Перспективы замены дизельного топлива природным газом на транспорте

Ключевые слова:

моторные топлива, дизельное топливо, природный газ на транспорте, выбросы загрязняющих веществ.

Keywords:

motor fuels, diesel fuel, natural gas in vehicles, emission of polluting compounds.

УДК 662:504

Г.С. Акопова, Н.Л. Власенко, Р.В. Тетеревлев

Перспективы замены дизельного топлива природным газом на транспорте

Распространенные в последнее время ожидания, связанные со структурными изменениями в энергетическом балансе мировой экономики, показывают, что многие из традиционных потребителей нефти и угля в ближайшие десятилетия перейдут на газ. Новые технологии позволят эффективно удовлетворить растущий спрос мирового рынка на газ, сопровождая его добычу и производство более безопасными условиями жизни для человека и природы. По данным Российского энергетического агентства, в структуре энергоресурсов к 2035 г. интенсивно будут возрастать производство и потребление природного газа, в меньшей степени - угля и в еще меньших объемах (массах) - жидких видов топлива.

В вопросах охраны окружающей среды транспортное направление и, соответственно, производство и использование различных видов моторных топлив играют важнейшую роль.

В настоящее время ситуация на российском рынке нефтепродуктов характеризуется ежегодным ростом спроса на дизельное топливо и стабильным увеличением цен в данной категории горючесмазочных материалов (ГСМ). В структуре потребителей дизельного топлива (ДТ) основными на сегодняшний день являются: железнодорожный и водный транспорт, грузовой автотранспорт, сельскохозяйственная техника, а в последнее время - также легковой дизельный автотранспорт. Тенденции увеличения дизельного автопарка просматриваются не только в России, но и во всем мире.

Кроме того, сезонные колебания спроса, который достигает своей критической точки в зимний период, предполагают более трудоемкий и дорогостоящий технологический процесс производства зимнего ДТ. На рис. 1 представлены рынок основных потребителей дизельного топлива и доля каждого вида ДТ в общем объеме потребления.

17 % 8 % 27 %

23 % 25 %

1 %

85 %

транспорт сельское хозяйство промышленность строительство

прочие, в том числе Минобороны и МЧС а

летнее

зимнее

арктическое

б

Рис. 1. Основные потребители ДТ (а) и доля каждого вида ДТ (б) в общем объеме потребления, 2012-2015 гг.

Параметры выбросов загрязняющих веществ (твердые частицы, оксид углерода, тяжелые металлы) при сжигании различных видов топлива

Экологические параметры выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) любого топлива характеризуют его эколого-экономическую эффективность и воздействие на окружающую среду.

Процесс сжигания разных видов топлива сопровождается образованием и выбросом сажи, которая является одним из опасных ЗВ в объектах промышленной зоны и окружающей среды. Это связано с сорбцией на ее поверхности химических соединений органического и неорганического происхождения. К таким соединениям относятся прежде всего тяжелые металлы (ТМ), полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) с индикаторным соединением этой группы бенз(а)пиреном (БП), обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами.

Возможные выбросы твердых частиц при сжигании природного газа связаны с использованием для процесса горения воздуха, кото-

рый может отбираться в зонах, уже содержащих вредные примеси (табл. 1).

Параметры выбросов канцерогенного БП, продукта неполного сгорания различных видов топлива, сорбирующегося на поверхности механических частиц - золы и сажи (табл. 2), подтверждают экологическое преимущество природного газа.

В табл. 3 приведены значения выбросов оксида углерода на единицу сжигаемого топлива как продукта неполного сгорания различных видов топлива и показано, что наибольшие значения выбросов оксида углерода соответствуют сжиганию дров и торфа, наименьшие - природного газа, сжигание которого в котлоагрегатах дает на порядок меньшее значение удельного выброса в сравнении, например, со сжиганием дров.

В табл. 4 представлены данные по значениям выбросов по ТМ, образующимся при сжигании некоторых видов органического топлива (разные виды углей, торф и мазут). Как видно из табл. 4, среднее содержание большинства ТМ в угле превышает их содержание в торфе и мазуте [3, 4, 6].

