CC BY
53Технико-экономическое обоснование применения перспективных моторных топлив, получаемых из природного газа
Н.А. Лапушкин, ст. научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н.,
А.М. Савенков, начальник лаборатории ООО «ВНИИГАЗ»,
И.Б. Кессель, начальник лаборатории ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н.
В статье выполнен технико-экономический анализ использования различных моторных топлив, в том числе и синтетических (диметиловый эфир), получаемых из природного газа, в сравнении с традиционным дизельным топливом. Основными потребителями рассматриваемых топлив являются транспортные средства и энергетические установки малой мощности для выработки электрической и тепловой энергии. Учитывались также ущерб, наносимый сжиганием топлива окружающей среде, стоимость переоборудования двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для применения конкретного топлива, стоимость производства газомоторного топлива и другие затраты. Показано, что для энергетики и транспорта в настоящее время следует применять различные виды топлива. Для малой энергетики более перспективным является природный газ, замена которому в ближайшее время, с учетом его низкой стоимости, не предвидится. Для транспорта наиболее перспективным топливом является диметиловый эфир. Особенно эффективно его применение в качестве газомоторного топлива для двигателей большегрузных автомобилей и автобусов крупных городов с неблагоприятной экологической обстановкой. С учетом введения новых норм по выбросам вредных веществ с отработавшими газами двигателей, определяемых требованиями правил ЕЭК ООН №49-02 (нормы «Евро-3» и «Евро-4»), диметиловый эфир (ДМЭ) является наиболее перспективным моторным топливом, позволяющим обеспечить эти нормы без применения специальных дорогостоящих мероприятий.
Ужесточение экологических требований к поршневым двигателям транспортных средств вызывает необходимость проведения целого комплекса мероприятий: совершенствование рабочего процесса; применение альтернативных видов моторных топлив; использование систем нейтрализации; применение установок с рекуперацией энергии и нетрадиционным приводом ведущих колес.
Применение альтернативных видов моторных топлив является одним из определяющих факторов, с которым связывается резкое уменьшение токсичных выбросов с отработавшими газами
автотранспортных средств (АТС). Среди известных альтернативных видов топлив следует обратить особое внимание на использование природного газа, который в настоящее время в сжатом виде находит применение в транспортных средствах. Необходимо отметить, что этот вид газомоторного топлива не получил пока широкого распространения из-за ряда технических и экономических проблем, связанных с его практическим использованием (отсутствие широкой инфраструктуры, надежности газотопливной аппаратуры и т.д.).
Многие специалисты считают, что в настоящее время более перспектив-
ным топливом являются жидкие продукты, получаемые из природного газа: сжиженный природный газ (СПГ), диметиловый эфир и другие синтетические жидкие виды топлива, в том числе синтетическое дизельное топливо. Реализация проектов сжижения природного газа требует огромных капиталовложений и экономически оправдана только в тех регионах, где продолжительность добычи природного газа из гигантских месторождений значительно превышает срок окупаемости инвестиционных проектов.
Как топливо, диметиловый эфир интересен не только универсальностью его применения и высокими экологическими характеристиками, но в первую очередь возможностью производства в местах разработки отдаленных газовых месторождений и реализации коммерчески эффективных схем транспортировки. Впервые ДМЭ был практически применен в Советском Союзе в импортных двигателях большой мощности, установленных на строительной технике специального назначения, применявшейся при сооружении секретных объектов на Крайнем Севере. В 1970-1975 гг. нефтяная промышленность не могла предложить дизельное топливо, работающее в условиях низких температур -50...-70°С, а диметиловый эфир, как топливо, идеально подходит для этих условий.
В последние годы на диметиловый эфир, который применяется как присадка к жидкому нефтяному моторному топливу, вновь обратили внимание, как на теоретически идеальное топливо для дизелей. Работы в данном направлении интенсивно ведутся за рубежом (США, Дания, Австрия, Швеция, Япония и др.) и их результаты были впервые представлены на конференции БАБ в 1995 г. В России, после первой апробации военными специалистами, вновь вернулись к возможности применения ДМЭ в качестве моторно-
го топлива. В 1997 г. были проведены ходовые испытания двигателя Д-245 на ДМЭ при его установке на грузовике «АМО ЗИЛ» 5301 («Бычок»), а также на стенде по 13-ступенчатому циклу [1]. Испытания двигателей показали, что использование ДМЭ в качестве топлива для дизелей автотранспорта открывает новые возможности по топливной экономичности двигателей за счет организации рабочего процесса с высоким термическим КПД, сверхчистому выпуску отработавших газов и низкому уровню шумов при сгорании в цилиндре. Процесс сгорания в дизелях с ДМЭ легко выполнить без специальных средств для улучшения воспламеняемости из-за высокого его цетаново-го числа, а химическая структура ДМЭ (СН3 - О - СН3) с высоким содержанием кислорода обеспечивает его бездымное сгорание.
