Сжатый газ сжиженный газ – чем отличается сжиженный природный газ от сжатого природного газа? или это одно и то же?

расшифровка CNG/КПГ, LNG/СПГ, LPG/СНГ, в чём разница

Основной альтернативой традиционному моторному топливу (бензин/ дизель), по-прежнему являются сжиженный или сжатый газы.

Какие ещё виды газа для автомобилей с ГБО бывают, а также в чём разница между ними мы расскажем в этой статье.

Типы газомоторного топлива

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

Расшифровка аббревиатур:

• 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 (Ch5), а также множество различных примесей:

1. механические (грунт)
2. водяной пар
3. этан C2H6
4. пропан C3H8
5. бутан C4h20
6. азот N2
7. этан C2H6
8. пентан C5h22 и другие (зависит от места рождения).

После добычи, сырье подвергается очистке от загрязнений, воды (осушка), а также 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:

1. обратный перевод в газообразное состояние при помощи испарителей
2. 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.

Заправка криобака магистрального тягача на СПГ

Сжиженный нефтяной газ

Ввиду доступности и пониженных требований к конструкции баллонов, ещё большее распространение в качестве газомоторного топлива получил состав пропана (C3H8) с бутаном (C4h20).

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 СНГ (сжиженный нефтяной газ) или:

• 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.

Основным преимуществом биометана является то, что он не имеет отношения к природным ископаемым. Хотя обладает схожими характеристиками. Производят его искусственным путём в процессе жизнедеятельности бактерий в специальных реакторах. После очистки газа от сероводорода получается топливо с содержанием метана до 98%.

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

Сжижение газов — Википедия

Сжиже́ние га́зов включает в себя несколько стадий, необходимых для перевода газа в жидкое состояние. Эти процессы используются для научных, промышленных и коммерческих целей.

Все газы могут быть приведены в жидкое состояние путём простого охлаждения при нормальном атмосферном давлении. Однако, для некоторых газов достаточно определённого повышения давления (углекислый газ, бутан, пропан, аммиак, хлор). Другие (кислород, водород, аргон, гелий, азот и т. д.) находятся в баллонах в сжатом состоянии. Дело в том, что газ не может быть сжижен при сколь угодно высоком давлении, если его температура выше так называемой критической температуры. Первыми были сжижены газы с критической температурой значительно выше комнатной (аммиак, сернистый газ, углекислый газ и пр.), при этом было достаточно одного повышения давления.

Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса показывает, что всякий газ может быть переведен в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже критической. (углекислый газ, например, можно сжижить при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1 °C. То же можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор

[1].

Сжижение используется для изучения фундаментальных свойств молекул газа (например, межмолекулярных сил взаимодействия), для хранения газов. Газы сжижаются в специальных конденсаторах, которые выделяют теплоту парообразования, и переводятся в газообразное состояние в испарителях, где теплота парообразования поглощается^[2][3]

Все вещества, в том числе и те, которые в «обычных земных условиях» находятся в газообразном состоянии, могут находиться в трёх основных состояниях — жидком, твёрдом и газообразном. Каждое из веществ ведёт себя согласно своей фазовой диаграмме, общий вид которой для всех веществ похож. Согласно этой диаграмме, для сжижения газа необходимо либо понижение температуры, либо увеличение давления, или изменение обоих этих параметров.

Сжижение газов — сложный процесс, который включает в себя множество сжатий и расширений газа для достижения высокого давления и низких температур, используя, например, детандеры.

Жидкий кислород применяется в больницах для преобразования в газообразное состояние и последующего использования пациентами, имеющими проблемы с дыханием. Жидкий азот используется в медицине в криохирургии, а также в области экстракорпорального оплодотворения для замораживания спермы.

Хлор транспортируется в жидком состоянии, после чего он используется для обеззараживания воды, санитарной обработки промышленных отходов и нечистот, отбеливания тканей и многих других целей. Хлор был использован в качестве химического оружия во время Первой мировой войны, и это вещество находилось в снарядах в жидком состоянии, и при разрушении защитной оболочки хлор переходил в газообразное состояние.

