image
energas.ru

...

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В КАЧЕСТВЕ МОТОРНОГО ТОПЛИВА НА ПРИМЕРЕ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ В КИТАЕ


На основе обзора истории применения в Китае транспортных средств, работающих на природном газе, в данной статье рассматриваются тенденции к использованию природного газа в качестве моторного топлива в трех аспектах: нормы и политика в области выбросов загрязняющих веществ транспортными средствами в Китае и за рубежом, развитие технологии газового двигателя — актуальные проблемы, план развития использования cжиженного природного газа в качестве автомобильного и судового топлива компанией PetroChina. Анализ показывает, что в ответ на необходимость соблюдения более строгих стандартов выбросов загрязняющих веществ природный газ становится одним из наиболее подходящих видов топлива в качестве замены бензина и дизельного топлива. Дальнейшее совершенствование системы регулирования промышленности и осуществление международного сотрудничества способствуют развитию индустрии сжиженного природного газа и ускорению процесса глобализации чистой энергии.


1_1_1.png

 

По мере ежегодного увеличения парка автомобилей в мире все больше внимания уделяется влиянию выбросов выхлопных газов на атмосферу. Многие страны постепенно переключают свое внимание на применение экологически чистого топлива для защиты окружающей среды и улучшения структуры энергопотребления. За счет богатых запасов, более низких выбросов загрязняющих веществ при его сжигании и безопасности использования природный газ стал одним из лучших альтернативных видов топлива для замены бензина и дизельного топлива [1] и получил широкие перспективы развития. В последние годы парк газовых автомобилей в Китае продолжает интенсивно расти и теперь занимает первое место в мире по количеству единиц техники. Рассмотрение истории развития газомоторной техники в Китае имеет большое значение для изучения тенденций развития использования природного газа в качестве моторного топлива в мировой транспортной отрасли.

  

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ В КИТАЕ

Начальная стадия промышленности

В 1950‑х гг. в Китае поставки нефти и нефтепродуктов были недостаточными, для удовлетворения рыночного спроса на энергию страна начала использовать природный газ в качестве моторного топлива, преобразовав бензиновые двигатели в газовые и разработав самые первые автомобили, работающие на природном газе с нормальным давлением [2]. На данном этапе двигатель имел низкую эффективность и малую мощность: хотя автомобиль был оснащен большим баллоном для газа, запас хода оставался все еще очень коротким. В итоге природный газ использовался только в качестве моторного топлива для городского общественного транспорта.

1_1.png 

Стадия технологического развития

В 1980‑х гг. Китай приступил к изучению технологий, связанных с транспортными средствами, работающими на компримированном природном газе (КПГ): технологии двигателя, работающего на КПГ, газовые баллоны высокого давления, проектирование и строительство автозаправочных станций (АЗС) КПГ и т. д. В 1988 г. в провинции Сычуань была построена первая АЗС для заправки КПГ в Китае, и в транспортной сфере появились первые автомобили, работающие на КПГ. По сравнению с автомобилями на природном газе с нормальным давлением, запас хода автомобиля на КПГ увеличился, но мощность все еще была недостаточной. Кроме того, КПГ не подходит для транспортных средств большой грузоподъемности. В то же время из‑за ограничений по количеству и размещению АЗС автомобиль на КПГ не способен преодолевать значительные расстояния, а КПГ может использоваться только в качестве топлива для городских автобусов, такси и частных автомобилей [3].

 

Стадия промышленной модернизации

В начале XXI в. в Китае начало развиваться производство сжиженного природного газа (СПГ). Постепенно стали очевидны такие преимущества СПГ в качестве моторного топлива для автомобилей, как чистые составы газа, обеспечение большого запаса хода автомобиля, более высокая безопасность при использовании и т. д. По сравнению с дизельными двигателями выбросы выхлопных газов двигателей на СПГ низкие, а экономическая эффективность значительная [4]. С 2005 г. компания PetroChina Co. Ltd. начала развивать направление использования СПГ в качестве топлива для тяжелых грузовиков, междугородних автобусов и другой техники, а также способствовать развитию производства газовых двигателей и переоборудованию дизельного двигателя на СПГ.

1_1_2.png 

Стадия всестороннего развития

С 2016 г. правительство Китая неоднократно издавало нормативы и инструкции для ускорения модернизации транспортного топлива и содействия применению природного газа в качестве моторного топлива. Сжиженный природный газ стал наиболее подходящим вариантом для развития низкоэмиссионного транспорта благодаря его экономическим и экологическим преимуществам [5]. В настоящее время в Китае запущена в эксплуатацию 21 приемная станция СПГ и 230 заводов по производству СПГ, общая мощность поставок СПГ в стране превышает 100 млн т / год.

