CC BY
140
- © С.М. Угай, Н.С. Поготовкина,
A.A. Фаткулин, А.И. Агошков, A.A. Карев, А.Ю. Чебан, 2014
УДК 504.056:656
С.М. Угай, Н.С. Поготовкина, А.А. Фаткулин, А.И. Агошков, A.A. Карев, А.Ю. Чебан
ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАЗОМОТОРНОГО ТОПЛИВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Постоянное ужесточение экологических требований и стремительное повышение цен на топливо вынуждает мировых производителей искать пути выхода из сложившейся ситуации. В этой ситуации переход на альтернативные источники энергии является одним из способов решения проблемы. Наиболее эффективный путь, требующий минимальных финансовых и временных затрат является использование в качестве моторного топлива природного газа, который во всем мире признан как экологически чистый и не дорогой, по многим свойствам превосходящий бензин и дизельное горючее. Применение данного вида топлива увеличивает срок службы двигателя за счет смягчения трения в блоке цилиндров, не требует изменения конструкции автомобиля, оставляет возможность использования как бензина, так и газа в качестве горючего.
Ключевые слова: газомоторное топливо, природный газ, экологическая безопасность, альтернативное топливо, транспорт, топливная экономичность.
Интерес к альтернативным видам моторного топлива, в последние годы, во многом обусловлен более пристальным вниманием к экологическим проблемам и ростом цен на нефть. Исследования по поиску замены нефтяного моторного горючего начались практически одновременно с изобретением двигателя [1]. Одним из путей сокращения расходов на энергоресурсы является использование природных газов. Наиболее перспективными и применяемыми из них в настоящее время являются: компримированный природный газ (CNG — Compressed natural gas), сжиженный природный газ (LNG — Liquefied natural gas), сжиженный углеродный газ (LPG — Liquefied petroleum gas), биогаз, водород. Голубое топливо обладает всеми качествами полноценного горючего для двигателей [2]. По оценкам Мирового энергетического агентства, природный газ сегодня является одной из быстрорастущей составляющей в мировом потреблении энергоресурсов. За период с 2000 по 2012 г. разведанные и доказанные запасы газа увели-
чились с 139,7 до 187,3 трлн м3, а добыча за этот же период возросла с 2176,9 до 3033,5 млрд м3 [3].
Энергетическая карта мира постоянно меняется. Усиливаются взаимодействия между различными видами топлива, рынками и ценами. По прогнозу до 2035 г. спрос на энергоресурсы возрастет более чем на 30 %, и это будет иметь далеко идущие последствия для климата в течение нескольких десятилетий. Транспорт является вторым по значимости источником парниковых газов, после производства электроэнергии, а в крупных городах этот показатель достигает 80 %. Снизить эти значения с минимальными финансовыми и временными потерями можно переоборудуя технику на работу с газомоторным горючим.
Основная часть. Использование газа в качестве моторного топлива позволяет достичь высоких экологических и топливно-энергетических показателей автомобильных двигателей. Неслучайно Европейская экономическая комиссия ООН 12 декабря 2001 г. приняла резолюцию, предусматривающую перевод к 2020 г. на природный газ 10 % парка автотранспортных средств стран Европы (23,5 млн ед.), для заправки которых ежегодно потребуется около 47 млрд. м3 газа. Среди многих факторов, препятствующих массовому внедрению газомоторного топлива (ГМТ), следует назвать отсутствие системного и долгосрочного подхода к данной проблеме, недостаточные экономические стимулы, слабая государственная поддержка [4]. Экономические показатели наиболее распространенных видов альтернативных топлив представлены в табл. 1.
Таблица 1
Экономические показатели альтернативных видов моторного топлива
Вид топлива Затраты на производство, % Стоимость единицы пробега автомобиля, %
Бензин из нефти 100 100
СПГ 50-60 70-75
КПГ 70-80 75-85
СНГ 60-70 80-90
Электроэнергия 65 90-130
Метанол 110 120
Этанол 120 170
Синтетический бензин 160 120
Метан, другие названия - компримированный природный газ (КПГ), сжатый природный газ или compressed natural gas (CNG). Газ напрямую добывается из недр, не требуя никакой последующей переработки, поэтому себестоимость производства минимальна. Непосредственное использование в качестве транспортного топлива требует незначительных изменений в двигателях [5]. Если в 1998 г. в мире насчитывалось менее одного миллиона автомобилей, работающих на метане, то в настоящее время их количество увеличилось более чем в 10 раз. По состоянию на февраль 2013 г. средняя стоимость по России на бензин АИ 95 составляет 32,6 рублей, на компримированный природный газ - 12 рублей. Вместе с тем коэффициент расхода метана 0,9 от бензинового, т.е. на 10 % ниже. Это обусловлено физико-химическими свойствами природного газа, особо стойким строением его молекул и, главное, его октановым числом, которое, достигая 120, заметно превосходит показатели самых высокооктановых углеводородов. Необходимо отметить экологическую чистоту газа и его высокую топливную экономичность. Горючая смесь менее насыщена топливом, а больше кислородом. Следовательно, в отходах ее сгорания СО и других токсичных компонентов - продуктов неполного окисления углеводородов в десятки раз меньше.
