Природный газ как топливо для автомобиля: мифы и реальность

Три вещи делают страну великой иблагоденствующей: плодоносная почва, деятельная промышленность илегкость передвижения людей итоваров. Френсис Бэкон (1561–1626)

В 1973 году «нефтяной шок» первого послевоенного нефтяного кризиса нарушил экономику большинства стран с быстро развивающейся автомобилизацией.

Например, в послевоенной Японии автомобильный парк за двадцать пять лет увеличился с полутора до тридцати миллионов единиц. Начались срывы поставок нефти из стран Персидского залива. Японское правительство направило огромные усилия на экономию энергетических ресурсов. Парламент принял закон о рациональном использовании энергии на производстве, транспорте и в быту. Предприятия ввели специальных менеджеров, отвечающих за соблюдение установленных норм. Капиталовложения на эти цели правительство поощряло льготными кредитами и налоговыми скидками. Результат: если в 1973 году энергетические расходы страны составляли 407 миллионов килолитров условного топлива, то через десять лет, в 1984 году, потребности в топливе выросли всего на 8 процентов и достигли 430 миллионов килолитров. Очень важно отметить, что при этом валовый национальный продукт Японии удвоился; вот бы российским чиновникам так сработать.

В России действуют законодательные акты об экономии энергетических ресурсов. Некоторые из них касаются автомобильного транспорта. Наш автомобильный парк приблизился к 45 миллионам единиц. В «ЭПР» № 18 (254) и № 20 (256) был представлен материал по теме «Природный газ – автомобильное топливо» об оте­чественном опыте многолетнего поиска рациональных решений. В нем показано, что в стране, занимающей «шестую часть света», стабильное функционирование автомобильного транспорта возможно при единственном и бесспорно верном предложении – использовать все виды топливных ресурсов страны, в особенности все ресурсы местного характера. Очевидно, поэтому Государственная Дума РФ 17 октября 2014 года приняла закон № 339 ФЗ об альтернативных топливах, позволяющих замещать бензин и дизельное топливо природным газом, электричеством, газовыми смесями, сжиженным углеводородным газом, биодизелем, биоэтанолом, источниками кинетической энергии с учетом доступности использования и экономической целесообразности такого замещения. Предложенное расширение видов альтернативных топлив для автомобильных двигателей позволит управлять двумя главными характеристиками эффективности современной эксплуатации автомобилей: топливной экономичностью силовой установки и загрязнением окружающей среды отработавшими газами (ОГ).

Но для применения альтернативных топлив в России существуют сложности, которые во многих странах по этому направлению преодолены. Во-первых, на НИОКР для создания двигателей, использующих альтернативные топлива, за последние двадцать лет выделялись незначительные средства, не давшие ощутимых результатов. Во-вторых, руководители концепции перевода автомобилей на альтернативные топлива (например, природный газ) в качестве положительного аргумента прежде всего приводят низкую цену альтернативного топлива и быструю окупаемость затрат на переоборудование автомобиля. Также указывается, что уже сама по себе замена бензина и дизельного топлива на альтернативу обеспечивает выполнение требований европейских стандартов по выбросам вредных веществ с отработавшими газами.

Что же делать, отказаться от природного газа? Конечно, нет! Надо планы «газовой автомобилизации» перевести на инженерную конкретику достигнутого технологического уровня, лишенную ссылок на успехи 30 50 х годов прошлого века, превратившихся в мифы.



Миф, что «заграница нам поможет»

Это мнение, высказываемое оте­чественными специалистами, крепко опирается на многолетнее активное участие в нашем автомобилестроении производителей Германии, США, Японии и Кореи, а теперь и десятков китайских фирм-изготовителей, предлагающих всю гамму автомобильной техники высокого качества и относительно дешевой, работающей на компримированном природном газе (КПГ) и сжиженном природном газе (СПГ). Иностранные легковые автомобили с бензиновыми двигателями, продаваемые и собираемые в России, выпускаются модификациями, на которых газовые системы питания уже установлены на заводе или их можно установить в дилерском центре. По желанию покупателя система питания может работать на КПГ, СПГ или сжиженном нефтяном газе (СНГ). Выбор остается за покупателем, он самостоятельно просчитывает эффект от использования альтернативного топлива.

