ГАЗ. CNG, LNG, LPG...

[grizzly]

Автор - http://ams.bg

_____________________________________________________________

Алтернативите: ЧАСТ 1 - Газовата промишленост

15.02.2007

През 70-те години на XIX век Вилхелм Майбах експериментира с различни кострукции на мотори с вътрешно горене, променя механизмите и размишлява върху най-подходящите за изработка на отделните детайли сплави. Той често си задава и въпроса кое от известните тогава горими вещества ще е най-подходящо за използване в топлинните машини.

През 1875 г., когато е служител на "Gasmоtorenfabrik Deutz", Вилхелм Майбах решава да опита дали не може да задвижи газов двигател с течно гориво - или по-точно с бензин. Хрумва му да провери какво би станало, ако затвори крана на светилния газ и вместо него поднесе пред всмукателния колектор парче плат, напоено с бензин. Двигателят не спира, а продължава да работи докато не ”изсмуква” цялата течност от плата. Така се ражда идеята за първия импровизиран “карбуратор”, а след създавенето на автомобила именно бензинът се превръща в основно гориво за него.

Разказвам тази история, за да припомня, че преди бензинът да се появи като горивна алтернатива, първите двигатели са използвали в качеството на гориво именно газ. По онова време става въпрос за използвания за осветление (светилен) газ, получаван не по известните днес способи, а от преработката на въглища. С газ работи изобретеният от швейцареца Исак Дьо Ривац мотор, първият “атмосферен” (работещ без компресия) двигател с промишлено значение на Етилен Льоноар от 1862 г., както и създаденият малко по-късно класически четиритактов агрегат на Ото.

Тук сме длъжни да споменем разликите между природния газ и втечения петролен газ. Природният газ съдържа между 70 и 98% метан, а останалата част в него са по-висши органични и неорганични газове като етан, пропан и бутан, въглероден окис и други. Нефтът също съдържа газове в различни пропорции, но тези газове се отделят при фракционната дестилация или се получават при някои странични процеси в рафинериите. Находищата на газ са най-различни - чисто газови или “сухи” (т. е. съдържащи основно метан) и “мокри” (съдържащи метан, етан, пропан, някои други по-тежки газове и дори “газов бензин” - леки течни фракции, които са много ценни). Различни са и видовете нефт, като концентрацията на газове в тях може да бъде по-ниска или по-висока. Често находищата са комбинирани - газът се издига над нефта и застава като “газова шапка”. В състава на "шапката" и основното нефтено находище влизат споменатите по-горе субстанции, а различните фракции образно казано “преливат” една в друга. Използваният в качеството на автомобилно гориво метан “идва” от природния газ, а известната ни смес пропан-бутан води началото си както от находищата на природен газ, така и от нефтените. Около 6% от природния газ в света се добива от находищата на въглища, които често се придружават и от находища на газ.

Пропан-бутанът излиза на сцената по малко парадоксален начин. През 1911 г. един възмутен американски клиент на петролна компания поръчва на своя приятел - известният химик д-р Снелинг да открие причините за едно мистериозно събитие. Причината за възмущението на клиента е в това, че последният открива с изумление как половината от току-що напълнения на бензиностанцията резервоар на неговия Ford Т се е изчезнала по неведом начин по време на краткото пътуване до дома му. При това резервоарът не тече отникъде... След множество есперименти, д-р Снелинг установява, че причината за мистерията е във високото съдържание на газовете пропан и бутан в състава на зареденото гориво, а малко след това разработва и първите практични методи за тяхната дестилация. Именно поради тези си фундаментални разработки, днес д-р Снелинг се приема за “баща” на тази промишленост.

Много по-рано - преди около 3000 години, пастири откриват "горящ извор" в планината Паранасус в Гърция. По-късно на това “свещено” място бил построен храм с колони, от които излиза пламък, а оракулът от Делфи четял молитвите си пред величиствения колос, създаващ у хората чувство на примирение, страх и възхита. Днес част от тази романтика се е загубила, защото знаем, че източник на пламъка е изтичащият от свързаните с дълбините на газови находища процепи в скалите метан (CH4). Подобни огньове има и на много места в Ирак, Иран и Азърбайджан в близост до Каспийско море, които също горят от столетия и също от толкова време са известни като “Вечните огньове на Персия”.

Много години след това китайците също използват изтичащите от находищата газове, но със съвсем прагматична цел - за да нагряват големи котли с морска вода и да добиват сол от нея. През 1785 г. англичаните създават метод за производство на метан от въглища (именно такъв се използва в първите двигатели с вътрешно горене), а в началото на XX век германските химици Кекулe и Страдониц патентоват процес за получане на по-тежки течни горива от него.

През 1881 г. в американския град Фредония Уилям Харт пробива първия кладенец за добив на газ. Харт дълго наблюдава излизащите на повърхността на водата в близкия залив мехурчета и решава да прокопае откъм сушата отвор към предполагаемото находище на газ. Девет метра под повърхността той достига до жила, от която бликва газ, който той впоследствие каптира, а новосъздадената му фирма Fredonia Gas Light Сompany става пионер в областта на газовия бизнес. Въпреки направения от Харт пробив обаче, използваният през XIX век газ за осветление се добива основно от въглища по споменатия по-горе метод – най-вече поради липсата на потенциал за създаване на технологии за пренос на природен газ от находищата.

