Содержание
- Автомобили на газомоторном топливе
- Баллоны для компримированного природного газа
- Баллоны КПГ производимые в России
- Зарубежные композитные баллоны для автотранспорта
- Стоимостно-ценовые индикаторы
1. Автомобили на газомоторном топливе
По данным Национальной Газомоторной Ассоциации по состоянию на середину 2014 г а России эксплуатировалось 90 000 автомашин на газомоторном топливе, в США – 142 000, в Италии – 823 000, в Армении – 226 800, в Узбекистане- 450 000, в Аргентине – 2 389 570, в Бразилии – 1 773 403, в Таиланде – 448 025, в Иране – 3 500 000
Потребность в баллонах высокого давления напрямую связано с состоянием рынка автомобильной газомоторной техники. В целях его создания и развития органами государственного управления начиная примерно с 2013 г. приняты определенные меры по увеличению потребления газомоторного топлива в РФ
Для обеспечения работы газомоторной техники используется три вида газового топлива в соответствии с принятой в 1999 году в РФ терминологией это:
- Компримированный природный газ (КПГ), англ. Compressed natural gas (CNG) – сжатый природный газ (метан) В России, как правило, используется с рабочим давлением 20 МПа.
- Сжиженный природный газ (СПГ), англ. liquefied natural gas (LNG) – сжиженный при низкой температуре ( -1600 С) природный газ (как правило метан).
- Сжиженные углеводородные газы (СУГ), англ. Liquefied petroleum gas (LPG) — смесь сжиженных под давлением легких углеводородов (пропан, бутан и т.п.)
Нас интересует применение компримированного природного газа (КПГ)
2. Баллоны для компримированного природного газа
Комплект газобаллонного оборудования для автотранспорта состоит из двух частей: «подкапотной группы» и «газобаллонной группы» Стоимость газовых баллонов составляет наиболее существенную часть затрат при переводе автомобильного транспорта на использование ГМТ. Тип применяемых газовых баллонов прямым образом влияет на технические характеристики автомобильного транспорта, экономическую эффективность перехода на ГМТ, экологические показатели.
Требования к газовым баллонам, используемым для автомобильного транспорта регламентируются следующими документами:
- ISO 11439: 2000 «Gas cylinders — high pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles (IDT)» его русская версия ГОСТ Р ИСО 11439-2010 « Газовые баллоны высокого давления для хранения на транспортном средстве природного газа как топлива»
- ECE R 110 Правила № 110, редакция №3, Приложение № 3
- ГОСТ Р 51752-2001 «Баллоны высокого давления для сжатого природного газа используемого в качества моторного топлива на автомобильных транспортных средствах»
Нормативной документацией предусмотрено изготовление баллонов 4 типов:
- КПГ-1 (CNG-1) — металлический;
- КПГ-2 (CNG-2) — металлический лейнер, армированный непрерывными волокнами,
пропитанными смолой (кольцевая обмотка); - КПГ-3 (CNG-3) — металлический лейнер, армированный непрерывными волокнами,
пропитанными смолой (полная обмотка); - КПГ-4 (CNG-4) — неметаллический лейнер, армированный непрерывными волокнами, пропитанными смолой (полностью композиционный).
В общем то существует и 5 тип- безлейнерный, однако в данном аспекте его рассматривать не будем.
Наряду с такими характеристиками как безопасность, надежность, срок службы, экологичность, важнейшей характеристикой баллонов является удельный вес баллона (англ. specific weight of CNG cylinder) то есть отношение массы (кг) к объему (л)
Средние значения этого параметра для баллонов КПГ (CNG) с рабочим давлением 20 Мпа различных типов даны на рисунке ниже
Это несколько расширенные значения параметра, с тем чтобы дать возможность работать на рынке и предприятиям с устаревшей технологией производства. Более реально, по состоянию на сегодня, этот показатель отражен в таблице ниже:
Процентное распределения нагрузки между лейнером и силовой оболочкой представлен в таблице:
В зарубежной практике явно прослеживается тенденция увеличения использования баллонов 4 типа, и более широкого применения для их изготовления углеродного волокна, естественно большую роль играют и ценовые показатели.