В марте 2014 года новый президент «Автоваза» Бу Андерссон из за незначительного спроса на заводские легковые газовые автомобили закрыл перспективы выпуска легковых автомобилей Lada, работающих на КПГ. «Автоваз» неоднократно представлял обществу битопливные автомобили, работающие на бензине или газе. Все таки, в перспективе эта тема может быть, на мой взгляд, продолжена с коммерческим фургоном Lada Largus.

Из коммерческих автомобилей значительным спросом пользуются газовые автомобили Горьковского автозавода «Группы ГАЗ». Вся линейка автомобилей «ГАЗель Бизнес» имеет модификации с битопливными газо-бензиновыми системами питания КПГ и СНГ. Двигатель УМЗ-421647 соответствует требованиям экологического стандарта Евро-4.

У производителей грузовиков лидирует «КАМАЗ». Завод предлагает: седельные тягачи, самосвалы, бортовые платформы с отечественными газовыми двигателями «КАМАЗ» (Евро-4); мусоровоз СMZL-9G, укомплектованный газовым двигателем с турбонаддувом модели IVECO (Евро-5); большой городской автобус НЕФАЗ-5299 с двигателем Mercedes-Benz (Евро-5). Все двигатели работают на КПГ, ГОСТ 27577 (табл.1). Уральский завод грузовиков «УРАЛ» сертифицировал сервисный центр автомобилей в городе Екатеринбурге для работ по установке газовых двигателей Deutz BF6M1013NG при проведении капитального ремонта грузовых автомобилей Урал-4320/5557. Газовая система автомобиля комплектуется баллонами для КПГ или СПГ.

Изучая рынок газовых двигателей, можно увидеть, что образцы, соответствующие стандарту Евро-5 и EEV, предлагают только зарубежные производители. В беседах на автомобильных конференциях и форумах с представителями наших автозаводов постоянно можно услышать – «нет средств на новые разработки». Конечно, для создания нового двигателя нужны большие финансовые вложения. Известно, что нашу автомобильную промышленность развивали крупные российские промышленники – Рябушинские, Леснер, Лебедев и многие другие, целью которых было поставить дело так, чтобы русское производство было не только названием... Сегодня такого патриотизма не наблюдается.

Недавно прочитал, что наш соотечественник Роман Абрамович поддержал английскую компанию Clean Air Power, вложив 550 тысяч долларов в общий пакет акций. Компания планирует в ближайшее время выйти на российский газомоторный рынок. Она производит топливную аппаратуру для автомобильных газодизелей большой мощности. Вопрос: почему Абрамович не хочет помочь сертифицировать газодизель КАМАЗ на Евро-6? Также неясно, зачем автотранспортникам выделяют государственную дотацию для приобретения газовых иностранных городских автобусов?

Ситуация на рынке газовой автомобильной техники, использующей природный газ, призывает к интенсификации газовой автомобилизации. Но эксплуатация ­автомобилей постоянно требует проведения обязательных регламентных обслуживаний и возникающих текущих ремонтов. Вмешательство для восстановления работоспособности газовой автомобильной техники могут производить только высокооплачиваемые профессионалы, знающие технологические процессы и имеющие специальный инструмент иностранных заводов-производителей. Стоимость иностранных материалов и запасных частей для выполнения технического обслуживания и ремонта на порядок выше стоимости аналогичных позиций отечественного производства. Попав в зависимость к иностранному дилеру, продавшему газовый автомобиль, покупатель за пять лет (хочешь не хочешь) выплачивает сумму, равную первоначальной стоимости автомобиля.

Правительство РФ выдвинуло требование перевести транспортное машиностроение на российские комплектующие. Через непродолжительное время однотопливные газовые автомобили и автобусы иностранного производства поставят к «стенке». Наши «Кулибины», приспособив что нибудь от ГАЗа, КАМАЗа или МАЗа, смогут запустить их в работу. Вопрос: на каком топливе? Вот пример. Прошло десять лет, как президент В. В. Путин издал поручение № Пр-1686 ГС от 18 октября 2004 года о постепенном переводе сельскохозяйственной техники на газомоторное топливо, но в Ленинградской области оно не выполняется. Выполненные за тридцать лет автором и другими исследователями НИОКР по переводу на природный газ автотракторной техники сложены в шкаф.

Новый всплеск использования природного газа начинает становиться имитацией сложного и дорогостоящего процесса. Реальность опускает преимущества и перспективы эксплуатации автомобильной и тракторной техники на природном газе, по результатам которой один миллион газовых автомобилей мог бы давать в год экономию на замене бензина и дизельного топлива около 150 миллиардов рублей.



