中國天然氣汽車產業未來發展建議

王意東 何太碧，2 汪 霞 王 艷 毛 丹

1.西華大學汽車與交通學院 2.流體及動力機械教育部重點實驗室 3.成都工貿職業技術學院

0 引言

我國提出了“2030年單位國內生產總值二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%”的發展目標，其中交通領域是實現節能減排目標的重要力量之一。近些年來，我國能源安全和環保壓力日益嚴峻，國家和各地方政府給予了以電動車為代表的新能源汽車前所未有的、全方位的扶持，天然氣汽車產業因此遭遇了極大的困難和挑戰，產銷量雙雙下滑，外界對天然氣汽車的未來發展走向也存在著諸多質疑。但是，當前新能源汽車技術還不夠完善和成熟、技術進步較慢、安全事故時有發生，產業化進程中還存在著很多不確定因素；隨著政策的日趨理性，過度依賴政策扶持的新能源汽車銷量在2019年出現了近10年來的首次大幅度下滑；再者，新能源汽車的銷量占全國汽車年總銷量仍不足0.5%，保有量占比也不到1.5%；在我國以火電為主的大背景下，新能源汽車難以承擔起節能減排的重任，實現2030年的交通減排目標任重道遠。2017年全國“兩會”上，政府工作報告首次將“新能源汽車”改為“清潔能源汽車”，綠色環保、經濟性好、技術成熟的天然氣汽車又迎來了發展機遇。為此，筆者基于資源稟賦、戰略安全、減排目標及產業技術現狀，系統分析了我國天然氣汽車的未來發展定位、趨勢以及面臨的瓶頸，并據此提出了相關發展建議，以期推動我國天然汽車產業邁向新臺階。

1 我國交通能源清潔化發展路徑分析

2013年以來，我國超過美國成為全球最大的原油進口國，2019年原油對外依賴度高達70.8%，能源結構和能源安全面臨極大挑戰。2013年又遭受史上最嚴重的霧霾天氣，機動車尾氣排放控制已成為各級地方政府控制大氣污染的重點工作之一。面對日益嚴峻的能源安全和環保壓力，轉方式、調結構勢在必行，清潔化是汽車產業發展的必然選擇。

國內機動車排放法規不斷加嚴，排放法規更新間隔越來越短，國Ⅲ到國Ⅳ間隔了3年，國Ⅴ到國Ⅵ間隔了2年。中國環境科學研究院《移動源排放法規發展狀況和趨勢》報告指出，國Ⅶ排放法規已提上日程。工業和信息化部、國家發展與改革委員會及科學技術部聯合發布的《汽車產業中長期發展規劃》也提出，2025年，國產乘用車平均燃油消耗量將進一步要求降至4.0 L/100 km。按照這個趨勢，傳統燃油車滿足排放標準技術難度不斷增大，具備排放優勢的天然氣汽車將迎來良好的發展機遇。

2019年，我國電動汽車保有量達381×104輛，但汽油替代率僅1.456%。假設2030年電動汽車突破1×108輛，有望替代27%的傳統燃油汽車，成品油替代率也僅14%，僅靠新能源汽車實現2030年的交通領域減排目標還遠遠不夠[1]。再者，電動汽車的“零排放”僅限于使用階段，我國電力結構中，2018年煤電發電量占全口徑發電總量的63.7%[2]，煤電的生產、傳輸、轉化等階段產生的氣體污染物排放總量，按全生命周期計算各類車輛單位里程污染物排放量，電動汽車的常規氣體污染物排放量均高于傳統燃油汽車，其NOx、SOx和PM排放量分別是天然氣汽車的1.2、3.5及7.5倍[3-4]。在我國煤炭發電占主導地位的大背景下，電動汽車全生命周期實現能源清潔化將是一個復雜而漫長的過程。在中長期內，交通領域要實現2030年的減排目標需要統籌各類電動汽車、清潔燃油車、清潔替代燃料汽車（天然氣、甲醇以及其他生物質燃料汽車）的多元化發展[5]。考慮到天然氣儲量豐富，加工為車用燃料工藝簡單，技術成熟，天然氣汽車應是我國在中長期內推廣清潔能源汽車、實現交通減排的現實選擇。