Таблица 1

Выбросы твердых части на единицу топлива при сжигании различных видов топлива

Вид топлива Выбросы твердых частиц, кг/т у. т., по данным разных источников

[1] [2] [3] [4]

Природный газ 0,03-0,12 - - 1,5110-4

Мазут 1,43-2,86 - - 0,110

Уголь 1,12-112,36 - - -

Уголь каменный - 88,29 Дон. - -

60,52 Кузн.

Уголь бурый - - 1,83* 13,50

182,29**

50 % Канско-Ачинский + 50 % Кузнецкий - - 2,31* -

228,57**

Торф - 79,71 - -

Дрова - 56,53 - -

Примечания: * летучая зола; ** уловленная зола и шлаки.

Таблица 2

Выбросы бенз(а)пирена на единицу топлива

Вид топлива Выбросы БП, кг/т у.т., по данным разных источников

10-6 [4] 10-6 [5]

Антрацит - 0,774-1,157

Каменный уголь - 0,51-0,83*; 1,89-3,09**

Бурый уголь 13,1 1,14-1,66*; 2,94-4,70**

Дрова - 9,73-11,12***; 21,47-34,61****

Жидкое топливо / Мазут 1,81 0,321-4,843

Природный газ 0,085 -

Торф - -

Примечания: * начало выгорания угля; ** основной период горения угля; *** розжиг дров; **** догорание дров.

Таблица 3

Выбросы оксида углерода на единицу сжигаемого топлива для различных видов топлива

Вид топлива Выбросы оксида углерода на единицу сжигаемого топлива, кг/т у. т., по данным разных источников

[2] [4]

Мазут - 2,81

Каменный уголь 52,19*; 57,92** -

Бурый уголь - 53,29

Торф 58,68

Дрова 82,67 -

Природный газ 7,85 1,48

Примечания: * уголь каменный Донецкий; ** уголь каменный Кузнецкий.

Таблица 4

Среднее содержание тяжелых металлов в некоторых видах топлива

Металл Содержание тяжелых металлов в топливе, мг/кг

торф уголь мазут природный газ

Ртуть 0,065-0,075 0,1 Менее 0,005 Следовое количество ТМ

Свинец 0,9-3,8 13 0,03-0,19

Никель 6,6 11 5,9-58

Ванадий 5-33 24 26-82

Хром 0,4-1,5 11 Менее 3,6

Железо 1300-4900 6000-8400 Менее 110

Медь 11 13 0,34

Цинк 22 27 Менее 7,7

Кобальт 2,2 4,0 0,4

Марганец 46-75 53 Менее 0,69

Показатели выбросов ЗВ, как показывают данные табл. 1-4, при сжигании основных видов топлива изменяются в широких пределах для одного вида топлива, в том числе для природного газа. Для предварительных оценок в табл. 5 представлены обобщенные данные по

значениям выбросов ЗВ на единицу сжигания угля, мазута и природного газа.

Данные табл. 5 также указывают на экологические преимущества сжигания природного газа в качестве топлива.

Таблица 5

Удельные выбросы ЗВ на единицу сжигаемого угля, мазута и природного газа

Выбросы ЗВ Вид углеводородного топлива

уголь нефть природный газ

Общее количество ЗВ, кг/т у. т., в том числе: 305 50 3

• твердые ЗВ, кг 231 0,1 0,0002

• тяжелые металлы, г 0,7-1,1 0,6-0,9 Отсутствует

Параметры выбросов ЗВ при сжигании моторных топлив

При использовании моторных топлив вклад выбросов ЗВ с испарениями моторных топлив составляет 9 %, выбросов ЗВ в составе отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) - 65 %, выбросов с продуктами износа резины и металла, а также продуктами возгонки и терморазложения масла - 26 % [7].

