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未來汽車燃料的方向分析
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http://shiquanmuye.com 發(fā)稿日期:2008-5-21
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2008-2009年中國肥料行業(yè)研究咨詢報告 【出版日期】 2009年1月 【報告頁碼】 325頁 【圖表數量】 176個2009-2012年中國碳酸二甲酯行業(yè)預測與投資前景分 碳酸二甲酯（DMC）作為PO的重要的下游衍生物，產品毒性小，并可替代光氣。目前在聚碳酸酯、生2009-2010年中國芳綸行業(yè)市場預測與投資咨詢研究 芳綸纖維全稱為"聚對苯二甲酰對苯二胺",英文為Aramid fiber，是一種新型高科技合成2009-2010年聚乙烯纖維市場運行及投資分析報告 【出版日期】 2008年12月 【報告頁碼】 350頁 【圖表數量】 150液體燃料較之氣體燃料便于儲存和攜帶的優(yōu)點，使得汽車進入二十世紀后迅速得到普及并快速發(fā)展，以石油為原料的液體燃料目前依然是汽車的主要燃料。
2007年以來，受國際地緣政治形勢、新興市場經濟發(fā)展以及美元持續(xù)貶值的影響，目前國際原油價格已經摸高到127美元/桶，雖然汽油、柴油等石油加工燃料在一段時期內仍將是汽車的主要能源，但是人們的憂患意識也日益增強，對于汽車替代燃料研發(fā)、應用的步伐明顯加快。
汽車代用燃料是指除目前廣泛使用的汽油和柴油之外的所有車用燃料，包括：天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、醚類、生物質柴油、氫燃料、燃料電池等等。
分析可以得知，從利益最大化角度出發(fā)，近期汽油車和柴油車仍將按照各自的軌跡發(fā)展，不太可能出現厚此薄彼的狀況。而伴隨著汽油、柴油以及天然氣、液化石油氣等不可再生能源的持續(xù)消耗和價格的不斷上揚，以及代用燃料汽車的技術日益進步成熟，其成本相應地將不再成為障礙。
鑒于乙醇汽油和生物質柴油的制造或大量消耗糧食，或出現與糧爭地的情況，因此以二甲醚為代表的醇醚類燃料引起人們的關注。不過由于醇醚類燃料其基本原料還是煤炭或天然氣，屬于深度加工的產物，同時其生產過程中的溫室氣體排放等原因，因此并不存在大力發(fā)展的基礎，或者說并不完全符合節(jié)約資源的要求。從節(jié)能減排的角度看，未來氫燃料汽車和純電動汽車，在解決了電池的耐用性和成本等問題后，以其"零排放"和可以從包括太陽能、風能等可再生能源中獲得補充等的優(yōu)勢而具有無限的發(fā)展?jié)摿Α?/P>
1.汽車動力發(fā)展簡要回顧
1765年英國人瓦特發(fā)明蒸汽機引發(fā)了十八世紀的工業(yè)革命，促進了社會經濟的發(fā)展，改變了全球的面貌。1770年，法國人古諾研制出了世界上第一輛蒸汽機驅動的三輪車，利用裝在車前部的一個鍋爐產生的蒸汽推動氣缸中的活塞來驅動前輪運行。雖然這臺車輛的速度只有3.5公里/小時而且運行時隆隆作響、滾滾濃煙，但是正是它的出現標志著人類以機械力代替人力、畜力等驅動車輛時代的開始。1860年法國人萊諾以煤氣作為燃料，研制成世界上最早的氣體燃料發(fā)動機，1876年德國人奧托又對萊諾的發(fā)明進行了改進提高，通過采用飛輪組件，使得發(fā)動機的運轉更為平穩(wěn)，又通過加長進氣道和改進氣缸蓋構造等，使得氣體燃料與空氣的混合更為充分，進而提高了氣體發(fā)動機的熱效率。