Диметиловый эфир обладает уникальными в химмотологическом отношении физико-химическими свойствами: испаряемость, воспламеняемость, высокое содержание связанного кислорода, отсутствие способствующих саже-образованию при горении химических углеродо-углеродных связей и др.
Что касается воздействия на окружающую среду и здоровье людей, то ДМЭ обладает очень коротким полупериодом жизни в тропосфере (менее одного дня), не поступает в стратосферу, полностью разлагается на воду и углекислый газ, нетоксичен, немутагенен, неканцерогенен, коррозионно неактивен. По безопасности применения ДМЭ подобен сжиженному углеводородному газу (СУГ).
Кроме описанных выше преимуществ, физико-химические свойства ДМЭ (высокое цетановое число и низкая температура кипения) обеспечивают:
■ быстрое и качественное смесеобразование (за счет практически мгновенного испарения топлива при поступлении в цилиндр);
■ существенное уменьшение периода задержки воспламенения;
■ исключительно хорошие пусковые характеристики в холодное время.
Поскольку плотность ДМЭ близка к плотности СУГ (0,54 г/см3), конструкция и емкость заправочных баков двигателя, работающего на ДМЭ, идентичны бакам двигателей, работающих на СУГ.
В жидком состоянии ДМЭ может сохраняться при умеренных температурах окружающей среды при давлении около 5 бар. Однако при работе двигателя с повышенными температурами для гарантированного исключения образования паровых пробок в топливной аппаратуре он должен быть сжат до давления 15-20 бар. СУГ также находится в топливных баках под давлением 1520 бар, поэтому конструкция системы хранения ДМЭ на борту транспортного средства не изменится по сравнению с системой хранения СУГ.
Существующие дизели, в качестве переходного варианта, могут быть приспособлены к работе на ДМЭ путем замены топливоподающей аппаратуры и регулировки ее применительно к двигателю, что позволит таким простым способом обеспечивать бездымную работу и пониженный выброс окислов азота. Однако основным вариантом при расширении использования ДМЭ является применение двигателей, специально спроектированных для этого. С учетом того, что по своим параметрам, тепловой и механической нагруженности эти двигатели будут подобны бензиновым, их стоимость будет соизмерима со стоимостью бен-
зиновых двигателей, то есть на 20-25% меньше стоимости дизельного двигателя той же мощности.
Экономичность двигателя на ДМЭ во всем диапазоне режимов работы близка к дизелю (рис. 1). Отсутствие уг-леродо-углеродных связей и наличие в топливе связанного кислорода обеспечивают более полное сгорание топлива в цилиндре. Особенно это важно при разгоне двигателя, так как для обеспечения на этом режиме выбросов NOх до уровня менее 4 г/кВт • ч в разрабатываемых перспективных дизелях применяются дорогостоящие меры: охлаждаемая рециркуляция отработавших газов, регулирование давления наддува и угла опережения впрыскивания топлива, специальные каталитические нейтрализаторы и т.д. [2].
Проведенные испытания показали [1, 3-6], что работа двигателя на ДМЭ сопровождается характеристиками самовоспламенения и диффузионного горения, типичными для дизельного топлива. При сгорании ДМЭ значительно снижается уровень шума, который становится на уровне бензинового двигателя. Отсутствие в отработавших газах частиц углерода за счет перерегулировки двигателя на предельное
содержание окислов азота позволяет значительно снизить содержание N0^ В целом необходимое понижение уровня выбросов окислов азота в обычном дизеле приводит к заметному усложнению его конструкции, удорожанию и ухудшению экономичности. Между тем применение ДМЭ открывает путь к значительно более эффективному решению задачи снижения вредных выбросов.
При использовании ДМЭ безнаддувные двигатели повышают свою максимальную мощность на 10% по сравнению с работой на дизельном топливе [2]. Как и другие альтернативные виды моторного топлива, ДМЭ имеет более низкую теплотворную способность и плотность по сравнению с дизельным топливом, что вызывает необходимость соответствующего увеличения объемной подачи топлива и, как следствие этого, большего объема топливного бака автомобиля для преодоления одинакового расстояния.
Основным недостатком ДМЭ является малая кинематическая вязкость (на порядок меньше, чем у дизельного топлива) и связанная с этим пониженная смазывающая способность, в
результате чего затрудняется герметизация подвижных узлов уплотнения топливной аппаратуры, а также повышается склонность к задирам прецизионных трущихся пар. Для устранения этого недостатка в конструкции топливной аппаратуры транспорта принимаются специальные меры, например, подвод к плунжерным парам масла под давлением с целью их уплотнения, а также подмешивание к ДМЭ специальной противозадирной присадки, типа «Лубризол».
В табл. 1 приведены основные характеристики сравниваемых моторных топлив [7]. Наряду с дизельным топливом, ДМЭ и СПГ, анализируется также СУГ, что делает данное исследование более объективным. При этом следует иметь в виду, что при всех положительных качествах СУГ его ресурсы в России весьма ограниченны, вследствие чего поступление его на отечественный рынок в качестве моторного топлива будет в будущем лимитировано. И только в отдельных регионах в местах производства СУГ может рассматриваться как самостоятельное моторное топливо.
