天然氣汽車儲(chǔ)氣方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

魏捷 胡娣

【摘要】NG作為一種能源，一般通過液化、壓縮、吸附等形式進(jìn)行儲(chǔ)存，近年來，天然氣被用作汽車燃料，對(duì)儲(chǔ)氣方式提出了全新要求。傳統(tǒng)的液化方法具有一定的局限性，會(huì)加重汽車運(yùn)行種類，CNG的儲(chǔ)氣方式則需高級(jí)壓縮設(shè)備的支持，而且CNG加氣站的建設(shè)、運(yùn)行與維護(hù)成本較大，現(xiàn)階段，吸附式天然氣儲(chǔ)存方式體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)功能，運(yùn)用于汽車儲(chǔ)氣，前景可觀。本文分析天然氣汽車儲(chǔ)氣方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】天然氣；汽車儲(chǔ)氣方式；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

現(xiàn)階段，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入空氣重污染時(shí)期，空氣質(zhì)量令人堪憂，人類面臨著嚴(yán)峻的生存環(huán)境危機(jī)。空氣污染的一大來源為汽車尾氣，加快汽車燃料改進(jìn)，選擇天然氣做汽車燃料成為一大趨勢(shì)，然而，天然氣充當(dāng)汽車燃料具有一定的弱點(diǎn)，體現(xiàn)在：燃燒所產(chǎn)生能量較低，無法支持交通工具的遠(yuǎn)距離運(yùn)行，因此，汽車儲(chǔ)氣方式的選擇成為一大焦點(diǎn)，各類儲(chǔ)氣方式有自身的優(yōu)勢(shì)和不足。

一、天然氣作汽車燃料的優(yōu)勢(shì)和意義

同煤炭、石油相比，NG是典型的清潔型燃料且價(jià)格低廉，為汽車行業(yè)發(fā)展帶來全新的力量。NG作為汽車燃料具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、控制大氣污染

同傳統(tǒng)的原油燃料相比，天然氣燃燒所產(chǎn)生的污染物比重較小，例如：減少99%的一氧化碳，97%的HC化合物，90%的二氧化硫，同時(shí)汽車啟動(dòng)噪音也顯著下降，不會(huì)產(chǎn)生苯、芳香烴類似的毒害物。也控制了溫室氣體CO2的排放，控制溫室效應(yīng)問題的產(chǎn)生，保護(hù)空氣質(zhì)量，緩解霧霾危機(jī)。

此外，天然氣燃燒中能夠有效借助空氣中的氧氣，保證燃料充分燃燒，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

2、延長(zhǎng)使用周期

天然氣充當(dāng)汽車燃料，能夠有效延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，而且NG價(jià)格僅為石油價(jià)格的70%，控制了對(duì)潤(rùn)滑油的不良污染，無需頻繁更新潤(rùn)滑油，減少了一半的費(fèi)用支出。而且NG屬于氣態(tài)化工物，能夠減少非法偷竊、變賣等問題，NG能夠充分燃燒，防止汽車各構(gòu)造的破損，維護(hù)汽車安全運(yùn)行，延長(zhǎng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

3、安全系數(shù)更高

同燃油相比，NG的密度更小，在0.6m3/L以下，即使發(fā)生泄漏，容易被疏散，不會(huì)輕易出現(xiàn)爆炸事故，而且其燃點(diǎn)較高，不易出現(xiàn)燃燒事故。

從目前來看，NG屬于一種有效的環(huán)保燃料，在保護(hù)空氣質(zhì)量相關(guān)方面體現(xiàn)出多方面的優(yōu)勢(shì)，具有一定的開發(fā)潛力。

二、天然氣汽車儲(chǔ)氣方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

以上關(guān)于NG充當(dāng)汽車燃料的分析體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)意義，然而其中的缺陷在于天然氣能量密度較低，根據(jù)試驗(yàn)研究表明：?jiǎn)挝惑w積燃油燃燒能夠帶來大約34.8x103kJ，與此對(duì)應(yīng)的天然氣所產(chǎn)生能量只有0.04x103kJ，能量比重還達(dá)不到燃油的1%。選擇NG充當(dāng)汽車燃料，要想發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)功能，當(dāng)務(wù)之急是研發(fā)出一種性價(jià)比較高的儲(chǔ)氣技術(shù)。常見的NG儲(chǔ)氣方式主要包括三大類，不同的儲(chǔ)氣方式具有不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性特征。

