Крио АЗС Российские и зарубежные технологии

Газовая промышленность является крупным элементом мировой энергетики и важнейшим сектором экономики и жизнеобеспечения стран мира. Эффективное функционирование и развитие газового комплекса способствует социально-экономическому развитию российских регионов и регионов других стран, стимулирует развитие отраслей промышленности, энергетики и транспорта. Газовая промышленность тесно связана не только с открытием и разработкой газовых месторождений, но и с формированием рынков потребления газа, созданием инновационных технологий его транспортировки и использования.

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. Численность автомобилей в мире по некоторым оценкам к 2035 г. достигнет двух миллиардов. Всем этим автомобилям нужно топливо, преимущественно бензин и дизельное топливо [1].

Между тем, спрос на энергоносители в мире будет расти. Во многих странах мира резко возросли требования к качеству топлив с точки зрения их экологической безопасности. Этого добиваются либо путем совершенствования процессов переработки нефти, либо путем перехода на другие виды сырья. Одной из серьезных стала проблема уменьшения выбросов парниковых газов, прежде всего, диоксида углерода. Разрабатываются различные методы его улавливания и секвестирования, а также технологии, способствующие уменьшению выбросов диоксида углерода [1].

Возможное истощение запасов российской нефти и последующий дефицит моторных топлив нефтяного происхождения может быть компенсирован альтернативными видами топлив, которые являются экологически более чистыми. Такими топливами принято считать горючие продукты, получаемые не из нефти, использование которых способствует уменьшению загрязнения окружающей среды. Из числа ископаемого сырья также расширяется использование природного и попутного газов, газификации угля, но на базе высокоэкологичной переработки [2].

В современных условиях природный газ становится базовым топливом в мире. Он дает в экологическом отношении сравнительно чистое горение, недорог, запасы его в изобилии и значительно превосходят запасы нефти [3]. Он используется для отопления домов, приготовления пищи, производства электричества, как сырье для химических промышленных перерабатывающих предприятий, а также в качестве моторного топлива на транспорте.

Дальнейшие масштабы применения газа в качестве моторного топлива связаны с особенностями развития топливно-энергетического комплекса и складывающейся социально-экономической ситуацией в мире. По прогнозам специалистов, до 2030 г. наиболее эффективным энергоносителем останется природный газ. Доля его использования в качестве моторного топлива ориентировочно возрастет до 50 % [1].

В целом в качестве основных видов альтернативных топлив рассматриваются: сжиженный природный газ (СПГ), сжиженная углеводородная пропан-бутановая смесь (СУГ), многотоннажная новая продукция, а именно биодиметиловый эфир (ДМЭ), биоспирты, такие как биоэтанол, биометанол, биодизельные эфиры, биогаз, синтетические дистилляты, водород. Природный газ, до 98% состоящий из метана, может использоваться в газообразной и жидкой фазе, значительные природные запасы делают природный газ перспективным моторным топливом как собственно газомоторное топливо (ГМТ), так и в качестве сырья для дальнейшего синтеза [2].

Наибольшее распространение в качестве газомоторного топлива получили сжиженные углеводородные газы, компримированный и сжиженный природный газ, превосходящие по ряду основных физико-химических и моторных качеств традиционные виды топлива [1]. Несмотря на более широкое применение в качестве моторного топлива компримированного природного газа за рубежом в настоящее время наметилась тенденция к использованию на автотранспорте сжиженного природного газа [4].

Сжиженный природный газ реализуется потребителям через автомобильные газонаполнительные компрессорные станции с криогенным оборудованием (АГНКС) либо через криогенные автомобильные заправочные станции (КриоАЗС). За рубежом в зависимости от назначения данную функцию выполняют станции liquefied natural gas (LNG) filling station или liquefied-compressed natural gas (L-CNG) filling station, а также станции, совмещающие обе технологии.

КриоАЗС – станция, предназначенная для приема и хранения сжиженного природного газа с последующей заправкой им автотранспортных средств [5]. КриоАЗС – новинка для российского рынка, их строительство возможно в случае отсутствия возможности подключения к сетям газораспределения, либо при дефиците необходимого объема газа. Главным требованием остается наличие завода по сжижению газа на приемлемом с точки зрения логистических расчетов расстоянии. При наличии источника СПГ, газ в сжиженном виде доставляется до места размещения КриоАЗС с помощью автоцистерн, далее происходит заполнение емкостей сжиженным газом. На станции с помощью технологии регазификации, сжиженный метан преобразуется в компримированный, и после этого возможна заправка транспорта как на СПГ, так и на КПГ [6].

На сегодняшний день сжиженный природный газ наиболее востребован в магистральных грузоперевозках, для бункеровки морских судов, в железнодорожном транспорте и в сельском хозяйстве (для тяжелой сельскохозяйственной техники) [6, 7].

Мировой опыт по применению сжиженного природного газа потребителям различных категорий показывает, что технологии с применением СПГ являются более сложными, чем технологии с применением сетевого газа или сжиженного пропан-бутана. Однако природный газ в сжиженном виде достаточно часто является незаменимым экономичным и экологичным энергоносителем.

Перечисленные выше особенности и тенденции увеличения спроса на сжиженный природный газ в качестве моторного топлива, а также складывающаяся ситуация в мире обуславливают необходимость систематизации информации об оборудовании и технологиях, используемых в заправочной инфраструктуре сжиженного природного газа для автомобильного транспорта.

Сжиженный природный газ в качестве моторного топлива для автотранспорта

К наиболее перспективным видам топлива, соответствующим экологическим требованиям и характеризующимся высоким экономическим эффектом, относится сжиженный природный газ. За счет глубокой подготовки газа перед его сжижением СПГ становится энергоносителем с высокой энергетической эффективностью, пробег транспортного средства без дозаправки увеличивается более чем в три раза [7]. Благодаря уменьшению объема газа в 600 раз, СПГ можно транспортировать на большие расстояния для дальнейшего использования и хранить в течение длительного времени [8].

Большие запасы природного газа – исходного сырья для получения СПГ, развитая сеть магистральных газопроводов доставки от месторождений во многие регионы, сравнительно низкая цена и значительные экологические преимущества в сравнении с традиционными видами нефтяных топлив делают СПГ универсальным горючим и энергоносителем 21 века [1].

