石油替代戰(zhàn)略的綜合分析

陳俊武

(中國石化 煉化工程(集團)股份有限公司洛陽工程有限公司， 河南洛陽 471003)

石油替代戰(zhàn)略的綜合分析

陳俊武

(中國石化 煉化工程(集團)股份有限公司洛陽工程有限公司， 河南洛陽 471003)

國際上石油替代問題于20世紀(jì)后期即已提出，當(dāng)時僅側(cè)重于推廣應(yīng)用乙醇汽油，此后又進一步推出生物柴油。以往，中國關(guān)于石油替代的論述往往局限于個別品種，范圍較窄，全面論述者并不多見。筆者立足于中長期目標(biāo)，結(jié)合各國國情，試圖就石油替代中所用運輸燃料或能源的不同品種和類型、相應(yīng)運輸車輛的驅(qū)動機械類型進行剖析，并從技術(shù)經(jīng)濟和碳排放分析入手，以戰(zhàn)略角度進行討論。

石油替代；運輸燃料；驅(qū)動機械；運輸車輛；戰(zhàn)略分析

世界各國發(fā)展經(jīng)濟過程中交通運輸行業(yè)首當(dāng)其沖，促進了石油消費的持續(xù)增長。自20世紀(jì)后期，有些學(xué)者提出石油產(chǎn)能將出現(xiàn)“峰值”，預(yù)測供不應(yīng)求的局面隨之而來，將成為能源危機的一種表現(xiàn)。為了應(yīng)對這一局面，乙醇汽油和生物柴油相繼問世，其后又發(fā)展了新型煤化工技術(shù)，尤其以煤制油和煤制烯烴技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化為標(biāo)志。目前，天然氣成功替代了部分汽油和柴油，多項生物質(zhì)替代石油的途徑正在被研究和開發(fā)，逐漸形成了多條途徑通向替代石油基運輸燃料的局面。另一方面，石油基運輸燃料的碳排放數(shù)量僅僅遜于煤基燃料，只有通過合理替代才能實現(xiàn)低碳化。然而，石油替代尚處于早期階段，不少途徑是否能發(fā)展成康莊大道還待實踐，有關(guān)學(xué)術(shù)討論和技術(shù)經(jīng)濟評估尚未展開，因而全面、綜合地進行論述和評價的文章十分罕見。鑒于這一情況，筆者試圖依據(jù)收集到的國內(nèi)外最新資料，立足于個人學(xué)術(shù)水平，嘗試結(jié)合中國國情對石油替代問題作一綜合論述。由于數(shù)據(jù)來源、文章篇幅和作者水平所限，尚處于初步的探討階段。

首先，概括介紹石油替代的基本概念。石油加工產(chǎn)品主要應(yīng)用于交通運輸燃料(包括道路運輸、農(nóng)業(yè)和其它行業(yè)的動力設(shè)備、內(nèi)河水路交通運輸和海洋運輸、航空客貨運輸?shù)?、潤滑油料、瀝青產(chǎn)品以及石油化工基本原料和衍生化學(xué)品。前者在應(yīng)用中燃燒，大部分以CO2的方式排入大氣；后者大部分屬于耐用品和易耗品，最終被降解或作為垃圾處理。

上述石油產(chǎn)品均可用非石油燃料生產(chǎn)。半個多世紀(jì)前，曾使用煤氣或天然氣作為汽車燃料，用煤化工途徑生產(chǎn)現(xiàn)在的石油化工產(chǎn)品。曾幾何時，歷經(jīng)一個輪回，又讓煤炭再次扮演替代石油的角色。當(dāng)然這并非簡單的重復(fù)，而是螺旋式上升，技術(shù)水平已經(jīng)明顯提高。

使用煤、天然氣或其它非石油一次能源生產(chǎn)類似石油烴或其它有機物，仍然作為內(nèi)燃機燃料驅(qū)動汽車屬于石油替代的一類，使用電力驅(qū)動汽車的是另一類石油替代。

隨著非常規(guī)石油的開發(fā)并形成規(guī)模生產(chǎn)，彌補了常規(guī)石油的緊缺。但它們?nèi)匀皇峭ㄟ^常規(guī)煉油工藝加工為常規(guī)石油產(chǎn)品，因此不類屬石油替代，屬于石油補充的范疇。

圖1形象化地表達了石油替代的路徑網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)容。第一列有4種一級能源，可轉(zhuǎn)化為第二列4種燃料或次級能源(電能、氫能)，或化合物燃料(烴燃料或醇醚酯等含氧碳基燃料)；第二列燃料或動力可作為能源，提供第三列動力機械或發(fā)電、蓄電設(shè)備，還可驅(qū)動第四列的4類汽車(內(nèi)燃機汽車、混合動力或插電式混合動力汽車、燃料電池汽車以及純電動汽車)。

