Газ как моторное топливо

Резкий рост числа автомобилей в современном мире потребовал значительного увеличения объемов выработки бензина. Это подтолкнуло ученых и инженеров во всем мире к активному поиску его замены.

В этом поиске специалисты разных стран обращают свое внимание прежде всего на то, чего на их родине имеется с избытком. Так, в Бразилии каждый пятый автомобиль ездит на чистом спирте, вырабатываемом из сахарного тростника. На Филиппинах в качестве заменителя бензина опробован кокозин, получаемый из мякоти кокосовых орехов. Во Вьетнаме горючее научились делать из скорлупы кокосовых орехов. В ФРГ убеждены, что наилучшей заменой бензину является метанол (метиловый спирт) и прогнозируют, что с 2030 г. каждый четвертый автомобиль в мире будет работать на нем.

В результате поиска альтернативы бензину отечественные специалисты остановили свой выбор на газе. Свою точку зрения они объясняют следующим:

1) ресурсы газа значительно превосходят ресурсы нефти и поэтому можно будет спокойно разрабатывать другие топлива для двигателей внутреннего сгорания или даже новые типы двигателей на неуглеводородном топливе;

2) в выхлопах газового двигателя нет сернистого газа (т.к. в природном газе серы, как правило, нет), а концентрация окиси углерода в несколько раз меньше (благодаря большей полноте сгорания газа);

3) среднее октановое число природного газа равно 105, что выше, чем у лучших марок бензина;

4) двигатели на газовом топливе работают в 1,5..,2 раза дольше, чем на бензине, т.к. при сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих абразивный износ цилиндров и поршней; кроме того, газ не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров, как бензин, и не вызывает коррозию металла.

Для заправки автомобилей газ может применяться в двух видах: газообразном и жидком. В первом случае используется природный газ, который сжимают до 20...25 МПа, а во втором пропан-бутановая смесь, которую сжимают до 1 МПа и охлаждают до минус 10 ^оС или, что более предпочтительно сжиженный природный газ(СПГ) - метан охлаждают до минус 162 ^оС и хранят под давлением 1,6 МПа в жидком состоянии. При этом объем жидного метана уменьшается примерно в 600 раз по ставнению с исходным газом. По этой причине сжиженный метан легче транспортировать и переркачивать, чем традиционный газообразный природный газ. Правда затраты на сжижение газа в 2-3 раза больше, чем на сжатие, но сжиженный (жидкий) природнвый метан приктически не горит (пожаробезопасен), легко перевозится и может заправляеться в автомобили практически на заправках аналогичных бензиновым. Единственноное требование – наличие криогенного бака в автомобиле (на подобие термоса) и оборудования перервода жидкого метана обратно в газообразное состояние. Поэтому экономически более целесообразно использование сжиженного газа.

Во всем мире многие автомобильные заводы уже давно выпускает автомобили, работающие на сжиженном природном газе. В перспективе предполагается перевести на газ весь грузовой и муниципальный транспорт и в Российской Федерации.

Природный газ является перспективным топливом и для авиации. Во всех промышленно развитых государствах она является одним из крупнейших потребителей нефтепродуктов. В 2010 г. совокупное потребление авиационного топлива всеми авиакомпаниями мира составило около 193 млн. т, в том числе странами СНГ - 10 млн. т. В настоящее время практически единственным топливом для воздушного транспорта является авиационный керосин. Однако уже достаточно давно ведутся работы по подбору альтернативных топлив.

В нашей стране в районах нефтедобычи вертолеты завода им. М.Л. Миля летают на так называемом авиационном сконденсированном топливе (АСКТ), получаемом па основе пропан-бутановых фракций, извлекаемых из попутного нефтяного газа.

Одним из альтернативных топлив для авиации является сжиженный природный газ (СПГ). Его применение в качестве авиатоплива имеет ряд достоинств:

1) выбросы вредных веществ при сжигании СПГ значительно ниже, чем при использовании авиакеросина: окислов азота образуется в 1,5...2 раза меньше, сажи - в 5 раз;

2) при одинаковой полезной нагрузке уменьшаются расход и масса топлива; так установка па самолетах ИЛ-86 двигателей, работающих па СПГ, позволит при той же дальности полета снизить взлетную массу самолета на 25,4 т, а расход топлива на 18,6 т.

