Биогазовые и водородные технологии как инструмент повышения экоэффективности транспорта

Биогазовые и водородные технологии как инструмент повышения экоэффективности транспорта

Е.Н. Пронин,

зам. начальника управления ОАО «Газпром»

Развитие мировой экономики невозможно без развития транспортного сектора. Оно сопровождается ростом потребления моторного топлива и увеличением выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Расширение использования альтернативных видов моторного топлива с более приемлемыми экологическими и экономическими свойствами - неизбежный глобальный императив. В настоящее время реальными коммерческими альтернативами бензину и дизельному топливу являются только сжиженный углеводородный и природный газы.

Ключевые слова: компримированный природный газ, метан, водород, биогаз, биометан.

Biomethane and Hydrogen Technologies as an Instrument for Building up Ecoefficiency of Transportation Sector

E.N. Pronin

The World economic development is impossible without further development of transportation sector. It is accompanied by escalation of fuel consumption and buildup of emissions. Expansion of alternative transportation fuels with more attractive environmental and economic properties is an inevitable global imperative.Today only LPG and natural gas are real commercial alternatives to gasoline and diesel.

Keywords: compressed natural gas, methane, hydrogen, biogas, bio-methane.

Основными источниками выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (оксидов углерода, азота, несгоревших углеводородов и др.) и одного из основных парниковых газов (двуокиси углерода) являются тепловые двигатели электростанций, компрессорных станций магистральных газопроводов, металлургические, химические комплексы и т.д. Однако главные загрязнители воздуха - двигатели транспортных средств. На их долю приходится 21 % выбросов СО2, из них 17,5 % - на автомобильные двигатели. В мире в настоящее время уже

насчитывается примерно 900 млн автомобилей, и их количество продолжает расти. В связи с этим очевидно, насколько важной задачей является снижение токсичности отработавших газов и выбросов двуокиси углерода именно транспортными двигателями.

Основными альтернативами бензину и дизельному топливу сегодня считаются сжиженный углеводородный газ (СУГ) и компримированный природный газ (КПГ). Только эти два вида топлива получили широкое коммерческое распространение во всем мире. На долю автомобилей,

использующих СУГ и КПГ, приходится почти 3 % мирового автомобильного парка (рис. 1).

Остальные альтернативные технологии получили в значительно меньшей степени коммерческое развитие.

После СУГ и КПГ наиболее распространены сегодня биологическое топливо, электрический привод, гибридные схемы, водород, а также различные комбинации традиционных и альтернативных технологий.

Биометан

Под биотопливом принято понимать целую гамму различных энергоносителей, к которым, как правило, относят различные виды твердых, жидких и газообразных энергоносителей, получаемых искусственным путем и используемых для производства тепловой и электрической энергии, а также в качестве моторного топлива.

Сырье для получения биотоплива также разнообразно, как и виды этого биотоплива. Например, рапс, соя и подсолнечник позволяют получить так называемое биодизельное топливо; кукуруза, сахарная свекла, картофель, сахарный тростник - биоэтанол (спирты). Биогаз, сточные воды, свалочный газ являются источниками биометана. Древесина, солома, органические отходы - ресурсная основа для синтетических видов жидкого и газообразного топлива, метанола.

Германское общество устойчивого развития использования биогаза и биоэнергии ^ЕРВЮ) утверждает, что с 1 га сельскохозяйственных земель можно получить столько биометана, сколько необходимо для пробега автомобилем (с расходом 7,4 л бензина или 6,1 л дизельного топлива на 100 км) расстояния в 67,6 тыс. км, что в 1,7 раза длиннее экватора; синтетического жидкого топлива - на 64 тыс. км; рапсового масла и рапсового биодизеля - на 23,3 тыс. км; биоэтанола из злаковых культур - на 22,4 тыс. км. А если еще поработать над отходами переработки рапса и злаков, то можно «выжать» топлива еще на 14-18 тыс. км. Звучит это очень заманчиво,

Транспорт и экология

Ш)

2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

I I СУГ II КПГ

Рис. 1. Мировой парк автомобилей, работающих на СУГ и КПГ, тыс. ед.

особенно если принять во внимание, что к главным преимуществам биотоплива относятся его повышенная экологическая безопасность и условно бесконечная возобновляемость.

Наиболее привлекательной моторной альтернативой является биометан, основу которого составляет биогаз. Главный недостаток биометана - его дороговизна. Причина этого кроется в самой его природе. Биогаз, получаемый из органики, может использоваться в качестве котельного топлива. Но вот для транспортных двигателей он совершенно не подходит. Доля метана в биогазе составляет всего 50-70 %. Следовательно, его нужно дополнительно «насыщать» метаном, то есть доводить до уровня качества трубного газа.

