Содержание
Преимущества метана, а правильнее сказать природного газа — его экологическая чистота, дешевизна, обширная и разнообразная ресурсная база, высокая безопасность, возобновляемость, универсальность применения – дополняются также тем, что его можно транспортировать и хранить как в газообразном, так и в сжиженном состоянии. Правда, при сверхнизких, криогенных температурах.
Компримирование (сжатие) и сжижение природного газа применяются для уменьшения физических объемов хранилища. В сосуд вместимостью 1000 литров при нормальных условиях (давление 1 атмосфера и температура 0 o С) войдет один кубический метр природного газа (нормальный — нм 3 ), при давлении 200 атмосфер — примерно 220 нм 3 , а при температуре минус 162 o С — 600 нм 3 .
Другими словами: при одинаковой вместимости топливных резервуаров автомобиль на СПГ проедет расстояние почти в 2,5 раза больше чем автомобиль на КПГ с топливной ёмкостью аналогичной вместимости. Для транспорта, выполняющего рейсы на большие расстояния, это имеет решающее значение.
Для использования метана в качестве топлива на транспорте сжижение открывает дополнительные возможности. Теперь метановые заправочные станции теперь не нужно подключать к газотранспортной или газораспределительной системам. Попросту говоря, природный газ может быть доставлен потребителю практически в любую точку, также как доставляют прочите нефтепродукты, включая СУГ.
Сжиженный природный газ – СПГ (Liquefied natural gas — LNG) представляет собой криогенную (со сверхнизкой температурой -120 К или -153,1 оС) жидкость без запаха и цвета, плотность которой в два раза меньше плотности воды. СПГ не токсичен. Диапазон температур кипения метана (в зависимости от его состава) -158 … -163 o C. СПГ для двигателей должен минимум на 95 % состоять из метана; в остальные 5 % входят этан, пропан, бутан, азот и прочие примеси.
Для получения коммерческого СПГ входящий (трубный) природный газ необходимо максимально очистить от влаги, конденсата, серы и, ртути и — главное, — двуокиси углерода (СО2). При нормальном давлении она замерзает и превращается лед уже при температуре минус 78,5? С. Ледяная пробка в может привести к остановке двигателя, убыткам и, в конечном счете, дискредитации СПГ как перспективного моторного топлива.
Немного истории
В начале XIX века Английский ученый Майкл Фарадей доказал возможность сжижения газов и заложил основы холодильного цикла: при повышения давления при комнатной температуре газ переходит в жидкость; при её испарении и возвращении в газообразное состояние выделяется холод; при повторном сжатии (компримировании) газа снова переходит в жидкость. И так далее.
В конце XIX веке немецкий инженер Карл фон Линде, считающийся основоположником холодильной техники, создал первую промышленную воздухоразделительную машину; первым научился сжижать воздух, кислород, азот. Карл Линде начал буквально «делать деньги из воздуха»: его фирма производила и продавала жидкий кислород. Кстати, ему же принадлежит изобретение ацетиленовой горелки.
В истории СПГ были и другие вехи:
• 1886 год: польский физик Кароль Ольшевский получил первый сжиженный природный газ;
• 1915 год: американский промышленник Годфри Кэбот (кстати, прожил 101 год!) запатентовал технологию хранения сжиженных газов при сверхнизких температурах;
• 1917 в Западной Вирджинии, США построена первая установка по производству коммерческого СПГ;
• 1957 в эксплуатацию введен первый в мире танкер-метановоз Methane Pioneer, доставивший из США в Великобританию первую товарную партию СПГ;
• 1998 год: в России начал работать первый в стране коммерческий комплекс сжижения/транспортировки/потребления СПГ (на базе ООО "Лентрансгаз" /Сергей Сердюков/ и ООО "Сигма-газ" /Илья Ходорков/).
