ветров скапливаются тяжёлые токсичные газы от дизельных двигателей самосвалов, создавая на нижних ярусах карьеров слои плотного смога, что повышает риск для здоровья работающих там людей. В случае же сжигания в моторах СУГ удаётся точнее регулировать подачу стехиометрических газовоздушных смесей, не допуская неполного сгорания топлива на форсированных режимах, чем грешат солярочные дизеля с чёрным от сажи выхлопом.
Владельцы рудных карьеров могут позволить себе заказ у производителей узкоспециальных карьерных самосвалов и оснащение их специализированными двигателями под применение СУГ. В отличие от шоссейных грузовиков с конвейерной сборкой, большие карьерные самосвалы — это всегда штучные изделия, допускающие большой разброс технических характеристик от экземпляра к экземпляру. Один из примеров — это перевод на газодизельный режим работы двух карьерных самосвалов БЕЛАЗ-75 139 грузоподъемностью 136 тонн в хозяйстве Ковдорского ГОКа (АО «МХК «ЕвроХим»). По этому примеру в ближайшее время будут переведены на газодизельный режим работы карьерные самосвалы БЕЛАЗ-75 131 и БЕЛАЗ-75 306, эксплуатируемые в АО «СУЭК-КУЗБАСС».
Литры, кубометры, килограммы и рубли
Теперь, после разъяснения ситуации в общих чертах, перейдем к рассмотрению конкретных городских цен на топливо (бензин, солярка, СУГ) и возможной достигаемой экономии. Казалось бы, что цены за один литр на все виды топлива известны с витрин АЗС и дальше всё просто. Но в сравнении разных видов топлива не всё так однозначно. Необходимо ещё учесть различную теплотворную способность топлива и привести эту потенциальную энергию к нашим кровным рублям из бумажника.
Начнём со справочных данных.
Теплотворная способность топлива:
солярка — 43 МДж/кг;
бензин — 44 МДж/кг;
СУГ — 45 МДж/кг (именно на килограмм, поскольку СУГ является жидкостью);
КПГ — 33,5 МДж/кубометр (именно на кубометр, поскольку КПГ остается газом).
Из этих цифр видно, что нигде нет привычной величины «на литр». Таким образом, необходимо узнать плотность каждого топлива и привести энергетическую ценность к «литру», а затем сравнить энергию «литра топлива» с ценой «за литр топлива» на АЗС.
Солярка: плотность — 0,84 кг/л, цена — 38 рублей за 1 литр.
Бензин: плотность = 0,75 кг/л, цена — 40 рублей за 1 литр.
СУГ: плотность — 0,55 кг/л, цена — 23 рублей за 1 литр.
КПГ: цена — 5,7 рублей за 1 кубометр (плотность не учитываем, КПГ остается газом).
Теперь, имея все эти справочные цифры, получим искомую величину экономической эффективности топлива в размерности МДж/руб.
Солярка (43 МДж х 0,84 кг/л): 38 руб./л = 0,95 МДж/руб.
Бензин (44 МДж х 0,75 кг/л): 40 руб./л = 0,875 МДж/руб.
СУГ (45 МДж х 0,55 кг/л): 23 руб./л = 1,07МДж/руб.
КПГ = (33,5 МДж/м. куб): 5,7 руб./м. куб = 5,87 МДж/руб.
Из полученных цифр следует неожиданный вывод, что в случае с СУГ без потери мощности двигателя экономия от перехода даёт всего:
с бензина на СУГ 1,07: 0,875 = 1,30 или 30%;
с солярки на СУГ 1,07: 0,95 = 1,13 или 13%.
С КПГ все намного интереснее:
с бензина на КПГ 5,87: 0,875 = 6,71 или в 6,7 раза;
с солярки на СПГ 5,87: 0,95 = 6,18 или в 6,2 раза.
Теперь от процентов перейдем к абсолютным величинам в конкретных рублях для конкретного автовладельца, начнем с СУГ (пропан-бутановой смеси).
Если автовладелец ездит на бюджетном бензиновом карбюраторном автомобиле от дома до работы по 40−60 км день (1200 км в месяц = 15 тысяч км/год), то при среднем расходе бензина 10 литров на 100 км (городской режим) он потратит около 5 тысяч рублей в месяц. При езде на СУГ он получит экономию около 1,5 тысяч рублей в месяц.
Если установка комплекта пропан-бутанового ГБО на карбюраторный автомобиль стоит в Москве от 24 тысяч рублей, то срок окупаемости для СУГ будет составлять не менее 16 месяцев, или 20 тысяч км пробега.
Если же ездить каждый день из Подмосковья в Москву, проезжая больше 100 км ежедневно, то при расходе на бензин 10 тысяч рублей в месяц срок окупаемости ГБО сократится до 8 месяцев эксплуатации, составив те же 20 тысяч км пробега.