Важным фактором остается и безопасность. Метан почти в 2 раза легче воздуха, поэтому в случае разгерметизации оборудования он сразу улетучивается, а не оседает в отличие от других видов топлива. CNG не токсичен и не канцерогенен. Это безопасное топливо для здоровья людей и всего живого на Земле. По классификации горючих веществ по степени чувствительности метан относится к самому безопасному классу.
Второе направление газомоторного рынка - сжиженный углеводородный газ (LPG). Согласно расчетам финансово-экономического обоснования к проекту федерального закона РФ «Об использовании газомоторного топлива» при переводе к 2020 г. на LPG запланированного количества транспортных средств в 5 млн единиц, должно потребляться ежегодно 148,56 млн т. пропан-бутана. Каждая тонна которого позволяет предохранить от выброса в атмосферу земли СО2 в количе-
стве 0,23 т. Следовательно 148,56 млн т. LPG, использованной в качестве газомоторного топлива, предохранит от выбросов С02 34,17 млн т углеродных единиц (по классификации статьи Киотского протокола). Одна углеродная единица стоит 10 евро. Следовательно, перевод 5 млн транспортных единиц даст возможность ежегодно продавать квот на сумму 341,7 млн евро.
Однако применение сжиженного газа в работе автомобиля не избавляет от всех проблем [6]. Негативной стороной становится возможная неравномерность работы мотора. Это связано с резонансом во впускной системе и расслоением газовоздушной смеси. Усложняется и пуск холодного двигателя внутреннего сгорания при отрицательных температурах. Это объясняется более высокой температурой воспламенения газового топлива и меньшей скоростью сгорания. В зависимости от количества баллонов со сжатым газом увеличивается масса автомобиля, при этом снижается его грузоподъемность и возрастает расход топлива.
Использование водорода, как топлива для автомобилей, привлекательно ввиду его нескольких особых преимуществ:
• при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода, что делает двигатель на водородном топливе наиболее экологически чистым;
• неограниченная сырьевая база при получения водорода из воды.
Но водородные двигатели на современном этапе развития техники имеют достаточно серьезные технические и технологические препятствия для их использования, в основном, из-за сравнительно высокой стоимости, высоких требований к точности изготовления топливной аппаратуры и отсутствия инфраструктуры. Сравнительные характеристики бензина и водорода приведены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительные характеристики бензина и водорода
Затраты на производство энергии в 1000 Дж Эквивалент энергии, содержащейся в 1 литре бензина
бензин 190 1
водород 3300 4,55
На современном уровне развития технологии получения водорода его использование нельзя признать эффективным, его стоимость составляет 9,01 евро/л. Автомобили, работающие на водороде, достигнут показателей: стоимость машины, стоимость одной заправки, уровень безопасности, количество вредных выбросов и т.д., которые ныне демонстрируют гибридные автомобили не ранее 2030 года. Новым этапом в освоении этого газа, стало практическое применение его на существующих автотранспортных средствах в качестве добавки к топливу. Такое использование уже сегодня может дать не только экономический эффект, но и решить экологические проблемы. Наиболее рациональным является способ получения на борту автомобиля воздушной конверсией топлива. В специальном реакторе в присутствии катализатора происходит реакция:
СН4 + Б (О2 + 3,76 N2 ) = 2Н2 + СО + 1,88 N2
Образуется синтез-газ, в составе которого находится ~ 50 % смеси водорода и монооксида углерода, которые и являются инициирующей добавкой, улучшающей сгорание углеводородного топлива [7]. Это объясняется инициирующим воздействием водорода, который образует центры сгорания, увеличивает эффективность работы двигателя и его экологические характеристики, а именно:
• расход топлива при движении автомобиля в условиях городского цикла сокращается на 20-25 %;
• содержание окиси углерода и еще более опасных для окружающей среды окисей азота уменьшается до норм Евро-4;
• уменьшение расхода топлива на холостом ходу достигает 40 %.
Однако, если водород станет популярным автомобильным топливом, то его количество в атмосфере значительно увеличится. Это может привести к уничтожению озонового слоя, защищающегося Землю от ультрафиолетового излучения, глобальному изменению климата и активному размножению опасных микробов. Кроме того, водородные двигатели в процессе работы выделяют намного больше газов, разрушающих озоновый слой Земли (в частности, оксидов азота), чем современные модели традиционных бензиновых автомобилей.