Мировой рынок СПГ
К настоящему времени сформировался самостоятельный сегмент мирового газового рынка с собственной законодательной, технологической, промышленной, ресурсной и инфраструктурой базой. По данным из различных источников, в 2013 году:
• мировая добыча природного газа превысила 3,5 трлн. м 3 ;
• на мировой рынок поставлено 1,036 трлн. м 3 — почти треть мировой добычи;
8226; переработано в СПГ 0,3 трлн. м 3 (примерно 9,2% от общего объема или 31% от экспортного объема) и произведено примерно около 235 млн. т. товарного СПГ;
• прогноз производства СПГ на 2020 год составляет 400 млн. т (550 млрд. м 3 ); на 2030 — 500 млн. тонн (685 млрд. м 3 );
• сжижение природного газа в 17 странах осуществляют 86 заводов суммарной производительностью 286 млн. т;
• импорт СПГ осуществляется в 30 стран мира;
• выполнено 3998 рейсов танкеров СПГ;
• СПГ транспортируют более 420 танкеров суммарной вместимостью 62 млн. м 3 ;
• прием, хранение, регазификация и перевалка СПГ выполняется в 21 стране мира на 104 терминалах общим объемом 721 млн. тонн .
В 2014 году мировое производство СПГ составило по разным оценкам от 239 до 246 млн. т., т.е. примерно 9,6% от общего объема добычи природного газа. Международный союз импортеров СПГ (GIIGNL) утверждает, что паспортная мощность заводов сжижения природного газа к концу 2014 года достигла 298 млн. т, хотя полностью они не используются.
38% мирового объёма СПГ получено в Азиатско-тихоокеанском регионе.
Количество рейсов танкеров СПГ выросло до 4 023.
По некоторым прогнозам, в 2020 году производство СПГ может достичь 400 млн. т. (примерно 550 млрд. м 3 ), что будет эквивалентно 1/10 мирового рынка сырой нефти. К 2030 году мировой рынок СПГ может пересечь рубеж 500 млн. тонн в год (685 млрд. м 3 ).
Заводы по производству СПГ и регазификационные термналы
Цены на СПГ
Основным мотивом перехода на использование СПГ, также как и КПГ, является стремление сократить затраты на топливо. При этом СПГ предпочтительнее КПГ, поскольку по сравнению со сжатым газом он увеличивает пробег на одну заправку примерно в 2,5 раза при одинаковой вместимости систем хранения. Примечательно, что даже в условиях существенного падения цен на нефть (20% за шесть месяцев: июль 2014 – январь 2015) пессимистичный прогноз обвала цен на природный газ для автотранспорта не сбылся. Так, на переходе 2014/2015 года цены розничные на СПГ сократились только на один процент. Розничные цены на природный газ для автотранспорта намного более стабильны, чем цены на нефтепродукты. Предыдущее снижение цен на СПГ отмечалось в январе – июле 2014 года. Но даже тогда оно составило всего 7%.
Наибольший экономический эффект от использования сжиженного природного газа можно получить на тяжелом транспорте: морские и речные суда, железнодорожные локомотивы, магистральные тягачи, карьерные самосвалы, самолеты.
Транспорт на сжиженном метане:
Слева направо: морской паром Viking Grace, Финляндия;
газотурбовоз ГТ-1, Россия; магистральный тягач, Великобритания
Немного технологии
Производственно-коммерческий цикл СПГ включает сжижение природного газа (liquefaction of natural gas) — перевод входного природного газа из газообразного в сжиженное состояние за счет глубокого снижения температуры до -162 o С (-260 o F); краткосрочное хранение (до нескольких недель), транспортировку (дальность доставки автомобильным, железнодорожным и морским транспортом практически не ограничена); регазификацию (regasification) — возвращение СПГ в газообразное состояние и в завершении использование газа (use of gas) потребителем.
Источниками природного газа для переработки в СПГ в зависимости от конкретной задачи могут быть газотранспортная система и объекты на ней (компрессорные, газораспределительные станции, АГНКС, подземные хранилища), месторождения, малодебитные скважины, газовые коллекторы, возобновляемые источники и т.д.
Переработка природного газа в СПГ (natural gas processing into LNG) производится на специальных сухопутных и плавучих комплексах, использующих различные технологии: дросселированние — работа на разнице давлений газа на входе и в установке сжижения и каскадное охлаждение хладагентами. Для сокращения затрат на сжижение желательно, чтобы перепад давлений был не менее 25 – 30 атмосфер. Выбор конкретной технологии зависит от желаемой производительности оборудования, состава входящего газа, свойств и назначения итогового продукта.