2 天然氣汽車產業發展現狀及趨勢

2.1 天然氣汽車產業發展現狀

2.1.1 天然氣資源保障現狀

我國天然氣資源主要分布在中部、西部和海域，資源相對豐富，具備發展天然氣汽車的資源稟賦，四川、塔里木、鄂爾多斯等地相繼發現千億方超大氣田，潛力巨大[6]。自然資源部發布的《中國礦產資源報告2019》數據顯示[7]，截至2018年，我國查明天然氣資源儲量達5.793 6×1012m3，預測我國天然氣地質資源量達90×1012m3，可采量為50×1012m3。2019年，我國天然氣產量達1 736×108m3，重點打造了四川、鄂爾多斯、新疆及海上四大天然氣生產基地。我國也在推進能源進口多元化，構建了“西北、東北、西南、海上”四大油氣進口通道，與“一帶一路”沿線“富氣”國家簽訂了長達數十年價值數千億美元的天然氣購銷合同，2019年我國天然氣進口量達1 332×108m3[8]。截至2019年10月，我國已建成投產LNG接收站25座（擬再建64個），主要分布在環渤海、江浙滬和華南等地[9-10]，目前實際年接收能力為8 955×108t。這些都為天然氣汽車的發展提供了堅實的資源保障,車用天然氣供氣緊張局勢將得到極大緩解。

2.1.2 車用天然氣消費現狀

天然氣是清潔高效、資源豐富、低碳環保的化石能源，加大天然氣在能源消費結構中的比重已成為各國能源發展基本戰略[11]。2018年我國天然氣消費量在能源結構中的比重為8%，按國家能源局規劃，2030年我國天然氣消費量在能源結構中的比重將提升至15%，我國“以氣替煤，以氣替油”的能源結構調整政策導向日益顯著。2018年我國天然氣消費總量突破2 800×108m3，其中車用天然氣消費達360×108m3，車用天然氣消費量占天然氣消費總量比例上升至12.8%，天然氣汽車的快速發展帶動了車用天然氣消費的穩定增長，成為改善我國交通能源結構成效顯著的領域之一。

2.1.3 天然氣汽車發展現狀

隨著能源和環境壓力的不斷加大，天然氣汽車在交通領域節能減排和優化能源結構中發揮著重要的作用。近些年來，國內油氣價比進一步回落，加之排放法規日益加嚴，天然氣汽車特別是天然氣重卡等商用車取得了快速增長。截至2018年，我國天然氣汽車保有量為676×104輛，同比增加62×104輛，增幅10.2%。2010—2018年我國天然氣汽車保有量如圖1所示。天然氣汽車對燃油車的替代規模日益突出，2018年，我國車用天然氣替代傳統車用燃油規模達3 100×104t，其中，替代汽油1 340×104t，柴油1 760×104t，車用天然氣替代傳統車用燃油占比達9.6%[12]，天然氣汽車保有量較高的新疆、山東、寧夏、四川等地減排效益更為明顯。

圖1 2010—2018年我國天然氣汽車保有量圖

2.1.4 天然氣加氣站布局現狀

我國天然氣加氣站主要分布在氣源地、沿海城市或離管道氣較近的省市，截至2018年，我國擁有天然氣加氣站9 000余座，其中CNG加氣站5 600余座，同比增長5.67%，主要分布在新疆、山東、四川、河北、內蒙古等地；LNG加氣站3 400余座，同比增長9.67%，主要分布在山東、陜西、山西、內蒙古等LNG產出省份。我國管道氣源地區建站較為密集，遠離管道氣源地的建站相對低迷，近年來，各級管網公司加大了管網建設力度，22個省市提出了“縣縣通”“鎮鎮通”天然氣管道建設規劃，預計2030年天然氣管道將超過20×104km[13]，隨著管網覆蓋的不斷完善，管道氣源加氣站建設將迎來機遇。2010—2018年我國天然氣汽車加氣站保有量如圖2所示。