Анализируя полученные данные, можно отметить, что при работе на ДМЭ:
■ имеется потенциальная возможность создания «чистого» и «бездымного» дизеля, который будет соответствовать требованиям калифорнийского стандарта ULEV («Евро-3») по выбросам N0х без катализатора и по выбросам СН с окислительным катализатором;
■ уменьшается уровень шума сгорания дизельного топлива, достигая уровня шума сгорания бензина;
■ можно получить ту же топливную экономичность по введенной эквивалентной химической энергии, что и на дизельном топливе;
■ можно использовать топливную аппаратуру низкой стоимости из-за низкого давления впрыска топлива;
■ можно возвратиться к массовой эксплуатации дешевых безнаддувных двигателей, обладающих меньшей массой и стоимостью, которые в настоящее время исчезают с рынков сбыта из-за невозможности выполнения при их эксплуатации жестких требований по обеспечению уровня токсичности отработавших газов;
■ возможно также применение технического (неочищенного) ДМЭ невысокой стоимости с наличием в нем некоторого количества метанола и воды.
Таблица 1
Эффективность применения ДМЭ в качестве моторного топлива
Наименование Дизельное топливо (с сероочисткой) ДМЭ СУГ СПГ
Средняя стоимость топлива, долл. США/т 250 250 297,6 423
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,5 28,8 46,1 50
Плотность, кг/м3 860 677 540 422
Эффективный КПД использования в ДВС Дизельный процесс 0,42 Дизельный процесс 0,42 Зажигание искрой 0,36 Зажигание искрой 0,36
Длительное хранение Да Да Да Нет
Относительные затраты на переоборудование двигателя — 12% 18% 20%
Инфраструктура заправки Есть Есть Есть Нет
Потери при хранении и заправке Нет 0,3% 0,3% 5%
Выбросы
СО, г/км (г/кВт • ч) 0,2-1,6 () (2,17-3,2) 2,6 0,5-1,5
СН, г/км (г/кВт • ч) 0,1-0,2 (0,4) (0,4) 0,9 0,1-0,2
NOx, г/км (г/кВт • ч) 0,5-1,8 (5,2-6,0) (2,0-2,2) 1,5 0,5-0,9
Сажа, г/км (г/кВт • ч) 0,28-0,56 — — —
Относительные выбросы токсичных веществ с выпускными газами, %
СО 100 110 160 190
СН 100 100 220 200
^ 100 40 85 50
Сажа 100 0 0 0
Стоимость единицы работы, получаемой при использовании ДМЭ
в качестве моторного топлива
Анализируя данные по структуре потребления ДМЭ в отраслях хозяйства, получаем, что основными его потребителями будут транспорт, энергосиловые установки для выработки электроэнергии и коммунально-бытовой сектор.
Эксплуатационные качества энергетической установки характеризуют важнейший экономический фактор - стоимость единицы работы. Она складывается из нескольких частей, каждая из которых относится к единице работы (1 кВт • ч):
■ стоимости топлива;
■ возмещения стоимости двигателя;
■ стоимости проведения ремонта и эксплуатации.
Для оценки стоимости единицы работы выберем две энергосиловые установки: электростанцию с дизельным поршневым двигателем, конвертированным для работы на ДМЭ, СУГ и СП Г, мощностью 1700 кВт (17ГД100 -10ДН20,7/25,4), производства Брянского машиностроительного завода, и транспортный дизель городского автобуса, мощностью 200 кВт (типа «Икарус»).
Оценки экологического эффекта от замены одного вида топлива другим существенно различаются, что связано с отсутствием общепризнанных отечественных методик и несовершенством наших законодательных актов, где было бы оговорено возмещение за нанесение экологического ущерба от загрязнения окружающей среды. Поэтому в расчетах это учитывалось косвенными методами: затратами на приобретение устройств для уменьшения ущерба, создаваемого загрязнением воздушного бассейна, обеспечивающих соблюдение требований европейских экологических норм «Евро-3» или «Евро-4».
При цене единицы топлива х получаем его удельную стоимость:
3600
ХшВе =Хт^г долл. США/кВт • ч,
где пе, де, Qн - эффективный КПД, удельный эффективный расход топлива (г/кВт • ч), низшая теплота сгорания (кДж/кг).
Рыночная стоимость 1 кг дизельного топлива и СУГ на заправочных стан-
циях составляет соответственно 0,25 и 0,2976 долл. США. Фирмы «Amoco» и «Holdor Topsoe A/S» произвели оценку рыночной стоимости ДМЭ и сделали вывод о том, что стоимость диметилэ-фира будет примерно равна стоимости дизельного топлива, если будут учтены экологические преимущества ДМЭ [8]. По данным фирмы «Марубени Корпо-рейшен» и корпорации «NKK» отпускная цена 1 кг диметилового эфира при крупнотоннажном производстве [9] прогнозируется значительно ниже стоимости дизельного топлива - 0,1725 долл. США за 1 кг (70% от стоимости дизельного топлива). Надо полагать, что такая оценка не является правильной, так как определена на основе частного случая (экспериментальная установка) и вызвана как политическими, так и корпоративными интересами.