За сжижение гелия (⁴He) по циклу Хампсона-Линда (цикл основан на эффекте Джоуля-Томсона) голландский учёный Камерлинг-Оннес Хейке получил Нобелевскую премию в 1913 году. При атмосферном давлении температура кипения жидкого гелия составляет 4,22 K (−268,93 °C). При температуре ниже 2,17 K жидкий

4He приобретает сверхтекучести, за открытие которой советский учёный П. Л. Капица получил Нобелевскую премию в 1978 году. Жидкий гелий в сверхтекучем состоянии приобретает совершенно новые свойства, такие как нулевая вязкость.

Сжижение воздуха используется для получения азота, кислорода и аргона путём разделения компонентов воздуха в процессе дистилляции.

Жидкий водород используется в качестве ракетного топлива.

А у нас в машине газ…

Пока бензин и дизельное топливо неумолимо дорожают, а всевозможные альтернативные силовые установки для автотранспорта остаются страшно далёкими от народа, проигрывая традиционным двигателям внутреннего сгорания в цене, автономности и эксплуатационных расходах, самым реальным способом сэкономить на заправке остаётся перевод автомобиля на «газовую диету». На первый взгляд это выгодно: стоимость переоборудования автомобиля вскоре окупается за счёт разницы в цене горючего, особенно при регулярных коммерческих и пассажирских перевозках. Недаром в Москве и многих других городах значительная доля муниципального автотранспорта уже давно переведена на газ. Но тут возникает закономерный вопрос: почему же тогда доля газобаллонных автомобилей в транспортном потоке и в нашей стране, и за рубежом не превышает нескольких процентов? Что таит обратная сторона газового баллона?

Наука и жизнь // Иллюстрации

Предупреждающие таблички на заправке установлены неспроста: каждое соединение технологического газопровода — потенциальное место утечек горючего газа.

Баллоны для сжиженного газа легче, дешевле и разнообразнее по форме, чем для сжатого, а потому их проще компоновать исходя из свободного пространства в автомобиле и необходимого запаса хода.

Обратите внимание на разницу в цене жидкого и газообразного топлива.

Баллоны со сжатым метаном в кузове тентованной «Газели».

Редуктор-испаритель в пропановой системе требует подогрева. На фото хорошо виден шланг, соединяющий жидкостный теплообменник редуктора с системой охлаждения двигателя.

Принципиальная схема работы газобаллонного оборудования на карбюраторном двигателе.

Схема работы оборудования для сжиженного газа без перевода его в газообразную фазу в двигателе внутреннего сгорания с распределённым впрыском.

Метановая заправка — это просто специализированная компрессорная станция на газопроводе. В абсолютном большинстве случаев здесь же имеется стационарная ёмкость для заправки сжиженным пропан-бутаном.

Пропан-бутан хранят и перевозят в цистернах (на фото — за синими воротами). Благодаря такой мобильности заправку можно разместить в любом удобном месте, а при необходимости быстро перенести в другое.

На пропановой колонке заправляют не только автомобили, но и бытовые баллоны.

Колонка для сжиженного газа внешне отличается от бензиновой, но процесс заправки похож. Отсчёт залитого топлива идёт в литрах.

‹

›

Понятие «газовое автомобильное топливо» включает в себя две совершенно разных по составу смеси: природный газ, в котором до 98% приходится на метан, и производимый из попутного нефтяного газа пропан-бутан. Кроме безусловной горючести общим для них является ещё и агрегатное состояние при атмосферном давлении и комфортных для жизни температурах. Однако при низких температурах физические свойства этих двух наборов лёгких углеводородов здорово различаются. Из-за этого они требуют совершенно разного оборудования для хранения на борту и подачи в двигатель, да и в эксплуатации автомобили с разными системами газового питания имеют несколько существенных различий.

Сжиженный газ

Пропан-бутановая смесь хорошо знакома туристам и дачникам: именно её заправляют в бытовые газовые баллоны. Она же составляет основную долю газа, который впустую сгорает в факелах нефтедобывающих и перерабатывающих предприятий. Пропорциональный состав топливной пропан-бутановой смеси может различаться. Дело не столько в исходном составе нефтяного газа, сколько в температурных свойствах получаемого горючего. Как моторное топливо чистый бутан (С

4Н₁₀) хорош во всех отношениях, кроме того, что он переходит в жидкое состояние уже при 0,5°С при атмосферном давлении. Поэтому к нему добавляют менее калорийный, но более холодостойкий пропан (С₂Н₈) с температурой кипения –43°С. Соотношение этих газов в смеси задаёт нижний температурный предел применения топлива, которое по этой же самой причине бывает «летним» и «зимним».