Първите промишлени добиви на нефт обаче вече са факт по това време. Историята им започва в САЩ през 1859 г., а идеята е добития нефт да се използва за дестилиране на керосин за осветление и масла за парните машини. Още тогава хората се сблъскват с унищожителната сила на компресирания в продължение на хилядолетия в недрата на земята природен газ. Първопроходците от групата на Едуин Дрейк едва не загиват при първия импровизиран сондаж край Титусвил, Пенсилвания - изтичащият от пробива газ се запалва, избухва гигантски пожар и помита всички съоръжения. Днес експлоатацията на нефтенени и газови находища е съпроводено със система от специални мерки, които да блокират свободното изтичане на леснозапалимия газ, но въпреки това пожарите и взривовете не са рядко явление. Същият този газ обаче в много от случаите се използва като своеобразна "помпа" изтласкваща нефта на повърхността, а когато налягането му намалее, нефтените работници започват да търсят и ползват други методи за извличане на "черното злато".

Светът на въглеводордните газове

През 1885 г., четири години след първия газов сондаж на Уилям Харт, един друг американец -Робърт Бънсен, изобретява устройство, което по-късно става известно като “горелка на Бънсен”. Изобретението служи за дозиране и смесване на газ и въздух в подходяща пропорция, която впоследствие може да се използва за безопасно горене – именно тази горелка днес е в основата на съвременните оксижени, дюзи за печки и отоплителни прибори. Изобретението на Бънсен създава нови възможности за употреба на природния газ, но макар първия газов тръбопровод да е конструиран още през 1891 г., синьото гориво така и не придобива промишлено значение чак до Втората световна война.

Именно по време на войната са създадени достатъчно надеждни методи за рязане и заваряване, които дават възможност да бъдат строени сигурни метални газопроводи. След войната в Америка са изградени хиляди километри от тях, а през 60-те години е построен и тръбопровода от Либия към Италия. Големи находища на природен газ са открити и в Холандия. Тези два факта обясняват наличието на най-добре изградена инфраструктура за използване на сгъстен природен газ (CNG) и втечнен петролен газ (LPG) в качеството на автомобилни горива именно в тези две страни. Огромното стратегическо значение, което природният газ започва да придобива, се потвърждава и от следния факт - когато Рейгън решава да разруши “Империята на злото” през 80-те години, той налага вето именно върху доставките на вискотехнологично оборудване за строеж на газопровод от СССР към Европа. С цел да се компенсират европейските потребности, строежа на газопровод от норвежкия сектор на Северно Море към континентална Европа се ускорява и СССР "увисва". По това време износът на газ е основен източник за твърда валута на Съветския Съюз, а появилият се вследствие на мерките на Рейгън остър дефицит скоро довежда до известните исторически събития в началото на 90-те.

Днес демократична вече Русия е главен доставчик на природен газ за енергийните нужди на Германия и основен световен играч в тази област. Значимостта на природния газ започва да нараства след двете петролни кризи през 70-те години и днес той е основна енергийна суровина с геостратегическо значение. В момента природният газ е най-евтиното гориво за отопление, използва се като суровина в химическата промишленост, за прозиводство на електирчество, за домакински уреди, а "братовчед" му – пропанът, може да се открие дори във флаконите с дезодорант в качеството му на заместител на вредните за озоновия слой флуорни съединения. Потреблението на природен газ непрекъснато нараства, а мрежата от газопроводи става все по-дълга. По отношение на изградената до момента инфраструктура за използването на това гориво в автомобилите нещата са далеч по-изостанали.

Вече ви разказахме до какви странни решения за производство на така необходимите и дефицитни горива достигат японците през Втората световна война, споменахме и за програмата за производство на синтетичен бензин в Германия. Малко известен обаче е факта, че в оскъдните военни години в Германия съществуват напълно реални автомобили, които се задвижват с... дърва! В случая не става дума за връщане към добрата стара парна машина, а за двигатели с вътрешно горене, първоначално предназначени за работа с бензин. Всъщност идеята не е особено сложна, но изисква прилагането на обемиста, тежка и опасна газгенераторна система. В специална и не много сложна енерегийна установка се поставят въглища, дървени въглища или просто дърва. На дъното й те изгарят при недостиг на кислород, а в условията на висока температура и влага се отделя газ, съдържащ въглероден окис, водород и метан. Впоследствие той се охлажда, пречиства и с помощта на вентилатор се подава в смукателните колектори на двигателя, за да се използва като гориво. Разбира се, шофьорите на тези возила са изпълнявали сложните и нелеки функции на огняри – котелът е трябвало да се зарежда и почиства периодично, а пушещите машини наистина са приличали донякъде на парни локомотиви.