Транспорт является одним из основных источников вредных выбросов в окружающую среду, на него приходится около 40 % суммарных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и порядка 10 % выбросов парниковых газов. Использование сжиженного природного газа в качестве моторного топлива позволяет снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду, повысить ресурс двигателей и срок эксплуатации транспортных средств. Одновременно развитие данного сегмента окажет мультипликативный эффект, связанный с увеличением объема реализации природного газа внутри страны и загрузки действующих систем газораспределения. Важным эффектом развития рынка природного газа в качестве моторного топлива в России станет возможность демонстрации «истории успеха» для продвижения природного газа в качестве моторного топлива, а также отечественных технологических решений в отрасли использования газомоторного топлива на международных рынках [9].

В сегменте автомобильного транспорта сжиженный природный газ является наиболее оптимальным видом топлива для предприятий, осуществляющих грузовые и пассажирские перевозки на дальние расстояния в межрегиональном и международном сообщении и эксплуатирующих тяжелые грузовые автомобили сельскохозяйственную технику, тягачи, междугородние и туристические автобусы. Эти автотранспортные средства совершают значительный суточный пробег и потребляют много топлива, поэтому их переход на СПГ обеспечит существенную экономию эксплуатационных расходов перевозчиков. Как показывает китайский опыт, транспортно-логистические компании, эксплуатирующие для перевозки грузов седельные тягачи с максимальной массой более 12 т, крайне чувствительны к топливным издержкам. По экспертным оценкам, у российских транспортных компаний затраты на дизельное топливо для грузового автотранспорта составляют более трети общих эксплуатационных расходов [7].

По оценкам специалистов ООО «Газпром газомоторное топливо», потенциальный спрос на сжиженный природный газ в качестве моторного топлива в России к 2030 г. составит 5,2 млн т/год [7]. Потенциальный спрос на СПГ представлен на рисунке 1.

По сегментам спрос на СПГ распределится следующим образом [7]:

• магистральный автомобильный транспорт (грузовые тягачи с грузоподъемностью свыше 12 т, междугородные автобусы) – 1,7 млн т/год;

• водный транспорт (паромы, контейнеровозы, сухогрузы, танкеры) – 1,4 млн т/год;

• карьерная техника (карьерные самосвалы грузоподъемностью свыше 90 т) – 1,2 млн т;

• железнодорожный транспорт (магистральные газотурбовозы, маневровые газотепловозы) – 0,5 млн т;

• сельскохозяйственная техника (тракторы) – 0,4 млн т.

Распределение спроса на сжиженный природный газ по сегментам транспорта представлено на рисунке 2.

Анализ данных компании показывает, что сложившаяся на сегодняшний день тенденция роста спроса на сжиженный природный газ в качестве моторного топлива в будущем сохранится, и ключевые позиции будет занимать именно сегмент магистрального автомобильного транспорта.

Наибольший спрос на СПГ прогнозируется на сети автомобильных дорог общего пользования федерального значения, имеющих высокую интенсивность движения автотранспортных средств: М-1 «Беларусь», М-4 «Дон», М-5 «Урал», М-7 «Волга», М-8 «Холмогоры», М-10 и М-11 Москва - Санкт-Петербург, А-118 КАД, А-181 «Скандинавия» и др. Схема размещения объектов производственной и сбытовой инфраструктуры СПГ на опорной сети существующих и перспективных автомобильных дорог общего пользования федерального значения представлена на рисунке 3.

По оценкам зарубежных и отечественных аналитиков спрос на сжиженный природный газ в мире увеличится от 25% до 50% к 2030 году, при этом на Европу и преимущественно Азию придется до 88% прироста спроса на СПГ [11, 12]. В частности, прогнозируется увеличение потребления в секторе автомобильного транспорта. Китай, в котором на момент 2020 года насчитывалось около 600 тысяч грузовиков и автобусов, работающих на СПГ, сохранит лидирующие позиции. Ожидается, что использование СПГ в Китае на автомобильном транспорте расширится более чем на 40% уже к 2024 году из-за местных стимулов, таких как запреты на дизельное топливо и субсидии, и меньшими расходами на топливо по сравнению с дизельными грузовиками [13].

На рисунке 4 представлен прогноз потенциального спроса на сжиженный природный газ в мире до 2025 года.

В целом, перевод транспорта на СПГ позволит России участвовать в формировании мирового рынка новых экологически чистых энергоносителей и технологий в 21 веке, значительно увеличить валютные поступления от реализации нефтепродуктов на внешних рынках за счет снижения их потребления внутри страны, поможет в решении все более обостряющихся экологических проблем крупных городов страны.

Поэтапный переход всех видов транспорта на потребление природного газа в качестве топлива позволит снизить себестоимость перевозок, повысить энергоэффективность транспортной системы страны, уменьшить негативное воздействие транспорта на окружающую среду, сформировать управленческие и технологические компетенции, а также производственные мощности в области использования природного газа в качестве моторного топлива.

Преимущества и недостатки

Основными преимуществами при использовании СПГ на автотранспорте являются:

· экологический эффект; возможность существенного улучшения экологической обстановки за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу;

· экономический эффект; снижение затрат на топливо за счет меньшей отпускной цены СПГ, чем бензина и дизельного топлива (ДТ);

· возможность использования охлаждающей способности СПГ в рефрижераторном транспорте;

· меньшие масса и объем сосудов для хранения и транспортирования СПГ, чем для аналогичного количества компримированного природного газа;

· меньшая пожаро- и взрывоопасность сосудов с СПГ по сравнению с пропановыми баллонами и баками нефтяных топлив за счет специфических свойств СПГ: низкая температура хранения (минус 160°С) и невысокие пределы взрываемости (5-15%) в смеси с воздухом, пары СПГ, нагреваясь хорошо рассеиваются в воздухе, не образуя застойных зон, и не накапливаются на открытых пространствах [1].

Экологический эффект.

В настоящее время большое внимание уделяется минимизации выбросов парниковых газов и сокращению общей токсичности выхлопа двигателей.

