Перспективы применения сжиженного природного газа в качестве топлива грузовым автомобильным транспортом

При постоянном росте цены на дизельное топливо (рис. 1), а также ужесточение нормативов международных стандартов безопасности, экологии и надежности автоперевозчикам необходимо искать новые инструменты совершенствования транспортных процессов, в частности использовать современные типы подвижного состава, потребляющего более дешевые виды топлива.

Рисунок 1 – Динамика розничных цен на дизельное топливо в рублях для России (2008-2018 г.)

На легковом автомобильном транспорте преимущественно использовался сжиженный углеводородный газ (далее – СУГ), а именно пропан-бутан. В связи, с низким уровнем безопасности, запасом хода данный вид газомоторного топлива редко использовался для грузовых транспортных средств. Альтернативой СУГ стал природный газ, который на 95% состоит из метана. В России с 1980-х годов в качестве газомоторного топлива используется компримированный природный газ (далее – КПГ). Повсеместного распространения автомобили, работающие на КПГ не получили, из-за больших габаритов топливных баков и сравнительно небольшого запаса хода. С развитием техники появились эффективные способы сжижения природного газа и использования его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Ведущие мировые автоконцерны с 2017 года выпускают сбалансированные по техническим характеристикам седельные тягачи, которые обладают высоким уровнем запаса хода и необходимой мощностью двигателя для выполнения грузовых перевозок на дальние расстояния.

Автомобили, работающие на сжиженном природном газе (далее – СПГ) имеют криогенные топливные баки, основной задачей которых является поддержание температуры топлива в течение определенного времени. Использование баллонов с природным газом на новых моделях автомобилей не снижает уровень безопасности транспортного средства по сравнению с дизельным грузовым автомобилем. При критическом давлении вероятность взрыва крайне мала [1]. Криогенные баки для СПГ имеют внутренний и наружный сосуды, пространство между которыми заполнено экранновакуумной суперизоляцей.

Следует учесть отрицательный фактор использования природного газа – его способность улетучиваться. При длительной стоянке автомобиля на КПГ или СПГ происходит утечка газа. Расчетное время удержания газа для криобаков при различных давлениях представлено на рис. 2.

Рисунок 2 – Зависимость времени удержания газа в баке от давления ²

Использование метана в грузовых автоперевозках – это не только путь к снижению денежных затрат транспортных компаний, но и средство снижения регламентируемых выбросов, в частности парниковых газов. На территории России ежегодно 40% загрязняющих веществ производит автомобильный транспорт3. Применение автомобилей, работающих на СПГ, уменьшит количество образования токсичных веществ: оксидов азота – на 15 – 20 %, диоксида углерода на – 10 – 15 %. Новые модели седельных тягачей на газомоторном топливе (метан) имеют самый высокий уровень класса экологичности Euro - V и Euro - VI и этим превосходят свои дизельные аналоги. На 5 континентах в 85 странах используют природный газ в качестве газомоторного топлива. Более 23 млн. автомобилей работают на природном газе4, в России на данный момент - 150 тыс. единиц5.

Главным показателем развития рынка природного газа для транспорта является спрос на автомобильный метан. По данным Росстата, в 2017 году он составил 615 млн. куб. м. В 2018 объём продаж КПГ на 11% выше, чем в предыдущем и на треть больше, чем в 1990 году. Министерство энергетики РФ разработало стратегию развития потребления природного газа транспортом до 3,8 млрд. куб. м. и выделила на ее реализацию 175 млрд. руб. до 2024 года. Планируется увеличить общий парк газовых машин примерно до 1 млн. ед. и расширить газозаправочную сеть на 1,4 тыс. станций. К 2030 году, по планам Минэнерго, спрос автотранспортом на природный газ может увеличиться до 10,7 млрд. куб. м. Тогда парк автомобилей, использующие метан должен превысить 2,5 млн. ед. [2].

Из постановления Правительства РФ от 30 ноября 2018 года №1442 следует отмена государственного регулирования цен на природный газ, реализуемый ПАО «Газпром» с применением технологий сжижения и регазификации [3]. В процессе реализации данного постановления возможен рост использования сжиженного метана в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, что будет создавать положительный экономический результат для всех сторон. Использование рыночной цены приведет к росту предложения на рынке названного товара.