Относительно высокая температура кипения пропан-бутана даже в «зимнем» исполнении позволяет хранить его в баллонах в виде жидкости: уже под небольшим давлением он переходит в жидкую фазу. Отсюда и другое название пропан-бутанового топлива — сжиженный газ. Это удобно и экономично: высокая плотность жидкой фазы позволяет уместить в малом объёме большое количество топлива. Свободное пространство над жидкостью в баллоне занято насыщенным паром. По мере расхода газа давление в баллоне остаётся постоянным до самого его опустошения. Водителям «пропановых» машин при заправке следует заливать баллон максимум на 90%, чтобы оставить внутри место для паровой подушки.

Давление внутри баллона прежде всего зависит от температуры окружающей среды. При отрицательных температурах оно падает ниже одной атмосферы, но даже этого достаточно для поддержания работоспособности системы. Зато с потеплением оно быстро растёт. При 20°C давление в баллоне составляет уже 3—4 атмосферы, а при 50°C достигает 15—16 атмосфер. Для большинства автомобильных газовых баллонов эти значения близки к предельным. А это значит, что при перегреве в жаркий полдень на южном солнцепёке тёмный автомобиль с баллоном сжиженного газа на борту… Нет, не взорвётся, как в голливудском боевике, а начнёт сбрасывать излишки пропан-бутана в атмосферу через предохранительный клапан, предназначенный именно для такого случая. К вечеру, когда вновь похолодает, топлива в баллоне окажется заметно меньше, зато никто и ничто не пострадает. Правда, как показывает статистика, отдельные любители дополнительно сэкономить на предохранительном клапане время от времени пополняют хронику происшествий.

Сжатый газ

Иные принципы лежат в основе работы газобаллонного оборудования для машин, потребляющих в качестве топлива природный газ, в обиходе обычно именуемый метаном по своему основному компоненту. Это тот же газ, что подаётся по трубам в городские квартиры. В отличие от нефтяного газа метан (СН₄) обладает низкой плотностью (в 1,6 раза легче воздуха), а главное — низкой температурой кипения. Он переходит в жидкое состояние лишь при –164°С. Наличие небольшого процента примесей других углеводородов в природном газе не сильно изменяет свойства чистого метана. А значит, превратить этот газ в жидкость для использования в автомобиле невероятно сложно. В последнее десятилетие активно велись работы по созданию так называемых криогенных баков, позволяющих хранить в автомобиле сжиженный метан при температурах –150°С и ниже и давлении до 6 атмосфер. Были созданы опытные образцы транспорта и заправок под этот вариант топлива. Но пока практического распространения эта технология не получила.

А потому в подавляющем большинстве случаев для использования в качестве моторного топлива метан просто сжимают, доводя давление в баллоне до 200 атмосфер. Как следствие, прочность и соответственно масса такого баллона должны быть заметно выше, чем для пропанового. Да и помещается в одинаковом объёме сжатого газа существенно меньше, чем сжиженного (в пересчёте на моли). А это — уменьшение автономности автомобиля. Другой минус — цена. Существенно больший запас прочности, заложенный в метановое оборудование, оборачивается тем, что цена комплекта на автомобиль оказывается почти в десять раз выше аналогичной по классу пропановой аппаратуры.

Метановые баллоны бывают трёх типоразмеров, из которых в легковом автомобиле можно разместить только самые маленькие, объёмом 33 л. Но для того, чтобы обеспечить гарантированную дальность хода в триста километров, таких баллонов нужно пять, суммарной массой 150 кг. Понятное дело, что в компактной городской малолитражке возить постоянно такой груз вместо полезного багажа смысла нет. Поэтому есть резон переводить на метан лишь большие автомобили. Прежде всего, грузовики и автобусы.

