发展天然气为汽车燃料的环保和经济前景分析

发展天然气为汽车燃料的环保和经济前景分析

王培福 刘刚

济南市特种设备检验研究院 山东 济南 250011

摘要：现如今，随着我国经济的快速发展，能源消耗量也在不断增大，对此为了有效缓解能源危机，提高生态环境保护水平，促进我国的可持续发展，需要从环保和经济等角度出发，合理运用新能源，并有效研发替代能源。其中，天然气便是一种具有代表性的替代能源，可以将其作为汽车燃料，减少传统能源的消耗，降低二氧化碳等的排放量，从而促进我国汽车行业的绿色化和现代化发展。本文针对天然气为汽车燃料的环保和经济前景进行分析，介绍了天然气的发展背景，探讨了天然气代替汽柴油的优点，并针对其环保和经济前景进行具体阐述，希望能够为相关工作人员起到一些参考和借鉴。

关键词：天然气；汽车燃料；环保；经济前景

现如今，将天然气作为汽车燃料，可以具有良好的经济性、安全性以及排放性，因此也受到了人们的广泛关注。天然气作为一类重要的能源资源，通常在工业、商业以及民用等领域进行应用。传统工业燃料主要为煤炭，而天然气作为一种优质工业燃料，不仅能够代替油，而且还能够替代煤炭，是十分理想的工业燃料。在发电燃料应用过程中，需要以天然气作为具体的发电燃料，其二氧化硫、二氧化碳的排放量相对较低，不仅可以提升燃料的利用率，而且还可以优化能源转换系统。除此之外，通过对天然气进行应用，还可以使氨、甲醇、乙烯以及氢气等得到有效合成。

1. 发展天然气汽车的背景

随着石油资源剩余储量的不但减少，能源危机问题也变得更为严重。近些年来，人们一直在对交通运输的代用燃料不断进行寻找和研究，并对甲醇、电动以及乙醇等燃料汽车进行了有效开发。而从技术发展以及产业进程角度进行分析，天然气代用燃料汽车的开发程度相对较高，并逐渐超过其他代用燃料。结合第二轮的全国油气资源评价结果进行分析，我国常规天然气总资源量逐渐达到38.4万亿立方米，而我国的天然气地质储量为13.2万亿立方米，因此将天然气作为可代用燃料，可以作为未来长期使用的一种运输能源。除了资源因素之外，燃气汽车的发展可以使环境保护压力得到缓解，而且伴随着我国汽车保有量的不断增长，一些城市的环境污染问题也变得更为严重。通过将天然气作为燃料，可以使汽车尾气当中的有害成分得到有效降低，是对大气污染进行控制的一项有效措施^[1]。

2. 我国天然气的应用情况

随着我国改革开放的不断深入，经济和社会发展也取得了十分显著的成就。但随着经济的持续发展，环境污染问题也变得更为严重，这对我国经济和社会发展也产生了制约，而且对人们的身体健康也造成了相应的危害，因此需要相关部门加大重视。为了使可持续发展战略得到有效落实，需要对资源和生态环境进行有效保护。为了使这一重要指示精神得到贯彻，需要对空气净化工程进行有效实施，并有效组织和开展清洁汽车行动与清洁能源行动。在我国的西部大开发战略实施过程中，对西气东输工程和天然气长输管道工程进行推出。其中西气东输工程的输气能力可以达到200亿立方米，在5-10年以内，天然气的供应量可以达到500亿-1000亿立方米，这将会严重影响到我国经济、社会以及环境的发展。在实施西气东输工程的10年期间，我国工业天然气消费通常可以达到30%左右，与此同时还需要对多套天然气热电联产设备进行建设，以天然气作为相应的发电燃料。除此之外，我国化工用天然气的占比为50.8%，主要用户为化肥生产^[2]。

3. 天然气代替汽柴油的优点

1. 以天然气为原料的汽车燃料属清洁燃料

以天然气作为汽车原料，对比汽车和柴油尾气排放当中的污染物相对较少。根据相关资料可以发现，国外一些工业发达国家不仅对天然气汽车燃料进行了大力推广和应用，而且也有效开展了汽车、柴油质量的改进工作，确保与CAAA要求相符合，对新改质汽油采取有效措施^[3]。除了不加铅以外，还需要对苯含量进行限制，使芳烃含量得到减少，并对硫含量进行限制。国外相关研究单位针对不同里程时CNG和新配方汽油尾气排放量进行了具体对比，并得到了如下试验结果。

表1 不同里程CNG和新配方汽油尾气排放量对比

根据试验结果可以发现，CNG汽车排放的CO、非甲烷烃类NMHC量，对比改质性汽油排放量要相对较低，而其NO_X量和汽油车比较相近。对于不同的汽车NMHC、NO_X、CO的排放量存在差异，但总趋势在于CNG燃料汽车对比改质汽车尾气的排放量相对较少。

