Заправка автомобиля сжиженным природным газом

Обновлено: 28.01.2025

Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС) осуществляет заправку автомобилей и других транспортных средств, двигатели которых конвертированы или изначально рассчитаны на работу на газомоторном топливе (ГМТ) - сжатом (компримированном) природном газе, и имеют соответствующую систему.
Природный газ поступает на АГНКС по газопроводам.
На АГНКС давление газа повышается до 20 МПа (200 атм) и в таком виде закачивается в баллоны транспортных средств.
Первые АГНКС были построены в 1939 г. в гг. Мелитополе, Горловке, Москве в СССР.
В 1950 х гг. было построено 30 мощных АГНКС, снабжавших газом около 40 тыс автомобилей.
В отличие от АЗС и АГЗС, где моторное топливо только реализуется, АГНКС являются объектами, на которых природный газ, поступающий по газопроводу, подвергается комплексной обработке.

Технологический процесс АГНКС включает:

• очистку в сепараторе и фильтрах сырьевого газа от капельной жидкости и механических примесей;
• коммерческий замер газа;
• компримирование до 25 МПа с охлаждением после каждой ступени сжатия компрессорных установок;
• осушку газа от влаги в блоке осушки;
• хранение в аккумуляторах при 25 Мпа и распределение через газозаправочные колонки при давлении 20 МПа.

На начало 2000 г в России работало свыше 200 АГНКС.
Основу сети составляют станции большой производительности на 500 и 250 условных заправок в сутки.
Сеть АГНКС включает:
• стационарные АГНКС-500 (цифра означает количество заправок грузовых автомобилей в сутки). АГНКС-500 созданы на входное давление 0,4-0,6 и 0,6-1,2 МПа;
• блочно-контейнерные АГНКС-250;
• модульные блочно-контейнерные АГНКС-125, гаражные АГНКС-75;
• индивидуальные заправочные установки и др.

АГЗС - это тоже автомобильная газозаправочная станция, но с другим ГМТ - пропан-бутаном.
Пропан-бутан доставляют на АГЗС автотранспортом и хранят там в горизонтальных резервуарах хранения.
Пропан-бутан - это углеводородный газ, полученный при крекинге нефтепродуктов или при добыче нефти, как попутный нефтяной газ (ПНГ).
Давление заправки АГЗС - до 16 атм, почти в 12 раз меньше, чем на АГНКС.

хранение СПГ при более низком давлении (10 кгс/см 2 ) обеспечивает большую взрывобезопасность в сравнении с КПГ под давлением до 250 кгс/см 2 );
наличие предохранительной арматуры (2 предохранительных клапана) на емкости хранения СПГ, в отличие от баллонов с КПГ, где нет предохранительных устройств, а клапан высокого давления устанавливается в редукторе;
дополнительная очистка при сжижении природного газа от кислых газов (примесей углекислого газа и сероводорода), что увеличивается ресурс работы двигателя и снижает количество выбросов в окружающую среду;
в сжиженном виде хранение газа эффективнее, чем в кромпримированном. При сжижении 1 кг природного газа до состояния СПГ, его объем снижается в 575 раз (по метану), 1 кг газа - до состояния КПГ (до давления 250 кгс/см 2 ) - лишь в 250 раз, поэтому с СПГ можно обеспечить более высокую дальность пробега автотехники.

Перевод различных размерностей газа:
1 тонна СПГ эквивалентна 1 380 м 3 природного газа,
1 тонна СПГ ≈ 1270 л дизельного топлива (ДТ),
1 000 м 3 КПГ ≈ 920 л ДТ,
Масса 1 литр ДТ ≈ 0,769 кг,
Масса 1 литр КПГ ≈ 0,144 кг,
Масса 1 литр СПГ ≈ 0,255 кг.

Сжиженный природный газ (СПГ) (англ. Liquefied Natural Gas) – это природный газ, охлажденный до температуры сжижения. СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, которая не токсична и не вызывает коррозии. Кроме того, это не самовозгорающийся газ, что выгодно отличает его в плане безопасности. В жидком состоянии газ занимает гораздо меньший объем. Одинаковое количество СПГ и природного газа отличаются по объему в 600 раз. Чтобы наглядно представить себе это различие, сравните надувной пляжный мяч и шарик для пинг-понга.