В качестве конкретного примера рассмотрим компонентный состав

(таблица) биогаза, получаемого в Москве на Курьяновских очистных сооружениях, в сравнении с КПГ.

Как видно из приведенной таблицы, практически по всем базовым показателям биометан в значительной степени отличается по характеристикам от КПГ. Этот газ успешно используется для производства тепловой и электрической энергии, но не может применяться в качестве моторного топлива.

Курьяновские очистные сооружения оборудованы 24 метантенка-ми, обеспечивающими выработку биогаза в объеме 130-140 тыс. м3/сут. Биогаз подается на мини-ТЭС электрической и тепловой мощностями соответственно 10 МВт и 6,9 Гкал/ч. Общий КПД ТЭС составляет 84,6 %. Инвестиционная стоимость ТЭС - 29,6 млн евро. Стоимость электроэнергии

Компонентный состав биогаза и КПГ

Наименование показателя КПГ Биогаз

Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м, не менее 31800 24000

Относительная плотность к воздуху 0,55-0,70 0,808

Объемная доля, %

метана 90±5 71,3

азота 0-4 4,165

диоксида углерода 1 24,069

сероводорода 0,02 0,036

Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более 0,036 0,0007

Масса механических примесей в 1 м3, мг, не более 1,0 0,0159

составляет 2,13 руб./кВтч (без учета инвестиционной составляющей -1,80 руб./кВт^ч;); тепловой энергии - 755 руб./Гкал. Расчетный срок окупаемости - 15 лет.

О коммерческом соотношении различных видов альтернативных видов топлива в современных ценовых условиях достаточно наглядно говорят приведенные данные на рис. 2.

ОАО «Газпром» начинает работу по созданию опытной технологии переработки биогаза в биометан на Курьяновских очистных сооружениях для заправки технологического автотранспорта муниципального предприятия Мосводоканал.

Существуют прогнозы, утверждающие, что к концу 21 в. природный газ будет полностью вытеснен с рынка альтернативных видов моторного топлива и заменен биометаном (рис. 3). Вероятно, это слишком смелый прогноз.

Водород

Эта тема намного шире и сложнее темы биометана. Если в случае с биометаном используются практически те же технологии компримирования или сжижения, те же системы и технологии хранения, транспортировки, заправки и применения и та же сложившаяся заправочная инфраструктура, что и у природного газа, то в случае с водородом приходится говорить о совершенно новом технологическом, нормативно-правовом, экономическом и логистическом комплексе.

Прикладные исследования в области автомобильного водорода ведутся во многих странах мира и по многим направлениям. В различной степени проработки и коммерческой готовности находятся следующие технологии использования водорода в качестве моторного топлива.

Компримированный водород

Как правило, он хранится в баллон-нах при давлении 35 или 70 МПа. Делается это для увеличения дальности пробега автомобиля на одной заправке. Одним из уязвимых мест данной

технологии является стоимость баллонов. Сегодня в массовом производстве баллоны для КПГ в зависимости от типа стоят от 3 до 20 долл. США за литр объема. Сколько стоят баллоны для водорода с рабочим давлением 70 МПа можно только догадываться.

Сжиженный водород При сжижении водорода его объем уменьшается в 700 раз. Следовательно, имеется возможность хранить больший запас топлива на борту при невысоких давлениях. Но для хранения жидкого водорода требуется создать криогенные системы с рабочими температурами от -253 до -256 °С. Одной из проблем при создании криогенных систем хранения водорода в жидком состоянии явля-

ется то, что в таком виде он находится в узком интервале температур: от точки кипения 20 К до точки замерзания 17 К. Если температура поднимается выше точки кипения, водород переходит из жидкого состояния в газообразное, ниже точки замерзания - переходит в твердое состояние.

Адсорбированный водород

Теоретически привлекательной кажется возможность создания системы хранения водорода на борту транспортной машины, основанной на адсорбции водорода гидридами металлов (гидриды магния, железоти-тановых сплавов и др.).

Гидриды, однако, хранят водород с небольшой плотностью энергии на единицу массы, а процессы их заправ-

100%

2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

Природный газ

Биометан

Рис. 3. Доля автомобилей на альтернативных топливах (на основе метана) в общем парке, %

ки идут недопустимо медленно. Извлекают водород из гидрида методом гидролиза и термической диссоциации при температуре от 150 до 300 °С. Чтобы избежать больших затрат энергии, нужно добиться высвобождения водорода при температурах около 80 °С. Исследования в этой области только начинаются.