2. 运行费用低

根据相关汽车研究所所提供的具体数据资料进行分析，可以发现目前双燃料汽车的使用可行性较高，也就是油气两用，可以在行驶过程当中对燃料类型进行随意转换，1m²天然气能够提供的动力约为1L汽油所提供的动力，因此可以有效减少汽油燃料消耗，并极大的节约费用^[4]。

（三）运行安全

天然气的相对密度较小，具体为0.58-0.62，一旦泄露后将会快速升空，而且容易散失，不容易着火。汽油的蒸汽相对较重，在液态发挥过程中不容易扩散，而且容易着火爆炸。天然气的点火温度在530℃左右，汽油柴油的点火温度则为200℃-450℃，天然气的爆炸极限约为5%-15%，对比汽油的爆炸极限要高出2.5-4.7倍。除此之外，天然气汽车钢瓶为高压容器，可以通过相关规程严格控制其材质、制造、试验以及检验，而且试验压力对比工作压力要高于4倍，并对防爆设施进行了安装，避免由于汽车碰撞或者翻覆而造成火灾或爆炸等事故。所以，通过对天然气进行使用，可以使安全隐患得到降低，有效保证运行安全。

4. 天然气汽车发展现状

以天然气为燃料的汽车，根据其压力和形态可以具体分为三种燃气汽车。

首先，低压气囊式天然气汽车。对于此类型汽车，需要将天然气以低压充气方式在汽车顶部的气囊内进行充装，并为内燃机燃烧进行提供。但由于其方式还相对比较落后，因此安全性较低，行驶里程也相对较短，因此逐渐被淘汰。

其次，压缩天然气汽车。通过将汽油车改装成相应的压缩天然气汽车，需要对其进行改装，需要增加的部件具体包括电磁阀、高低压输气软管、CMG储气瓶、高压截止阀、压力传感器、天然气加气接头、点火时间转换气等。对于天然气，在经过加气站浓缩到20Mpa，并在汽车用压缩天然气钢瓶当中进行输送，并经过减压之后向内燃机进行提供。现如今，我国天然气汽车主要为压缩天然气汽车。

最后，液化天然气汽车。LNG是在天然气-162℃低温下逐渐液化，其体积对比标准立方米天然气，要缩小600倍。而且在体积减小后，会在有汽绝热夹层压力瓶当中进行储存，可以防止LNG过早出现汽化，相关储罐需要具有绝热性能。通常来说，储罐直径应该保持为0.5m，长度则为1m，内层主要为不锈钢，外层为碳钢或者不锈钢，夹层厚度需要保持100-200mm，可以对80-90LLNG进行储存，其储存燃料装置的体积比对比压缩天然气汽车相对较小，但一次行程的距离相对较长，具有较高的技术要求。如今美国、俄罗斯等是国外LNG汽车最多的国家，可以将重型柴油车改装成相应的LNG汽车。我国的LNG相对较少，因此LNG汽车仍处于开发和试验阶段^[5]。

5. 发展天然气汽车的前景

天然气汽车的发展对于我国可持续发展具有十分重要的意义，可以起到良好的经济和社会效应，同时也使环境保护水平得到了有效提升。目前，我国对环境保护工作逐渐加大了重视程度，并加大了天然气汽车的发展力度，使大气环境得到了有效改善，对我国生态环境发展具有重要作用。部分城市已针对天然气汽车的发展制定出了明确发展目标，其首要发展对象便是出租车和公交车等，同时还需要加强加气站建设，逐渐进行实施和落实。我国对天然气汽车的改装和建站支持不断进行落实，也有效促进了天然气汽车的快速发展，为天然气在汽车燃料领域当中的应用创造良好条件。随着我国天然气事业的快速发展，气源也在进一步扩大，车用天然气将成为一个全新的燃气应用领域。相关天然气供应企业需要全面加强气站网络建设，完善基础设施，为天然气汽车的有效应用奠定坚实基础，从而推动我国天然气汽车行业的创新发展。

6. 从汽车用户角度分析使用天然气基汽车燃料的经济性

1. 生命周期评价方法

生命周期评价是针对某种产品对生态环境影响进行研究的一项有效方法，并可以使这些影响得到减少。该方法可以全面分析从原料来源一直到产品使用的整体生命周期过程，具体可以划分三个节段，分别为生产、产品使用、废气和消失等。对于经济技术的生命周期评价方法，主要对系统输入输出进行评价，具体包括资金流、能量流以及物质流。资金流可以在物质流和能量流当中实现价值转移，并有效转移系统环境提供和系统输出给环境等穿越系统边界资金，如系统投资、物质和能量成本、贷款、利息以及利润等。