Энергетический рынок огромен и добыча природного газа увеличивается с каждым годом. Поэтому роль СПГ, наряду со сжатым природным газом, газоконденсатными жидкостями (NGL) и GTL (газ в жидкость) в обозримом будущем будет возрастать.

Получение и хранение сжиженного природного газа

Сжижение природного газа – не новая технология, ей уже более ста лет. Она была запатентована в США в 1914 году, а через три года был построен первый завод. С тех пор производство СПГ прочно вошло в нефтегазовый сектор, однако повышенный интерес к нему стал проявляться только в последние годы в связи с ростом экологических требований к источникам энергии.

СПГ производят путем охлаждения природного газа, состоящего в основном из метана, до точки сжижения -162° по Цельсию. В процессе сжижения от газа отделяются и отфильтровываются кислород, сера, азот, двуокись углерода и вода. Поэтому полученный продукт отличается высокой чистотой. После сжижения газ транспортируется в жидком состоянии и в пункте назначения может быть опять восстановлен в газообразную фазу на специальных СПГ терминалах (регазификация).

В настоящее время существует несколько промышленных технологий сжижения природного газа, в основе которых лежит один из двух способов: каскадный процесс или процесс Линде (разновидностью его является процесс Клода).

В каскадном процессе газ, сжижающийся при более высокой температуре, используется в жидком виде для охлаждения и сжижения второго газа, находящегося под избыточным давлением, температура сжижения которого ниже. Второй сжиженный газ, в свою очередь, используется в третьем каскаде для охлаждения и сжижения еще более трудно конденсируемого газа и т.д. Для сжижения природного газа достаточны три цикла с использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана.

Процесс Линде основан на эффекте Джоуля-Томсона. Предварительно охлажденный и находящийся под давлением газ пропускается через теплоизолированный трубопровод, в котором имеется сужение (дроссель) или пористая перегородка. За дросселем газ расширяется, в результате чего происходит его дальнейшее охлаждение. После нескольких таких циклов газ достигает температуры сжижения.

Хранится сжиженный природный газ при давлении от 3 до 10 бар в емкостях с вакуумной изоляцией. Температура хранения варьируется в зависимости от состава газа и давления. При атмосферном давлении температура СПГ не должна превышать -162° C.

Сжиженный природный газ как автомобильное топливо

Одним из главных преимуществ СПГ является снижение выбросов СО2 и других парниковых газов (до 30% по сравнению с бензином и дизтопливом). Это делает его весьма востребованным в контексте общей тенденции к более экологичным энергетическим решениям. Применение СПГ также позволяет укладываться в строгие современные нормы выбросов, чего не удается достичь с другими видами топлив.

Сжиженный природный газ (как и сжатый газ) существенно снижает коррозию и износ частей двигателя по сравнению с бензином. Это связано с тем, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндра при холодном пуске. Дизельные моторы, работающие на природном газе, зачастую проходят свыше 800 000 км без капремонта.

Молекула метана обладает высокой стойкостью, поэтому октановое число природного газа составляет от 105 до 120 единиц, что является причиной его высокой антидетонационной стойкости. Выбросы двигателей, работающих на газе, чище, с меньшим содержанием углерода и твердых частиц (сажи).Объемная плотность энергии СПГ примерно в 2,4 раза выше, чем у сжатого природного газа. Плотность энергии сжиженного природного газа сравнима с пропаном и этанолом, но составляет лишь 60% плотности энергии дизтоплива, и 70% бензина.

Широкому коммерческому использованию СПГ препятствует более высокая стоимость производства и необходимость хранения в дорогостоящих криогенных резервуарах. Однако с учетом истощения запасов нефти, повышения экологических требований, газификация автомобильного транспорта, особенно тяжелых грузовиков и автобусов будет возрастать.