筆者將分別論述和探討①石油資源和供應(yīng)；②烴類運輸燃料替代；③內(nèi)燃機的燃料經(jīng)濟；④混合動力汽車；⑤天然氣驅(qū)動汽車；⑥儲電式電能驅(qū)動汽車——純電動汽車；⑦自發(fā)電(氫能)驅(qū)動汽車——燃料電池汽車等7個問題。

1 石油資源和供應(yīng)

1.1 產(chǎn)能預(yù)測

20世紀(jì)70年代，隨著石油消費的迅速增長，OPEC產(chǎn)油國開始掌握自身的經(jīng)濟命脈，廉價石油時代宣告終結(jié)。此后，雖然有新的石油資源發(fā)現(xiàn)，但剩余儲量漸趨平穩(wěn)，很多大油田的剩余可采儲量越過了以Campbell為代表的部分學(xué)者提出的世界石油總體接近“峰值”的預(yù)測。當(dāng)時采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)1974年公布的世界石油地質(zhì)儲量為6萬億bbl，按最終采收率30%計算，剩余可采儲量很少。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏于保守，2000年美國能源情報署(EIA)將最終采收率預(yù)測數(shù)據(jù)提高并考慮一定的儲量增長率后，將合計回收率提高到50%，使總采出量均值為30030億bbl，高值(5%概率)為38960億bbl，低值(95%概率)為22480億bbl。如果2000年后生產(chǎn)量增長率分別按0、1%、2%和3%計算，峰值年到達后，按儲采比R/P=10生產(chǎn)直至采盡，得到如圖2[1]所示的趨勢，按照圖2所示的石油產(chǎn)量預(yù)測歸納于表1。

1.2 變動趨勢

按照表1和圖2的數(shù)據(jù)核算，2013年世界石油消費為270億bbl，低于2000～2013年1%平均增長幅度，曲線應(yīng)調(diào)整。如果按2%增長幅度繪制新曲線，縱坐標(biāo)將比原2%曲線約降低600億bbl，峰值到來時間將從預(yù)測的2037年推遲到21世紀(jì)40年代中期。

還應(yīng)指出，表1和圖2數(shù)據(jù)是基于常規(guī)石油的剩余儲量計算的，實際上，近年統(tǒng)計數(shù)據(jù)中已包含了非常規(guī)石油，今后它們的數(shù)量將繼續(xù)增加。從產(chǎn)能中扣除非常規(guī)石油，峰值到來的時間預(yù)計將推遲到2050年以后。

圖1 石油替代網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 世界石油產(chǎn)能情景預(yù)測

表1 世界石油產(chǎn)能預(yù)測

Table 1 Prediction of world petroleum production

估計概率最終采油量/億bbl年增長率/%峰值年份(公元年)峰值產(chǎn)能/(億bbl a-1)峰后持續(xù)生產(chǎn)時間/a低(95%)2248002045245 86712033348 29522026427 911732021485 1133平均(期望值)3003002075245 86712050413 411322037532 114632030633 0173高(5%)3896002112245 86712067488 413422047648 617832037778 5213

2 烴類等運輸燃料替代

2.1 多種燃料或能源替代技術(shù)

長期以來，內(nèi)燃機一直使用汽油、柴油等石油烴燃料；近年來，除了以氣態(tài)或液態(tài)天然氣作為內(nèi)燃機燃料外，進一步開發(fā)了以煤炭和生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的多種烴產(chǎn)品或含氧烴化合物，它們均可作為內(nèi)燃機燃料，主要有以下5類。

(1) 煤制油(直接液化、間接液化)生成的烴。

(2) 天然氣部分氧化得到合成氣，再經(jīng)F-T(費托)合成生成的烴。

(3) 生物質(zhì)經(jīng)不同途徑生成的烴。一個工藝路徑為生物質(zhì)快速熱分解得到生物原油，生物原油進一步加工得到烴產(chǎn)品；另一個路徑為生物質(zhì)氣化得到合成氣，再經(jīng)F-T合成生產(chǎn)烴產(chǎn)品。

(4) 生物油脂或類脂質(zhì)加氫轉(zhuǎn)化生成烴。

(5) 煤炭或生物質(zhì)生產(chǎn)的醇醚酯產(chǎn)品。包括①生物質(zhì)發(fā)酵制乙醇、丁醇；②煤或天然氣制甲醇、二甲醚；③生物油脂酯交換制生物柴油等。

