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对甲醇汽车的再思考

文章来源:本站原创 发布时间:2021-09-14 点击数:

  关于甲醇燃料的使用,已经有多年了,笔者曾听何光远老部长多次谈起,也非常佩服老领导的坚持。之后,笔者做了一些分析和考察。甲醇作为燃料用于内燃机并搭载到汽车上使用,历史契机是发生在上世纪70年代的石油危机和城市污染。但到了上世纪90年代初,这两个问题都发生了历史性变化,其中世界格局的巨变使人们对石油危机的担心得到很大缓解;在技术方面,催化转换器从上世纪70年代的二元普遍变成了三元,内燃机电控技术从简单的电子点火和喷油变成了普遍基于芯片的系统控制,使人们确立了抑制污染和节约燃料的崭新技术手段,且技术在不断进步。因此,德国、美国和日本都很快退出了甲醇燃料在汽车上的应用。

  进入21世纪初,随着我国加入世界贸易组织,迎来了国内经济的快速发展,但也出现了两大问题:石油对外依存度不断提高,城市排放污染日益严重。为此,汽车行业提出了多种解决方案,也可以将其简单地分为两大路径。一条路径是以抛弃内燃机为目标的方案,如主张纯电动技术路线、燃料电池技术路线和混合动力技术路线;另一条路径是以继续使用内燃机,寻求替代燃料为目的的方案,如天然气、甲醇、乙醇、二甲醚等等。从近20年的实践结果来看,纯电动汽车路线和天然气内燃机路线已经胜出,以乙醇和二甲醚为替代燃料的内燃机几乎看不到踪影了。

  2020年9月30日,习主席在联合国生物多样性峰会上讲话时指出:“作为世界上最大发展中国家,我们也愿承担与中国发展水平相称的国际责任,为全球环境治理贡献力量。中国将秉持人类命运共同体理念,继续作出艰苦卓绝努力,提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和,为实现应对气候变化《巴黎协定》确定的目标作出更大努力和贡献。”

  作为一名汽车产业的从业者,笔者一直在思考汽车如何才能在节能减排、碳达峰、碳中和上承担更多的责任。对于甲醇汽车,笔者之前缺少了解,社会各界也颇有争议,因此不敢贸然发声。再一次引起笔者对甲醇燃料的特别关注,是因为最近吉利商用车集团首席执行官周建群和汉马汽车总经理刘汉如介绍吉利汽车等一些企业在甲醇汽车方面进行的艰难探索。他们的坚持打动了我。经过一段时间的认真考察和思考,笔者认为时势易也,在习主席代表国家提出碳中和这一战略目标的历史条件下,甲醇作为燃料在当前具有更加积极的意义。我国汽车多元化能源技术路线在如火如荼进行中,如高效内燃机及混合动力、清洁替代燃料、纯电驱动、氢燃料电池等,但如何走出适合国情的技术路线呢?作为低碳燃料的甲醇汽车有没有机会呢?最近笔者通过研究有一些心得,与大家分享。

  这是目前为止探索最多、应用最广泛的领域,也是与节能减排和低碳经济直接联系起来的领域。基础研究和工程实践都表明,甲醇汽车的排放和成本较之于汽油、柴油和天然气,有其优势所在。特别是在商用车领域,较之于柴油能更多地降低碳排放,较之于天然气能更多地降低购置成本,而在运营成本方面也有明显的经济优势和区域优势。吉利乘用车和商用车在我国西南及西北的市场实践证明了这些优势。

  不仅在汽车领域,我国在船舶领域也做了很多探索并正在取得商业性进展,相信在工程机械和农业装备等领域也会有很大的发展空间。

  甲醇作为燃料应用到内燃机上,因为其有极性和潜热高这两个明显区别于其他燃料的理化特征,因此带来了内燃机的腐蚀磨损和低温冷启动困难这两大技术挑战,进而对耐久性和热效率产生影响。可喜的是,经过十几年的技术攻关,在这些方面已取得进展和突破,并使我国在甲醇内燃机这一领域处于世界领先水平。

  然而甲醇带来的内燃机腐蚀磨损和低温冷启动困难,依然是甲醇内燃机的核心问题,依然需要不断探索新的技术方案以进一步降低产品成本、提高耐久性和经济性。例如,横财富水心水高手论坛解决低温冷启动问题,是否可以尝试有效利用高温废气在催化剂的作用下将甲醇裂解成一氧化碳和氢气使之参与燃烧?这样既发挥了甲醇较其他燃料易于裂解的材料优点,又有效利用了废弃热能,解决低温冷启动问题,进而对提高内燃机热效率也会有明显贡献。

  因此,基础研究和创新探索不能止步。这是工程实践不断前进的根基,也是不断提高市场竞争力的源泉。

  目前市场上试运行的燃料电池基本上都是PEMFC(质子交换膜燃料电池),其对氢气的纯度要求极高,这就必须要求专门的氢气制备、运输和加注等基础设施建设,这就造成了氢气本身和车载储氢装置的高昂成本,抑制了燃料电池这一技术路线在汽车上的大规模应用。

  而甲醇(CH3OH)是氢气相对的完美载体,为车载制氢等提供了燃料基础,也因此产生了相关的技术路线,如直接甲醇燃料电池、基于甲醇重整的燃料电池和基于甲醇裂解的高温燃料电池等,为燃料电池用于车辆提供了新的可能的技术途径。