В то же время за счет выгодных цен на природный газ и совершенствования технологии газовых двигателей автомобили на СПГ получили широкое распространение, в их число входят тяжелые грузовики, междугородние автобусы, строительная техника и др., применяются они и в портовой логистике [6]. Согласно статистическим данным, по состоянию на конец 2017 г., парк автомобилей на СПГ в Китае составил около 300 тыс. шт. (см. рис. 1), количество заправочных станций СПГ — 3100 шт. и общее потребление СПГ в автотранспортном секторе — примерно 990 млн м3. Ожидается, что парк автомобилей на СПГ в Китае будет расти примерно на 100 тыс. ед. в год [7].

Между тем с 2010 г. в Китае началось развитие использования СПГ в качестве моторного топлива для судов. До конца 2017 г. в стране существовало примерно 280 судов, работающих на СПГ (большинство из них речные), и сдано в эксплуатацию 19 заправочных станций для бункеровки судов.

1_1_3.png 

СТАНДАРТЫ И НОРМАТИВЫ ПО РЕГУЛИРОВАНИЮ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Зарубежные стандарты и нормативы

В автомобильном секторе дизельные автомобили служат основным источником выбросов оксидов азота (NOx) и твердых частиц (ТЧ) и подлежат первоочередной замене на автомобили на СПГ. По мере непрерывного ухудшения качества окружающей среды требования к выбросам загрязняющих веществ автомобилями во многих странах постепенно повышаются, соответственно, и требования к допустимым пределам выбросов NOx и ТЧ автотранспортом, в частности автомобилями большой грузоподъемности, становятся более строгими (см. табл. 1).

В судовом секторе Международная морская организация установила режим ограничения содержания серы в топливе. Предусматривается, что с 01.01.2020 г. содержание серы в судовом топливе во всем мире не должно превышать 0,5 %, а в зонах контроля выбросов — 0,1 % (см. рис. 2).

Допустимые пределы выбросов NOx, устанавливаемые Международной морской организацией (см. рис. 3), применяются к судам с выходной мощностью двигателя 130 кВт и более. В соответствии с этим правилом уровень выбросов NOx с судов, построенных 01.01.2016 г. или после этой даты, и эксплуатирующихся в пределах районов контроля выбросов NOx (Северная Америка и территориальные воды США в Карибском море), должен соответствовать стандартам Tier-III. Когда эти суда выходят за пределы зоны контроля выбросов NOx, могут применяться стандарты Tier-II.

1_1_4.png 

Китайские стандарты и нормативы

В автомобильном секторе на долю дизельных автомобилей в Китае приходится менее 10 % общего парка автотранспортных средств, но выбросы NOx дизельных автомобилей составляют около 70 % от общего объема выбросов NOx, а выбросы ТЧ — около 90 % от общего объема выбросов ТЧ. В связи с этим в последние годы контроль над загрязнением воздуха дизельными грузовиками стал одним из основных направлений борьбы с загрязнением атмосферы. В 2018 г. правительство Китая официально сформулировало свою позицию по поводу комплексного усиления защиты окружающей среды и решительной борьбы с загрязнением и начало активную деятельность по контролю за загрязнением воздуха дизельными автомобилями путем их перевода на СПГ.

1_1_5.png

Внедрение нормативов на выбросы загрязняющих веществ автомобилями в Китае началось позже, чем в развитых зарубежных странах, но допустимые пределы выбросов транспортных средств большой грузоподъемности, установленные в последней редакции китайского национального стандарта «Пределы выбросов загрязняющих веществ для транспортных средств большой грузоподъемности и методы измерения (этап 6 в Китае)» (GB VI1), и европейский стандарт Евро VI в основном одинаковы. По сравнению с бывшей редакцией стандарта GB V, допустимые пределы выбросов углеводородов, NOx и ТЧ, установленные в стандарте GB VI, значительно снизились (см. табл. 2).

Исполнение китайского национального стандарта по выбросам GB VI осуществляется в два этапа – «А» и «Б», – которые отличаются в аспектах допустимых пределов ТЧ, требованиях к передаче данных систем бортовой диагностики, требованиях к выбросам в районах, расположенных высоко над уровнем моря, и диапазоне испытательной нагрузки. Даты вступления в действие стандарта по выбросам загрязняющих веществ автомобилями большой грузоподъемности в Китае указаны в табл. 3.