2.2 煤制油替代

煤制油工藝，包括直接液化和間接液化工藝已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，中國在該領(lǐng)域的技術(shù)水平已居世界前列。當(dāng)煤價低于400 RMB/t、原油價高于100USD/bbl時，煤制油會顯現(xiàn)出較好的經(jīng)濟效益。直接液化工藝對煤質(zhì)的要求苛刻，而且所生產(chǎn)出的柴油質(zhì)量比較差；間接液化工藝所生產(chǎn)的柴油十六烷值高，達到70以上。這兩個工藝可以互補。兩種煤液化工藝技術(shù)均能產(chǎn)噴氣燃料，間接液化工藝可產(chǎn)高質(zhì)量的潤滑油、石蠟和液蠟產(chǎn)品，但直接液化工藝則不行。需要指出的是，煤液化排放CO2多，并且新鮮水消耗量大。這些問題有待研究解決。

2.3 天然氣替代

天然氣部分氧化得到合成氣，再經(jīng)F-T合成生成烴的技術(shù)適用于天然氣資源豐富的地區(qū)。我國只能在個別地區(qū)小規(guī)模應(yīng)用。

天然氣直接應(yīng)用的前景看好，但取決于其與汽油的油差價。壓縮天然氣(CNG)比較適用于城市出租汽車；液化天然氣(LNG)則比較適用于城市公交汽車和長途貨運汽車，后者應(yīng)設(shè)法解決大面積供應(yīng)的問題。

2.4 生物質(zhì)制烴

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制烴是當(dāng)前研發(fā)的熱點。美國能源部做了不少前期工作，期望生物質(zhì)快速熱分解及生物原油加氫能夠與已有煉油廠相結(jié)合，計劃5年內(nèi)建成示范工廠。生物質(zhì)氣化經(jīng)F-T合成途徑生產(chǎn)油品，由于氣化和凈化過程難題較多，一般不被看好。但美國空軍研究部門提出的將煤和生物質(zhì)“共氣化”的途徑，可在一定條件下應(yīng)用，以解決僅僅用煤炭為原料經(jīng)過氣化和F-T合成生產(chǎn)噴氣燃料CO2排放量較大的問題。

生物油脂經(jīng)酯交換工藝生產(chǎn)的第一代生物柴油，在質(zhì)量方面存在安定性差、摻合比小，在成本上存在原料價位高，在供應(yīng)上存在渠道不暢(大企業(yè)出資，與種植農(nóng)戶經(jīng)濟聯(lián)系差)等問題。雖然酯交換技術(shù)不斷改進，但根本問題難以解決。用生物油脂或類脂類物質(zhì)加氫轉(zhuǎn)化生產(chǎn)生物柴油被稱為第二代生物柴油技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量遠優(yōu)于酯交換法生產(chǎn)的第一代生物柴油。作者認(rèn)為，第一代生物柴油遲早將讓位給第二代。

近年來，美國能源部另起爐灶，大力研究開發(fā)20年前曾經(jīng)做過的微藻煉油技術(shù)，將其作為替代石油基運輸燃料的另一支柱。兩項微藻制油研發(fā)工作均取得了進展。一項工藝需將含大量水的微藻首先濃縮到固含量大于20%，然后經(jīng)高壓水分解，油、水兩相提取物分別經(jīng)加氫處理得到烴產(chǎn)品；另一項工藝是將濃縮的微藻經(jīng)溶劑萃取，萃取物加氫處理得到烴產(chǎn)品。兩項微藻制油工藝可望將烴產(chǎn)品的成本先降低到5USD/gal(1gal=3.785 L)，然后進一步降到具有市場競爭力的3USD/gal。

總之，生物質(zhì)制烴途徑優(yōu)于其它途徑。但多數(shù)需要氫源對產(chǎn)品進行處理，故需要與煉油廠結(jié)合；另一個要求是必須達到一定規(guī)模的工廠，這又反過來受生物質(zhì)供應(yīng)量的制約。

2.5 生物質(zhì)制醇

用糧食作原料經(jīng)過發(fā)酵制乙醇、丁醇的技術(shù)已經(jīng)成熟，美國和巴西分別用玉米和甘蔗為原料大規(guī)模生產(chǎn)乙醇替代了大量汽油。中國出于不與民爭糧、不與農(nóng)民爭地的國情，重點是運用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余且年達幾億噸的秸稈做原料。已經(jīng)證明，目前正在示范的以甜高粱和木薯做原料生產(chǎn)醇類替代燃料可行，但存在制約因素。纖維素發(fā)酵制乙醇技術(shù)在國內(nèi)外研究開發(fā)已十余年，成本逐漸下降，可望十年后不高于糧食乙醇(無補貼)。當(dāng)前的技術(shù)難題是降低纖維素，尤其是半纖維素轉(zhuǎn)化酶的糖化效率和成本。管理上存在的問題是，在收獲季節(jié)快速有效收集和儲存秸稈，消除私燃秸稈事件。要對已有的秸稈發(fā)電廠進行整頓和關(guān)閉，逐步將秸稈原料讓位給纖維素制乙醇工業(yè)。