  PEMFC有一个特点就是容易造成一氧化碳中毒,而高温燃料电池例如SOFC(固体氧化物燃料电池)却具有能使一氧化碳用来发电的特征。甲醇裂解也需要在300℃左右的高温下进行,这样就产生了一种新的可能性,就是将甲醇车载裂解成一氧化碳和氢气,供高温燃料电池如SOFC发电使用。显然,这是与内燃机的甲醇裂解废热回收具有共性的技术。

  行业内有一种观点认为,移动机械的节能减排重点将向商用车转移,而燃料电池比较有前景的应用也是在商用车领域。如果上述燃料电池应用到重型商用车上,在技术上就会有两个令人鼓舞的发现:甲醇燃料电池是甲醇重型发动机的技术换代;甲醇在线裂解是它们的共性技术。行业内已经在持续进行着这些方面的探索和实践,期待着不断取得工程成果,在市场应用上取得突破。

  甲醇在热力燃烧领域,如工业锅炉、窑炉、民用取暖以及炊事灶具等方面已经形成规模,得到了比较广泛的应用。目前,北方部分地区的建材烧制窑炉、烟草烤制窑炉、玻璃烧制窑炉、蔬菜大棚取暖等,已采用甲醇作为燃料。特别是在窑炉方面,甲醇燃料正不断取得推广成果,得到市场的认可。甲醇燃料在冶金行业的使用上也取得了典型性成果,不仅综合效益有明显提升,而且排放指标得到明显改善。

  目前,我们看到的是甲醇作为燃料在热能领域是天然气等的有益补充,但从更大的范围思考,未尝不是能源多元化的一个方向。因为这个领域是能源消耗的主要方面,也是排放污染的主要方面,甲醇燃料可望大有作为。

  2009年工信部正式组织开展甲醇汽车摸底调研,2012年会同有关部委先后在山西、陕西、上海、甘肃和贵州等5省10市组织开展甲醇汽车试点工作。

  通过6年的试点运行,工信部委托甲醇专家组在2018年3月完成了10个城市的甲醇汽车试点验收工作,总结并提出在坚持能源禀赋和因地制宜的原则下,积极开展甲醇汽车推广应用的结论性意见和报告。

  2019年3月,工信部连同国家发改委、科技部、公安部等八部委,联合发布《关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见》,预示着我国甲醇汽车开始由探索、试点进入了一个新的发展阶段。

  2020年进一步扩充了工信部甲醇专家组成员,囊括技术、产品、标准、体系、法规等各方面专家学者,成立了中国汽车工业协会标准法规工作委员会甲醇汽车专业委员会,制定了标准体系和工作规划,并在实施过程中。

  2021年,生态环境部正式打开公告申报端口,吉利等企业满足国六排放标准的甲醇车辆开始投放市场,预示着甲醇汽车正式进入市场推广阶段。

  这些在汽车领域所取得的政策性成果,有望在船舶、热能动力以及工程机械、农业装备等多个领域予以借鉴,从而推动甲醇燃料在更广范围内合规合法地有效使用。

  我国汽柴油燃料供应与管理归口商务部,气体燃料如天然气归口住建部。甲醇属于新型液体燃料,关于加注站的建设审批,在国家层面还没有明确的主管部门对口管理,给甲醇汽车推广应用带来极大的困扰。甲醇资源丰富地区(如内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林、新疆乌鲁木齐和昌吉、青海格尔木等)对甲醇汽车市场需求很大,但是存在甲醇汽车无法应用落地的局面,需要国家加快对甲醇燃料输配体系的统一规划。

  在新疆、内蒙古、陕西等地区,采用甲醇货车运输甲醇等煤化工原料,需要按照危险货物运输车辆进行管理。按照《机动车运行安全技术条件》(GB 7258-2017)的标准规定,危险货物运输货车燃油箱容积应小于等于400L。该法规通常适用的是以柴油为燃料的危险货物运输货车,对于气体燃料车辆并不适用。甲醇为醇醚类燃料,法规中未对甲醇燃料箱容积进行规定,影响了此类汽车的正常监管和使用。

  针对甲醇汽车推广过程中遇到的实际困难,建议国家给予大力支持,参照天然气车用燃料管理方式推进产业发展。具体如下:

  (1)明确甲醇加注站建设归口管理部门,通过包括立法在内的方式形成甲醇加注站规划、审批、建设、验收的标准化流程,为后续国家落实甲醇汽车推广应用提供可快速复制的模式。

  (2)支持鼓励汽柴油、LNG(液化天然气)加注站改建或增加甲醇加注功能。

  (3)因地制宜发展甲醇燃料加注体系,批准移动加注车、撬装站、固定站等多种加注形式,满足加注需求。

  (5)甲醇加注站工程设计及施工要求纳入GB 50156《汽车加油加气加氢站建设规范》国家标准,统筹规范。

  甲醇燃料热值不到柴油的一半(甲醇为15.50MJ/L,柴油为35.3MJ/L),甲醇危险货物运输车辆需要与柴油车辆行驶同样里程(800~1000km)折算甲醇燃料箱容积,以满足车辆实际运行需要。

  总而言之,甲醇作为燃料不仅能够减少碳排放,为国家碳达峰战略目标的实现作出贡献;还能够实现碳循环,为国家碳中和战略目标的实现提供支撑;更重要的是能为国家能源安全提供保障,并为终端消费者带来实惠。因此,需要鼓励社会各行业的首创精神和具体行动,持续加大资金投入以支撑基础研究和工程应用,需要国家相关政策的有力支持并推动甲醇燃料在汽车上的应用。

  (作者系中国汽车工程学会名誉理事长)付于武 《中国汽车报》(2021-05-17 004版)