Бензин и дизтопливо сегодня занимают первое место в международном рейтинге товарооборота, и человечество использует бензин больше, чем чай и кофе, которые делят второе место, а американцы ежесуточно приобретают этот продукт на $1 млрд.Тем не менее многие предприятия выбирают в качестве топлива для своих грузовиков природный газ. Некоторые из соображений экологического характера, другие видят в этом экономию: стоимость газа ниже традиционных видов топлива, а износ двигателя при его использовании снижается.
Из истории вопроса
Природный газ в качестве топлива успешно используется с 30-х гг. прошлого века, так же как и пропан-бутановая смесь LPG.Автомобили, работающие на сжатом метанеCNG, эксплуатировались еще до Отечественной войны в России, Италии, Великобритании, Чехии. Способ хранения топлива и объем, необходимый для поездок, требовал установки на крышу автомобилей огромного резинового баллона, который заправлялся метаном. Такая конструкция ограничивала максимальную скорость автомобиля, возникала большая вероятность опрокидывания машины при порывах бокового ветра, сложности появлялись при проезде под виадуками и в туннелях, встречающихся на маршрутах. Самой большой проблемой, однако, была небольшая дальность поездки автомобиля, которая составляла 50-70 км.
Такие эксплуатационные проблемы, а затем и резкое снижение цен на нефтяное топливо после войны, стали причиной исчезновения метановых грузовиков. Однако в Китае до 1990-хгг. еще ездили автобусы с впечатляющими резервуарами для метана на крыше. И надо сказать, что время доказало жизнеспособность автомобилей, работающих на метане, они стали достойной альтернативой нефтяному топливу.
В мире используется около 23 млн автомобилей, работающих на топливе в виде природного газа, и это составляет 1,3% от общего числа транспортных средств. В Европе таких автомобилей более 2 млн, в основном они сосредоточены в Италии и Германии. Причем существует вполне реальная вероятность, что уже в ближайшие годы их число в Европе вырастит до 10 млн. Такому всплеску сегодня способствуют многие факторы, и среди наиболее значимых – экологические требования к выхлопным газам транспортных средств, низкие эксплуатационные расходы газомоторной техники, активно растущая инфраструктура и популярность альтернативного топлива, а также льготы и материальные выплаты владельцам газовых автомобилей, уже действующие, например, в Германии. А в Финляндии водителю, использующему грузовик на метане, разрешается даже загружать дополнительную тонну груза.
Кратко о топливных газах
Автобусы, работающие на сжиженном природном газе, ездят по крупнейшим европейским столицам, но мировыми лидерами в использовании природного газа являются Аргентина (около 1,5 млн автомобилей), Бразилия и… Пакистан. В настоящее время многие производители грузовиков представляют модели, работающие на CNG или/иLNG.
CNG(Сompressed Natural Gas) – это природный газ, сжатый до 20–25 MPa, в основном применяется в моторах с искровым зажиганием и с самовоспламенением топлива. Сегодня в мире насчитывается свыше 4 млн автомобилей, работающих на CNG. Основным компонентом CNG является метан – самый простой углеводород, который при достаточном доступе воздуха сгорает полностью, без выброса твердых частиц. В то же время энергетическая ценность 1 м3 метана, а это около 0,7кг, соответствует энергоценности 1 л бензина. К сожалению, за счет разной плотности масса куба бензина соответствует массе тысячи кубов метана.
А называемый по-европейски природный газ LNG (Liquefied Natural Gas) – это газ, находящийся в жидком состоянии при температуре -162℃. При конденсации объем газа уменьшается в 630 раз, 1 т LNG – это примерно 1,38 тыс. м3 природного газа.
В промышленности используется несколько технологий сжижения природного газа, но, так или иначе, сложный процесс сжижения сопровождается очисткой метана от углекислого газа, азота, смеси пропана и бутана, ив итоге получают очень чистое топливо с октановым числом 130.
Широко используемая, особенно на легковом транспорте, у нас и в Европе, пропан-бутановая сжиженная смесь, обозначаемая LPG, наиболее удобна для использования. Этот газ, попутный при нефтедобыче, уже под давлением в 1,0–1,5 MPa переходит в жидкую фазу, и поэтому его достаточно просто хранить, транспортировать и т.д. К тому же пропан-бутановая смесь практически не содержит азота, поэтому присутствие этого чрезвычайно вредного соединения в выхлопных газах практически отсутствует, чего не скажешь о работе двигателя на бензине или дизтопливе. Использование LPG обеспечивает снижение выбросов вредных веществ в выхлопных газах, по сравнению с традиционным топливом, на 10–15% CO2, не менее, чем на 20% CO и на 60% углеводородов.