По европейским данным, двигатель на СПГ по сравнению с дизельным на тяжелом грузовике в смешанном цикле движения («автодорога, проходящая через небольшие города») существенно сокращает выбросы [14]:

· оксидов азота со 122 до 38 г/100 км;

· CO₂ c 93 до 82 кг/100 км;

· существенно (практически до нуля) снижаются выбросы сажи.

Таким образом, основной экологический эффект заключается в снижении дымности выхлопа и снижении выбросов парникового CO₂ на 10–12% [14].

Экономический эффект.

Переход от использования дизельного топлива на СПГ формирует положительный экономический эффект за счет более низкой цены топлива. В ходе исследований было выяснено, что расход топлива в кг СПГ на один и тот же пробег будет на 12 % ниже, чем расход в литрах дизельного топлива. Это хорошо согласуется со статистическими данными, которые говорят, что расход снижается на 10-15 %, в зависимости от конструкции автомобиля и условий эксплуатации [14].

Несмотря на все преимущества использования газомоторного топлива, можно выделить ряд причин, препятствующих его расширенному применению, как на федеральном, так и на региональном уровне.

Факторами, являющимися препятствием развитию использования СПГ на транспорте, являются:

• недостаточное развитие и количество газозаправочной инфраструктуры. Принципиально большинство потенциальных потребителей готово приобрести технику на СПГ при условии, если будет обеспечена возможность беспрепятственной заправки ее на протяжении маршрутов следования [15];

• низкий уровень развитости законодательной базы как в целом по отрасли газомоторного топлива, так и в сегменте СПГ в частности;

• необходимость существенной разницы в цене СПГ и дизельного топлива. По оценкам экспертов, для поддержания привлекательности СПГ для потенциальных потребителей стоимость его должна быть на 25-75 % ниже, чем у дизельного топлива;

• низкая степень покрытия территории представительствами и дилерскими центрами по продаже автомобилей на СПГ, что обусловлено низким спросом;

• недостаточное развитие сети сервисных центров по обслуживанию газомоторных транспортных средств;

• ограниченные возможности перевода существующего парка транспортных средств на газомоторное топливо из-за конструктивных особенностей, значительного износа транспортных средств и по другим причинам [15];

• высокая степень монополизации производственной цепочки природного газа и, соответственно, низкая прозрачность рынка, отсутствие возможности установления рыночных цен на природный газ, возможные барьеры для входа игроков, в том числе на рынок ГМТ. Также высока степень концентрации рынка ГМТ: от 75 % рынка принадлежит одному-трем операторам, что свидетельствует о монополизированности состоянии рынка. Это препятствует вхождению новых игроков и ограничивает свободу ведения бизнеса на этих рынках.

Сравнение с конкурирующими видами топлива

Природный газ как топливо имеет высокую энергоэффективность. Теплотворная способность природного газа составляет около 48 МДж/кг, что близко к теплотворной способности дизельного топлива 51 МДж/кг [14].

Для сравнительного анализа разных видов топлива иногда используются разные единицы измерения количества, что вносит путаницу. В таблице 1 представлены характеристики видов топлива с коэффициентами «энергетического эквивалента».

Таким образом, использование природного газа на транспорте требует повышенного объема топливных баков (баллонов). СПГ обеспечивает значительно большую, по сравнению с КПГ, эффективность использования объема топливных баков, но все равно объем используется в 2 раза менее эффективно, чем при применении дизельного топлива. Тем не менее, этот недостаток перекрывается экономическим и экологическим эффектом от использования газомоторного топлива, показанным выше.

Несмотря на то, что СПГ и КПГ являются формами хранения природного газа, между ними некоторые различия. Основное различие между ними состоит в том, что КПГ представляет собой газ, который хранится в газообразном состоянии под высоким давлением, а СПГ хранится при весьма низкой температуре в жидком состоянии. Стоимость производства и хранения КПГ ниже по сравнению с СПГ, поскольку КПГ не требует дорогостоящего процесса охлаждения, соответствующей глубокой подготовки перед охлаждением и криогенных резервуаров. Для хранения КПГ необходимо очень высокое давление и значительно больший объем по сравнению с аналогичной массой бензина.

Преимущества СПГ по сравнению с КПГ на автотранспорте:

· низкое давление хранения СПГ (максимум до 10–20 кгс/см² по сравнению с давлением в 250 кгс/см² в автомобильных баллонах КПГ);

· бóльшая относительная экологичность топлива за счет более тщательной предварительной подготовки СПГ перед охлаждением;

· меньшие габариты, масса и стоимость резервуаров хранения и транспортировки топлива (топливных баков) одного и того же энергосодержания;

· увеличенная длина пробега транспортных средств (примерно в два раза) при одинаковых размерах топливных баков СПГ и баллонов КПГ.

Важно подчеркнуть, что не предполагается продуктовой конкуренции между КПГ и СПГ, скорее будет иметь место четкая сегментация рынка ГМТ: каждый из этих двух видов ГМТ – КПГ и СПГ – более пригоден для использования в своем потребительском сегменте. Планируется, что городские автобусы, дорожно-коммунальная техника, легкий коммерческий транспорт, такси по-прежнему будут ориентироваться на КПГ в качестве альтернативы традиционному жидкому моторному топливу.

Технологии криогенных АЗС

Классификация и оборудование КриоАЗС

Криогенные автомобильные заправочные станции в России и странах мира в основном имеют схожие технологии и в общем разделяются на [16]:

· стационарные;

· передвижные.

Криогенные передвижные автозаправочные станции (КриоПАЗС), смонтированные на автомобильном шасси, предназначаются для доставки СПГ на специально оборудованные площадки автотранспортных предприятий для заправки топливных баков автомобилей [16].

По составу оборудования и назначению КриоАЗС разделяются на [5]:

· станции общего назначения;

· станции специального назначения;

· топливозаправочные пункты.

Станции общего назначения включают технологическое оборудование, инженерные системы, производственные здания и сооружения, сервисные объекты и предназначены для заправки СПГ или КПГ автотранспортных средств широкой номенклатуры, для проведения регламентных работ как криогенных систем (опорожнение и отогрев криогенных баков), так и автотранспортных средств (мойка, шиномонтаж и др.) [5].