丁醇燃料雖然在性能上優(yōu)于乙醇燃料，但產(chǎn)率偏低，使用纖維素原料尚不成熟；同時，加油站管理難度大，推廣前景難料。

2.6 煤或天然氣制醇醚

煤或天然氣制甲醇、二甲醚是成熟技術(shù)，制甲醇已形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)。甲醇替代汽油早已通過國內(nèi)外實踐，低摻合比的甲醇汽油在國內(nèi)幾省已經(jīng)推廣應(yīng)用，高摻合比的甲醇汽油需改造發(fā)動機，也開始試用。存在的問題是需設(shè)置專門的加油站加甲醇燃料，如在一般加油站加甲醇燃料，與千家萬戶接觸，易造成毒害事故和環(huán)境污染，因此大規(guī)模應(yīng)用仍然存在爭議。筆者認(rèn)為全國甲醇替代汽油的比例可能低于5%。

二甲醚替代柴油曾風(fēng)靡一時，但用于城市公交車輛不如CNG，核心問題是儲存效率和性價比。用于替代民用液化石油氣也有類似問題。

3 內(nèi)燃機的燃料經(jīng)濟

3.1 燃油經(jīng)濟

目前絕大部分汽車是用內(nèi)燃機驅(qū)動，進一步可劃分為汽油發(fā)動機和柴油發(fā)動機。油耗是發(fā)動機性能的主要標(biāo)志，在一定條件下汽車每行駛100 km的油耗(L)，或反過來每升油耗行駛的公里數(shù)定義為燃油經(jīng)濟FE(Fuel economy)。隨著技術(shù)進步，國家公布每年的燃油經(jīng)濟指標(biāo)，旨在推動節(jié)約能源并減少碳排放。預(yù)測中長期的FE指標(biāo)取決于今后燃油供應(yīng)、環(huán)境要求和政府政策構(gòu)成的各種情景，它將影響石油基運輸燃料的替代程度。

美國能源部能源效率與可再生能源管理機構(gòu)EERE(Energy efficiency and regenerable energy)在《將來的運輸能源》一篇系列文章[2]中預(yù)測的低碳情景的美國輕型車的燃油經(jīng)濟數(shù)據(jù)列于表2。

3.2 公路運輸燃油經(jīng)濟

今后，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，公路貨運數(shù)量將大幅度增長，公路運輸中重型卡車比重較大，柴油消耗增多，大噸位卡車的燃油經(jīng)濟是節(jié)能的重點。根據(jù)國外經(jīng)驗，5軸40 t的重型卡車空載時油耗為0.20 kg/km，滿載時油耗為0.32 kg/km；掛車牽引較靈活而且省油，32 t掛車FE為2.9 km/L,38 t掛車FE為2.6 km/L。

《將來的運輸能源》的另一篇系列文章[3]中預(yù)測的低碳情景美國中型和重型卡車的燃油經(jīng)濟數(shù)據(jù)列于表3，可見重型車改進的效果好于中型車。該文提到2050年對比2010年的重型卡車降低燃油經(jīng)濟指標(biāo)為25%～50%，其中內(nèi)燃機改進15%～20%，傳動系統(tǒng)改進4%～7%，混合動力系統(tǒng)改進5%～10%，其余改進合計18%～35%(以上分項改進效果不能加成合計)。

表2 預(yù)測低碳情景美國輕型車的燃油經(jīng)濟(FE)數(shù)據(jù)

表3 低碳情景美國中重型車燃油經(jīng)濟預(yù)測相對數(shù)據(jù)