Ведутся работы над созданием на-номолекулярных структур, пористых углеродных материалов, потенциально способных вмещать большое количество водорода или метана при нормальных давлениях.

Водородные добавки

Все перечисленные технологии, в конечном счете, дорогостоящи и пока неконкурентоспособны. Однако ситуация не безвыходная. В качестве компромисса водород можно использовать в транспортных двигателях в качестве улучшающей добавки к обычному жидкому или газообразному углеводородному топливу. Доля водорода в топливной смеси составляет всего 5-10 %. Водород можно получать на борту автомобиля или на АГНКС. Работы, проведенные в этом направлении РФЯЦ-ВНИИЭФ и Институтом катализа им. Г.К Борескова СО РАН, показали, что использование ме-тано-водородных смесей приводит к снижению выбросов СО и NOx практически до уровня требований «Евро-4» без применения нейтрализаторов с одновременным увеличением КПД на 20-40 % на режимах малых нагрузок и холостом ходу. Данная технология может найти применение не только на автотранспорте, водород можно добавлять в любой топливный газ.

Работа над метано-водородны-ми смесями ведется в ряде стран и, в частности, во Франции. Компания GDF Suez владеет правами собственности на название Hytane (hydrogen + methane) и финансирует исследования по производству смеси непосредственно на АГНКС. Россия, как уже говорилось, пока идет по пути получения газового коктейля на борту транспортного средства.

Транспорт и экология

ш

к"»,..,.,»•

Рис. 4. Силовые схемы современных автомобилей

Топливные элементы водороду. Гибридный автомобиль

Данная технология также име- - это автомобиль, оборудованный дву-ет непосредственное отношение к мя силовыми агрегатами: двигателем

внутреннего сгорания и электромотором. В современных гибридных схемах (рис. 4) электричество получают с помощью топливных элементов на протонообменных мембранах. Водород, участвующий в процессе, можно получать с помощью бортового конвертора метана или хранить в отдельном баллоне.

Таковы основные направления работ в области применения биологических и водородных технологий для замещения бензина и дизельного топлива на транспорте.

Как заявил в своем докладе на годовом собрании ЕДК в Канне (Франция) 10 июня 2010 г. президент ЕДК, председатель правления ОАО «Газпром» А.Миллер: «Природный газ будет играть все большую роль».

Это - одна из причин, по которой правление и президиум ЕДК поддержали декабрьскую инициативу НГА о проведении исследования нормативно-правовых условий строительства АГНКС в странах Европы. Природный газ еще долго будет оставаться одним из важнейших компонентов в мировом балансе моторных топлив!

«9

Ш

'"Ооц«»«^

Уважаемые читатели!

Национальная газомоторная ассоциация выпустила в свет специальный выпуск Международного научно-технического журнала «Транспорт на альтернативном топливе», в котором полностью опубликован Итоговый доклад Международного газового союза, подготовленный в 2006-2009 гг. Исследовательской группой 5.3 «Транспортные средства на природном газе» Рабочего комитета 5 «Использование газа». Доклад был представлен на Мировом газовом конгрессе МГС, состоявшемся 5-9.10.2009 г. в г. Буэнос-Айрес (Аргентина).

Эксклюзивное право публикации этого доклада предоставлено единственному российскому изданию - редакции журнала «Транспорт на альтернативном топливе».

В Итоговом докладе сделан подробный анализ использования природного газа (метана) в качестве газомоторного топлива, а также других видов альтернативного моторного топлива на транспорте в странах, представляющих различные регионы мира - Европа, Северная и Латинская Америка, Азиатско-Тихоокеанс-

кий регион, Ближний Восток, Россия и страны СНГ. Проанализированы факторы, способствующие развитию национальных газомоторных рынков и сдерживающие его. Представлен обзор современных и перспективных газозаправочных и газоиспользующих технологий в различных странах мира.

Объем специального выпуска журнала «Транспорт на альтернативном топливе» - 96 стр. формата А4. Рассылка спецвыпуска будет производиться только по заявкам читателей с предварительной оплатой. Тираж ограничен, поэтому просьба оперативно присылать заявки на спецвыпуск.

Стоимость 1 экз. бумажного варианта - 1500 руб. + 10% НДС.

В электронном виде доклад не распространяется.

Заявки на получение специального выпуска журнала принимаются по телефонам (495) 363-94-17, 321-50-44, или по электронной почте transport.2@ngvrus.ru