Миф об экономической целесообразности

Экономические показатели выполнения транспортной работы газового автомобиля определяют техническая и коммерческая эксплуатация. К техническим факторам относятся затраты на топливо, оплата труда работников предприятия, затраты на эксплуатационные материалы, на техническое обслуживание и ремонт, накладные расходы. Эффективность оценивается по себестоимости пробега. Коммерческая эксплуатация в значительной степени определяется организацией перевозочного процесса по коэффициентам использования пробега, грузо- и пассажировместимости, технической скорости и др. Расчеты, проведенные зарубежными специалистами, показали, что применение природного газа на автотранспорте может быть рентабельно при условии разницы в ценах на бензин и природный газ в соотношении три к одному. При годовом пробеге автомобиля, равном 20 32 тысячи километров, стоимость установки оборудования для питания КПГ полностью окупается за счет экономии только на топливе через три-пять лет. Расчет окупаемости применения КПГ на автомобиле с учетом первоначальных затрат на установку газового оборудования показан на рис. 1. Дополнительные затраты ( Q, в долларах США) на переоборудование автомобиля составляют около 800 долларов. В случае, когда не взимаются государственный и местный налоги, окупаемость в эксплуатации за счет экономии на топливе наступает при наработке 50 тысяч километров (кривая 1). Если не взимается только государственный налог, то затраты окупятся при наработке 65 тысяч километров (кривая 2), а если не учитывается политика налогообложения – то через 90 тысяч километров (кривая 3). С учетом дополнительных статей, уменьшающих эксплуатационные расходы, полная окупаемость затрат на переоборудование автомобиля наступает гораздо раньше.

При эксплуатации автомобиля с газовым оборудованием появляются дополнительные затраты: на поддержание автомобиля в исправном состоянии; на обучение и доплату водителям за сложность техники; на обучение инженерно-технических работников предприятия для допуска к работе с газобаллонной техникой. Если по технологии работы предприятия обслуживание и ремонт газовых автомобилей проводятся по договорам, то к нулевым пробегам на АГНКС прибавляются пробеги на дилерские центры или СТО. Это вызывает дополнительные целодневные простои автомобилей, что снижает коэффициент выпуска на линию. В Санкт-Петербурге АГНКС находится в 5 километрах от автобусного парка, а до станции обслуживания и ремонта надо ехать почти 50 километров по окружной дороге.

При создании производственно-технической базы на предприятии кроме комплектации ее специальным оборудованием необходимо выполнить требования пожарной безопасности в зонах ремонта и на участках. Должна быть установлена непрерывно действующая система постоянной и аварийной вентиляции с датчиками автоматического контроля воздушной среды на взрывоопасность. Также требуется оборудовать посты проверки герметичности газового оборудования и баллонов, пост выпуска КПГ и дегазации баллонов.

Предприятие, в котором решены вопросы обслуживания и ремонта газового оборудования для восстановления работоспособности автомобилей, целесообразно построить на территории собственную АГНКС гаражного типа для заправки своего подвижного состава в межсменное время. Ее стоимость около ста миллионов.

Нарушение одного из указанных факторов в организации эксплуатации газовых автомобилей может создавать отрицательное мнение о целесообразности перехода на природный газ.



Миф об экологически чистом топливе

Существенным фактором для стимулирования рынка природного газа является снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС автомобилей. Вклад автомобильного транспорта в загрязнение воздуха крупных городов достигает 90 процентов по всем видам загрязнений. Поэтому последние пятнадцать лет ужесточаются экологические требования к снижению токсичности автомобилей. Перевод автомобилей на природный газ позволяет сократить выбросы диоксида углерода (основной парниковый газ) на 13 процентов, оксидов азота – на 15 20 процентов, в восемь-десять раз снижает дымность отработавших газов. Если сравнить сжигание бензина (Евро-4) и природного газа, то окажется, что по выбросам оксидов азота природный газ выигрывает почти в три раза, по СН – в четырнадцать раз, по бензапирену – более чем в шестнадцать раз, по саже – в три раза (в сравнении с дизельным топливом – в сто раз). То есть по уровню выбросов вредных веществ в атмосферу природный газ уступает только электроэнергии. Меньшее количество токсичных составляющих в выхлопных газах является важной особенностью газовых видов топлив (табл. 2). Совершенствование современных газовых двигателей для повышения их мощности, экономичности и экологических характеристик, при организации рабочего процесса на пределе детонационного сгорания топливовоздушной смеси, сталкивается с целым рядом противоречий.