Станции специального назначения включают технологическое оборудование и инженерные системы и предназначены только для заправки конкретных типов автотранспортных средств, как правило, специального назначения, имеющих особые требования к организации технологического процесса заправки [5].

Топливозаправочные пункты включают технологическое оборудование и используют инженерные системы объекта (организации), на территории которого располагаются, и предназначены для заправки автотранспортных средств только данной организации [5].

В состав КриоАЗС входит основное и вспомогательное оборудование, которое должно поставляться в виде блоков-контейнеров полной заводской готовности, обеспечивающих пуск в эксплуатацию без разборки и ревизии технологического оборудования основного и вспомогательного назначения.

КриоАЗС может включать [5]:

1) технологическое оборудование:

· криогенные резервуары с испарителями наддува;

· сливные колонки;

· криогенные насосы;

· топливно-раздаточные колонки;

· трубопроводы и арматура;

· системы контроля, управления и противоаварийной защиты;

· система газоподготовки, включая запас нейтрального газа;

· система коммерческого учета газа, отпущенного потребителю;

· система отогрева;

· система обезжиривания;

· система газосброса;

2) общеинженерные системы:

· система тепло- и энергоснабжения, включая автономную котельную и автономный электрогенератор на жидком или газовом топливе;

· система водоснабжения и канализации;

· система штатного и аварийного освещения;

· система пожаротушения;

· система видеонаблюдения и охранно-периметральная сигнализация;

· система связи;

3) здания и сооружения:

· площадка для слива СПГ из передвижного заправщика в криогенный резервуар;

· площадка для заправки автотранспортных средств СПГ;

· производственный корпус с операторной и газоанализаторной;

· площадка для газоподготовки и отогрева криогенной бортовой топливной системы (КБТС);

4) вспомогательные и сервисные сооружения:

· сервисные и торговые помещения;

· стоянка для автотранспортных средств (площадка подпора);

· обустроенная площадка для высадки и посадки пассажиров.

К основным технологическим операциям, выполняемым на КриоАЗС, относятся [5]:

- слив СПГ из передвижного заправщика в криогенный резервуар;

- хранение СПГ в криогенном резервуаре;

- заправка автотранспортного средства СПГ или КПГ;

- отбор проб СПГ для последующего анализа;

- газоподготовка криогенного емкостного оборудования;

- отогрев и обезжиривание криогенного емкостного оборудования;

- опорожнение криогенного резервуара.

Сооружения и технологическое оборудование КриоАЗС должны располагаться на отдельных площадках (или выделенных зонах), которые приведены в таблице 2.

В зависимости от вида отпускаемого топлива можно выделить три основные технологии заправки на КриоАЗС:

· технология «СПГ»;

· технология «С-КПГ»;

· комбинированная технология «СПГ и С-КПГ».

Состав оборудования на КриоАЗС, основные технологические операции, технология заправки, вспомогательное оборудование и инженерные системы должны выбираться для каждого конкретного проекта КриоАЗС, исходя из назначения КриоАЗС, типов КБТС на автотранспортном средстве, количества заправляемых автотранспортных средств.

Технология «СПГ»

Криогенные автомобильные заправочные станции с технологией «СПГ» предназначены для заправки всех типов автомобильного транспорта, оснащенных криогенной бортовой топливной системой, сжиженным природным газом. На сегодняшний день снабжение КриоАЗС жидким топливом осуществляется с ближайшего завода по сжижению газа через автоцистерну, специально предназначенную для распределения криогенного топлива [17].

Схематическое изображение КриоАЗС с технологией заправки «СПГ» представлено на рисунке 5.

Поставка сжиженного природного газа на КриоАЗС осуществляется автоцистерной 1, на борту которой находится бортовой насос, измерительное и дозирующее оборудование для заполнения криогенного резервуара 6, либо с помощью насоса приема СПГ 2. Далее СПГ подается в топливораздаточную колонку 7 (ТРК) с заправочным пистолетом из емкости для хранения СПГ с помощью криогенного насоса 4. Сжиженный природный газ подается в бак автомобиля по теплоизолированной линии через ТРК. Пары СПГ из бака автомобиля возвращаются в газовую полость криогенной емкости для последующей конденсации.

1 – бортовой криогенный центробежный насос; 2 – блок насоса приема сжиженного природного газа; 3 – атмосферный испаритель низкого давления; 4 – погружной криогенный центробежный насос; 5 – топливораздаточная колонка сжиженного природного газа; 6 – криогенный резервуар для сжиженного природного газа

Давление хранения СПГ в криогенных резервуарах на станции выше, чем типичное давление хранения: 3 бар при -153°C (холодный СПГ) или 8 бар при -130°C (насыщенный СПГ). Давление заправки зависит от характеристик КБТС автотранспортного средства: 3, 8, 13, 15 или 18 бар при -110°C (сверхнасыщенный СПГ) [19].

Пример технологической схемы типовой КриоАЗС с основным технологическим оборудованием представлен на рисунке 6.

1 – узел приема сжиженного природного газа; 2 – обратный клапан; 3 – манометр;
4 – уровнемер; 5 – криогенный резервуар для сжиженного природного газа;
6 – предохранительное устройство; 7 – предохранительный пружинный клапан;
8 – испаритель; 9 – запорная арматура; 10 – криогенный насос для сжиженного природного газа; 11 – топливораздаточная колонка; 12 – заправочный шланг с насадкой

Технология «С-КПГ»

Технология С-КПГ схожа с технологией заправки компримированным природным газом на АГНКС за исключением того, что газ поступает из криогенного резервуара и сжимается под давлением более 200 бар в жидкой фазе. Как только сжиженный газ сжимается, далее он регазифицируется с помощью атмосферного испарителя, предназначенного для работы при высоких давлениях (обычно до 400 бар). Затем полученный газ нагревается и подвергается одоризации с помощью системы впрыска с дозирующими насосами (если это требуется в соответствии с государственными требованиями) и хранится в блоке аккумуляторов природного газа высокого давления перед заправкой [20].