Согласно мнению экспертов, на основе критического анализа имеющихся данных цена ДМЭ для оценочных расчетов принята равной 100% и 90% рыночной стоимости дизельного топлива, очищенного от серы (250 долл. США/т). Можно прогнозировать, что в связи с ростом цены на дизельное топливо, вызванным постоянным снижением добычи нефти и истощением ее ресурсов, конъюнктура рынка ДМЭ и других синтетических жидких топлив, получаемых из природного газа, окажется более выгодной для применения в качестве моторного топлива. Стоимость 1 кг СПГ на рынке США [10] составляет 0,423 долл. США (табл. 1).
При стоимости двигателя хд и при его сроке службы тд (в часах) получаем вторую составную часть стоимости единицы работы:
Хд
долл. США/кВт • ч.
указанных составных частей: долл. США/кВт • ч.
При оценке этой составляющей снижение эксплуатационных затрат при переходе на другие виды моторного топлива учитывалось за счет увеличения моторесурса и межремонтных пробегов двигателя, а также уменьшения расхода смазочного моторного масла.
Суммируя все составные части, получаем полную стоимость единицы работы:
_ 3600 X~XmTleQH+Nt США/кВт • ч.
Хд Хр Хэ
долл.
При стоимости ремонта двигателя (капитального, среднего и текущего) Хр за весь срок тд его службы находим соответствующую часть стоимости единицы работы:
долл. США/кВт • ч.
При стоимости эксплуатации двигателя (зарплата обслуживающего персонала, расходы на смазочные материалы, охлаждающие жидкости и пр.) х за год и при числе часов работы двигателя тч в течение одного года со средней мощностью N (кВт) находим последнюю из
Технико-экономические показатели применения альтернативных топлив в поршневых установках для выработки электроэнергии Стоимость базовой дизельной электростанции мощностью 1700 кВт с рекуперацией тепловой энергии (при удельной стоимости 1 кВт • ч 200 долл. США) составляет 340 тыс. долл. США. Перевод двигателя на ДМЭ потребует его переоборудования, поэтому стоимость электростанции возрастает до 380 тыс. долл. США. В связи с тем, что использование СУГ и СПГ требует применения искрового зажигания в форкамере, микропроцессорной системы управления, трубопроводов подвода газа к форкамерам, дополнительного охлаждения форкамер, а применение СПГ дополнительно еще и газификатора, их стоимости увеличиваются до 400 тыс. и 410 тыс. долл. США соответственно.
Как известно, эффективность сжигания дизельного топлива в цилиндре поршневого двигателя с наддувом составляет около 42%. Примерно такая же эффективность достигается при использовании ДМЭ. В то же время соблюдение требований по токсичным выбросам, главным образом по N0^ вызывает необходимость уменьшения угла опережения впрыскивания топлива, снижая таким образом пе до 40% при работе установки на дизельном топливе. Форкамерно-факельное воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре не позволяет получить эффективный КПД выше 38%. Менее напряженная работа газовых двигателей с меньшими максимальными давле-
Таблица 2
Технические характеристики электростанции в зависимости от применяемых топлив
Наименование Дизельное топливо ДМЭ 0,9 ГАЗ+ ДМЭ СУГ СПГ
Мощность электрическая, кВт 1700 1700 1700 1700 1700
Масса установки, кг 36700 36700 36700 37100 37800
Суточный расход топлива, кг 7542 11130 1669 дмэ 5449 кпг 8112 7480
Эффективный КПД 0,40 0,42 0,40 0,36 0,36
Моторесурс, ч 50000 53000 53000 54600 55300
Стоимость электростанции, тыс. долл. США 340 380 400 400 410
Цена топлива, долл. США/кг 0,250 0,225 0,250 0,0056* 0,2976 0,423
Цена масла, долл. США/кг 0,368 0,368 0,368 0,368 0,368
Удельная стоимость топлива, долл. США/кВт • ч 0.05294 0.06696 0,00834 0.06456 0.0846
Удельная стоимость двигателя, долл. США/кВт • ч 0,004 0,00422 0,00444 0,00431 0,00436
Удельная стоимость ремонтов двигателя, долл. США/кВт • ч 0,0028 0,00295 0,00311 0,00302 0,00305
Зарплата обслуживающего персонала, долл. США/мес. 100 110 110 110 120
Удельный расход масла, г/кВт • ч 3 3,5 3,5 2,5 2,5
Удельная стоимость эксплуатации, долл. США/кВт • ч 0,00131 0,00152 0,00152 0,00112 0,00113
Полная стоимость единицы работы, долл. США/кВт • ч 0,0611 0,0757 0,0174 0,00907* 0,0730 0,0936
* Цена природного газа по себестоимости добычи.