Но по энергетическим характеристикам LPG уступает вышеописанному CNG, да и стоимость LPG значительно выше метана. К тому же запасы нефти есть не везде в мире. Мы знаем, что в Европе ее почти не добывают. А вот метан получить проще: в Германии для этих целей освоили технологию переработки соломы, оставшуюся после уборки урожая зерновых. Из 10 т соломы там получают примерно 1,65 т метана.
Реальные примеры реального рынка газовых грузовиков
Одними из наиболее распространенных в Европе марок малотоннажных коммерческих автомобилей, так называемых автомобилей LCV(Light Commercial Vehicle) являются модели Fiat серии Professional. В этой серии самый большой ассортимент базовых моделей, в которых завод спроектировал и установил оборудование, позволяющее двигателю работать на метане и бензине.
Это четыре модели в 17 вариантах в зависимости от колесной базы, длины, высоты или остекления. В автомобиле, работающем на метане CNG, помимо спецустановки, необходимо разместить баллоны для хранения метана, обычно их 2–5 шт., их вес существенно снижает полезную грузоподъемность.
Все метановые модели от самой легкой, Fiat Panda, а также Fiat Fiorino, Fiat Doblo и самой крупной, Ducato, имеют отличия от базовых. Так, Fiat Panda создавался на основании версии с колесной формулой 4х4. Один из резервуаров для метана конструкторы расположили в тоннеле для приводного вала, второй поместили под багажником, там, где располагалось запасное колесо, т.е. в этой модели его нет, а также нет возможности и установить прицепное устройство. Но заправленный газом и бензином автомобиль может проехать до 1000 км.
В Fiorino метановые баки емкостью 77 л размещены также, как и в предыдущей модели. Грузовое пространство в этом случае уменьшилось всего на 0,3м3. Модель сохранила полноразмерный бензобак, таким образом машина без дозаправки проезжает 900 км. В самой крупной модели Ducato Natural Power конструкторы Fiat разместили аж пять баков, 3х 40л и 2х 50л, а также имеется бензобак, который считается резервным и рассчитан на 100 км пробега. К сожалению, в метановой версии Ducato полезная грузоподъемность машины уменьшилась на 400 кг, по сравнению с дизельным вариантом.
В группе итальянских автомобилей LVC, рассчитанных на работу мотора на метане/бензине, популярной моделью является Iveco Daily. С 1998г. компания Iveco предлагает своим клиентам автомобили на газе. Сегодня Iveco реализует уже третье поколение фургонов Daily, которое вышло на рынок в 2014 году. ВIvecо разработано несколько исполнений с максимально допустимой массой от 3,5 до 7,2 т. В 7-тонном грузовике компактно, в центральной части шасси, размещаются продольно четыре газовых бака и два дополнительных бака в задней части, всего на 302 л. Бензобак имеет символическую емкость 14 литров, чего хватает почти на 80 км.
А вот компания Scania уже не первый год разрабатывает и выпускает газовые моторы. Осенью прошлого года состоялась презентация силового агрегата OC13, работающего на природном газе– как сжатом, т.е. CNG, так и сжиженном LNG. Это газовый двигатель создавался на базе 13-литрового силового агрегата Scania.
Метановый мотор OC13 развивает мощность до 410 л.с. Для лучшей топливной экономичности и облегчения труда водителя конструкторами компании было принято решение агрегатировать OC13 только с автоматической коробкой передач.
Если принцип работы нового двигателя не изменился при использовании газового топлива, то запас его хода поменялся. Для магистральных автопоездов наиболее удобен двигатель OC13, работающий на сжиженном метане: запас хода на одной заправке достигает 1100 км. На сжатом метане CNG такой же автопоезд может проехать до 500 км, т.е. эти машины относятся к сфере региональных или даже городских перевозок.
Газовые двигатели вообще удобны при поездках по городу – во-первых, они отличаются чистым выхлопом, а во-вторых, низким шумовым фоном, не более 72 dB(A), что позволяет работать и ночью.
В марте прошлого года еще один бренд мирового уровня, компания Renault Trucks представила свою разработку – шасси Renault D WideCNG6х2 с 8,9-литровым двигателем NGT9 стандарта Евро 6 и мощностью 320 л. с. Двигатель может работать либо на природном сжатом газе CNG, либо на биометане. Биометан – возобновляемый источник энергии, получаемый из органических материалов, по сравнению с дизельным топливом он значительно меньше выбрасывает в атмосферу CO2.
Инженеры Renault Trucks предлагают два варианта установки газовых баллонов: это либо шесть баллонов, в которые можно закачать 600 л газа, сжатого до 200 бар. Другой вариант – это использование восьми баллонов, которые заправляются метаном. Баллоны, заправленные800 л метана, соответствуют 120 кг газа и объему в 160 м3. Газовый двигатель отвечает последним экологическим стандартам Евро 6, а шасси с колесной формулой 8×2 имеет грузоподъемность 26 т. Но покупатель может заказать и облегченную модель с колесной формулой 4×2 и грузоподъемностью 19 т, эта версия, конечно, более экономична.
