1、车用替代燃料的发展现状及生命周期分析【摘要】交通部门发展车用替代燃料的迫切性日益增加。各种车用替代燃料将在技术革新、政策扶持和市场竞争的推动下实现重大技术突破和快速发展。通过介绍各种替代燃料的发展现状，生命周期分析方法在车用替代方面的研究，同时结合车辆技术，燃料制备工艺对替代燃料的能源消耗和温室气体排放进行了讨论.关键词： 替代燃料 发展现状 生命周期评价 The development of alternative fuel vehicle status and life cycle analysisAbstract：In response to increasing demand in t
2、ransport sector and motivated by technological innovation,favorable policy and market competition,various alternative fuels for vehicle are undergoing technological breakthrough. By introducing the development status of alternative fuels, life cycle analysis in automotive replacement research, combi
3、ned with vehicle technology, fuel preparation process for alternative fuel energy consumption and greenhouse gas emissions are discussed.Keywords: alternative fuel development LCA1 概述石油是一种不可再生的资源，有关数据表明,我国的石油保有储量仅占世界的 2.4%。我国从 1993 年起已成为石油纯进口国，2004 年我国石油总需求的40%已从国外进口，2040 年，中国将面临石油严重短缺的局面。同时，汽车尾气污染已
4、经成为一些大中城市空气污染的主要来源，我国百万人口以上城市的大气污染正由第一代煤烟型向第二代汽车型转化。因此如何在后石油时代，针对我国自然条件和资源，逐步改变汽车能源结构，开发和寻找污染较少、经济便宜的车用替代燃料已成为当务之急。目前，主要的车用燃料替代方案有燃气燃料、醇类燃料、合成油、生物柴油、二甲醚、电能和氢能。其中，电能和氢能主要依靠燃料电池技术为车辆提供动力，成本很高，目前仍处于试验阶段。其他替代方案可直接应用于现有车辆发动机，或只对发动机进行有限改造，且成本较低，是比较可行的方案。好的替代燃料不但要达到传统燃料的性能要求。还应该满足：资源靡价丰富，贮存运输方便；内燃机系统结构改动小，
5、技术可行；综合经济性好、捧放标准高。无毒性。要求一种替代燃料要全面良好地满足上述要求是很困难的但应在技术可行的基础上满足主要要求。2 主要替代燃料发展现状2.1 醇类燃料醇类燃料主要是指甲醇和乙醇。醇类燃料的资源比较丰富，可以从各种原料中提取。如甲醇可从天然气、煤、木材等物质中制取。乙醇可以从玉米、甜菜等农作物中制取。而且醇类燃料具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低、着火极限宽等特点。作为车用燃料，醇类燃料自身含氧，在发动机燃烧中可提高氧燃比，CO 和 HC 的排放较汽车和柴油低，几乎无碳烟排放；另外，由于汽化潜热大，可降低进气温度，提高充气效率，使最高燃烧温度低，对 NOx 的生成有抑制作用。
6、2.1.1 甲醇在我国煤炭作为制取甲醇燃料的物质之一，其储藏量非常丰富。因此，这就决定了今后一段时间内我国的能源消费结构仍以煤为主。所以，立足国内的煤炭资源，以甲醇为替代燃料，弥补石油供应量不足，是非常重要的措施。像我国的山西省没有油田，而该地区煤的储藏量非常大，所以山西省是我国煤制甲醇工业比较发达的地区，也是我国使用甲醇燃料最多的地区。甲醇燃料会产生有毒的醛类，甲醇对人体毒性较大，它对金属有腐蚀作用，对橡胶皮革有溶胀作用，会使塑料提早老化，这些缺点使甲醇在实际应用中受到了较大限制。因此，甲醇改质重整又是燃料电池的一个重要方案。2.1.2 乙醇我国作为农业国家随着粮食的丰收，已出现了陈化粮长期
7、库存积压的情况，仅玉米库存就有几千亿斤，尤其黑龙江、吉林、河南等产粮大省库存积压量大。因此，以农作物为原料生产乙醇作为替代能源，缓解我国石油紧缺的矛盾，也是非常可行的举措。2001 年我国制定了乙醇燃料发展计划，确定在黑龙江、吉林和河南省设立燃料乙醇试点项目，并开始推广含 10%乙醇的车用乙醇汽油的混合燃料。当然，低比例掺醇燃料虽然使用方便，不需对传统发动机进行改动，但它对缓解我国越来越严重的能源不足的压力所起作用较小。要从根本上解决能源紧缺问题，应研究高比例掺醇汽油的应用，乃至纯醇燃料的应用。乙醇燃料以掺烧或纯烧方式已成功地用于汽油机上，它在柴油机上的应用要远逊于汽油机，其主要原因是柴油与乙
