CC BY
74
ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
АСПЕКТЫ СЕРВИСА
УДК 662.767.1; 656.025.4 ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ГРУЗОВЫМ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ
М.В. Буйлова1, Р.А. Вилаев2
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта), 236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14.
В статье рассматриваются возможность и эффективность применения в Российской Федерации грузового автотранспорта, работающего на природном газе, с учетом уровня развития заправочной инфраструктуры.
Ключевые слова: компримированный и сжиженный метан, криогенная автомобильная заправочная станция, природный газ, криогенный топливный бак транспортного средства.
THE PROSPECTS OF USING LIQUEFIED NATURAL GAS AS FUEL FOR ROAD FREIGHT
TRANSPORT
M. V. Buylova, R. A. Vilaev
The Immanuil Kant Baltic federal university (IKBFU), 236041, Kaliningrad, St. A. Nevsky, 14. The article considers the possibility and effectiveness of using road freight transport that works on natural gas in Russian Federation taking into account fuelling development level.
Keywords: compressed and liquefied methane, cryogenic car filling station, natural gas, cryogenic fuel tank of a vehicle.
При постоянном росте цены на дизельное топливо (рис. 1), а также ужесточение нормативов международных стандартов безопасности, экологии и надежности автоперевозчикам необходимо искать новые инструменты совершенствования транспортных процессов, в частности использовать современные типы подвижного состава, потребляющего более дешевые виды топлива.
2008 2010 2012 2014 2016 2018
Рисунок 1 - Динамика розничных цен на дизельное топливо в рублях для России (2008-2018 г.)
На легковом автомобильном транспорте преимущественно использовался сжиженный
углеводородный газ (далее - СУГ), а именно пропан-бутан. В связи, с низким уровнем безопасности, запасом хода данный вид газомоторного топлива редко использовался для грузовых транспортных средств. Альтернативой СУГ стал природный газ, который на 95% состоит из метана. В России с 1980-х годов в качестве газомоторного топлива используется компримирован-ный природный газ (далее - КПГ). Повсеместного распространения автомобили, работающие на КПГ не получили, из-за больших габаритов топливных баков и сравнительно небольшого запаса хода. С развитием техники появились эффективные способы сжижения природного газа и использования его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Ведущие мировые автоконцерны с 2017 года выпускают сбалансированные по техническим характеристикам седельные тягачи, которые обладают высоким уровнем запаса хода и необходимой мощностью двигателя для выполнения грузовых перевозок на дальние расстояния.
1 Мария Валерьевна Буйлова - ст. преподаватель, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, тел.: +7 (4012) 595 585; e-mail: bmv1506@yandex.ru;
2Вилаев Рудольф Андреевич - студент бакалавриата по направлению Технология транспортных процессов, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, тел. +79118654682; e-mail: vilaevrf@gmail.com
Автомобили, работающие на сжиженном природном газе (далее - СПГ) имеют криогенные топливные баки, основной задачей которых является поддержание температуры топлива в течение определенного времени. Использование баллонов с природным газом на новых моделях автомобилей не снижает уровень безопасности транспортного средства по сравнению с дизельным грузовым автомобилем. При критическом давлении вероятность взрыва крайне мала [1]. Криогенные баки для СПГ имеют внутренний и наружный сосуды, пространство между которыми заполнено экранно-вакуумной суперизоляцей.
Следует учесть отрицательный фактор использования природного газа - его способность улетучиваться. При длительной стоянке автомобиля на КПГ или СПГ происходит утечка газа. Расчетное время удержания газа для крио-баков при различных давлениях представлено на рис. 2.
0( со
1 1 полненность ¡а. % 1 — 90 2—15
На
N.
S 1
24 3 — 50
3-
10
12 14
Давление в баке,
бар
Рисунок 2 - Зависимость времени удержания газа в баке от давления2
Использование метана в грузовых автоперевозках - это не только путь к снижению денежных затрат транспортных компаний, но и средство снижения регламентируемых выбросов, в частности парниковых газов. На территории России ежегодно 40% загрязняющих веществ производит автомобильный транспорт3. Применение автомобилей, работающих на СПГ, уменьшит количество образования токсичных веществ: оксидов азота - на 15 - 20 %, диоксида углерода на - 10 - 15 %. Новые модели
седельных тягачей на газомоторном топливе (метан) имеют самый высокий уровень класса экологичности Euro - V и Euro - VI и этим превосходят свои дизельные аналоги. На 5 континентах в 85 странах используют природный газ в качестве газомоторного топлива. Более 23 млн. автомобилей работают на природном газе4, в России на данный момент - 150 тыс. единиц5.
