Оценка эффективности использования альтернативных видов моторного топлива на транспорте в регионе

Поиск альтернативных видов топлива для автомобильных двигателей рассматривается как одно из актуальных направлений обеспечения ресурсосбережения традиционных видов энергоносителей, перехода экономики российских регионов и страны в целом к устойчивому развитию. Использование альтернативных, экологически более чистых видов моторного топлива [сжиженного углеводородного газа – пропан-бутановые смеси, компримированного (КПГ) и сжиженного (СПГ) природного газа – метана, водорода, биогаза и других его видов] способствует сохранению здоровья граждан и окружающей среды на основе повышения экологической безопасности транспортных средств, имеющих двигатели внутреннего сгорания.

При решении задач организации в регионе производства альтернативного топлива из газового сырья и выбора соответствующего направления работ необходимо оценить суммарные энергетические затраты, связанные как с превращением исходного (первичного) сырья в топливо, так и с эффективностью самого альтернативного топлива при его непосредственном использовании в двигательных установках региональных транспортных средств.

В первом приближении (без учета экономических, экологических, организационных и других факторов) эту эффективность можно оценить с помощью суммарного (общего) энергетического КПД ( д_Е ) [4, с. 317]:

N

П = = G-T-QT • Ю0%,       (1)

где    G/ , Qи/ – соответственно расход первично го сырья (кг/с) и его теплотворная способность (кДж/кг), необходимые для получения эффективной мощности двигателя Ne (кВт).

Преобразуем формулу (1) с целью определения эксплуатационных и энергетических характеристик топлива:

П х =

N e    G - Q u

--------------------------------------:------------------- G - Q u G ' - Q u

= n u ^- n m ^- V i = n u ^- n p , (2)

где     G, Qи – соответственно физический рас ход и теплота сгорания альтернативного топлива при его использовании в двигателе;

П - эффективный КПД использования альтернативного топлива в двигателе;

П m = G/G / - массовый КПД, характеризующий необходимый расход первичного сырья для получения единицы массы альтернативного топлива;

^ i = Q_u/ Q_u - отношение теплотворных способностей альтернативного топлива и первичного сырья;

П p = n M • ^ i - КПД производства альтернативного топлива.

Расчеты, проведенные по формулам (1) и (2), позволили определить основные эксплуатационные и энергетические характеристики альтернативных видов топлива, получаемых из природного газа (см. табл. 1).

Данные таблицы 1 показывают, что по энергетическому КПД (по сравнению с бензином А-80) достаточно эффективны газомоторные топлива, а также синтетические топлива. Наименее эффективными являются спиртовые топлива (метанол и его производные). Однако в процессе синтеза моторных топлив из природного газа его первоначальный энергетический потенциал неизбежно снижается, и общий КПД топлива становится меньше, чем в случае применения КПГ или СПГ.

Целесообразность применения альтернативного топлива на транспорте помимо топливно-энергетических соображений должна быть

Таблица 1

Энергетические и эксплуатационные характеристики альтернативного моторного топлива, производимого из природного газа *

Показатели	Бензин А-80	Газомоторные топлива		Синтетические углеводороды		Спиртовые
		КПГ	СПГ	СНГ	Бензин	Дизельное	Метанол
Теплотворная способность топлива, МДж/кг	43,4	44,1	49,7	45,6	43,7	44,7	19,7
КПД производства, η ПТ	0,85	0,98	0,92	0,88	0,75	0,68	0,43
КПД использования топлива, η ЭИ	9,6	9,9	12,4	10,7	10,3	13,7	12,1
Общий энергетический КПД, %	8,91	9,70	11,41	9,41	7,72	9,32	5,20

* Рассчитано автором по: [6–8].

оценена с позиций экономической целесообразности их производства и использования в региональной хозяйственной системе.

Проведенный анализ технологий производства альтернативных видов моторного топлива из газового сырья позволил определить укрупненные показатели по приведенным затратам на их производство (см. табл. 2).