Если же вы живёте в Москве рядом с метро и не каждый день садитесь за руль, то ГБО вам не нужно совсем, так как срок его окупаемости удаляется в бесконечность, а сложности с его эксплуатацией вы огребёте в полном размере. Так же под вопросом оказывается владение и самим автомобилем, так как получается, что редкие поездки на такси обходятся дешевле, чем расходы на редко ездящий личный автомобиль.
Для дорогих иномарок ГБО кажется и вовсе чудовищной глупостью, так как экономия в 1−3 тысяч рублей в месяц на топливе просто теряются в десятках тысяч рублей ежемесячных потерь на обслуживание автомобиля люксового сегмента. Тем более, что ГБО занимает значительную часть багажника и при этом лишает автомобиль дилерской гарантии из-за незаводского вмешательства в системы автомобиля при установке ГБО.
Таким образом, экономически оправдано применять ГБО только на непрерывно ездящих прожорливых коммерческих «Газелях», машинах такси, на рейсовых городских автобусах с собственными заправками СУГ в автопарках, а также для специализированного технологического транспорта с повышенными требованиями к экологичности выбросов и снижением затрат на топливо при непрерывном круглосуточном режиме работы техники (карьерных самосвалов).
Метановые сложности
Теперь, узнав о не очень большой экономии от использования СУГ на легковом автомобиле, попробуем понять, почему не используют в шесть раз более дешевый метан-КПГ, почему при столь очевидной экономичности использования КПГ весь мир все еще не отказался от бензина и солярки в качестве моторного топлива. Давление, под которым АГНКС заправляют баллоны для АГНКС — 200 атмосфер, что, само собой, дает совершенно определенные следствия. Чтобы выдерживать такую нагрузку, баллоны для КПГ обязаны иметь куда как более прочные стенки, что неизбежно увеличивает вес. К безопасности производители КПГ-баллонов подходят весьма основательно — на заводах каждый баллон проверяется давлением 300 атмосфер, один из ста баллонов производители обязаны довести до полного разрыва. Коэффициент прочности в 2,6 — стандарт для такого оборудования, все отдают себе отчет в том, что баллон с газом при таком давлении при взрыве превратится авиабомбу объемного типа. В последние годы промышленность перешла от цельнометаллических баллонов на баллоны из композитных материалов, радостно отрапортовав о том, что вес удалось снизить на 30% — теперь 50-литровые баллоны стали весить всего 60,2 кг, которые после заправки КПГ превращаются в 70,0 кг. При этом в стандартном комплекте ГБО — три баллона, поскольку один баллон обеспечивает запас хода всего в 150 км. Итого: практически «расставшись» с багажником и получив «трех пассажиров» даже в том случае, если вы один в машине, вы привязаны к АГНКС расстоянием в 150 км. При этом стоимость ГБО в этом случае — это уже не 24 тысячи рублей, а порядка 70 тысяч, практически в три раза дороже для ГБО под СУГ, и для того, чтобы окупить такие затраты, владельцу автомобиля придется немало пометаться вокруг АГНКС — и то только в том случае, если она имеется поблизости. Основная проблема с обустройством АГНКС заключается в том, что такая заправка, по сути, — компрессорная станция, которая может работать только непосредственно рядом с газопроводом. На АГНКС нет больших складских запасов заправленных баллонов для заправки, кроме минимального количества, достаточно для быстрого обслуживания клиентов. Это вполне объяснимо — склад с большим количеством баллонов под давлением в 200 с лишним атмосфер в наше с вами «веселое» время станет источником очень серьезной опасности. В результате, если количество обычных АЗС в России насчитывает сотни тысяч, то количество АГНКС все еще в пределах 10 тысяч, хотя газовые компании стараются открывать их с каждым годом все больше. Однако строительство АГНКС обходится в среднем в 10 раз дороже, чем строительство обычной АЗС, что практически исключает участие на этом рынке небольших частных компаний, основным игроком по прежнему остается Газпром. На фоне этих недостатков потеря разгонной динамики и снижение максимальной скорости на 5−8% — уже мелочи. К несомненным плюсам, помимо цены, относится снижение нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и на цилиндро-поршневую группу, поскольку октановое число КПГ составляет от 100 до 110 единиц.
Вес баллонов с КПГ и малое количество АГНКС сужает круг пользователей — наиболее оптимально их применение для автобусов, тяжелых грузовых автомобилей, сельскохозяйственной, карьерной и другой специализированной техники, для которых вопросы о весе ГБО и о скорости передвижения не являются критичными. Владельцам легковых автомобилей разумнее как минимум дождаться увеличения сети АГНКС и появления каких-нибудь новинок от производителей ГБО, которые могут привести к снижению веса баллонов для КПГ.