Главным показателем развития рынка природного газа для транспорта является спрос на автомобильный метан. По данным Росстата, в 2017 году он составил 615 млн. куб. м. В 2018 объём продаж КПГ на 11% выше, чем в предыдущем и на треть больше, чем в 1990 году. Министерство энергетики РФ разработало стратегию развития потребления природного газа транспортом до 3,8 млрд. куб. м. и выделила на ее реализацию 175 млрд. руб. до 2024 года. Планируется увеличить общий парк газовых машин примерно до 1 млн. ед. и расширить газозаправочную сеть на 1,4 тыс. станций. К 2030 году, по планам Минэнерго, спрос автотранспортом на природный газ может увеличиться до 10,7 млрд. куб. м. Тогда парк автомобилей, использующие метан должен превысить 2,5 млн. ед. [2].
Из постановления Правительства РФ от 30 ноября 2018 года №1442 следует отмена государственного регулирования цен на природный газ, реализуемый ПАО «Газпром» с применением технологий сжижения и регазификации [3]. В процессе реализации данного постановления возможен рост использования сжиженного метана в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, что будет создавать положительный экономический результат для всех сторон. Использование рыночной цены приведет к росту предложения на рынке названного товара.
На конференции Европейской газомоторной ассоциации NGVA в 2017 году были определены 4 основных транспортных коридоров проекта «Голубые коридоры на СПГ», правда, они не охватывают страны восточно-европейской части Евросоюза и страны СНГ [4]. В России своя стратегия развития газомоторных коридоров - это сеть газово-заправочной инфраструктуры, в основном СПГ вдоль основных федеральных трасс: М-10 "Россия", М-11 "Москва-Санкт-Петербург", М-4 "Дон" и М-1 "Беларусь". Масштабным проектом является транспортный
2 Грузовики и автобусы // Российское автомобильное издание «Авторевю». АР №2. 2019. URL: https://autore-view.ru/articles/gruzoviki-i-avtobusy/gazodiezel-volvo
3 СПГ в автомобильном транспорте // Интернет-портал «Энергетика. ТЭС и АЭС / Всё о тепловой и атомной энергетике». 2018. URL: http://tesiaes.ru/?p=7767 (дата обращения: 06.02.2019)
4Интервью с Кириллом Молодцовым: «ускорение газификации — важное условие экономического роста» //
«Информационное телеграфное агентство России (ИТАР-ТАСС)». 15.03.2017. URL: https://tass.ru/interviews/4096362 (дата обращения: 06.02.2019)
5 Природный газ эффективное моторное топливо // ООО «Газпром газомоторное топливо». 2018.. URL: http://gaz-prom-gmt.ru/public/downloads/Natural Gas.pdf (дата обращения: 06.02.2019)
коридор из Китая в Западную Европу: "Шелковый путь", который планируется оснастить заправками СПГ.
Техническим преимуществом СПГ сравнительно КПГ являются: низкий уровень давления при хранении СПГ (максимально до 10-20 кгс/см2 абс. по сравнению с 250 кгс/см2 абс. КПГ), результатом чего являются значительно меньшие габариты, стоимость и масса топливных баков [5]. За счет разницы в давлении, при одинаковых размерах топливных баков (рис. 3) автомобили на СПГ обладают увеличенной длиной пробега транспортных средств (примерно в два раза) по сравнению с автомобилями, работающими на КПГ. Природный газ в жидком состоянии занимает в 600 раз меньший объём по сравнению с исходным газообразным состоянием. Исходя, из данного показателя СПГ легче транспортировать по сравнению с природным газом в сжатом состоянии.
Рисунок 3 - Зависимость объема газа от агрегатного состояния, м3: I - природный газ
(давление 1атм, температура 00С), II -компримированный (сжатый) природный газ
(давление 200 атм, температура 200С), III -сжиженный природный газ (давление 0,25атм, температура - 1620С)
Стоит отметить, что процесс заправки топливного бака сжиженным природным газом занимает почти столько же времени, как и заправка, бензином или дизельным топливом, а заправка компримированным природным газом займет на 40% больше времени, тем самым увеличивая время в рейсе. Для автомобилей,
6 European CNG & LNG stations maps // The Natural & bio Gas Vehicle Association (NGVA Europe). Перевод с англ.яз. - Европейская карта заправок КПГ и СПГ // Ассоциация транспортных средств на природном и биогазе (NGVA Европа) .2019. URL: http://www.ngva.eu/stations-map/ (дата обращения: 09.01.2019)
7 Каталог продукции производителя седельных тягачей
Volvo Group Россия. 2017. URL: https://www.volvotrucks.ru
(дата обращения: 10.12.2018).
