使用LNG作为运输工具燃料的优势

20世纪后期,为了消除传统汽车燃料给环境,尤其是城市大气造成的巨大污染,许多国家除了采取加强产业技术升级、严格排放法规等措施外,还积极开展清洁燃料汽车的开发和推广工作,目前已经在天然气、燃料电池、醇类燃料、氢能、太阳能等领域取得了丰硕的成果。相比之下,天然气汽车技术的发展尤其引人注目。在几十年的发展过程中,完成了从机械控制到电子控制,从进气道预混供气到电喷供气甚至缸内直喷供气的技术升级。根据不同的燃料存储形式,天然气汽车(NGV)又分为压缩天然气汽车(CNGV)、LNG汽车(LNGV)和吸附天然气汽车(ANGV),其中CNGV的车用系统发展比较成熟和完善,LNGV在20世纪90年代也已开始小规模推广使用。目前已进入快速发展阶段。从使用效果来看,LNGV弥补了CNGV的许多不足之处,具有良好的推广应用价值。这里提到的NGV中的“V”,是英文Vehicle的首字母。在英文中,Vehicle泛指各种形式的运载工具,所以,NGV并不一定局限于汽车。

目前我国的大气污染情况相当严重,而其中汽车排放是城市大气污染的重要因素。尤其是进入21世纪以来,雾霾已越来越频繁地出现在我国多数地区,北方地区尤甚。推广和应用天然气汽车(NGV),是解决严峻的空气污染问题的一个很好的途径。

除了能有效减少污染物排放外,显著降低二氧化碳排放也是NGV能带来的重要优势。二氧化碳是最主要的温室气体,是形成全球变暖效应的最主要因素。我国能源严重依赖于煤炭,而煤则是碳排放强度最大的化石燃料,燃烧1t标准煤大约排放二氧化碳2.6t。2014年,我国政府已承诺,我国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰。为达到此目标,增加太阳能、风能、核能等二氧化碳排放接近于零的非化石能源的利用是一方面;但另一方面,由于技术和(或)经济的原因,这些能源形式在未来一段时间内还不可能在整个能源结构中占据重要比例。在这样的形势下,天然气虽然是化石能源,但其碳排放强度只有标准煤的近60%,因而以天然气替代燃煤在未来一段比较长的时间内将是减排二氧化碳的最重要手段之一。从趋势上看,NGV作为解决石油资源短缺和改善汽车排放的有效手段,将在我国得到更进一步的应用和推广。

然而,众所周知,天然气作为汽车燃料的一个主要缺陷是体积能量密度太低。1L汽油燃烧产生的热量是34.8MJ,而1L标准状态下的天然气燃烧得到0.04MJ的热量,仅为汽油的0.11%。因此,在车用储气瓶有限的容积内存储足够量的天然气,使得其一次充气的行驶里程达到可令人接受的范围,是将天然气用作汽车燃料的一个前提条件。

解决体积能量密度低的最简便途径,是采用压缩天然气(CNG)。典型的CNG操作压力在16.5～0.34MPa之间,更先进的可达20.7～0.17MPa,该压力下其体积比可达230,所对应的体积能量密度约为汽油的26%。由于天然气压缩技术的简单易行,CNGV的发展已比较成熟。同时,它在价格及运营与维护管理方面,与汽油汽车相比也有一定优点。以重庆为例,按重庆市政府网公告,自2013年8月起CNG终端销售价格为3.65元/m³。2014年11月,重庆93号汽油价格为6.85元/L。取1m³天然气热值为1L汽油热值85%计算,CNG价格仍便宜37%。至于运营方面,1996年美国马里兰州的Barwood公司,在WashingtonGas公司的合作下,参加了由DOE和NREL资助的CNG和汽油车的运营比较试验。10辆CNG燃料和10辆燃烧汽油的1996年产的CrownVictorias车,进行了12个月的运营试验,结果如图7-10所示。由试验结果得到的统计数据,CNG燃料汽车的每英里燃料费比汽油车低30%左右,维修费用低15%左右,总的操作费用低25%左右。按年运行8047km(50000mile)计,每辆车一年就可省下1300美元。

技术的成熟及燃料价格、操作、维修等方面的优势,并没有使CNG汽车占有很大的市场份额,这主要是由CNG储气方式本身的缺陷导致的。因为CNG储气的特点,决定了其一次加注行驶的距离短,要想使CNG汽车真正进入商业运输,需要巨大的资金投入,以建设足够数量的CNG加气站。如果加气站数量不够,运营商会因为担心找不到地方加注而不愿意接受NGV,造成的后果是已建成的加气站又不能满负荷运转,使得加气站的投资难以收回。

图7-10 CNG汽车与汽油车运营费用比较(www.xing528.com)

注:1mile=1609.344m。

天然气低温液化以后,其密度为标准状态下甲烷的600多倍,体积能量密度约为汽油的72%,为CNG的两倍多,因而LNG汽车的行程远。天然气在液化前必须经过严格的预净化,因而LNG中的杂质含量远低于CNG,这为汽车尾气排放满足更加严格的标准(如欧洲的“欧-Ⅱ”甚至“欧-Ⅳ”标准)创造了条件。LNG燃料储罐在低压下运行,避免了CNG因采用高压容器带来的潜在危险,同时也大大减轻了容器自身的重量。LNG的冷量还可用于汽车空调或冷藏运输。这些方面的优越性能使LNG相对CNG具有较大的优势,因而LNG汽车是天然气汽车的一个重要发展方向。

表7-4列出了几种天然气储气方式的比较,从表中可以看出,在存储相同质量天然气时,LNG储罐体积能量密度最高、压力最低、质量最轻,只有体积因采用双层隔热结构而略大于CNG储罐。由此可见,LNG是一种比较理想的汽车燃料存储方式。

表7-4 LNG、CNG及ANG储气比较(10加仑当量汽油)

①换算为NG的相对量,NG取1。

②从存储状态释放到NG状态的释放量(换算为NG的相对量)。