汽車替代燃料的現狀分析與展望

孫嘉燕+孫炳孝+王述洋

摘要： 世界能源危機與環境污染問題促使汽車行業能源體系轉型，可再生、節能、環保、清潔的新型汽車替代燃料成為汽車行業的新寵.根據燃料是否可再生，將汽車替代燃料分為不可再生汽車替代燃料和可再生汽車替代燃料，并對天然氣、液化石油氣、醇醚類燃料、氫能源、植物油燃料、生物質裂解氣燃料等汽車替代燃料與汽油、柴油等傳統汽車燃料進行了分析和比較，總結了汽車替代燃料相對于傳統汽車燃料的優點與缺點，并對汽車替代燃料的發展前景進行了展望.

關鍵詞：

汽車替代燃料； 可再生燃料； 不可再生燃料

中圖分類號： TK 01+9文獻標志碼： A

我國正處于經濟飛速發展的時期，汽車行業作為拉動我國經濟增長的強勢行業發展尤為迅速.國家統計局網站統計數據顯示，我國僅私人汽車擁有量已達到了8 838.6萬輛[1].據中國社科院披露，未來10年我國每百戶汽車擁有量將達到或接近60輛[2].然而，傳統的汽車主要以汽油、柴油等為燃料，這使得我國石油消耗量大大增加，在消耗大量石油資源的同時又會排放出大量有害物質，如一氧化碳、氮氧化物和氫化物等，嚴重污染了環境.

石油資源的嚴重匱乏和環境的污染問題是當今世界也是我國所面臨的巨大挑戰，嚴重制約了汽車行業的發展.所以，尋求清潔、可再生的汽車替代燃料以滿足汽車行業的發展勢在必行.

1汽車替代燃料分類

隨著汽車行業的飛速發展以及能源和環境狀況的日益嚴峻，世界各國科技工作者都在不斷尋求新型清潔、高效的汽車替代燃料.目前，研究和應用的汽車替代燃料按其是否可再生分為不可再生替代燃料和可再生替代燃料.不可再生替代燃料主要包括天然氣、液化石油氣等；可再生替代燃料主要包括醇醚類燃料、氫能源、植物油燃料、生物質裂解氣燃料等[3].

2汽車替代燃料研究現狀

2.1不可再生汽車替代燃料

目前，天然氣和液化石油氣是兩種主要的不可再生的汽車替代燃料.表1給出了天然氣、液化石油氣和汽油的主要參數.從表中可以看出，天然氣和液化石油氣相對于汽油具有使用安全、熱值高、清潔等優點.在石油資源越來越匱乏和由汽車尾氣排放帶來的環境問題越來越嚴重的背景下，俄羅斯和意大利從20世紀30年代開始推廣使用天然氣汽車，至今天然氣汽車已經在全球范圍內廣泛使用.目前使用中的天然氣汽車主要有3種，分別為使用壓縮天然氣（CNG）汽車、液化石油氣（LPG）汽車和液化天然氣（LNG）汽車.

天然氣汽車相比燃油汽車更加節能、環保，天然氣和液化石油氣在常溫下以氣體形式存在，并以氣態進入發動機，燃料與空氣同相混合均勻，能夠較為充分地燃燒，使得 CO和HC等排放大幅度減少，微粒排放污染降低.與汽油動力汽車相比，天然氣汽車可以減少高達93%的CO排放量，減少33%的氮氧化物排放量以及50%的活性烴氣的排放量[4].我國天然氣汽車的發展勢態良好.到2012年12月，我國壓縮天然氣汽車的保有量為150萬輛，加氣站總數已經達到2 800座[5].但是，相比于傳統汽車，壓縮天然氣汽車所用的配件要求更高，儲氣罐的設計和制造成本也很高，造成了天然氣汽車的成本較高.同時，雖然我國天然氣儲量比較豐富，但是天然氣是不可再生資源，我國很大一部分天然氣還需通過進口才能滿足國內需求.國家統計局網站統計數據顯示，2011年我國天然氣進口量達311.5億m3，而用于汽車行業的天然氣占我國天然氣總消費量的8%左右[6].

