Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 18.

На чем поедем в ХХI век? Альтернативные моторные топлива

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

Метанол

Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают широкое применение метанола на гоночных автомобилях. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира (МТБЭ). В 1998 году в США произведено около 12,5 млрд. литров МТБЭ, при этом бензин с МТБЭ составляет примерно 30% от всего объема продаж бензина в США. В результате в настоящее время МТБЭ замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.

В России метанол производят в небольшом количестве для газовой промышленности: его закачивают в магистральные трубопроводы для снижения температуры конденсации примесей природного газа. В качестве моторного топлива метанол ввиду его высокой стоимости (500 долл.США за 1 т) в России не используется.

Электромобили

Интерес к электромобилю, работающему на электричестве от аккумуляторных батарей, в начале XXI века обеспечен прежде всего развитием технологий хранения энергии, которые позволили увеличить срок работы батарей между подзарядками и сократить время самой подзарядки, увеличить срок жизни аккумуляторов и снизить их стоимость. Пока источником энергии в электромобиле служат в основном свинцово-кислотные батареи. Это наименее дорогой из всех типов батарей. Стандартный комплект свинцово-кислотных аккумуляторов для электромобиля средней массы стоит порядка 3000 долл. США. Однако на подобных батареях без подзарядки нельзя проехать более 150 км, и менять их приходится минимум раз в три года. Существуют и более продвинутые технологии хранения энергии, позволяющие увеличить срок работы батарей. Но они пока слишком дороги. В целом, как и прежде, цена электромобилей значительно превышает цену бензинового аналога. В России работы по созданию современных электромобилей практически не ведутся.

Автомобили на топливных элементах

Топливные элементы - это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства за счет процесса обратного электролиза, т.е. в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве водородсодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 100 тыс. долл. США, ввиду этого России, обладающей значительными запасами первичных энергоносителей и низким уровнем благосостояния основной части населения, в ближайшие 30 лет это направление в автомобилестроении является не актуальным.

Этанол

Этанол (спирт питьевой) обладает высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Серьезность отношения в мире к спиртовым топливам определяется уровнем их применения в транспортных средствах. Так, Бразилия ежедневно с 70-х по 90-е годы прошлого столетия замещала этанолом до 250 000 баррелей импортируемой нефти. В этой стране начиная с 1976 года 140 млн.м3 бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд. долл. США. В 90-х годах в Бразилии чистый этанол в качестве моторного топлива использовали более 7 млн. автомашин и еще 9 млн. машин - его смесь с бензином (газохол). В этой стране этанол изготавливают из сахарного тростника и им можно заправить автомобиль на 25 тыс. этаноловых заправках. Однако в последние годы наметился спад в использовании этанола как моторного топлива.

США являются вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 году производство этанола оценивалось в 5,3 млрд. л и дополнительно строились новые предприятия для производства еще 900 млн. л в год. Этанол используется как «чистое» топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и используется более чем в 100 млн. двигателей.

Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. По некоторым оценкам, этанол становится глобально конкурентоспособным при цене нефти в 60 долл. США за баррель. Всплеск интереса к использованию этанола в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами. Так, в США эти льготы компенсируют продавцам убыток в случае, если они продают этанол по цене бензина. Срок действия льгот - до 2007 года. Цель проведения такой политики в США и Западной Европе - снизить зависимость от импорта нефти. Для России, которая ежегодно вынуждена импортировать зерновые культуры, идея использования автомобиля на этаноле не актуальна и маловероятна.

Биодизельное топливо

В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса. В Австрии биодизельное топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в Италии - 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. В России, как и в случае с этанолом, практически отсутствует сырьевая база для производства биодизельного топлива, что позволяет скептически оценивать возможность его широкого использования в автомобильном транспорте РФ.

Шахтный метан

В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. К такому подходу есть серьезные основания. В настоящее время в мире уже достаточно много автомобилей используют шахтный метан как моторное топливо. К 1990 году в СЩА, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны.

Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1 до 98%. Как моторное топливо наибольший интерес представляет собой газ, извлекаемый из угольных пластов, вне зон влияния горных работ, по технологиям углегазового промысла. Сущность такого промысла заключается в извлечении газа скважинами, пробуренными с поверхности, с применением методов стимулирования газоотдачи, при этом шахтный газ имеет в своем составе 95-98% метана, 3-5% азота и 1-3% диоксида углерода. Например, в США за 10 лет (с 1988 по 2000 г.) добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд.м3 до 40 млрд.м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд.м3.