Устройство топливной системы автомобиля на СПГ

В качестве примера рассмотрим топливную систему HPDI 2.0 (High Pressure Direct Injection) канадской компании Westport – ведущего производителя оборудования для сжиженного природного газа. Система HPDI 2.0 заменяет приблизительно 95% дизельного топлива природным газом. Технология Westport HPDI является единственной, которая максимально использует природный газ, сохраняя при этом мощность, крутящий момент, КПД и топливную эффективность, достигаемые при работе на дизтопливе. При этом значительно сокращаются эксплуатационные расходы, так как природный газ намного дешевле. Установка HPDI 2.0 не требует никакой переделки основных компонентов стандартного дизельного мотора. Ее также можно легко приспособить для работы на сжатом природном газе.

Устройство системы Westport HPDI 2.0

Основой топливной системы двигателя является инновационная форсунка с двойной концентрической иглой, разработанная в сотрудничестве с Delphi. Она позволяет впрыскивать под высоким давлением в камеру сгорания небольшое количество дизельного топлива и большие объемы природного газа. Природный газ подается в конце такта сжатия. Однако для его воспламенения при давлении, которое обеспечивает обычный дизельный двигатель, требуется более высокая температура. Поэтому для облегчения воспламенения в цилиндр предварительно впрыскивается небольшое количество дизельного топлива с последующим основным впрыском природного газа. Горящее дизтопливо мгновенно поджигает горячие продукты сгорания в цилиндре, а те, в свою очередь, впрыскиваемую следом порцию природного газа.

Сжиженный природный газ хранится в специальном баке, в котором смонтирован оригинальный криогенный насос. Из бака газ подается в испаритель, использующий тепло охлаждающей жидкости двигателя. На выходе из испарителя газ имеет температуру около 40° C при давлении 30 МПа. Далее газ фильтруется и направляется в модуль топливоподготовки, а затем подается к форсункам.

Рынок грузоперевозок – один из важнейших сегментов любой экономики. В масштабах России его развитие приобретает особую актуальность. Однако во многих регионах РФ железнодорожный транспорт крайне мало развит, создание соответствующей инфраструктуры связано с огромными капитальными затратами, а строительство относительно небольших транспортных узлов экономически не оправдано. Протяженность железнодорожных путей общего пользования в России не изменилась за 15 лет – с 2000 по 2015 г., остановившись на отметке 86 000 км. Подвижной ж/д состав уменьшился с 13000 локомотивов в 2000 г. до 101000 в 2015 г., грузовых вагонов – с 177600 в 2000 г. до 159300 в 2015 г. 1 Очевидно, что железнодорожная инфраструктура находится в кризисе и практически не развивается. Авиационный транспорт крайне дорог и применяется лишь при необходимости доставки дорогостоящих и скоропортящихся грузов, применение водного транспорта ограничено погодными условиями страны.

Автомобильные перевозки быстрее адаптируются к новым условиям, а развитие данной инфраструктуры намного доступнее. Так, за тот же период (с 2010 г. по 2015 г.) автомобильная дорожная сеть увеличилась почти вдвое – с 898 00 до 1 643 000 км. Однако в РФ грузооборот автомобильного транспорта занимает в общей структуре менее 5%. При этом потенциал роста данного сегмента огромен. Для сравнения в Германии более 60% грузооборота занимают именно автоперевозки, в Польше – более 75%, Франции – 76%, в сопоставимых по площади территории США и Китае – по 47 и 32% соответственно.

Одним из основных сдерживающих развитие автоперевозок в России факторов является высокая стоимость перевозок на дальние расстояния. Для представителей малого и среднего бизнеса, доля которых в структуре автомобильных грузоперевозок должна играть решающую роль, критически важно снижение издержек. Актуальным решением этой задачи является развитие инфраструктуры для применения экономичных видов топлива, увеличивающих дальность грузоперевозок без дозаправки. Этим требованиям в полной мере отвечает СПГ, применение которого в качестве топлива широко распространено в странах с высоким грузооборотом автоперевозок.

С другой стороны, широкое распространение в мире применения СПГ транспортными компаниями приводит к тому, что Россия теряет существенную часть рынка транзитных автомобильных грузоперевозок. Чтобы не упустить открывающиеся экономические возможности, важно начать активно осваивать данный сегмент уже сейчас.