ниями цикла приводит к увеличению моторесурса по сравнению с базовым дизельным двигателем.
Был выполнен также анализ работы электростанции для собственных нужд, вырабатывающей электроэнергию на проведение технологического и производственного процессов установки по производству ДМЭ (обозначение ГАЗ+ДМЭ). Предполагалось, что установка была размещена в местах добычи природного газа. Электростанция с поршневым приводом работала на добываемом или попутном газе, который воспламеняется в цилиндре в конце процесса сжатия запальной порцией диметилового эфира. Доля запального топлива составляла 1520% от полного расхода топлива двигателем.
При расчете было принято: цена 1 кг ДМЭ равна рыночной стоимости 1 кг дизельного топлива, цена природного газа по себестоимости добычи -4 долл. США за 1000 нм3, расходы на заработную плату при трехсменной работе - 100 долл. США/мес. на 1 чел. при обслуживании электростанции двумя мотористами в смену, число часов работы станции в году - 8 тыс. ч, расходы на смазочные материалы и охлаждающие жидкости - 30 руб./л, прочие рас-
ходы - 10%. Графа с индексом ДМЭ/0,9 означает, что при расчете стоимость диметилового эфира принята равной 90% рыночной стоимости дизельного топлива. Основные характеристики электростанций, использующих альтернативные топлива, приведены в табл. 2.
Технико-экономические показатели применения альтернативных видов моторных топлив на транспорте
Определим эффективность применения двигателей, работающих на различных топливах на транспортных средствах, при перевозке одного и того же груза на 100 км. Здесь стоимость единицы работы должна относиться к 1 ткм (тонна-километр), причем число тонн относится только к перевозимому полезному грузу. В данном случае учитывается масса самого двигателя, запас на борту необходимого топлива и смазочного масла, срок службы агрегатов между ремонтами. Кроме того, при оценке стоимости единицы работы необходимо учитывать также затраты на приобретение не только двигателя, но и транспортного средства.
Для обеспечения вводимых норм токсичности «Евро-3» необходимо
учесть следующие обстоятельства. Если принять стоимость исходного дизельного двигателя автобуса «Икарус-280» без систем снижения токсичности за 20 тыс. долл. США, то стоимость дизельного двигателя, удовлетворяющего нормам «Евро-3», возрастет до 23 тыс. долл. США за счет его комплектации системой нейтрализации отработавших газов (в том числе сажевым фильтром), проведения специальных мероприятий по модернизации, включающих применение наддува, охлаждение наддувочного воздуха, рециркуляцию выпускных газов, регулировку системы топливоподачи, приводящих к уменьшению выбросов N0^ Правда, за счет ухудшения экономичности эффективный КПД при этом снижается до 0,4.
Из имеющихся опытных данных двигатели на ДМЭ удовлетворяют нормам «Евро-3». Тем не менее, стоимость двигателя на ДМЭ будет больше стоимости базового дизельного двигателя за счет его переоборудования (22,4 тыс. долл. США), но эффективный КПД останется высоким - 0,42. Дизельные двигатели, которые конвертируются в газовые на питание СУГ и СПГ с зажиганием от электрической искры, для обеспечения требований экологичес-
ких норм на уровне «Евро-3» также требуют установки трехкомпонентных нейтрализаторов. В связи с этим стоимость газовых двигателей, использующих СУГ и СПГ, увеличивается соответственно до 23,6 тыс. и 24 тыс. долл. США.
Срок службы двигателей, использующих разные виды моторного топлива, также отличается. С учетом наиболее напряженного характера работы, дизельный двигатель имеет наименьший срок службы до капитального ремонта
- 14 тыс. ч. Двигатель на ДМЭ, конвертированный из дизеля той же мощности, обладает менее напряженным режимом работы, с меньшим уровнем максимального давления цикла и меньшим шумом. Его продолжительность работы
- 15 тыс. ч. Продолжительность работы двигателя на СУГ составляет 15,3 тыс. ч. Наибольшей продолжительностью работы обладает двигатель на СПГ с искровым зажиганием за счет мягкого рабочего процесса и увеличенного срока службы масла - 15,5 тыс. ч.
Основные статьи затрат
Стоимость израсходованного топлива (долл. США):
Ут Хт
3600ЛГет
Эксплуатационные расходы (долл. США):
где N - средняя мощность двигателя на контрольном участке пути; т - время (ч) прохождения транспортным средством контрольного участка пути длиной Б без возобновления запасов топлива и других расходных материалов; хт - стоимость 1 кг топлива.
Возмещение стоимости транспортного средства и двигателя (долл. США):
Т Т
Уа = Хтс-+ Х»~ .
7ГС Тд
где хтс и ттс - стоимость транспортного средства и его срок службы между ремонтами; хд и тд - стоимость двигателя и его срок службы между ремонтами.
