Моторное топливо XXI века
Н.Г. Кириллов, доктор технических наук
1 Леонард Р. Истощение нефтяных запасов и грядущая эпоха природного газа // Нефтегазовая вертикаль, № 9, 2001. С. 50-59.
Развитие мирового научно-технического прогресса, рост численности населения и улучшение его благосостояния привели к резкому увеличению энергопотребления, обратной стороной которого является истощение углеводородных сырьевых ресурсов. Многими зарубежными специалистами начало XXI в. оценивается как переходный период в развитии мировой энергетической системы. Характерными чертами этого периода является окончание эры дешевой нефти и резкое сокращение ее запасов. По мнению одного из ведущих западных экспертов в области энергетики Рея Леонарда, к 2010 г. добыча нефтяного топлива начнет быстро сокращаться, что вступит в противоречие с постоянно растущим спросом на нефть и приведет к глобальному нефтяному кризису1.
2 Kиpиллoв Н.Г. Что Россия может предложить «Большой восьмерке» // Энергетика и промышленность России, № 11, 2005. С. 6-7.
Закономерно, что с уменьшением запасов нефти наблюдается тенденция удорожания нефтяных топлив. За период с 1980 по 1990 гг. ее себестоимость в России возросла втрое и продолжает увеличиваться в настоящее время. Сокращение поставок нефтепродуктов на внутренний рынок в 2004-2005 гг. привело к небывалому в истории России росту цен — на 235%2. Это обусловлено как увеличением затрат на нефтепереработку, так и удорожанием добычи нефти.
Одной из причин, влияющих на развитие кризисной ситуации с нефтяным моторным топливом, является увеличение общего числа транспортных средств в России, что, безусловно, ведет к увеличению использования энергии на транспорте. Предполагается, что в РФ к 2010 г. только количество личных автомобилей возрастет в 2-2.5 раза и составит 14-16 единиц на 100 человек населения. Общее же количество автомобильного транспорта возрастет до 46 млн. единиц. Существенно изменится и структура перевозок. Пассажирские перевозки железнодорожным транспортом снизятся с 30% до 20%, а автомобильные — увеличатся с 40% до 55%. Грузоперевозки железнодорожным транспортом уменьшатся с 65% до 50%, автомобильным транспортом — возрастут с 8% до 16%. Эти тенденции в изменении структуры грузоперевозок ложатся дополнительным бременем на существующий топливно-энергетический баланс страны.
Необходимость перевода автомобильного транспорта на альтернативные виды моторного топлива все сильнее обусловливается ужесточением экологических требований к отработанным газам двигателей автомобилей, поскольку проблемы экологической безопасности автомобильного транспорта являются составной частью экологической безопасности страны. Значимость и острота этой проблемы растут с каждым годом из-за ежегодного увеличения выбросов автотранспортными средствами загрязняющих веществ в атмосферу (в среднем на 3-5%). Величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России составляет более 3.5 млрд. долл. и продолжает расти. Автомобильный парк России в 2000 г. составлял 27.06 млн. шт., в том числе 20.12 млн. легковых автомобилей, 4.57 млн. грузовиков, 650 тыс. автобусов и 1.72 млн. прицепов и полуприцепов. Средний возраст автотранспортных средств остается значительным и составляет 10 лет, в том числе 10% парка эксплуатируется свыше 13 лет, оказываясь полностью изношенным.
Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. В результате по России от автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество канцерогенных веществ: 27 тыс. т бензола, 17.5 тыс. т формальдегида, 1.5 т бенз(а)пирена и 5 тыс. т свинца. В целом, общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает цифру в 20 млн. т.
Введение на территории России с 1 января 2001 г. норм «Евро-2» пока является чисто декларативным актом, так как нерациональная структура отечественной нефтепереработки определяет низкое качество производимых бензинов и дизельного топлива, не соответствующих современным требованиям. С другой стороны, качество отечественных автомобильных двигателей оставляет желать лучшего. Российские двигатели в большинстве уступают зарубежным по таким показателям, как удельная мощность, экономичность, шумность, эсплуатационная технологичность, экологичность и ремонтопригодность. Выпуск отечественных автомобильных двигателей, отвечающих современным требованиям по сохранению окружающей среды, следует ожидать не ранее 2010 г. Поэтому в настоящее время единственным путем повышения экологичности автотранспорта является его перевод на альтернативные топлива, что обеспечит сокращение вредных выбросов в окружающую среду до уровня, отвечающего жестким европейским нормам.
