Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 17.

На чем поедем в ХХI век? Альтернативные моторные топлива

Николай КИРИЛЛОВ
к.т.н., с.н.с., Военный инженерно-космический университет (Санкт-Петербург)

Проблемы использования нефтяных моторных топлив на автомобильном транспорте: ресурсная база и экология

В настоящее время нефть является практически единственным источником удовлетворения потребности двигателей внутреннего сгорания в моторном топливе. Среди различных видов транспорта (воздушного, морского, речного, железнодорожного и т.д.) ее роль особенно велика в автотранспорте, на потребности которого тратится более 50% от общего количества добытой нефти, что обусловлено огромным количеством автомобилей. Если в 1896 году в мире всего было 4 автомобиля, то в 1920 уже около 10 млн. автомобилей, а в настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает более 700 млн. единиц и продолжает быстро расти. Поэтому экономические и экологические проблемы, связанные с использованием традиционного моторного топлива в двигателях транспортных средств актуальны для всех промышленно развитых стран.

Несмотря на снижение цен на нефть в конце 2001 года и на определенный переизбыток ее на мировом рынке в настоящее время, начало XXI века многие специалисты характеризуют как окончание эры дешевой нефти в связи с сокращением ее запасов. Так, по мнению одного из ведущих западных экспертов в области энергетики Рея Леонарда, к 2010 году добыча нефтяного топлива начнет быстро сокращаться, что вступит в противоречие с постоянно растущим спросом на нефть и приведет к глобальному нефтяному кризису. Для примера в 1993 году в странах Азии и Тихого океана насчитывалось 91 млн. легковых автомобилей, к 2020-му их там будет уже более 500 миллионов. Причем Китай, самая населенная страна мира, по числу частных автомобилей превзойдет Японию в 3 раза. А ведь всего несколько лет назад в КНР легковой частный автомобиль являлся большой роскошью.

По мнению академиков РАН Контаровича А.Э. и Добрецова Н.Л., если не будут приняты меры по воссозданию отечественных геологоразведочных предприятий и не будут созданы предпосылки для крупномасштабных инвестиций в воспроизводство минерально-сырьевой базы, то уже за пределами 2010 г.г. серьезный нефтяной кризис в России неизбежен. В ближайшей перспективе уже к 2005 году Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере 4 - 5 млн. тонн в год, а к 2010 году до 10 млн. тонн в год.

Сегодня для всех очевидно, что экономический кризис России начала 90-х годов ХХ века породил технологический кризис в отечественной нефтяной промышленности. Главная причина - уменьшение капиталовложений во все сферы добычи и переработки нефти. Требуемый объем инвестиций для модернизации нефтяного комплекса в ближайшие 5 лет составит 30-40 млрд. долл. США. В противном случае добыча нефти к 2005 году может снизиться с 310 млн.т до 200 млн. т в год.

В период 1992-2001 г. г. мы «проедали» запасы, разведанные до 1991 года. Месторождения, разведанные и освоенные до 1991 года, практически истощились. Так, с начала века основным нефтедобывающим регионом на территории будущего СССР был Азербайджан, дававший 87% всей добычи. В 60-е годы более 85% нефти давала стране Волго-Уральская область, а с 1985 года основным нефтедобывающим районом стала Западная Сибирь. В настоящее время уже и в Западной Сибири, относительно близкой к Европейской части РФ, крупные месторождения практически выработаны. Обустройство, освоение и эксплуатация новых нефтяных месторождений сопряжены с повышенными затратами, высокой стоимостью добываемой продукции и ее транспортировки к месту переработки и потребления. Себестоимость добычи нефти в суровых природно-климатических условиях севера Сибири при среднем дебите скважины 5-10 м3/сут. составляет 60-80долл/м3, достигая при существующих мировых ценах на нефть предельной себестоимости. Для сравнения можно указать, что нефтяные скважины Ирака дают на самоизливе в среднем по 500 м3/сут. нефти, а себестоимость добычи не превышает 12-13 долл./м3.

Естественно, с уменьшением запасов нефти наблюдается тенденция удорожания нефтяных топлив. Так, за период с 1980 по 1990 г. ее себестоимость в России возросла втрое и продолжает увеличиваться в настоящее время. Это обусловлено как увеличением затрат на нефтепереработку, вызванным главным образом увеличением ее глубины, так и удорожанием добычи нефти.