Другой способ получить КПГ из резервуара для СПГ состоит в том, что СПГ непосредственно испаряется / нагревается из резервуара, затем проходит через одоризатор, и газ, наконец, сжимается с помощью стандартного газового компрессора. Это решение может быть выгодным, если оператор не хочет обслуживать жидкостный криогенный компрессор, но он потребляет больше электроэнергии при той же мощности [18].

Схематическое изображение КриоАЗС с технологией заправки «С-КПГ» представлено на рисунке 7.

1 – бортовой криогенный центробежный насос; 2 – блок насоса приема сжиженного природного газа; 3 – криогенный поршневой насос высокого давления для сжиженного природного газа; 4 – атмосферный испаритель высокого давления; 5 – подогреватель газа высокого давления; 6 – блок аккумуляторов компримированного природного газа;
7 – топливораздаточная колонка; 8 – криогенный резервуар для сжиженного природного газа

Поставка сжиженного природного газа на КриоАЗС осуществляется автоцистерной 1, на борту которой находится бортовой насос, измерительное и дозирующее оборудование для заполнения криогенного резервуара 8, либо с помощью насоса приема СПГ 2. Далее с помощью криогенного поршневого насос высокого давления 3 природный газ в жидкой фазе сжимается до более 250-300 бар. Затем сжиженный газ переходит в газовую фазу в испарителе высокого давления 4 и нагревается в подогревателе газа 5 перед отправкой на хранение в блоке аккумуляторов газа 6.

Технологическая схема КриоАЗС по технологии «С-КПГ» представлена на
рисунке 8.

1- узел приема сжиженного природного газа; 2 – обратный клапан; 3 – манометр;
4 – уровнемер; 5 – криогенный резервуар для сжиженного природного газа;
6 – предохранительное устройство; 7 – предохранительный пружинный клапан;
8 – запорная арматура; 9 – криогенный поршневой насос для сжиженного природного газа высокого давления; 10 - амортизатор пульсации высокого давления; 11 – испаритель высокого давления; 12 – подогреватель газа высокого давления; 13 - одоризатор высокого давления; 14 – блок аккумуляторов компримированного природного газа;
15 – топливораздаточная колонка; 16 – заправочный шланг с насадкой.

Комбинированная технология «СПГ и С-КПГ»

Наиболее перспективным и оптимальным решением на сегодняшний день является применение комбинированной технологии «СПГ и С-КПГ». Комбинированная криогенная заправочная станция более универсальна и может заправлять транспорт, работающий не только на СПГ, но и на КПГ.

В состав комбинированной заправочной станции входят две раздельные линии выдачи топлива, использующие один и тот же резервуар для хранения СПГ. Одна линия предназначена для заправки транспорта, работающего на СПГ. Природный газ в жидком состоянии подается насосом на заправочную колонку и под давлением 5-8 бар заправляется в автомобиль [21].

Вторая линия предназначена для заправки автотранспорта КПГ. В данном случае специальный насос поднимает давление в системе до 250-300 бар и транспортирует сжиженный природный газ к испарителю высокого давления, в котором происходит процесс преобразования сжиженного газа в газовую фазу. На данном этапе природный газ находится в газообразном состоянии под давлением 250-300 бар. После испарителя высокого давления газ направляется к газозаправочной колонке и производится отпуск газа потребителю. Комбинированная станция может быть укомплектована дополнительными резервуарами высокого давления [21].

Схематическое изображение КриоАЗС с комбинированной технологией заправки «СПГ» и «С-КПГ» представлено на рисунке 9.

1 – бортовой криогенный центробежный насос; 2 – блок насоса приема сжиженного природного газа; 3 – криогенный поршневой насос высокого давления для сжиженного природного газа; 4 – атмосферный испаритель высокого давления; 5 – подогреватель газа высокого давления; 6 – атмосферный испаритель низкого давления; 7 – погружной криогенный центробежный насос; 8 – топливораздаточная колонка сжиженного природного газа; 9 – блок аккумуляторов компримированного природного газа;
10 – топливораздаточная колонка компримированного природного газа; 11 – криогенный резервуар для сжиженного природного газа

Пример технологической схемы КриоАЗС с комбинированной технологией заправки «СПГ» и «С-КПГ» представлен на рисунке 10.

1 – узел приема сжиженного природного газа; 2 – обратный клапан; 3 – манометр;
4 – уровнемер; 5 – криогенный резервуар для сжиженного природного газа;
6 – предохранительное устройство; 7 – предохранительный пружинный клапан;
8 – испаритель; 9, 13 – запорная арматура; 10 – криогенный насос для сжиженного природного газа; 11 – топливораздаточная колонка сжиженного природного газа;
12 – заправочный шланг сжиженного природного газа с насадкой; 14 – криогенный поршневой насос для сжиженного природного газа высокого давления; 15 – амортизатор пульсации высокого давления; 16 – испаритель высокого давления; 17 – подогреватель газа высокого давления; 18 – одоризатор высокого давления; 19 – блок аккумуляторов компримированного природного газа; 20 – топливораздаточная колонка компримированного природного газа; 21 – заправочный шланг компримированного природного газа с насадкой

Криогенные автозаправочные станции в России и странах мира

КриоАЗС в России

В 2021 году в Российской Федерации был утвержден план мероприятий («дорожная карта») по развитию рынка малотоннажного сжиженного природного газа и газомоторного топлива на период до 2025 года, целью которого является увеличение объемов производства и использования малотоннажного сжиженного природного газа для газификации и в качестве моторного топлива. Задачами данного плана является стимулирование инвестиционной деятельности, повышение эффективности нормативно-правового регулирования, а также создание благоприятных условий для реализации проектов в сегменте малотоннажного СПГ и криогенной заправочной инфраструктуры в частности. В соответствии с дорожной картой совокупное количество действующих КриоАЗС к 2025 году составит 81 единиц [22].

В качестве главного целевого показателя определена суммарная установленная мощность малотоннажных производственных комплексов СПГ. Плановое значение показателя на 2025 год определено на уровне 83,3 т/ч, что почти в четыре раза больше существующей на конец 2020 года установленной мощности [22].