Стоимость ремонтов, отнесенная
к т (ч) (долл. США):
_ т т
У р Xрте
7ГС Тд
где хртс - стоимость ремонтов транспортного средства; хрд - стоимость ремонтов двигателя.
Уэ
т _ т т
" Хэ _ — Хэд _ ^ Хэтс _
1Д 1Эд 1ЭТС
где тд - число часов работы двигателя в течение года.
Стоимость перевозок полезного груза на 1 ткм (долл. США): Ум + Уа + Ур + У, Р^
Величина полезного груза, перевозимого транспортным средством:
Р = Р- Р - Р - Р,
гр бр тс д м
где Р6р - масса всего транспортного средства, включая массу двигателя, топлива и перевозимый груз (брутто); Ртс - масса транспортного средства; Р - масса двигателя; Р - масса топли-
дм
ва, смазки, охлаждающей жидкости для работы двигателя, рассчитанная на контрольный участок пути без возобновления запаса.
Пусть без возобновления запаса топлива и других материалов транспортное средство перемещается на 100 км за время т =2 ч со средней мощностью двигателя N = 200 кВт при полной массе транспортного средства 18125 кг. По статистическим данным Мосгортранса
Таблица 3
Основные технические показатели городского автобуса
Наименование Дизельное топливо ДМЭ ГАЗ + ДМЭ ДВСДМЭ СУГ СПГ
Увеличение стоимости АТС, % 0 12 20 0 18 40
Необходимость создания заправочной сети, % 0 0 0 0 0 125
Потери при хранении и заправке, % 0 0,3 0,1 0,3 0,3 5
Увеличение затрат на достижение норм «Евро-3», % 15 0 15 0 18 15
Увеличение затрат на соблюдение норм по шуму, % 5 0 0 0 0 0
Общая стоимость АТС, долл. США 180000 168450 202650 150450 204450 277500
Стоимость двигателя, долл. США 23000 22400 23600 16000 23600 24000
Масса АТС, кг 12000 12000 12000 12000 12000 12000
Расход топлива на 100 км, л 44 78,5 36,9 / 39,5 78,5 71,8 84,7
Масса двигателя, кг 1000 1000 1060 450 1060 1120
Масса системы нейтрализации выпускных газов в соответствии с «Евро-3», кг 60 50 50 50
Масса ГСМ на 100 км, кг 0,624 0,703 0,596 0,703 0,602 0,596
Зарплата водителя, руб./мес. 4500 4650 4600 4650 4600 4800
Зарплата механика, руб./мес. 2500 2600 2550 2600 2550 2700
Масса оболочки топливных баков, кг 30 30 240 30 30 60
Пассажировместимость (средняя - 110 чел.), кг 9600 9645 9327 10195 9550 9462
Срок службы транспортного средства, ч 30000 30000 30000 30000 30000 28000
Срок службы двигателя, ч 14000 15000 15300 14000 15300 15500
Стоимость ремонта АТС, долл. США 126000 117915 141855 105315 143115 194250
Таблица 4
Технико-экономические показатели применения альтернативных топлив на транспорте
Наименование Дизельное топливо ДМЭ 1,0 ГАЗ + ДМЭ ДВС+ДМЭ СУГ СПГ
Стоимость израсходованного топлива, долл. США 21,18 29,76 14,57 29,76 25,82 33,84
Возмещение стоимости транспортного средства и двигателя, долл. США 15,29 14,22 16,59 12,32 16,71 21,6
Стоимость ремонтов, долл. США 10,7 9,95 11,62 9,31 11,7 15,12
Эксплуатационные расходы, долл. США 4,55 4,85 4,55 4,59 4,56 5,57
Стоимость перевозки 1 ткм, долл. США 0,0539 0,0609 0,0507 0,0549 0,0616 0,0805
среднее время работы автобуса за год составляет тд = 2965 ч (при суточной загрузке 12,5 ч и 365 днях работы в году). Месячный пробег - 4467 км.
Принимая стоимость городского автобуса, равную 150 тыс. долл. США, определим стоимость его переоборудования и обслуживания при использовании разных видов топлив (табл. 3).
Результаты проведенных расчетов стоимости перевозки полезного груза приведены в табл. 4 (на примере городского автобуса «Икарус-280»). Здесь же приведены оценки себестоимости 1 км пробега автобуса, рабо-
тающего на компримированном природном газе (КПГ) с воспламенением газовоздушной смеси запальной порцией диметилового эфира (условное название ГАЗ+ДМЭ). Такой случай интересно рассмотреть с точки зрения загрузки существующей сети АГНКС и ускорения работ по созданию производства ДМЭ.
Графа с индексом «ДВС+ДМЭ» означает, что применен специальный двигатель, себестоимость которого составляет 80% от стоимости базового дизеля. Кроме того, здесь заложено, что при создании автобуса исполь-
зуется ряд конструктивных решений, снижающих его стоимость (например, выполнение баков для заправки ДМЭ в виде элементов конструкции автобуса, менее нагруженный топливный насос высокого давления с улучшенными трибологическими характеристиками и т.д.).