圖2 2010—2018年我國天然氣汽車加氣站保有量圖

2.2 天然氣汽車發展趨勢

雖然國際汽車界對新能源汽車作為未來汽車產業發展方向已形成共識，國家和地方省市也將新能源汽車作為重點發展領域，給予了全方位的政策支持，但新能源汽車在技術研發、成本控制、產業化進程、基礎配套等方面的困境還具有許多不確定性，新能源汽車建設和營運過度依賴國家政策的補貼，高速增長的背后實為國家政策強力引導的結果，私人消費積極性并不高，短時間內，新能源汽車仍難以完全替代傳統燃料汽車，或形成強勢競爭優勢。在汽車產業以節能減排為主流的大環境下，內燃機動力仍將在未來較長時間內占據主要市場份額，節能技術、替代能源仍將擁有較大的應用潛力與市場空間。因此，中長期內，汽車工業應當是傳統燃油、替代燃料、新能源等多種能源并存的過渡期。隨著國家階段性補貼的日益縮減，成本偏高，技術進步緩慢的新能源汽車的購買競爭力將進一步減弱，部分購車需求特別是運營需求將轉向經濟性好、技術成熟、成本較低的天然氣汽車。

天然氣汽車較傳統燃油汽車更具經濟性優勢。以四川為例，現行LNG價格4.0元/m3, CNG價格2.9元/m3,遠低于汽柴油價格。據調查，天然氣汽車的初始購車成本高于傳統燃油汽車，但油氣價格比在0.5左右時，一年以內即可收回成本，后續可節約更多的燃料成本費，CNG出租車全年可節約燃料費3萬元，LNG重卡貨運全年可節20余萬元[14]。

壓縮天然汽車（CNGV）與液化天然氣汽車（LNGV）因各自特性不同，應用于兩種不同的商業領域，CNGV主要應用與城市交通、私人汽車、城市物流等領域。LNGV主要應用于具有長途運輸需求的物流貨運及城際客運領域。筆者認為：①中長期內，壓縮天然氣汽車在中小城市的滲透率將進一步提高。近年來，新能源汽車在各大城市公共交通、城市物流等領域已有較為廣泛的應用，這些城市經濟基礎及充電配套相對較好，但絕大多數中小城市配套也極為薄弱，電動化積極性不高，短期內難以改善，經濟環保的CNG汽車將是現實的選擇。②LNG商用車將是未來的天然氣汽車發展的重要領域。中國物流協會《第五次全國物流園區（基地）調查報告（2018）》指出[15]，截至2018年，全國物流園區共計1 638家，物流需求強勁，汽柴油替代規模潛力巨大。2018年，我國柴油消費超過1.59×108t[16]，柴油車保有量2 184×104輛，長途物流貨運、城際客運及重卡商用等柴油尾氣排放重點車型，是電動汽車不能覆蓋的領域。LNG汽車經濟性好，加注時間短，續駛里程長，國內卡車配置雙450 L氣瓶，續駛里程可超過900 km，適合跨省長途運輸。因此，LNG物流貨運和城際客運等領域將是天然氣汽車未來的發展重點，天然氣汽車將成為該領域最重要的替代車型。

3 天然氣汽車發展面臨的瓶頸

3.1 政策支持厚此薄彼，產業重視程度不高

近些年來，國家將政策聚焦在新能源汽車領域，給予了新能源汽車前所未有的扶持政策，國家及各地方政府密集出臺了百余部政策，僅消費端就可享受購車補貼、購置稅減免、不限行、不限購、優惠電價、充電樁補貼甚至停車費減免等全方位扶持政策。天然氣汽車受到較大影響，天然氣汽車政策支持不足，新能源汽車政策又支持過度，國家政策的不合理導致汽車市場信號的扭曲。

新能源汽車技術還不成熟，國家現階段大規模、高強度的扶持政策操之過急。目前，電池及電控等核心技術還不成熟，眾多領域還處于“技術研發”階段，充電配套等基礎配套也比較缺乏，尚不宜進行大規模的市場化，頻發的安全事故即證明了這一點。目前新能源汽車的建設和運營過度依賴扶持政策。比較而言，天然氣汽車同屬清潔能源汽車，產業鏈完善，技術成熟度高，環保性能好，安全可靠運行數十年，已處于大規模“市場化”階段，不管是消費端還是企業端均未得到國家重點扶持，地方政府重視程度也不高。