На рис. 2 представлен расход моторного топлива на одном из крупнейших нефтегазоконденсатных объектов Заполярья ООО «Газпром

добыча Ямбург» [8]. Доля ДТ в структуре моторного топлива на предприятии в несколько раз превышает расход бензина. Это объясняется тем, что основная часть эксплуатируемых на предприятии транспортных средств работает на арктическом ДТ (табл. 6).

Расход моторного топлива и динамика объемов эмиссии СО2 в зависимости от вида используемого моторного топлива свидетельствуют о том, что максимальное количество

2004

2005

2006

2007

Годы

2008

2009

2010

2011

бензин  дизельное топливо Рис. 2. Расход моторного топлива в ООО «Газпром добыча Ямбург»

Количество автотранспортных средств, использующих бензин и ДТ, в ООО «Газпром добыча Ямбург» в период 2004-2011 гг.

Таблица 6

Используемое топливо Количество автомашин, ед./год

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Бензин 274 284 272 262 250 236 226 243

Дизтопливо 635 625 609 552 533 548 477 478

эмиссии СО2 образуется от ДТ (более 80 %), при использовании бензина - до 20 % эмиссий СО2 (табл. 7).

В табл. 8 приведены обобщенные значения выбросов основных ЗВ на единицу отработавших газов при сжигании ДТ, компримирован-ного природного газа (КПГ) и бензинов [9].

Представленный в табл. 9-13 сравнительный анализ выбросов ЗВ с отработавшими газами различных автотранспортных средств (АТС) при сжигании бензина, ДТ и КПГ показывает несомненные экологические преимущества использования в качестве моторного топлива КПГ.

В табл. 9 приведены показатели выбросов парниковых газов при сжигании моторного топлива. Наиболее низкие значения отмечены у

компримированного и сжиженного природного газов [10].

При работе двигателей на СПГ показатели выбросов ЗВ характеризуются более низким содержанием оксидов азота и сажи в сравнении с ДТ (табл. 10).

В настоящее время одно из первых мест среди моторных топлив занимает сжиженный природный газ ввиду наличия больших объемов сырья для его производства и сравнительно низкой стоимости, а также благодаря теплофизическим свойствам и полноте сгорания. Содержание ЗВ в составе отработавших газов двигателей на СПГ существенно ниже, чем при использовании бензина и ДТ: по оксиду углерода - в 5-20 раз, оксидам азота - в 3-4 раза, несгоревшим углеводородам - в 2-3 раза [12].

Таблица 7

Динамика расхода моторного топлива и объемов эмиссии диоксида углерода по ОАО «Газпром»

Год Дизельное топливо Бензин Итого

расход, тыс. т эмиссия СО2, Гг СО2-экв. расход, тыс. т эмиссия СО2, Гг СО2-экв. расход, тыс. т эмиссия СО2, Гг СО2-экв.

2006 9,4 30,2 2,1 6,4 11,5 36,6

2007 8,5 27,4 2,1 6,6 10,7 34,0

2008 9,0 28,7 2,2 7,7 11,2 35,72

2009 8,807 28,258 2,265 7,030 11.072 35,288

2010 9,400 30,161 2,117 6,574 11,517 36,735

2011 9,671 31,031 2,105 6,534 11,776 37,565

Таблица 8

Выбросы ЗВ с отработавшими газами автобусов, грузовых и легковых автомобилей

Топливо Ед. изм. СО СН КО, Сажа БОг РЬ

Автобусы

ДТ кг/т у. т. 221,1 26,4 16,2 0,4 1,4 0,2

КПГ кг/тыс. м3 85,1 22,1 10,4 - - -

Грузовые а/м

Бензин кг/т у. т. 354,0 44,4 27,1 0,4 1,3 0,2

КПГ кг/тыс. м3 134,5 38,4 17,9 - - -

Легковые автомобили

Бензин-0 (Евро-0) кг/т у. т. 167,8 20,8 20,1 20,1

Бензин-1 (Евро-1) и выше кг/т у. т. 14,4 1,6 3,9 3,9

ДТ-0 (Евро-0) кг/т у. т. 9,4 2,1 27,6 2,8 1,1

ДТ-1 (Евро-1) и выше кг/т у. т. 5,2 1,0 20,7 0,8 1,1

Сжиженный нефтяной газ - 0 (Евро-0)* кг/т у. т. 159,2 19,7 19,1 0,1

Сжиженный нефтяной газ - 1 (Евро-1) и выше* кг/т у. т. 13,7 1,5 3,7 0,1

Примечание: * в пересчете на сжиженный природный газ (СПГ).