4 混合動力汽車的發(fā)展

4.1 混合動力汽車

混合動力汽車(HEV)在20世紀(jì)后期已經(jīng)開發(fā)成功并投入批量生產(chǎn)，由于價格較高，市場占有率低。近年來，隨著油價上升，銷售形勢有所好轉(zhuǎn)。一輛車中內(nèi)燃機和電動機兩種動力并存稱為混合動力車。單純混合動力汽車中，電動機只提供輔助動力，靠汽車剎車或下坡時回收能量，儲存于蓄電池備用，不需外來電力；根據(jù)行車條件(城市或高速公路)，比單一內(nèi)燃機驅(qū)動大約節(jié)省燃油10%～20%。插電式混合動力汽車(PHEV)的電動機功率較大，需外來電力定期向蓄電池充電。PHEV又分為兩種，一種是串聯(lián)式，內(nèi)燃機只用于發(fā)電，然后驅(qū)動電機，又稱為“增程式插電混合動力汽車；另一種是并聯(lián)式，內(nèi)燃機和電機都能驅(qū)動車輪，又稱“調(diào)合式插電混合動力汽車”。PHEV比單一內(nèi)燃機驅(qū)動可節(jié)省燃油30%～50%，價格也相應(yīng)增加。從碳減排的角度，插電式混合動力汽車當(dāng)電網(wǎng)中清潔電力比率高時效果好，當(dāng)電網(wǎng)中煤電(在無CO2捕集和封存(CCS，Carbon capture and sequestration))電力比率高時則效果差，從發(fā)展趨勢判斷PHEV的市場占有率將逐漸上升。

HEV和PHEV的優(yōu)點是節(jié)省石油，噪音小，瞬間力矩響應(yīng)快。其減少碳排放的數(shù)量取決于外來電力的燃料來源，經(jīng)濟效益則根據(jù)購置費用、政府補貼、電力驅(qū)動里程、燃油費用和使用時間而定，一般在5年內(nèi)回收增加的購置費是可能的。缺點是充電麻煩，而且時間長。摘錄2014年美國市場的HEV燃油經(jīng)濟有關(guān)資料[4]并單位換算后列于表4。

表4 混合動力汽車燃油經(jīng)濟參考數(shù)據(jù)

4.2 插電式混合動力汽車

PHEV是新發(fā)展的技術(shù),技術(shù)進步前景良好。美國能源部提出了如下三方面的攻關(guān)目標(biāo)。

(1) 電池技術(shù)改進。2012年用的是鋰離子電池，正電極用鎳、錳、鐵等材料，負(fù)電極用石墨等材料，主要指標(biāo)，即電動汽車電池每千瓦時的生產(chǎn)成本為500USD/(kW·h)，每千克電池的電量為100 Wh/kg，電池每升體積和每千克質(zhì)量的電量分別為200 Wh/L和400 Wh/kg。2022年將可能將鋰離子電池性能提高一倍，成本明顯下降。下一步將開發(fā)鋰金屬、鋰-硫或鋰-空氣電池，期望它們的上述指標(biāo)能分別達到 125 USD/(kW.h)、250 Wh/kg、400 Wh/L、2000 W/kg。

(2) 電驅(qū)技術(shù)。目前使用硅半導(dǎo)體和稀土電機磁極，指標(biāo)是30USD/kW、1.1 kW/kg、2.6 kW/L, 系統(tǒng)效率達到90%，55 kW系統(tǒng)成本為1650USD。2022年將采用永磁或非稀土電極、寬帶距WBG半導(dǎo)體、高壓電容以降低電機和動力電子技術(shù)成本，指標(biāo)是3USD/kW、1.4 kW/kg、4.0 kW/L, 系統(tǒng)效率達到94%，55 kW系統(tǒng)成本達到440USD。

(3)車輛輕量化。采用先進合金和復(fù)合材料改進車輛性能并降低成本。2022年將把車身減重35%，內(nèi)件減重5%，車輪和懸掛結(jié)構(gòu)減重25%。摘錄2014年美國市場的PHEV燃油經(jīng)濟有關(guān)資料[3]并單位換算后列于表5。

表5 插電式混合動力汽車燃油經(jīng)濟參考數(shù)據(jù)

4.3 混合動力汽車的中遠期燃油經(jīng)濟

混合動力汽車的中遠期燃油經(jīng)濟數(shù)據(jù)缺乏確切資料,現(xiàn)參照文獻[3]中的圖，通過換算得出表6的有關(guān)數(shù)據(jù),可供參考。

表6 混合動力汽車的中遠期燃油經(jīng)濟數(shù)據(jù)

5 天然氣汽車(NGV和LNGV)的發(fā)展

5.1 壓縮天然氣汽車

天然氣可作為替代石油的內(nèi)燃機燃料，利用方式有壓縮氣態(tài)(CNG)和冷凍液態(tài)(LNG)兩種。前者已廣泛在中等以上的城市推廣，充壓在高壓鋼瓶內(nèi)，可供出租汽車使用，大約每天加氣1次。加氣站數(shù)量較少，但由于氣價低，用戶數(shù)量仍較多。目前的CNG汽車基本是用常規(guī)汽油車臨時替代，燃油經(jīng)濟較差。

