汽車工業發展中能源替代問題

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1我國石油供需現狀

我國汽車產量和保有量正迅猛增長,汽車運行所賴的汽油、柴油,源自原油礦藏。截止2004年底我國累計原油探明可采儲量為67.91億t,其中已采出43億t,剩余量僅為24.91億t[1]。2005年我國創原油產量新紀錄(1.81億t),但石油消費也創新高(超過3億t),為世界第二。當年凈進口原油1.1875億t,還凈進口成品油0.1742億t,石油進口量僅少于美、日,為世界第三。人類迄今所用能源主要仍是化石燃料中的石油、煤和天然氣。非化石燃料主要有水電、核電、生物質燃料、風能和其他可再生能源,如太陽能、地熱、潮汐能等。世界能源用量構成石油、煤、天然氣、其他能源的比例約為4∶3∶2∶1。專家們估計二三十年后此比例將變成2∶3∶3∶2[2]。我國這種以煤為主的能源結構,從技術層面分析是比較不利的。主要是燃煤污染環境,煙、灰、CO2排放都多,而其他能源較易做到清潔燃燒?，F代交通運輸工具中汽車、輪船的動力機主要為耗用汽油、柴油的內燃機;火車則為內燃機車和電力機車并用;飛機已主用噴氣機,耗用煤油。此外,化工產品中化肥、化纖、塑料、合成橡膠也多以原油的餾分為原料。因此,現代國家的能源結構中,一定比例的石油是很必要的。我國石油產量不足而用量卻不斷攀升,不得不逐漸增加進口。我國當前能源消費結構與產量結構中最突出的差異正是在石油單項,反映了國家不得不大量進口的無奈。改革開放以來,我國國內生產總值(GDP)超速增長:1980年為7638億元,2005年達78678億元。不論生產發展和人民生活改善都會導致能源消費的增長,2005年全國能源消費總量為1980年的3.7倍。我國25年來實際上又是如何處理這高達3.7倍的能源消費上升呢?主要是依靠國家自有資源的開發。首先以多采煤來應對;其次是努力開發水電,如興建長江三峽、黃河、珠江上游等水電站;還有核電事業也從無到有、從完全引進到自建為主;天然氣的開發也有較大發展;現在又開始注目于開發風電事業。就石油能源來說,1980年全國產原油1.06億t,當時自用有余,還可大量出口來換取緊缺的外匯。但從1993年起,我國成為成品油凈進口國,1996年起成為原油凈進口國,終于年年需要進口。2005年原油產量達1.81億t峰值,為1980年的1.7倍,仍遠不敷需求,進口依存度已超過了40%。筆者認為不久后,進口量將超過國內產量。1980年我國能源生產結構中,原油曾達23.8%峰值,該年煤的比例為69.4%,但由于原油產量不能滿足需求,2004年的能源生產結構中,原油降至13.5%,而煤上升至75.6%[1]。國家其實早已認識到石油是我能源生產中最薄弱環節,因此歷來重視其開源,不僅努力加強勘探,包括西去荒漠和向東、向南去海域開發,期望提高油氣的探明儲量,再實行增產;還較早就致力于開發國外油源,包括向中東、非洲和前蘇聯國家采購,近日還與南美的委內瑞拉洽談。同時我國又積極向國外投資,共同開發油氣田,或收購石油企業,以便獲得海外份額油。但以上多方面的努力迄今還不能根本緩解石油的供需矛盾,形勢依然緊張。自然資源在地球上的分布本來就是不均衡的,加上各國開發能力又有差異,因此各種商品通過國際貿易等價交換,互通有無,理應是天經地義的事情?？墒?石油是一種戰略物資,進口依存度大是一種有關國家安全的很大風險,哪怕只是運輸通道發生問題。例如中東和非洲石油,如僅采取船運一種辦法,若馬六甲海峽的通道受阻,后果便會十分嚴重。還有石油的價格波動也可能成為一種重大風險,如始自2004年的油價飚升,從每桶原油32.5美元,升至60～70美元(即每噸從約240美元猛升至440～515美元),按年進口上億噸原油計,進口國便要額外多付出200～275億美元,這種經濟風險也是極其巨大的。國際上有人興風作浪,把石油漲價原因歸咎于中國的增購,其實中國的增購量在世界石油貿易增量中只占極小份額,中國進口量遠小于美、日,石油價格突然猛升,主要是由于某國大量基金的投機炒作。歸咎中國者,若非出于無知,便是別有用心。但是這次風波也足以說明石油進口依存度大是與國家安全風險有關的問題。由此可見,我國近幾年提倡節約能源的重大意義了。對于特別依賴石油的交通運輸業、尤其是汽車行業,如何千方百計降低油耗以及采用替代能源,是汽車界的一個重要課題,其中汽車采用天然氣替代石油成為一個重要的子課題。