Днес иследването на газоносните пластове изисква създаването на едни от най-сложните в света технологии, а добивът на природен газ и нефт са едни от най-големите предизвикателства пред науката и техниката. Този факт е особено валиден в Щатите, където се използват все повече неконвенционални методи за “доисмукване” на газ, останал в стари или изоставени находища, както и добива на т. нар. “плътен” газ. Учените смятат, че за добив на газ с нивото на технологиите от 1985 г. сега биха били неоходими два пъти повече сондажи. Ефективността на методите е значително увеличена, а теглото на съоръженията е спаднало със 75%. Използват се все по-сложни компютърни програми за анализ на данните от гравитометрите, сеизмичните технологии и лазерните спътници, на базата на които се генерират компютърни триизмерни карти на находищата в пластовете. Създадени бяха и т. нар. 4D-образи, благодарение на които могат да се визуализират формите и движенията на находищата във времето. Най-сложните съоръжения обаче си остават тези за добив на природен газ от морския шелф – само част от човешкия прогрес в тази област са глобалните системи за позициониране на сондите, супердълбоките сондажи, тръбопродите на дъното на океана и системите за увеличаване размера на процепите с втечнен въглероден окис и пясък.

Рафинирането на нефта с цел получаване на висококотанови бензини е значително по-сложна задача от преработката на газовете. За сметка на това обаче превоза на газове с кораби се оказва доста по-скъпа и комплексна дейност. Танкерите за пренасяне на втечнен петролен газ са достатъчно сложни като конструкция, но тези за превоз на втечнен природен газ са направо умопомрачителни творения. Бутанът се втечнява при –2 градуса, а пропанът при -42 градуса или при сравнително ниско налягане. За втечняването на метана обаче са необходими -165 градуса! Затова построяването на танкери за втеченен петролен газ се изискват по-прости компресорни станции от тези за природен газ и резервоари, които са конструирани да издържат на неособено високо налягане от 20-25 бара. За разлика от тях танкерите за втечнен природен газ са оборудвани със системи за постоянно охлаждане и танкове със суперизолация– на практика тези колоси са най-големите в света криогенни хладилници. Въпреки това част от газа успява да се “измъкне” от тези инсталации, но друга система веднага го улавя и подава в цилиндрите на корабните двигатели.

Поради споменатите по-горе причини е напълно обясним факта, че още през 1927 г. технологиите позволяват постояването на първите танкери за пренасяне на пропан-бутан. Те са дело на холандско-английската Shell, която по това време вече е гиганска компания. Шефът й Кеслър е напредничав човек и експериментатор, който отдавна мечтае да използва по някакъв начин огромните количества газове, които до този момент се прохосват в атмосферата или изгарят в рафинериите. По негова идея и инициатива се ражда първият 4700-тонен морски съд за превоз на въглеводордни газове, отличаващ се с екзотично изглеждащите и впечатляващи с размерите си резервоари над палубата.

Още тридесет и две години обаче са необходими, за да бъде създаден и първия метанов танкер Methane Pioneer, построен по поръчка на газовата компания Constock International Methane Limited. Shell които вече имат изградена стабилна инфраструктура за производство и дистрибуция на LPG, купуват тази компания и много скоро биват построени още два огромни танкера – Shell започва да разива и бизнеса с втечнен природен газ. Когато хората от английския остров Кануей, където компанията построява хранилищи за метан, разбират какво всъщност се съхранява и превозва до острова им, те са шокирани и уплашени,смятайки (при това с право), че корабите са просто гигантски бомби. Тогава проблемът със сигурността наистина е актуален, но днес танкерите за втечнен метан са свръхобезопасени и са не само едни от най-сигурните, но и едни от най-екологичните морски съдове – несравнимо по-безопасни за околната среда от нефтените танкери. Най-големият клиент на този танкерен флот е Япония, която не разполага с почти никакви местни източници на енергия, а строежът на газопроводи към острова е много трудно начинание. Япония разполага и с най-големият “флот” от автомобили, задвижвани с газови горива. Основните доставчици на втеченен природен газ (LNG) днес са САЩ, Оман и Катар,Канада.

Напоследък все по-актуален става бизнесът с течности, получени от природен газ. Става дума най-вече за ултрачистото дизелово гориво, синтезирано от метан, а в бъдеще се очаква тази промишленост да расте с ускорени темпове. Енергийната политика на Буш например налага използването на местни енергийни източници, а Аляска разполага с големи находища на природен газ. Стимулатор на тези процеси са и достъчно високите цени на петрола, които създават предпоставки за развитие на скъпи технологии – GTL (Gas-to-Liquids) e само една от тях.

По принцип GTL не е нова технология. Тя е създадена ще през 20-те години на XX век от споменатите в предишните броеве германски химици Франц Фишер и Ханс Тропш като част от синтетичната им програма. За разлика от деструктивната хидрогенизация на въглища обаче, тук се извършват процеси на съединяване на леки молекули в по-дълги връзки. Южна Африка произвежда такива горива в комерсиални количества още през 50-те години. Интересът към тях обаче нарастна през последните години на търсене на нови възможности за намаляване на вредните емисии на горивата в САЩ. Големи петролни компании като BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol и Royal Dutch/Shell изразходват огромни средства за разработки на технологии свързани с GTL, а следствие от тези разработки са и все по-дискутираните политически и социален аспект в лицето на стимулиращите данъци за потребителите на чисти горива. Тези горива ще позволят на множество потребители на дизелово гориво да го заменят с по-екологично и ще дадат възможност за намаляване на разходите на автомобилните фирми в преследването на заложените в законите нови нива на вредните емисии. Последните задълбочени тестове показват, че GTL-горивата намаляват нивото на въглеродния окис в отработилите газове с 90%, на въглеводородите с 63%, а саждите намаляват с 23% без необходимост от прилагане на филтри за твърди частици. В допълнение природата на това гориво с ниско сярно съдържание позволява употребата на допълнителни катализатори, способни да снижат още повече вредните емисии на автомобилите.