天然氣優良的理化特性以及國家有關法律法規的扶持政策，決定了發展天然氣汽車，并將天然氣作為汽車替代燃料在我國近中期的發展空間是很大的，但是從能源的可持續利用和環境保護的長遠角度來看，這并不是長遠之計.

2.2可再生汽車替代燃料

2.2.1醇醚類燃料

目前應用的醇醚類燃料主要包括甲醇、乙醇和二甲醚.表2給出了甲醇、乙醇和二甲醚和汽油的部分參數.從表中可以看出，醇醚類燃料是含氧類燃料，其燃燒完全，排放清潔，熱值相對于汽油偏低，防爆性能好，是比較理想的汽車替代燃料.

甲醇燃燒特性良好，排放清潔，被認為是性能優良的汽車替代燃料.國內外學者對甲醇做了大量的研究，將其應用于發動機的技術也日漸成熟，但甲醇汽油的毒性和金屬腐蝕性等問題還有待進一步的研究.國內外關于二甲醚作為汽車替代燃料的研究已進行了十多年，在二甲醚應用于汽車發動機及整車的研究上也取得了令人振奮的成果，但是目前生產甲醇、二甲醚的主要原料還是天然氣、輕質油、重質油、煤焦炭等，從原料上看甲醇與二甲醚是不可再生的.

乙醇是一種可再生資源，其理化特性接近汽油，容易與汽油按一定比例混溶作為汽車燃料，以提高汽油的抗爆性，降低排放.當乙醇的體積分數小于15%時，可不對發動機作調整；當乙醇體積分數繼續提高時，則需要對發動機的空燃比、點火提前角及金屬部件等進行適當的調整或改造[7].乙醇汽油的優點是顯而易見的，但同時乙醇汽油又有著不容忽視的弊端，如燃燒后會產生對金屬具有腐蝕性的物質，造成汽車供油系統中橡膠部件溶脹等.

乙醇作為一種新型的汽車替代燃料，其生產原料主要來源于糧食，然而我國是一個人口大國，糧食供應有限，不可能將糧食用于乙醇的大規模生產.雖然很多學者也在尋找一些替代原料生產乙醇，但是效果都不太理想，這嚴重制約了乙醇燃料的發展.在相當長的時間內，這種情況將不會得到改變，所以發展乙醇這一汽車替代燃料需要尋找新思路和新途徑.如何找到經濟、環保的原料供應源在乙醇燃料的發展中起著關鍵性的作用.

2.2.2氫能源

氫能源一度被稱為是“最被看好的”汽車替代燃料，因為氫氣燃燒熱值高達121 MJ·kg-1，而且燃燒后只生成水，這無疑是高效、環保的，所以發展氫能源以及發展氫能源汽車曾經呼聲很高.美國在2003年投資17億美元啟動“自由轎車（Freedom car）”項目和“自由燃料（Freedom fuel）”氫燃料開發計劃，然而隨著對氫氣研究及其在汽車行業應用的深入，很多專家對氫能源提出了不同的觀點.2009年26位國內外傳統發動機專家聯名提交了一份質疑氫能源技術前景的《開發車用動力技術，減輕能源壓力的建議》給國務院.該建議中提到：“自然界并不存在著大量的氫氣，因此氫氣不是能源，更不是新能源.產生氫氣需要通過能量轉換，這樣氫氣可用作能量的載體.‘氫能源的口號使很多人誤以為使用氫氣就能解決交通能源問題，很自然地認定應集中力量全面開發氫氣汽車.這種誤解會影響政府和企業解決交通能源問題的決策.如果氫燃料汽車研究到最后，發現需要走別的技術途徑，這就使大規模投資的氫燃料汽車前功盡棄.”[8-9]

雖然氫能源備受爭議，但是也不能阻止學者研究的步伐。如今氫能源電池汽車發展比較迅速，然而這種汽車造價非常昂貴，而且加氫站到普及階段還有很長的一段路要走，同時，氫氣不易儲存、易燃易爆、制造成本高等也嚴重制約了氫能源的發展，氫能源作為汽車替代燃料還有很多問題亟待解決.