2. 济南地区天然气基汽车代用燃料的生命周期经济分析

由于济南地区的地理环境复杂，石油资源相对比较缺乏，因此需要有效治理大气污染问题，并合理购买和调拨其他地区的汽车燃料和工业用油，从而有效缓解能源安全问题。济南地区的天然气资源十分丰富，而且使用天然气代用汽车燃料，可以有效减少汽车尾气，使尾气变得更为干净，是一种十分洁净的代用燃料。所以，需要充分利用济南地区的丰富天然气资源，以此来作为汽车代用燃料，使能源短缺和环境污染问题得到有效解决。通过将济南地区天然气资源作为汽车燃料，具体包括以下两种方案。首先，将天然气生产压缩成CNG，可以在压缩天然气汽车当中进行应用。其次，利用天然气对甲醇进行生产，可以在甲醇/汽油灵活燃料车进行使用。与此同时，随着化工技术和汽车制造技术的不断成熟，可以通过天然气对二甲醚和高档柴油进行生产。在具体的研究过程当中，需要对各种代用燃料成本进行估算，并分析影响成本的不确定因素敏感性，并将不同燃料和汽车进行组合，从而形成完整的生命周期链，对各条链的生命周期总成本进行估算。在天然气基汽车燃料的经济评价过程中，需要以各条链生命周期总成本为经济评价指标。通过对比这些生命周期链，则可以从中选优，为我国未来的汽车和燃料发展提供相应的决策依据，以此来有效研究生命周期。为了使评价工作的现实意义和直观性得到增强，在研究过程当中也增加了基础链，也就是汽油链，通过对比基础链和天然气基代用燃料链，对其替代性进行确定。这样一来，可以以天然气为原料，对汽车代用燃料进行生产，并加强经济性研究，其中一共包括三条链。各条链的起始边界皆为资源开采，终止边界则为汽车使用报废。

经济技术评价需要从用户角度进行分析，对用户使用的每条链最终产品在生命周期总成本进行评价。通过分析生命周期清单，对其产品优势和原因进行明确，合理采取改进措施。以天然气为原料对各种代用燃料进行生产，对其价格进行分析，燃料成本对比汽油相对较低。从整个生命周期进行分析，燃料费用的节约需要对增加的维护费用和购置成本进行抵扣，CNGV生命周期总成本对比汽油车要相对较低，FFV生命周期总成本对比汽油车则要相对较高。所以，结合目前的发展状况进行分析，压缩天然气经济性对比汽油要更为优异，而甲醇经济性对比汽油则相对较低。而通过上述分析可以发现，压缩天然气为汽车代用燃料具有十分明显的发展潜力，而且还具有较高的经济效益。而从环境保护角度进行分析，压缩天然气也是十分优良的一种燃料，所以通过对CNGV进行大力推广，可以使能源危机得到有效解决。从长远的发展角度进行分析，随着汽车制造技术水平的不断提升，车辆制造费用以及运行成本也将逐渐得到降低。

3. 天然气基汽车代用燃料的经济前景

通过对目前国际石油价格偏低这一现状进行充分考虑，并预测未来石油价格可以发现，未来的石油价格将会呈现出明显的上升趋势，因此汽油价格也表现出上升趋势。在具体研究不同压缩天然气价格、汽油价格以及甲醇价格，可以对CNGV、FFV持平回收的汽车制造成本以及运行费用进行明确。针对目前的汽油价格以及压缩天然气价格下，压缩天然气汽车往往只需要行驶8.9万Km，便可以将增加的汽车成本以及运行费用得到有效回收。随着汽油价格的逐渐提升，CNGV持平里程也在不断缩短，CNG具有更为明显的优越性。所以，在石油稀缺情况下，需要有效提高和完善CNGV技术，以此来作为一种优良替代燃料。

结束语：

综上所述，通过本文的分析结果可以发现，压缩天然气汽车的生命周期总成本对比汽油车生命周期总成本还相对较低，因此具有较高的经济性。甲醇车生命周期总成本对比汽油车相对较高，因此不具备相应的经济性。从长远角度来看，随着石油资源的不断消耗，汽油价格也会有所提升，同时也增加了汽油车生命周期总成本。伴随着甲醇灵活燃料车生产技术水平的不断提升，可以使甲醇车生命周期总成本得到降低，显现出甲醇车优越性。除此之外，还需要对天然气汽车加大研究力度，以此来有效缓解我国能源消耗问题，促进我国的可持续发展。

参考文献：

[1] 邵邙南. 发展天然气为汽车燃料的环保和经济前景[J]. 甘肃科技,2016,21(7):18-19.

[2] 邱彤,孙柏铭,洪学伦,等. 发展以天然气为原料的燃料电池汽车[J]. 天然气工业,2016,23(5):1-4.

[3] 豆文娇,陈叔平,杨凯,等. 液化天然气作为汽车燃料的性能分析[J]. 石油化工设备,2016,40(3):86-88.

[4] 周饰璟,许海娇. 液化天然气作为汽车燃料的性能分析[J]. 中国化工贸易,2016,32(35):178-178.

[5] 吴锐,任玉珑,雍静,等. 4种天然气基汽车燃料的生命周期3E评价[J]. 系统工程理论与实践,2016,24(9):114-120.

作者简介：王培福，男，汉族，1965年9月出生于山东省诸城市，兰州大学金属物理专业毕业（副）高级工程师，主要从事特种设备使用、检验、安全管理、技术研究等方面工作。