Важно предимство на GTL-горивата е и факта, че те могат да се използват директно в дизеловите двигатели без каквито и да било модификации на агрегатите. Те могат също така да се смесват с горива, съдържащи 30 до 60 ррм сяра. За разлика от природния газ и втечнените петролни газове, не е необхома и промяна на досега съществуващата транспортна инфраструктура за пренос на течни горива. Според президента на Rentech Денис Якубсон, горивата от този вид могат перфектно да допълнят икономичния потенциал на дизеловете двигатели в посока екологичност, а в момента Shell строят в Катар голяма инсталация на стойност пет милиарда долара с проектен капацитет от 22,3 милона литра синтетично гориво дневно. Най-големият проблем на тези горива е свързан именно с необходимостта от огромни инвестиции в нови мощности и скъпия по принцип процес за тяхното производство.

Биогазове

Източник на метан обаче не са само подземните находища. През 1808 г. Хъмфри Дейви прави експерименти със слама, затворена във вакуумирана реторта и получава биогаз, съдържащ основно метан, въглероден двуокис, водород и азот. За биогаз разказва и Даниел Дефо в своя роман за "изгубения остров”. Историята на тази идея обаче е още по-стара - през XVII век Ян Баптита Ван Хелмонт смята, че горими газове могат да се получат от разграждащата се органична материя, а граф Алекснадро Волта (създателят на акумулаторната батерия) също достига до подобни изводи през 1776 г. Първият завод за биогаз започва да работи в Бомбай и е създаден през същата 1859 година, в която и Едуин Дрейк прави първия успешен сондаж за нефт. Индийската инсталация преработва фекалии и захранва с газ уличните лампи.

Трябва да измине много време, преди химическите процеси при получаването на биогаза да бъдат изяснени и проучени изчерпателно. Това става възможно чак през 30-те години на XX век и е резултат от скока в развитието на микробиологията. Оказва се, че процесът се осъществява благодарение на анаеробни бактерии, които са едни от най-старите форми на живот на земята. Те “смилат” органичната материя в анаеробна среда (аеробното разграждане изисква голямо количество кислород и отделя топлина). Такива процеси се извършват и естествено в блата, тресавища, оризища, покрити лагуни и т.н.

Съвременните системи за производство на биогаз стават все по-актуални в някои страни, а Швеция е водеща както при производството на биогаз, така и в производството на автомобили, пригодени за работа с него. В инсталациите за синтез се използват специално конструирани биогенератори – относително евтини и прости устройства, в които се създава подходяща среда за бактериите, които в зависимост от вида си “работят” най-ефективно при температури в диапазона между 40 и 60 градуса. Крайните продукти на биогазовите инсталации освен газ съдържат и богати на амоняк, фосфор и други елементи съединения, подходящи за използване в селското стопанство като почвени торове.

Алтернативите: ЧАСТ 2 - Автомобилите

15.02.2007

Ако имате шанс да летите нощем със самолет над Западен Сибир, през илюминатора ще видите гротескна картина, напомняща кувейската пустиня след изтеглянето на войските на Саддам по време на първата иракска война. Пейзажът е осеян с огромни горящи “факли”, представляващи нагледно доказателство за това, че доста от руските нефтодобивници все още считат природния газ за страничен и ненужен продукт в процеса на търсене на нефтени находища...

Специалистите смятат, че скоро това разточителство ще бъде спряно. В продължение на дълги години природният газ бе смятан за излишен продукт и се изгаряше или просто се изпускаше в атмосферата. Смята се, че досега само Саудитска Арабия е изхвърлила или изгорила над 450 милиона кубически метра природен газ при добива на нефт...

В същото време тече и обратен процес – повечето модерни петролни компании отдавна не прахосват природния газ, осъзнавайки ценността на този продукт и неговото значение, което в бъдеще може само да нараства. Подобен поглед върху нещата е особено характерен за САЩ, където за разлика от вече изчерпващите се нефтени залежи все още има големи находища на газ. Последното обстоятелство автоматично рефлектира и върху инфраструктурата на производството в огромната страна, чието функциониране би било немислимо без автомобилите и особено без големите товарни возила и автобуси. Все повече стават транспортните компании отвъд океана, които преоборудват дизеловите двигатели на товарните си флотилии за работа както с комбинирани системи газ –дизел така и само със синьото гориво. Все повече стават и морските съдове, преминаващи на захранване с природен газ.

На фона на цените на течните горива цената на метана звучи фантастично и мнозина започват да се съмняват, че в това има някова уловка – при това не без основание. Имайки предвид, че енергийното съдържание на килограм метан е по-високо от това на килограм бензин, а един литър (т.е. един кубически дециметър) бензин тежи по-малко от килограм, всеки може да достигне до извода, че килограм метан съдържа доста повече енергия от литър бензин. Ясно е, че и без тази привидна бъркотия от цифри и неясни неравенства, експлоатацията на автомобил, завижван с природен газ или метан, ще ви струва много по-малко средства, отколкото експлоатацията на такъв, използващ бензин.