Интерес к спиртовым топливам - метанолу и этанолу объясняется экологической чистотой и повышением топливной экономичности двигателя. Основные достоинства: высокая детонационная стойкость и хороший коэффициент полезного действия рабочего процесса. Значительно снижены выхлопы компонентов в отработанных газах: углеводородов на 10...20 %, оксидов азота на 30...35 % [8]. Из недостатков необходимо отметить пониженную теплотворность, что уменьшает пробег между заправками, увеличенный в 1,5-2 раза расход топлива по сравнению с бензином, затрудненный запуск двигателя. Использование в чистом виде требует значительных изменений конструкций серийных двигателей, которые не могут быть осуществлены на современном уровне развития техники.
Общественный транспорт на природном газе - наиболее перспективное направление. Это определяется экологическими и экономическими факторами. За полный цикл работы одного газового автобуса (800 000 км) экономия по сравнению с дизельным автобусом составляет более 4 млн руб., что сопоставимо стоимости новой машины. Мировой опыт свидетельствует - общественный транспорт становится той отраслью, где наиболее быстро внедряются современные технологии [9, 10,]. Стоит отметить, что при использовании газового топлива уменьшается шум двигателя на 3-5 децибела, что особенно это актуально в больших городах [11].
Выводы. Современный город невозможно представить без большого числа автотранспорта, поэтому необходимо осуществить серьезные шаги по снижению его негативного влияния на качество атмосферного воздуха. Только комплексное выполнение технологических, планировочных, организационно-технических мероприятий может привести к улучшению качества окружающей среды. Природный газ является полноценным альтернативным топливом, применяемым в двигателях внутреннего сгорания, благодаря низкой стоимости и значительным запасам. При его использовании обеспечиваются хорошие мощностные, топливно-экономические показатели, снижаются выбросы вредных веществ, уменьшаются эксплуатационные расходы на транспортные средства. Важно отметить, что экологические требования, а они в современном мире ста-
ли играть первостепенную роль, отодвинули на вторые места экономические показатели.
Результаты исследования токсичности автомобилей при замене нефтяного топлива на природный газ показали:
• выбросы вредных веществ в окружающую среду снижаются по оксиду углерода в восемь раз, окислам азота в два и задымленности в 10 раз.
• ресурс работы двигателя при работе на газомоторном топливе увеличивается на 30 %;
• ресурс смазочных масел увеличивается на 25-30 %;
• снижение затрат на эксплуатацию автотранспорта;
• повышение энергетической безопасности.
Объем потребления природного газа за последние годы увеличился почти на 400 млрд м3 с 2007,2 до 2404,9 млрд. По прогнозам до 2030 г. рост будет продолжаться, в результате чего доля голубого топлива в мировом энергобалансе может удвоиться. Использование ГМТ как универсального моторного топлива - интенсивно развивающееся направление, которое уже в ближайшее время превратится в самостоятельную высокорентабельную отрасль экономики развитых стран.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Безруких, П.П., Стребков Д.С., 2001. Нетрадиционная возобновляемая энергетика в мире и в России. Состояние, проблемы, перспективы. Энергетическая политика. № 3. С.3-13.
2. Frolov, A. 2011. LNG as an alternative. AutoGas Filling Complex + Alternative Fuel. 5(59): 46-48.
3. OECD/IEA, 2012 International Energy Agency 9 rue de la Fйdйration 75739 Paris Cedex 15, France
4. Stefano Di Pascoli, Aldo Femia and Tommaso Luzzati. 2001. Natural gas, cars and the environment. A (relatively) clean and cheap fuel looking for users Original Research Article Ecological Economics, Volume 38, Issue 2, August 2001, pages 179-189.
5. Osama H. and Ghazal, 2013. A comparative evaluation of the performance of different fuel induction techniques for blends hydrogen-methane SI engine Original Research Article. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, Issue 16, Pages 6848-6856
6. Leung, V. 2011. Slow diffusion of LPG vehicles in China Lessons from Shanghai, Guangzhou and Hong Kong Original Research Article Energy Policy, Volume 39, Issue 6, Pages 3720-3731.
7. Kirillov V.A., Sobyanin V.A., Kuzin N.A., Brizitski O.F. and Terentiev V.Y. 2012. Synthesis gas generation on-board a vehicle: Development and results of testing Original Research Article International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 21, Pages 16359-16366.
8. Bielaczyc. P., Woodburn J., Klimkiewicz D., Pajdowski P., Szczotka A., 2013. An examination of the effect of ethanol-gasoline blends physicochemical properties on emissions from a light-duty spark ignition engine. Original Research Article Fuel Processing Technology, Volume 107, Pages 50-63.
9. Pogotovkina, N.S. and Ugay S.M., 2013. Quality Assessment of Transport Service of the Passengers in Vladivostok (Russia). World Applied Sciences Journal, 24(6): 809-813.
