СПГ, КПГ, Биометан

При сжижении природный газ уменьшается в объеме в 600 раз, что позволяет успешно доставлять большие объемы СПГ к месту потребления. Однако тот факт, что СПГ является СПГ – криогенной жидкостью, которая хранится под небольшим избыточным давлением при температуре около 112 К (-161 °C) в емкости с теплоизоляцией, требует особых условий и средств транспортировки. Наиболее используемыми средствами перевозки СПГ являются танкеры, контейнеры и автомобильные криогенные цистерны.

СПГ контейнер используется для сухопутных перевозок СПГ и предназначен для приема, хранения, выдачи сжиженного природного газа (СПГ) и служит как емкость для транспортировки железнодорожным, морским, речным и автомобильным транспортом. Такой способ транспортировки обеспечивает полную сохранность и кондиционность продукта. Конструкция контейнера-цистерны позволяет многократно использовать его при различных погодных условиях. Надежная тепловая изоляция СПГ контейнера от окружающей среды обусловлена тем, что температура окружающего воздуха на 200°С выше температуры перевозимой жидкости. Тепловая изоляция уменьшает потери от испарения. Кроме того, недопустимо по правилам техники безопасности бесконтрольное испарение газа во время перевозки. Хорошая изоляция является залогом экономически оптимальных условий транспортировки криогенных жидкостей.

Криогенные цистерны предназначены для длительного хранения, транспортирования и выдачи СПГ. Они устроены по принципу сосуда Дюара и состоят из внутренней емкости из нержавеющей стали и внешней емкости из углеродистой стали с различными системами обеспечения функционирования, контроля и безопасности. Такие цистерны можно перевозить железнодорожным, автомобильным, водным транспортом, а также монтировать на шасси грузовых автомобилей. При хранении СПГ в криоцистерне потери СПГ сведены к минимуму за счет использования вакуумно-многослойной изоляции. Криоцистерны могут эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от минус 50°C до плюс 50°C и не требуют специальных мер защиты от воздействия атмосферных осадков и солнечной радиации. Для транспортировки СПГ используются автоцистерны объёмом 50 м3, вмещающие 19 тонн СПГ. Вес полностью загруженного автопоезда составляет 40 тонн, что не превышает требований по максимальному разрешенному весу для данной категории грузов.

СПГ танкер используется для морской транспортировки газа. Типовой СПГ-танкер (метановоз) может перевозить 145-155 тыс. м3 сжиженного газа, из чего может быть получено порядка 89-95 млн. м3 природного газа в результате регазификации. По своему размеру суда-газовозы аналогичны авианосцам, но значительно меньше сверхкрупнотоннажных нефтеналивных судов. Скорость морского судна, перевозящего СПГ, достигает 18-20 узлов по сравнению с 14 узлами для стандартного нефтетанкера. Операции по наливу и разгрузке СПГ занимают в среднем 12-18 часов. На случай аварии СПГ-танкеры имеют двухкорпусную структуру, специально предназначенную для недопущения утечек и разрывов. СПГ перевозится при атмосферном давлении и температуре –162°C в специальных термоизолированных резервуарах («система хранения груза») внутри внутреннего корпуса судна-газовоза. Система хранения груза состоит из первичного контейнера или резервуара для хранения жидкости, слоя изоляции, вторичной оболочки, предназначенной для недопущения утечек, и еще одного слоя изоляции. В случае повреждения первичного резервуара вторичная оболочка не допустит утечки. Все поверхности, контактирующие с СПГ, изготавливаются из материалов, стойких к чрезвычайно низким температурам, таких как нержавеющая сталь, алюминий или инвар (сплав на основе железа с содержанием никеля 36%).

Для сепарации и хранения СПГ под давлением используются полуизотермические резервуары, состоящие из внутреннего несущего сосуда и внешней оболочки, между которыми находится наполнитель малой плотности и поддерживается вакуум для наиболее эффективного сопротивления теплопередаче.

Каждый резервуар оборудуется трубопроводной обвязкой с запорной, регулирующей, предохранительной и защитной арматурой, а также приборами автоматического контроля состояния СПГ в резервуаре.

Средняя потеря на испарение (сброс через предохранительную арматуру) при длительном хранении в подобных резервуарах составляет 0,1% от массы СПГ в сутки.