Из данных таблицы 2 следует, что именно высокая цена производства метанола и синтетического моторного топлива, несмотря на определенную энергетическую эффективность последних, станет одним из основных препятствий их широкого распространения на транспорте в среднесрочной перспективе (до 2010–2015 гг.). Такая тенденция наблюдается при наличии достаточно дешевых в производстве и эксплуатации газомоторных видов топлива, особенно СПГ и КПГ. Следует отметить, что при крупнотоннажном производстве себестоимость КПГ и СПГ практически одинакова, но универсальность использования СПГ как моторного топлива для всех видов транспорта (по сравнению с КПГ), как показано выше, значительно шире.

На основе анализа полученных результатов можно выделить два принципиально разных направления вовлечения природного газа в производство альтернативных видов моторного топлива в региональном хозяйстве.

Первое направление предполагает использование природного газа в качестве моторного топлива без изменения его химического состава. При этом энергетический потенциал (теплота сгорания) природного газа, находящегося в топливных емкостях транспортных средств, используется полностью. Энергия затрачивается

Относительные экономические показатели производства топлива из газового сырья к нефтяному бензину А-80 *

Таблица 2

Показатели	Бензин А-80	Газомоторные топлива			Синтетические углеводороды		Спиртовые топлива
		КПГ	СПГ	СНГ	Бензин	Дизтопливо	Метанол
Приведенные затраты на производство	100	75–85	80–90	72–80	190–225	170–210	155–165
Распределение приведенных затрат: на сырье	77	44–45	45–48	46–48	30–35	30–32	22–24
на переработку	23	36–35	35–32	29–27	180–175	160–158	138–136

* Рассчитано автором по: [6–8].

только на транспортировку газа от района его добычи до места потребления и на его компримирование (вариант применения КПГ), или на его сжижение (вариант применения СПГ). В рамках этих вариантов создается самостоятельная система распределения и заправки транспортных средств новым моторным топливом, а сами транспортные средства подвергаются переделке для установки на них новых топливных емкостей (баллонов для сжатого газа или криогенных сосудов для жидкого газа). Это направление работ достаточно изучено, энергетически и экономически обосновано (см., например: [1; 2]).

Второе направление работ – когда природный газ, в том числе вблизи районов его добычи, что особенно важно для российских регионов, превращается в результате химических процессов в традиционные моторные топлива, аналогичные вырабатываемым из нефти (автобензин, дизельное топливо, авиакеросин). Энергетическая плотность полученных синтетических моторных топлив (СМТ), то есть энергия в единице объема, резко возрастает по сравнению с природным газом (более чем на порядок), а сами эта моторные топлива транспортируются обычными средствами (танкерами, железнодорожными цистернами, по продуктопроводам). Вся система распределения и заправки, а также сами транспортные средства сохраняются в этом случае без всяких изменений. Поэтому рассматриваемое направление работ с точки зрения эксплуатирующих организаций является весьма привлекательным, однако требует больших капитальных затрат в организацию производства СМТ.

Требуемые объемы производства альтернативных видов моторного топлива должны определяться с учетом прогнозируемых объемов перевозок и удельных расходов используемого топлива для каждого вида перевозок и типа (вида) используемых транспортных средств. При этом должен учитываться и прогнозируемый дефицит в обеспечении транспорта нефтяным моторным топливом на заданный период.

Целесообразность вложения средств в организацию производства альтернативного топлива помимо топливно-энергетических и экологических соображений должна быть оценена и с позиций экономической эффективности их использования на том или ином виде транспорта, в том числе с учетом конкретизации отдельных моделей транспортных средств.

Эта оценка особенно важна в условиях сложившейся в регионах России политики свободных цен на топливно-энергетические ресурсы, продукцию машиностроения, установления достаточно свободных тарифов на грузовые перевозки многими видами транспорта, наличия других неопределенных экономических факторов (налоги, кредиты и т. п.).