Целевые показатели реализации плана мероприятий по развитию рынка малотоннажного сжиженного природного газа и газомоторного топлива в Российской Федерации на период до 2025 года представлены на рисунке 11.

Постановлением Правительства России от 29.08.2020 № 1308 утверждены Правила предоставления субсидий из Федерального бюджета на возмещение части затрат при реализации инвестиционных проектов по строительству объектов производственной и заправочной инфраструктуры сжиженного природного газа. В соответствии с утвержденным постановлением предполагается проведение конкурсов на реализацию проектов строительства КриоАЗС для выделения субсидий из Федерального бюджета. Особенностью утвержденного подхода является так называемый «коридорный» принцип, при котором проектом признается сеть КриоАЗС, полностью покрывающая одну из федеральных автомобильных магистралей исходя из заданных нормативов. Каждый комплексный проект должен быть реализован одним инвестором и будет поддержан со стороны государства путем выделения адресной субсидии. Срок реализации проектов – с 01 июля 2021 г по 01 октября 2023 г. Размер субсидии может составить от 45 до 62,5 млн рублей на одну КриоАЗС в зависимости от мощности объекта [23].

Таким образом, в России, начиная с 2021 года, намечается положительная тенденция в области развития заправочной инфраструктуры СПГ, что будет способствовать обеспечению энергетической безопасности потребителей, повышению эффективности энергообеспечения, улучшению экологической социально-экономической ситуации в стране.

КриоАЗС в странах Европы

Европейский парк автомобилей на СПГ, в основном грузовых, устойчиво растет. Вместе с тем продолжает активно развиваться и заправочная инфраструктура СПГ для автомобильного транспорта.

В рамках Европейского союза осуществляется проект «Голубые коридоры на СПГ», который является первым масштабным мероприятием в области продвижения природного газа, используемого в качестве моторного топлива. Цель данного проекта заключается в содействии снижению выбросов парниковых газов автомобильного транспорта и привлечении новых инвестиций в сегмент газомоторного топлива и заправочной инфраструктуры СПГ [24]. Проект предполагает строительство новых криогенных станций и приобретение новых либо переоборудование уже имеющихся грузовиков.

На момент середины 2021 года на территории стран Европы совокупное количество криогенных станций для заправки автомобильных транспортных средств сжиженным природным газом составляет 429 единиц [25]. При этом подавляющее число станций приходится на территорию итальянского государства. Италия - европейская страна с наибольшим количеством заправочных станций СПГ. По состоянию на июль 2021 года в стране насчитывалось 101 станций, в том числе действующих, проектируемых и сооружаемых [26]. Продажи сжиженного природного газа для тяжелых транспортных средств растут из-за его различных преимуществ по сравнению с автомобилями на дизельном топливе.

На рисунке 12 представлено количество криогенных заправочных станций сжиженным природным газом в странах Европы по состоянию на середину 2021 года.

По оценкам аналитиков Европейского союза в прогнозируемых сценариях странам Европы для удовлетворения растущего спроса на сжиженный природный газ в качестве моторного топлива потребуется реализовать в совокупности 750 ед. КриоАЗС к 2025 году и до 1500 ед. к 2030 году [26].

КриоАЗС в Китае

Безусловным мировым лидером по использованию сжиженного природного газа в качестве моторного топлива на автотранспорте с 2010 г. является Китай. Потребление СПГ в качестве автомобильного топлива в значительной степени связано с конкурентоспособностью СПГ по стоимости по сравнению с дизельным топливом. Это, в свою очередь, играет роль в формировании решений о покупке обычно более дорогих транспортных средств, работающих на СПГ, за счет минимизации периода окупаемости. Правительственная политика также имела решающее значение для стимулирования внедрения транспортных средств на СПГ и потребления СПГ. Одним из важных факторов, способствующих увеличению потребления сжиженного природного газа в качестве моторного топлива, является введение в июле 2019 года обновленных национальных стандартов выбросов (China VI), которые ужесточили стандарты выбросов для оксидов азота и твердых частиц [27].

Ожидается, что использование газа в транспортном секторе станет важным компонентом роста спроса на сжиженный природный газ в Китае. Благодаря государственной поддержке использования КПГ и СПГ в транспортном секторе в качестве конкурентоспособной альтернативы нефти, потребление будет увеличиваться в среднем на 3,2% ежегодно до 74 млрд м³ в 2050 г. Основной объем потребления (более 85%) будет приходиться на тяжелые магистральные тягачи, работающие на СПГ, численность которых в Китае уже превысила 450 тыс. ед. [28].

Тезисы основных факторов успешного развития использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива в Китае [7]:

1) основной объем перевозок грузов внутри страны при достаточно большой площади осуществляется автотранспортом. Как известно, доля топливной составляющей в себестоимости грузовых перевозок весьма существенна, и частный бизнес стремится ее оптимизировать, особенно в условиях замедления роста экономики;

2) китайское правительство жестко ограничивает и контролирует уровень выбросов СО₂;

3) СПГ используется не только на автотранспорте, но и для целей автономной газификации отдаленных регионов страны. Имеет место синергетический эффект использования СПГ;

4) китайские производители достаточно быстро наладили выпуск автотранспорта на СПГ, а также технологического оборудования для создания производственно-сбытовой инфраструктуры;

5) в создание инфраструктуры СПГ активно привлекается частный капитал.

Перечисленные выше особенности успешного развития китайского рынка сжиженного природного газа в качестве моторного топлива в целом и в автотранспортном сегменте в частности определили необходимость развития и поддержки сети криогенных автомобильных заправочных станций в стране.

Если по состоянию на 2012 г. в Китае насчитывалось 700 ед. КриоАЗС, то на начало 2020 г. Китай располагал уже более 4100 единиц [28]. Прогнозируется, что уже к 2025 г. количество криогенных АЗС в стране достигнет 7500 ед., а количество автотранспорта на СПГ составит более 700 тысяч [29]. Данный прогноз позволяет предположить, что Китай останется лидером по реализации проектов строительства КриоАЗС в ближайшие годы.

