Перспективы создания нового поколения грузовых газомоторных автомобилей

Перспективы создания нового поколения грузовых газомоторных автомобилей

Я.С. Мкртычан, профессор, д.т.н.,

Р.Р. Батыршин, генеральный директор ООО «РариТЭК»,

С.В. Люгай, директор Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н., Д.В. Селиванов, главный специалист ООО «Газпром газэнергосеть»

Приведены результаты разработки принципиальной схемы хранения и подачи природного газа в двигатель транспортного средства, работающего на СПГ и КПГ, а также схемы рационального размещения газовых емкостей на борту грузовых автомобилей различной модификации.

Ключевые слова: газомоторный автомобиль, запас хода автомобиля, расход газа, сжиженный природный газ, компримированный природный газ.

Начиная с 2000 г. в мире фактически произошел прорыв метана на газомоторный топливный рынок. С каждым годом наблюдается постоянный рост количества газобаллонных автомобилей (ГБА), работающих на компримирован-ном природном газе (КПГ), и соответственно увеличение числа АГНКС и объема потребления КПГ [1]. За период с 2000 по 2011 г. число ГБА возросло более чем в 15 раз и достигло 17,2 млн ед., количество АГНКС увеличилось до 21,4 тыс., а объем потребления КПГ - до 36,0 млрд нм3. Число стран, использующих КПГ для транспорта, увеличилось более чем в 2 раза - с 40 до 82.

Колоссальный рост численности метановых машин за последние несколько лет (2009-2012 гг.) произошел в Пакистане (3,10 млн ед.), Иране (3,30 млн ед.), Аргентине (2,17 млн ед.), Бразилии (1,73 млн ед.), Индии (1,7 млн ед.). Однако в настоящее время по объему потребления КПГ лидирует Китай. Если во многих странах мира газомоторный парк в основном состоит из легковых автомобилей, то в структуре автопарка Китая преобладают автобусы, потребляющие в

несколько раз больше КПГ, чем легковые ГБА. По экспертным оценкам, в течение второго десятилетия XXI в. численность мирового парка метановых автомобилей может быть доведена до 50 млн, то есть возрасти примерно в 3,5 раза.

В России также готовятся к существенному увеличению объема потребления КПГна автотранспорте и доведению его в 2015 г. до 3,0 млрд м3. В советский период (1981-1991 гг.) парк газобаллонных автомобилей достиг 54,8 тыс. ед., в том числе 53,1 тыс. грузовых автомобилей, 1,3 тыс. автобусов и 0,4 тыс. легковых автомобилей-такси [2].

Структура автопарков разных стран, в том числе и газомоторных, в большинстве своем представлена легковыми автомобилями. В России газомоторный парк КПГ составляют в основном грузовые автомобили, а в Китае - автобусы, работающие на КПГ и потребляющие наибольшие объемы топлива. Два этих направления не противоречат друг другу, а скорее дополняют. Однако следует отметить, что увеличение парка грузовых крупнотоннажных автомобилей для работы на КПГ сдерживается их ограниченным запасом хода

и пока еще недостаточным числом АГНКС, особенно на междугородных и международных автомагистралях.

При работе на КПГ такие автомобили имеют пробег без дозаправки всего 200...250 км, что требует строительства АГНКС через каждые 70..100 км, то есть создания более частой сети газозаправок. Естественно, что реализация такой задачи является долговременным и дорогостоящим процессом.

Одной из эффективных альтернатив применению КПГ на магистральных автопоездах, выполняющих дальние и сверхдальние междугородные и международные рейсы протяженностью до 1000 км и более, является использование сжиженного природного газа (СПГ). Однако это следует понимать как использование СПГ наряду с КПГ, а не вместо КПГ, особенно в период создания широкомасштабной сети заправочных станций и индустрии малотоннажного производства СПГ.

В последние годы в мире и России особенно заметно проявилась тен-денцияиспользованияСПГна автомобильном транспорте. Приоритетными автотранспортными средствами для использования СПГ определены

магистральные крупнотоннажные грузовики и автопоезда, выполняющие междугородные и международные (трансконтинентальные) грузоперевозки, автомобили-самосвалы большой грузоподъемности, эксплуатируемые в карьерных горнодобывающих условиях, автомобили-лесовозы и автобусы большого и особо большого класса, в первую очередь, туристические [3].