Как видим, основные расходы 35-40% составляют затраты на топливо, около 1% составляют эксплуатационные затраты (без учета затрат на топливо), 30-35% - затраты на ремонт, остальные 35-40% - возмещение рас-
Таблица 5
Потребительские свойства моторных топлив, используемых на городских автобусах
Признаки качества Дизельное топливо ДМЭ СУГ СПГ
Искровое зажигание Газодизель
Себестоимость конвертации 0 + - - + -
Экономичность + - - -+
Стоимость топлива + + - -
Расход смазочного масла + + + + -
Моторесурс + + + +
Степень замещения жидкого топлива + + + + + +
Наличие канцерогенных веществ в отработавших газах + + + + + -
Выбросы углеводородов НС + + + -
Выбросы NOx + + + + - + -
Выбросы СО2 + + + - +
Выбросы СО + + + - +
Применение нейтрализатора + + - + - + -
Применение сажевого фильтра + + + + + -
Шумоизлучение + + + + + -
Надежность + + - + - +
Пусковые качества при температурах ниже -25°С + + - - - +
Стоимость эксплуатации + - - - +
Масса топливных емкостей - - - -
Степень внедрения - + - -
Подготовленность двигателя к использованию топлива + - + - -
Возобновляемость энергоресурсов 0 + + 0 0 0
Расходы на топливо
□ Стоимость АТС и двигателя
Расходы на ремонты
Эксплуатационные расходы
Рис. 2. Общие затраты на эксплуатацию автобусов, работающих на различных видах топлива
ходов на приобретение транспортного средства и двигателя.
Результаты экономической эффективности использования ДМЭ по сравнению с дизельным топливом более наглядно показаны на рис. 2 и 3. На рис. 2 представлены общие затраты при использовании на автотранспортном средстве различных топлив. На рис. 3 показаны статьи затрат, что позволяет оценить стоимость переоборудования двигателя и автотранспортного средства для использования топлива, и непосредственно затраты на применяемое топливо.
Как видно из табл. 4 и рис. 2, уже на начальном этапе использования АТС
на ДМЭ оно может составить конкуренцию АТС на дизельном топливе.
В табл. 6 в рейтинговой форме представлены качественные сведения по результатам использования рассматриваемых моторных топлив на городском автобусе. Они получены при анализе публикаций и на основании работ, проведенных в отделении «Использование газа на транспорте» ООО «ВНИИГАЗ». Видно, что городской автобус типа «Икарус-280», работающий на ДМЭ, имеет явные преимущества по сравнению с автобусами, работающими на других видах моторного топлива.
В табл. 5 обозначены: < 1 > исходный уровень показателя; < + > улучше-
Эксплуатационные расходы
Стоимость ремонтов
Стоимость АТС и двигателя
Ц Расходы на топливо
Рис. 3. Смета затрат на эксплуатацию автобусов, работающих на различных видах топлива
ние показателя по сравнению с дизельным топливом; < + + > превосходные качества; < - > ухудшение показателя; < + - > показатель может быть либо улучшен, либо ухудшен при конвертации; < 0 > отсутствие данного качества у двигателя.
В справочном порядке для усредненного узла дорожной сети (мерный отрезок улицы г. Москва) определены выбросы вредных веществ от автотранспортных средств и потребление топлива (табл. 6) [11]. Эти данные наиболее убедительно показывают необходимость постоянного совершенствования АТС с целью уменьшения вредных выбросов с отработавшими газами и снижения потребления жидкого топлива.
Экономические аспекты уменьшения загрязняющих компонентов в отработавших газах связаны с введением как федеральных, так и региональных налогов на выбросы, исходя из принципа «загрязнитель платит». Переход на ДМЭ позволит автотранспортным предприятиям существенно уменьшить отчисления на налоги, установленные надзорными органами по охране окружающей среды. В данном случае из-за достаточно простой конвертации двигателей на ДМЭ имеется большая вероятность заинтересованности автовладельцев в переходе на новое моторное топливо.
Выводы
1. Диметиловый эфир представляет собой перспективное газомоторное топливо для двигателей внутреннего сгорания:
■ это топливо не нефтяного происхождения и имеется широкая сырьевая база для его производства;
■ применение ДМЭ позволяет значительно снизить вредные выбросы с отработавшими газами и удовлетворить самые жесткие перспективные нормы по токсичности;
■ ДМЭ не токсичен, обеспечивает более низкие выбросы диоксида углерода, отработавшие газы при использовании этого топлива менее склонны к образованию фотохимического смога;
■ ДМЭ по своим физическим свойствам похож на СУГ, поэтому можно использовать имеющуюся аппаратуру для хранения и заправок автотранспортных средств.