Таблица 9

Удельные выбросы СО2 и СН4 на автомобильном транспорте

Вид топлива Удельный выброс парниковых газов, кг/Дж

СО2 СН4

Автомобильный бензин 69300 33

Сжиженный нефтяной газ 63100 62

Керосин 71900 -

Компримированный природный газ 56100 92

Сжиженный природный газ 56100 -

Дизельное топливо 74100 4,15

Таблица 10

Выбросы токсичных веществ, г/км пробега, при работе бензинового и дизельного двигателей на разных видах топлива [11]

Вещество Бензиновый двигатель Дизельный двигатель

бензин бензин с системой снижения токсичности отработавших газов сжатый природный газ дизельное топливо двух- топливная система

Оксид углерода 2,5-10 1-2,5 0,5-1,5 0,2-1,6 0,2-1,0

Оксиды азота 1-1,8 0,25-0,45 0,5-0,9 0,5-1,8 0,5-1,8

Неметановые углеводороды 1,0-2,0 0,1-0,2 0,1-0Д 0,1-0,2 0,1-02

Сажа (дымность по Хартриджу, %) - - - 4-40 2-15

ПАУ 0,003-0,03 0,0015-0,02 0,003-0,009 - -

Таблица 11

Выбросы ЗВ при сгорании 1 кг дизельного топлива

Тип АТС Экологический класс АТС Выброс ЗВ, г/кг

СО УОС* КО, РМ** бо2 СО2

Легковые автомобили 0 (Евро-0) 13,6 3,0 40,0 4,0 1,6 3070

1 (Евро-1) и выше 7,5 1,4 30,0 1,1 1,6 3100

Грузовые автомобили и автобусы полной массой до 3500 кг 0 (Евро-0) 30,0 10,0 50,0 4,0 1,6 3020

1 (Евро-1) и выше 8,6 4,3 25,0 1,1 1,6 3090

Грузовые автомобили и автобусы полной массой более 3500 кг 0 (Евро-0) 30,0 10,0 50,0 4,0 1,6 3020

1 (Евро-1) и выше 8,6 4,3 25,0 1,4 1,6 3090

Примечания: * летучие органические соединения; ** твердые частицы.

Таблица 12

Выбросы ЗВ при сгорании 1 кг сжиженного нефтяного газа

Тип АТС Экологический класс АТС Выброс ЗВ, г/кг

СО УОС КО, бо2 СО2

Легковые автомобили 0 (Евро-0) 250,0 31,0 30,0 0,12 2520

1 (Евро-1) и выше 21,5 2,4 5,8 0,12 2970

Грузовые автомобили и автобусы полной массой до 3500 кг 0 (Евро-0) 250,0 31,0 30,0 0,12 2520

1 (Евро-1) и выше 21,5 2,4 5,8 0,12 2970

Грузовые автомобили и автобусы полной массой более 3500 кг 0 (Евро-0) 360,0 39,0 30,0 0,12 2350

Таблица 13

Выбросы ЗВ при сгорании 1 м3 сжатого природного газа

Тип АТС Экологический класс АТС Выброс ЗВ, г/м3

СО УОС КО, бо2 СО2

Грузовые автомобили и автобусы полной массой более 3500 кг Евро-0 140,0 14,0 20,0 0,08 2500

Выбросы черного углерода от дизельных источников в Арктике

Выбросы мобильных и стационарных дизельных установок в пределах арктической части Российской Федерации оказывают значительное влияние на общую концентрацию черного углерода (сажевых частиц) в Арктике. На основе предварительных данных Всемирный фонд дикой природы (ЖЖР России) подсчитал, что около 80 % выбросов черного углерода от дизельных установок, связанных с антропогенной деятельностью в российской Арктике, происходит в Мурманской области и г. Мурманске, а также в Норильском промышленном районе.