На сегодня в мире существует довольно развитая сеть крупнотоннажного производства СПГ: мощные заводы по сжижению природного газа, крупные хранилища СПГ, танкеры-метановозы, отгрузочные и приемные терминалы. Наряду с этим идет процесс формирования малотоннажного производства СПГ. Созданы и функционируют заводы средней мощности, производительностью 100...600 тыс. т/год (США, Китай [1, 4]), а также мини-заводы СПГ производительностью 7,0.20 тыс. т/год (Россия), созданные в составе АГНКС-500 и ГРС [5-7].

В США и ряде европейских стран построены и функционируют станции заправки СПГ грузового и легкового автотранспорта. Ведущими автомобильными фирмами мира созданы образцы автомобилей, работающих на СПГ.

В России пока только ОАО «КАМАЗ» принимает меры по освоению промышленного производства крупнотоннажных грузовых автомобилей и самосвалов для работы на СПГ. Широкое внедрение СПГ для заправки автотранспорта пока сдерживается малочисленностью технологических установок (мини-заводы) по его производству и почти отсутствием сети заправочных станций.

В настоящее время ОАО «КАМАЗ» и его эксклюзивный дистрибьютор компания ООО «РариТЭК» в основном завершили работу по освоению

серийного производства модельного ряда автомобилей и автобусов с газовым двигателем, выполняющим нормы Евро-4, и продолжают его совершенствовать в направлении достижения Евро-5 [8]. Одновременно с этим в сотрудничестве с ООО «Газпром ВНИИГАЗ» компания «РариТЭК» начала масштабную работу по созданию нового поколения инновационной газомоторной автотехники, использующей в качестве моторного топлива наряду с КПГ и СПГ. Такой подход к использованию двух видов природного газа продиктован необходимостью существенного увеличению запаса хода автомобилей при выполнении дальних пробегов. Пришлось учитывать, что создание сети заправочных станций СПГ потребует значительного времени. В результате возникнет переходный период, в течение которого придется обеспечивать дальние грузоперевозки не только на СПГ.

Для увеличения запаса хода крупнотоннажного грузового двух-

топливного автомобиля (КПГ+СПГ) потребовалось, как минимум, разработать следующее:

• бортовую систему хранения и подачи в двигатель КПГ и СПГ;

• модификацию автомобилей с различными схемами размещения топливных емкостей для СПГ и КПГ разного объема и исполнения;

• подкапотную автосистему двигателя для работы на КПГ и СПГ.

Хранение и подача

природного газа в двигатель транспортного средства

В отличие от известных технологических газовых схем крупнотоннажных автомобилей, работающих на КПГ или СПГ, предлагаемая газовая система (рис. 1) предназначена обеспечить последовательную подачу компри-мированного или сжиженного газа в двигатель автомобиля из бортовых емкостей для хранения СПГ и КПГ [9].

Схема включает: криогенный баллон 5; трубопровод 3,

соединенный с баллоном 5 и устройством его заправки сжиженным природным газом (на рис. 1 не показано) через обратный клапан 2 и входной кран 1; трубопровод 6 подачи сжиженного газа (через испаритель 9), оснащенный предохранительным клапаном 8, запорным краном 7 и обратным клапаном 10, соединенным с трубопроводом 12, по которому газообразный газ поступает в двигатель транспортного средства; баллон 11 для сжатого газа высокого давления; трубопровод 21, соединенный с баллоном 11 и устройством его заправки компримированным газом высокого давления 20.32 МПа (на рис. 1 не показано) через обратный клапан 22 и выходной кран 23. Схема включает также трубопровод 15 подачи КПГ в баллоны 5 и 11, оснащенный манометром 16 со сбросным краном 17, запорным краном 20, редуктором газа 19 и предохранительным клапаном 18, соединенный с криогенным баллоном 5 через запорный кран 4 и с трубопроводом 12 подачи газообразного газа в двигатель через запорный кран 14 и обратный клапан 13.

Описанная система работает следующим образом.

Для заправки криогенного баллона 5 сжиженным природным газом трубопровод 3 присоединяют к гибкому рукаву заправочного пункта или станции (на рис. 1 не показано). Краны 7 и 4 закрывают, а кран 1 открывают. После окончания заправки баллона 5 СПГ кран 1 закрывают.

Для заправки баллона 11 ком-примированным природным газом высокого давления трубопровод 21 присоединяют к гибкому рукаву заправочного пункта или станции (на рис. 1 не показано). Кран 20 закрывают, а кран 23 открывают. После окончания заправки баллона 11 газом высокого давления кран 23 закрывают.

Система может осуществлять подачу природного газа в двигатель

либо из криогенного газового баллона 5, либо из газового баллона 11 высокого давления.