但是無論是蒸汽機還是氣體燃料發(fā)動機，由于其龐大的體積（當時氣體液化技術尚未出現），復雜的管道系統(tǒng)以及偏低的熱效率，使得其在汽車上的應用無法實現。直到十九世紀下半葉，隨著全球石油工業(yè)的興起，汽油、柴油等液體燃料的出現才徹底改變了這一局面。液體燃料較之氣體燃料便于儲存和攜帶的優(yōu)點，使得汽車進入二十世紀后迅速得到普及并快速發(fā)展，以石油為原料的液體燃料目前依然是汽車的主要燃料。
進入二十世紀后，伴隨著飛機、火車、汽車等運輸工具的出現和不斷發(fā)展提高，人類的活動半徑日益擴大，地球已經開始顯得十分"渺小"。但是，飛機、火車和輪船由于受天氣等自然條件和運行線路、河道以及�？繄龅氐鹊闹萍s，只能做到城際間"點對點"的運輸，而如果需要做到同城內乃至城際間"門對門"的運輸，那么就需要依靠汽車來完成。這從國家有關部門的統(tǒng)計數據可以得到印證：目前全國貨物運輸的72%，人員運輸的92%是由汽車來完成的。
統(tǒng)計數據顯示，目前汽車消耗了全部汽油的80%（約4500萬噸/年）和全部柴油的30%（約4000萬噸/年）。進一步細分可知，營運用汽車消耗了90%（約3600萬噸/年）的柴油和40%（約1800萬噸/年）的汽油；個人用車則主要以汽油作為燃料（約2700萬噸/年）。
2.柴油車VS汽油車，取決于國家燃油政策
在目前使用的各種汽車燃料中，柴油的能量密度最高，比CNG/LPG高出近1倍，比汽油高出10%以上。作為發(fā)動機的燃料，由于燃燒原理的不同，柴油機瞬間噴油量相對較少，在燃燒過程中的熱效達到40%左右的水平，因此其燃油經濟性要好于汽油機。那么為什么不大力發(fā)展柴油汽車呢？
說到這個問題，就不得不從如何使用石油才能獲得最佳/最大的經濟效益和國家的總體能源政策兩個方面加以闡述。
首先，從地下開采出來的原油是由多種碳氫化合物所組成，除了當作普通燃料來燃燒外，石油幾乎無法被直接拿來使用，而要想使石油物盡其用，充分發(fā)揮其效能，就必須進行一系列的加工，以獲得供各種運載工具和機械設備應用的多樣化石油產品。
作為一種不可再生的礦物質能源，如果簡單地將從石油中提煉出來的柴油和汽油等作為燃料來使用，其實并未能發(fā)揮其最大的效能，顯得有些"浪費"。因為柴油和汽油等還是化工業(yè)的原料，用它們能夠再生產出其它化工產品，從而大大提高石油這一礦物質能源的附加值。石油加工深度愈高，其經濟效益越顯著。如果以原油作燃料發(fā)電的經濟效益為100，則提煉為成品油后的經濟效益為140-220；再加工成基本化工原料的經濟效益為380-430；進一步加工成合成材料的經濟效益更是達到了1030-1560。
其次，由于石油煉制與石油化工二者是相互依存、相互聯(lián)系的，并由此組成了一個龐大而復雜的工業(yè)部門，其產品有數千種之多。他們的相互結合和滲透，不但推動了石油化工的技術發(fā)展，也是提高石油經濟效益的主要途徑。再從全球范圍看，石油開采煉制和石油化工等業(yè)務基本上都在同一個企業(yè)集團中，其中石化企業(yè)的基本原料是乙烯等，而生產乙烯等的原料則是輕質柴油、渣油或天然氣等，乙烯等又是其他化工產品如塑料、有機化工品等的原料。從企業(yè)追求盈利最大化的角度出發(fā)，勢必會減少包括燃油在內的"初級產品"的份額，而盡可能提高化工原料和合成材料的比重。