Экологические проблемы, связанные с использованием традиционного моторного топлива в двигателях транспортных средств, актуальны не только для России. Во многих странах мира приняты жесткие требования по экологизации автотранспорта. В результате с 1993 по 1999 г. количество вредных веществ в отработанных газах автомобилей за рубежом снизилось примерно в 2 раза. Всего же за последние 40 лет содержание токсичных компонентов уменьшилось на 70%. В настоящее время многие зарубежные моторостроительные фирмы взяли курс на решение задачи достижения нулевой токсичности отработанных газов. Их многолетний опыт показывает, что добиться этого можно только в случае использования альтернативных (не нефтяных) видов моторного топлива.
В США за последнее десятилетие принят ряд законодательных актов, в которых пристальное внимание уделяется проблеме улучшения экологической обстановки в городах и населенных пунктах. В их числе: Закон «Об альтернативном моторном топливе», Закон «О чистом воздухе», Закон «Об энергетической политике». На основе этих законов Министерство энергетики США значительно расширило научно-исследовательские работы в секторе потребления энергоресурсов в автотранспорте и разрабатывает новые программы по ускоренному широкомасшабному внедрению альтернативных видов топлива.
В Канаде, Новой Зеландии, Аргентине, Италии, Голландии, Франции и других странах успешно действуют национальные программы перевода автотранспорта, в первую очередь городского, на газомоторное топливо. Для этого разработана соответствующая нормативно-законодательная база: ценовая,налоговая, тарифная, кредитная. В странах Западной Европы для стимулирования использования альтернативных экологически чистых видов топлива предусматривается существенное уменьшение налогов на автомобили, использующие газовое топливо. В среднем эта разница составляет 1.5-2 раза, кроме того, автовладельцы после конверсии автомобиля освобождаются от налоговых выплат на 3 года.
В отличие от развитых зарубежных стран, в России до сих пор не существует концепции производства и использования альтернативных видов моторного топлива, что в значительной степени усложняет решение задач развития отечественного моторостроения и экологизации автотранспорта. Первым шагом в решении этой проблемы явится учет всех возможных видов альтернативного топлива и анализ перспективности их использования в условиях России.
Сжиженные углеводородные газы (СУГ). В широком обиходе под СУГ понимают бутан-пропановую смесь. СУГ является наиболее высококачественным продуктом переработки нефти и нефтяного попутного газа (ПНГ). Как моторное топливо СУГ обладают важным преимуществом перед другими видами газового моторного топлива (например, природного газа, биогаза и т.д.): бутан-пропановая смесь при нормальной температуре и давлении в 1.6 МПа переходит в жидкое состояние. Следует отметить и более низкую себестоимость производства этого топлива по сравнению с бензинами. Именно поэтому в мире на этом виде альтернативного топлива работает наибольшее число автомобилей — 3.5 млн.единиц.
При рассмотрении перспектив применения СУГ в качестве моторного топлива в России следует иметь в виду, что эти газы являются химическим сырьем для производства целого ряда важных продуктов. Таким образом, ресурсы СУГ, которые могут быть выделены для использования в качестве моторного топлива, ограничены. В строгом смысле этот вид моторного топлива не является альтернативным, поскольку добыча исходного сырья — попутного нефтяного газа — напрямую связана с добычей нефти. Если ее запасы иссякнут, то дешевого бутан-пропана уже не будет. Затраты на добычу попутного нефтяного газа в 6-8 раз выше, чем на добычу природного газа — и уже в ближайшие 10-15 лет использование СУГ как альтернативного моторного топлива станет не перспективным.
Синтетический бензин. Сырьем для производства синтетического (не нефтяного) бензина может быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. При этом природный газ окисляется в присутствии катализатора в синтез-газ, содержащий СО и На. Моторное топливо из синтез-газа производится либо с использованием процесса Фишера-Тропша, либо с помощью так называемого Мобилпроцесса через промежуточное получение метанола. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. Однако в настоящее время синтетическое топливо из природного газа в 1.8- 3.7 раза дороже нефтяных. Учитывая тяжелое финансовое положение России и высокую стоимость создания производства синтетического бензина, в ближайшие 20-30 лет данный вид моторного топлива вряд ли будет широко использоваться в нашей стране.
Метанол. Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Его можно смешивать с бензином и использовать как основу для эфирной добавки — метилтретбутилового эфира (МТБЭ). В 1998 г. в США произведено около 12.5 млрд. литров МТБЭ. Бензин с МТБЭ составляет примерно 30% от всего объема продаж бензина в США. В настоящее время МТБЭ замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные виды топлива, вместе взятые. В России в качестве моторного топлива метанол не используется ввиду его высокой стоимости.