Для подачи СПГ в двигатель через испаритель 9 открывают вначале кран 7, а затем краны 20 и 4. Поступающий из баллона 11 по газопроводу 15 через открытый кран 20, редуктор 19 и открытый кран 4 в баллон 5 газ с давлением, сниженным до 1,0 МПа, начинает вытеснять сжиженный газ через испаритель 9 к двигателю. После полного расхода СПГ из криогенного баллона 5 краны 7 и 4 закрывают. При необходимости для дальнейшей работы двигателя используют КПГ из баллона 11. Для его подачи в двигатель открывают кран 14.

Возможны варианты использования только СПГ или только КПГ в зависимости от наличия тех или иных заправок по пути следования транспорта. Данная схема двухтопливной системы хранения и подачи газа в двигатель транспортного средства (ТС) позволяет следующее:

• обеспечить необходимую дальность пробега (запас хода) транспортных средств, особенно в условиях редкой сети заправочных станций, и уменьшить число рейсовых заправок;

• снизить потери рабочего времени на заправки газовым топливом;

• повысить гибкость и маневренность грузоперевозок за счет увеличения запаса хода;

• минимизировать расходы на сооружение, обслуживание и ремонт системы.

Особенно важно отметить, что в предлагаемой технологической схеме газовой системы крупнотоннажного двухтопливного автомобиля КПГ является не только вторым наряду с СПГ топливом, но он еще выполняет и технологическую функцию - вытесняет СПГ из автомобильного криобака в подкапотную газовую

систему и исключает необходимость в криогенном насосе с приводом. Таким образом в данной схеме реализуется универсальный принцип «СПГ не вместо, а наряду с КПГ», что позволяет получить ряд ранее отмеченных преимуществ в сравнении с принципом «СПГ или КПГ». Создание таких двухтопливных автомобилей чрезвычайно важно не только для увеличения пробега и расширения географии грузоперевозок, но и для повышения загрузки газозаправочных станций с учетом необходимости использования существующей сети АГНКС и целесообразности ее реконструкции для обеспечения заправки автотранспорта наряду с КПГ и сжиженным природным газом.

Система хранения природного газа на грузовых крупнотоннажных автомобилях

Основной технической задачей при разработке новой системы хранения газа явилось радикальное увеличение газового объема емкостей с целью повышения запаса хода автомобиля для обретения возможности выполнения дальних и сверхдальних грузоперевозок на разных стадиях развития системы газоснабжения автотранспорта на междугородных и международных автомагистралях.

Для решения поставленной задачи разработаны три варианта системы хранения КПГ и СПГ на борту шасси (рис. 2) автомобиля. Для последующей модернизации за базовый был принят вариант шасси с системой хранения только КПГ (базовая модификация). По первому и второму вариантам система предназначена для автомобилей, совершающих без дозаправки дальние грузоперевозки, по третьему - для автомобилей, выполняющих сверхдальние грузоперевозки, включая трансконтинентальные.

Система хранения природного газа для ТС по первому варианту

содержит газовые емкости для хранения СПГ и КПГ, каждая из которых снабжена устройством заправки газом, запорно-регулирующей арматурой и соединена газопроводами с системой питания двигателя транспортного средства. От базовой она отличается тем, что емкости для хранения КПГ выполнены в виде кассет с баллонами высокого давления, которые установлены и закреплены на раме за кабиной автомобиля и с одной из сторон рамы транспортного средства, а емкость для хранения СПГ выполнена в виде криогенного бака с газовым объемом, примерно равным газовому объему баллонов для хранения КПГ, который закреплен на одной из наружных сторон рамы транспортного средства.

Система хранения природного газа по второму варианту отличается

тем, что емкость для хранения КПГ, выполненная в виде кассет с баллонами высокого давления, установлена только с наружных сторон рамы транспортного средства, а емкость для хранения СПГ выполнена в виде кассеты с криогенными баками общим газовым объемом, превышающим более чем в 3 раза газовый объем баллонов для хранения КПГ, и установлена на раме ТС за кабиной автомобиля.

Система хранения природного газа по третьему варианту отличается тем, что емкость для хранения КПГ, выполненная в виде кассеты с баллонами высокого давления, установлена только с одной из наружных сторон транспортного средства, а емкости для хранения СПГ, выполненные в виде кассет с общим газовым объемом, превышающем более чем в 9 раз газовый объем баллонов для хранения КПГ, установлены за

Базовая модификация 1-я модификация

в г

Рис. 2. Внешние виды шасси для крупнотоннажных грузовых автомобилей

и самосвалов КАМАЗ с новыми системами хранения КПГ и СПГ: а - объем КПГ 304 нм3, запас хода 553 км;

б - объем КПГ 224 нм3, объем сПг 243 нм3, пробег на КПГ 408 км, пробег на СПГ 441 км, запас хода 849 км;

в - объем КПГ 160 нм3, объем СПГ 486 нм3, пробег на КПГ 291 км, пробег на СПГ 884 км, запас хода 1175 км;

г - объем КПГ 80 нм3, объем СПГ 729 нм3, пробег на КПГ 145 км, пробег на СПГ 1326 км, запас хода 1471 км

кабиной автомобиля и с одной из наружных сторон рамы ТС.