退一步說，即便石油開采煉制與石油化工不在同一企業(yè)集團中，伴隨著石油化工業(yè)的不斷發(fā)展，其對柴油和汽油等原料的需求也會日益增長，由于石油深加工程度與效益成正比，因此必然導致柴油和汽油等燃油價格的大幅度攀升，這從乙醇汽油和生物質柴油的發(fā)展中需要消耗大量的糧食結果導致食品價格大幅度提高是一個道理。因此從整個社會和諧協(xié)調的角度出發(fā)，既要滿足燃油等成品油的需求，又要滿足乙烯等基本化工原料的需求，這就需要國家給出一個明確的、帶有一定強制性的政策-能源政策，以協(xié)調好石油深加工各個層次產品的比例。這也就是為什么我國目前石油提煉中的柴油與汽油的比例為"2∶1"，而石油企業(yè)向市場提供的成品油中汽油卻多于柴油，成品油中的柴油與汽油的比例基本保持在"1∶2"的根本原因。近期廣東、江浙等地柴油供應趨緊，甚至出現"油荒"也從另一個側面反映了上述問題。
需要特別指出的是，由于在目前國內的成品油價格水平上，改用柴油車似乎更能做到節(jié)省用車支出，因此近來關于大力發(fā)展柴油車，特別是柴油轎車的呼聲頻現媒體。但是有兩個問題需要引起注意的：其一，乘用車，特別是轎車目前在我國基本上以汽油為主，柴油動力的轎車售價較之汽油動力的轎車售價要高出20-30%，無形中會加大消費者購車的一次性支出，再綜合考慮尾氣排放、震動噪音、燃油添加等因素后，消費者可能還是選用汽油動力的汽車更為理想。其二，前幾年天然氣車型發(fā)展中所遭遇的尷尬值得我們在大力發(fā)展柴油汽車時警醒和吸取深刻的教訓。當年新疆、陜西等地的天然氣剛剛實現規(guī)�；_采，用戶需求尚未起來，那時天然氣的價格相對較低，結果導致各主要城市從環(huán)保的角度紛紛將公交車、出租車等車型改用天然氣作為燃料，然而伴隨著市場需求的持續(xù)增長，全國范圍的天然氣出現了供不應求的局面，最終導致天然氣的價格開始大幅度提升，再加上燃料添加不便等因素的影響，因此汽車使用天然氣作為燃料的優(yōu)勢也不復存在。
2007年以來，受國際地緣政治形勢、新興市場經濟發(fā)展以及美元持續(xù)貶值的影響，目前國際原油價格已經摸高到127美元/桶，雖然汽油、柴油等石油加工燃料在一段時期內仍將是汽車的主要能源，但是人們的憂患意識也日益增強，對于汽車替代燃料研發(fā)、應用的步伐明顯加快，其中美、歐、日是當前全球三大代用燃料汽車研發(fā)、生產和使用的主體，并且通過制定相應的法律法規(guī)和技術標準，以確保代用燃料的推廣和應用。
3.汽車代用燃料簡介
所謂汽車代用燃料（Alternative Fuel）是指除目前廣泛使用的汽油和柴油之外的所有車用燃料，包括：天然氣、液化石油氣、甲醇、乙醇、醚類、生物質柴油、氫燃料、燃料電池等等。
其實天然氣和液化石油氣與汽油、柴油一樣，作為化工原料，如果簡單地被用作車燃料并不能最大限度地發(fā)揮其效能。而且作為不可再生能源，需求增長勢必引發(fā)價格上漲，因此其也有局限性。
那么其他代用燃料又如何呢？
3.1.甲醇
首先，甲醇來自煤炭或天然氣，目前我國甲醇產能已經突破1200萬噸/年，產量近1000萬噸/年，其中：煤制甲醇占87%，天然氣制甲醇占12%，焦爐煤氣制甲醇占1%。生產除北京和西藏沒有外，遍布全國各地且主要集中在華東、華北和西南地區(qū)，又以華北地區(qū)增長最快。
調查顯示全國備案甲醇項目產能高達3400萬噸/年，而預計全球到2010年的甲醇產能為6400萬噸/年，到2015年的產能為7200萬噸/年，全球甲醇年均增速不超過4%，且主要集中在天然氣資源較為豐富的地區(qū)。從全球甲醇產能分布看，亞洲占37%（其中中國占22%）、北美洲占19%，歐洲占18%，南美洲占17%，其他地區(qū)占9%。