Перспективность использования СПГ в качестве авиатоплива подтверждается также тем, что его производство ныне превратилось в развитую отрасль мировой экономики: в 2010 г. в мире было произведено около 220 млрд. м³ СПГ, а ежегодный прирост торговли им составляет 7-8 %.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод, что нефть и газ играют, и будут играть важную роль в жизни человека. Несмотря на расширение применения нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в обозримой перспективе нефть и газ останутся основными энергоносителями во всех странах мира. Другое дело, что будет происходить некоторое перераспределение ролей между ними: моторные топлива, получаемые из нефти, будут постепенно заменяться сжиженным газами.

Невозможно представить себе современную цивилизацию без продуктов переработки нефти и газа. Это направление их использования со временем также будет все более и более развиваться.

Нефть и газ

Преимущества нефти и газа перед другими источниками энергии заключаются в относительно высокой теплоте сгорания и в простоте использования с технологической точки зрения.

Так, при полном сгорании 1 кг нефти выделяется 46 МДж тепла, 1 м³ природного газа 36 МДж, 1 кг антрацита 34 МДж, 1 кг бурого угля - 9,3 МДж, 1 кг дров - 10,5 МДж. Если массу нефти принять за единицу, то для получения эквивалентного количества тепла масса антрацита должна составить 1,4; бурого угля - 5,0; дров - 4,4. Аналогичным достоинством обладает газ. Это дает огромные преимущества при транспортировке.

Теперь сравним различные энергоносители с точки зрения технологичности. Нефть и газ транспортируются, в основном, по трубопроводам, работающим в любое время года и суток. Чтобы перекачать нефть (газ), а затем подать ее (его) в топку, достаточно включить насос (компрессор), а порой просто открыть задвижку (край). Транспортировка же твердого топлива требует обязательного проведения погрузочно-разгрузочных работ. Движение транспортных средств с углем, как правило, связано с простоями (при погрузке-разгрузке, заносах и т.д.). Загрузка твердых топлив в топку очень часто связана с большими затратами ручного труда.

Применение газа вместо угля дает большую экономию времени и средств, улучшает условия труда, а также санитарное состояние городов, жилых домов и предприятий. Поэтому в настоящее время почти все тепловые станции Урала и Европейской части России переведены на газ. Проводится большая работа по газификации малых городов и сел.

Пик добычи нефти (4,06 млрд. т/год) ожидается в 2020 г., после чего ожидается период ее стабилизации. Ресурсы газа значительно более велики. Их хватит на несколько сот лет.

Таким образом, нефть и газ в ближайшей перспективе останутся основными источниками энергии для человечества.

Уголь

Большая часть всех ресурсов угля на Земле сосредоточена севернее 30 градусов северной широты, причем 75 % мировых ресурсов находятся в недрах трех государств - России, США и Китая.

Уголь широко применялся в энергетике вплоть до второй половины XX века. О динамике роста его потребления говорят следующие цифры. В XIX столетии в мире было добыто 17,8 млрд. т угля, а за последующие 70 лет - 103,5 млрд. т. Существенно расширилась и география добычи этого энергоносителя. Если в период с 1801 по 1810 гг. уголь добывали лишь в пяти странах мира, а с 1841 по 1951 гг. - в восьми, то с 1961 по 1970 гг. - в 54-х. Только с 50-х годов XX в. в энергетическом балансе почти всех стран мира началось сокращение доли угля. Освобождающуюся нишу заняли нефть и газ - более дешевые и эффективные энергоносители.

Вместе с тем, по данным Американской Национальной Ассоциации по углю при сохранении нынешних темпов потребления к 2000 г. будет израсходовано лишь 2 % мировых ресурсов угля. Таким образом, уголь можно назвать топливом XXI века.

Перспективы использования угля связаны с его открытой (бесшахтной) добычей, применением газификации углей, получением из угля жидких синтетических топлив. Однако пока энергия угля обходится дороже, чем энергия нефти и газа.