Для судового сектора 09.07.2018 г. правительство Китая утвердило План изменения зоны контроля выбросов судов и постановило расширить зону контроля выбросов в прибрежной полосе – от предыдущих территорий вокруг дельт рек Чжуцзян, Янцзы и Бохайского залива до расстояния 12 мор. миль по всей стране и прибрежных вод в провинции Хайнань (см. табл. 4).

Кроме того, правительство Китая неоднократно выпускало отраслевые стандарты и руководства для всестороннего и углубленного продвижения использования СПГ на водном транспорте, а также разработало план строительства станций бункеровки судов СПГ вдоль судоходных магистралей р. Янцзы, Великого канала «Пекин – Ханчжоу» и р. Сицзян в целях расширения применения СПГ в качестве топлива речных, каботажных судов и паромов. Причем правительство Китая также непрерывно стимулирует деятельность по разработке стандартов и нормативов, касающихся су-дов на СПГ, станций бункеровки судов СПГ и т. д.

1_1_6.png 

ДВИГАТЕЛЬ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРОБЛЕМЫ

Исследования в области разработки и совершенствования двигателя на природном газе в основном сосредоточены на таких вопросах, как нагрузочная характеристика, приемистость, регулирование соотношения воздух-топливо, плотность энерговыделения, выбросы несгоревших углеводородов, выбросы NOx и др. [8, 9]. Все эти вопросы можно решить путем улучшения системы управления подачей газа и процесса сгорания топлива в цилиндре, оптимизации запчастей и технологий управления и т. д. История развития технологий двигателей на природном газе приведена в табл. 5.

Хотя технология сжигания обедненной смеси может эффективно снизить выбросы диоксида углерода, выбросы NOx все еще будут оставаться высокими [10–12]. Для повышения эффективности использования природного газа и сокращения выбросов загрязняющих веществ в основном применяются следующие технологии очистки и утилизации выхлопных газов, которым сопутствуют определенные проблемы.

Технология рециркуляции выхлопных газов (Exhaust Gas Recirculation, EGR) (см. рис. 4). Повторное дожигание выхлопных газов снижает выбросы NOx, но это не так просто контролировать и регулировать EGR, а выходная мощность двигателя, в свою очередь, уменьшается [13].

Технология адсорбционного каталитического восстановления (Lean NOx Trap, LNT) (см. рис. 5). Адсорбция NOх в выхлопных газах по принципу регенерации с адсорбционным восстановлением и превращение NOх в азот и воду в процессе регенерации обеспечивают эффективное снижение выбросов. Однако нагрузка оказывает большое влияние на выбросы после каталитического восстановления, и необходимо строго контролировать объем подачи воздуха, причем технология предъявляет более высокие требования к контролю температуры и требует больше энергии [14].

Технология селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction, SCR) (см. рис. 6). Мочевина и NOх смешиваются в условиях высоких температур для превращения их в воду и азот. Но в процессе данной технологии необходимо полностью смешивать два вещества и точно контролировать количество добавляемой мочевины – регулярная добавка мочевины также значительно увеличивает стоимость эксплуатации автомобиля.

1_1_7.png 

ПЛАН РАЗВИТИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПГ В АВТОМОБИЛЬНОМ И СУДОВОМ СЕКТОРАХ PETROCHINA CO. LTD.

В качестве главного участника газового рынка и ведущей компании в газовой промышленности Китая компания PetroChina всегда активно участвует в развитии использования природного газа в транспортном секторе. В настоящее время в компании работает более 1200 газовых АЗС, среди которых 730 заправочных станций СПГ разных типов, таких как АЗС СПГ, комплексные АЗС нефтепродуктов и СПГ, контейнерные АЗС СПГ, криогенные передвижные автогазозаправщики и т. д. Компания также активно участвовала в процессе разработки нормативных документов, касающихся контроля качества СПГ, проектирования и строительства АЗС СПГ для бункеровки судов, и приступила к реализации пилотных проектов использования СПГ в качестве топлива для речных судов. Для исполнения отраслевых стандартов по защите окружающей среды и развитию газовой промышленности компания разработала планы развития использования СПГ в транспортных секторах, приняла модель развития «Многопартийного сотрудничества, интеграции промышленности и финансовых мер» в сфере поставок СПГ, логистики и транспорта, заправочных сооружений и развития инфраструктуры, ускорила реализацию пилотных проектов и оптимизировала технологическую цепочку производства СПГ.