2.2.3植物油燃料

植物油作為汽車替代燃料，通常與柴油混合制成生物柴油使用.表3給出了生物柴油和常規柴油的主要參數對比.從表中可以看出：生物柴油的閃點高，所以其安全性能較好；生物柴油的十六烷值也很高，經過酯化處理后十六烷值會更高，其著火性能可以達到常規柴油的水平；生物柴油約含有10%的氧，相比于常規柴油，生物柴油減少了可燃物質（C、H），增加了助燃物質（O），因此其低位熱值相比于常規柴油略低，這使得燃油消耗率略有增加，但是生物柴油與常規柴油的熱效率基本相同，同時氧的存在減少了HC和碳煙的排放[10].同其它替代燃料相同，目前植物油燃料應用于汽車還存在許多問題，如冷啟動困難等.目前使用的植物油主要有麻瘋樹籽油、花生油、大豆油等，這些植物油的價格正在逐年攀升，有的價格甚至已經超過柴油，這使得生物柴油的成本過高，制約了植物油燃料作為汽車替代燃料的發展.

2.2.4生物質裂解氣

我國是一個糧食生產大國，近年來在國家農業政策的推動下全國糧食產量穩步增長，與此同時農作物的秸稈產量也在不斷增加.2013年我國農作物秸稈總量約為8億t，約占全球秸稈總量的20%.農作物秸稈在我國是十分豐富、綠色、可再生的寶貴資源，因此生物質裂解氣有了可靠的來源.將秸稈等生物質固體燃料經過高溫（>600 ℃）和缺氧處理后裂解成的可燃生物質氣是一種經濟、環保的能源，同時，其作為汽車替代能源的潛力也是十分巨大的.表4給出了生物質裂解氣和汽油的主要參數對比.

從表4可以看出，生物質裂解氣是一種比較清潔的燃料.生物質裂解氣因其組成不同，理化特性會有所差別.生物質裂解氣除了含有表4中的主要成分外，還含有約1%的氧氣、20%的二氧化碳和50%的氮氣.受其組成成分的限制，大部分生物質裂解氣具有熱值偏低（約為汽油的1/8～1/10）、火焰傳播速度慢、用于發動機時效率偏低等缺點[11].

目前生物質裂解氣應用于汽車行業的研究還處在起步階段，且大部分集中在“生物質裂解燃氣—柴油”雙燃料發動機上.國內專門從事生物質裂解氣發動機及汽車研究的專家比較少，這使得生物質裂解氣發動機及汽車的研究進展緩慢，缺乏完善的理論指導.隨著可再生的生物質能源被人們越來越重視，生物質裂解氣也將會更多地進入人們的視線，未來生物質裂解氣作為汽車替代燃料或許會綻放異彩.

3結論

天然氣在相當長的時間內還將是汽車替代燃料中的主流產品，但其作為不可再生能源的本質也將會使其未來的發展不容樂觀；可再生替代燃料中的醇醚類燃料和植物油燃料因其原料和成本問題將會使關于兩者的研究和應用走下坡路；氫能源作為一種備受爭議的新興能源，會逐漸被大家清醒地認識；而生物質裂解氣的發展則任重而道遠.燃料是否可再生，是否節能、環保、清潔，決定著燃料的命運.在成熟的技術和政策法規的保障下，可再生替代燃料必然是將來汽車燃料發展的主流.

參考文獻：

[1]國家統計局.年度數據運輸和郵電：私人汽車擁有量[EB/OL].[2014-01-20].http：//data.stats.gov.cn/workspace/index？m=hgnd.