Транспортировка СПГ
Транспортировка СПГ может осуществляться автомобильным, железнодорожным и водным транспортом. Наземным и железнодорожным транспортом сжиженный метан перевозят, как правило, в специальных емкостях, по сути, являющихся термосами различной конструкции, обеспечивающими достаточно продолжительное время бездренажного хранения (boil-off time). Современные емкости для транспортировки СПГ в малых обьъемах выполняются в габаритах 20- и 40-футовых контейнеров.
Стационарные наземные, заглубленные и подземные хранилища большой вместимости (как правило, вертикальные цилиндрические изотермические резервуары), также как и транспортные емкости, имеют многослойную конструкцию. Сложный сэндвич из силовых, тепло- и гидро-изолирущих конструкций, криопроводов, насосов и др. систем призван обеспечить достаточно продолжительное и безопасное хранение СПГ.
Конструкция резервуаров плавучих терминалов для хранения и газификации СПГ (FSRU — floating storage and regasification unit), — а таких объектов на конец 2014 года в мире насчитывалось 20,- в принципе имеют аналогичную конструкцию.
Ёмкости для СПГ можно сравнить с русской матрешкой, состоящей из нескольких вложенных, но изолированных друг от друга сосудов. Их количество, геометрия, материалы изготовления, тип изоляции, вместимость, конструкция и т.д. зависят от назначения.
Автоцистерны и крио-контейнеры идеально подходят для малотоннажных поставок СПГ конечным потребителям. В рамках российских и европейских СПГ-проектов автомобильные перевозки сжиженного метана осуществляют на дальность до 1000 и даже 1500 километров.
Преимуществом крио-контейнеров является то, что они приспособлены для мульти-модальных перевозок и могут выполнять роль сменных стационарных хранилищ, требующих минимальной инженерной подготовки площадки потребителя. С другой стороны, только автоцистерны могут обеспечить бесперевалочную доставку СПГ «от двери до двери».
Крупные партии СПГ транспортируют на большие расстояния морскими танкерами – метановозами (LNG carrier). Единичная вместимость танкера (по воде) колеблется в пределах от 19 до 266 тысяч м 3 . Основной объем мировых перевозок СПГ (49,8%) приходится на танкеры вместимостью от 100 до 149,9 тысяч м 3 . Вместе с танкерами вместимостью от 150 до 199,9 тысяч м 3 они транспортируют более 80% мирового экспортного СПГ. Сводные данные представлены в таблице.
Мировой флот танкеров СПГ по вместимости
По типу резервуаров для СПГ большие танкеры делятся на две большие группы: сферические (moss type) и мембранные (membrane type). Основу мирового метанового флота составляют газовозы мембранного типа. Таких судов сегодня 303; они транспортируют 75% общего объема СПГ. Танкеры со сферическими резервуарами насчитываю 109 единиц. Их транспортные возможности оцениваются в 23,7%. На танкере монтируют от 3 до 5 (реже 6) сферических или мембранных резервуаров. На малых танкерах как правило устанавливаются традиционные стальные криогенные емкости.
В 2014 году танкеры СПГ выполнили 4023 рейсов (в 2013 — 3998), 1524 из которых назначением в Японию, 559 – в Южную Корею, 273 в Китай, 219 в Тайвань, 660 в Европу 175 – в Северную Америку.
Строительство танкеров СПГ
Ведущими строителями танкеров СПГ являются Южная Корея и Япония. Почти 60% (248 судов) мирового флота данной специализации построено в Южной Корее; 23% (98 судов) – в Японии. Российский флот танкеров СПГ, принадлежащий Совкомфлоту, насчитывает 10 судов суммарной вместимостью 1 409 тыс. м 3 южнокорейской (шесть танкеров), японской и шведской постройки (по два танкера).
Мировой флот танкеров СПГ по месту строительства
При подготовке раздела по СПГ использованы материалы IEA — International Energy Agency – IEA, 2015 edition; Wood Makenzie, USDoE; Douglas-Westwood; Auke Visser’s, Global LNG Industry Review in 2014; Zeus Intelligence; GIIGNL — International Group of Liquefied Natural Gas Importers; ОАО «Газпром»; НГА и др.