Динамика количества КриоАЗС в Китае в 2012 - 2025 гг. представлена на рисунке 13

КриоАЗС в США

Большая часть существующей заправочной инфраструктуры для транспортных средств, работающих на СПГ, сосредоточена в Калифорнии. Эта сеть станций в значительной степени поддерживает работу транспортных средств, работающих на СПГ, в ограниченных диапазонах и позволит расширить операционные зоны по мере ее расширения.

В настоящее время в США работает 104 ед. криогенных автозаправочных станций. Из общего числа КриоАЗС 46% станций являются частными, а 54% - общедоступными. Все активные станции расположены в девяти штатах (Алабама, Аризона, Калифорния, Коннектикут, Луизиана, Невада, Огайо, Техас и Юта), при этом 41 из 104 станций расположены в Калифорнии. В ближайшие годы планируется запустить еще 35 ед. КриоАЗС [30].

На рисунке 14 показана динамика совокупного количества государственных и частных криогенных автозаправочных станций в США с 1995 по 2021 год [30].

Инфраструктура СПГ, которая сложилась на сегодняшний день в США, в основном сосредоточена в специальных хабах (например, в Лос-Анджелесе и Фениксе). Таким образом, дальность следования транспортных средств, работающих на СПГ, ограничена распределением станций. В отличие от автомобилей с дизельным двигателем, автомобили, работающие на СПГ, еще не могут пересечь всю страну, используя систему общественных остановок для грузовых автомобилей. Однако по мере развития инфраструктуры появятся более широкие возможности для рынков транспортных средств, работающих на СПГ. Внедрение автомобилей на СПГ в регионах сопровождалось развитием инфраструктуры, например, в портах Лос-Анджелеса и Лонг-Бич, а расширение этой инфраструктуры позволяет соединять регионы. Уже сейчас ведется создание коридоров для соединения различных узлов, включая совместные усилия UPS и Clean Energy по соединению Южной Калифорнии с Лас-Вегасом.

Автомобильные транспортные средства, работающие на СПГ, используемые на сегодняшний день для местных и региональных перевозок, имеют дальность действия примерно 300 миль. Без заправочного коридора расстояние в 380 миль между основными транспортными узлами Лос-Анджелеса и Сан-Франциско невозможно преодолеть на этих транспортных средствах без выработки топлива. Однако наличие КриоАЗС около 180-мильной отметки в Центральной Калифорнии позволяют преодолевать это расстояние, открывая большие возможности для движения товаров. Таким образом, расширение инфраструктуры и связи между существующей инфраструктурой в настоящее время создают сеть для поддержки транспортных средств, работающих на СПГ [31].

Заключение

Внедрение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива – самое перспективное направление работ в сфере обеспечения транспортных средств моторным топливом, альтернативным нефтяному. Он имеет преимущество перед всеми видами жидких топлив, а также – перед компримированным природным газом. Сжиженный природный газ становится энергоносителем с наибольшей энергетической эффективностью, что позволяет улучшить технические показатели транспортных средств: уменьшить габариты системы хранения топлива, увеличить грузоподъемность и запас хода от одной заправки, сократить холостые пробеги, снизить содержание вредных компонентов выпускных газов, увеличить моторесурс двигателей автомобилей и снизить уровень шума. Сжиженный газ по показателям взрывопожароопасности является самым безопасным из используемых жидких моторных топлив и сжиженных углеводородных газов, легче воздуха, нетоксичен, не вызывает коррозии оборудования и не загрязняет окружающую среду.

Для Российской Федерации использование сжиженного природного газа, полученного на малотоннажных и среднетоннажных установках, имеет большое значение как в социальном, так и, в значительной степени, экономическом плане. Создание таких производств должно базироваться на комплексном учете многих факторов, на основе выбора рациональной производительности, техники и технологии производства сжиженного природного газа, с учетом сырья для его получения и выбора энергосберегающей технологии сжижения газа (в настоящее время энергозатраты при производстве сжиженного природного газа составляют около 45÷50 %), что позволит повысить эффективность производства и снизить его себестоимость.

Таким образом, применение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива является наиболее рациональным, ресурсообеспеченным и экологически приемлемым путем повышения эффективности и экологичности автомобильного транспорта России.

В то же время в России существуют барьеры, препятствующие широкому внедрению сжиженного природного газа в качестве моторного топлива, в частности, малая развитость сетей газозаправочной инфраструктуры и законодательной базы, малое количество целевых сервисных и дилерских центров и др.

Обозначенные проблемы существенно замедляют спрос на сжиженный природный газ в качестве топлива и, как следствие, развитие газозаправочной инфраструктуры, в частности, криогенных автомобильных заправочных станций.

Современные тенденции, а также прогнозы аналитиков указывают на то, что спрос в развитых странах мира на сжиженный природный газ в качестве моторного топлива для автомобильного транспорта будет только расти, а вместе с тем непременно будет развиваться соответствующая заправочная инфраструктура – криогенные автомобильные заправочные станции. Ожидается увеличение притока капитальных вложений в данный сегмент как со стороны государств, так и от частных инвесторов, что позволит применять на криогенных автомобильных заправочных станциях более современные и эффективные технологии, делая их крайне перспективным направлением топливно-энергетического комплекса.

Литература

1. Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы. – М.: Изд-во «НЕФТЬ и ГАЗ», 2009. – 640 с.

2. Разновидности газового топлива и их основные характеристики // Журнал «Сфера Нефтегаз». URL: http://s-ng.ru/pdf/main_2029.pdf (дата обращения: 01.10.2021).

3. Рачевский Б.С. Производство и потребление компримированного и сжиженного природного газа CNG/LNG: Учебное пособие. – М.: Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, 2018. – 353 с.

4. Русакова В.В., Лапидус А.Л., Крылов И.Ф., Емельянов В.Е. Углеводородные и альтернативные топлива на основе природных газов. Учебное пособие. – М.: ФГУП Изд-во «Нефть и Газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006. – 184 с.

5. СТО Газпром 2-3.6-701-2013. Криогенные автомобильные газозаправочные станции. Общие технические требования. – М.: ОАО «Газпром», 2014. – 32 с.