На конференции Европейской газомоторной ассоциации NGVA в 2017 году были определены 4 основных транспортных коридоров проекта «Голубые коридоры на СПГ», правда, они не охватывают страны восточно-европейской части Евросоюза и страны СНГ [4]. В России своя стратегия развития газомоторных коридоров - это сеть газово-заправочной инфраструктуры, в основном СПГ вдоль основных федеральных трасс: М-10 "Россия", М-11 "Москва-Санкт-Петербург", М-4 "Дон" и М-1 "Беларусь". Масштабным проектом является транспортный

«Информационное телеграфное агентство России (ИТАР-ТАСС)». 15.03.2017. URL: (дата обращения: 06.02.2019)

5 Природный газ эффективное моторное топливо // ООО «Газпром газомоторное топливо». 2018.. URL: (дата обращения: 06.02.2019)

коридор из Китая в Западную Европу: "Шелковый путь", который планируется оснастить заправками СПГ.

Техническим преимуществом СПГ сравнительно КПГ являются: низкий уровень давления при хранении СПГ (максимально до 10–20 кгс/см2 абс. по сравнению с 250 кгс/см2 абс. КПГ), результатом чего являются значительно меньшие габариты, стоимость и масса топливных баков [5]. За счет разницы в давлении, при одинаковых размерах топливных баков (рис. 3) автомобили на СПГ обладают увеличенной длиной пробега транспортных средств (примерно в два раза) по сравнению с автомобилями, работающими на КПГ. Природный газ в жидком состоянии занимает в 600 раз меньший объём по сравнению с исходным газообразным состоянием. Исходя, из данного показателя СПГ легче транспортировать по сравнению с природным газом в сжатом состоянии.

Рисунок 3 – Зависимость объема газа от агрегатного состояния, м³: I – природный газ (давление 1атм, температура 0⁰С), II – компримированный (сжатый) природный газ (давление 200 атм, температура 20⁰С), III -сжиженный природный газ (давление 0,25атм, температура – 162⁰С)

Стоит отметить, что процесс заправки топливного бака сжиженным природным газом занимает почти столько же времени, как и заправка, бензином или дизельным топливом, а заправка компримированным природным газом займет на 40% больше времени, тем самым увеличивая время в рейсе. Для автомобилей, выполняющих рейсы на большие расстояния, это имеет существенное значение.

Одно из главных препятствий для повсеместного использования автомобилей, работающих на природном газе – это дефицит газозаправочной инфраструктуры.

До 2010 года в РФ было введено в эксплуатацию не более 40 единиц автомобильных газовых наполнительных компрессорных станций (далее – АГНСК). На данный момент в России 493 станций АГНСК, из них 74% принадлежат структурам ПАО «Газпром» [6].

Осуществление продажи СПГ потребителям выполняется при помощи криогенных автомобильных заправочных станций (далее -КриоАЗС), на которых транспортные средства заправляются газом в жидком состоянии [7]. В России 6 подобных заправок, которые могут реализовать СПГ для грузовых транспортных средств. Лидерами в Европе по количеству КриоАЗС в стране являются: Испания – 39 ед., Италия – 31 ед., Франция – 27 ед.6 Следует отметить, что лидером по количеству таких станций на единицу площади территории является государство Нидерланды.

В настоящее время существуют грузовые транспортные средства, работающие на дизельном топливе, на различных типах газа и на газодизельном топливе (рис. 4).

Рассмотрим последние разработки производителей седельных тягачей, работающих на природном газе:

• 1.    Volvo FH LNG⁷ – модель 2017 года. Немецкая компания использует двигатель G13C, который потребляет 90-95% сжиженного газа и примерно 5-10% дизельного топлива для воспламенения газа. При нехватке запаса газа автомобиль сможет продолжить движение чисто на дизельном топливе при минимальных оборотах.

• 2.    IVECO Stralis NP460 LNG⁸ – итальянская модель 2018. Имеет чисто газовый 13-литровый 460-сильный мотор. Возможны несколько вариаций топливных баков (CNG; CNG+LNG; LNG). В данной работе рассмотрим вариацию: два баллона LNG с запасом хода на 1600 км.

• 3.    КАМАЗ 5490 DDF CNG⁹ – российская разработка с двигателем Daimler OM-457. Имеет отличительную черту от остальных моделей,

• ⁸    Каталог продукции производителя седельных тягачей Iveco. 2018. URL: https://www.iveco.com (дата обращения: 10.12.2018).

• ⁹    Каталог продукции производителя седельных тягачей ПАО «КАМАЗ». 2018. URL: https://kamaz.ru (дата обращения: 10.12.2018).