 

Развитие использования СПГ в автомобильном секторе

Компания разработала Общий план развития использования СПГ в автомобильном секторе страны, так называемый «План строительства заправочной инфраструктуры вдоль четырех вертикальных и четырех горизонтальных автомагистралей в Китае» (см. рис. 7). Согласно данному плану по восьми автомагистралям: «Чанчунь – Шэньчжэнь», «Эрлянь-Хото – Гуанчжоу», «Баотоу – Маомин», «Ланьчжоу – Хайкоу», «Циндао – Иньчуань», «Ляньюньган – Хоргос», «Шанхай – Чэнду», «Шанхай — Куньмин» – будет постепенно расти строительство АЗС СПГ и комплексных АЗС нефтепродуктов и СПГ. Помимо этого, компания планирует расширять рынок использования СПГ в качестве моторного топлива для различных автомобилей, таких как тяжелые грузовики, междугородние автобусы, логистические автомобили, уборочные машины, специализированный транспорт на территории промплощадок, портов и парков, автобусы-шаттлы и т. д.

 

Развитие использования СПГ в судовом секторе

Компания PetroChina также разработала Общий план развития использования СПГ в судовом секторе страны, так называемый «План строительства заправочной инфраструктуры для бункеровки судов вдоль двух главных вертикальных, двух главных горизонтальных судоходных магистралей, в двух водных бассейнах и вдоль восемнадцати основных судоходных линий» (см. рис. 8). Здесь под «двумя главными вертикальными судоходными магистралями» подразумеваются Великий канал «Пекин – Ханчжоу» и прибрежная судоходная магистраль, «двумя главными горизонтальными судоходными магистралями» – судоходные магистрали рек Янцзы и Сицзян, «двумя водными бассейнами» — бассейны рек Янцзы и Чжуцзян, а под «восемнадцатью основными судоходными линиями» – судоходные пути рек Миньцзян, Цзялинцзян, Уцзян и т. д. Компания планирует развивать использование СПГ в судовом секторе путем строительства небольших терминалов для хранения и перевалки СПГ, береговых и плавучих заправочных станций для бункеровки судов СПГ. В перспективе рассматривается возможность использования СПГ в качестве топлива балкеров, контейнеровозов, круизных лайнеров и т. д.

 

ВЫВОДЫ

В качестве чистой энергии с достаточными ресурсами и зрелой промышленной технологией природный газ служит одним из наиболее подходящих видов топлива в качестве замены бензина и дизельного топлива в текущем и будущем периодах. По мере того как растут требования пользователей к мощности, экономичности и долговечнос-ти двигателей, а общемировые стандарты по контролю выбросов загрязняющих веществ становятся все более жесткими, будущее развитие газовых двигателей все еще сталкивается с техническими проблемами. Соответственно, необходимо повысить технический уровень оборудования и сооружений, совершенствовать отраслевые стандарты и получить от правительства официальную поддержку развития отрасли газомоторного топлива. В последние годы Китай накопил богатый опыт в этой сфере и готов приложить совместные усилия с остальными странами в целях содействия расширению использования природного газа в транспортном секторе.

 

Таблица 1. Допустимые пределы выбросов NOx и ТЧ автомобилями большой грузоподъемности в Китае и за рубежом

Table 1. Acceptable limits of NOx and solid particle emissions from heavy-duty vehicles in China and overseas

Страна

Country

Экологический стандарт

Environmental standard

Годы

Years

Предельно допустимые значения, г / кВт·ч

Acceptable limit values, g/kW·h

NOx

ТЧ

Solid particles

Страны Европы

European countries

Euro IV

2005‑2007

3,5

0,02

Euro V

2008‑2012

2,0

0,02

Euro VI

С 2013 г.

0,5

0,01

США

USA

EPA 2004

2005‑2006

3,4

0,14

EPA 2007

2007‑2009

1,63

0,013

EPA 2010

С 2010 г.

0,27

0,013

Япония

Japan

JP 2005

2005‑2009

2,0

0,027

JP 2010

С 2010 г.

0,7

0,01

Китай

China

GB II

2005‑2006

7,0

0,15

GB III

2007‑2009

5,0

0,1

GB IV

2010‑2012

3,5

0,02

GB V

С 2012 г.