[2]王俊秀.中國汽車社會發展報告（2012—2013）：汽車社會與規則[M].北京：社會科學文獻出版社，2013.

[3]劉會粉.固體生物質燃料汽車關鍵技術的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2010.

[4]馬小平，任少博.淺析天然氣汽車的發展[J].農業裝備與車輛工程，2011（1）：1-3.

[5]蕭蘆.天然氣汽車、加氣站數量及天然氣消費量分國別統計[J].國際石油經濟，2013（6）：85-87.

[6]國家統計局.年度數據能源：天然氣平衡表[EB/OL].[2012-12-23].http：//data.stats.gov.cn/workspace/index？m=hgnd.

[7]劉丹丹，于增信.醇類燃料作為車用燃料的前景展望[J].汽車工業研究，2009（11）：28-31.

[8]項耀漢，張耕夫，胡蘭，等.氫能源 中國汽車的“清”動力？ [J].中國高新區，2008（5）：14-18.

[9]薛霓.尋找未來汽車能源替代品[J].新晉商，2013（7）：113-115.

[10]徐霞琴.新型植物油發動機的試驗和應用研究[D].南京：南京理工大學，2008.

[11]劉會粉，王述洋.生物質燃料汽車的發動機改裝技術與設計[J].機電產品開發與創新，2009（6）：65-67.

雖然氫能源備受爭議，但是也不能阻止學者研究的步伐。如今氫能源電池汽車發展比較迅速，然而這種汽車造價非常昂貴，而且加氫站到普及階段還有很長的一段路要走，同時，氫氣不易儲存、易燃易爆、制造成本高等也嚴重制約了氫能源的發展，氫能源作為汽車替代燃料還有很多問題亟待解決.

2.2.3植物油燃料

植物油作為汽車替代燃料，通常與柴油混合制成生物柴油使用.表3給出了生物柴油和常規柴油的主要參數對比.從表中可以看出：生物柴油的閃點高，所以其安全性能較好；生物柴油的十六烷值也很高，經過酯化處理后十六烷值會更高，其著火性能可以達到常規柴油的水平；生物柴油約含有10%的氧，相比于常規柴油，生物柴油減少了可燃物質（C、H），增加了助燃物質（O），因此其低位熱值相比于常規柴油略低，這使得燃油消耗率略有增加，但是生物柴油與常規柴油的熱效率基本相同，同時氧的存在減少了HC和碳煙的排放[10].同其它替代燃料相同，目前植物油燃料應用于汽車還存在許多問題，如冷啟動困難等.目前使用的植物油主要有麻瘋樹籽油、花生油、大豆油等，這些植物油的價格正在逐年攀升，有的價格甚至已經超過柴油，這使得生物柴油的成本過高，制約了植物油燃料作為汽車替代燃料的發展.

2.2.4生物質裂解氣

我國是一個糧食生產大國，近年來在國家農業政策的推動下全國糧食產量穩步增長，與此同時農作物的秸稈產量也在不斷增加.2013年我國農作物秸稈總量約為8億t，約占全球秸稈總量的20%.農作物秸稈在我國是十分豐富、綠色、可再生的寶貴資源，因此生物質裂解氣有了可靠的來源.將秸稈等生物質固體燃料經過高溫（>600 ℃）和缺氧處理后裂解成的可燃生物質氣是一種經濟、環保的能源，同時，其作為汽車替代能源的潛力也是十分巨大的.表4給出了生物質裂解氣和汽油的主要參數對比.

從表4可以看出，生物質裂解氣是一種比較清潔的燃料.生物質裂解氣因其組成不同，理化特性會有所差別.生物質裂解氣除了含有表4中的主要成分外，還含有約1%的氧氣、20%的二氧化碳和50%的氮氣.受其組成成分的限制，大部分生物質裂解氣具有熱值偏低（約為汽油的1/8～1/10）、火焰傳播速度慢、用于發動機時效率偏低等缺點[11].