В описанной системе хранения газа СПГ в конечном итоге со временем станет основным моторным топливом, а КПГ - резервным и технологическим топливом, используемым для подачи сжиженного природного газа из криобаков в двигатель автомобиля. Размещение криогенных баков за кабиной и на раме автомобиля позволяет максимально увеличить их газовый объем (рис. 3). Согласно выполненным расчетам в процессе предпроектной проработки предлагаемой системы хранения природного газа применительно к самосвалу КАМА7-6520-34 установлены следующие ее преимущества.

По первому варианту (для дальних грузоперевозок на расстояния до 850 км):

• общий объем хранимого на борту автомобиля газа возрос с 304 до 4б7 нм3, то есть более чем в 1,5 раза (см. рис. 3);

• пробег автомобиля на двух видах газового топлива без дозаправки возрос с 550 до 849 км, то есть тоже более чем в 1,5 раза (рис. 4);

• общая масса газовых емкостей уменьшена на 15,0 %.

По второму варианту (для дальних грузоперевозок на расстояния до 1200 км):

• общий объем хранимого на борту автомобиля газа возрос с 304 до б4б нм3, то есть более чем в 2 раза (см. рис. 3);

• пробег автомобиля на двух видах топлива без дозаправки возрос с 550 до 1175 км, то есть тоже более чем в 2 раза (см. рис. 4);

• общая масса газовых емкостей уменьшена на 25 %.

По третьему варианту (для сверхдальних грузоперевозок на расстояния до 1500 км):

• общий объем хранимого на борту автомобиля газа возрос с 304

использования СПГ на крупнотоннажных грузовиках и автобусах большой вместимости для междугородного сообщения и в связи с этим начаты или намечены следующие мероприятия:

• освоение и развитие промышленного производства крупнотоннажных газовых грузовиков и туристических газовых автобусов большой вместимости;

• создание заводов средней мощности по производству СПГ производительностью до 600 тыс. т/год (Китай, США и др.);

• создание мини-заводов по производству СПГ производительностью 10.20 тыс. т/год на АГНКС и ГРС (Россия);

• использование хранилищ СПГ отгрузочных и приемных прибрежных терминалов в качестве источника поставки СПГ на автозаправочные станции (Испания, Португалия, Франция, Италия, Швеция и др.);

• создание более эффективного оборудования для газозаправочных станций СПГ - криогенных насосов, регазификаторов, криогенных емкостей и др. (США, Германия, Франция, Россия и другие страны);

• расширение сети станций СПГ для заправки автотранспорта сжиженным природным газом (в том числе привозным).

Перспективность применения в России СПГ для транспорта и автономной газификации (включая рега-зифицированный СПГ) определяется следующими его потребительскими свойствами [8]:

• высокой экологической безопасностью - сокращение выбросов оксидов азота на 85.90 %, серы на 100 %, парниковых газов на 15.20 %;

• развитой газотранспортной системой - протяженность магистральных газопроводов ОАО «Газпром» превышает 160 тыс. км, а

до 809 нм3, то есть почти в 2,7 раза (см. рис. 3);

• пробег автомобиля на двух видах газового топлива без дозаправки возрос с 550 до 1471 км, то есть тоже почти в 2,7 раза (см. рис. 4);

• общая масса газовых емкостей уменьшена на 30,0 %.

Благодаря этим трем вариантам исполнения системы хранения газа для автомобилей появилась реальная возможность выбора транспортного средства, исходя из его

стоимости и дальности пробега без дозаправок газом.

В настоящее время специалистами ООО «РариТЭК» уже создан опытный образец седельного тягача (1-я модификация, см. рис. 2) и проводятся его всесторонние испытания. Наряду с этим идет предпроектная подготовка к созданию опытных образцов автомобилей и других модификаций.