Само че тук идва на сцената излиза класическото голямо “НО”... Защо след като „далаверата” е толкова голяма, почти никой у нас не използва природен газ в качеството на автомобилно гориво, а возилата, пригодени за неговата употреба в България са по-рядко явление от кенгуру в родопска борова гора? Отговор на този напълно нормален въпрос не дава и отчитането на факта, че газовата промишленост в световен мащаб се развива с бясно темпо и в момента се счита за най-сигурната алтернатива на течните нефтени горива. Технологиите за задвижване на двигатели с водород все още имат неясни проекции в бъдещето, контролът на процесите в цилиндрите на „водородните” мотори е изключително труден, а въпросът по какъв икономически ефективен метод ще се добива чистия водород още няма ясен отговор. На този фон бъдещето на метана е меко казано бляскаво – още повече като се има предвид, че има огромни находища на природен газ в сигурни от политическа гледна точка страни, че новите технологии (споменатите в предишния брой криогенно втечняване и химическо превръщане на природния газ в течности) стават все по-евтини, а едновременно с това цената на класическите въглеводордни продукти расте. Да не говорим, че именно метанът има най-големи шансове да се превърне и в основен източник за получаване на водород за бъдещите горивни клетки.

Истинската причина за досегашното загърбване на въглеводородните газове в качеството им на автомобилно гориво са ниските цени на петрола в продължение на десетилетия, благоприятствали развитието на автомобилните технологии и съпътстващата автомобилния транспорт инфраструктура в посока на осигуряването на захранаване на моторите с бензин и дизел. На фона на тази обща тенденция опитите за използване на газообразните горива са по-скоро спорадични и незначителни.

Още след края на Втората световна война недостигът на течни горива в Германия води до появата на оборудвани с най-елементарни системи за използване на природен газ автомобили, които макар и доста по-примитивни, принципно не се различават много от използваните от днешните български таксита системи от газобалонни резервоари и редуктори. Газовото гориво придобива известна по-съществена значимост и по време на двете петролни кризи през 1973 и 1979-80 година, но и тогава можем да говорим само за кратки проблясъци, останали почти незабелязани и неуспели да доведат до съществено развитие в тази област. В продължение на повече от две десетилетия след този последен острокризисен период цените на течните горива се поддържат на постоянно ниски равнища, достигайки в през 1986 и през 1998 година до абсурдно ниската цена от 10 американски долара за барел. Ясно е, че подобна конюнктура не може да се отрази стимулиращо на алтернативните газови горива...

В началото на XXI век пазарната ситуация плавно, но сигурно поема в друга посока. След атентатите на 11 септември 2001 година започна да се наблюдава постепенна, но трайна тенденция към повишаване цените на петрола, продължили да растата в резултат от увеличеното потребеление на Китай и Индия и все по-трудното откриване на новинаходища. Автомобилните компании обаче се задвижват доста по-тромаво в посока масовото серийно производство на автомобили, пригодени за движение с газообразни горива. Причините за тази тромавост могат да се търсят както в инертността в мисленето на повечето потребители, свикнали с традиционните течни горива (за европейците например дизелът продължава да бъде най-реалната алтернатива на бензина) така и в необходимостта от огромни инвестиции в изграждането на инфраструктура от газопроводи и компресорни станции. Когато към това се добавят усложнените и скъпи системи за съхраняване на горивата (и най-вече на сгъстения природен газ) в самите автомобили, голямата картина започва да се изяснява.

От друга страна системите за задвижване на двигатели с газообразни горива стават все по-разнообразни и следват технологиите на бензиновите си събратя. Хранителните уредби за газ вече използват същите сложни електронни компоненти за впръскване на горивото в течна (все още рядко) или газообразна фаза. Все по-често се появяват и модели серийни автомобили, фабрично пригодени за моновалентно газово захранване или с възможност за двойно захранване газ/бензин. Все по-често се осъзнава и едно друго предимство на газовите горива - благодарение на химическта им структура газовете се окисляват по-пълно и нивото на вредните емисии в отработилите газове на използващите ги автомобили е значително по-ниско.

Ново начало

За да бъде осъществен пазарен пробив обаче, ще бъде необходимо прилагането на целеви и директни финансови стимули за крайните потребители на природен газ в качеството на автомобилно гориво. В желанието си да привлекат клиенти продавачите на метан в Германия вече осигуряват на клиентите закупили автомобили работещи на газ специални бонуси, чиито характер понякога звучи просто невероятно - едно хамбургско предприятие за дистрибуция на природен газ например възстановява разходите за зареждане с газ на физически лица, закупили автомобили от определени търговци за период от една година. Единственото условие за потребителя е да залепи рекламен стикер на спонсора върху автомобила си...