目前生物質裂解氣應用于汽車行業的研究還處在起步階段，且大部分集中在“生物質裂解燃氣—柴油”雙燃料發動機上.國內專門從事生物質裂解氣發動機及汽車研究的專家比較少，這使得生物質裂解氣發動機及汽車的研究進展緩慢，缺乏完善的理論指導.隨著可再生的生物質能源被人們越來越重視，生物質裂解氣也將會更多地進入人們的視線，未來生物質裂解氣作為汽車替代燃料或許會綻放異彩.

3結論

天然氣在相當長的時間內還將是汽車替代燃料中的主流產品，但其作為不可再生能源的本質也將會使其未來的發展不容樂觀；可再生替代燃料中的醇醚類燃料和植物油燃料因其原料和成本問題將會使關于兩者的研究和應用走下坡路；氫能源作為一種備受爭議的新興能源，會逐漸被大家清醒地認識；而生物質裂解氣的發展則任重而道遠.燃料是否可再生，是否節能、環保、清潔，決定著燃料的命運.在成熟的技術和政策法規的保障下，可再生替代燃料必然是將來汽車燃料發展的主流.

參考文獻：

[1]國家統計局.年度數據運輸和郵電：私人汽車擁有量[EB/OL].[2014-01-20].http：//data.stats.gov.cn/workspace/index？m=hgnd.

[2]王俊秀.中國汽車社會發展報告（2012—2013）：汽車社會與規則[M].北京：社會科學文獻出版社，2013.

[3]劉會粉.固體生物質燃料汽車關鍵技術的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2010.

[4]馬小平，任少博.淺析天然氣汽車的發展[J].農業裝備與車輛工程，2011（1）：1-3.

[5]蕭蘆.天然氣汽車、加氣站數量及天然氣消費量分國別統計[J].國際石油經濟，2013（6）：85-87.

[6]國家統計局.年度數據能源：天然氣平衡表[EB/OL].[2012-12-23].http：//data.stats.gov.cn/workspace/index？m=hgnd.

[7]劉丹丹，于增信.醇類燃料作為車用燃料的前景展望[J].汽車工業研究，2009（11）：28-31.

[8]項耀漢，張耕夫，胡蘭，等.氫能源 中國汽車的“清”動力？ [J].中國高新區，2008（5）：14-18.

[9]薛霓.尋找未來汽車能源替代品[J].新晉商，2013（7）：113-115.

[10]徐霞琴.新型植物油發動機的試驗和應用研究[D].南京：南京理工大學，2008.

[11]劉會粉，王述洋.生物質燃料汽車的發動機改裝技術與設計[J].機電產品開發與創新，2009（6）：65-67.

雖然氫能源備受爭議，但是也不能阻止學者研究的步伐。如今氫能源電池汽車發展比較迅速，然而這種汽車造價非常昂貴，而且加氫站到普及階段還有很長的一段路要走，同時，氫氣不易儲存、易燃易爆、制造成本高等也嚴重制約了氫能源的發展，氫能源作為汽車替代燃料還有很多問題亟待解決.

2.2.3植物油燃料

植物油作為汽車替代燃料，通常與柴油混合制成生物柴油使用.表3給出了生物柴油和常規柴油的主要參數對比.從表中可以看出：生物柴油的閃點高，所以其安全性能較好；生物柴油的十六烷值也很高，經過酯化處理后十六烷值會更高，其著火性能可以達到常規柴油的水平；生物柴油約含有10%的氧，相比于常規柴油，生物柴油減少了可燃物質（C、H），增加了助燃物質（O），因此其低位熱值相比于常規柴油略低，這使得燃油消耗率略有增加，但是生物柴油與常規柴油的熱效率基本相同，同時氧的存在減少了HC和碳煙的排放[10].同其它替代燃料相同，目前植物油燃料應用于汽車還存在許多問題，如冷啟動困難等.目前使用的植物油主要有麻瘋樹籽油、花生油、大豆油等，這些植物油的價格正在逐年攀升，有的價格甚至已經超過柴油，這使得生物柴油的成本過高，制約了植物油燃料作為汽車替代燃料的發展.