В случае использования каптируемого шахтного газа необходимо предусмотреть отделение метана от воздуха, для чего могут быть использованы сорбционные и кристаллизационные процессы. Ежегодно в странах СНГ дегазационными установками из угольных шахт извлекается и выбрасывается в атмосферу 2,3 млрд. м3 метана, в том числе в России - 900 млн. м3.

Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют, по различным источникам, 48-65 трлн. м3 с учетом восточных и северо-восточных бассейнов. На территории России наиболее газоносными являются пласты угля Воркутинского месторождения и Кузнецкого бассейна. Сегодня газообильность выработок составляет около 40 м3 метана на тонну добываемого угля. Прогнозируемые ресурсы метана в угольных пластах только в Кузбассе до глубины 1,8 км составляют 14% мировых ресурсов метана в угольных пластах и около 6% прогнозных ресурсов традиционного природного газа в России.

В связи с этим шахтный метан уже в настоящее время может рассматриваться как наиболее перспективный источник альтернативного моторного топлива для угольных регионов России.

Биогаз

Одним из наиболее перспективных видов моторных топлив, производимых из местного сырья, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, является биогаз. За короткий срок во многих странах мира была создана целая индустрия по производству биогаза. В настоящее время в Китае эксплуатируется 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы от животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объемом 220 000 м3 и 24000 биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов; работает также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3*109 Вт*ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33*1015 Дж. В Дании в эксплуатации находится 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн.т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов), давая до 45 млн. м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа. Биогазовые технологии нашли широкое применение в Корее (29 тыс. установок), Тайване (10 тыс. установок), а также в США, Канаде, Японии, Таиланде и др.

Биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России.

Природный газ

Уникальные физико-химические свойства природного газа (ПГ), значительные естественные запасы, развитая сеть его доставки от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и экологические преимущества в сравнении с традиционными видами топлив позволяют рассматривать ПГ как универсальное моторное топливо России в ХХI век.

Россия располагает крупнейшими разведанными запасами газа в мире, которые в настоящее время составляют более 47 трлн. м3 , ежегодная добыча - 540 млрд. м3, из них на внутренний рынок поставляется не менее 290 млрд. м3.

Природный газ является наиболее дешевым видом моторного топлива, поскольку согласно постановлению Правительства России от 15 января 1993 года № 31 даже в условиях свободного рынка стоимость 1 м3 природного газа для транспортных средств не будет превышать 50% стоимости 1 л бензина А-76, эквивалентного ему по энергосодержанию.

Использование природного газа как моторного топлива - интенсивно развивающееся направление, которое уже в ближайшее время превратится в самостоятельную высокорентабельную подотрасль газовой промышленности. Имеются все предпосылки к тому, чтобы через 7-10 лет годовые объемы использования ПГ на автотранспорте достигли 5-6 млрд. м3, а в более отдаленной перспективе - 20-25 млрд.м3. Использование ПГ в качестве моторного топлива обеспечивает продажу газа по цене, в 8-10 раз превышающей цену сетевого газа (при цене сетевого газа 400-450 руб. за 1000 м 3). При применении в автотранспорте природного газа в объемах 20-25 млрд.м3 в год выручка будет эквивалентна продаже сетевого газа в объеме 200-250 млрд.м3 в год.

Сравнительный анализ технико-экономической эффективности использования альтернативных моторных топлив на автотранспорте

Планируемый в России перевод на альтернативные топлива общественного и части индивидуального транспорта требует выполнения исследований по оценке как их потребительских свойств, так и себестоимости производства. При проведении технико-экономических оценок эффективности различных альтернативных моторных топлив в условиях их применения в России оказывает существенное влияние соотношение цен на природный газ и нефть на внутреннем рынке Российской Федерации, которое отличается от мировых в 3-8 раз. В таблице № 2 представлены цены на основные альтернативные моторные топлива, сложившиеся в РФ на 1.01.02 г.

С учетом существующих в России цен на энергоносители в таблице № 3 представлены расчетные экономические показатели альтернативных моторных топлив, которые могут быть использованы автотранспортом РФ.

Учитывая, что в России практически отсутствуют данные по эксплуатации отечественных автомобилей на СПГ и электромобилей, для оценки потребительских свойств использован опыт, накопленный за рубежом. В целом он будет соответствовать отечественным разработкам. В таблице №4 представлены потребительские свойства альтернативных моторных топлив (класс легковых машин).