由于高劑量的甲醇與人接觸或被人所吸入會引起中毒，嚴重的甚至導致死亡，因此使用中需嚴格按規(guī)程辦理，防止誤飲，同時減少甲醇暴露，減少人體吸入和皮膚接觸。其次煤制甲醇酸性氣體和灰渣排放量較大，環(huán)保投入較多。第三用甲醇制造的甲基叔丁基醚MTBE（methyl tertiary-butyl ether）是一種含氧燃料，可與汽油混合以提高汽油的辛烷值，是替代鉛的汽油抗爆劑。但是研究也發(fā)現，MTBE會造成環(huán)境污染，并且具有致癌作用，因此目前其使用呈下降趨勢。從發(fā)展前景看，未來甲醇很可能主要被用來制作氫氣而成為燃料電池的能源。
其次，同樣來自煤炭或天然氣的二甲醚（DEM，也可以理解為是甲醇深度加工的產物），具有惰性、無腐蝕性、無致癌性、幾乎無毒的優(yōu)點。DEM本身就呈十六烷值大，燃燒性能好，熱效率高，燃燒過程中無殘渣、無黑煙，CO、NO排量低等特性，將DEM與液化石油氣（LPG）或天然氣按比例混合后作為燃料可提升燃燒熱能，因而日漸受到重視，被稱為"新的清潔能源"。但是需要指出的是，目前國內DEM的生產制造主要原料為煤炭，生產工藝有一步法和二步法兩種，且各有優(yōu)勢：一步法中一氧化碳（CO）的轉化率遠高于二步法，但在一步法中，由于三個反應必須同時發(fā)生，且三個反應均為放熱反應，這就要求所用的催化劑有很好的耐熱性，在高溫下具有高選擇性，一步法生產的DEM一般用作醇醚燃料；而二步法的轉化率雖然不如一步法高，但是它具有生產工藝成熟，裝置適應性廣，后處理簡單等特點，既可直接建在甲醇生產廠，也可建在其它公用設施好的非甲醇生產廠。與一步法相比，二步法合成流程稍長，但兩類催化劑裝在不同反應器，互不干擾。從目前的技術發(fā)展趨勢來看，一步法具有流程短、設備效率高、操作壓力低和CO單程轉化率高等特點，使得設備投資費用和操作費用大大減少，合成二甲醚的生產成本較兩步法大幅度降低。因此，一步法經濟上更加合理，市場上更具競爭力，總體上來說更具技術優(yōu)勢。但是一步法制DEM時，生成一分子DEM就會產生一分子CO2，即在生產過程中有三分之一的CO被生成了CO2，不僅增加了原料氣消耗，CO2的排放從環(huán)保角度考慮是不希望的，從資源保護上看也是一種浪費。此外，大力發(fā)展DEM勢必要大量消耗煤炭，這樣對煤炭的需求將會提升，可能促使煤炭價格上漲，進而影響到DEM的價格，最后影響到其作為車用燃料的商用化進程。
從國內目前的情況分析，氮肥企業(yè)聯(lián)產甲醇具有較為明顯的優(yōu)勢，利用現有的合成氨裝置聯(lián)產甲醇的醇烴化聯(lián)醇工藝，投資少，見效快。甲醇生產工序屬于合成氨的深度凈化工序，在清除原料氣中CO、CO2的同時副產甲醇。但是需要考慮國家相關產業(yè)政策、原料供應、水資源平衡、環(huán)境綜合保護以及運輸條件、市場客戶、銷售網絡、儲運設施等等因素，切忌盲目跟風和惡意炒作。
3.2.乙醇汽油和生物質柴油
乙醇主要來自玉米、大麥和小麥等糧食作物，也可以來自樹木等纖維植物。我國乙醇汽油的生產主要集中在吉林、河南、湖北、山東、四川等產糧大省和廣西、廣東、貴州、江西、云南等地的非糧（木薯、甘蔗等）乙醇生產。不過從全球的角度看，發(fā)展乙醇汽油已經導致糧食價格飛漲和森林植被的大面積砍伐，不但"與民爭食、與糧爭地"，還造成環(huán)境破壞，因此其前景似乎并不容樂觀。
而生物質柴油以大豆和油菜籽作為原料，同樣存在"與糧爭地"的情況，雖然還可以利用廢棄食用油作為原料，但是生物質柴油因黏度高、霧化性能差、發(fā)動機低溫起動性差等缺點而制約了其應用前景。
3.3.氫燃料