При всём этом у метана есть два существенных преимущества перед нефтяным газом. Во-первых, он ещё дешевле и не привязан к цене на нефть. А во-вторых, метановое оборудование конструктивно застраховано от проблем с зимней эксплуатацией и позволяет при желании вообще обходиться без бензина. В случае с пропан-бутаном в наших климатических условиях такой фокус не пройдёт. Автомобиль по факту останется двухтопливным. Причина именно в сжиженности газа. А точнее, в том, что в процессе активного испарения газ резко охлаждается. В результате сильно падает температура в баллоне и особенно — в газовом редукторе. Чтобы аппаратура не замерзала, редуктор подогревают, встраивая в него теплообменник, соединённый с системой охлаждения двигателя. Но чтобы эта система начала работать, жидкость в магистрали надо предварительно подогреть. А потому запускать и прогревать мотор при температуре окружающего воздуха ниже 10°С рекомендуется строго на бензине. И лишь затем, с выходом мотора на рабочую температуру, переключаться на газ. Впрочем, современные электронные системы переключают всё сами, без помощи водителя, автоматически контролируя температуру и не допуская замерзания оборудования. Правда, для поддержания корректной работы электроники в этих системах нельзя досуха опустошать бензобак даже в жаркую погоду. Пусковой режим на газу является для подобной аппаратуры аварийным, и на него систему можно переключить лишь принудительно в случае крайней необходимости.

У метановой аппаратуры никаких трудностей с зимним пуском нет. Наоборот, на этом газе в морозы запустить двигатель даже легче, чем на бензине. Отсутствие жидкой фазы не требует и подогрева редуктора, который лишь понижает давление в системе с 200 транспортировочных атмосфер до одной рабочей.

Чудеса непосредственного впрыска

Сложнее всего переводить на газ со-временные двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Причина в том, что газовые форсунки традиционно размещаются во впускном тракте, где и происходит смесеобразование во всех остальных типах двигателей внутреннего сгорания без непосредственного впрыска. Но наличие такового напрочь перечёркивает возможность столь легко и технологично добавить газовое питание. Во-первых, в идеале газ тоже надо подавать прямо в цилиндр, а во-вторых, и это ещё более важно, жидкое топливо служит для охлаждения собственных форсунок непосредственного впрыска. Без него они очень быстро выходят из строя от перегрева.

Варианты решения этой проблемы есть, причём как минимум два. Первый превращает двигатель в двухтопливный. Он был придуман довольно давно, ещё до появления непосредственного впрыска на бензиновых моторах и предлагался для адаптации дизелей к работе на метане. Газ не воспламеняется от сжатия, а потому «газированный дизель» заводится на солярке и продолжает на ней же работать в режиме холостых оборотов и минимальной нагрузки. А дальше в дело вступает газ. Именно за счёт его подачи регулируют скорость вращения коленвала в режиме средних и высоких оборотов. Для этого ТНВД (топливный насос высокого давления) ограничивают по подаче жидкого топлива до 25—30% от номинала. Метан поступает в двигатель по собственной магистрали в обход ТНВД. Никаких проблем с его смазкой из-за снижения подачи солярки на высоких оборотах не возникает. Дизельные форсунки при этом продолжают охлаждаться проходящим через них топливом. Правда, тепловая нагрузка на них в режиме высоких оборотов всё равно остаётся повышенной.

Аналогичную схему питания стали применять и для бензиновых моторов с непосредственным впрыском. Причём работает она как с метановой, так и с пропан-бутановой аппаратурой. Но в последнем случае более перспективным считается альтернативное решение, появившееся совсем недавно. Всё началось с идеи отказаться от традиционного редуктора с испарителем и подавать пропан-бутан в двигатель под давлением в жидкой фазе. Следующими шагами стали отказ от газовых форсунок и подача сжиженного газа через штатные форсунки для бензина. В схему добавили электронный модуль согласования, подключающий по ситуации газовую или бензиновую магистраль. При этом новая система лишилась традиционных проблем с холодным пуском на газе: нет испарения — нет и охлаждения. Правда, стоимость оборудования для моторов с непосредственным впрыском в обоих случаях такова, что окупается оно только при очень больших пробегах.