Электромобили. Интерес к электромобилю, работающему на электричестве от аккумуляторных батарей, вызван прежде всего развитием технологий хранения энергии, которые позволили увеличить срок работы батарей между подзарядками и сократить время самой подзарядки, увеличить срок жизни аккумуляторов и снизить их стоимость. Пока источником энергии в электромобиле служат в основном свинцово-кислотные батареи как наименее дорогие. Стандартный комплект свинцово-кислотных аккумуляторов для электромобиля средней массы стоит около 3000 долл. и дает возможность пробега 150 км без подзарядки. Существуют и более продвинутые технологии хранения энергии, позволяющие увеличить срок работы батарей, но они пока слишком дороги. В целом, как и прежде, цена электромобилей значительно превышает цену бензинового аналога. В России работы по созданию современных электромобилей практически не ведутся.
Автомобили на топливных элементах. Топливные элементы — это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства за счет процесса, обратного электролизу. В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работают достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к стоимости бензиновых, то это станет реальной альтернативой традиционным видам нефтяного топлива в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет от 100 тыс. до 1 млн. долл. Для России, обладающей значительными запасами первичных энергоносителей и характеризующейся низким уровнем благосостояния основной части населения, в ближайшие 30 лет это направление в автомобилестроении является не актуальными.
Этанол, (спирт питьевой), обладая высоким октановым числом и энергетической ценностью, является высококачественным моторным топливом. Например, Бразилия ежедневно с 70-х по 90-е гг. прошлого столетия замещала этанолом до 250 000 баррелей импортируемой нефти. В 90-х гг. в Бразилии чистый этанол в качестве моторного топлива использовали более 7 млн. автомашин, еще 9 млн. машин — его смесь с бензином. В этой стране создана заправочная сеть из 25 тыс. этаноловых заправок. Однако в последние годы наметился спад в использовании этанола как моторного топлива.
3 Пaнцxaвa Е.С. Кошкин Н.Л., Пожарнов В.А. Биомасса — реальный источник коммерческих топлив и энергии // Теплоэнергетика, № 2, 2001. С. 24-25.
США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. производилось 5.3 млрд. л этанола, а также строились новые предприятия для производства 900 млн. л в год. Этанол используется в 21 штате, этанолбензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США3.
Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к использованию этанола в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами. Так, в США действующие до 2007 г. льготы компенсируют продавцам убыток в том случае, если они продают этанол по цене бензина. Цель проведения такой политики в США и Западной Европе — снизить зависимость автотранспорта от импорта нефти. Для России, которая ежегодно вынуждена импортировать зерновые культуры, идея использования автомобиля на этаноле не актуальна и маловероятна,
Биодизельное топливо. В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к производимому из рапса. В Австрии биодизельное топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при уаличии производственных мощностей BO 30 тыс. т/год. Во Франции эти мощногсти составляют 20 тыс. т/год; в Италии — 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. В России, как и в случае с этанолом, практически отсутствует сырьевая база для производства биодизельного топлива, что дает основания скептически оценивать возможность его широкого использования в автомобильном транспорте РФ.
Шахтный метан. В последнее время к числу альтернативных видов автомобильного топлива стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. К такому подходу есть серьезные основания. В настоящее время в мире уже достаточно много автомобилей используют шахтный метан как моторное топливо. К 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей.В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны.
Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1 до 98%. Как моторное топливо наибольший интерес представляет газ, извлекаемый из угольных пластов вне зон влияния горных работ. Сущность такого промысла заключается в извлечении газа через скважины, пробуренные с поверхности, с применением методов стимулирования газоотдачи. Шахтный газ имеет в своем составе 95- 98% метана, 3-5% азота и 1-3% диоксида углерода. Например, в США за 10 лет (с 1988 по 2000 г.) добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд. м3 до 40 млрд. м3, в будущем эти показатели планируется удвоить. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд. м3.
Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют, по различным источникам, 48-65 трлн. м3 (с учетом восточных и северо-восточных бассейнов). Сегодня газообильность выработок составляет около 40 м3 метана на 1 т добываемого угля. Прогнозируемые ресурсы метана в угольных пластах только в Кузбассе до глубины 1.8 км составляют 14% мировых ресурсов метана в угольных пластах и около 6% прогнозных ресурсов традиционного природного газа в России. В связи с этим шахтный метан уже в настоящее время может рассматриваться как наиболее перспективный источник альтернативного моторного топлива для угольных регионов России.
4 Кириллов Н.Г. Сжиженный биометан — перспективное моторное топливо //Тракторы и сельскохозяйственные машины, № 12, 2001. С. 10-13.
Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Он относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для производства моторных топлив из местного сырья достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Особенно это актуально для России, две трети территории которой расположено в зоне умеренного холодного климата, а финансово-экономическое состояние оставляет желать лучшего. Но тем не менее, из