Агентство по защите окружающей среды США недавно инициировало проект по изучению выбросов черного углерода от дизель-

ного топлива в российской Арктике. Данный проект является государственным исследовательским проектом США, который реализуется Мемориальным институтом им. Баттелле при сотрудничестве с ЖЖР России и другими заинтересованными сторонами.

Проект имеет две главные цели: подготовка инвентаризации источников выбросов в Арктике и реализация пилотного проекта для показа возможности уменьшения выбросов черного углерода. Методология исследований включает многосторонние подходы к оценке выбросов черного углерода и охватывает все возможные аспекты и источники его образования (рис. 3).

Дорожные транспортные средства:

• легковые автомобили;

• грузовики;

• автобусы.

Внедорожные транспортные средства:

• строительная техника;

• сельскохозяйственная техника;

• горнодобывающее оборудование.

Морской транспорт и порт.

Тепловозы.

Дизельные генераторы

Использование дизельного топлива по технологиям

Использование дизельного топлива по секторам

Г

Использование ди по секторам и вельного топлива технологиям

Рис. 3. Схема оценки выбросов черного углерода от дизельных источников

Сектор мобильных и стационарных дизельных установок имеет большой потенциал сокращения выбросов. Так, в США улучшение качества топлива, изменения в структуре его потребления и усовершенствование конструкции двигателей позволили достичь значительного (до 90 %) сокращения выбросов черного углерода от дизельных транспортных средств

большой грузоподъемности. Данные меры также способствуют повышению качества атмосферного воздуха в городах и улучшению здоровья человека.

Таким образом, по данным представленных исследований, экологические преимущества природного газа очевидны, а перспективы замены ДТ природным газом позитивны.

Список литературы

1. Национальная служба информации Медиатекст // www.mediatext.ru

2. Методика экологической экспертизы предпроектных и проектных материалов

по охране атмосферного воздуха. - М., 1995.

3. Крылов Д.А. ТЭС: уголь и газ /

Д.А. Крылов, В.Е. Путинцева, Е.Д. Крылов // Ядерное общество. - 2001. - № 1.

4. Григорян К.Б. Экологическая ситуация при использовании мазута и угля взамен природного газа / К.Б. Григорян,

Ю.М. Никитина // Экология в газовой промышленности / Приложение к журналу «Газовая промышленность». - 1998. - № 7.

5. Методика расчета выбросов бенз(а)пирена в атмосферу паровыми котлами тепловых электростанций. - М.: ВТИ, 1999.

6. Лисицын Е.Б. Диверсификация моторных топлив как ближайшая реальность решения топливных проблем автотранспортных средств: обзорн. инф. / Е.Б. Лисицын, Р.В. Богославцев,

А.А. Пятибрат. - М.: Газпром экспо, 2010. -247 с.

8. Кадастр выбросов парниковых газов для объектов ООО «Газпром добыча Ямбург» 2004-2011. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2013.

9. Мкртычан Я.С. Расчеты и проект расширения и использования компримированного природного газа на автомобильном транспорте / Я.С. Мкртычан, Р.О. Самсонов. -М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2007. - 112 с.

10. Программа ТАСИС Европейского союза для Российской Федерации. Методология Кадастра антропогенных выбросов парниковых газов для региона. - 2009.

11. Данилов А.М. Альтернативные топлива: достоинства и недостатки. Проблемы применения / А.М. Данилов, Э.Ф. Каминский,

В. А. Хавкин. - М., 2005. - 154 с.

12. Шеховцев А.А. Воздействие предприятий топливно-энергетического комплекса на ОС / А.А. Шеховцев, С.Г. Чижов // Энергетическая политика. - 2009. - № 1. - С. 32-42.

7. Мельников А.А. Проблемы окружающей среды и стратегия ее сохранения: учебн. пособие для вузов / А.А. Мельников. - М.: Академический проект; Гаудеамус, 2009. - 720 с.