HONDA公司生產(chǎn)的CNG汽車為4缸(1.8 L，其綜合、城市、公路的燃油指標(biāo)分別是13、11、16 km/L, 年節(jié)省燃料費1050USD，一次行駛里程307 km。

天然氣汽車(NGV)的排氣中NOx含量偏高，早期美國環(huán)保署EPA的規(guī)定是2.0 g/(bhp.h),2007年修改為1.2 g/(bhp.h)，2010年又改為0.2 g/(bhp.h)。日趨嚴(yán)格的指標(biāo)不僅要求發(fā)動機能夠適應(yīng)，而且要求NGV整體能適應(yīng)。雖然采用貧氣燃燒能解決問題，但燃料效率下降。曾提出采用氫-天然氣混合燃料HCNG的解決方案，但具體實施難度大。EPA其它指標(biāo)(顆粒物0.01 g/(bhp.h)，非甲烷烴NMHC 0.14 g/(bhp.h))均可滿足要求。

Chesapeake公司對美國NGV的發(fā)展遠景給出樂觀的預(yù)測[5]。認(rèn)為2035年保有量可達到1600萬輛，年銷售160萬輛，消費天然氣630億m3。美國Kingfisher Truck Inventory公司的一份材料表明了CNGV的燃料經(jīng)濟性指標(biāo)為平均4.1 km/L(汽油當(dāng)量)，費用0.10USD/km，相應(yīng)的汽油車為3.7 km/L，費用0.19USD/km(售價0.69USD/L)。

5.2 液化天然氣汽車

液化天然氣單位體積容量為壓縮天然氣3倍多，適合替代柴油用于長途公路運輸。美國Connecticut 州2010年開始就資助Enviro公司[6 ]建立了LNG加氣站和有18臺車的車隊，配備Westport GX 發(fā)動機(33.57 kW/2238 N.m)，120 L的LNG儲罐，每臺卡車售價20.5萬USD(比柴油卡車貴9.0萬USD)，加氣站投資620萬USD?？ㄜ囘\輸垃圾焚燒場的灰至176 km遠的填埋場，每車載重36 t，每車每行駛480km加氣1次，每周加氣12次，每次加氣耗時180 s。一年多的運行數(shù)據(jù)得出，液化天然氣汽車(LNGV)每年行駛16萬km(柴油車為22萬km)，其燃油經(jīng)濟(含少量點火柴油)為2.2 km/L，比柴油車少4%，3年節(jié)省的費用可回收增加的投資。此后南加州開始行動[7]，該州港口有1萬輛重型柴油卡車從事運輸，已有LNG汽車700輛，2012年前先投入新LNG汽車219輛。新車發(fā)動機符合環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)，每年減少NOx排放178t。

LNGV用于短途公交客車經(jīng)過3處使用，每處10輛，效果不如柴油車，其燃料消耗大，操作費用高，有利點是顆粒排放少，但NOx排放嚴(yán)重超標(biāo)，與柴油車不相上下。

2012年，中國國內(nèi)已經(jīng)將LNGV納入鼓勵范圍，近兩年內(nèi)增長迅猛。LNG和柴油的價格比在0.60～0.65之間的地區(qū)容易推廣，個別價格比高達0.80以上的地區(qū)，如華南，推廣受阻。2014年6月底，國內(nèi)LNG項目總產(chǎn)能達3.6萬t/d，加上進口的資源，總的供應(yīng)能力接近1億m3/d(含建設(shè)中項目)。河南省某物流企業(yè)已擁有LNG加氣站7座，LNGV貨車350臺，客車119臺。中國石油集團規(guī)劃在河南省高速公路網(wǎng)建設(shè)126座加氣站，在國道和省道網(wǎng)建設(shè)122座加氣站。山東省某企業(yè)提出將LNG推廣到全省。今后LNG加氣站網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的形成有賴于CNG網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。可在150 km范圍內(nèi)建設(shè)一片加注站，據(jù)此以估計使用LNG替代柴油的規(guī)模。

6 純電動汽車的發(fā)展

6.1 純電動汽車的優(yōu)缺點

取消混合動力汽車所組合的內(nèi)燃機及其驅(qū)動系統(tǒng)就簡化為單純的電動汽車。結(jié)構(gòu)簡化并不意味著技術(shù)進步，因為純電動汽車只能用蓄電池儲存的能量行駛，依靠蓄電池的能量密度決定行駛里程，依靠蓄電池的功率密度決定啟動功率。還要按照蓄電池的壽命決定電池的更換。早期的純電動汽車使用鉛酸蓄電池，適合于活動范圍很小的載客或運貨。改用鎳鎘電池或鋰離子電池，可將行駛里程延長到百公里級，但一般仍限于城市內(nèi)的客貨運輸。當(dāng)公路上的充電站普及之后，活動范圍可擴大到半徑300 km。概括來說，推廣應(yīng)用純電動汽車的主要障礙是短距離和電池的更換。