Компания Renault Trucks с 2004 г. занимается конструированием и продажей грузовиков с двигателями, работающими на сжатом метане. Запас хода грузовика на шасси Renault D Wide CNG – до 400 км.
Ярославский «Автодизель» начал серийное производство газовых двигателей семейства ЯМЗ-530с августа 2016 г. Базовый 530-й создавался как рядный дизель, а в конструировании и проектировании новой серии активное участие приняли инженеры австрийской моторостроительной компании AVL и известный производитель газовых моторов, компания Westport из Канады. В результате появились двигатели, аналогов которым в других странах нет.
Четырехцилиндровый моторЯМЗ-534CNG с турбонаддувом, рециркуляцией выхлопных газов и свечами зажигания Bosch вместо форсунок сегодня устанавливают на грузовики «Газон Next», на новые автобусы Павловского завода «Вектор Next». Для автобуса выбрана средняя настройка мощности: 150 л.с. при 2300 об/мин и 590 Н.м при 1200-1600 об/мин.Специалисты утверждают, что это самый востребованный двигатель для «Вектор Next»: тяговитый, экономичный, надежный. Пока же на другие модели ПАЗов ставят дизель Cummins ISF 3.8 и Cummins ISB.
ДвигателиЯМЗ-534 CNG устанавливают так же на военные бронеавтомобили «Тигр», а модификация ЯМЗ-536 используется для комплектации тяжелых «Уралов Next».А еще эти моторы ставят на тракторы «Кировец», комбайны, дорожные машины, даже на суда на воздушной подушке и на спецтехнику, поставляемую из Беларуси. Объемы выпуска немалые, около 15,5 тыс. двигателей в год, но 530-я серия не залеживается. Причем в 2016 г.двигатели серии собирали в основном из импортных компонентов, а сегодня уровень локализации достиг 80%.
Электрические грузовики еще себя покажут!
По прогнозам немецких специалистов концерна VW, к 2050 году автомобилей с традиционными ДВС не останется: их заменят электрические. А пока продолжается модернизация существующих моторов, создаются различные варианты гибридных и электрических силовых установок, очень популярен сегодня вариант использования газомоторного топлива в сфере грузовых перевозок.
Ведущие производители грузовиков выделяют огромные средства на проведение исследовательских и экспериментальных работ в области электропривода, из чего следует, что это одно из приоритетных направлений развития их модельных рядов, в этом они видят для себя перспективу на годы вперед.
Руководство DAF не раз заявляло, что возлагает большие надежды на гибридные технологии и работает в направлении создания легких аккумуляторов очень большой емкости. Уже в 2020 г. компания планирует начать серийное производство электроприводных моделей: DAF СА Electric, DAFFL Electric и гибридной моделиDAF СF Hybrid.
В 2018 г. концерн представил покупателям полностью электрический грузовик CF Electric с колесной формулой 4х2.Новую модель можно охарактеризовать как городской тягач, поскольку машина массой 9,7 т способна транспортировать груз массой до37 т, но дальность движения на одной зарядке ограничивается 100 км. Однако специалисты DAF предлагают покупателям систему быстрой зарядки, продолжительность которой всего 30 мин, а полная зарядка аккумуляторов CF Electric занимает 90 мин.
Новый тягач создавался путем внесения изменений в силовую часть базовой моделиDAFCF. Эта машина была представлена на авторитетном международном конкурсе в г. Лионе, где удостоилась звания «Международный автомобиль 2018 года».
Основным элементом привода CF Electric, разработанного компанией VDL и получившего названиеE-Power, является э/двигатель мощностью 210 кВт. Для хранения энергии автомобиль располагает литий-ионными АКБ емкостью 170 кВтч.
В Renault Trucks создали гамму электрогрузовиков, состоящую из трех моделей: Renault Master Z.E., Renault Trucks D Z.E. и Renault Trucks D Wide Z.E. Автомобили создавались для выполнения широкого круга различных работ в пределах одного мегаполиса.
Так, Renault Trucks Master Z.E. с полной массой 3,1 т комплектуется 57-килловатным двигателем, что позволяет разгоняться до 100 км/ч. Полного заряда аккумуляторов хватает на поездку по городу длиной 120 км, затем необходима зарядка. До 100% АКБ заряжаются примерно за 6 ч.
Вторая модель, Renault Trucks D Z.E., комплектуется двигателем мощностью 130 кВт, максимальная же мощность достигает 185 кВт. Заряд батарей позволяет рассчитывать на запас хода в 300 км. Модель допустимой массой 16 т удобна для перевозки грузов внутри городской черты, в Renault даже предлагается покупателям вариант исполнения в виде рефрижератора.