2天然氣將成為一種主要的汽油、柴油替代能源煤與天然氣的儲量豐富,固態的煤用作汽車能源比較困難,須先經過較復雜的液化。

天然氣驅動汽車也有難點,但已逐步在解決。天然氣的大規模開采、輸送和用于加熱鍋爐以發電和作為化工的原料,這些工業應用早已成熟,用作炊事能源也十分普遍,現在又將是我國汽車業發展中的石油重要替代能源。

2.1我國的天然氣資源

我國漢代和晉代地理書中早已記載,玉門和陜北有石油,四川有天然氣。后來四川發明了鉆井技術,從地下取得天然氣和鹽水,煮得食鹽。自貢市仍保存著國家重點文物“燊海井”古鉆機和井。但我國能源生產中天然氣比重還不大。2005年才創高產紀錄500億m3。按國家統計局各能源平均熱值數據推算[3],1m3天然氣熱值相當于0.931kg原油,因此500億m3天然氣相當于4655萬t原油,與同年我國共消費石油3億多噸相比較,仍是一個可觀的補充量。根據2004年專家研究結果,我國天然氣遠景資源儲量約47~54萬億m3。截止2003年底,探明地質儲量累計為3.86萬億m3,探明可采儲量累計為2.46萬億m3,扣除累計采出量后,剩余量為2.08萬億m3[4](其熱值相當于19.5億t原油)。石油界認為我國天然氣的勘探落后于石油,不僅是由于生產技術落后,也是由于天然氣的利用落后。過去鉆油井,若打出了天然氣,只能放空燃燒或封井,仍將資源埋在地下。要利用天然氣,一般要靠建設管道外輸,否則難于異地利用。因此長期只能貨棄于地。但也正因勘探和利用落后,天然氣將有較大增長潛力。以熱值計,上述天然氣探明可采剩余儲量已接近原油探明可采剩余儲量的效用,若考慮到天然氣勘探僅處在初期,我們一定能得出以天然氣替代石油,將大有資源潛力的結論。我國天然氣勘探究竟進展如何呢?2002年9月第17屆世界石油大會在巴西召開,我國專家發表3篇石油天然氣勘探報告,提到天然氣的新增探明可采儲量,~5年共計億3(即平均年增億3),6~年共達63億3(即平均年增3億3)。文中預測~年可增1.3~1.4萬億m3(即平均年增1300~1400億m3)[5]。這個預測是留有充分余地的。國家在2005年12月的十一五規劃則要求2006~2010年力爭新增天然氣探明地質儲量為2~2.5萬億m3,即平均年增4000~5000億m3,若按可采儲量為探明儲量的64%估算,可得平均年增可采儲量2560~3200億m3[6]。以上專家預測和國家規劃的可信度已可從報刊和電臺的零星報導中得到驗證:如2002年鄂爾多斯氣田探明儲量增至6000億m3以上(即增加一倍以上),2003年11月22日新疆探明儲量6148億m3(即比1998年值增1600多億m3),2005年11月16日大慶新探明慶深氣田儲量1000億m3,2006年9月大慶在地下花岡巖深處又探明天然氣2000億m3。我國天然氣實際年產量2005年峰值為500億m3,顯然每年新增探明可采量遠大于生產量,我國累計天然氣剩余可采儲量將在2003年末的2.08萬億m3基數上逐年會有較大的增幅。加上我國正努力從印尼、澳大利亞和中東洽商進口船運液態天然氣(LNG)和從前蘇聯國家洽商管道進口天然氣,近期、中期我國擴大應用天然氣是有資源保證的,這就可以沖減每年必須進口的石油數量,改善石油進口依存度和石油安全態勢。