Таблица 6
Валовые выбросы вредных веществ и расход топлива на узле дорожной сети Москвы
Наименование Сутки Месяц Год
Выбросы, т
СО2 7956 238769 1988992
СО 451 13531 112760
СЛ 54 1629 13578
NOx 57 1702 14185
Твердые частицы 1 20 163
Суммарные выбросы 8519 255651 2129687
Потребление, т
Бензин 3827,28 114814,7 956787,44
Дизельное топливо 455,67 13674,25 113954,02
2. Проведенный технико-экономический анализ обосновывает целесообразность применения димети-лового эфира в качестве топлива для городских автобусов с дизельными двигателями:
■ для московского региона, который обслуживает государственная компания «Мосгортранс», имеющая в своем составе свыше 5 тыс. автобусов, суточная потребность ДМЭ в качестве основного топлива для питания дизелей составляет 950-1000 т, а в качестве запального топлива - 190-220 т. Эту потребность в первом случае покрывает опытная установка по превращению природного газа в ДМЭ производительностью 40-42 тыс. кг/ч, а во втором случае - 8-9 тыс. кг/ч. При создании инфраструктуры распределения и заправки ДМЭ необходимо совмещать ее с существующими АГНКС и в дальнейшем включать в состав многотопливных заправочных станций.
3. Использование ДМЭ в качестве топлива в электростанциях с поршневым приводом в диапазоне мощностей 1,5-4 МВт целесообразно только для выработки электроэнергии на собственные технологические нужды установки по производству ДМЭ в местах добычи природного газа. При этом основным топливом электростанции является добываемый природный или попутный нефтяной газ, а воспламеняется основное топливо запальной порцией диметилового эфира (15-20% от основного топлива). Как
видно, затраты на получаемую электроэнергию снижаются в 3-6 раз, что в конечном итоге позволяет снизить себестоимость производимого продукта. Такие энергосиловые установки могут представлять значительный интерес и для предприятий нефтедобывающего комплекса, озабоченного проблемой использования попутного нефтяного газа.
Конечно, для широкого применения ДМЭ еще предстоит решить целый ряд проблем:
■ изучить эксплуатационные свойства ДМЭ как моторного топлива, в том числе технического ДМЭ, содержащего примеси метанола и воды (дешевый неочищенный ДМЭ); оптимизировать систему впрыскивания; разработать конструкции топливных насосов, предотвращающих утечки топлива и обеспечивающих смазку трущихся деталей; оптимизировать рабочий процесс в цилиндре с выбором камеры сгорания, вихревого движения заряда;
■ выявить особенности систем бортового хранения ДМЭ, исключающие его утечки при остановке двигателя, и возможности переоборудования существующих автомобилей для работы на ДМЭ;
■ провести дорожные испытания автомобилей на ДМЭ с целью определения стоимости эксплуатации, экологических преимуществ, общего энергопотребления и надежности;
■ разработать системы распределения, доставки, хранения и заправки ДМЭ, взяв за основу опыт использования СУГ.
Литература
1. Смирнова Т.Н., Захаров С.К., Болдырев И.В., Аникин С.А. Новое топливо для городского транспорта. - Двигатель, М: - 1999, № 2. - С. 42-43.
2. Использование диметилового эфира в качестве альтернативного топлива для дизелей. - Обзор докладов. - Сборник НИИД, М:, 1996 г., вып. 17. - С. 40-50.
3. Sorenson S.C., Mikkelsen S-E. Performance and Emissions of a 0,273 Liter Direct Injection Diesel Engine Fuelled with Neat Dimethyl Ether. - SAE Techn. Pap. Ser. № 950064.
4. Kajitani S., Oguma M., Mori T. DME Fuel Blends for Low-emission, Direct-injection Diesel Engines. - SAE Techn. Pap. Ser. № 2000-01-2004.
5. Tsutsumi Y., Moriyama T., Kajitani S. Direct Fuel cell using Dimethyl Ether Fuel. -ICE-Vol. 34-3,2000 Spring Technical Conference ASME 2000. Paper № 2000-ICE-291.
6. Oguma M., Konno M., Kajitani S., Rhee K.T. A Study of Low-Compression-Ratio Dimethyl Ether (DME) Diesel Engine. - ICE-Vol. 34-3,2000 Spring Technical Conference ASME 2000, Paper № 2000-ICE-289.
7. Итоги науки и техники. Автомобильный и городской транспорт. - Сб. «Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду» под ред. В.Н. Луканина. - ВИНИТИ, 1993, т. 17. - С. 339.
8. Chmela F.G., Kapus P.E., Cartellieri W.P. Alternative fuels for automotive engines. - «CATEC», 1997. - Р. 27.
9. Ohno Y., Ogawa T., Shikada T. и др. - DME Production Technology and Operation Results of 5 tons/day Plant//International DME Workshop, Tokyo, September 7, 2000. -Р. 73-81.
10. Komoto M. Alternative Fuels in USA. - International DME Workshop, Tokyo, September 7, 2000. - Р. 31-54.
11. Итоги науки и техники. Автомобильный и городской транспорт. - Сб. «Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта» под ред. В.Н. Луканина. - ВИНИТИ, 1996, т. 19. - С. 339.
