Топливо (ближайшего) будущего

danko2050. 17 февраля 2013

На сайте EIA попался интересный график энергетической плотности различных видов моторных топлив:


В общем, совсем не удивительно, что человечество так плотно подсело на бензин и дизель - топливо оптимально с точки зрения плотности энергии на единицу массы/объема. Все другие варианты либо тяжелее, либо занимают больше места. Некоторые альтернативы умудряются совместить обе отрицательные характеристики: одного взгляда на электрические батареи на графике достаточно, чтобы безошибочно предсказать судьбу автономного электротранспорта. Кроме того, картинка наглядно демонстрирует, что количество альтернатив ограничено и выбирать топливо будущего мы будем из метанола, этанола, пропана, КПГ и СПГ.

Самой очевидной альтернативой является пропан (СУГ). Этот вариант совмещает плюсы разработанной и достигшей зрелости технологии (на рынке уже 5 поколений пропан-бутанового газобалонного оборудования, ГБО), развитую инфраструктуру (около 4000 заправок по стране) и низкую цену - если переоборудовать авто на КПГ обойдется примерно в 60 тыс. руб., на СПГ - около 200 тыс. руб., то поставить на свое авто комплект оборудования для СУГ вместе с баллоном можно от 20 тыс. руб. Ахилесовой пятой этой альтернативы является производство: СУГ получается на НПЗ в качестве побочного продукта при изготовлении бензина (технологический выход СУГ в среднем составляет всего лишь 3-10% от массы исходного сырья), а также на ГПЗ, где он добывается из попутного нефтяного газа. Иными словами, СУГ привязан к нефти и бензину и разделит с ними все тяготы достижения пика производства и убывающей отдачи.

Основным способом производства метанола является неполное окисление природного газа на катализаторах или без таковых под давлением. В принципе, вполне реальная альтернатива, но есть проблема с высокой токсичностью.Как утверждает вики, приём внутрь 5-10 мл. метанола приводит к тяжёлому отравлению (одно из последствий - слепота), а 30 граммов и более - к смерти. Предельно допустимая концентрация метанола в воздухе равна 1 мг/м³. Тем не менее, метанол является жидкостью, которая гораздо удобнее газа в хранении и транспортировке.

С этанолом в этом отношении проще, но он производится либо из биологического сырья путем брожения, либо путем гидратации этилена. В первом случае производство топливо начинает конкурировать с производством продуктов питания и если эта альтернатива станет массовой, то есть опасность, что "овцы" снова "съедят людей". Производство биоэтанола из целлюлозы стало провалом, стоившим американскому правительству около 385 млн. долл. субсидий. Во втором случае мы упираемся в то же препятствие, что и с СУГ: источником промышленного получения этилена является пиролиз различного углеводородного сырья, например, этана, пропана, бутана, содержащихся в попутных газах нефтедобычи; либо получают из жидких углеводородов - низкооктановые фракции прямой перегонки нефти (выход этилена – около 30%).

Для нашей страны, впрочем, наиболее реалистичной альтернативой нефти в сфере транспорта является природный газ в виде СПГ и КПГ. Даже если принять во внимание оптимистичные оценки "сланцевой революции", Россия остается абсолютным лидером по имеющимся запасам:


Природный газ по цене уверенно выигрывает не только у бензина, но даже у СУГ:


Кроме того, замена бензина газомоторным топливом (ГМТ) имеет экологический аспект. Автомобильный транспорт России является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды. Автопарк страны (более 34 млн. единиц) выбрасывает с отработавшими газами 14 млн. т. вредных веществ в год, что составляет 40% общих промышленных выбросов в атмосферу. В больших городах они достигают 90% и представляют серьёзную угрозу здоровью населения. Величина ущерба, наносимого промышленными выбросами, достигает суммы в 2% валового национального продукта, при этом 60% ущерба наносится автомобильным транспортом. Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания, использующих природный газ, по наиболее вредным компонентам в 2-5 раз менее опасны, чем выхлопы двигателей, работающих на традиционных моторных топливах. Его использование сокращает выбросы парниковых газов транспортными средствами более чем на 25%.

Основным недостатком данной альтернативы является громоздкое и дорогое оборудование (прежде всего, тяжелые баллоны для компримированного газа), а так же небольшой пробег на одной заправке. Расход 1 кубометра метана приблизительно равен 1 литру бензина, а для двигателей, рассчитанных под 92-95 бензин, эквивалентный расход будет даже меньше одного куба, т.е. на одном баллоне (те же 50 литров) можно проехать всего 110-150 км. Но учитывая, что стоимость 1 кубометра метана составляет треть от цены 1 литра бензина АИ-92, с этим можно смириться.

О том, что движение в этом направление происходит свидетельствует, например, появление таких проектов, как совместная программа«Газпрома», РЖД и администрации Свердловской области по переводу маневровых тепловозов Свердловской железной дороги на компримированный природный газ (КПГ), а магистральных – на СПГ.

В программе предусмотрено создание на ГРС №4 (Екатеринбург) производства сжиженного газа мощностью около 3 тонн в час. Областью применения газотурбовоза должны стать северные районы страны, где газа много, а электрифицированных железных дорог нет. Это Дальний Восток, некоторые участки Байкало-Амурской магистрали. РЖД посчитало, что применение в этих условиях газотурбовозов снижает эксплуатационные затраты железнодорожников по сравнению с применением тепловозов в 1,8 раза.

В рамках этой программы создан опытный образец магистрального газотурбовоза ГТ-01 на сжиженном природном газе. Газовую турбину мощностью 8,3 МВт для экспериментального локомотива ГТ-01 разработал Самарский научно-технический комплекс им. Н. Д. Кузнецова. В январе 2009 года газотурбовоз провел по кольцу в Щербинке состав из 159 вагонов общей протяженностью более 2 км. Вес поезда достиг 15 тыс. т., а это значит, что один газовый локомотив заменяет четыре дизельных или электрических. Примечательно, что ГТ-01 значительно превзошел европейские экологические требования, которые вступят в силу только в 2012 году. Бортового запаса СПГ (17 т.) ему хватает на 750 км., которые он проходит примерно за 11 часов.



В конце июня 2012 года в рамках Петербургского международного экономического форума РЖД и группа «Синара» заключили соглашение об организации производства и поставки до 2020 года 40 магистральных газотурбовозов ГТ1h, работающих на сжиженном природном газе. Производство будет организовано на входящем в «Синару» Людиновском тепловозостроительном заводе.

В перспективе потребность РЖД в подобных машинах оценивается в районе 200 единиц. Расширение области применения газотурбовозов неизбежно приведет к увеличению сети заправочных станций и, соответственно, мини-заводов по производству СПГ. В свою очередь, эти мощности будут стимулировать переход других видов транспорта на перспективное топливо.