В чем преимущества и недостатки перевода автомобиля на газ?
Несмотря на то, что двигатели, работавшие на газе, существовали еще в XIX веке, широкое распространение газ как вид автомобильного топлива получил совсем недавно. Преимущество газа в том, что это экологически чистый вид топлива. Кроме того, в силу меньшей востребованности газ дешевле бензина. Практически любой автомобиль можно переоборудовать под газовое топливо, однако в этом деле есть свои подводные камни, о которых зачастую не знают автомобилисты. Основной недостаток газа — повышенная взрывоопасность и сложности при хранении в автомобиле.
Сжиженный и сжатый газ
В промышленности газ в качестве источника энергии используют очень давно. Дело в том, что природный газ, а также его искусственно синтезированные аналоги значительно дешевле нефти и угля. Первые в истории автомобили также ездили на газе, но в то время знали только светильный газ, который был очень дорог в производстве. Современные автомобили используют в качестве топлива нефтяной и природный газ.
Относительно недавно на российском рынке появилось газобалонное оборудование для дизельных двигателей, оснащенных топливным оборудованием типа Common Rail
Газ как автомобильное топливо должен храниться в баллоне, выдерживающем большое давление, вне зависимости от типа – и сжиженный, и сжатый. Для пропана и метана баллоны должны быть разными, так как давление хранения сжиженного газа сильно уступает сжатому.
Сжатый газ – это метан, который сохраняет газообразное состояние практически при любых температурных условиях, то есть перевести его в сжиженное состояние крайне трудно. Для хранения его закачивают в сильно сжатом виде в "батарею" из нескольких цилиндрических баллонов небольшого объема — обычный баллон для сжиженного газа на такое не рассчитан. Сжатый газ чаще всего используют для грузовых автомобилей, поскольку в грузовике больше места для установки крупногабаритного оборудования. Несомненный плюс его применения — низкая цена. Запасы природного газа на Земле еще очень велики, да и расход сжатого газа меньше, чем сжиженного.
Газобалонное оборудование комплектуется как цилиндрическими баллонами, так и баллонами торроидальной формы. Похожий на "бублик" баллон отлично помещается в нише для запасного колеса
Сжиженный газ представляет собой смесь пропана и бутана. Это безальтернативный выбор владельца легкового автомобиля, потому что переоборудование на него стоит несравненно дешевле, чем в случае с сжатым газом, да и габариты газобаллонного оборудования значительно меньше.
Преимущества сжиженного газа
В первую очередь, сжиженный газ отличается высоким октановым числом, то есть его детонационная стойкость выше, чем у любого бензина. Кроме того, скорость горения газа значительно ниже скорости горения паров бензина, что снижает нагрузки на двигатель.
Одна из главных особенностей сжиженного газа — его экологичность. При горении газа выделяется меньше окисей, и остается меньше не сгоревших углеводородов, соответственно, выхлоп причиняет меньше вреда окружающей среде.
Газовый баллон должен один раз в несколько лет проходить техобслуживание, так называемую "опрессовку". Информацию о ближайшем сроке техобслуживания нужно искать на самом баллоне
Еще одно преимущество — легкость смешивания с воздухом. Газ при подаче в цилиндр смешивается с воздухом в однородную смесь, поэтому сгорает полностью и на поршнях не образуется нагара. Стандартное оборудование системы впрыска — например, инжектор, фактически теряют смысл после переоборудование под ГБО, так как для использования газа единственный по-настоящему нужный узел — дроссельная заслонка. Инжектор выполняет лишь функцию закрытого резервуара, не дающего газу испаряться.
Двигатель при работе на сжиженном газе выдает практически те же показатели мощности и крутящего момента, что и при использовании бензина. Однако газовое топливо, наряду с преимуществами, имеет серьезные недостатки.
Недостатки газового топлива
Газ, в отличие от бензина, может привести к серьезному взрыву при утечке. Один литр сжиженного газа при испарении превращается в 250 литров газообразного. Поэтому в машине с газовым оборудованием крайне не рекомендуется курить.