выполняющих рейсы на большие расстояния, это имеет существенное значение.
Одно из главных препятствий для повсеместного использования автомобилей, работающих на природном газе - это дефицит газозаправочной инфраструктуры.
До 2010 года в РФ было введено в эксплуатацию не более 40 единиц автомобильных газовых наполнительных компрессорных станций (далее - АГНСК). На данный момент в России 493 станций АГНСК, из них 74% принадлежат структурам ПАО «Газпром» [6].
Осуществление продажи СПГ потребителям выполняется при помощи криогенных автомобильных заправочных станций (далее -КриоАЗС), на которых транспортные средства заправляются газом в жидком состоянии [7]. В России 6 подобных заправок, которые могут реализовать СПГ для грузовых транспортных средств. Лидерами в Европе по количеству КриоАЗС в стране являются: Испания - 39 ед., Италия - 31 ед., Франция - 27 ед.6 Следует отметить, что лидером по количеству таких станций на единицу площади территории является государство Нидерланды.
В настоящее время существуют грузовые транспортные средства, работающие на дизельном топливе, на различных типах газа и на газодизельном топливе (рис. 4).
Рассмотрим последние разработки производителей седельных тягачей, работающих на природном газе:
1. Volvo FH LNG7 - модель 2017 года. Немецкая компания использует двигатель G13C, который потребляет 90-95% сжиженного газа и примерно 5-10% дизельного топлива для воспламенения газа. При нехватке запаса газа автомобиль сможет продолжить движение чисто на дизельном топливе при минимальных оборотах.
2. IVECO Stralis NP460 LNG8 - итальянская модель 2018. Имеет чисто газовый 13-литровый 460-сильный мотор. Возможны несколько вариаций топливных баков (CNG; CNG+LNG; LNG). В данной работе рассмотрим вариацию: два баллона LNG с запасом хода на 1600 км.
3. КАМАЗ 5490 DDF CNG9 - российская разработка с двигателем Daimler OM-457. Имеет отличительную черту от остальных моделей,
8 Каталог продукции производителя седельных тягачей Iveco. 2018. URL: https://www.iveco.com (дата обращения: 10.12.2018).
9 Каталог продукции производителя седельных тягачей ПАО «КАМАЗ». 2018. URL: https://kamaz.ru (дата обращения: 10.12.2018).
тягач может работать в двух режимах: 100% -дизельное топливо и 55% дизтопливо/45% ком-примированного метана.
4. Scania G340 CNG10 - шведская модель тягача 2018 года на компримированном метане.
В восьми баллонах объёмом по 103 литров хранится 824 л. голубого топлива. Двигатель работает по циклу Отто и создан на основе новейшей платформы 9-литровых двигателей.
Рисунок 4 - Использование газа в качестве автомобильного топлива Таблица 1 - Сравнительная характеристика тягачей, работающих на метане
Наименование Volvo FH IVECO Stralis КАМАЗ 5490 Scania C340
характеристики LNG NP460 LNG DDF CNG CNG
Вид топлива СПГ КПГ
Мощность, л.с. 420 460 428 340
Крутящий момент, Нм 2100 2000 2000 1600
Расход топ- л./100 км - СПГ 47 33,8 - -
лива м3/100 км - КПГ - - 60 30
л/100 км - ДТ* 2,5 - 16 -
Объем бака л. - СПГ 495 540 - -
м3 - КПГ 45 - 320 824
л. - ДТ 170 - 400 -
Запас топлива, км. 1000 1600 1200 400
Допустимая нагрузка на переднюю ось, кг. 7100 7500 7100 7500
Допустимая нагрузка на заднюю ось, кг. 13000 11500 11500 11500
В таблице 1 приведены основные характеристики данных моделей седельных тягачей.
При осуществлении выбора подвижного состава следует учитывать не только тип и
расход топлива конкретной моделью, но и объемы баков. Если рассматривать приобретение нового подвижного состава для целей реализации традиционной миссии автотранспортного
10 Каталог продукции производителя седельных тягачей Scania AB. 2018. URL: https://www.scania.com (дата обращения: 10.12.2018).
предприятия, то следует уделять пристальное внимание автомобилям - тягачам, работающим именно на сжиженном природном газе (LNG), в силу присущих ему достоинств.