3.2 標準建設相對落后，與現實需求不匹配

天然氣汽車的發展離不開一系列政策、標準、規范的支撐，目前總的框架已基本成型，但與天然氣汽車高質量發展、可持續發展的要求相比仍顯滯后，標準不完善也不利于產業的技術創新。在CNG技術標準及行業規范方面，我國現行的天然氣汽車技術標準和規范多為20世紀90年代出臺的，已不匹配當前技術發展和市場需求，更不利于企業技術進步。在LNG技術標準和行業規范方面，我國現行的LNG汽車產業相關標準法規大多零散地參考國外標準，尚未形成完整的適合我國實際的標準體系和規范，部分LNG汽車專用零部件研發設計、測試試驗、質量驗收等相關標準缺失，仍需參考國外標準，部分省市由此便出臺了地方標準，但權威性和推薦性相對較弱。

3.3 儲氣瓶儲氣壓力偏低，車輛續駛里程較短

天然氣汽車以其良好的經濟性和環保性受到消費者的青睞，但天然氣本身不易儲存，能量密度低，相對液體燃料攜帶的燃料少，需要壓縮至一定體積以增加續駛里程，天然氣汽車行駛里程短已成為阻礙其發展的一大瓶頸。車用高壓儲氣瓶是天然氣汽車的關鍵零部件之一，其技術發展水平直接影響到天然氣汽車的續駛里程和應用效果。根據國家標準[17]，我國現行的天然氣汽車儲氣瓶壓力為20 MPa，有效行駛里程為150～200 km,遠低于燃油汽車的400～500 km。這一壓力水平，導致CNG汽車運行效率低下。為了滿足行車需求，消費者不得不頻繁充裝燃料，嚴重影響了消費體驗和購車積極性。在不改變氣瓶壓力的情況下，只能增大氣瓶容積來提高續駛里程，這將影響車輛整體結構布局、裝載空間、車載質量。我國現行氣瓶壓力偏低已成為天然氣汽車續駛里程短的關鍵因素，國外天然氣汽車儲氣瓶壓力已提升至25 MPa，甚至更高的30 MPa。

儲氣瓶成本高也是阻礙天然氣汽車發展的一大因素。天然氣汽車儲氣瓶的成本主要包括材料、安裝、制造及工具成本，其中，材料成本占總成本的70%[18]，采用優質、低價的復合材料已成為降低高壓天然氣氣瓶成本的關鍵所在，目前天然氣汽車采用的是玻璃纖維纏繞（GF）氣瓶，GF價格低廉，性能較低，在生產過程中能源消耗大，污染大，且棄后不能回收利用或自然降解，造成資源浪費和環境污染。也可采用性能更好的碳纖維（CF）纏繞，但成本高，不適合大規模推廣使用。

3.4 加氣站布局不平衡，建站投資熱情不高

我國天然氣汽車加氣配套體系存在不充分、不平衡、建站熱情不高等問題：①加氣站數量缺乏，加氣排隊現象普遍，嚴重影響消費者用車體驗，截至2018年底，我國累計建成各類加氣站9 000座，主要分布在山東、新疆、四川、內蒙古等氣源地及沿海城市，國家發展與改革委員會印發的《天然氣發展“十三五”規劃》指出，2020年配套建設加氣站12 000座以上，據此還有3 000座未完成，節點將至，恐難實現這一目標；②布局不合理，我國加氣站尚未形成跨區域的供氣網絡，城際的高速公路、國省干道、快速干道等分布極少，物流運輸車輛、重型卡車，城際客運車輛等行駛里程長，消費者對運輸途中能否便捷加注燃料存在擔憂，影響了消費者的購車積極性；③加氣站建設難度大，加氣站基本屬于新建，屬于易燃易爆設施，城市供地又相對緊張，選址上存在局限性，開發難度大，且成本偏高。城際干線、國省道路、高速公路等加氣站建設土地成本雖然相對偏低，但長途出行的天然氣汽車偏少，投資回報周期長，并且加氣站建設還存在涉及部門多、審批周期長的問題,投資吸引力低。