Другой причиной, влияющей на развитие кризисной ситуации с нефтяным моторным топливом, является увеличение общего числа транспортных средств в России, что безусловно ведет к увеличению использования энергии на транспорте. Предполагается, что в РФ к 2010 году только количество личных автомобилей возрастет в 2-2,5 раза и составит 14 -16 единиц на 100 человек населения. Общее же количество автомобильного транспорта возрастет до 46 млн. единиц. Существенно измениться также и структура перевозок. Пассажирские перевозки железнодорожным транспортом снизятся с 30% до 20%, а автомобильные увеличатся с 40% до 55%. Грузоперевозки железнодорожным транспортом уменьшатся с 65% до 50%, автомобильным транспортом возрастут с 8% до 16%. Эти тенденции в изменении структуры грузоперевозок ложатся дополнительным бременем на существующий топливно-энергетический баланс страны.

Все более возрастающим фактором, обуславливающим необходимость перевода автомобильного транспорта на альтернативные моторные топлива, является ужесточение экологических требований к отработанным газам двигателей автомобилей. Антропогенное воздействие на окружающую среду от применения нефтяных топлив в автотранспортных средствах определяется огромным количеством вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу вместе с отработанными газами автомобилей и проявляется в основном в двух видах: усилением «парникового эффекта» и негативным влиянием на здоровье людей.

Изменение климата - одна из самых серьезных экологических проблем в наши дни - связано с «парниковым эффектом», который вызван резким увеличением концентрации углекислого газа (СО2). Автотранспорт является одним из основных поставщиков СО2 в атмосферу. При сжигании 1 л бензина в воздух выбрасывается до 140 г углекислого газа, до 60 г углеводородов (СхНу) и до 10 г окислов азота (NОх). Учитывая, что суммарная мощность двигателей транспортных средств (700 млн. автомобилей) в целом превосходит суммарную мощность электростанций, применение традиционного нефтяного моторного топлива на транспорте вступает в жесткое противоречие с решениями, принятыми странами-участниками Киотского протокола (1997) и климатической конвенции (Рио-де-Жанейро, 1992), определяющих значительное сокращение выбросов СО2 и других парниковых газов в XXI веке.

Широко известно, что значительные размеры выбросов токсичных веществ автомобилями наносят огромный ущерб здоровью людей, особенно в крупных городах. За рубежом этой проблемой занялись всерьез - сейчас экологичность транспорта на стадии его проектирования стоит в одном ряду с его потребительскими качествами и безопасностью. С 1999 года в развитых странах введены нормы R 83-04 ЕЭК ООН («Евро-3»), устанавливающие снижение концентрации вредных веществ в отработанных газах примерно в 2 раза по сравнению с 1993 годом («Евро-1»).

К сожалению это не относится к России. В настоящее время в городах РФ на долю автотранспорта приходится более половины объема всех вредных выбросов в атмосферу. Особенно критическое положение сложилось в мегаполисах, где эта величина превышает 70%, например в Санкт-Петербурге - 77%, в Москве - 88%.

Это связано с тем, что большинство из 27 млн. автомашин страны не соответствуют даже устаревшим европейским экологическим требованиям «Евро-1». В результате суммарные выбросы канцерогенных веществ из двигателей автомобилей по России составляют более 20 млн. т/год. Несоответствие транспортных средств экологическим требованиям при продолжающемся увеличении транспортных потоков приводит к постоянному возрастанию загрязнения атмосферного воздуха. Уровень концентрации оксидов азота, углерода и других вредных веществ на улицах российских городов в 10-18 раз превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). Реально нависла угроза жесточайшего экологического кризиса, который к тому же, возможно, совпадет с энергетическим, поскольку запасы отечественной нефти ограничены и имеют специфические особенности.

Введение на территории России с 1 января 2001 года нормы «Евро-2» пока является чисто декларативным актом, поскольку нерациональная структура отечественной нефтепереработки (недостаточны мощности вторичных процессов) определяет низкое качество производимых бензинов и дизельного топлива, не соответствующих современным требованиям. С другой стороны, качество отечественных автомобильных двигателей оставляет желать лучшего. Российские двигатели в большинстве уступают зарубежным по таким показателям, как удельная мощность, экономичность, шумность, эксплутационная технологичность, экологичность и ремонтопригодность. Согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 15 марта 1999 года № 286 «Основные направления развития автомобильной промышленности России на период до 2005 года» и проекту Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленности России на период до 2005 года» выпуск отечественных автомобильных двигателей, отвечающих современным требованиям по сохранению окружающей среды, следует ожидать не ранее 2010 года. Поэтому в настоящее время единственным путем повышения экологичности автотранспорта является его перевод на альтернативные топлива, что обеспечит сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким европейским нормам (см. таблицу №1).