Причината, поради която природният газ в Германия и България (и в двете държави огромната част от синьото гориво идва по тръбопровод от Русия) е толкова по-евтин от другите горива, трябва да се търси в ред законови предпоставки. Пазарната цена на газа е логично свързана с цената на нефта - при поскъпване на суровия петрол расте и цената на синьото гориво, но разликата в цените на бензина и газа за крайния потребител произтича най-вече от по-ниското данъчно облагане на природния газ. В Германия например цената на газа е законодателно фиксирана чак до 2020 г., като схемата на тази „фиксация” е следната - през споменатия период цената на природния газ може да се покачва заедно с тази на нефта, но пропорционалното й предимство пред останалите енергоизточници трябва да се поддържа на постоянно равнище. Ясно е, че при подобна регулирана законова база, ниски цени и липса на каквито и да било проблеми при коструирането на “газови двигатели”, единственият проблем за разрастване на този пазар остава именно слаборазвитата мрежа от газостанции – огромна Германия например разполага с едва 300 такива пункта, а в България те са много по-малко.

Изгледите за скорошно отстраняване на този инфраструктурен дефицит в момента изглеждат отлично – в Германия сдружението между Erdgasmobil и френския петролен гигант TotalFinaElf възнамерява да инвестира огромни средства в построяването на няколко хиляди нови газостанции, а в България с подобна задача се заели няколко фирма. Възможно е в скоро време цяла Европа да се радва на също толкова добре развита мрежа от газостанции за природен и втечнен петролен газ, с каквато разполагат потребителите в Италия и Холандия – страни, за чието развитие в тази област ви разказахме в предишния брой.

Honda Civic GX

На изложението във Франкфурт през 1997 година Honda представи модела Civic GX с твърдението, че това е най-екологичният автомобил на света. Оказа се, че амбициозното заявление на японците не е поредният маркетингов трик, а чистата истина, която си остава валидна и до днес и може да се види на практика при последното издание на Civic GX. Автомобилът е предназаначен за захранване само с природен газ, а двигателят е специално конструиран с цял използване на предимствата, произтичащи от виското октаново число на газообразното гориво. Не е чудно, че автомобилите от този тип още днес са в състояние да предложат нива на емисиите в изгорелите газове, по-ниски от изискваните в бъдещата европейска еконорма Euro 5 или с 90% по-ниски от американската ULEV (Ultra Low Emission Vehicles). Двигателят на Honda работи изключително меко, а високата степен на сгъстяване от 12,5:1 компенсира по-ниската обемна енергийна стойност на природния газ в сравнение с бензина. 120-литровият резервоар е изработен от композитен материал, а еквивалента на разхода на бензин е 6,9 литра. Известната система за променливо газоразпределине на Honda VTEC се сработва идеално със специфичните свойства на горивото и подобрява допълнително пълненето на двигателя. Поради по-ниската скорост на горене на природния газ и факта, че горивото е „сухо” и без мазилни свойства, леглата на клапаните са изработени от специални по-издръжливи на термично натоварване сплави. Буталата също са изработени от по-издържливи материали, тъй като газът няма свойството да охлажда цилиндрите при изпарениe както бензина.

Природния газ се впръсква в колекторните тръби на Honda GX в газова фаза, чийто обем е 770 пъти по-голям от този на еквивалентното количество бензин. Най-голямата технологична трудност за инженерите от Honda е било създаването на подходящи дюзи за работа в подобни условия и предпоставки - за да бъде достигната оптималната мощност, дюзите трябва да се справят с нелеката задача да осигурят необходимото количество газ за същото време, за което по принцип се впръсква течният бензин. Това е проблем за всички двигатели от този тип, тъй като газът заема значително по-голям обем и измества част от въздуха и налага впръскването да става директно в горивните камери.

През същата 1997 година Fiat също демострираха подобен на Honda GX модел. „Бивалентната” версия на Marea и може да използва два вида горива - бензин и природен газ, а впръркването на газа се осъществява от втора, напълно независима горивна уредба. Двигателят винаги се стартира с използване на течното гориво, а след това автоматично премина на газ. 1,6-литровият мотор разполага с мощност 93 к. с. при работа на газово гориво и 103 к. с. при използване на бензин. По принцип двигателят работи предимно с газ, освен в случаите когато последният привършва или водачът прояви изрично желание да използва бензин. За съжаление „двойнствената природа” на бивалентното захранването не позволява изцяло използването на предимствата на високото октаново число на природния газ. В момента Fiat произвежда версия на Mulipla с такъв вид захранване.

С течение на времето подобни модели се появиха в гамите на Opel (Astra и Zafira Bi Fuel във версии както с LPG, така и със CNG), на PSA (Peugeot 406 LPG и Citroen Xantia LPG), и на VW (Golf Bifuel). За класици в тази област се считат Volvo, които произвеждат варианти на S60, V70 и S80, способни да се движат както с природен газ и биогаз, така и с втеченен петролен газ LPG. Всички тези автомобили са оборудвани със системи за впръскване на газа посредством специални инжектори, с електроннно управление на процесите и съобразени със изискванията на горивото механични компоненти като клапани и бутала. Горивните резервоари за сгъстен природен газ издържат налягане от 700 бара макар самият газ в тях да се съхранява с налягане от не повече от 200 бара.