Таблица 2 - Характеристика тягачей
Полная масса, т. 44 46 44 40
Разрешенная максимальная масса, кг. 19500 18000 18600 17000
Класс эколо-гичности Euro 6 Euro 6 Euro 5 Euro 6
Стоимость, тыс. руб. 12 320 10 780 4 700 10 010
Рисунок 5 - Территория действия седельного тягача Volvo FH LNG
*ДТ - дизельное топливо
Принимая во внимание приведенные технические и стоимостные параметры, достаточно привлекательным является седельный тягач IVECO. Но для подтверждения этой оценки следует рассмотреть еще такой фактор, как достаточность заправочной инфраструктуры на конкретных направлениях перевозки.
С этой целью рассмотрим карты возможных территорий действия данных транспортных средств. Карты составлены с учетом запаса хода и географического расположения заправочной инфраструктуры. Указаны заправочные станции, имеющие возможность обслуживать грузовые автомобили. Для создания карт использовался картографический сервис Scribble maps11. Радиус круга сформирован без учёта степени прямолинейности движения и состояния дорожного покрытия, и имеет формальное значение половины запаса хода автомобиля (для возможности возврата автомобиля в начальную точку на запасе одного топливного бака).
IVECO Stralis NP460 LNG обладает самым большим запасом хода из данных моделей седельных тягачей - 1600 км. Радиус использования 800 км. (рис. 6).
Volvo FH LNG имеет запас хода - 1000 км. Радиус использования данного автомобиля равен 500 км (рис. 5).
Запас хода у КАМАЗ 5490 DDF CNG -1200 км., следовательно, радиус 600 км (рис. 7).
Scania G340 CNG имеет наименьший запас хода, всего 400 км. и радиус действия 200 км. (рис. 8). У данной модели есть возможность размещения дополнительных газовых баллонов. Добавление топливных отсеков может увеличить запас хода до 800 км.
Рисунок 6 - Территория действия седельного тягача !УЕСО 81гаИ« №460 Ь^
Эффект экономии от использования природного газа достигается за счет стоимостной разницы дизельного топлива и газа при соразмерном среднем объеме расхода топлива [8]. Согласно данным представленным на рис. 1, можно сделать вывод, что рыночная стоимость на дизельное топливо выросла более чем на 55% за последние 5 лет (2013 - 2018 год). На природный газ цена выросла на 13%. Для оценки эффективности применения природного газ в качестве моторного топлива в современных экономических условиях был произведен расчет расхода топлива на примере трех маршрутов грузоперевозок:
• маршрут N° 1 - Калининград - Санкт-Петербург - Калининград. Общий километраж: 1980 км;
• маршрут № 2 - Калининград - Равенна (Италия) - Калининград. Общий километраж: 3820 км для КПГ и 4020 км для СПГ;
• маршрут № 3 - Калининград - Москва -Калининград. Общий километраж: 2600 км.
11 Картографический сервис «Scribble Maps». 2019. URL: https://www.scribblemaps.com/create (дата обращения: 10.02.2019).
Рисунок 7 - Территория действия седельного тягача КАМАЗ 5490 DDF CNG
Рисунок 8 - Территория действия седельного тягача Scania G340 CNG Таблица 2 - Расход топлива
Марка седельного тягача Ед. изм. Вид топлива Маршрут № 1 Маршрут № 2 Маршрут № 3
Volvo FH LNG л. СПГ 923 1889 1363
л. ДТ 49 101 73
IVECO Stralis NP460 LNG л. СПГ 669 1359 879
КАМАЗ 5490 DDF GNG м3 КПГ 1188 2292 1740
л. ДТ 317 611 464
Scania G340 GNG м3 КПГ 594 1146 870
В таблице 2 приведены результаты расчетов расхода топлива для прохождения всего маршрута при условии полной загрузки транспортного средства. В качестве некоторых
данных использовались материалы предоставленные пресс-службами дилерских центров. Следует отметить, что у тягача Volvo FH LNG не хватает запаса хода для преодоления
расстояния по маршруту Калининград - Москва и ему необходимо делать дополнительную заправку в городе Псков, что увеличивает маршрут на 300 км.
Средняя цена КПГ в Европе 55 - 60 рублей, СПГ 75 - 80 рублей12, при этом дизельное топливо стоит более 110 рублей. Разница с диз-топливом составляет 46% и 32% соответственно; в России КПГ 16 рублей, СПГ 14 руб-лей13, дизтопливо 47 рублей, то есть меньше на 66% и 70% соответственно.