• 4.    Scania G340 CNG¹⁰ – шведская модель тягача 2018 года на компримированном метане.

тягач может работать в двух режимах: 100% – дизельное топливо и 55% дизтопливо/45% компримированного метана.

В восьми баллонах объёмом по 103 литров хранится 824 л. голубого топлива. Двигатель работает по циклу Отто и создан на основе новейшей платформы 9-литровых двигателей.

спг сжиженный LNG (Liquefied Natural Gas)

кпг компримированный CNG (CompressedNaturalGas)

СУГ сжиженный углеводородный LPG (Liquefied Petroleum Gas)

Дизельное топливо, применяемое для грузовых автомобилей

Нефтяной газ пропан - бутан

Природный газ

95% метана

Газ, применяемый в качестве топлива для грузовых автомобилей

Рисунок 4 – Использование газа в качестве автомобильного топлива

Таблица 1 – Сравнительная характеристика тягачей, работающих на метане

Наименование характеристики		Volvo FH LNG	IVECO Stralis NP460 LNG	КАМАЗ 5490 DDF CNG	Scania C340 CNG
Вид топлива		СПГ		КПГ
Мощность, л.с.		420	460	428	340
Крутящий момент, Нм		2100	2000	2000	1600
Расход топлива	л./100 км - СПГ	47	33,8	-	-
	м3/100 км - КПГ	-	-	60	30
	л./100 км - ДТ*	2,5	-	16	-
Объем бака	л. - СПГ	495	540	-	-
	м3 - КПГ	45	-	320	824
	л. - ДТ	170	-	400	-
Запас топлива, км.		1000	1600	1200	400
Допустимая нагрузка на переднюю ось, кг.		7100	7500	7100	7500
Допустимая нагрузка на заднюю ось, кг.		13000	11500	11500	11500

В таблице 1 приведены основные характеристики данных моделей седельных тягачей.

При осуществлении выбора подвижного состава следует учитывать не только тип и расход топлива конкретной моделью, но и объемы баков. Если рассматривать приобретение нового подвижного состава для целей реализации традиционной миссии автотранспортного предприятия, то следует уделять пристальное внимание автомобилям – тягачам, работающим именно на сжиженном природном газе (LNG), в силу присущих ему достоинств.

Таблица 2 – Характеристика тягачей

Полная масса, т.	44	46	44	40
Разрешенная максимальная масса, кг.	19500	18000	18600	17000
Класс экологичности	Euro 6	Euro 6	Euro 5	Euro 6
Стоимость, тыс. руб.	12 320	10 780	4 700	10 010

*ДТ – дизельное топливо

Принимая во внимание приведенные технические и стоимостные параметры, достаточно привлекательным является седельный тягач IVECO. Но для подтверждения этой оценки следует рассмотреть еще такой фактор, как достаточность заправочной инфраструктуры на конкретных направлениях перевозки.

С этой целью рассмотрим карты возможных территорий действия данных транспортных средств. Карты составлены с учетом запаса хода и географического расположения заправочной инфраструктуры. Указаны заправочные станции, имеющие возможность обслуживать грузовые автомобили. Для создания карт использовался картографический сервис Scribble maps11. Радиус круга сформирован без учёта степени прямолинейности движения и состояния дорожного покрытия, и имеет формальное значение половины запаса хода автомобиля (для возможности возврата автомобиля в начальную точку на запасе одного топливного бака).

IVECO Stralis NP460 LNG обладает самым большим запасом хода из данных моделей седельных тягачей – 1600 км. Радиус использования 800 км. (рис. 6).

Volvo FH LNG имеет запас хода – 1000 км. Радиус использования данного автомобиля равен 500 км (рис. 5).

Запас хода у КАМАЗ 5490 DDF CNG – 1200 км., следовательно, радиус 600 км (рис. 7).

Scania G340 CNG имеет наименьший запас хода, всего 400 км. и радиус действия 200 км. (рис. 8). У данной модели есть возможность размещения дополнительных газовых баллонов. Добавление топливных отсеков может увеличить запас хода до 800 км.