2,0

0,02


Таблица 2. Допустимые пределы выбросов загрязняющих веществ автомобилей большой грузоподъемности в китайских и европейских стандартах: ESC — европейский цикл испытаний в устойчивом режиме; WHSC – общемировой цикл испытаний в установившемся режиме

Table 2. Acceptable emission limits of heavy-duty vehicles pollutants according to the Chinese and European standards: ESC — the European Stationary Cycle; WHSC — World Harmonized Stationary Cycle

Экологический стандарт

Environmental standard

Загрязняющие вещества

Pollutants

CO

HC

NOx

PM

PN

г / кВт·ч

g/kW·h

/ кВт·ч

/ kW·h

GB V (ESC)

1,5

0,46

2,0

0,02

Euro VI (WHSC)

1,5

0,13

0,4

0,01

8×1011

GB VI (WHSC)

1,5

0,13

0,4

0,01

1,2×1012

1 GB 17691–2018. Limits and measurement methods for emissions from diesel fuelled heavy-duty vehicles. Available from: https://www.chinesestandard.net/PDF/English.aspx/GB17691-2018 [Accessed 8th May 2019].

Таблица 3. Даты вступления в действие китайского национального стандарта по выбросам GB VI автомобилей большой грузоподъемности

Table 3. The dates when the China VI emission standard for heavy-duty vehicles is taking effect

Этапы вступления в действие стандарта

The stages during which the standard is taking effect

Виды автомобилей

Vehicle types

Дата вступления в действие стандарта

The date when the standard is taking effect

Этап «А»

Stage A

Автомобили большой грузоподъемности на природном газе

Heavy-duty vehicles operating on natural gas

01.07.2019

Городские автомобили большой грузоподъемности

Urban heavy-duty vehicles

01.07.2020

Все автомобили большой грузоподъемности

All heavy-duty vehicles

01.07.2021

Этап «Б»

Stage B

Автомобили большой грузоподъемности на природном газе

Heavy-duty vehicles operating on natural gas

01.01.2021

Все автомобили большой грузоподъемности

All heavy-duty vehicles

01.07.2023


Таблица 4. Зоны контроля выбросов и допустимые пределы содержания серы в судовом топливе в Китае

Table 4. Emission control areas and acceptable limits for sulfur content in marine fuel in China

Дата вступления в действие

The date of taking effect

Зона контроля выбросов

Emission control areas

Состояние судов

Ships condition

Содержание серы в судовом топливе, масс. %

The amount of sulfur in marine fuel, mass. %

01.01.2019

Прибрежные воды Китая

Chinese coastal waters

Каботажное плавание

Coastwise navigation

≤0,5

Швартовка к причалу

Mooring

≤0,5

01.01.2020

Прибрежные воды Китая (за исключением прибрежных вод в провинции Хайнань)

Chinese coastal waters (except Hainan Province)

Каботажное плавание

Coastwise navigation

≤0,5

Швартовка к причалу

Mooring

≤0,1

Прибрежные воды в провинции Хайнань

Coastal waters in Hainan Province

Каботажное плавание

Coastwise navigation

≤0,1

Швартовка к причалу

Mooring

≤0,1


Таблица 5. Развитие технологий двигателей на природном газе

Table 5. The development of the natural gas engine technology

Поколение двигателя

Engine generation

Способы подачи газа

Gas supply methods

Режим пуска двигателя

Engine start mode

Характеристики

Characteristics

I

Впускная система смешанных газов с механическим управлением

Mechanically controlled mixed gas intake system

Открытый контур регулирования воздушно-топливного соотношения (воспламенение от искры, зажигание с помощью пускового дизеля)

Open air-fuel ratio control loop (spark ignition, starting diesel ignition

Управление шаговым двигателем, плохая мощность и экономичность, низкая тепловая эффективность и трудное управление выбросами загрязняющих веществ

Stepper motor control, poor power and economy, low thermal efficiency, and difficult emission control

II

Впускная система смешанных газов с электронным управлением

Electronically controlled mixed gas intake system

Закрытый контур регулирования воздушно-топливного соотношения (высоковольтное зажигание, сжигание обедненной смеси)

Closed air-fuel ratio control loop (high energy ignition, lean mixture combustion)

Секундное управление подачей газа

Second-level gas supply control

III

Технология впрыска с электронным управлением (одноточечный впрыск, многоточечный впрыск топлива)

Electronically controlled injection technology (single point injection, multipoint fuel injection)

Высоковольтное зажигание обедненной смеси

High energy ignition, lean mixture combustion

Миллисекундное управление подачей газа, эффективная технология последующей обработки

Milllisecond-level gas supply control

IV

Система бортовой самодиагностики, моторный тормоз-замедлитель, коробка отбора мощности

On Board Diagnostics, Exhaust Valve Brake, Power Takeoff

V

Непосредственный впрыск топлива высокого давления

High Pressure Direct Injection

Свеча накаливания, микродизельное зажигание

Glow plug, micro-diesel ignition

Мощность сопоставима с дизельными двигателями

The power is comparable to diesel engines