燃料費用的節(jié)省可能抵不上購置維修費的增加，好處是以清潔電力替代油品并減少碳排放，煤電為主的地區(qū)則是以發(fā)電廠的高空排放替代道路上的汽車尾氣污染性排放。將純電動汽車和混合動力汽車、燃料電池汽車合稱新能源汽車，予以大力開發(fā)、推廣應(yīng)用，具有深遠的意義。

發(fā)達國家多年來純電動汽車發(fā)展也舉步維艱。表7列出美國市場銷售額的變化趨勢[8]，近年來形勢看好。

表7 美國純電動汽車市場銷售額的變化趨勢

配合混合動力汽車和純電動汽車所需蓄電池的供應(yīng)，2013年美國市場數(shù)量為60萬臺，總?cè)萘考s340萬kW·h。幾個國外生產(chǎn)廠家的純電動汽車牌號的性能列于表8[4]。

表8 國外廠家生產(chǎn)純電動汽車性能指標(biāo)

1)1MPGe=0.425 km/L A——交流永磁感應(yīng)電機；C——永磁同步電機；D——直流永磁無刷電機；I——交流感應(yīng)電機

6.2 電機、電池和電控的開發(fā)

電機、電池和電控是電動汽車開發(fā)的三大關(guān)鍵，其中電池開發(fā)難度最大。美國先進電池協(xié)會USABC提出了先進電池2020年產(chǎn)業(yè)化性能目標(biāo)[9]，選錄于表9。

表9 2020年先進電池產(chǎn)業(yè)化性能目標(biāo)

7 燃料電池汽車的發(fā)展

7.1 燃料電池汽車發(fā)展歷程

燃料電池汽車的研制起步很早，示范汽車曾經(jīng)用7 d時間從美國西海岸行駛到東海岸。但是一系列技術(shù)經(jīng)濟難題使產(chǎn)業(yè)化步伐十分緩慢。從改善城市環(huán)境角度，發(fā)達國家首先采用燃料電池汽車確有必要。在2003年，美國政府即令能源部把氫能和燃料電池汽車列為重大攻關(guān)項目，資助大批研發(fā)與示范課題，組織很多科研院校攻關(guān)；每年召開匯報和評估會議，投入不少資金和精力，成果突出。但因難度極大，原定目標(biāo)值迄今仍未實現(xiàn)。

在氫能領(lǐng)域，廉價氫的生產(chǎn)(分散或集中)、儲存和運輸、向汽車加入氫的加氫站的一整套方案均屬重大課題。

車載高壓儲氫瓶的研制和價位問題突出。如果采用車上制氫原料(甲醇、石腦油或其它在車上能分解產(chǎn)氫的化合物)，就需要微型車載制氫設(shè)備。研制成功后因該設(shè)備啟動時間長而被否決。氫的出廠價格目標(biāo)值是2USD/kg，加氫站氫價格目標(biāo)值是3 USD/kg。

在燃料電池領(lǐng)域，單個電池和電池組的研發(fā)涉及眾多課題，其中包括，鉑電極材料性能優(yōu)異，但用量大則成本高，存在供應(yīng)條件和廢料回收問題；低鉑化又影響性能和壽命，鉑合金需篩選；隔膜材料選擇問題；電池組有空氣管理、加濕管理和系統(tǒng)集成等問題。燃料電池組的價格(USD/(kWh))應(yīng)比照汽油內(nèi)燃機的價位。

此外還有安全、科普宣傳、社會教育等問題，茲不多述。

7.2 技術(shù)指標(biāo)

2012年，美國能源部提出的2020年車用燃料電池的技術(shù)指標(biāo)歸納為以下9點。

(1) 能量效率：2011年實況為59%，2017年目標(biāo)為60%(25%額定功率)。

(2)Q/ΔT=1.45kW/℃。

(3) 功率密度：850W/L(系統(tǒng))，2500W/L(電池組)。2011年實況是400 W/L(系統(tǒng))，2017年目標(biāo)為650 W/L(系統(tǒng))。

(4) 比功率：650W/kg(系統(tǒng))，2000 W/kg(電池組)。2011年實況是400 W/kg(系統(tǒng))，2017年目標(biāo)為650 W/kg(系統(tǒng))。