1、液化儲(chǔ)存

液化天然氣是一種常見的儲(chǔ)氣方式，通常被存在儲(chǔ)罐內(nèi)，LNG密度相對(duì)較高，而且其體積能量密度也能達(dá)到汽油的70%以上，是CNG的2倍，其中含有高純度的CH4，支持汽車的遠(yuǎn)距離長(zhǎng)途運(yùn)輸。液化儲(chǔ)氣方式存在自身的缺點(diǎn)，用在汽車中缺乏實(shí)用性。這是由于液化天然氣的建設(shè)需要一個(gè)過程，其燃料站需要巨額投入，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，而且LNG要對(duì)儲(chǔ)存溫度有特殊要求，氣瓶需要特殊的維護(hù)，液化天然氣儲(chǔ)存方式目前沒能真正被運(yùn)用于汽車行業(yè)。

2、壓縮天然氣儲(chǔ)存方式

壓縮天然氣英文簡(jiǎn)稱“CNG”，NG以壓縮方式存于高壓容器內(nèi)部，操作壓力一般在16.5MPa-0.34MPa，在這一操作壓力下，NG體積比為230，能量密度同液化儲(chǔ)氣相比，相對(duì)較低，僅達(dá)到汽油能量密度的26%，現(xiàn)已經(jīng)成為最為典型、最具優(yōu)勢(shì)的汽車儲(chǔ)氣方式。

CNG在汽車儲(chǔ)氣中的應(yīng)用依然體現(xiàn)出一定的局限性，依然存在弱點(diǎn)和問題，依然未能徹底解決環(huán)境污染問題。

美國(guó)某再生能源實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了科學(xué)的試驗(yàn)，將壓縮天然氣儲(chǔ)氣汽車同汽油車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析兩類汽車的燃料消耗情況。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出，采用CNG的汽車，其燃料費(fèi)較低，汽車行駛1.6km，較傳統(tǒng)的燃油汽車，燃料費(fèi)減少30%，汽車維護(hù)費(fèi)下降15%，假設(shè)汽車每年行駛8萬公里，單位汽車可減少1300$的投入。雖然CNG汽車節(jié)省了成本，卻并未讓CNG汽車真正占據(jù)有利的市場(chǎng)條件，具體原因在于壓縮天然氣儲(chǔ)氣方式具有自身的弱點(diǎn)和不足。其中CNG加氣站的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等都加劇了成本需求量，而且成本的投入也得不到及時(shí)、高效回收。CNG具體的劣勢(shì)體現(xiàn)在：

第一，CNG加氣站的建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)需要大量的成本。例如：美國(guó)某CNG加氣站，每0.0283立方米/分的容量成本達(dá)到1千美元，該加氣站加大研究力度，盡量控制費(fèi)用成本，然而，要想讓CNG汽車占據(jù)更多的市場(chǎng)空間，在CNG加氣站建設(shè)方面依然面臨艱巨的任務(wù)，美國(guó)一些氣體企業(yè)在CNG加氣站建設(shè)方面投入了巨額資金，然而，事實(shí)證明，資金投入很難得到回報(bào)，這是由于CNG儲(chǔ)氣無法支持汽車遠(yuǎn)距離行駛，而且CNG加氣站數(shù)量有限，運(yùn)行中的汽車無法及時(shí)得到能量補(bǔ)充，導(dǎo)致NGV的銷量得不到保證。同時(shí)，建成的加氣站無法達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行的效果，導(dǎo)致投資得不到有效回收。

第二，充氣中需要特殊設(shè)備的輔助，例如：壓縮機(jī)，要求壓縮等級(jí)在6級(jí)以上，20-25MPa的壓力，其價(jià)格較高、耗能較大。

第三，儲(chǔ)氣過程中，對(duì)高壓容器提出特殊要求，達(dá)到無縫標(biāo)準(zhǔn)，制造工藝也相對(duì)復(fù)雜，高壓儲(chǔ)氣瓶自身較重，安裝在汽車結(jié)構(gòu)中，會(huì)增加汽車的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。第四，高壓設(shè)備自身也具有一定的隱患問題，在不良條件下容易發(fā)生爆炸事故。