Сам по себе газ не обладает запахом, поэтому в его составе есть примеси, которые помогают обнаружить утечку. Подобные проблемы могут возникнуть в случае неправильной установки оборудования и несоблюдения регламентного обслуживания ГБО. Если запах газа в автомобиле усилился, необходимо проверить герметичность оборудования в специализированном техцентре. Автомобиль ни в коем случае нельзя ставить в гараж до тех пор, пока утечка не устранена.
Газ сгорает с выделением меньшего количества тепла, в отличие от бензина, поэтому после установки ГБО наблюдается небольшая потеря мощности. Однако серьезного влияния на динамические характеристики автомобиля это не оказывает.
Газовые АЗС работают, как правило, до 20-22 часов. Дело в том, что для продажи этого вида топлива ночью необходимы особые условия по безопасности
В составе газобалонного оборудования обязательно должны быть предусмотренные правилами эксплуатации устройства безопасности. Следует знать, что установка ГБО относится к лицензированным видам деятельности, поэтому сервисный центр обязательно должен выдать вам после модернизации вашего автомобиля пакет документов. Без этих документов пройти государственный технологический осмотр невозможно. Один из главных узлов безопасности находится на выходном фланце газового баллона и входит в состав так называемого "мультиклапана". Высокие температуры приводят к тому, что газ в баллоне начинает расширяться, в результате повышение давления может привести к утечке топлива. Мультиклапан в случае аварийного повышения давления сбросит избыток газа в атмосферу. По этой же причине баллон никогда не заправляют до предела. В мультиклапане реализована отсечка, препятствующая заправке баллона до полного объема. Как правило, на тепловое расширение предусматривают 4-5 литров свободного объема в баллоне. Отсечку ни в коем случае нельзя отключать, что бы ни говорили вам установщики.
Газобаллонное оборудование
Для того чтобы начать пользоваться газом в качестве топлива, необходимо соответствующим образом переоборудовать автомобиль. Газобаллонное оборудование позволяет использовать газ как дополнительный источник топлива, при этом возможность использования бензина остается.
Для плиты на даче и для автомобильного двигателя используется один и тот же газ, вернее, газовая смесь из пропана и бутана
Состав газобаллонной установки: газовый баллон; редуктор-испаритель (узел, которая отвечает за испарение газа и снижение давления); переключатель газ/бензин; электромагнитный газовый клапан (перекрывает доступ газа при отключении зажигания и открывает его при запуске двигателя); электромагнитный бензиновый клапан (перекрывает подачу бензина при использовании газа).
Работает газобаллонное оборудование по принципу, схожему с распределенным впрыском топлива. Газ в жидкой форме попадает в редуктор-испаритель по газовой магистрали. Испаритель снижает его давление и дальше, уже в газообразной форме, топливо попадает в смеситель, где происходит образование газовоздушной смеси. Следующий шаг — подача смеси через форсунки во впускной коллектор или непосредственно в порты, ведущие к цилиндрам.
Заводское ГБО
Многие производители устанавливают ГБО в заводских условиях, и выпускают в продажу автомобили, подготовленные для использования газа. Такая комплектация есть, к примеру, у автомобиля УАЗ Patriot. Также в конце 90-х на внутреннем рынке Японии продавался автомобиль Toyota Comfort — эта модель оснащалась единственным двигателем 2.0 L 1TR-FPE и предназначалась для работы в такси. Двигатель был оптимизирован и оснащен оборудованием, предназначенным для работы на сжиженном газе. Топливного бака в нем не было. Кстати, в этом состоит основная проблема заводских газовых автомобилей – чаще всего они не предусматривают использования бензина в качестве второго вида топлива. Поэтому многие автолюбители предпочитают установить ГБО самостоятельно, чтобы не терять возможности использовать бензин, например, для запуска двигателя в мороз. Дело в том, что подогрев редуктора ГБО осуществляется за счет предварительно прогретого антифриза в системе охлаждения. Для эффективного испарения и исправности мембраны редуктор должен быть прогрет до плюсовой температуры. По этой причине запуск при -15 градусах и ниже автомобиля на газу существенно затруднен и не может быть рекомендован в связи с высоким риском повреждения мембраны редуктора.
