Сжиженный метан в грузовиках. Какие есть нюансы и сколько можно проехать на одной заправке 10:55, 10 сентября 2020 Версия для печати
Газификация автомобилей развивается двумя путями: двигатель работает либо исключительно на газе, либо по газодизельному циклу. Оба имеют свои плюсы, но второй путь для перевозчиков интереснее — у такой машины больший запас хода.
Летом этого года Volvo Trucks поставила в Россию 14 тягачей Volvo FH LNG. Ранее Iveco отгрузила российским перевозчикам более 150 своих газовых грузовиков, включая Iveco Stralis NP LNG. Есть примеры и внутри страны: КАМАЗ активно продвигает газовый магистральный тягач КАМАЗ-5490 NEO, а «Группа ГАЗ» в августе этого года начала производство нового городского автобуса ЛиАЗ-5292 LNG. Что это — временное явление или тенденция?
Думается, что второе. Правда, идею внедрения сжиженного газа в моторы все трактуют по-разному. Один из лидеров европейского рынка газомоторной техники, компания Iveco, строит исключительно монотопливные газовые двигатели. Они работают как на сжатом, так и на сжиженном природном газе с искровым зажиганием и степенью сжатия около 11. Еще один представитель большой семерки — Scania пошла по такому же пути: монотопливный двигатель, искровое зажигание, степень сжатия 12,6. Производители, у которых нет собственного моторного производства, устанавливают двигатели компании Cummins. Она поставляет полную линейку газовых моторов с рабочим объемом от 5,9 до 9,1 л. с. искровым зажиганием. Российские машиностроители — КАМАЗ и «Автодизель» движутся в этом же направлении. А вот Volvo Trucks пошла путем совершенствования газодизельного цикла с подачей в цилиндры двигателя запальной дозы дизельного топлива.
Iveco строит исключительно монотопливные газовые двигатели. Они работают как на сжатом, так и на сжиженном природном газе LNG (Liquid Natural Gas).
Еще три года назад Volvo Trucks запустила в серию грузовики Volvo FH и FM на сжиженном природном газе. Система питания таких машин включает криобак, рассчитанный на 115 кг (275 л), 155 кг (375 л) или 205 кг (495 л) сжиженного газа, и бак для дизельного топлива емкостью 170 л. Запас хода грузовика с самым вместительным криобаком составляет около 1000 км.
Технологии, применяемые при хранении газа в криобаке, сохраняют постоянную температуру топлива до –160 °С, обеспечивая отсутствие чувствительности топлива к температуре окружающей среды.
Основой для битопливного двигателя Volvo Trucks стал серийный 6‑цилиндровый рядный дизель D13К рабочим объемом 12,8 л. с. системой впрыска Common Rail. Модернизация коснулась головки блока цилиндров и топливной аппаратуры. Газовая система состоит из криобака, в котором сжиженный природный газ хранится при температуре от –140 до –120 °С и давлении 4–10 бар. Там же определенная часть жидкой фазы переходит в газообразное состояние. По отзывам специалистов, технологии, применяемые при хранении газа в криобаке, сохраняют постоянную температуру топлива до –160 °С, обеспечивая отсутствие чувствительности топлива к температуре окружающей среды. Процесс этот практически непрерывен, количество испаряемого топлива зависит от уровня сжиженного метана, интенсивности потребления газа двигателем, температуры и давления заправляемого метана. При превышении в криобаке давления в 16 бар избыток газа сбрасывается в атмосферу через предохранительный клапан.
Природный газ — реальная возможность значительно сократить затраты на топливо, говорят эксперты «Скания».
Первые 14 автомобилей Volvo FH LNG не так давно пополнили автопарк подмосковной компании «ЭйСиРейл». Седельные тягачи с колесной формулой 4х2 оснащены 13‑литровыми двигателями мощностью 460 л. с. экологического класса Евро-6, которые выдают 2300 Нм крутящего момента. Баки сжиженного природного газа рассчитаны на хранение 205 кг топлива.
Выбор в пользу автомобилей Volvo FH LNG был сделан еще и потому, что в Московской области — основном регионе транспортных операций «ЭйСиРейл» — были открыты сразу две газозаправочных станции оператора LNG-инфраструктуры, компании «Новатэк». LNG — Liquid Natural Gas. Обладая запасом хода до 1000 км, тягачи Volvo FH LNG планово заезжают на дозаправку сжиженным природным газом.
