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专家指出发展天然气相关产业亟须打通技术瓶颈
时间:2014-12-09 00:00:00  浏览:0次  来源: 中国科学报  作者:朱剑
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天然气的诱惑力远大于其他燃料。但即使是最具吸引力的技术,现实也是残酷的。

Dane Boysen是一个令人讨厌的“销售员”。在一个天然气汽车会议上,美国能源部先进研究计划署(ARPA-E)天然气汽车项目负责人Boysen表示,他的话行业巨头不会想听。“老实讲,天然气并不是重要的运输燃料。” 他补充道,事实上,“它是愚蠢的燃料”。

一些听众则发出了开玩笑的倒喝彩声,但他们知道Boysen讲的是能量密度问题。1升汽油能驱动一辆标准汽车行驶10公里,而1升天然气在常温常压状态下只能驱动它行驶13米。甚至在将天然气冷凝成液态或挤压进高压箱中后,它也无法与汽油相媲美。

然而,Boysen的ARPA-E项目在过去5年间花费了3000万美元,推动了天然气小汽车和轻型载重汽车的发展。

更干净

为什么?原因是尽管能量密度较低,但天然气能提供的东西很多。它储量丰富且价格便宜。目前,美国使用水力压裂法生产出大量天然气,能量当量相当于1加仑汽油的天然气的价格却只有前者的一半。而且,目前美国已知的天然气储量至少能维持到下个世纪。天然气也相对干净。天然气发动机产生的二氧化碳比汽油发动机少30%,同时氮氧化物和氧化硫等污染物的排放量也大大减少。

更重要的是,这些发动机已经存在。经过略微铸补,传统的汽油或柴油发动机就能使用天然气。根据美国行业贸易集团NGVAmerica的数据,全世界有1520万辆天然气动力车辆在行驶。其中美国有14.2万辆。大部分是重型卡车和公共巴士。一些预测结果显示,到2030年,美国大多数卡车将使用天然气能源。

对于重型发动机而言,经济学才是“驱动者”。即便使用天然气引擎,这样的卡车也比使用柴油机的卡车多花费数万美元。Trillium CNG市场开发和战略副主席William Zobel表示,卡车燃料消耗量极大——每年平均需要4.5万升柴油,燃料节约将在2~3年里抵消额外成本。Trillium CNG主要建设压缩天然气(CNG)燃料供应站。日益紧缩的卡车和公共汽车污染标准也推动着变革。

现在。Boysen和其他人希望天然气能源的应用可以扩展到轻型汽车和卡车中。“真理就在这里。我绝对相信该技术将会腾飞。”Boysen说。加利福尼亚能源委员会运输系统研究员Reynaldo Gonzalez也表示赞同:“只有一种可选择的车辆技术具有经济价值,那就是天然气技术。”

但负责指导NGVAmerica 市场开发的Stephen Yborra指出:“有大量障碍需要克服。”例如,日本本田汽车公司已经生产出了思域天然气汽车。但在美国只售出2000辆,而汽油汽车的销售量则是每年150万辆。在天然气汽车占领道路之前,燃料箱、泵和基础设施等方面还需要大量改进。

当Boysen走上洛杉矶会议中心的一个小舞台时,窗户外面是巨大的集装箱货运船,正在卸下日本汽车、韩国电视和中国家具。每天,8000辆卡车负责搬运这些货物,这些车辆越来越多地遵照口岸污染标准,开始使用天然气作为燃料。但Boysen坦言,革新存在障碍。他表示自己能够畅所欲言,因为本月月底,他将离开ARPA-E。他一个接一个地列举出了该技术面临的挑战以及工程师为解决问题作出的努力。

燃料箱困境

燃料箱材质一直困扰着研究人员。天然气的最大问题是能量密度过低。在常温常压环境下,每升仅有4万焦耳,是汽油的1/1000略多一点。要携带充足的燃料,汽车就需要一个巨大的燃料箱,这就减少了其载货空间。结果是,本田的天然气汽车的货箱比汽油汽车小了一半。“驾驶者讨厌这样,因为他们无法去机场接人。”Boysen说。