Стоит отметить, что использование полуизотермических резервуаров для хранения СПГ под давлением, сопряжено с необходимостью устройства ограждения резервуаров с целью ограничения площади аварийного разлива СПГ. Ограждением может служить как естественный барьер, образованный рельефом местности, так и искусственное, сплошное по периметру сооружение, непроницаемое для СПГ.

Массовая теплота сгорания компримированного природного газа составляет 49,4 МДж/кг, что на 9% выше, чем у бензина, и на 11% выше, чем у авиакеросина. Более того, энергоотдача КПГ на 25 % выше, чем у пропан-бутановых смесей (для сравнения: энергоотдача одного кубического метра СУГ составляется 6175 ккал/м. куб., а КПГ — 8280 ккал). Для автомобилиста это означает, что для проезда на одинаковое расстояние сжиженного углеводородного газа потребуется на 25-30% больше.

СПГ превосходит КПГ по энергетическому содержанию на единицу объема: 84,8 БТЕ/галлон СПГ и 64,6 БТЕ/на галлон КПГ, за счет чего возможен более длительный пробег. Для пользователя это значит, что в автомобильном баллоне емкостью 50 л при давлении 20 МПа содержится 10–12 куб. м природного газа в газообразном состоянии, что эквивалентно 12–15 л бензина.

Чтобы сохранить низкую температуру СПГ, в автомобилях его хранят в криогенных емкостях, которые представляют собой двустенные емкости с изолированными друг от друга стенками, под давлением 0,05-0,5 МПа. Также и для перевозки компримированного метана нужны более прочные и тяжелые баллоны, чем для СПГ. Тем не менее, подобные трудности компенсируются очевидными преимуществами КПГ и СПГ перед другими видами топлива, причем не только с точки зрения экономии на стоимости топлива, но и в отношении экологичности и безопасности топлива: в случае утечки метан поднимается вверх и не взрывается, а также наносит минимальный ущерб окружающей среде по сравнению с традиционными бензинами, получаемыми из нефти.

В настоящее время из всех видов транспорта (авиационного, водного, железнодорожного) автомобильный транспорт наиболее массовый вид транспорта для перевозки пассажиров и грузов на малые и средние расстояния.

Сегодня производство автомобилей в мире в семь раз превышает прирост населения. Если сегодняшний темп прироста автомобилей сохранится в ближайшие десять лет, то уже в 2025 г. в мире будет свыше полутора млрд. автомобилей. И всем этим машинам потребуется бензин или дизельное топливо.

Однако уже в середине прошлого века в развитых странах мира стало очевидным, что автомобильный транспорт, играя значительную роль в экономике и комфортной жизни людей, является крупнейшим искусственным источником загрязнения атмосферного воздуха. Подсчитано, что в целом по России ежегодные выбросы вредных веществ от автотранспорта составляют около 180 килограммов на каждого жителя страны. Экологическая проблема загрязнения атмосферы от таких машин на лицо.

В связи с этим, по мнению ведущих мировых экспертов, в настоящее время самым простым и экономически целесообразным путём снижения токсичности отработавших газов автотранспорта является использование более экологически чистых, альтернативных видов моторного топлива, и, прежде всего, природного газа. Перспективность природного газа как наиболее экологически чистого моторного топлива очевидна.

Результаты исследований токсичности газобаллонных автомобилей, показывают, что при замене бензина на природный газ выброс токсических составляющих (г/км) в атмосферу города снижаются: по оксиду углерода в пять-десять раз, углеводородам – в три раза, окислам азота – в полтора–два с половиной раза, дымности – в 8-10 раз, в зависимости от типа автомобиля. Более того, использование природного газа в качестве моторного топлива может позволить сократить концентрацию озона на уровне земли до 80% по сравнению с автомобилями на традиционных видах топлива.

Перевод транспорта на природный газ – несомненно высокоэффективное мероприятие, обеспечивающее значительное улучшение экологической безопасности.

Эксперты называют СПГ «универсальным топливом 21 века», так как он может использоваться в различных отраслях промышленности, транспорта и сельского хозяйства. На сегодняшний день наиболее популярными решениями являются использование СПГ как альтернативного энергоносителя, а также в качестве газомоторного топлива.