Использование баллонов 4 типа обусловлено несколькими факторами, среди которых:
- Используются для хранения СПГ на автотранспортных средствах с 1992 и имеют только положительные отзывы
- Самая длительная история применения – более 50 лет, в различных приложениях, в первую очередь в авиакосмических
- За всю историю применения не произошло ни одного взрыва газового баллона данного типа
- Обеспечивают значительное снижения веса по сравнению со стальными баллонами (до 75%) следовательно, позволяют более полно использовать возможности автотранспортных средств и снижают выбросы углерода
- Не подвержены воздействию химических веществ, ультрафиолетового излучения
- Отсутствует коррозия — вне зависимости от качества топлива, идеальны для прибрежных районов.
- Высокая ударная прочность
- Не подвержены усталостному разрушению
- Газопроницаемость и утечки гораздо ниже, чем установленные в требованиях стандартов
- Самый длинный жизненный цикл, по сравнению с другими типами баллонов
- Возможность отслеживания жизненного цикла
- Соответствуют требованиям стандартов ISO 1439 и ECE R-110 требования, которых гораздо жестче, чем требования стандартов для металлических баллонов. Проводится 13 дополнительных тестов.
- Испытывается из расчета 30 лет жизненного цикла, при установленном 20-ти летнем сроке службы
- Абсолютно безопасны при простреле из огнестрельного оружия.
- Возможно использование баллонов 4 типа для хранения водорода.
Более широкое использования углеродных волокон обусловлено необходимостью выполнения требований безопасности в части запаса прочности и необходимостью снижения веса, что ясно видно на следующем графике:
В соответствии с требованиями международного стандарта ИСО 11439, расчетное давление разрушения баллонов, изготавливаемых с использованием полимерных композиционных материалов, должно определяется на основании анализа напряжений, действующих в волокне.
Из приведенных на графике данных видно, что требование по запасу прочности баллонов возрастает в ряду: углеродное волокно, органическое волокно, стеклянное волокно. Для баллонов на основе органических и стеклянных волокон требование по запасу прочности возрастает по мере увеличения доли композита в конструкции. Только для баллонов на основе углеродных волокон требование по запасу прочности практически постоянно для всех типов конструкций, включая цельнометаллические баллоны.
Таким образом, одним из путей повышения конкурентоспособности баллонов 4 типа является оптимизация их характеристик за счет более широкого использования углеродных волокон в конструкциях третьего и четвертого типов, а также освоение производства цельнометаллических баллонов из легированной стали.
3. Баллоны КПГ производимые в России
В России довольно много фирм заявляло о начале выпуска баллонов для КПГ, тем не менее, сегодня можно сказать, что реально автопроизводителями используется продукция нижеследующих:
1. Орский машиностроительный завод производит (????) баллоны 1 типа, температура эксплуатации от – 450 С до +650 С, установленный срок службы 15 лет
Удельный вес 1, 21, что выше максимального предусмотренного стандартами 1,1. Баллоны изготавливаются по ТУ 1410-007-29416612-2005
2. Котласский электромеханический завод производит баллоны 2 типа, температура эксплуатации от -450 С до + 650 С, установленный срок службы 15 лет, удельный вес 0,675, что укладывается в предусмотренный стандартами для баллонов 2 типа. Лейнер стальной, обмотка стекловолокно на эпоксидном связующем. Баллоны изготавливаются по ТУ 4591-001-07507512-96.
3. ООО НПФ «Реал-Шторм» г. Ижевск — баллоны 3 типа, температурный режим -400 +650 С, 15 000 циклов, удельный вес 0,7 что значительно превышает максимально допустимый для баллонов 3 типа – 0,4, алюминиевый лейнер. Изготавливаются по ТУ 4591-010-13055988-2006. Есть сообщения что начат выпуск баллонов «Реал-Арктик» с минимальной температурой эксплуатации -600 С, но так как говорится , что габариты и вес в соответствии с вышеупомянутыми ТУ, то скорее всего просто получили документ что можно использовать прежние.