Наиболее крупная, 26-тонная, модель Renault Trucks D Wide Z.E. создавалась для выполнения функций мусоровоза. В грузовике установлено два э/двигателя общей мощностью 260 кВт, максимальная мощность –370 кВт. Двигатели приводит в действие АКБ емкостью 200 кВтч, обеспечивается пробег до 200 км. Имеющаяся система быстрой зарядки Combo CCS зарядит аккумуляторы до 150 кВт за 1,5-2 ч, полную же зарядку рекомендовано производить в течение 12 ч.
Компания Mercedes-Benz производит целую гамму транспортных средств с электроприводом, от городских автобусов до тягачей автопоездов. В 2018 г. Mercedes предоставил своим клиентам полностью электрический грузовикe Actros, доступный в двух вариантах: 2-осный грузовик общей массой в 18 т и 3-осный общей массой25 т.EActros был создан в основном для доставок грузов внутри городских районов. Грузовик приводится в движение двумя асинхронными э/двигателями с жидкостным охлаждением, расположены они в колесах задней оси, каждый из них обеспечивает мощность в 170 л.с. Общая емкость одиннадцати литий-ионных АКБ – 240 кВтч, и это дает возможность eActros преодолевать расстояние в 200 км.
Сегодня компания Mercedes-Benzзанимается продвижением на рынке электрогрузовика FUSO eCanter, поскольку марка FUSO входит в состав концерна Daimler.E Canter имеет электродвигатель мощностью 180 л.с., грузоподъемностью машины до 4,5 т. Энергия накапливается в литий-ионных батареях общей мощностью 82,8 кВтч. Автомобиль разгоняется до 80 км/ч, и на одной зарядке может проехать более 100 км. По сравнению с дизельными аналогами, эксплуатация eCanter обеспечивает экономию в €1000 евро на каждые 10тыс. км пробега.
Компания MANвпервые в сентябре 2016 г. представила на международной автомобильной выставке IAA в Ганновере тягач MAN eTruck TGS с электроприводом. Затем, в течение короткого времени, в MAN были созданы на основе модели MAN TGM модели грузоподъемностью от 18 до 26 т. Емкости АКБ, представляющей комплект из трех литий-ионных батарей емкостью 35,3 кВтч каждая, размещенных под кабиной, хватает на пробег от 50 до 150 км, в зависимости от условий эксплуатации.
Подзарядка же, по задумке конструкторов, осуществляется ночью, хотя устройством машины предусмотрена возможностьOpportunity-Charging– подзарядки в процессе эксплуатации. Также производитель предусматривает возможность установки на раме еще четырех батарей по 35,3 кВтч каждая или же монтаж топливных водородных элементов. К 2021 г. в компании собираются официально предлагать варианты по переоборудованию всем клиентам в виде опций.
Что ждет в ближайшем будущем?
В мире, безусловно, идет острая конкуренция в сфере автомобильного топлива. Производители бензина не сидят сложа руки: если прежде, в 19 веке, бензин получали в результате прямой перегонки нефти, что позволяло получить не более 25% бензина от первоначального объема, то при современных методах получают уже до 80% высококачественного горючего от первоначального объема нефти, а эту самую нефть перерабатывать практически на 100%. Многие ученые утверждают, что возможности традиционного топлива еще далеко не исчерпаны, в то же время альтернативное имеет серьезные недостатки.
Это и опасность взрыва газа, и повышенный его расход, по сравнению с дизтопливом и бензином, дорогостоящее топливное оборудование, невозможность создать запас в бытовых условиях. А в северных районах нашей страны заряд электромобиля садится, как телефон на морозе, поскольку емкость аккумуляторной батареи на холоде резко падает. Если летом при полной зарядке, например, можно проехать 170 км, то в сильный мороз аккумулятора хватит только на 50 км, много энергии забирает печка, на обогрев уходит порядка 30% энергии. В общем, вопросов много, но в ситуации с топливом есть и политическая составляющая.
До 2020 г. в США будут введены в эксплуатацию пять терминалов по экспорту CNG общей мощностью 57,8 млн т/год, и произведенный газ нужно реализовывать. В России также уже с 2018 г. действуют два крупных предприятия, поставляющие метан. Это «CNG-завод» проекта «Сахалин-2», он запущен в 2009 г. и контрольный пакет принадлежит «Газпрому». По итогам 2015 г. производство составило 10,8 млн т/год.
Вторым крупным игроком на рынке российского метана становится компания «Новатэк», которая в январе 2018 г. ввела в эксплуатацию «CNG-завод» на проекте «Ямал-СПГ».
На европейском газовом рынке начнется противостояние американского CNG и российского сетевого газа.