Экономическая эффективность транспортного средства, использующего альтернативное топливо, по сравнению со своим базовым аналогом, работающим на нефтяном топливе, может быть определена по формуле (здесь и далее см.: [5, с. 31–32]):

E = C 2 • ⁽' " 1)

+ 1 1 - 1 2 + E n • ( К 1 - К 2 ) R 2 + E n

, (3)

где       С2 – оптовая (покупная) цена транс портного средства на альтернативном моторном топливе;

W ₂, W ₁ – соответственно годовая производительность транспортного средства на альтернативном моторном топливе и его базового аналога (т км; пас. км и т. д.);

I ₁, I ₂ – годовые эксплуатационные издержки (без учета отчислений на реновацию) транспортного средства на альтернативном топливе и базового аналога соответственно;

K ₂, K ₁ – удельные капиталовложения в производственно-техническую базу предприятия, эксплуатирующего транспортные средства на альтернативном топливе и базовые;

R ₂ – коэффициент реновации, равный обратному сроку службы транспортного средства до капитального ремонта;

Е_n – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Годовые эксплуатационные издержки определим следующим образом:

I ₂ = С ₂ • W ₂,                   (4)

I ₁= С ₁ • W ₁,                     (5)

где    Сj , Wj – соответственно себестоимость транспортной работы и годовая производительность средства на альтернативном топливе (j = 2) и базовой модели (j = 1).

Величины С ₂ и R ₂ вычислим по формулам: С 2 = С 1 + С 0 • (1 + _уд            (6)

R ₂ = L_y / L_r ,                    (7)

где С ₁ – стоимость базового транспортного средства;

С ₀ – стоимость комплекта оборудования для использования альтернативного топлива;

^ 0 - относительная доля затрат (по отношению к стоимости оборудования при переоборудовании базового средства в средство для использования альтернативного топлива;

L_y – годовой пробег транспортного средства;

L_r – пробег до капитального ремонта.

Суммарные затраты Z _Е . входящие в расчет себестоимости транспортной работы C_j , в общем случае складываются из шести составляющих (здесь и далее см.: [3, с. 5–10]):

Z _У = ^{Z + Z} m + ^{Z + Z+} V Z O ,     (8)

где        Z_G – затраты на топливо, руб./км;

Z_М – затраты на смазочные материалы, руб./км;

Z_R – затраты на ТО и ТР подвижного состава, руб./км;

Z_D – затраты на амортизацию, руб./км; Z_S – затраты на зарплату, руб./км;

Z_O – накладные расходы, руб./км.

Соответственно этому определим С :

ZL с, = >

W

.

Годовой пробег может быть определен так:

L _ = 365 • V e_. T .^ a_,            (10)

где 365 – количество календарных дней в году;

• V_e – эксплуатационная скорость, км/ч;

Т_e – время эксплуатации транспортного средства, ч;

a n. - коэффициент использования транспортного средства.

Производительность, т км (пас. км) определяется по формуле:

W , = q _A • Р/ L _ ,            (11)

где        q – грузоподъемность (пассажировме стимость, тоннаж);

• Y _ - коэффициент использования грузоподъемности (тоннажа, пассажировместимости);

P _ - коэффициент использования пробега.

Для каждого вида транспортных средств величины V e. , Т __. , у _. , р _ определяются в соответствии со спецификой использования данного класса (группы, модели) транспортного средства, вида перевозимого груза, маршрута.

Если подставить в формулы (3–11) соответствующие зависимости по отдельным статьям себестоимости транспортной работы, то можно определить функциональные зависимости экономического эффекта эксплуатации регионального транспортного средства на альтернативном топливе от его технико-эксплуатационных показателей по сравнению с базовой моделью. В общем случае эти выражения носят громоздкий характер и зависят от вида используемого альтернативного топлива и эксплуатируемого на нем транспортного средства, а также от начальных и граничных условий (вида перевозок, класса груза, дислокации заправочных средств и т. д.). При решении этих задач целесообразно использовать оптимизационные методы.