Рисунок 5 – Территория действия седельного тягача Volvo FH LNG

Рисунок 6 – Территория действия седельного тягача IVECO Stralis NP460 LNG

Эффект экономии от использования природного газа достигается за счет стоимостной разницы дизельного топлива и газа при соразмерном среднем объеме расхода топлива [8]. Согласно данным представленным на рис. 1, можно сделать вывод, что рыночная стоимость на дизельное топливо выросла более чем на 55% за последние 5 лет (2013 - 2018 год). На природный газ цена выросла на 13%. Для оценки эффективности применения природного газ в качестве моторного топлива в современных экономических условиях был произведен расчет расхода топлива на примере трех маршрутов грузоперевозок:

• •    маршрут № 1 – Калининград – Санкт-Петербург – Калининград. Общий километраж: 1980 км;

• •    маршрут № 2 – Калининград – Равенна (Италия) - Калининград. Общий километраж: 3820 км для КПГ и 4020 км для СПГ;

• •    маршрут № 3 – Калининград – Москва -Калининград. Общий километраж: 2600 км.

  

  Рисунок 7 - Территория действия седельного тягача КАМАЗ 5490 DDF CNG

  
  
  

  Рисунок 8 - Территория действия седельного тягача Scania G340 CNG

  
  

  Таблица 2 - Расход топлива

  Марка седельного тягача	Ед. изм.	Вид топлива	Маршрут № 1	Маршрут № 2	Маршрут № 3
  Volvo FH LNG	л.	СПГ	923	1889	1363
  	л.	ДТ	49	101	73
  IVECO Stralis NP460 LNG	л.	СПГ	669	1359	879
  КАМАЗ 5490 DDF GNG	м3	КПГ	1188	2292	1740
  	л.	ДТ	317	611	464
  Scania G340 GNG	м 3	КПГ	594	1146	870

  
  

данных использовались материалы предоставленные пресс-службами дилерских центров. Следует отметить, что у тягача Volvo FH LNG не хватает запаса хода для преодоления расстояния по маршруту Калининград – Москва и ему необходимо делать дополнительную заправку в городе Псков, что увеличивает маршрут на 300 км.

Средняя цена КПГ в Европе 55 – 60 рублей, СПГ 75 – 80 рублей12, при этом дизельное топливо стоит более 110 рублей. Разница с дизтопливом составляет 46% и 32% соответственно; в России КПГ 16 рублей, СПГ 14 руб-лей13, дизтопливо 47 рублей, то есть меньше на 66% и 70% соответственно.

Таким образом, при выполнении транспортной работы в направлении из Калининградской области в другие регионы РФ наиболее приемлемым по запасу хода среди автомобилей, работающих на сжатом КПГ (CNG) является тягач Scania, несмотря на большие показатели расхода. В направлении перевозок в страны ЕС из Калининградской области по фактору заправочной инфраструктуры Volvo и IVECO находятся в одинаковом положении, но с учетом других показателей предпочтительнее выглядит IVECO. Хотя стоит отметить, что Volvo позволяет работать чисто на дизельном топливе при минимальных оборотах двигателя.

Одна из весомых статей расходов транспортных компаний является ремонт, связанный с заменой деталей. Использование природного газа в качестве газомоторного топлива снижает интенсивность коррозии и износа деталей двигателя по сравнению с дизельным топливом или бензином. Данный эффект вызван тем, что газ не вымывает пленку моторного масла с внутренних стенок цилиндра двигателя при холодном пуске. Моторы, работающие на природном газе, по статистике производителей проходят на 20% больше, чем дизельные [9]. Средне октановое число природного газа составляет 105. Срок службы свечей увеличивается на 40%, а расход моторного масла уменьшается на 10 – 15 % [10].

При использовании автомобилей, работающих на дизельном топливе или бензине, по оценкам руководителей транспортных компаний 5% от общего количества заправленного топлива пропадает из-за краж или мошеннических действий. При стандартных показателях расхода в год, автомобиль на дизельном топливе тратит 56 000 литров. Пять процентов от данного количества составляет – 2800 литров, а по стоимости дизельного топлива на декабрь 2018 года – это 132 608 рублей. Из топливных баков автомобилей, использующих природный газ невозможно провести несанкционированные изъятия.

Таким образом, автомобили на КПГ по затратам на топливо примерно в 1,5 раза экономичнее, чем дизельные, располагают достаточным количеством заправочной инфраструктуры в России и Западной Европе, но обладают затяжным заправочным процессом и пониженным запасом топлива. Грузоперевозки являются более эффективными на небольшие расстояния. Грузовые автомобили, работающие на СПГ, маршруты, перевозки которых пролегают по территории Европы, на 1/3, а в России более чем в 1,5 раза экономичнее, обладают высоким уровнем запаса хода, но из-за ограниченной заправочной инфраструктуры в России не могут использоваться здесь повсеместно в отличие от перевозок в направлении Западной Европы.