汽车新能源也就是汽车代用燃料,是指除目前广泛使用的汽油和柴油之外的所有车用燃料,包括天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、醚类、生物质柴油、氢燃料、燃料电池等。
其实天然气和液化石油气与汽油、柴油一样,作为化工原料,如果简单地被用作车用燃料,并不能最大限度地发挥其效能,而且作为不可再生能源,需求增长势必引发价格上涨,因此也有局限性。目前世界各国对汽车能源的研究主要是以下几个方面:
1.甲醇
甲醇生产原材料来自煤炭或天然气,目前我国甲醇产能已经突破1200万t/年,其中煤制甲醇占87%,天然气制甲醇占12%,焦炉煤气制甲醇占1%。调查显示全国备案甲醇项目产能高达3400万t/年,到2015年的产能为7200万t/年,全球甲醇年均增速超过4%,且主要集中在天然气资源较为丰富的地区。从全球甲醇产能分布看,亚洲占37%(其中中国占22%),北美洲占19%,欧洲占18%,南美洲占17%,其他地区占9%。
甲醇燃料的缺点:高剂量的甲醇与人接触或被人吸入会引起中毒,严重的甚至导致死亡,因此使用时需严格按规程操作,防止误饮,同时减少甲醇暴露,减少人体吸入和皮肤接触;煤制甲醇酸性气体和灰渣排放量较大,环保投入较多;用甲醇制造的甲基叔丁基醚(Methyl Tertiary-Butyl Ether,MTBE)是一种含氧燃料,可与汽油混合以提高汽油的辛烷值,是替代铅的汽油抗爆剂,但是研究也发现,MTBE会造成环境污染,并且具有致癌作用,因此目前其使用呈下降趋势。从发展前景看,未来甲醇很可能被用来制作氢气而成为燃料电池的能源。
甲醇燃料的发展趋势:甲醇深度加工的产物二甲醚(DEM)具有惰性、无腐蚀性、无致癌性、几乎无毒的优点。DEM本身就呈十六烷值大、燃烧性能好、热效率高、燃烧过程中无残渣、无黑烟、CO及NO排量低等特性,将DEM与液化石油气(LPG)或天然气按比例混合后作为燃料可提升燃烧热能,因而日渐受到重视,被称为“新的清洁能源”。
2.乙醇汽油和生物质柴油
乙醇主要来自玉米、大麦和小麦等粮食作物,也可以来自树木等纤维植物。我国乙醇汽油的生产主要集中在吉林、河南、湖北、山东、四川等产粮大省和广西、广东、贵州、江西、云南等地的非粮(木薯、甘蔗等)乙醇生产。
不过从全球的角度看,发展乙醇汽油已经导致粮食价格飞涨和森林植被的大面积砍伐,不但“与民争食、与粮争地”,还造成环境破坏,因此其前景似乎并不乐观。
而生物质柴油以大豆和油菜子作为原料,同样存在“与粮争地”的情况,虽然还可以利用废弃食用油作为原料,但是生物质柴油因黏度高、雾化性能差、发动机低温起动性差等缺点而制约了其应用前景。
3.氢燃料
近年来,氢气发动机汽车的热度明显上升,它是清洁能源应用的一个好契机,同时它和燃料电池电动汽车在使用氢气这一点上有着同根同源的关系,在氢能源社会建设工程方面,是一个非常合适的过渡。
氢气既可以单独作为内燃机燃料用于发动机,也可与汽油作为混合燃料用于发动机。目前,氢燃料在汽车上的使用多为氢与汽油混合作为燃料。
氢气单独作为内燃机燃料在发动机上使用,其供氢方式有缸内直接供氢法、预燃室喷氢法、进气道间歇喷射-电磁控制法、进气道间歇喷射-进气门座工作面吸入法、进气管连续喷射-空气导流法和进气管连续喷射-混合气法等几种。为提高发动机的功率,一般采用内部混合气形成的氢发动机,即缸内直接供氢法。
氢气发动机是在原型汽油机上改进的,发动机的排量、缸径、行程、压缩比都没有什么变动,只是在发动机上安装第二套供气管路,氢气是利用储氢罐的压力被送到发动机内的。在此过程中,重要的是使液态氢汽化的过程,所以在发动机外面要加一个热交换器,使氢汽化并加热,经过动力调节,生成可燃混合气体。
目前,氢的制造通常有两种办法:一种是利用煤炭、石油、天然气提取碳氢化合物;另一种是直接利用水制取。我国“973”计划项目中,有利用太阳能进行规模制氢的基础研究,目前已在西安交通大学正式启动。
氢的储存方法:
1)金属氢化物储存,金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样,效率很高,但金属氢化物储氢装置的重量大,且氢压太低,使得氢很难直接喷入气缸。
2)高压容器储存,是将氢压缩后存储在高压氢气瓶,这种储氢装置能提供较高的压力。但高压容器储氢装置的重量较大,与金属氢化物储氢装置相当。高压容器储氢体积太大,只能在大客车上应用。
3)液氢储存,液氢是把氢气液化后存储在绝热容器中。氢气的沸点为-253℃。液氢储氢装置重量轻,并且借助小型液氢泵还可获得8~10MPa的高压,以满足高压喷射方式的需要,但这种储氢方式需使用绝热容器,价格昂贵,并且还容易发生蒸发泄漏等。储氢箱大多是使用钛合金板制成的。
4)最先进的储氢是利用纳米碳素纤维储存氢气,目前正在加速研制中。对高压氢气瓶的加注,液氢温度为-253℃,如果用手去操作,会冻伤的,所以需安装一种智能机器手,代替人工加注,加注时间一般为4min,由于加注场地广阔露天,泄漏的一点氢气很快就会飞散,不会引起大爆炸。