Из таблицы № 4 следует, что автомобили, использующие КПГ, и электромобили существенно уступают прочим по запасу хода и времени заправки. Заправка бензином, СПГ и СУГ (пропаном) требует примерно одинакового времени. Все автомобили, использующие газообразные виды топлива, более экономичны, чем бензиновые, что, по-видимому, объясняется высокими степенями сжатия двигателей, а в случае наиболее экономичного СПГ (16%) - также высоким содержанием метана. Расход энергии электромобилями более низкий, однако эта величина относится к скорости до 50 км/ч.

Очевидно, что в России по экономическим и потребительским показателям только углеводородные газовые топлива представляют реальную альтернативу традиционным видам нефтяного топлива. Основными преимуществами газовых топлив являются экономичность эксплуатации автотракторной техники благодаря более низкой их стоимости по сравнению с нефтяными топливами, увеличению срока службы двигателей и сроков замены свечей зажигания и масла, более высокому октановому числу топлива и безнагарному сгоранию.

Однако анализ перспективности использования альтернативных видов моторных топлив будет неполным, если не учтен такой показатель, как экологичность топлива.

В современных условиях важнейшей характеристикой применения моторных топлив является их экологическая чистота, определяемая концентрацией вредных веществ в отработанных газах. Эмиссия токсичных компонентов в выхлопных газах двигателей, работающих на различных видах топлива, при оптимальной регулировке топливной аппаратуры (в %) приведена в таблице № 5. Выбросы при сжигании бензина приняты за 100% (используется неэтилированный бензин)

Количественное представление об экологической опасности токсичных компонентов, попадающих в атмосферу при использовании различных топлив, можно получить из нормативов платы за загрязнение атмосферы (постановление СМ РФ от 9.01.91 г. №13). Приняв коэффициент экологической опасности СО равным 1, для СхНу получим - 2, для NOx - 70, сажи - 60, оксидов свинца - 10 000, тетраэтиленсвинца (при утечках и разливе бензина) - 1000000, а бензпирена - 3 000 000.

Необходимость учета значимости экологической безопасности топлив определяется тем, что в настоящее время за рубежом при оценке перспективности того или иного вида моторного топлива обязательно принимают во внимание, кроме его хозяйственной эффективности, также и экологическую компоненту. Другими слова в стоимость топлива включают не только рыночную составляющую, но и «внешнюю», эквивалентную размеру компенсации ущерба, нанесенного здоровью населения и окружающей среды. Это позволяет учитывать те затраты и потери, которые восполняются обществом за счет налогоплательщиков (расходы на медицину, реновацию объектов, потери рабочего времени и т.д.). К сожалению, в России такие расчеты во внимание пока не принимаются, однако после введения в действие федерального закона «Об экологизации автотранспорта» экологическая компонента в стоимости топлива будет присутствовать. В качестве примера в таблице № 6 приведены усредненные значения ущерба окружающей среде от использования различных видов топлива («внешняя» стоимость) по результатам исследований, проведенных в США по программам, координируемым департаментом энергетики.

С учетом «внешней» составляющей существенно изменяется соотношение народнохозяйственной и социальной стоимости различных топлив. В таблице № 7 приведены данные об обычной и эффективной (с учетом экологического ущерба) стоимости топлив для автотранспорта с двигателями внутреннего сгорания при пробеге 300 миль и мощности двигателя 75 кВт (100 л.с.) для условий США.

Опыт показывает, что при учете социальной «внешней» стоимости замена нефтяных топлив на альтернативные существенно сокращает срок окупаемости такой замены.

Заключение

Безусловно очевидно, что в настоящее время среди множества различных вариантов альтернативных топлив лучшие шансы вступить в конкуренцию с нефтяными топливами в России имеет природный газ - прежде всего в силу своей низкой себестоимости, налаженного производства газобаллонного оборудования и значительных сырьевых ресурсов.

В проекте нового Федерального закона РФ «Об альтернативном моторном топливе - природном газе» предусматривается разработка и реализация программы по переводу транспортных средств РФ на природный газ в качестве моторного топлива, регулирование и контроль выбросов вредных веществ транспортными средствами и немаловажные меры экономического стимулирования в области использования ПГ в качестве моторного топлива. Этим законом будут установлены обязательные для большинства автотранспортных предприятий РФ нормы по переводу автомобилей на газовое топливо, предусматривающее перевод на газ за 10-летний период до 20% автомобилей, и прежде всего грузовых автомобилей, автобусов, муниципальных легковых автомобилей и такси.

В девятнадцатом выпуске читайте: О технологии ремонта трубопроводов

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.