Широкому коммерческому использованию СПГ в нашей стране пока препятствует более высокая стоимость производства автомобилей, работающих на СПГ, а также необходимость хранения топлива в дорогостоящих криогенных резервуарах.
Однако с учетом повышения экологических требований к двигателям доля автомобильного транспорта, работающего на СПГ, особенно среди тяжелых грузовиков и автобусов, будет возрастать. Опять же, недавно кабинет министров РФ увеличил размер субсидий регионам для перевода автотранспорта с традиционного топлива на газ с 25 до 75 млн руб. Вполне вероятно, что к 2024 году объем потребления природного газа в качестве моторного топлива составит 2,7 млрд м3. Предпосылки к этому есть.
Роберто Каматта, бизнес-директор ООО «Ивеко Руссия»
— Мы предлагаем решения для газомоторного топлива не только для магистральных перевозок, но также и для сферы дистрибуции. Согласно нашим внутренним расчетам, один газовый тягач в сравнении с дизельным может сэкономить 2342 тыс. руб. в течение пяти лет при пробеге 150 000 км. Представьте, какова будет экономия в пересчете на весь парк! Согласен, что первоначальные вложения довольно высокие, особенно если речь идет о технике на сжиженном природном газе, баллоны для которого должны быть сверхпрочными. Но если перевозчик подсчитает общую стоимость владения, то увидит реальную экономию. В Европе это решение очень востребованно, и мы полагаем, что доля газомоторного парка в России будет уверенно расти. Так что мы не зря показали на недавней выставке одну из наших новинок — Iveco Stralis NP LNG.
Юрий Панов, кандидат технических наук, профессор МАДИ
— Думаю, что многие боятся газа. Это общепринятые стереотипы, базирующиеся на не очень удачном опыте прошлых лет. К счастью, есть молодые специалисты, знающие положительный и, в том числе, зарубежный опыт. Метан себя окупает на больших ежедневных пробегах. В этой связи его очень интересная ниша — коммунальная техника. Сегодня в Москве и других городах не спешат покупать газовые КАМАЗы. А ведь ими удобно подметать улицы вблизи АГНКС. Другая тема для метана — доставка легких грузов, возможно, каршеринг. Хотя есть регионы, где природный газ внедряется хорошо. Это, например, Белгород, Воронеж, Новгород Великий, Владимир. Для популяризации использования газа на транспорте сделать, конечно, надо еще много. Пока не совсем понятен процесс сертификации газобаллонного оборудования. Нужна ли нам сертификация ГБО итальянского, голландского, польского производства, если они уже прошли омологацию в Евросоюзе по 115‑му правилу ЕЭК ООН? Ведь наш Технический регламент Таможенного союза (ТР ТС 018) пишет, что на ГБО действует именно 115‑е правило.
Сжиженный природный газ (LNG) как автомобильное топливо
Сжиженный природный газ (СПГ) (англ. Liquefied Natural Gas) – это природный газ, охлажденный до температуры сжижения. СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, которая не токсична и не вызывает коррозии. Кроме того, это не самовозгорающийся газ, что выгодно отличает его в плане безопасности. В жидком состоянии газ занимает гораздо меньший объем. Одинаковое количество СПГ и природного газа отличаются по объему в 600 раз. Чтобы наглядно представить себе это различие, сравните надувной пляжный мяч и шарик для пинг-понга.
Энергетический рынок огромен и добыча природного газа увеличивается с каждым годом. Поэтому роль СПГ, наряду со сжатым природным газом, газоконденсатными жидкостями (NGL) и GTL (газ в жидкость) в обозримом будущем будет возрастать.
Получение и хранение сжиженного природного газа
Сжижение природного газа – не новая технология, ей уже более ста лет. Она была запатентована в США в 1914 году, а через три года был построен первый завод. С тех пор производство СПГ прочно вошло в нефтегазовый сектор, однако повышенный интерес к нему стал проявляться только в последние годы в связи с ростом экологических требований к источникам энергии.
СПГ производят путем охлаждения природного газа, состоящего в основном из метана, до точки сжижения -162° по Цельсию. В процессе сжижения от газа отделяются и отфильтровываются кислород, сера, азот, двуокись углерода и вода. Поэтому полученный продукт отличается высокой чистотой. После сжижения газ транспортируется в жидком состоянии и в пункте назначения может быть опять восстановлен в газообразную фазу на специальных СПГ терминалах (регазификация).
В настоящее время существует несколько промышленных технологий сжижения природного газа, в основе которых лежит один из двух способов: каскадный процесс или процесс Линде (разновидностью его является процесс Клода).