Газовый баллон категорически не рекомендуется ставить под днищем автомобиля. Несмотря на мифы, перевозить его в багажнике гораздо безопаснее
При выборе газового топлива следует исходить, в первую очередь, из условий использования автомобиля. Если приходится много ездить на дальние расстояния, то установка газобаллонного оборудования может значительно снизить расходы, поскольку стоимость литра газа примерно в 2 раза меньше стоимости бензина. В то же время, не стоит забывать о том, что оборудование необходимо регулярно проверять на стабильность работы и в случае возникновения утечек немедленно ремонтировать. При соблюдении правил эксплуатации газ может составить достойную конкуренцию бензину. Однако приобретать ГБО и устанавливать его в автомобиль, который большую часть времени проводит на подземной стоянке бизнес-центра, не только бессмысленно, но и потенциально опасно.
Природный газ, основную часть которого составляет метан (92-98%), на сегодняшний день является самым перспективным альтернативным топливом для автомобилей. Природный газ может быть использован в виде топлива как в сжатом (компримированном), так и в сжиженном виде.
Метан — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека.
Добыча и транспортировка
Газ находится в недрах Земли на глубине от одного до нескольких километров. Перед началом добычи газа необходимо провести геологоразведочные работы, которые позволяют установить местонахождение залежей. Добывается газ с помощью скважин, специально для этого пробуренных одним из возможных способов. Транспортируют газ чаще всего по газопроводам. Общая протяженность газораспределительных газопроводов в России составляет более 632 тысячи километров – это расстояние почти в 20 раз больше окружности Земли. Длина магистральных газопроводов на территории России – 162 тысячи километров.
Использование природного газа
Область применения природного газа достаточно широка: его используют для отопления помещений, приготовления пищи, подогрева воды, производства красок, клея, уксусной кислоты и удобрений. Помимо этого природный газ в сжатом или сжиженном виде может использоваться в качестве моторного топлива на автотранспорте, специальной и сельскохозяйственной технике, железнодорожном и водном транспорте.
Природный газ – экологичное моторное топливо
90% загрязнения атмосферы приходится на долю транспортных средств.
Перевод транспорта на экологически чистое моторное топливо – природный газ – позволяет сократить выбросы в атмосферу сажи, высокотоксичных ароматических углеводородов, окиси углерода, непредельных углеводородов и окислов азота.
При сжигании 1000 л жидкого нефтяного моторного топлива в воздух вместе с отработавшими газами выбрасывается 180-300 кг оксида углерода, 20-40 кг углеводородов, 25-45 кг окислов азота. При использовании природного газа вместо нефтяного топлива выброс токсичных веществ в окружающую среду снижается приблизительно в 2-3 раза по оксиду углерода, по окислам азота – в 2 раза, по углеводородам – в 3 раза, по задымленности – в 9 раз, а образование сажи, свойственное дизельным двигателям, отсутствует.
Природный газ — экономичное моторное топливо
Природный газ — самое экономичное моторное топливо. Для его переработки требуются минимальные затраты. По сути, все что нужно сделать с газом перед заправкой автомобиль — это сжать в компрессоре. Сегодня средняя розничная цена 1 куб.м метана (который по своим энергетическим свойситвам равен 1 литру бензина) – 13 рублей. Это в 2-3 раза дешевле бензина или дизельного топлива.
Природный газ — безопасное моторное топливо
Концентрационные* и температурные** пределы воспламенения природного газа значительно выше, чем у бензина и дизельного топлива. Метан в два раза легче воздуха и при утечке быстро растворяется в атмосфере.
Согласно «Классификации горючих веществ по степени чувствительности» МЧС России,компримированный природный газ отнесен к самому безопасному, четвертому классу, а пропан-бутан – ко второму.
* Образование взрывоопасной концентрации происходит при содержании паров газа в воздухе от 5 % до 15 %. В открытом пространстве образование взрывоопасной смеси не происходит.
** Нижний предел самовоспламенения метана – 650°C.
Природный газ — технологичное моторное топливо
Природный газ не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая
износ двигателя.
При сгорании природного газа не образуется твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя
Таким образом использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5-2 раза.