BMW

BMW са известни радетели на екологичните горива и от години разработват различни системи за задвижване на автомобили с алтернативни източници. Още в началото на 90-те баварската фирма създаде серийните модели 316g и 518g, използващи за гориво природен газ. В последните си разработки компанията реши да експериментира с кардинално нови технологии и съвместно с германския концерн за хладилни агрегати Linde, нефтенета компания Aral и енергийната фирма E.ON Energy разработи проект за използуването на втечнени газове. Проектът се развива в две направления – първото се занимава с разработки за захранване с втечнен водород, а второто е концентрирано върху използването на втечнен природен газ. Използването на втечнен водород все още се счита за перспективна технология, за която ще ви разкажем по-нататък, но системата за съхранение и използване на втеченен природен газ е съвсем реална и може да бъде приложена на практика в автомобилната индустрия в следващите няколко години.

При нея природният газ се охлажда до температура от -161 градуса и сгъстява под налягане от 6-10 бара, при което преминава в течна фаза. Резервоарът е много по-компактен и лек в сравнение с резервоарите за сгъстен газ и на практика представлява криогенен термос, изработен от суперизолиращи материали. Благодарение на модерните технологии на Linde, въпреки съвсем тънките и леки стени на резервора, течният метан може да се съхранява в това си състояние без проблеми в продължение на две седмици дори и при горещо време и без необходимост от хладилна инсталация. Първата LNG-зарядна станция, в чиито строеж са вложени 400 хиляди евро вече работи в Мюнхен.

Горивни процеси при двигателите, използващи газообразни горива

Както вече сме споменавали, природният газ съдържа основно метан, а втеченият петролен газ -пропан и бутан в пропорции, зависещи от сезона. С увеличаване на молекулното тегло детонационната стабилост на парафиновите (с права връзка ) въглеводородни съединения, каквито са метанът, етанът и пропанът се намалява, молекулите се разкъсват по-лесно и натрупват повече прекиси. Затова в дизеловите двигатели се използува дизелово гориво, а не бензин, защото първото има по-ниска температура на съмовъзпламеняване.

Метанът има най-високото съотношение водород/въглерод от всички въглеводороди, което на практика означава, че при едно и също тегло метанът има най-висока енергийна стойност сред въглеводородите. Обяснението на този факт е сложно и изисква определени познания по химия и енергия на връзките затова няма да ви занимаваме с него. Достатъчно е да приемем за даденост факта, че стабилната метанова молекула му осигурява октаново число от около 130.

Поради тази причина скоростта на горене на метана е доста по-ниска от тази на бензините, малките молекули позволяват метанът да изгаря по-пълно, а газобразното му състояние води до намалено отмиване на маслото от стените на цилиндрите при студен мотор в сравнение с бензиновите смеси. Пропанът на свой ред има октаново число от 112, което все още е по-високо от това на повечето бензини. Бедните пропаново-въздушни смеси горят с по-ниска температура от бензиновите смеси, но богатите могат да доведат до термично претоварване на двигателя, тъй като пропанът няма и охлаждащите свойства на бензина, поради навлизането му в цилиндрите в газообразна форма.

Този проблем вече е разрешен с използването на системи с директно впръскване на течен пропан. Тъй като пропанът се втечнява лесно, изграждането на системата за съхранението му в автомобила не представлява трудност, а затоплянето на всмукателните колектори просто не необходимо, тъй пропанът не кондензира както бензина. Това обстоятелство на свой ред подобрява термодинамичната ефективност на двигателя, при който спокойно могат да се използват термостати, поддържащи по–ниска температура на охлаждащата течност. Като съществен недостатък на газообразните горива остава единствено фактът, че както метанът, така и пропанът нямат никакъв смазващ ефект върху изпускателните клапани и затова специалстите казват, че това са “сухи горива”, които се отнасят благосклонно към буталните пръстени, но вредят на клапаните. На газовете не може да се разчита и за пренасянето на повечето присадки към цилиндрите на двигателите, но работещите с такива горива мотори не се нуждаят от толкова много добавки, колкото бензиновите. Качественото регулиране на сместа е много важен фактор при газовите двигатели, тъй като богатите смеси водят до повишаване на температурта на изгорелите газове и претоварват клапаните, а бедните смеси създават проблем поради намаляването на и без това ниската скорост на горене, което отново е предпоставка за термично претоварване на клапаните. Степента на сгъстяване при двигателите, работещи с пропан, спокойно може да се увелечи с две до три едници, а при тези, използващи метан - още повече. Увеличеното вследствие на това количество на азотните окиси се компенсира от по–ниските нива на вредните емисии като цяло. Оптималната смес на пропана е малко “по- бедна” - 15,5:1 (въздух към гориво ) срещу 14,7:1 при бензина и това се отчита при проектирането на изпарителите, дозиращите устройства или системите за впръскване. Тъй като и пропана, и метана са газове, двигателите нямат нужда от обогатяване на смесите при студен старт или при ускорение.

Ъгълът на изпреварване на запалването се проектира по различна крива от тази на бензиновите двигатели - при ниски обороти изпреварването на запалването трябва да е по-голямо заради по-бавното горене на метана и пропана, но при високи обороти нужда от по-голям аванс имат бензиновите смеси (скоростта на горенето на бензина намалява поради малкото време за предпламенни реации - т.е. образуване на прекиси). Затова електронните системи за управление на запалванто на газови мотори са със съвсем различен алгоритъм.