4 天然氣汽車產業發展建議

4.1 轉變發展觀念，重視天然氣汽車在交通清潔化進程中的戰略地位及作用

天然氣汽車是我國第一大替代能源汽車，環保性能優越，與新能源汽車同屬清潔能源汽車，近年來，國家及地方政府大力扶持新能源汽車產業，忽略了天然氣汽車產業的發展。天然氣汽車產業不受重視與國家的產業戰略規劃、頂層設計、政策導向有較大的關系。但從目前發展來看，電動汽車產業化進程還存在許多不確定性，難以承擔國家2030年的交通減排目標。因此，基于我國資源稟賦、電力結構、減排目標及產業技術現狀，筆者認為：我國汽車運輸將是傳統燃料、新能源、天然氣等多種能源長期并存、協同發展的態勢。建議：①國家相關部門應盡快制訂清潔能源汽車發展的頂層設計，包括新能源汽車、天然氣汽車等替代能源汽車的戰略定位和作用，以及不同清潔汽車技術路線發展關系，編制清潔能源汽車中長期發展規劃和發展目標等，促使各地方政府和相關部門轉變發展觀念，統籌考慮天然氣汽車的發展；②完善天然氣汽車發展相關政策，有條件的省市盡快將天然氣汽車納入大力推廣的范圍，并給予類似于新能源汽車的政策支持，如將符合政策要求的天然氣汽車納入市政采購范圍，給予消費者購置稅補貼等。此外，相關部門和企業還應加強宣傳引導，消除消費者心中天然氣汽車不安全的思想偏見。

4.2 完善站、車及專用設備標準法規建設，加強技術創新，助力產業升級

天然氣汽車的持續健康發展離不開科學、合理、完善的標準體系[19]，也離不開健全的研發體系。我國天然氣汽車的發展已有數十年的歷史，部分標準缺失、建設落后，更新緩慢，不能滿足產業、技術和市場發展的需求。建議：①對標國際先進標準，學習國外先進理念，結合我國天然氣汽車產業發展實際，盡快梳理缺失的標準規范，補充完善，建立框架清晰、操作性強、涵蓋面全的標準體系，做到標準和產業的協調發展；②緊跟技術發展，盡快完善或更新天然氣汽車相關專用設備及零部件的技術規范和行業標準，如《汽車加油加氣站設計與施工規范：GB 50156—2012》（2014版）、《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶：GB/T 24160—2009》[17]關于壓縮機、加氣機、高壓氣瓶工作壓力限值等相關條款的修訂更新；③加強技術創新，加強天然氣汽車氣瓶、壓縮機、加氣機、儲運設備、各種連接件、閥體、低溫冷藏、氣密性等關鍵核心技術創新，加強新材料、新工藝在天然氣汽車上應用，開發高效燃燒系統、天然氣汽車專用電控系統等，促進傳統燃料發動機稀薄燃燒、高能點火等先進燃燒技術在天然氣發動機上的應用。

4.3 推廣高承壓、低成本新材料復合氣瓶，增大續駛里程，提高營運效益

車用高壓儲氣瓶是天然氣汽車的關鍵零部件之一，其技術發展水平直接影響到天然氣汽車的續駛里程和應用推廣。我國廣泛使用的20 MPa玻璃纖維纏繞鋼制氣瓶,續駛里程短，成本高、質量重，且玻璃纖維不能滿足進一步提高儲氣壓力的性能要求。建議：大幅提高氣瓶儲氣壓力，開發輕量化儲氣瓶。將儲氣瓶壓力由現行的20 MPa提升25 MPa，甚至更高的30 MPa，由此可將天然氣汽車續駛里程提高50%以上。這在技術上完全是可行的。北美、東南亞等國家早已實現高承壓氣瓶的商用，我國許多企業也向國外提供25 MPa、30 MPa的氣瓶產品出口，另外，我國氫燃料氣瓶工作壓力也高達35 MPa，日本更是高達70 MPa，這對適當提高CNG氣瓶壓力具有一定的參考價值。

高承壓、低成本、輕量化氣瓶主要包括3方面的研究：①選用新型復合材料。采用滿足高承壓技術要求且價格相對低廉的新型纖維纏繞材料，玄武巖纖維被譽為21世紀純天然的高性能纖維，已經列入國家“十三五”規劃重點發展的新型材料，其價格低廉，儲量豐富，具備天然的相容性、優異的力學性能、耐高溫性和耐酸堿性[20]，單絲模量、強度、耐化學腐蝕性等都強于傳統玻璃纖維，可替代傳統玻璃纖維和碳纖維作為氣瓶的新型纏繞纖維材料。國內學者已針對該材料做了大量的研究[21-22]，并進行了35 MPa玄武巖纖維增強復合材料氣瓶樣品試制和性能試驗，取得了較好的效果，水壓爆破試驗壓力高達120 MPa，另外，還可進一步研究采用符合性能要求的新材料塑料內膽替代現行的鋼制或鋁制內膽，降低氣瓶的質量及成本。②氣瓶結構設計。結合氣瓶幾何約束條件，優化氣瓶結構參數，如氣瓶封頭橢球比、內膽壁厚、內膽直徑、瓶口直徑等，研究不同內膽結構設計下，內膽的極限承壓能力和循環疲勞性能，獲得滿足工業化生產要求的輕量化內膽結構。③氣瓶工藝優化。優化氣瓶纏繞工藝和固化工藝，研究纖維不同纏繞角厚度、形式、張力及自緊力對氣瓶承壓和強度的影響，纖維進膠量、纏繞溫度、纖維層固化制度等因素對氣瓶長期使用性能的影響，明確適用于工業化生產的最優纏繞方式與固化工藝，減少纖維纏繞量、提高纖維利用率、氣瓶爆破極限及抗疲勞性能。

4.4 完善重點區域加氣站網點建設，解決加氣站建站難、成本高等問題

我國加氣站等基礎配套不完善，制約了天然氣汽車的發展，建議按照“政府引導、規劃統籌、市場推動、安全有序”的原則，加大加氣站基礎設施建設力度，實現加氣站廣度和深度覆蓋。建議：①CNG汽車主要在市域內使用，應增加城市CNG加氣站網點縱深布局，考慮到城市土地資源緊張，建站成本高等問題，為快速實現建站，完善網絡覆蓋，可以充分依托并整合現有資源，大力鼓勵和支持有條件的加油站增設加氣設備，積極發展油氣合站、油氣電三站合一綜合能源補給站等；②LNG汽車主要應用于具有長途運輸需求的跨省市物流貨運、城際客運等領域，也是未來天然氣汽車重點發展領域，應優先完善重點區域、城際間加氣站網點覆蓋，如工業（物流）園區、干線公路、重點鄉鎮、高速公路服務區等，滿足具有長途運輸特點的物流、客運加氣需求；③把握各省、市大力推進管網建設機遇，主動對接國家、各省市管網發展規劃，加大對管網沿線地區加氣站的規劃及建設力度，鼓勵和支持天然氣營運企業加大CNG、L-CNG、LNG等各種形式加氣站的投入；④針對建站難、回報周期長等痛點，相關部門應完善加氣站政策扶持，比照充電站研究制訂加氣站建設在稅收、補貼等方面的扶持政策，簡化加氣站建設審批流程，以增強企業的投資意愿。

5 結束語

交通能源清潔化是未來的發展趨勢，在充分考慮我國資源稟賦、安全戰略以及產業技術現狀的背景下，我國應轉發發展思路，采取多元化、協同化的清潔交通技術發展路線，以新能源汽車為主線，天然氣等替代能源汽車協同發展。天然氣汽車資源保障能力強，技術成熟、經濟性好，碳排放量少，中長期內，仍將是我國實現節能減排、保障能源安全的現實選擇。未來，LNG商用車將是重要的發展領域，CNG汽車在中小城市的滲透率也將進一步提高。但天然氣汽車產業目前還存在著政策不合理、續駛里程短、網點不完善等瓶頸，其高質量發展的關鍵在于：①做好頂層設計、明確發展地位，轉變發展觀念，完善政策扶持；②完善標準規范體系，加強關鍵設備技術創新；③推廣高承壓、新工藝、新材料氣瓶解決消費者里程焦慮之憂；④完善重點區域加氣站網點布局，依托現有加油站資源，支持建設油氣、油氣電綜合能源補給站，著力解決加氣站網點不完善、建站困難、成本高等問題。