Сжиженный природный газ – это метан, который находится в жидком состоянии при небольшом давлении (соответствующем атмосферному) и температуре –162°C. В России относительно распространены станции предыдущего поколения, где проводится заправка жидким пропан-бутаном или компримированным метаном (КПГ). Соотношение одного кубометра жидкого газа к одному кубометру газообразного сжиженного пропан-бутана и КПГ составляет 1:200…1:280. В СПГ данное соотношение равно 1:560…1:600, соответственно двигатель будет работать на СПГ в несколько раз дольше, чем на КПГ или сжиженном пропан-бутане того же объема, что значительно увеличивает дальность маршрута без дозаправок. Кроме того, использование СПГ не требует дополнительной смазки двигателя, что также оказывает влияние на снижении издержек при выборе этого вида топлива для грузоперевозок. Активному распространению использования СПГ также способствует экологичность и экономичность данного топлива.

Такой подход позволяет применять европейский опыт в России, адаптировать оборудование к российским условиям и системе отечественных стандартов, совместно использовать российское и европейское оборудование. В рамках программы импортозамещения было определено, какое российское оборудование можно применять вместо европейского, а какие комплектующие пока не могут быть заменены и будут импортироваться.

на станциях СПГ с холодным типом заправка производится при давлении 5…6 бар (максимально до 9 бар) и температуре минус 142…145°C;
в заправках теплого типа она производится при температуре в баке минус 132…135 °C и при давлении 9…12 бар.

Чем меньше давление, тем меньший запас по дальности перевозки данного СПГ, так как газ со временем начнет испаряться и повышать давление в баке. На территории Европы используются как станции с холодной заправкой, так и станции с теплой заправкой. Например, в Германии распространены станции с теплым типом заправки. Выбор типа заправочных станций СПГ зависит от трафика и типа заправляемых машин.

Как уже было отмечено, единственное серьезное препятствие для активного распространения применения СПГ – это малое количество заправок. Но в этой области в последние годы очевидны значительные сдвиги. Проблемой начали серьезно заниматься крупнейшие игроки топливного рынка, которые понимают, что развитие сети заправочных комплексов СПГ – важная составляющая развития рынка пассажирских и грузовых перевозок в России.

Таким образом, российский топливный рынок начинает развиваться в новом направлении, и скоро мы с вами можем стать свидетелями эволюции отечественной топливной инфраструктуры и рынка автоперевозок в целом.

Основной альтернативой традиционному бензину или дизелю, является газомоторное топливо (ГМТ). Каким газом заправляют автомобили с ГБО, а также в чём отличие между ними вы узнаете из этой статьи.

Виды газового топлива

Условно ГМТ можно разделить по способу производства, агрегатному состоянию при использовании, хранении и транспортировке.

CNG (compressed natural gas) – компримированный (сжатый) природный газ (КПГ)
LPG (liquefied petroleum gas) – сжиженный нефтяной газ (СНГ)

Менее распространённые варианты:

LNG (liquefied natural gas) – сжиженный природный газ (СПГ)
CBG (compressed biogas) или LBG (liquefied biogas) – биотопливо.

Природный газ

Природным газом принято считать метан. Добывается он из недр земли через подземные или подводные (морские) скважины. В первоначальном варианте топливо содержит 75-98% метана (CH4), а также множество различных примесей:

механические (грунт)
водяной пар
этан C2H6
пропан C3H8
бутан C4H10
азот N2
этан C2H6
пентан C5H12 и другие (зависит от места рождения).

После добычи, сырье подвергается очистке от загрязнений, воды (осушка). Затем методом сепарации происходит отделение сероводорода и других компонентов.

Так как метан не имеет запаха, почувствовать его утечку не возможно. Для безопасности в газ добавляют специальную жидкость одорант (этантиол, этилмеркаптан C2H5SH) из расчета 16 грамм на 1000 м3.

Чистый метан по магистралям, с помощью компрессорных станций создающих давление в трубе, направляется к автомобильным газонаполнительным компрессорным станциям. На АГНКС голубое топливо компримируют (сжимают) до давления 200-220 атм. Таким образом, получается готовый к использованию CNG газ для автотранспорта (характеристики и требования к КПГ регулируются ГОСТом 27577-2000).