從我國(guó)現(xiàn)階段的情況來看，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，12個(gè)鋼瓶的儲(chǔ)氣量只有60m3，能支持汽車航行250km，這就是需要縮短加氣站間的距離，無疑更加大了加氣站建設(shè)的資金投入。而且要想讓壓縮天然氣充分發(fā)揮燃料功能，要求20MPa的壓力，這其中形成了諸多問題，例如：高壓充裝設(shè)備需要大量成本投入。高壓設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中也存在安全隱患。

3、吸附天然氣儲(chǔ)存方式

ANG技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)和進(jìn)步性。具體是把吸附劑（微孔結(jié)構(gòu)較多，且d在3nm以下），裝在儲(chǔ)氣罐內(nèi)，確保在常溫、中低壓狀態(tài)下，NG能夠以吸附的形式儲(chǔ)存。此技術(shù)的顯著特點(diǎn)為：在儲(chǔ)存器內(nèi)設(shè)置多孔吸附劑，通過吸附劑的吸附作用，來提高NG的儲(chǔ)存密度和濃度。同以往的壓縮式天然氣儲(chǔ)存方式對(duì)比，吸附天然氣儲(chǔ)存方式具有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

（1）ANG加氣站選擇了單級(jí)壓縮方式，這樣就有效控制了充氣站的建設(shè)費(fèi)用與施工成本。

（2）儲(chǔ)氣罐的選材范圍更廣。不同于壓縮天然氣儲(chǔ)氣方式，吸附式天然氣儲(chǔ)存方式下，可以選擇多種類型的儲(chǔ)氣罐，其形狀、質(zhì)地、材料等的選擇范圍更廣，且其質(zhì)量較輕、壓力較小，便于使用、更加安全，減輕了車輛負(fù)擔(dān)，控制了行車風(fēng)險(xiǎn)。

（3）儲(chǔ)存壓力較低。儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存壓力需求只需保持在3-5MPa，將其應(yīng)用于汽車，能夠維持汽車的安全行駛。

ANG儲(chǔ)氣技術(shù)，作為一種新的儲(chǔ)氣方法，具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是，要想充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，則要做好下面幾項(xiàng)工作：

第一，提高吸附劑質(zhì)量。由于吸附式儲(chǔ)氣技術(shù)主要是通過吸附的方式來儲(chǔ)存天然氣，因此，必須保證吸附劑的吸附水平，要加大力度研發(fā)出一種高比體積存儲(chǔ)容量的吸附劑。

第二，吸附、脫附過程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，將會(huì)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)帶來一定的影響作用。吸附過程中發(fā)生的放熱現(xiàn)象，會(huì)影響NG的存儲(chǔ)量，脫附過程中的吸熱作用，會(huì)造成氣體釋放數(shù)量下降。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)研究，假設(shè)初期系統(tǒng)處于徹底隔熱狀態(tài)，NG的現(xiàn)實(shí)釋放量則可能下降25%。

第三，NG中含有大量雜質(zhì)，會(huì)對(duì)吸附劑功能的發(fā)揮造成不良危害。NG的主成分不僅有CH4，其中也包括二氧化碳、水、硫化物等雜質(zhì)，它們可能影響活性炭吸附能力的發(fā)揮。

第四，當(dāng)存儲(chǔ)系統(tǒng)壓力下降，達(dá)到0.1MPa，需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部氣體做特殊處理，例如：加熱，這樣才能確保氣體得到有效釋放。

從目前來看，該儲(chǔ)氣方式最艱巨的任務(wù)就是高性能吸附劑的有效開發(fā)，擴(kuò)大吸附劑比表面積、吸附孔體積，選擇方便使用的吸附材料。自上個(gè)世紀(jì)中葉，多種吸附材料被研發(fā)出來，具體包括：天然沸石、硅膠、活性炭、分子篩等?，F(xiàn)階段，新型活性炭吸附劑成為一項(xiàng)最為廣泛使用的吸附劑。然而，吸附劑的改進(jìn)與更新依然需要一段較長(zhǎng)的距離。

總結(jié)

汽車采用天然氣燃料具有一定的優(yōu)勢(shì)意義與可行性，然而，儲(chǔ)氣方式的選擇至關(guān)重要，同液化儲(chǔ)氣方式、壓縮儲(chǔ)氣方式相比，吸附性儲(chǔ)氣方式具有一定的優(yōu)勢(shì)性能，能夠提高儲(chǔ)氣能力，是一項(xiàng)值得深入推廣與研究的技術(shù)。

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