汽车工业发展中能源替代问题

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1我国石油供需现状

我国汽车产量和保有量正迅猛增长,汽车运行所赖的汽油、柴油,源自原油矿藏。截止2004年底我国累计原油探明可采储量为67.91亿t,其中已采出43亿t,剩余量仅为24.91亿t[1]。2005年我国创原油产量新纪录(1.81亿t),但石油消费也创新高(超过3亿t),为世界第二。当年净进口原油1.1875亿t,还净进口成品油0.1742亿t,石油进口量仅少于美、日,为世界第三。人类迄今所用能源主要仍是化石燃料中的石油、煤和天然气。非化石燃料主要有水电、核电、生物质燃料、风能和其他可再生能源,如太阳能、地热、潮汐能等。世界能源用量构成石油、煤、天然气、其他能源的比例约为4∶3∶2∶1。专家们估计二三十年后此比例将变成2∶3∶3∶2[2]。我国这种以煤为主的能源结构,从技术层面分析是比较不利的。主要是燃煤污染环境,烟、灰、CO2排放都多,而其他能源较易做到清洁燃烧。现代交通运输工具中汽车、轮船的动力机主要为耗用汽油、柴油的内燃机;火车则为内燃机车和电力机车并用;飞机已主用喷气机,耗用煤油。此外,化工产品中化肥、化纤、塑料、合成橡胶也多以原油的馏分为原料。因此,现代国家的能源结构中,一定比例的石油是很必要的。我国石油产量不足而用量却不断攀升,不得不逐渐增加进口。我国当前能源消费结构与产量结构中最突出的差异正是在石油单项,反映了国家不得不大量进口的无奈。改革开放以来,我国国内生产总值(GDP)超速增长:1980年为7638亿元,2005年达78678亿元。不论生产发展和人民生活改善都会导致能源消费的增长,2005年全国能源消费总量为1980年的3.7倍。我国25年来实际上又是如何处理这高达3.7倍的能源消费上升呢?主要是依靠国家自有资源的开发。首先以多采煤来应对;其次是努力开发水电,如兴建长江三峡、黄河、珠江上游等水电站;还有核电事业也从无到有、从完全引进到自建为主;天然气的开发也有较大发展;现在又开始注目于开发风电事业。就石油能源来说,1980年全国产原油1.06亿t,当时自用有余,还可大量出口来换取紧缺的外汇。但从1993年起,我国成为成品油净进口国,1996年起成为原油净进口国,终于年年需要进口。2005年原油产量达1.81亿t峰值,为1980年的1.7倍,仍远不敷需求,进口依存度已超过了40%。笔者认为不久后,进口量将超过国内产量。1980年我国能源生产结构中,原油曾达23.8%峰值,该年煤的比例为69.4%,但由于原油产量不能满足需求,2004年的能源生产结构中,原油降至13.5%,而煤上升至75.6%[1]。国家其实早已认识到石油是我能源生产中最薄弱环节,因此历来重视其开源,不仅努力加强勘探,包括西去荒漠和向东、向南去海域开发,期望提高油气的探明储量,再实行增产;还较早就致力于开发国外油源,包括向中东、非洲和前苏联国家采购,近日还与南美的委内瑞拉洽谈。同时我国又积极向国外投资,共同开发油气田,或收购石油企业,以便获得海外份额油。但以上多方面的努力迄今还不能根本缓解石油的供需矛盾,形势依然紧张。自然资源在地球上的分布本来就是不均衡的,加上各国开发能力又有差异,因此各种商品通过国际贸易等价交换,互通有无,理应是天经地义的事情。可是,石油是一种战略物资,进口依存度大是一种有关国家安全的很大风险,哪怕只是运输通道发生问题。例如中东和非洲石油,如仅采取船运一种办法,若马六甲海峡的通道受阻,后果便会十分严重。还有石油的价格波动也可能成为一种重大风险,如始自2004年的油价飚升,从每桶原油32.5美元,升至60～70美元(即每吨从约240美元猛升至440～515美元),按年进口上亿吨原油计,进口国便要额外多付出200～275亿美元,这种经济风险也是极其巨大的。国际上有人兴风作浪,把石油涨价原因归咎于中国的增购,其实中国的增购量在世界石油贸易增量中只占极小份额,中国进口量远小于美、日,石油价格突然猛升,主要是由于某国大量基金的投机炒作。归咎中国者,若非出于无知,便是别有用心。但是这次风波也足以说明石油进口依存度大是与国家安全风险有关的问题。由此可见,我国近几年提倡节约能源的重大意义了。对于特别依赖石油的交通运输业、尤其是汽车行业,如何千方百计降低油耗以及采用替代能源,是汽车界的一个重要课题,其中汽车采用天然气替代石油成为一个重要的子课题。