Кстати, экономическая целесообразность ограничивает применение газобаллонного оборудования в дизелях. Именно из соображений выгоды для моторов с воспламенением от сжатия используют только метановую аппаратуру, причём подходящую по характеристикам лишь двигателям тяжёлой техники, оснащённым традиционными ТНВД. Дело в том, что перевод маленьких экономичных легковых моторов с дизеля на газ себя не окупает, а разработка и техническое воплощение газобаллонной аппаратуры для новейших двигателей с общей топливной рампой (common rail) по нынешним временам считаются экономически неоправданными.

Правда, есть и другой, альтернативный путь перевода дизеля на газ — путём полной конвертации в газовый двигатель с искровым зажиганием. У такого мотора уменьшается до 10—11 единиц степень сжатия, появляются свечи и высоковольтная электрика, и он навсегда прощается с дизельным топливом. Зато начинает безболезненно потреблять бензин.

Условия работы

Старые советские инструкции по переводу бензиновых автомобилей на газ предписывали шлифовать головки блока цилиндров (ГБЦ), чтобы поднять степень сжатия. Оно и понятно: объектом газификации в них выступали силовые агрегаты коммерческого транспорта, работавшие на бензине с октановым числом 76 и ниже. У метана же октановое число 117, а у пропан-бутановых смесей оно около ста. Таким образом, оба вида газового топлива существенно менее склонны к детонации, чем бензин, и позволяют поднять степень сжатия двигателя, чтобы оптимизировать процесс сгорания.

Кроме того, для архаичных карбюраторных моторов, оснащавшихся механическими системами подачи газа, увеличение степени сжатия позволяло компенсировать потерю мощности, возникавшую при переходе на газ. Дело в том, что бензин и газы смешиваются с воздухом во впускном тракте в совершенно разных пропорциях, из-за чего при использовании пропан-бутана, а особенно метана, двигателю приходится работать на существенно более бедной смеси. Как результат — снижение крутящего момента двигателя, приводящее к падению мощности на 5—7% в первом случае и на 18—20% во втором. При этом на графике внешней скоростной характеристики форма кривой крутящего момента каждого конкретного мотора остаётся без изменений. Она просто смещается вниз по «оси ньютон-метров».

Однако для двигателей с электронными системами впрыска, оснащаемых современными системами газового питания, все эти рекомендации и цифры не имеют почти никакого практического значения. Потому что, во-первых, их степень сжатия и так достаточна, и даже для перехода на метан работы по шлифовке ГБЦ совершенно не оправданны экономически. А во-вторых, согласованный с электроникой автомобиля процессор газовой аппаратуры организует подачу топлива таким образом, что как минимум наполовину компенсирует вышеозначенный провал по крутящему моменту. В системах же с непосредственным впрыском и в газодизельных моторах газовое топливо в отдельных диапазонах оборотов и вовсе способно поднимать крутящий момент.

Кроме того, электроника чётко отслеживает необходимое опережение зажигания, которое при переключении на газ должно быть больше, чем для бензина, при прочих равных условиях. Газовое топливо горит медленнее, а значит, и поджигать его нужно раньше. По этой же причине возрастает тепловая нагрузка на клапаны и их сёдла. С другой стороны, меньшей становится ударная нагрузка на цилиндро-поршневую группу. Кроме того, для неё зимний пуск на метане существенно полезнее, чем на бензине: газ не смывает масло со стенок цилиндров. Да и вообще в газовом топливе не содержится катализаторов старения металлов, более полное сгорание топлива уменьшает токсичность выхлопа и нагар в цилиндрах.

Автономное плавание

Пожалуй, наиболее заметным минусом в газовом автомобиле становится его ограниченная автономность. Во-первых, расход газового топлива, если считать по объёму, получается больше, чем бензина и тем более солярки. А во-вторых, газовая машина оказывается привязанной к соответствующим заправкам. Иначе смысл её перевода на альтернативное топливо начинает стремиться к нулю. Особенно сложно тем, кто ездит на метане. Метановых заправок очень мало, и все они привязаны к магистральным газопроводам. Это просто небольшие компрессорные станции на ответвлениях главной трубы. В конце 80-х — начале 90-х годов ХХ века в нашей стране пытались активно переводить транспорт на метан в рамках государственной программы. Именно тогда и возникло большинство метановых заправок. К 1993 году их было построено 368, и с тех пор это число если и выросло, то совсем незначительно. Большинство заправок находится в европейской части страны вблизи федеральных трасс и городов. Но при этом их расположение определяли не столько с точки зрения удобства автомобилистов, сколько с точки зрения газовиков. Поэтому лишь в очень редких случаях газовые заправки оказались непосредственно у шоссе и практически никогда внутри мегаполисов. Почти везде, чтобы заправиться метаном, необходимо сделать крюк на несколько километров в какую-нибудь промзону. Поэтому, планируя дальний маршрут, эти заправки надо искать и запоминать заранее. Единственное, что удобно в такой ситуации, — стабильно высокое качество топлива на любой из метановых станций. Газ из магистрального газопровода весьма проблематично разбавить или испортить. Разве что фильтр или система осушки на какой-то из таких заправок может внезапно выйти из строя.