氢是一种理想的清洁燃料,用作汽车燃料可实现真正的“零排放”。其优点在于:(www.xing528.com)
1)无毒性,无污染,来源广,是地球上仅次于氧的最丰富元素,主要以化合物的形式存在于水中。
2)氢燃料中不含碳元素,因而不排放CO、HC及硫化物。
3)单位重量的氢释放的热能比任何碳氢燃料都高,约为化石燃料的3倍;氢能源使用效率高,比常规的化石燃料的热效率高10%~15%。
4)密度小,火焰传播速度高,其火焰传播速度高达2.91m/s,是汽油的7.72倍,这就说明氢气的抗爆性比汽油好。
5)氢极易点燃,最小点火能量只有汽油的1/3,可燃界限宽,在空气中的着火界限是4.1%~75%,比汽油和柴油的着火界限大很多,容易实现稀薄燃烧。
6)氢气是一种清洁燃料,其燃烧产物是水,没有炭和炭烟。
氢燃料的广泛应用还存在的一些问题:
1)氢密度小,易汽化、着火、爆炸,储存运输不便,故携带性和安全性差,需专用发动机和配套基础设备。
2)制氢技术有待提高,制氢消耗的能量多、效率低、成本高。
3)储氢技术尚需提高,低温液化、高压压缩、金属吸附等储氢方法,燃料和附加设备的重量和体积都太大。
4)氢的沸点为-253℃,氢在大气中的扩散系数约为汽油的8倍,因而氢燃料“逃逸率”高。
20世纪70年代以来,美国、欧洲、日本对氢燃料的研究十分重视,氢动力车、氢发动机、储氢金属材料和制氢技术都有了长足的发展,但是氢气作为内燃机燃料的技术难度较大,而且氢气在储存、使用过程中,也存有一定的危险,如泄漏能力强、易被高温炽热点点燃等,很难在近期内推广使用。
我国也十分重视氢能源的研究与开发工作。2003年11月中国和欧盟共同签署了“氢经济国际合作伙伴计划(IPHE)”。2009年5月,由科技部、科协、国际能源协会,在北京联合举办了“第二届国际氢能源论坛”。我国的氢能源研发已和国际广泛合作和接轨。科技部负责人表示:氢作为21世纪最具发展潜力的清洁能源,中国决不能落后,既要求国际的合作,又要走符合中国国情的路子,可以说中国已在一些氢能源研究开发及应用示范项目上,取得了一些关键技术上的显著进展。
4.电动汽车
在过去的十几年间,油电混合动力汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车及其相关的零部件技术得到了很大的发展,取得了一定的成效。
对于纯电动汽车而言,其最大的优点在于使用中没有任何排放,但是目前最致命的缺点是受制于电池技术的发展。
由于电动汽车对电池的要求比较高,高比能、高比功率、快速充电和具有深度放电功能、循环和使用寿命长是其基本的要求。铅蓄电池作为比较成熟的技术,虽然其比能量、比功率和能量密度都比较低,但是高的性价比及高倍率放电,是目前仍在大批量生产的电动汽车用电池。镍镉电池和镍氢电池虽然性能好于铅蓄电池,但是其性价比不高,含重金属,用完遗弃后对环境会造成严重污染。锂离子动力电池具有以下特点:工作电压高(是镍镉电池镍氢电池的3倍)、比能量大(可达165W·h/kg,是镍氢电池的3倍)、体积小、质量小、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应且无污染等。不过目前如果采用锂离子电池,成本难以降低。磷酸铁锂电池也是一种锂电池,其安全性高,循环次数可达2000次,放电稳定,价格便宜,是一种车用动力的新选择。
鉴于目前汽车用电池一方面充电时间较长,另一方面一次充电的行驶里程偏短,这需要建设相当数量的充电站,因此目前实现商业化量产依然任重道远。不过,虽然目前纯电动汽车的电池是制约大量推广应用的关键因素,但是还是可以乐观地相信,伴随着高能量大功率型锂离子电池技术的不断进步和成本的持续降低,纯电动汽车商业化应用前景光明。
从利益最大化角度出发,近期汽油车和柴油车仍将按照各自的轨迹发展,不太可能出现厚此薄彼的状况。而伴随着汽油、柴油以及天然气、液化石油气等不可再生能源的持续消耗和价格的不断上扬,以及代用燃料汽车的技术日益进步成熟,其成本相应地将不再成为障碍。
不过鉴于乙醇汽油和生物质柴油的制造大量消耗粮食,或出现与粮争地的情况,因此以二甲醚为代表的醇醚类燃料引起人们的关注。然而醇醚类燃料的基本原料还是煤炭或天然气,属于深度加工的产物,同时其生产过程中有大量温室气体排放等原因,因此并不存在大力发展的基础,或者说并不完全符合节约资源的要求。从节能减排的角度看,未来汽车燃料的发展将沿以下路径演化:“柴油或汽油”→“柴油+生物质柴油”或“汽油+乙醇汽油”或“天然气、液化石油气”→“油电混合”→“燃料电池”或“纯电动”。特别是氢燃料汽车和纯电动汽车,在解决了电池的耐用性和成本等问题后,以其“零排放”和可以从包括太阳能、风能等可再生能源中获得补充等的优势而具有无限的发展潜力。
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