СПГ является уникальным решением проблем газификации удаленных районов и удовлетворения возрастающего спроса на газ в «пиковые» периоды. Под «пиковыми» периодами понимается резкий рост спроса на газ, например, в связи с резким понижением температуры окружающей среды. Впервые СПГ был использован для удовлетворения «пикового» газопотребления в 1939 г. в США, где построили установку производительностью 6 тонн в сутки, а в 1940 г. в г. Кливленде была построена установка производительностью 12 тонн в час с тремя резервуарами общей емкостью 0,47 млн м3. В настоящее время, в США, Канаде, странах Западной Европы и Австралии эксплуатируется около 75 комплексов с установками для сжижения газа относительно небольшой производительности (до 20 тонн в час) с хранилищами и приспособлениями для газификации СПГ, а также 78 комплексов, не имеющих установок для сжижения газа, — так называемых «сателлитных», с доставкой СПГ с других установок. Сжиженный газ также используется в качестве буферного топлива и сырья в случае временного отключения газопровода.

Что касается газификации удаленных районов, подобные станции приема, хранения и регазификации СПГ (СПХР) используются для обеспечения газом территорий, где пока нет трубного газа.
В мире активно развивается направление по использованию СПГ в качестве газомоторного топлива как для автотранспорта, так и для судов, локомотивов и даже в ракетных двигателях.

Сравнительно низкая стоимость СПГ по сравнению с дизельным топливом обуславливают рост интереса железнодорожных перевозчиков к данному виду топлива. В докладе AEO-2014 указано, что в США объем потребления СПГ как топлива для локомотивов увеличится с 1 трлн BTU до 148 трлн BTU к 2040 г, или 35% от общего потребления грузовыми железнодорожными локомотивами.

Тенденция к использованию СПГ как топлива для судов обусловлена введением новых экологических норм. Так, с 1 января 2015 года в зонах особого контроля над выбросами серы (Sulphur Emission Control Areas – SECA), в число которых входят Балтийское и Северное моря, содержание серы в судовом топливе не должно превышать 0,1% (сейчас – 1%). С 2020 года по всему миру будет введено ограничение на содержание серы в судовом топливе на уровне не более 0,5%. Кроме того, выброс серы при нахождении в портах Евросоюза не должен превышать 0,1-0,2%. В связи с этим, судовладельцам, операторам судов и бункерным компаниям приходится рассматривать альтернативные варианты использования топлива на свои суднах, и СПГ является одним из наиболее выгодных и экологически безвредных решений, т.к. оно позволяет полностью исключить выброс окислов серы и твёрдых частиц, снизить на 90% выбросы окислов азота и на 30% уменьшить выбросы углекислого газа.

Сегодня на газомоторном топливе в мире работают уже 38 судов-негазовозов: 20 автомобильно-пассажирские паромы, 12 судов обеспечения буровых платформ, 1 химовоз, 1 ролкер, 1 сухогруз и 3 патрульных судна. По данным DNV (Det Norske Veritas ), на июль 2013 г. были заказаны 30 судов, использующих СПГ в качестве второго топлива для главных двигателей: 5 паромов, 7 судов обеспечения буровых платформ, 4 буксира, 4 судна Ro-Ro, 3 пассажирских ролкера, 2 контейнеровоза, 2 газовоза, 1 судно для генеральных грузов, 1 портовое судно и 1 патрульный катер.

Что касается использования СПГ как автомобильного топлива, это направление активно развивается в мире. Применение природного газа на транспорте позволит уменьшить выбросы окислов в атмосферу примерно в 2 раза, углеводородов — в 3 раза, окиси углерода — в 10 раз, а также будет способствовать снижению дефицита нефтяного топлива. И хотя на сегодняшний день большинство автомобилистов предпочитают использовать компримированный природный газ (КПГ), СПГ уверенно набирает обороты и вскоре сможет составить конкуренцию другим видам топлива на этом рынке. Так, в 2014 г. компания Iveco провела успешные испытания тягача Iveco, работавшем на СПГ. Подобный опыт открывает перспективы использования СПГ не только как топливо для легкового транспорта, но и для грузовой и сельскохозяйственной техники.