Пропан-бутан можно перевозить в цистернах, и благодаря этому свойству география заправок для него существенно шире. В некоторых регионах им можно заправиться даже в самом дальнем захолустье. Но изучить наличие пропановых заправок на предстоящем маршруте тоже не помешает, чтобы их внезапное отсутствие на шоссе не стало неприятным сюрпризом. При этом сжиженный газ всегда оставляет долю риска попасть на топливо не по сезону или просто некачественное.

Фото автора.

Сжиженный природный газ (LNG) как автомобильное топливо

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.

Содержание статьи

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

Устройство системы Westport HPDI 2.0

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.

Разница между КПГ и СУГ

Ключевое различие между КПГ и СУГ заключается в том, что КПГ в основном содержит метан, тогда как СУГ в основном содержит пропан и бутан.

Термин «КПГ» относится к сжатому природному газу, а термин «СУГ» относится к сжиженному нефтяному (углеводородному) газу. Хотя СУГ является сжиженной формой, КПГ остается в газообразной форме. Кроме того, КПГ и СУГ применяются в качестве топлива. Оба этих топлива также имеют свои преимущества и недостатки.

Содержание

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое КПГ
3. Что такое СУГ
4. В чем разница между КПГ и СУГ
5. Заключение

Что такое КПГ?

КПГ — это сжатый (компримированный)  природный газ. Это в основном природный газ, который находится под очень высоким давлением, при котором этот газ все еще существует в газообразном состоянии. Поскольку природный газ в основном содержит метан в качестве основного компонента, КПГ также содержит метан. Это топливо используется вместо бензина, дизельного топлива и СУГ. Однако это топливо производит меньше вредных выбросов во время сгорания по сравнению с бензином, дизельным топливом и сжиженным нефтяным газом.

Автобус с КПГ

Обычно это топливо хранится в цилиндрических или сферических ёмкостях под давлением 20–25 МПа. Поскольку давление высокое, емкости, которые используются для этой цели, должны быть изготовлены из твердого материала.

Преимущества КПГ

• Низкие затраты на техобслуживание автомобилей, работающих на КПГ
• Потеря топлива из-за разлива или испарения минимальна
• Легко и равномерно смешивается с воздухом
• Безопасен в использовании благодаря меньшему объему выбросов вредных газов/меньшему загрязнению
• Высокая эффективность

Однако есть и недостатки. Например, транспортным средствам, использующим КПГ, требуется большое пространство для хранения топлива, поскольку оно существует в газообразном состоянии, а не в жидком состоянии. Кроме того, количество автомобилей, потребляющих КПГ, сравнительно велико.

Что такое СУГ?

Сжиженный углеводородный (нефтяной) газ — это сжиженные под давлением углеводороды. Они находятся в жидком состоянии и используются в качестве топлива. Его основными компонентами являются пропан и бутан, получаемые из нефтяных масел. Легковоспламеняющаяся смесь этих газов очень используется в оборудовании для приготовления пищи, например, газовые плиты. СУГ также используется в транспортных средствах. Кроме того, он широко используется в качестве аэрозольного энергоносителя и в качестве хладагента.

Баллоны для СУГ

В дополнение к пропану и бутану, пропилен и бутилен также могут присутствовать в этом топливе в небольших концентрациях. Кроме того, это топливо производится при переработке нефтяного масла. Следовательно, источником сжиженного углеводородного газа является природное ископаемое топливо.