2天然气将成为一种主要的汽油、柴油替代能源煤与天然气的储量丰富,固态的煤用作汽车能源比较困难,须先经过较复杂的液化。

天然气驱动汽车也有难点,但已逐步在解决。天然气的大规模开采、输送和用于加热锅炉以发电和作为化工的原料,这些工业应用早已成熟,用作炊事能源也十分普遍,现在又将是我国汽车业发展中的石油重要替代能源。

2.1我国的天然气资源

我国汉代和晋代地理书中早已记载,玉门和陕北有石油,四川有天然气。后来四川发明了钻井技术,从地下取得天然气和盐水,煮得食盐。自贡市仍保存着国家重点文物“燊海井”古钻机和井。但我国能源生产中天然气比重还不大。2005年才创高产纪录500亿m3。按国家统计局各能源平均热值数据推算[3],1m3天然气热值相当于0.931kg原油,因此500亿m3天然气相当于4655万t原油,与同年我国共消费石油3亿多吨相比较,仍是一个可观的补充量。根据2004年专家研究结果,我国天然气远景资源储量约47~54万亿m3。截止2003年底,探明地质储量累计为3.86万亿m3,探明可采储量累计为2.46万亿m3,扣除累计采出量后,剩余量为2.08万亿m3[4](其热值相当于19.5亿t原油)。石油界认为我国天然气的勘探落后于石油,不仅是由于生产技术落后,也是由于天然气的利用落后。过去钻油井,若打出了天然气,只能放空燃烧或封井,仍将资源埋在地下。要利用天然气,一般要靠建设管道外输,否则难于异地利用。因此长期只能货弃于地。但也正因勘探和利用落后,天然气将有较大增长潜力。以热值计,上述天然气探明可采剩余储量已接近原油探明可采剩余储量的效用,若考虑到天然气勘探仅处在初期,我们一定能得出以天然气替代石油,将大有资源潜力的结论。我国天然气勘探究竟进展如何呢?2002年9月第17届世界石油大会在巴西召开,我国专家发表3篇石油天然气勘探报告,提到天然气的新增探明可采储量,~5年共计亿3(即平均年增亿3),6~年共达63亿3(即平均年增3亿3)。文中预测~年可增1.3~1.4万亿m3(即平均年增1300~1400亿m3)[5]。这个预测是留有充分余地的。国家在2005年12月的十一五规划则要求2006~2010年力争新增天然气探明地质储量为2~2.5万亿m3,即平均年增4000~5000亿m3,若按可采储量为探明储量的64%估算,可得平均年增可采储量2560~3200亿m3[6]。以上专家预测和国家规划的可信度已可从报刊和电台的零星报导中得到验证:如2002年鄂尔多斯气田探明储量增至6000亿m3以上(即增加一倍以上),2003年11月22日新疆探明储量6148亿m3(即比1998年值增1600多亿m3),2005年11月16日大庆新探明庆深气田储量1000亿m3,2006年9月大庆在地下花冈岩深处又探明天然气2000亿m3。我国天然气实际年产量2005年峰值为500亿m3,显然每年新增探明可采量远大于生产量,我国累计天然气剩余可采储量将在2003年末的2.08万亿m3基数上逐年会有较大的增幅。加上我国正努力从印尼、澳大利亚和中东洽商进口船运液态天然气(LNG)和从前苏联国家洽商管道进口天然气,近期、中期我国扩大应用天然气是有资源保证的,这就可以冲减每年必须进口的石油数量,改善石油进口依存度和石油安全态势。