8、醇不能互溶，掺烧困难，此外乙醇燃料十六烷值低在柴油机上需要柴油引燃或点火塞点燃。要对燃烧系统作较大改动。目前国内外有关机构正在研制帮助乙醇与柴油互溶的助溶剂，生成柴油醇，这样可以在发动机不作改动或是很少改动的情况下使用柴油醇燃料，满足发动机经济性、动力性和环保的要求。柴油醇在发动机上的应用将具有很大的潜力。2.2 天然气(NG)和液化石油气(LPG)天然气：天然气是各种替代燃料中最早广泛使用的一种。压缩天然气汽车：目前国内外发展较快的是压缩天然气汽车。压缩天然气与汽油两用燃料汽车是通过对现成汽油车改装而成，有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的压缩天然气供给装置。发动机可
9、分别使用压缩天然气和汽油作为燃料，两种燃料的转换利用选择开关实现。由于发动机结构未作改动，当使用天然气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致汽车功率下降。液化天然气汽车：由于液化天然气对贮存技术要求较高，使得贮存容器的成本高，这在一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。但由于液化天然气在贮存能量密度、汽车续驶里程、贮存容器压力等方面均优于压缩天然气，能解决压缩天然气汽车所存在的一些问题，所以液化天然气作为天然气的使用方式之一，是今后的重点发展方向。液化石油气：液化石油气价格便宜、容易液化、贮存和使用方便，其配套设施如加气站等的建设费用也比较低。所以液化石油气作为车用替代燃料，近年来发展较快。我国液
10、化石油气资源包括油田和石油炼厂两个方面。油田的液化石油气是在伴生气的处理过程中轻烃产品。油田的液化石油气主要成分是丙烷和丁烷，其内不含烯烃，所以适于直接做车用燃料。石油炼厂的液化石油气是在石油的催化裂化和延迟焦化炼油过程中产生的，其主要成分为丙烷、丁烷和少量烯烃等。石油炼厂的液化石油气内含有大量的烯烃。烯烃为不饱和烃，燃烧后结胶，积炭严重。所以这种产品不适于直接做车用燃料。液化石油气具有抗爆性能高、排放污染小、能量高、便于携带等优点。2.3 二甲醚二甲醚用作汽车能源，来源比较丰富，二甲醚可用天然气、煤、石油焦炭或生物质为原料制取。目前基本上采用二步法工艺生产，即首先让天然气或煤等原料变成合成气
11、（H2、CO 、CO2），进一步转变成甲醇，最后经脱水变成二甲醚。二甲醚是一种含氧燃料，无毒性，常温常压下为气态，常温时可在五个大气压下液化。二甲醚的十六烷值大于 55，具有优良的压燃性，非常适合于压燃式发动机，用作为柴油机的替代燃料。国内外相关研究表明燃用二甲醚燃料的发动机，在对原柴油机的燃油系统进行必要改造后，在保持原柴油机高热效率的前提下，可使氮氧化物有大幅度降低，碳烟排放为零，发动机燃烧噪声可降低 10db(A)左右。使发动机氮氧化物、微粒、一氧化碳等有害排放具有达到超低排放标准的潜力。显示了二甲醚燃料可十分理想地作为洁净代用燃料，实现柴油机汽车高效率、低噪声、超低排放的前景。近年来，
12、国外已成功开发了以天然气为原料产生合成气，由合成气一步法高效制备二甲醚的工艺，大大降低了二甲醚的生产成本，为二甲醚的大面积的推广使用打下了坚实的基础。2.4 生物燃料地球变暖已引起世界各国的关注，人们正在开发来源广泛的生物能源。生物燃料是指从农作物或动物的脂肪中提取的可再生燃料。目前，已研制成功并投入使用的植物油型燃料有菜籽油、棉籽油、棕榈油、豆油等。将植物油和动物脂肪与酒精反应，脱去甘油三酸酯转变成甲酯或乙基酯之后就可以在柴油机上使用这些酯类物“生物柴油”。“生物柴油”中的富氧可以加快燃烧速度，减少 CO、HC 和微粒排放。一般的酯化燃料十六烷值较高，燃料的性质与轻柴油接近，但发动机喷油系统
13、金属会受到甲酯的腐蚀。生物燃料是一种可再生能源，特别在环境效益上，植物在生产过程中会吸收大气中的 CO2，有助于减轻地球温室效应。3 燃料生命周期分析 3.1 燃料生命周期评价的理论车用燃料属于二次能源，在讨论节能和 GHGs 减排时,不能仅仅计算燃料在使用过程中的能耗和排放，还应考虑上游各阶段的情况.欧美科学家在这方面的最新研究成果普遍采用 Well to Wheel 从矿井到车轮分析法这是一种特殊类型的生命周期分析方法(Life cycle analysis ,LCA)。在机动车燃料系统中分析主要研究燃料循环的能源使用和温室气体排放问题,它包括两个主要阶段 Well to Pump（从井到
