Первый локомотив на газовом топливе построил и протестировал в 1887 году немецкий инженер-конструктор Готтлиб Даймлер. В то время поезда ходили на угле, позже перешли на дизельное топливо и электричество. Природный газ стал возвращаться на железную дорогу с середины XX века. Самые современные газовые локомотивы ездят на СПГ — сжиженном природном газе.
Потенциал СПГ как топлива для локомотивов исследуют с середины 1970-х. В 1987 году в СССР построили первые три магистральных тепловоза с газодизельными двигателями — они могли работать на дизельном топливе и СПГ. Довести первые СПГ-тепловозы до серийного производства не удалось.
Первый в современной России магистральный СПГ-газотурбовоз — тепловоз с турбинными двигателями — создали в 2008 году. Спустя год он установил мировой рекорд: провел грузовой состав из 159 вагонов массой более 15 тысяч тонн. Газотурбовоз попал в книги рекордов России и Гиннесса как самый мощный в мире, работающий на СПГ: его мощность составила 8,3 тысячи киловатт.
В 2013 году российские инженеры побили рекорд и построили СПГ-локомотив мощностью 8,5 тысячи киловатт. На сегодня это самый мощный газотурбовоз такого типа в мире.
Наряду с магистральными тепловозами на СПГ, которые возглавляют грузовые составы, в России строят и маневровые — те, что работают на станциях. Опытные образцы газодизельных маневровых тепловозов появились в нашей стране в конце 1990-х. В 2013-м изготовили первый в мире маневровый СПГ-тепловоз с газопоршневым двигателем, а в 2022-м выпустили аналогичный тепловоз с двумя поршневыми двигателями.
СПГ-тепловозы оснащают газотурбинными и газопоршневыми двигателями внутреннего сгорания. Первые называют газотурбовозами, вторые — газотепловозами. В газотурбинном двигателе работу производит турбина, которая использует энергию нагретого газа. В газопоршневом механическую работу производит поршень: он совершает поступательное движение в цилиндре за счет расширения продуктов сгорания топлива.
Сжиженный газ хранят под давлением около 4,5 атмосферы в охлаждающих цистернах — температура в них должна быть не выше минус 161 градуса. Цистерну с холодным топливом встраивают прямо в железнодорожный состав — она занимает одну из секций. Внутрь помещается 17–20 тонн СПГ. Из-за работы охлаждающей системы СПГ-тепловозы отличаются большей шумностью.
Сбоку у цистерны есть специальные заправочные краны, куда подключают шланг. Заправлять поезда можно из привозных автоцистерн с СПГ или на железнодорожных заправочных пунктах, куда топливо поступает с газораспределительных станций. На таких станциях природный газ сжижают на месте с помощью криогенного оборудования. Подобная инфраструктура есть под Екатеринбургом, и для повсеместного использования СПГ-поездов ее недостаточно.
Российские инженеры продолжают разрабатывать новые СПГ-поезда. В планах развернуть серийное производство маневровых локомотивов, создать еще по два типа магистральных и маневровых тепловозов и подготовить существующие локомотивы для перехода на СПГ.
Жидкий природный газ подходит не только для заправки поездов. СПГ можно использовать для легкового и грузового транспорта — при этом его превращают в компримированный (сжатый) природный газ. Такое топливо в три раза менее плотное и хранится под давлением около 200 атмосфер: для этого подходят баллоны с толстыми стенками и не нужна охлаждающая система на борту автомобиля.
На СПГ ходят морские и космические суда. Чтобы заправлять корабли не с берега, а в море, в России создали плавучую СПГ-АЗС «Дмитрий Менделеев». Сжиженные газы, в том числе метан, применяют как ракетное топливо.
Еще одна сфера применения СПГ — питание энергоустановок предприятий и объектов энергетики в труднодоступных районах. Для этого компактное жидкое топливо доставляют на место, превращают в обычный по плотности газ и используют, как природный: например, направляют по трубопроводам.