2.2天然气用于汽车的技术措施

天然气适于在内燃机中燃烧供能是不成问题的。德国道依茨发动机公司早在1867年便在巴黎博览会上展出天然气内燃机;1889年戴姆勒—奔驰公司也一直生产甲烷内燃机;柴油机发明者狄塞尔也先用天然气作内燃机能源。但是由于汽油和柴油的优越性,使天然气失去了应用于汽车的光辉,主要用途转为发电和作为化工原料。天然气的主要成分是甲烷CH4,在正常1大气压条件下,甲烷的沸点为-162℃,显然汽车上要创造这样低温条件是困难的。因此甲烷不可能像汽油、柴油那样在常温常压下,作为液体注入轻薄油箱存储。常态条件下,每升甲烷质量只有0.83g,燃烧所能产生的热值仅为47.7MJ,不像1L汽油质量约为750g,可得燃烧热值32.7GJ,1L柴油质量约为830g,可获燃烧热值35.2GJ。因此汽车应用天然气的主要方案是采用压缩天然气(CompressedNaturalGas,CNG)。国际上通行的方式是在天然气管道出口,设高压站,将天然气压缩至20MPa,即约200个大气压,亦即将大气压的气体体积压缩至。由此可知,M压力下L压缩天然气的质量可达66,可产生燃烧热值5G。此值虽仍远小于同容积的汽油、柴油的热值,但在汽车上已可以应用。美国现在常将天然气压缩至25MPa,效果更佳。更有考虑压力增至40MPa的设想。但要存储200个大气压的高压气体,需采用厚壁钢瓶,或采用金属薄壁罐,外缠高强碳纤维丝这类技术。这样的瓶、罐仍占相当空间和重量,远不如汽油或柴油箱那么轻巧和便宜。即使采用了高压措施,由于压缩天然气能量密度仍较小,汽车每次充气后的行程仍较短,需要常去高压站充气,这就限制了汽车的行驶里程。因此采用CNG办法,除需管道供气外,还需要多设天然气压缩充气站,才能便利汽车充气续驶。一般认为城市公共汽车最适用CNG,因为汽车行驶范围限于市内和近郊区,只要在各公共汽车起点站、终点站附近各设充气站,形成网络,便能有效地以压缩天然气代替汽油、柴油作为能源了。北京市便有此计划。其次,若天然气输气管道顺公路而行,则在沿线设若干充气站,也能保证天然气汽车在该公路上畅行。内蒙鄂尔多斯既有天然气资源,又有优质煤要运往铁路车站,从煤矿至车站公路便采用这一方案,推广CNG汽车。由于铺设天然气管道和建立压缩站投资大,现在产生另一种方法,即利用重型汽车车头拖挂压缩天然气储气半挂车到汽车运行道路边设供气站,就地给汽车充气。我国已在试行。若天然气田分布广泛,并更大规模地普设充气站,汽车随时随地可以便利充气,则CNG汽车便可更广泛应用,我国四川省正走向这种布局。汽车上应用天然气的新思路是液态应用(Liq-uefiedNaturalGas,LNG)。在1个大气压下,要使天然气维持液态必须保持-162℃低温,因此必须在LNG储罐外尽量做好绝热包覆,同时有控制地容许少量天然气排空蒸发。因此尽管外部环境会传热进入LNG储罐,但液体蒸发会吸收较大的潜热,就能使储罐内LNG仍能维持液态而不会气化。由于LNG蒸发排空而不断减量,因此LNG驱动汽车方案一般仅适用于在高速公路上快速运货的重型卡车,保持蒸发损失相对于运输燃料总耗处在较低水平,经济上才能合算。天然气用作汽车能源方案之一是以天然气为原料,制取液态甲醇作为汽车燃料。另一方案是将甲烷视为氢的来源,利用氢和氧的结合放出能量驱动汽车。还有利用天然气作为烃物质,采取化工技术制成“气转油”(GTLq,GTL),在这种化工过程中,可去除硫等有害成分,制成优质燃油,如柴油。但以上这些方案都必须降低成本,或国家给以价格补贴,才能与常用的汽油、柴油竞争。

3天然气汽车的应用

天然气在汽车上的储存性不及液体能源,它的远程运输需要建设昂贵的管网,它在汽车上的应用还需要有高压充气分配网系,这些都使它与液体能源相比处于不利位置,实际上多年受冷遇。美国的汽车保有量远远超过其他国家,也是全世界石油消费和进口最多的国家,尽管他对天然气用于汽车的技术早就进行了大量试验研究和组织过多次较大批量的实际运用,积累了丰富的经验和数据,并在历年各次SAE会议上有汽车界、石油界和高校、研究机构发表的许许多多论文,但真正在生产上大规模应用却是滞后的。根据中国工程院和中国汽车工程学会2005年10月举办的学术会议发表的世界天然气汽车统计,全世界天然气汽车共计超过362万辆,其中有18个国家保有天然气汽车超过1万辆,按车数排列为阿根廷124.9万辆,巴西70.6万辆,巴基斯坦47.5万辆,意大利38.1万辆,印度22.2万辆,美国13万辆,中国8.69万辆。世界生产汽车第二大国日本天然气汽车保有量仅2.07万辆,居第13位。以上数据说明,在美国和日本还能控制和采购到足量石油时,并不热衷于改变自己所保有的汽车能源结构(美国天然气汽车只占汽车保有总量的0.1%,主要用于重型汽车和公共汽车等大型车辆)。相反,那些石油资源贫乏的国家却是天然气汽车特别是大量轿车实际应用的先锋。促使各发达国家开始青睐天然气汽车而竞相研究的主要推动力是天然气汽车排放的洁净性,作为气体的甲烷可以燃烧得更彻底。与汽油汽车相比,其NOx和CO的排放远低于欧III标准,HC排放为汽油机的80%;与柴油机相比,可减少90%以上的CO和颗粒物,50%以上的NOx。我国现已成为石油消耗第二大国,原油自产不足,必须进口;城市人口不断增加,与幅员相当的美国对比,美国现在100万人口以上的大城市有9个,而我国2000年时100万以上人口的大城市已有40个,包括200万以上人口特大城市13个,而50～100万人口的城市还有53个。近年大城市数还在继续增加。由于各市中心区人口比美国更加密集,汽车尾气排放必成为城市大气的主要污染源,因此更需推广清洁燃料。北京市起了带头作用,已有天然气公交车在运营,还拟投资50亿元以上更换旧的公交车8000辆,其中2005年招标采购半数,不久后还要采购半数。副市长吉林说,到2008年奥运会时北京天然气公交车将达到5000辆。由此可见,我国既缺石油资源,又多人口密集的城市,政府出台政策推广天然气汽车,必将成为重要契机。四川省和重庆市政府便以推广天然气汽车作为本地区的政策而取得很大进展,便是明证。在天然气输气管道网正在大规模推进的今天,必定会促进我国实现更大规模的天然气勘探开发,和向国外采购管道天然气和船运LNG,建设天然气接收站和分配网。天然气压缩设施和分配设施的科研和制造将成为一个新兴行业和产值增长点,也会促进汽车制造业更积极地开发和生产纯天然气汽车和汽柴油/天然气两用汽车的发展。我国东风汽车公司和一汽有世界几乎绝迹的大汽油机EQ6100、EQ6105和CA6102,完全可以充分利用存量资产生产成本和售价较低的火花塞点火的天然气发动机,其他生产汽油和柴油机型的工厂也可在生产原有机型的同时开发应用天然气的机型。天然气用于汽车能源符合国情,适应时代要求,汽车技术界、产业界应当努力呀!