Таким образом, при выполнении транспортной работы в направлении из Калининградской области в другие регионы РФ наиболее приемлемым по запасу хода среди автомобилей, работающих на сжатом КПГ (CNG) является тягач Scania, несмотря на большие показатели расхода. В направлении перевозок в страны ЕС из Калининградской области по фактору заправочной инфраструктуры Volvo и IVECO находятся в одинаковом положении, но с учетом других показателей предпочтительнее выглядит IVECO. Хотя стоит отметить, что Volvo позволяет работать чисто на дизельном топливе при минимальных оборотах двигателя.
Одна из весомых статей расходов транспортных компаний является ремонт, связанный с заменой деталей. Использование природного газа в качестве газомоторного топлива снижает интенсивность коррозии и износа деталей двигателя по сравнению с дизельным топливом или бензином. Данный эффект вызван тем, что газ не вымывает пленку моторного масла с внутренних стенок цилиндра двигателя при холодном пуске. Моторы, работающие на природном газе, по статистике производителей проходят на 20% больше, чем дизельные [9]. Средне октановое число природного газа составляет 105. Срок службы свечей увеличивается на 40%, а расход моторного масла уменьшается на 10 - 15 % [10].
При использовании автомобилей, работающих на дизельном топливе или бензине, по оценкам руководителей транспортных компаний 5% от общего количества заправленного топлива пропадает из-за краж или мошеннических действий. При стандартных показателях расхода в год, автомобиль на дизельном топливе тратит 56 000 литров. Пять процентов от данного количества составляет - 2800 литров, а по стоимости дизельного топлива на декабрь 2018 года - это 132 608 рублей. Из топливных баков автомобилей, использующих природный газ невозможно провести несанкционированные изъятия.
12 Map of Cng and Lng stations in Europe. Перевод с
англ.яз. - Карта заправочных станций КПГ и СПГ в Европе. 2019. URL: http://cngeurope.com/lng-gnl-terminals-europe/ (дата обращения: 08.02.2019).
Таким образом, автомобили на КПГ по затратам на топливо примерно в 1,5 раза экономичнее, чем дизельные, располагают достаточным количеством заправочной инфраструктуры в России и Западной Европе, но обладают затяжным заправочным процессом и пониженным запасом топлива. Грузоперевозки являются более эффективными на небольшие расстояния. Грузовые автомобили, работающие на СПГ, маршруты, перевозки которых пролегают по территории Европы, на 1/3, а в России более чем в 1,5 раза экономичнее, обладают высоким уровнем запаса хода, но из-за ограниченной заправочной инфраструктуры в России не могут использоваться здесь повсеместно в отличие от перевозок в направлении Западной Европы.
Литература
1. Баллоны. Газы под давлением, Журнал "Gasworld Россия и СНГ". Сентябрь - октябрь 2018. Выпуск № 65.
2. Пронин Е.Н. Итоги и планы // gazpronin.ru. 2018. URL: http ://gazpronin.ru/20181224_Results_Plans.pdf (дата обращения: 01.02.2019)
3. О вопросах ценообразования на рынке сжиженного природного газа, Постановление правительства Российской Федерации от 30 ноября 2018 года №1442.
4. Пронин Е.Н. СПГ на автотранспорте Европы // gazpronin.ru. 2018. URL: http://www.gazpronin.ru/LNG4Trucks_in_Europe.pdf (дата обращения: 01.02.2019).
5. Батталханов А.А. Переход на альтернативные топлива - глобальный императив, Международный научный журнал, 2015. №7.
6. Развитие рынка // Единый оператор по развитию рынка газомоторного топлива Российской Федерации ООО «Газпром газомоторное топливо». 2019. URL: https://gazprom-agnks.ru (дата обращения: 22.01.2019)
7. Метан, СПГ, КПГ // Журнал "Gasworld Россия и СНГ". Сентябрь - Октябрь 2016. Выпуск № 51.
8. Грязнов М.Б. Применение газомоторного топлива в Российской Федерации: проблемы и перспективы, Вестник Финансового Университета, 2013. с. 21 - 31.
9. Сжиженный природный газ (LNG) как автомобильное топливо // Автомобильный онлайн журнал «Автоновичёк». 03.11.2017. URL: http://avtonov.info/szizennj-prirodny-gaz-lng (дата обращения: 19.01.2019)
10. Использование природного газа на транспорте // motusvita.ru. 30.11.2018. URL: https://motusvita.ru/use-of-natural-gas-in-transport-gas-engine-fuel-will-there-be-a-real-balance-change/ (дата обращения: 08.01.2019).
13 Автомобильное топливо «EcoGas». 2018. URL: http://eco-gas.ru (дата обращения: 08.02.2019).