2.2.4生物質裂解氣

我國是一個糧食生產大國，近年來在國家農業政策的推動下全國糧食產量穩步增長，與此同時農作物的秸稈產量也在不斷增加.2013年我國農作物秸稈總量約為8億t，約占全球秸稈總量的20%.農作物秸稈在我國是十分豐富、綠色、可再生的寶貴資源，因此生物質裂解氣有了可靠的來源.將秸稈等生物質固體燃料經過高溫（>600 ℃）和缺氧處理后裂解成的可燃生物質氣是一種經濟、環保的能源，同時，其作為汽車替代能源的潛力也是十分巨大的.表4給出了生物質裂解氣和汽油的主要參數對比.

從表4可以看出，生物質裂解氣是一種比較清潔的燃料.生物質裂解氣因其組成不同，理化特性會有所差別.生物質裂解氣除了含有表4中的主要成分外，還含有約1%的氧氣、20%的二氧化碳和50%的氮氣.受其組成成分的限制，大部分生物質裂解氣具有熱值偏低（約為汽油的1/8～1/10）、火焰傳播速度慢、用于發動機時效率偏低等缺點[11].

目前生物質裂解氣應用于汽車行業的研究還處在起步階段，且大部分集中在“生物質裂解燃氣—柴油”雙燃料發動機上.國內專門從事生物質裂解氣發動機及汽車研究的專家比較少，這使得生物質裂解氣發動機及汽車的研究進展緩慢，缺乏完善的理論指導.隨著可再生的生物質能源被人們越來越重視，生物質裂解氣也將會更多地進入人們的視線，未來生物質裂解氣作為汽車替代燃料或許會綻放異彩.

3結論

天然氣在相當長的時間內還將是汽車替代燃料中的主流產品，但其作為不可再生能源的本質也將會使其未來的發展不容樂觀；可再生替代燃料中的醇醚類燃料和植物油燃料因其原料和成本問題將會使關于兩者的研究和應用走下坡路；氫能源作為一種備受爭議的新興能源，會逐漸被大家清醒地認識；而生物質裂解氣的發展則任重而道遠.燃料是否可再生，是否節能、環保、清潔，決定著燃料的命運.在成熟的技術和政策法規的保障下，可再生替代燃料必然是將來汽車燃料發展的主流.

參考文獻：

[1]國家統計局.年度數據運輸和郵電：私人汽車擁有量[EB/OL].[2014-01-20].http：//data.stats.gov.cn/workspace/index？m=hgnd.

[2]王俊秀.中國汽車社會發展報告（2012—2013）：汽車社會與規則[M].北京：社會科學文獻出版社，2013.

[3]劉會粉.固體生物質燃料汽車關鍵技術的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2010.

[4]馬小平，任少博.淺析天然氣汽車的發展[J].農業裝備與車輛工程，2011（1）：1-3.

[5]蕭蘆.天然氣汽車、加氣站數量及天然氣消費量分國別統計[J].國際石油經濟，2013（6）：85-87.

[6]國家統計局.年度數據能源：天然氣平衡表[EB/OL].[2012-12-23].http：//data.stats.gov.cn/workspace/index？m=hgnd.

[7]劉丹丹，于增信.醇類燃料作為車用燃料的前景展望[J].汽車工業研究，2009（11）：28-31.

[8]項耀漢，張耕夫，胡蘭，等.氫能源 中國汽車的“清”動力？ [J].中國高新區，2008（5）：14-18.

[9]薛霓.尋找未來汽車能源替代品[J].新晉商，2013（7）：113-115.

[10]徐霞琴.新型植物油發動機的試驗和應用研究[D].南京：南京理工大學，2008.

[11]劉會粉，王述洋.生物質燃料汽車的發動機改裝技術與設計[J].機電產品開發與創新，2009（6）：65-67.