2.2天然氣用于汽車的技術措施

天然氣適于在內燃機中燃燒供能是不成問題的。德國道依茨發動機公司早在1867年便在巴黎博覽會上展出天然氣內燃機;1889年戴姆勒—奔馳公司也一直生產甲烷內燃機;柴油機發明者狄塞爾也先用天然氣作內燃機能源。但是由于汽油和柴油的優越性,使天然氣失去了應用于汽車的光輝,主要用途轉為發電和作為化工原料。天然氣的主要成分是甲烷CH4,在正常1大氣壓條件下,甲烷的沸點為-162℃,顯然汽車上要創造這樣低溫條件是困難的。因此甲烷不可能像汽油、柴油那樣在常溫常壓下,作為液體注入輕薄油箱存儲。常態條件下,每升甲烷質量只有0.83g,燃燒所能產生的熱值僅為47.7MJ,不像1L汽油質量約為750g,可得燃燒熱值32.7GJ,1L柴油質量約為830g,可獲燃燒熱值35.2GJ。因此汽車應用天然氣的主要方案是采用壓縮天然氣(CompressedNaturalGas,CNG)。國際上通行的方式是在天然氣管道出口,設高壓站,將天然氣壓縮至20MPa,即約200個大氣壓,亦即將大氣壓的氣體體積壓縮至。由此可知,M壓力下L壓縮天然氣的質量可達66,可產生燃燒熱值5G。此值雖仍遠小于同容積的汽油、柴油的熱值,但在汽車上已可以應用。美國現在常將天然氣壓縮至25MPa,效果更佳。更有考慮壓力增至40MPa的設想。但要存儲200個大氣壓的高壓氣體,需采用厚壁鋼瓶,或采用金屬薄壁罐,外纏高強碳纖維絲這類技術。這樣的瓶、罐仍占相當空間和重量,遠不如汽油或柴油箱那么輕巧和便宜。即使采用了高壓措施,由于壓縮天然氣能量密度仍較小,汽車每次充氣后的行程仍較短,需要常去高壓站充氣,這就限制了汽車的行駛里程。因此采用CNG辦法,除需管道供氣外,還需要多設天然氣壓縮充氣站,才能便利汽車充氣續駛。一般認為城市公共汽車最適用CNG,因為汽車行駛范圍限于市內和近郊區,只要在各公共汽車起點站、終點站附近各設充氣站,形成網絡,便能有效地以壓縮天然氣代替汽油、柴油作為能源了。北京市便有此計劃。其次,若天然氣輸氣管道順公路而行,則在沿線設若干充氣站,也能保證天然氣汽車在該公路上暢行。內蒙鄂爾多斯既有天然氣資源,又有優質煤要運往鐵路車站,從煤礦至車站公路便采用這一方案,推廣CNG汽車。由于鋪設天然氣管道和建立壓縮站投資大,現在產生另一種方法,即利用重型汽車車頭拖掛壓縮天然氣儲氣半掛車到汽車運行道路邊設供氣站,就地給汽車充氣。我國已在試行。若天然氣田分布廣泛,并更大規模地普設充氣站,汽車隨時隨地可以便利充氣,則CNG汽車便可更廣泛應用,我國四川省正走向這種布局。汽車上應用天然氣的新思路是液態應用(Liq-uefiedNaturalGas,LNG)。在1個大氣壓下,要使天然氣維持液態必須保持-162℃低溫,因此必須在LNG儲罐外盡量做好絕熱包覆,同時有控制地容許少量天然氣排空蒸發。因此盡管外部環境會傳熱進入LNG儲罐,但液體蒸發會吸收較大的潛熱,就能使儲罐內LNG仍能維持液態而不會氣化。由于LNG蒸發排空而不斷減量,因此LNG驅動汽車方案一般僅適用于在高速公路上快速運貨的重型卡車,保持蒸發損失相對于運輸燃料總耗處在較低水平,經濟上才能合算。天然氣用作汽車能源方案之一是以天然氣為原料,制取液態甲醇作為汽車燃料。另一方案是將甲烷視為氫的來源,利用氫和氧的結合放出能量驅動汽車。還有利用天然氣作為烴物質,采取化工技術制成“氣轉油”(GTLq,GTL),在這種化工過程中,可去除硫等有害成分,制成優質燃油,如柴油。但以上這些方案都必須降低成本,或國家給以價格補貼,才能與常用的汽油、柴油競爭。