В рабочий цикл ДВС изначально заложены неравномерности протекания процессов как внутри одного цилиндра, так и между всеми цилиндрами двигателя. Надо отметить, что природный газ оказывается более чувствительным к отклонениям по составу и качеству смесеобразования с воздухом, температурному режиму работы двигателя. Для достижения требований стандартов Евро-5 и EEV необходима установка дорогих нейтрализаторов отработавших газов, которые работают при сжигании стехиометрической газовоздушной смеси. Для сжигания 1 килограмма бензина требуется 14,8 килограмма воздуха, а для 1 килограмма природного газа – 17,5 килограмма воздуха. Поэтому требуется обогащать рабочую смесь, что приводит к ухудшению топливной экономичности до 10 процентов и, соответственно, увеличивает токсичность отработавших газов.

Современные автомобильные системы нейтрализации позволяют заводам выпускать автомобили с «чистым» выхлопом при соответствии конструкции двигателя виду топлива соответствующего экологического класса. Приспособить двигатель для работы на другом «экологичном» топливе без ухудшения его эффективности не удается. Но можно вспомнить, что были дефорсированные ДВС с дополнительными источниками зажигания, в которых можно было сжигать не только легкие и чистые углеводороды, но и тяжелые остатки после получения из нефти бензина и дизельного топлива. Современный уровень техники нейтрализации и очистки отработавших газов может решить экологические проблемы, которые возникнут при неполном сгорании тяжелых смесей.



Эпилог

Эффективность конструкции автомобиля достигается правильным выбором энергетической установки и вида используемого топлива для конкретных условий его эксплуатации. Из истории можно привести пример для экстремальных условий – заездов автомобилей на установление мирового абсолютного рекорда скорости. Скорость 100 км / ч первым в 1899 году превысил бельгийский инженер и гонщик К. Иенатци на ЭЛЕКТРОмобиле. Рубеж 200 км / ч первым в 1906 году преодолел на ПАРОВОМ автомобиле «Стенли» гонщик Ф. Марриотт. Длительное время самыми быстрыми оставались автомобили с приводом на колеса от бензиновых ДВС. Последний рекорд в 1965 году установил Р. Саммерс на автомобиле «Голденрод» с приводом на колеса от четырех ДВС общей мощностью 2600 л.с. Автомобиль показал рекордную скорость 658,53 км/ч. Разрешение применять реактивную тягу позволило в 1970 году гонщику Г. Габеличу на автомобиле «Синее пламя» (рис. 2) первому превысить скорость 1000 км/ч и установить абсолютный рекорд 1014 км/ч. Ракетный двигатель этого автомобиля в качестве топлива использовал сжиженный ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, а в качестве окислителя – перекись водорода. В заездах двигатель развивал силу тяги до 34000 л.с. (около 5900 кгс).

Вопрос, каким топливом будем заправлять автомобиль в недалеком будущем, продолжает оставаться актуальным. Недавно компания Laser Power Systems представила проект автомобиля с двигателем, работающим на ядерной энергии концепт «Thorium». Предполагаемая силовая установка – реактор, использующий тяжелый слаборадиоактивный металл торий. Ученые подсчитали, что одного грамма этого элемента хватит для замены 30 тысяч литров бензина. Наши ученые давно с большим успехом осваивают мирный атом. Не обошли эту тему и автомобилисты. В архиве за 1958 год нашел статью члена-корреспондента Академии наук СССР Дмитрия Петровича Великанова «Возможность применения атомной энергии для автомобилей». В ней он приводит краткий анализ изменения мощности атомного реактора, работающего на урановом топливе, и массы свинцово-водяной изоляционной оболочки. Для двигателя мощностью 75 л.с. вес оболочки достигает около 20 тонн, то есть автомобиль с таким двигателем должен весить 25 тонн, что явно неприемлемо. А вот для двигателя мощностью 7,5 тыс. л.с. – 38 тонн и при мощности 75 тыс. л.с. – всего лишь 60 тонн. Может быть, настала пора начать проект для 500 тонного самосвала «БелАЗ» с двигателем, использующим альтернативное топливо – мирный АТОМ?

Д. т. н. Александр КАПУСТИН, профессор Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета