В останнє десятиліття 20 століття у світовій економіці почала набирати сили 3-я хвиля популярності природного газу, як моторного палива. За прогнозами фахівців ця хвиля досягне свого вищого рівня до кінця першої чверті 21 століття. Перше застосування природного газу як моторного палива відноситься до середини 19 століття, коли у Франції інженером Ленуаром був створений перший двигун внутрішнього згоряння. Паливом цього двигуна був природний газ.
Застосування газового палива в моторах з колиски двигунобудування і неодноразове повернення до застосування цього виду палива не випадково. За своїми властивостями воно найбільше наближається до уявлень про ідеальне моторне паливо.
Природний газ за своїми енергетичними, фізико-хімічними та екологічними показниками є дуже перспективним паливом і його застосування має дати позитивний ефект у багатьох аспектах, головними з них є:
Економіка газового моторного палива
Енергетика природного газу
Паливна економічність газового двигуна
Зносостійкість газового двигуна
Екологічна безпека газових двигунів
Економіка газового моторного палива є наслідком витрат на його виробництво. Особливо важливо, що всіма позитивними якостями володіє газ, що видобувається з надр, без подальшої переробки. Це зрештою гарантує його нижчу вартість проти продуктами переробки нафти, незалежно від особливостей законодавства. Незважаючи на це з метою стимулювання виробництва цього палива, Урядом встановлено граничні значення його продажної ціни, яка не повинна перевищувати 50% від місцевої ціни бензину А-76. Проте практика показує, що у випадках, коли потреба в газовому паливі суттєво зростає, продажна ціна може бути значно нижчою за встановлену межу. Це важливо для споживачів, оскільки інших випадків можливого зниження ціни на моторне паливо практично немає.
Енергетика газу визначається метаном, який становить залежно від родовища 85 – 99% загальної маси газу. Фізико-хімічні властивості метану суттєво відрізняються від інших вуглеводнів, з яких складаються найпоширеніші моторні палива (бензин, гас, дизельне паливо та ін.). Молекула метану найкоротша з усіх відомих вуглеводнів, містить 1 атом вуглецю і 4 атоми водню, які з'єднані один з одним не тільки завдяки звичайним внутрішньомолекулярним силам, але і за допомогою специфічного водневого зв'язку. Це робить метан одним з найстійкіших природних сполук і тим самим надає якості особливо цінні при використанні газу, як моторного палива.
Теплота згоряння метану становить 49,4 МДж/кг. У автомобільного бензину цей показник дорівнює 45,2 МДж/кг, що на 9% менше. У порівнянні з авіаційною гасом переваги метану ще вищі – 11%. Це дає перспективу застосування метану як авіаційне моторне паливо, оскільки вагові показники в цьому виді транспорту є вирішальними.
Паливна економічність газового двигуна – найважливіший показник автомобільного мотора – визначається октановим числом палива та межею займання паливоповітряної суміші.
Октанове число є показником детонаційної стійкості палива, яка обмежує можливість застосування палива в потужних та економічних двигунах з високим ступенем стиснення. У сучасній техніці октанове число є головним показником сортності палива: чим воно вище, тим якісніше і дорожче паливо. Завдяки високій стійкості молекули метану природний газ має найбільше значення октанового числа з усіх вуглеводневих палив від 105 до 120 одиниць, тобто має детонаційну стійкість вище, ніж у еталона цього показника – ізооктану. Найбільш поширені в Росії бензини мають октанові числа: 76 (А-76), 86 (АІ-92), 95 (АІ-98 або «Екстра-95»). Ця якість дозволяє застосовувати природний газ не тільки для всіх видів двигунів з іскровим запаленням, що знаходяться в експлуатації, але і форсувати ці двигуни за ступенем стиснення, покращуючи потужнісні та економічні показники.
З теорії випливає і практикою підтверджено, що питомі витрати палива двигуном тим менші, чим бідніша паливоповітряна суміш, на якій працює двигун, тобто чим менше палива припадає на 1 кг повітря, що надходить у двигун. Однак дуже бідні суміші, де палива дуже мало просто не спалахують від іскри. Це й ставить межу підвищення паливної економічності. У сумішах бензину з повітрям граничний вміст палива в 1 кг повітря, при якому спалах можливий, становить 54 г. У гранично бідній метаноповітряній суміші цей вміст становить лише 40 г. Тому на режимах, коли від двигуна не потрібно розвивати максимальну потужність (міський рух) автомобіль, що працює на природному газі значно економічніший, ніж бензиновий. Спеціально поставлені ВНИИГАЗом досліди показали, що витрата палива на 100 км/км автомобіля ЗІЛ 130, що працює на газі, зі швидкостями в межах від 25 до 50 км/год в 2 рази менше ніж у того ж автомобіля в тих же умовах, що працює на бензині.
Зносостійкість газового двигуна впритул пов'язана із взаємодією палива та моторного масла. Одним із неприємних явищ у бензинових двигунах є змивання бензином масляної плівки з внутрішньої поверхні циліндрів двигуна при холодному запуску, коли паливо надходить у циліндри не випаровуючись. В цьому ж випадку бензин у рідкому вигляді потрапляє в масло, розчиняється в ньому і розріджує його, погіршуючи мастила. Обидва ефекти прискорюють зношування двигуна. Природний газ незалежно від температури двигуна завжди залишається у газовій фазі, що повністю виключає зазначені фактори. Саме тому довговічність двигуна при роботі виявляється у 1,4 – 1,6 рази вищою, ніж у бензинового.
Екологічна безпека газових двигунів на початку 21 століття стала головним фактором, який робить переваги газового моторного палива незаперечними. Ця безпека визначається трьома факторами:
скорочення витрати швидко виснажуються ресурсів;
значно меншими викидами повітря забруднюючих речовин двигунами, які працюють на газі, ніж використовують нафтові палива;
зниження викиду тепличних газів.
Природні ресурси метану значно перевищують запаси нафти. При цьому у разі застосування природного газу в якості моторного палива практично все видобуте з надр може бути використане за кваліфікованим призначенням. Нафтові палива виходять після переробки, при цьому частка світлих нафтопродуктів далека від 100%. Тобто застосування нафтового палива потребує більшого виснаження природних ресурсів, ніж споживається паливо. Розрахунки показують, що у разі переведення транспортних засобів на газове паливо паливна безпека людства становитиме не менше 200 років. У той час, як ресурси нафти можуть виснажитися за 30-50 років, тобто за дуже короткий термін для розбудови енергоресурсної політики.
Зниження викиду забруднюючих речовин в атмосферу при застосуванні газового палива визначається тими самими властивостями газу, що забезпечують високу паливну економічність двигунів. Бензинові двигуни в силу високого значення межі збіднення (54 г палива на 1 кг повітря) вимушено регулюються на багаті суміші, що призводить до нестачі кисню в суміші та неповному згорянню палива. В результаті у вихлопі такого двигуна може міститися значна кількість чадного газу (СО), який завжди утворюється при нестачі кисню. У разі, коли кисню достатньо, у двигуні при згорянні розвивається висока температура (більше 1800о З), коли він відбувається окислення азоту повітря надлишковим киснем з утворенням оксидів азоту, токсичність яких у 41 раз перевищує токсичність СО – бойової отруйної речовини. Крім цих компонентів, у вихлопі бензинових двигунів містяться вуглеводні і продукти їх неповного окислення, які утворюються в пристіночному шарі камери згоряння, де охолоджувані водою стінки не дозволяють рідкому паливу випаруватися за короткий час робочого циклу двигуна і обмежують доступ кисню до палива. У разі застосування газового палива всі зазначені фактори діють значно слабше, в основному внаслідок бідніших сумішей. Продукти неповного згоряння практично не утворюються, оскільки є надлишок кисню. Окиси азоту утворюються в меншій кількості, тому що при бідних сумішах температура згоряння значно нижча. Пристінковий шар камери згоряння містить менше палива при бідних газоповітряних сумішах, ніж при багатших бензино-повітряних. Таким чином, при правильно відрегульованому газовому двигуні викиди в атмосферу чадного газ виявляються в 5-10 разів менше, ніж у бензинового, оксидів азоту в 1,5 - 2,0 рази менше і вуглеводнів в 2 -3 рази менше. Це дозволяє дотримуватися перспективних норм токсичності автомобілів («Євро-2» і можливе і «Євро-3») при належному відпрацюванні двигунів.
Тепличний газ – двоокис вуглецю – утворюється при згорянні вуглецю, що входить до складу палива. Вміст вуглецю у складі метану 75% за вагою, у складі бензину 85%. Тому за повного згоряння метану утворюється двоокису вуглецю (СО2) на 13% менше, ніж бензину. Тобто застосування природного газу як автомобільне паливо замість бензину призведе і до зниження виділення парникових газів, що останнім часом стає однією з головних екологічних проблем Землі.