3天然氣汽車的應用

天然氣在汽車上的儲存性不及液體能源,它的遠程運輸需要建設昂貴的管網,它在汽車上的應用還需要有高壓充氣分配網系,這些都使它與液體能源相比處于不利位置,實際上多年受冷遇。美國的汽車保有量遠遠超過其他國家,也是全世界石油消費和進口最多的國家,盡管他對天然氣用于汽車的技術早就進行了大量試驗研究和組織過多次較大批量的實際運用,積累了豐富的經驗和數據,并在歷年各次SAE會議上有汽車界、石油界和高校、研究機構發表的許許多多論文,但真正在生產上大規模應用卻是滯后的。根據中國工程院和中國汽車工程學會2005年10月舉辦的學術會議發表的世界天然氣汽車統計,全世界天然氣汽車共計超過362萬輛,其中有18個國家保有天然氣汽車超過1萬輛,按車數排列為阿根廷124.9萬輛,巴西70.6萬輛,巴基斯坦47.5萬輛,意大利38.1萬輛,印度22.2萬輛,美國13萬輛,中國8.69萬輛。世界生產汽車第二大國日本天然氣汽車保有量僅2.07萬輛,居第13位。以上數據說明,在美國和日本還能控制和采購到足量石油時,并不熱衷于改變自己所保有的汽車能源結構(美國天然氣汽車只占汽車保有總量的0.1%,主要用于重型汽車和公共汽車等大型車輛)。相反,那些石油資源貧乏的國家卻是天然氣汽車特別是大量轎車實際應用的先鋒。促使各發達國家開始青睞天然氣汽車而競相研究的主要推動力是天然氣汽車排放的潔凈性,作為氣體的甲烷可以燃燒得更徹底。與汽油汽車相比,其NOx和CO的排放遠低于歐III標準,HC排放為汽油機的80%;與柴油機相比,可減少90%以上的CO和顆粒物,50%以上的NOx。我國現已成為石油消耗第二大國,原油自產不足,必須進口;城市人口不斷增加,與幅員相當的美國對比,美國現在100萬人口以上的大城市有9個,而我國2000年時100萬以上人口的大城市已有40個,包括200萬以上人口特大城市13個,而50～100萬人口的城市還有53個。近年大城市數還在繼續增加。由于各市中心區人口比美國更加密集,汽車尾氣排放必成為城市大氣的主要污染源,因此更需推廣清潔燃料。北京市起了帶頭作用,已有天然氣公交車在運營,還擬投資50億元以上更換舊的公交車8000輛,其中2005年招標采購半數,不久后還要采購半數。副市長吉林說,到2008年奧運會時北京天然氣公交車將達到5000輛。由此可見,我國既缺石油資源,又多人口密集的城市,政府出臺政策推廣天然氣汽車,必將成為重要契機。四川省和重慶市政府便以推廣天然氣汽車作為本地區的政策而取得很大進展,便是明證。在天然氣輸氣管道網正在大規模推進的今天,必定會促進我國實現更大規模的天然氣勘探開發,和向國外采購管道天然氣和船運LNG,建設天然氣接收站和分配網。天然氣壓縮設施和分配設施的科研和制造將成為一個新興行業和產值增長點,也會促進汽車制造業更積極地開發和生產純天然氣汽車和汽柴油/天然氣兩用汽車的發展。我國東風汽車公司和一汽有世界幾乎絕跡的大汽油機EQ6100、EQ6105和CA6102,完全可以充分利用存量資產生產成本和售價較低的火花塞點火的天然氣發動機,其他生產汽油和柴油機型的工廠也可在生產原有機型的同時開發應用天然氣的機型。天然氣用于汽車能源符合國情,適應時代要求,汽車技術界、產業界應當努力呀!