6. Толмачев Д.И., Голубенко Н.В. Перспективы использования сжиженного природного газа в качестве моторного топлива на автотранспорте // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 3-8. – С. 1297-1301.

7. Кондратенко С.Е. Перспективы применения сжиженного природного газа в качестве моторного топлива в России // Газовая промышленность. – 2017. – №4. – С. 76-82.

8. Fuel Switch to LNG in Heavy Truck Traffic / I. Smajla, D. Karasalihović Sedlar, B. Drljača, Jukić L. // Energies. – 2019. – V. 12. – no. 3:515. –19 p.

9. Зоря Е.И., Лошенкова О.В., Киташов Ю.Н. Нефтепродуктообеспечение. Традиционные и альтернативные топлива: Учебное пособие. - М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2012. – 525 с.

10. Приоритетные проекты «Газпром СПГ технологии» // Газпром СПГ технологии. URL: https://www.gspgt.ru/prioritetnye-proekty (дата обращения: 02.10.2021).

11. Projected demand for liquefied natural gas (LNG) worldwide from 2017 to 2025 by region // Statista. URL: https://www.statista.com/statistics/227263/projected-global-natural-gas-demand/ (дата обращения: 05.10.2021).

12. LNG demand to rise 25-50% by 2030, fastest growing hydrocarbon - Morgan Stanley // National Association of Securities Dealers Automated Quotation. URL: https://www.nasdaq.com/articles/lng-demand-to-rise-25-50-by-2030-fastest-growing-hydrocarbon-morgan-... (дата обращения: 04.10.2021).

13. Gas Market Report Q3-2021 // International Energy Agency: IEA. URL: https://iea.blob.core.windows.net/assets/4fee1942-b380-43f8-bd86-671a742db18e/GasMarketReportQ32021_... (дата обращения: 04.10.2021).

14. О применении сжиженного природного газа (СПГ) в качестве моторного топлива // Ленпромавтоматика. URL: https://lenprom.spb.ru/upload/iblock/a60/%D0%A1%D0%9F%D0%93%20%D1%81%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D... (дата обращения: 02.10.2021).

15. Концепция подпрограммы «Развитие рынка газомоторного топлива» государственной программы Российской Федерации «Энергоэффективность и развитие энергетики» // Департамент жилищно-коммунального комплекса и энергетики Ханты-Мансийского автономного округа. URL: https://depjkke.admhmao.ru/upload/iblock/760/Kontseptsiya-Minenergo.pdf (дата обращения 09.11.2021).

16. ВНТП 51-1-88 Нормы технологического проектирования установок по производству и хранению сжиженного природного газа, изотермических хранилищ и газозаправочных станций. – М.: «Мингазпром», 1987. – 41 с.

17. Чиркина А.С., Манилкин И.Г., Куцак М.Ю. КриоАЗС или КриоТЗП. Вопросы к нормативной документации // Gasworld. – 2018. – С. 28

18. AUTOMOTIVE applications // Vanzetti Engineering. URL: https://www.vanzettiengineering.com/en/automotive (дата обращения: 08.10.2021).

19. A state-of-the art review on the development of CNG/LNG infrastructure and natural gas vehicles (NGVs) // FUTUREGAS. URL: https://futuregas.dk/wp-content/uploads/2018/08/FutureGas-WP3-Deliverable_Task-3.1.1_Review-natural-... (дата обращения: 08.10.2021).

20. European LNG/L-CNG technology // LNG Blue Corridors. URL: https://lngbc.eu/system/files/deliverable_attachments/LNG%20BC%20D%203.1%20%20LNG%20L-CNG%20Technolo... (дата обращения: 08.10.2021).

21. СПГ и СПГ-КПГ заправочные станции // ФАСХИММАШ. URL: https://www.fas-him.ru/netcat_files/userfiles/prezentacii/SPG_i_SPG-KPG_zapravochnye_stancii.pdf (дата обращения: 06.10.2021).

22. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13.02.2021 № 350-р // Официальный интернет-портал правовой информации. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102180025?index=14&rangeSize=1 (дата обращения: 05.10.2021).

23. Постановление Правительства РФ от 29 августа 2020 г. N 1308 (с изменениями и дополнениями) // Документы системы ГАРАНТ. URL: https://base.garant.ru/74600114/ (дата обращения: 07.10.2021).

24. Cost analysis of LNG refuelling stations // LNG Blue Corridors. URL: https://lngbc.eu/system/files/deliverable_attachments/LNG_BC_D%203%208%20Cost%20analysis%20of%20LNG%... (дата обращения: 06.11.2021).

25. Number of liquefied natural gas fuel stations in selected European countries as of July 2021 // Statista. URL: https://www.statista.com/statistics/1251785/number-of-lng-refueling-stations-in-europe-by-country/ (дата обращения: 07.10.2021).

26. Alternative fuel infrastructures for heavy-duty vehicles // European Parliament. URL: https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/STUD/2021/690888/IPOL_STU(2021)690888_EN.pdf (дата обращения: 07.10.2021).

27. World LNG report 2021 // Global Gas Portal. URL: https://www.igu.org/resources/world-lng-report-2021/ (дата обращения: 07.10.2021).

28. Role of Natural Gas in China 2050 // Global Gas Portal. URL: https://www.gecf.org/_resources/files/events/gecf-expert-commentary---the-role-of-natural-gas-in-chi... (дата обращения: 08.10.2021).

29. LNG for transportation in China 2050 // Gladstein. URL: https://cdn.gladstein.org/pdfs/ACTE2014Presentations/InternationalMarketUpdate/4BrendaSmith.pdf?__cf... (дата обращения: 09.10.2021).

30. U.S. Public and Private Alternative Fueling Stations by Fuel Type // Alternative Fuels Data Center. URL: https://afdc.energy.gov/data/10332 (дата обращения: 10.10.2021).

U.S. and Canadian Natural Gas Vehicle Market Analysis: Liquefied Natural Gas Infrastructure. Final Report // American Gas Association. URL: https://www.aga.org/sites/default/files/legacy-assets/our-issues/natural-gas-vehicles/documents/tiax... (дата обращения: 10.10.2021).