4. Зарубежные композитные баллоны для автотранспорта
В Россию поставляется продукция различных производителей. Однако конкурентами продукции предполагаемого производства следует рассматривать только баллоны производимые компанией xperion Energy & Environment GmbH входящей в группу AVANCO.
Компания изготавливает только баллоны 4 типа, как наиболее безопасные, инновационные и имеющий самый долгий срок жизни без образования внутренней коррозии.
Срок службы 20 лет (исходя из 1000 заправок в год), полностью соответствуют всем нормативным документам. Баллоны, как правило, имеют гибридную конструкцию, что подразумевает наличие слоя из углеволокна и слоя из стекловолокна. Хотя есть и варианты использования для силовой оболочки только углеволокна.
Удельный вес 0,33, что соответствует требованиям стандартов для баллонов 4 типа. Продукция этой компании является эталонной, как для потребителей, так и для других производителей аналогичных изделий.
5. Стоимостно-ценовые индикаторы
Себестоимость и цена композитных баллонов значительно варьируется в зависимости от регионального рынка, технологии изготовления и целого ряда других факторов, например нахождения в ТОП-10 покупателей какого либо сырья, что вообще обеспечивает эксклюзивные цены, в разы меньше, чем для остальных участников рынка.
В США, например стоимость баллонов 1 типа может быть 13 долларов. В то время как в РФ аналогичные баллоны белорусского и польского производства поставляются по цене 2.2, китайского – 2,6, чешского 2.74 доллара за гидравлический литр. Баллоны 2 типа на рынке США продаются по цене 11-16 долларов за гидравлический литр, в то время как в Санкт-Петербурге после таможенной очистки, при партии более 100 шт. стоимость гидравлического литра составляет 3.85-4 доллара.
В части интересующих нас баллонов 4 типа цена продажи в США варьируется от 10 до 20 долларов США за гидравлический литр.
На европейском рынке одним из ведущих производителей баллонов высокого давления для хранения моторного топлива является MCS Technologies GmbH Германия (Манесман) в соответствии с их коммерческим предложением:
На основании анализа различных документов можно сделать предположение о средней стоимости 1 гидравлического литра автомобильных баллонов высокого давления на европейском рынке. Эти данные приведены в таблице
Согласно расчетам композитные баллоны, изготовленные из углеволокна, объемом 80 л имеют себестоимость 1 гидравлического литра 9,63 $, а 100 литровые — 9$, в среднем 9,32 $ (рынок США).
Основываясь на данных фирмы Entec можно предположить, что удельный вес 1 одного литра объема составит 0,290 кг.
Используя соотношения, приведенные в Owens corning в «Innovation in Composite CNG Cylinders» можно сказать, что себестоимость 1 литра при изготовлении композитного баллона, из высококачественного стекловолокна типа XStrand снизиться на 35% и может составить 6,1$ за литр объема при увеличении удельного веса практически вдвое до 0,56-0,58 кг на 1 литр.
Рассматривать вариант изготовления баллона из обычного стекловолокна не имеет смысла, так как снижение себестоимости будет порядка 25-30% при значительном увеличении дельного веса до 0,67-0,7
Гибридный вариант обеспечит удельный вес примерно 0,41 кг/л и себестоимость стоимость 1 литра 7,45 $
Следует так же учитывать что машинное время изготовления баллонов будет разным для разных материалов и понадобится различное количество оборудования для изготовления одного и того же количество баллонов. Так если для изготовления определенного количества баллонов углеволокна потребуется 1 станок, то для изготовления того же количества баллонов по гибридной технологии потребуется 1,44 станка а из стекловолокна 3,12. Так как стоимость намоточного оборудования составляет основную статью затрат на технологическую линию, то можно сказать, что примерно в такой же пропорции возрастут затраты на оборудование.
Наряду с вопросами надежности, снижения удельного веса вопросы производительности и снижения капитальных затрат являются основными факторами более широкого применения углеволокна в производстве композитных баллонов высокого давления.
Приведенные выше значения являются индикативными. Необходима разработка Технико-экономического обоснования различных вариантов