Альтернативные виды моторных топлив и перспективы их использования в России

Сейчас практически в каждой промышленно развитой стране проводятся значительные исследовательские работы среди производителей и научных организаций в области создания наиболее оптимальных с точки зрения экологичности, высокой эффективности, низких издержек производства и значительных запасов, новых видов моторных топлив. Целью этих работ является разработка национальных топливных концепций и создание соответствующих двигателей, отвечающих самым жестким мировым стандартам.

В отличие от развитых зарубежных стран, в России до сих пор не существует концепции произвводства и использования альтернативных моторных топлив, что в значительной степени усложняет решение задач развития отечественного моторостроения и экологизации автотранспорта. Очевидно, что первым шагом в решении этой проблемы является учет всех видов возможных альтернативных моторных топлив и анализ перспективности их использования в условиях России.

Сжиженные углеводородные газы (СУГ). В широком обиходе под СУГ понимают бутан-пропановую смесь. СУГ является наиболее высококачественным продуктом переработки нефти и нефтяного попутного газа (ПНГ). Как моторное топливо СУГ обладают важным преимуществом перед другими видами газовых моторных топлив (например, природного газа, биогаза и т.д.): бутан-пропановая смесь при нормальной температуре и давлении в 1,6 МПа переходит в жидкое состояние. Следует отметить и более низкую себестоимость производства этого топлива по сравнению с традиционными моторными топливами - бензинами. Именно поэтому, в мире на этом виде альтернативного топлива работает наибольшее число автомобилей - 3,5 млн. единиц.

При рассмотрении перспектив применения СУГ в качестве моторного топлива в России следует иметь в виду, что эти газы являются химическим сырьем для производства целого ряда важных продуктов, а также незаменимым технологическим материалом в ряде производств, например в специальном стекольном и т.д. Необходимо, кроме этого, учитывать, что СУГ широко используются для бытовых нужд в местах, удаленных от газопроводов природного и попутного газа (отопление, приготовление пищи). Таким образом, ресурсы СУГ, которые могут быть выделены для использования в качестве моторного топлива, ограничены. Так, в СССР около 35% СУГ использовалось в качестве сырья для химической и нефтехимической промышленности, 45% поступало на коммунально-бытовые нужды и только 1,5% на автотранспорт. Остальное использовалось при газопламенной обработке металлов и в других целях.

Говоря о перспективности СУГ как моторного топлива, необходимо помнить, что этот вид моторного топлива не является альтернативным топливом в строгом смысле этого термина, поскольку добыча исходного сырья - попутного нефтяного газа напрямую завязана на добычу нефти, и, если ее запасы иссякнут, дешевого бутан-пропана уже не будет. Об этом красноречиво говорит следующая динамика. С сокращением добычи нефти с 1990 по 2000 г. в 2 раза, производство СУГ в России снижено также почти в два раза, а его использование в качестве моторного топлива в этот период снизилось с 730 тыс. т до 250 тыс. т., т.е. в 3 раза.

Затраты на добычу попутного нефтяного газа в 6-8 раз выше, чем на природный газ. Сегодня себестоимость добычи ПНГ составляет от 200 до 300 рублей за 1000 м3 ПНГ, транспортирование добавляет еще до 400 рублей за 1000 м3 ПНГ. По мнению специалистов, чтобы сделать добычу ПНГ рентабельной в настоящее время, цена на СУГ должна приблизиться к 40 долл. США за 1000 м3. Ввиду этого уже в ближайшее 10-15 лет использование СУГ как альтернативного моторного топлива станет не перспективным.

Синтетический бензин. Сырьем для производства синтетического (не нефтяного) бензина могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. При этом природный газ окисляется в присутствии катализатора в синтез-газ, содержащий СО и Н2. Моторные топлива из синтез-газа производятся либо с использованием процесса Фишера-Тропша, либо с помощью так называемого Мобил-процесса через промежуточное получение метанола. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы «Мобил» из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. т моторных топлив. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8...3,7 раза дороже нефтяных (в зависимости от технологии получения). Учитывая тяжелое финансовое положение России и высокую стоимость создания производства синтетического бензина, в ближайшие 20-30 лет данный вид моторного топлива навряд ли будет широко использоваться в РФ.

Продолжение материала читайте в следующем выпуске

В восемнадцатом выпуске читайте: На чем поедем в ХХI век? Альтернативные моторные топлива (окончание)

Подписаться на печатную (бумажную) версию газеты "Энергетика и промышленность России" (периодичность - раз в месяц, объем - 32 полосы) можно ЗДЕСЬ. Ознакомительный экземпляр высылается бесплатно.

С расценками на размещение рекламы в печатной (бумажной) версии газеты "Энергетика и промышленность России", а также на сайте газеты www.eprussia.ru можно ознакомиться ЗДЕСЬ.