Метанът и пропанът повишават и изскванията към високото напрежение на електродите на свещите - „по-сухата” смес се “пробива” по-трудно от искрата, тъй като е по-слабо проводим елетролит. Затова и разстоянието между електродите на подходящите за такива двигатели свещи обикновено е различно, напрежението е по-високо, а като цяло въпросът със свещите е по-сложен и по-деликатен отколкото при бензиновите мотори. Най–съвършените газови мотори използват ламбда-сондата за оптимално дозиране на сместа в качествено отношение. Наличието на уредби за запалване по две отделни криви са особено важни за автомобилите, оборудвани с бивалентни системи (за работа с природен газ и с бензин), тъй като рядката мрежа от точки за зареждане с природен газ често ще налага принудителното използване на бензин.

Оптималната степен на сгъстяване за природния газ е около 16:1, а идеалната смес въздух-гориво - 16,5:1. Ако работещият с газ двигател не е специално пригоден запостигане на подобна висока компресия, то виското октаново число на природния газ не може да се използва максимално и двигателят ще прахоса около 15% от потенциалната си мощност. При употребата на природен газ въглеродния моноокис (CO) и въглеводородите (HC) в отработилите газове намаляват с цели 90%, а азотните окиси (NOx) с около 70% в сравнение с емисиите на класическите бензинови мотори. Интервалът за смяна на маслото при газовите двигатели обикновено се удвоява.

Газ-дизел

През последните няколко години стават все по-актуални двойните системи за захранване с гориво. Веднага бързам да уточня, че тук не става дума за „бивалентните” двигатели, работещи алтернативно с газ или бензин и разполагащи със запалителни свещи, а за специални дизел-газови системи, при които част от дизеловото гориво се заменя със природен газ, подаван от отделна хранителна уредба. За база на тази техника се използват стандартни дизелови двигатели.

Принципът на действие се основава на обстоятелството, че метанът има темепература на самовъзпламеняване над 600 градуса – т.е. по-висока от темепературата от около 400-500 градуса в края на цикъла сгъстяване на дизеловия двигател. Това на свой ред означава, че метано-въздушната смес не се възпламенява самостоятелно при сгъстяване в цилиндрите, а впръсканото дизелово гориво, възпламеняващо се при около 350 градуса се използва като своеобразна запалителна свещ. Системата би могла да работи и изцяло с метан, но в този случай ще е необходимо да се монтира електрическа система и запалителна свещ. Обикновено процентното съдържание на метан се увеличава с натоварването, на празен ход автомобилът се захранва с дизелово гориво, а при голям товар пропоцията метан/дизелово гориво достига до 9/1. Тези пропорции могат да се променят и съобразно предварителна програма.

Някои фирми произвеждат дизелови двигатели с т.нар. системи за захранване “micro pilot”, при които ролята на дизеловата уредба се ограничава до впръскването на малко количество гориво, необходимо само за възпламеняването на метана. Поради това тези двигатели не могат да работят автономно с дизел и обикновено се използват от индустриални машини, леки товарни автомобили, автобуси и кораби, при които скъпата конверсия е икономически оправдана - след амортизацията си тя води до значителни икономии на средства, експлоатационният живот на мотора се увеличава чувствително, а емисиите на вредни газове се намаляват осезаемо. “Мicro pilot”-машините могат да ползват както втечнен, така и компресиран природен газ.

Видове системи, прилагани при допълнително вграждане

Многообразието от системи за захранване на двигатели с газообразни горива става все по-голямо. Принципно видовете могат да бъдатразделени на няколко типа. При използване на пропан и метан това са системите със смесител и атмосферно налягане, системите с впръскване на газова фаза и системите с впръсване на течна фаза. В техническо отношение уредбите за впръскване на пропан-бутан могат да бъдат класифицирани на няколко поколения:

Първо поколение – Системи без електронен контрол при които газът се смесва в най-обикновен смесител. С такива обикновено се оборудват старите карбураторни мотори.

Второ поколение - Впръскване с една дюза, аналогова ламбда-сонда и трипътен катализатор.

Трето поколение - Впръскване с една или няколко дюзи (по една на цилиндър), с микропроцесорен контрол и наличие както на самообучаваща се програма, така и на самодиагностична кодова таблица.

Четвърто поколение - Последователно (поцилиндрово) впръскване в зависимост от положението на буталото, с брой дюзи, равен на броя на цилиндрите и с обратна връзка посредством ламбда-сондата.

Пето поколение - Многоточково последователно впръскване с обратна връзка и комуникация с микропроцесора за управление на бензиновото впръскване.

При най-модерните системи “газовият” компютър използва изцяло данните на основния микропроцесор за управление на параметрите на бензиновия двигател – в това число и времето за впръскване. „Превеждането” на данните и управлението също е свързано напълно с основната бензинова програма, като по този начин се избягва необходимостта от създаване на цели триизмерни карти за впръскване на газ за всеки модел автомобил - “умното” устройство просто чете програмите от “бензиновия” процесор и ги адаптира към впръскването на газ.

Редактирано 31 Август 2011 от grizzly