第四是氫燃料汽車。氫燃料汽車主要是指以氫氣發(fā)動機為動力或以燃料電池為動力的汽車。目前氫氣發(fā)動機還處于研發(fā)階段，雖然氫氣燃燒迅速，但由此引發(fā)的發(fā)動機爆震問題以及經濟性等問題還沒有得到很好的解決。車用燃料電池主要是質子交換膜型（PEM）燃料電池，雖然PEM的綜合熱效率高達80%，但是氫氣主要由甲醇、天然氣或柴油等生成，而用甲醇直接產生氫氣時工作的可靠性不易保證，因此仍未擺脫對傳統(tǒng)礦物能源的依賴。而且燃料電池中的貴金屬催化劑極容易一氧化碳中毒失效。因此目前燃料電池制造成本高昂，阻礙了其商業(yè)化應用的進程。
3.4.電動汽車
最后來看一下電動汽車的前景。在過去的十幾年間，電-油混合動力汽車、燃料電池汽車和純電動汽車及其相關的零部件技術得到了很大的發(fā)展，取得了一定的成效。
對于純電動汽車而言，其最大的優(yōu)點在于使用中沒有任何排放，但是目前最致命的缺點是受制于電池技術的發(fā)展。
由于電動汽車對電池的要求比較高，高比能、高比功率、快速充電和具有深度放電功能、循環(huán)和使用壽命長是基本的要求。鉛酸電池作為比較成熟的技術，雖然其比能量、比功率和能量密度都比較低，但是高的性價比及高倍率放電，是目前唯一能大批量生成的電動汽車用電池。鎳鎘電池和鎳氫電池雖然性能好于鉛酸電池，但是其性價比不高，含重金屬，用完遺棄后對環(huán)境會造成嚴重污染。鋰離子動力電池具有以下特點：工作電壓高（是鎳鎘電池氫-鎳電池的3倍）；比能量大（可達165WH/㎏，是氫鎳電池的3倍）；體積小；質量輕；循環(huán)壽命長；自放電率低；無記憶效應；無污染等。不過目前如果采用鋰離子電池，成本難以降低。磷酸鐵鋰電池也是一種鋰電池，其比能量不到鈷酸鋰電池的一半，但是其安全性高，循環(huán)次數可達2000次，放電穩(wěn)定，價格便宜，是一種車用動力的新選擇。
鑒于目前汽車用電池一方面充電時間較長，另一方面一次充電的行駛里程偏短，同時需要象建加油站那樣建設相當一批充電站，因此目前同樣無法實現商業(yè)化量產。不過雖然目前純電動汽車的電池是制約大量推廣應用的關鍵因素，但是還是可以樂觀地相信，伴隨著高能量大功率型鋰離子電池技術的不斷進步和成本的持續(xù)降低，純電動汽車商業(yè)化應用前景光明。
4.未來汽車能源來自何方？
通過以上分析可以得知，從利益最大化角度出發(fā)，近期汽油車和柴油車仍將按照各自的軌跡發(fā)展，不太可能出現厚此薄彼的狀況。而伴隨著汽油、柴油以及天然氣、液化石油氣等不可再生能源的持續(xù)消耗和價格的不斷上揚，以及代用燃料汽車的技術日益進步成熟，其成本相應地將不再成為障礙。
不過鑒于乙醇汽油和生物質柴油的制造或大量消耗糧食，或出現與糧爭地的情況，因此以二甲醚為代表的醇醚類燃料引起人們的關注。然而由于醇醚類燃料其基本原料還是煤炭或天然氣，屬于深度加工的產物，同時其生產過程中的溫室氣體排放等原因，因此并不存在大力發(fā)展的基礎，或者說并不完全符合節(jié)約資源的要求。
因此從節(jié)能減排的角度看，未來汽車燃料的發(fā)展將沿以下路徑演化：
"柴油或汽油"→"柴油+生物質柴油"或"汽油+乙醇汽油"或"天然氣、液化石油氣"→"油-電混合"→"燃料電池"或"純電動"特別是氫燃料汽車和純電動汽車，在解決了電池的耐用性和成本等問題后，以其"零排放"和可以從包括太陽能、風能等可再生能源中獲得補充等的優(yōu)勢而具有無限的發(fā)展?jié)摿Α?
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