Таким образом, во многих странах мира сформировалась тенденция

протяженность всех распределительных газопроводов - 750 тыс. км;

• благоприятной розничной ценой - 50 % цены дизельного топлива;

• приемлемой энергетической эффективностью - удельное энергопотребление криогенного насоса минимум на 10 % меньше, чем у компрессора аналогичной производительности;

• высокой скоростью заправки автомобилей СПГ - до 200 л/мин;

• более высокой энергетической емкостью, обеспечивающей больший пробег на одной заправке - сосуд высокого давления 20,0 МПа вместимостью 50 л содержит до 10 нм3 природного газа, кри-обак для СПГ той же вместимости содержит около 30 нм3 метана;

• широким спектром потребителей, позволяющим создавать логистические центры (хабы) для автомобилей, судов, локомотивов, автономной газификации;

• продолжающимся развитием мировой инфраструктуры СПГ - промышленное сжижение (21 завод работает и 47 заводов находятся на различных стадиях планирования и строительства), регазификационные приемные терминалы (б2 работают и 127 находятся на различных стадиях планирования и строительства);

• высокой мобильностью, маневренностью и географической адаптивностью комплексов малотоннажного производства и использования СПГ;

• универсальностью технологического оборудования для любых категорий потребителей;

• продолжающимся расширением спектра транспортных средств, использующих СПГ;

• высокой степенью освоения криогенных технологий.

В России есть все предпосылки для организации широкомасштабного малотоннажного производства и

внедрения СПГ на транспорте - автомобильном, сельскохозяйственном, железнодорожном, авиационном и водном. Для организации такого производства СПГ по всей стране надо использовать мощные АГНКС, ГРС и ГПЗ.

В качестве одной из первоочередных задач следует считать создание междугородной и международной системы снабжения СПГ и КПГ крупнотоннажных грузовиков и автобусов большой пассажировмес-тимости, совершающих средние (до 500 км), дальние (до 1000 км) и сверхдальние (свыше 1000 км) рейсы. Прежде всего, это касается освоения автомагистралей «Золотое кольцо» и «Голубые коридоры» (Москва - Берлин, Москва - Рим, Москва - Хельсинки, Москва - Стокгольм, Москва - Сочи и др.).

Благодаря постоянной работе, проводимой компанией «Ра-риТЭК» с заинтересованными организациями и предприятиями, в первую очередь с ОАО «Газпром» и руководством субъектов РФ, удалось в кратчайшие сроки освоить

серийное производство модельного ряда газомоторных автомобилей (Евро-4) для работы на КПГ, включая дорожно-строительную, сельскохозяйственную, коммунальную и специальную технику, а также автобусы и тягачи.

Ведутся работы по выполнению газовыми двигателями КАМАЗа норм Евро-5.

Начаты работы по созданию нового поколения инновационной газомоторной техники - самосвалов и тягачей для большегрузных автомобилей и автопоездов, использующих в качестве моторного топлива наряду с КПГ и СПГ. Создание модельного ряда таких автомобилей позволит, в первую очередь, повысить эффективность грузоперевозок по междугородным и международным автомагистралям, а также эффективность работы самосвалов, автоспецтехни-ки и сельхозтехники.

Выпуск и распределение газомоторной автотехники следует синхронизировать с ростом числа и сроками ввода в эксплуатацию газозаправочных станций.

Литература

1. Мкртычан Я.С. «Газификация и газоснабжение транспорта России», книга 1 «Проблемы и перспективы». - М.: Нефть и Газ, 2012. - 240 с.

2. Бекетов Б.В. Перспективы развития газобаллонного автомобильного транспорта России // АГЗК+АТ. - 2003. - № 6. - С. 15-17.

3. Аксютин О.Е. Актуальные задачи по замене муниципального автотранспорта автомобилями на газомоторном топливе и расширению сети газовых заправок // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 1. - С. 33-36.

4. Порожняков С.А., Пронин Е.Н. Развитие газомоторного рынка США // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 3. - С. 10-11.

5. Сазонов П.М., Гайд Э.Д., Кузнецов П.В. Применение СПГ в Уральском регионе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 1. - С. 54-58.

6. Сердюков С., Ходорков И. Перспективы создания демонстрационной зоны технологии и бизнеса СПГ в России. Санкт-Петербург и Ленинградская область // АГЗК+АТ. - 2003. - № 1. - С. 56-59.

7. Пронин Е.Н., Поденок С.Е. Малотоннажное производство сжиженного природного газа в ОАО «Газпром» - спектр возможностей и перспектив // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 2. - С. 68-69.

8. «Газомоторные автомобили КАМАЗ на природном газе», информационный материал ООО «РариТЭК», 2012, 20 с., www.raritek.ru

9. Мкртычан Я.С., Самсонов Р.О. «Система хранения и подачи газа в двигатель транспортного средства», патент на избретение РФ, № 2400645 с приоритетом от 6 февраля 2009 г.