Преимущества СУГ

Основные преимущества использования СУГ включают в себя следующее:

• Чистое горящее топливо, которое не выделяет дым в газовых плитах
• Производит меньше углекислого газа, чем уголь
• Ресурсосберегающее
• Обеспечивает транспортабельную энергию

Тем не менее, могут быть и некоторые недостатки, такие как,  производство углекислого газа (даже небольшое количество) может способствовать парниковому эффекту. Топливо следует хранить в цилиндрических или горизонтальных сосудах под высоким давлением. Кроме того, на этих сосудах имеются предохранительные клапаны, которые могут стать причиной случайного пожара.

В чем разница между КПГ и СУГ?

КПГ — это сжатый природный газ, а СУГ — это сжиженный углеводородный газ. Ключевое различие между КПГ и СУГ заключается в том, что КПГ в основном содержит метан, тогда как СУГ в основном содержит пропан и бутан. Кроме того, еще одно существенное различие между КПГ и СУГ заключается в том, что КПГ является топливом, которое находится в газообразном состоянии, тогда как СУГ является топливом, которое находится в жидком состоянии.

Кроме того, еще одно различие между КПГ и СУГ заключается в том, что КПГ требует больше места, поскольку он является газообразным топливом. Но сжиженный углеводородный газ требует сравнительно меньшего пространства, поскольку он находится в жидком состоянии. Тем не менее, КПГ производит меньше вредных выбросов, в то время как СУГ производит вредные выбросы в некоторой степени.

Заключение — СПГ против СНГ

СПГ — это природный газ в сжатом виде, а СУГ — это сжиженный углеводородный (нефтяной) газ. Оба являются топливом. Но ключевое различие между КПГ и СУГ состоит в том, что КПГ в основном содержит метан, тогда как СУГ в основном содержит пропан и бутан.

Что такое компримированный (сжатый) природный газ

Газ сжимают, чтобы сократить его объем. Но КПГ как топливо еще и гораздо экологичнее нефти. И в России постепенно он должен нефть заменять.

 — единый оператор по расширению использования природного газа в качестве моторного топлива.

«Компримировать» — сжимать

Природный газ, как и любой другой, может быть сжат при помощи компрессора. При этом занимаемый им объем значительно уменьшается. Природный газ традиционно сжимается до давления 200–250 бар, что приводит к сокращению объема в 200–250 раз.

 

 

Газ компримируют (сжимают) для транспортировки по магистральным газопроводам, для поддержания правильного давления внутри пласта (пластового давления) во время закачки под землю, а еще получение КПГ является промежуточной ступенью при производстве СПГ.

При этом важно отметить, что КПГ может использоваться в качестве топлива не только для автомобильного, но и для речного, железнодорожного и воздушного транспорта.

Экология и цена

Кроме того, компримированный природный газ (КПГ) используется в качестве газомоторного топлива вместо нефтепродуктов, так как имеет ряд преимуществ, главные из которых — высокая экологичность и дешевизна.

С тех пор как в 1860 году был сконструирован первый двигатель внутреннего сгорания на светильном газе, мировой рынок транспорта, работающего на газомоторном топливе, постоянно развивается. Это обусловлено тем, что за счет использования газа решаются проблемы экологии и дефицита обычного моторного топлива. Энергетической стратегией России предусмотрено, что к 2020 году газовые виды топлива должны заменять до 10–12 млн тонн нефтепродуктов ежегодно.

Будущее автомобильного топлива

В настоящее время в России расширяется парк автомобилей, работающих на КПГ (на данный момент оценивается примерно в 90 тыс. единиц). Увеличивается и количество автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), заправляющих транспорт компримированным природным газом: в 58 регионах России действует 246 станций. Безусловным лидером национального газомоторного рынка является «Газпром». В собственности «Газпрома» находится 210 АГНКС, более 10 лет «Газпром» занимается популяризацией в России газомоторного топлива.

• Как находят месторождения углеводородов

  Поиском новых месторождений занимаются геологи и геофизики. В их распоряжении находятся технические и химические средства, которые помогают довольно точно определить места скопления углеводородов. Но единственный способ узнать наверняка — пробурить скважину.

• Как добывают природный газ

  Природный газ поднимается по скважине за счет естественной энергии. Его добычей занимаются в Америке, Европе, Африке и других регионах. Седьмая часть всей мировой добычи приходится на долю «Газпрома».