14、泵）和 Pump to Wheel(从泵到轮）.前者的研究对象是车用燃料的上游生产阶段,包括一次能源开采;一次能源运输;燃料生产;燃料运输;分配和储存.以及燃料加注过程.后者的研究对象是车用燃料的下游使用阶段也就是机动车行驶中的燃料燃烧和排放。3.2替代燃料生命周期评价的国内外研究状况目前，国外的相关研究主要由大型企业或是权威机构，比如GM、BP、Exxon Mobil、ShelI 和 ANL(argonne nationallaboratory)进行的，研究对象包括了传统车用燃料、大部分代用燃料以及燃料电池等新型动力装置，并且已出现了一些应用软件，例如 GREET1等。国外的研究成果 uo
15、J 说明车辆技术和燃料的制备技术是影响生命周期评价结果的主要因素。在车辆技术方面，同样燃料的生命周期能量消耗和温室气体排放一般随着驱动装置能量利用效率的提高而逐步减少。比如采用压燃式发动机作为动力装置的燃料路线的能量消耗和温室气体排放比采用点燃式发动机作为动力装置的燃料路线要少；采用混合驱动方案的燃料路线与采用传统驱动方案的燃料路线相比，能够有效降低能量消耗和温室气体排放。电动汽车在使用阶段虽然可将能量消耗和温室气体排放降到很低的程度，但其生命周期上游阶段，主要是采用传统发电方式，在一定程度上抵消了电动汽车的环保优势。在燃料的制备技术方面，传统燃料包括汽油和柴油，由于制备技术已经相当完善，故减
16、少生命周期能量消耗和温室气体排放的潜力较小。而各种代用燃料在车辆使用阶段的能耗和温室气体排放一般均与传统燃料相当或是有一定幅度的降低，因此其生命周期评价结果取决于具体的制备技术。以氢气为例，若采用电解氢作为燃料，则能耗和温室气体排放都较高；而以废弃物或生物物质为原料的氢气路线的温室气体排放量较少，但能耗并未显著减少。通过研究国外的情况，可以发现一些共同点。比如，混合驱动是一种非常有潜力的方案，它可以非常有效地提高燃料的使用效率，同时降低温室气体排放；生物燃料作为可再生能源，可在很大程度上降低温室气体排放量，但制备路线还有待深入研究。通过合理规划天然气基燃料的生命周期路线，它的温室气体排放量则会
17、低于石油基燃料。此外，人们还对燃料电池汽车氢能系统进行过生命周期评价。通过分析多种方案的分类环境效应指数、氢气总成本和总能量利用效率，说明在现有的生产、储运和输运氢的技术条件下，天然气集中制氢场制氢、用汽车将装有氢气的高压钢瓶输运到加氢站、加注给以氢气为燃料的燃料电池车，此路线的综合指标最优。相关研究表明，与传统内燃机车辆相比，电动汽车在使用阶段产生的环境污染要少得多，甚至达到零排放。但由于我国目前大部分电仍是通过燃煤火力发电生产，所以从生命周期角度来评价，电动汽车仍然会产生环境污染，甚至高于传统燃料路线。近年来，DME 作为一种较有潜力的代用燃料，引起了人们的极大关注。多项研究表明：经过优化
18、设计，DME 发动机与柴油机相比能够有效地降低有害排放物，尤其是能够同时降低 NOx 与 PM 排放。而目前影响 DME 发动机推广与实用化的主要宏观因素是DME 的制备成本比柴油要高，且易受其上游产品甲醇的市场与价格影响，无法形成稳定的大批量生产。4 结束语目前替代燃料呈现出多元化、综合化、交叉化的发展趋势，各国都在大力发展替代燃料以应对能源危机和环境压力。但是综合目前各种燃料的发展现状，天然气是最具有应用价值的。生命周期评价作为一种系统方法，可以帮助人们更深刻地认识清洁燃料的内涵，以及燃料生命周期各环节之间的联系，从而找到链条最薄弱的环节，进行更有效的规划。通过实地考察和研究相关文献，发现
19、：就天然气基车用替代燃料而言，CNG 和 DME 这 2 种燃料较有前途，可分别用于替代汽油和柴油，而甲醇汽油在能耗和温室气体排放方面潜力不大，竞争力较弱，但 DME 上游产品甲醇仍可作为过渡燃料而存在一段时间，为 DME 的大规模生产奠定基础。参考文献：1孙孝仁2l世纪世界能源发展前景 中国能源，2001，(2)：19202廖翠萍等氢能源与有关技术及其Internet资源J新能源，2000，(2)：38413柏铭，严瑞生命周期评价方法在汽车代用燃料中的应用.现代化工，1998，(7)4胡志远，浦耿强，王成焘代用能源汽车生命周期评估汽车研究与开发，2002，(5)5胡志远，浦耿强，王成焘车用燃
20、料乙醇的应用发展汽车科技，2002，(4)6董志强天然气利用对环境影响的生命周期分析天然气工业，2003，23(6)7胡志远，戴杜，张成，等木薯乙醇一汽油混合燃料生命周期评价J内燃机学报，2003，21(5)8Metz B，Davison O，Coninck de H，et al.IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Shortage R.Tokyo:IGES，20059Concave，EUCAR.Well- -to -Wheel Analysis Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context R. European Commission Directorate-General Joint Research Center，2004