10. Ugay S.M., Pogotovkina N.S., Agochkov A.I. and Kompanez V.A., 2013. Influence of Hybrid Vehicles on the Environment. World Applied Sciences Journal 28 (2): 176-179.
11. Ugay, S.M., Pogotovkina N.S., Agochkov A.I. and Kompanez V.A., 2013. Reduction of Automotive Noise Pollution. World Applied Sciences Journal, 24(8): 1016-1019. E2S
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Угай Сергей Максимович — кандидат технических наук, докторант, Поготовкина Наталья Сергеевна — доцент,
Фаткулин Анвир Амрулович — доктор технических наук, профессор, зам. председателя ДВ РУМЦ,
Агошков Александр Иванович — доктор технических наук, профессор, зав.
кафедрой, bgdtsdvfu@mail.ru.
Карев Алексей Андреевич — студент,
Дальневосточный федеральный университет.
Чебан Антон Юрьевич — кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук.
THE IMPACT OF NATURAL-GAS-BASED MOTOR FUEL ON THE ENVIRONMENT
Ugay S.M., Candidate of Technical Sciences, doctoral student, Pogotovkina N.S., Assistant professor,
Fatkulin A.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Chairman DV Republican teaching and methodical centre,
AgoshkovA.I., Doctor of Technical Sciences, Professor, head. the Department,
bgdtsdvfu@mail.ru.
KarevA.A., Student,
Far Eastern Federal University.
Cheban A.Y., Candidate of Technical Sciences, researcher, Institute of mining, far East branch of the Russian Academy of Sciences.
Continual tightening of environmental regulations and the rapid rise in fuel prices is forcing the world's automakers look for ways out of the situation. The switching to alternative energy sources is one of the options to solve the problem in this situation. The most effective way that requires minimal cost and time is a usage of natural gas as a fuel. Natural gas is recognized worldwide as an environmentally friendly and cheap fuel, whose many properties are superior to gasoline and diesel fuel. Application of this type of fuel increases motor life due to mitigation of the friction in the cylinder block; it does not require modification of the vehicle and leaves the possibility to use both petrol and gas as the fuel.
Key words: Natural-gas-based motor fuel, compressed gas vehicle, natural gas, environmental security, alternative fuel, automobile safety, fuel efficiency.
REFERENCES
1. Bezrukih, P.P. i D.S. Strebkov, 2001. Netradicionnaja vozobnov-ljaemaja jener-getika v mire i v Rossii. Sostojanie, problemy, perspektivy. Jenergeticheskaja politika (Non-traditional renewable energy in the world and in Russia. State, problems, prospects. Energy policy). No 3. P.3-13.
2. Frolov, A. 2011. LNG as an alternative. AutoGas Filling Complex + Al-ternative Fuel. 5(59): 46-48.
3. OECD/IEA, 2012 International Energy Agency 9 rue de la Fftdnration 75739 Paris Cedex 15, France
4. Stefano Di Pascoli, Aldo Femia and Tommaso Luzzati. 2001. Natural gas, cars and the environment. A (relatively) clean and cheap fuel looking for users Original Research Article Ecological Economics, Volume 38, Issue 2, August 2001, pages 179-189.
5. Osama H. and Ghazal, 2013. A comparative evaluation of the perform-ance of different fuel induction techniques for blends hydrogen-methane SI engine Original Research Article. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 38, Issue 16, Pages 6848-6856
6. Leung, V. 2011. Slow diffusion of LPG vehicles in China Lessons from Shanghai, Guangzhou and Hong Kong Original Research Article Energy Policy, Volume 39, Issue 6, Pages 3720-3731.
7. Kirillov, V.A., V.A. Sobyanin, N.A. Kuzin, O.F. Brizitski and V.Y. Teren-tiev. 2012. Synthesis gas generation on-board a vehicle: Development and results of testing Original Research Article International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 21, Pages 16359-16366.
8. Bielaczyc. P., J. Woodburn, D. Klimkiewicz, P. Pajdowski and A. Szczotka, 2013. An examination of the effect of ethanol-gasoline blends physico-chemical properties on emissions from a light-duty spark ignition engine. Original Research Article Fuel Processing Technology, Volume 107, Pages 50-63
9. Pogotovkina, N.S. and S.M. Ugay, 2013. Quality Assessment of Trans-port Service of the Passengers in Vladivostok (Russia). World Applied Sciences Journal, 24(6): 809-
10. Ugay, S.M., N.S. Pogotovkina, A.I. Agochkov and V.A. Kompanez, 2013. Influence of Hybrid Vehicles on the Environment. World Applied Sciences Journal 28 (2): 176179.
11. Ugay, S.M., N.S. Pogotovkina, A.I. Agochkov and V.A. Kompanez, 2013. Reduction of Automotive Noise Pollution. World Applied Sciences Journal, 24(8): 1016-1019.
813.