燃料箱还必须加压。现在的燃料箱能将气体压缩到250帕,大约是大气压强的250倍。要保持这些压力,燃料箱必须使用厚厚的金属,或更轻但昂贵的碳纤维。目前,燃料箱使得天然气汽车的平均成本增加了3500美元。而Boysen的项目致力于将这一数字减少至2000美元。“2000美元实际是一个大挑战。”南加州天然气公司技术开发经理Cherif Youssef说。

一个方法是利用多孔材料填充储油罐,从而能够在温和压力下用海绵吸收甲烷,并在压力降低时释放该气体。低压将能让燃料箱更轻更便宜,并能降低再填充它们的压缩机成本。

活性炭就是一种海绵状物,这种材料便宜,并广泛用于各种工业用途。但它的理论最高生产能力只有220 v/v。一种名为有机金属结构(MOF)的材料已经打败了这一数字。与活性炭能随意调整内部结构不同,MOF是多孔的晶体材料,能够从原子尺度上进行设计,以便抓住甲烷分子。

研究人员已经设计了数百种MOF。化学公司BASF已经研发出合成吨量级的MOF,并在德国实地测试了MOF装备。Framergy公司也表示,目前能够制造克级MOF用于巴士。Boysen说,这些都是好消息。不过,“仍有工作需要做。”他说。

其他挑战

燃料箱的形状也是个问题。压力温和的海绵样燃料箱能让工程师制造与目前标准高压压力缸不同形状的燃料箱。联合技术研究中心(UTRC)下一代燃料箱项目负责人Ellen Sun表示,这是重要的,因为在一辆汽车里,汽缸会占据大量空间。对于重型卡车和汽车而言,一个笨拙的燃料箱可能不是大问题,但它却是载客小汽车“杀手”。

UTRC和其他公司也使用更常规的方法对高压燃料箱进行再设计,以减轻对其材料的压力,以便将燃料箱制成任何需要的形状。

无论最后哪种燃料箱脱颖而出,它们都将需要被再次注满。工程师也正在努力提高这项技术。一个问题是燃料加注的时间。汽油泵每分钟能提供10加仑汽油,能量传输率相当于20兆瓦的功率。目前,CNG系统能在5分钟填满15加仑的燃料箱。但它们价格昂贵,并优先服务卡车和专业车队。

许多天然气汽车的拥护者都梦想有一台低压压缩机,能够用于家庭燃料加注,美国约一半的家庭已经安装了天然气线路。如果汽车能够在家里填充燃料,消费者将能忍受较慢的填充速度,就像电动车那样。“家庭填充燃料和低压燃料箱将是该行业游戏规则的主要改变者。”Youssef说。Boysen表示,这样的压缩机已经进入市场。但它的价格为5500美元,而Boysen的项目则希望能将这一数字削减90%。

在天然气能源汽车会议上,研究人员报告了若干进步。俄勒冈州立大学的一个研究小组表示,他们已经设计出一种能将一个气缸变成压缩机并充当泵的天然气引擎。同时,得克萨斯大学的研究人员则研发出了只有一个运转部件的简化压缩机:一个活塞反复滑动。他们预计造价可能为1500美元,距离Boysen项目的目标不远。

正如MOF一样,这些技术原型要进入市场还有很长的路要走。研究人员还必须将水和其他杂质从低压天然气管道中过滤出去,以免它们在燃料箱里积累。但由于目前市场需求有限,压缩机生产商并不愿意投资新技术。国家可再生能源实验室燃烧学家Bradley Zigler表示,结果就是“研究与商业转化之间存在死亡之谷”。

即便工程师能克服所有这些技术困难却仍然不够。分析家表示,对于为新车花费数万美元的消费者而言,他们需要这些技术同时被广泛使用。而且,Boysen提到,即便是这样,天然气车辆还面临更多可行性替代方案的竞争,并且驾驶者还需要相信天然气汽车至少与现在的汽车做到同样好。他们还需要能随时随地买到燃料。

而这一系列需求尤其需要新技术。但由于缺乏必要的基础设施,使得消费者很难接纳这些新型汽车。但对于Boysen及其同事而言,天然气的诱惑力远大于其他燃料。但他们也清楚,即使是最具吸引力的技术,现实也是残酷的

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