(5) 瞬間反饋：從最大流量10%到90%為120 s。2011年實況是300 s,2017年目標(biāo)為180 s。

(6) 啟動時間：2017年目標(biāo)為30 s(-20℃)，5 s(大氣溫度+20℃)。

(7) 循環(huán)驅(qū)動壽命：5000 h,2011年實況是2500 h，2017年目標(biāo)為5000 h。

(8) 貴金屬含量：0.125 g/kW(額定)。

(9) 大批量生產(chǎn)成本：30USD/kW。2011年實況是49USD/kW，2017年目標(biāo)為30USD/kW。

可見當(dāng)前的某些指標(biāo)尚不能滿足上述要求。

8 小 結(jié)

對石油資源、替代燃料和替代能源、動力機械的類型和效率以及相應(yīng)的車輛分別作了扼要介紹，初步形成了石油基運輸燃料的網(wǎng)絡(luò)描述。人們在改善交通運輸、提高生活質(zhì)量并改善生活環(huán)境的過程中，通過多年來的持續(xù)創(chuàng)新活動和今后幾十年的努力，將能逐漸適應(yīng)經(jīng)濟增長和環(huán)境保護的雙重目標(biāo)。當(dāng)然，這樣的任務(wù)非常艱巨，科學(xué)家、企業(yè)家和高層決策者要勇于擔(dān)當(dāng)。

[1] WOOD J H, LONG G R,MOREHOUSE D F. Long Term World Oil Supply Scenarios[EB/OL].http://www.eia.gov/pub/oil-gas/Petroleum/feature-articles/2004/worldoilsupply/oilsupply04.htm.

[2] PLOTKIN S P, SINGH M. Multipath Transportation Future Study, Vehicle Characterization and Scenario Analysis Appendix E, DOE/ANL,ANL/ESD/09-5 [EB/OL].http://transportation.anl.gov/pdfs/TA/614.pdf. 2009.

[3]DOE/EERE. Transportation Energy Future Series[C]//Potential for Energy Efficiency Improvements Beyond the Light-Duty-Vehicle Sector, prepared by ANL, 2013.

[4]US DOE-EERE, US EPAModel Year 2014,Fuel Economy Guide [EB/OL].http：www.fueleconomy.gov, 2014-07-31.

[5] America’s Natural Gas Highways—An American Energy, Economic, and Environmental Answer[Z].NGV Technology Forum, 2011-10-26.

[6] DOE/ANL. Case Study—Liquefied Natural Gas[EB/OL]. http://www.anl.gov. 2013-08-01.

[7] TA A. Largest U.S. Port Complex Embraces LNG for Heavy-Duty Trucks [EB/OL].http：www.afdc.enegy.gov/case/1203

[8] DOE/ORNL. 2013 Vehicle Technologies Market Report[EB/OL].http://www.transportation.anl.gov/technology_analysis/edrive_vehicles_monthly_sales.html.

[9] USABC. Goals for Advanced Batteries for EVs-CY 2010 Commercialization[EB/OL].http://www.uscar.gov.

Analysis of Petroleum Replacement Strategy

CHEN Junwu

(LuoyangPetrochemicalEngineeringLtd，SinopecEngineering(Group)Co.,Ltd，SINOPEC，Luoyang471003，China)

The problem of petroleum replacement was raised during the late of the last century, and then the ethanol blended gasoline was introduced, soon after the biodiesel appeared in the market. Since the elaborations on the petroleum replacement were confined in narrow scope before, in this paper the whole problem of petroleum replacement would be discussed, such as different types of feedstocks or energies, different fuel products and the corresponding vehicle engines, in conjunction of alternative scenarios in different nations. The data of techno-economic analysis and greenhouse gas emission study were provided, and all the discussions aimed at the medium term and long term goals based on strategic viewpoints.

petroleum replacement; transport fuel; driving machine; transport vehicle; strategic analysis

2014-10-20

陳俊武，男，中石化煉化工程(集團)股份有限公司洛陽工程有限公司技術(shù)委員會名譽主任，中國科學(xué)院資深院士，國家工程建設(shè)設(shè)計大師。中國煉油催化裂化工程技術(shù)的開拓者，長期從事煉油工程設(shè)計工作，近期致力于我國煤化工、能源替代和節(jié)能減排領(lǐng)域的研究與工程開發(fā)，指導(dǎo)設(shè)計了世界首套大型180萬t甲醇進料60萬t/a烯烴(DMTO)工業(yè)裝置。E-mail:chenjw.lpec@sinopec.com

1001-8719(2015)02-0218-10

TE8，TE9

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.002