В каскадном процессе газ, сжижающийся при более высокой температуре, используется в жидком виде для охлаждения и сжижения второго газа, находящегося под избыточным давлением, температура сжижения которого ниже. Второй сжиженный газ, в свою очередь, используется в третьем каскаде для охлаждения и сжижения еще более трудно конденсируемого газа и т.д. Для сжижения природного газа достаточны три цикла с использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана.
Процесс Линде основан на эффекте Джоуля-Томсона. Предварительно охлажденный и находящийся под давлением газ пропускается через теплоизолированный трубопровод, в котором имеется сужение (дроссель) или пористая перегородка. За дросселем газ расширяется, в результате чего происходит его дальнейшее охлаждение. После нескольких таких циклов газ достигает температуры сжижения.
Хранится сжиженный природный газ при давлении от 3 до 10 бар в емкостях с вакуумной изоляцией. Температура хранения варьируется в зависимости от состава газа и давления. При атмосферном давлении температура СПГ не должна превышать -162° C.
Сжиженный природный газ как автомобильное топливо
Одним из главных преимуществ СПГ является снижение выбросов СО2 и других парниковых газов (до 30% по сравнению с бензином и дизтопливом). Это делает его весьма востребованным в контексте общей тенденции к более экологичным энергетическим решениям. Применение СПГ также позволяет укладываться в строгие современные нормы выбросов, чего не удается достичь с другими видами топлив.
Сжиженный природный газ (как и сжатый газ) существенно снижает коррозию и износ частей двигателя по сравнению с бензином. Это связано с тем, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндра при холодном пуске. Дизельные моторы, работающие на природном газе, зачастую проходят свыше 800 000 км без капремонта.
Молекула метана обладает высокой стойкостью, поэтому октановое число природного газа составляет от 105 до 120 единиц, что является причиной его высокой антидетонационной стойкости. Выбросы двигателей, работающих на газе, чище, с меньшим содержанием углерода и твердых частиц (сажи).Объемная плотность энергии СПГ примерно в 2,4 раза выше, чем у сжатого природного газа. Плотность энергии сжиженного природного газа сравнима с пропаном и этанолом, но составляет лишь 60% плотности энергии дизтоплива, и 70% бензина.
Широкому коммерческому использованию СПГ препятствует более высокая стоимость производства и необходимость хранения в дорогостоящих криогенных резервуарах. Однако с учетом истощения запасов нефти, повышения экологических требований, газификация автомобильного транспорта, особенно тяжелых грузовиков и автобусов будет возрастать.
Устройство топливной системы автомобиля на СПГ
В качестве примера рассмотрим топливную систему HPDI 2.0 (High Pressure Direct Injection) канадской компании Westport – ведущего производителя оборудования для сжиженного природного газа. Система HPDI 2.0 заменяет приблизительно 95% дизельного топлива природным газом. Технология Westport HPDI является единственной, которая максимально использует природный газ, сохраняя при этом мощность, крутящий момент, КПД и топливную эффективность, достигаемые при работе на дизтопливе. При этом значительно сокращаются эксплуатационные расходы, так как природный газ намного дешевле. Установка HPDI 2.0 не требует никакой переделки основных компонентов стандартного дизельного мотора. Ее также можно легко приспособить для работы на сжатом природном газе.
Устройство системы Westport HPDI 2.0
Основой топливной системы двигателя является инновационная форсунка с двойной концентрической иглой, разработанная в сотрудничестве с Delphi. Она позволяет впрыскивать под высоким давлением в камеру сгорания небольшое количество дизельного топлива и большие объемы природного газа. Природный газ подается в конце такта сжатия. Однако для его воспламенения при давлении, которое обеспечивает обычный дизельный двигатель, требуется более высокая температура. Поэтому для облегчения воспламенения в цилиндр предварительно впрыскивается небольшое количество дизельного топлива с последующим основным впрыском природного газа. Горящее дизтопливо мгновенно поджигает горячие продукты сгорания в цилиндре, а те, в свою очередь, впрыскиваемую следом порцию природного газа.
Сжиженный природный газ хранится в специальном баке, в котором смонтирован оригинальный криогенный насос. Из бака газ подается в испаритель, использующий тепло охлаждающей жидкости двигателя. На выходе из испарителя газ имеет температуру около 40° C при давлении 30 МПа. Далее газ фильтруется и направляется в модуль топливоподготовки, а затем подается к форсункам.