Существует ещё один более выгодный метод транспортировки метана. Очищенный природный газ пропускают через систему эжекторов, где при расширении его температура поэтапно понижается до температуры кипения -163°C, после чего метан переходит в сжиженное состояние. Основным преимуществом такого способа является уменьшение объёма газа в 600 раз.

Перевозку и хранение жидкого топлива осуществляют в специальных криогенных ёмкостях, которые, по сути, являются термосами. Цистерна объёмом 25 кубометров вмещает 10 тонн СПГ/LNG.

Затем у сжиженного природного газа может быть два пути:

обратный перевод в газообразное состояние при помощи испарителей
использование СПГ как топливо

Последний пункт является очень перспективным для автомобильного транспорта преимущественно коммерческого направления, из-за скопления в жидком метане огромного количества тепловой энергии при относительно низком давлении в криоёмкости (от 5-16 атм.).

Основные преимущества сжатого метана, как и СПГ – это их экономические и экологические показатели. К тому же природный газ легче воздуха, в этом смысле он менее опасен при утечке чем, например пропан. Однако газы метана являются токсичными (4 класс опасности).

Главным фактором медленного распространения CNG, является отсутствие достаточного количества автозаправочных станций. В настоящее время на территории России насчитывается, порядка 330 АГНКС не считая передвижных заправщиков (ПАГЗ), которые в основном применяются для нужд предприятий.

Техника и инфраструктура под LNG только начинают появляться, поэтому более широкое применение на авто пока имеет КПГ.

Сжиженный нефтяной газ

Ввиду доступности и пониженных требований к конструкции баллонов, ещё большее распространение в качестве газомоторного топлива получил состав пропана (C3H8) с бутаном (C4H10).

Пропан-бутановую смесь выделяют из добытого газоконденсата, а также при извлечении и глубокой переработке нефти. При нефтеперегонке образуется так называемый попутный нефтяной газ (ПНГ), из него отделяют сжиженный углеводородный. Затем происходит разделение СУГ на составляющие компоненты, один из которых — это сжиженный нефтяной газ. Для разных сфер применения СНГ бывает:

СПБА — смесь пропана-бутана автомобильная
ПА — пропан автомобильный
ПТ – пропан технический
ПБТ – пропан-бутан технический.

Пропан тяжелее воздуха, поэтому при утечке может скапливаться в нишах и закрытых помещениях (смотровая яма, гараж). Взрывоопасность паров ПБ в воздухе 2,3-9,5 % при нормальном давлении и температуре 20°C, метана 5-15%. СНГ малотоксичен.

LPG топливо имеет температуру кипения -43 градуса по Цельсию, при её превышении и атмосферном давлении горючее переходит в парообразное состояние. Избыточное давление паров составляет 16 атм (при температуре 45°C). В сжиженном состоянии объём СПБ уменьшается до 250-300 раз, концентрируя большое количество энергии.

Согласно ГОСТу 52087-2003 ПА должен содержать 85% пропана (±10%), СПБА 50% (±10%). Топливо, как и метан, подвергается одоризации (за исключением правил указанных ГОСТом).

Применение технического пропана и смеси ПТ, допустимо в качестве моторного топлива автомобиля, во всех климатических зонах с температурой окружающей среды до -20°C.

Октановое число пропана 105, у метана 110. По сравнению с бензином после сгорания СНГ и КПГ топлива, вредные выбросы снижаются до 10 раз.

Биотопливо

Биогаз — по сути тот же метан, полученный из растительного, животного сырья, а также различных органических отходов. CBG/LBG обладает схожими характеристиками.

Основное преимущество биометана заключается в том, что его производство никак не связано с добычей природных ископаемых. Генерируют его искусственным путём в специальных реакторах. Процесс происходит за счёт естественной жизнедеятельности бактерий . После очистки газа от сероводорода получается топливо с содержанием метана до 98%.

Применение биогаза как ГМТ актуально для сельскохозяйственных предприятий и перерабатывающих отходы организаций.

Читайте также: