車用替代燃料甲醇在中國的發(fā)展狀況

高志斌 劉志浩 姜鵬飛 徐林勛 祝 偉

(山東京博新能源控股發(fā)展有限公司,山東 濱州 256599)

進入21世紀以來,隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,我國汽車的產(chǎn)量和銷量都呈現(xiàn)持續(xù)快速增長態(tài)勢,導致我國石油需求不斷增加。早在2007年,我國石油的對外依存度就已經(jīng)突破了50%的紅線,而到了2021年,這一比例更是攀升至72%,表明我國不單單是一個石油消費大國,更已經(jīng)成為一個依賴石油進口的國家,能源安全問題已經(jīng)不容忽視,大力發(fā)展新型車用替代燃料迫在眉睫。

目前而言,車用可替代燃料有天然氣、氨能、氫能、甲醇和生物燃料等,而其中的甲醇在我國具有極大優(yōu)勢,它是一種生產(chǎn)成本低而又最有潛力的新型潛用燃料[1]。我國是全球最大的甲醇生產(chǎn)國和使用國,產(chǎn)能和產(chǎn)量均超過全球的一半以上,因此甲醇作為車用替代燃料對實施石油替代戰(zhàn)略、保障我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。

1 甲醇作為車用替代燃料的優(yōu)劣勢分析

一種燃料如果作為車用替代燃料,那它必然要滿足以下要求:(1)儲量或者原料豐富;(2)具有足夠的能量密度,保證車輛有足夠的行駛里程;(3)燃燒后排放污染低,滿足國家標準規(guī)定;(4)價格合適,經(jīng)濟性高;(5)在生產(chǎn)、運輸、儲存及使用方面安全方便。而甲醇完全符合車用替代燃料的要求。甲醇與汽油和柴油等傳統(tǒng)燃料的理化特性對比如表1所示。

表1 甲醇與汽油和柴油的理化特性

1.1 甲醇作為車用替代燃料的優(yōu)點

與傳統(tǒng)車用燃料汽油和柴油相比,甲醇除了能夠滿足作為車用替代燃料必要要求之外,還有以下諸多優(yōu)點。

(1)從分子式來看,1個甲醇分子由1個碳原子、4個氫原子和1個氧原子組成。甲醇中氧的物質(zhì)的量分數(shù)高達50%,而氧的存在更有利于燃料的燃燒,使燃燒更充分。因此甲醇燃燒時排放的污染物更少,燃燒后的產(chǎn)物大部分是水,只有少量的CO2、CO、NOx等。

(2)甲醇的閃點和自燃溫度都要高于汽油,在運輸和儲存過程中相較汽油更加安全。

(3)甲醇的十六烷值相較于柴油要低很多,因此甲醇不適合壓燃點火,只能用于點燃式發(fā)動機。但甲醇研究法辛烷值高達115,高辛烷值說明甲醇和空氣混合物在發(fā)動機燃燒室中,在被火花塞點燃之前可以壓縮至更小的體積,也就是說發(fā)動機的壓縮比更高。甲醇發(fā)動機的高壓縮比可以使燃料實現(xiàn)更完全的燃燒,增加發(fā)動機效率,減少NOx、顆粒與揮發(fā)性有機物的排放[3]。

(4)甲醇的著火界限比較寬,為7.3%～36.0%,遠超汽油和柴油,并且甲醇的最小點燃能量也只有汽油和柴油的一半。這也說明甲醇在更廣的混合濃度范圍內(nèi)容易被點燃。

(5)甲醇的當量空燃比遠小于汽油和柴油,甲醇為6.45,汽油和柴油為14.7,也就是說,完全燃燒1 kg甲醇需要6.45 kg的空氣,而完全燃燒1 kg的汽油或柴油則需要14.7 kg的空氣。這也反映出甲醇作為含氧燃料的優(yōu)勢,在海拔較高和氧氣含量低的地區(qū),甲醇燃料的優(yōu)勢更加明顯。

(6)甲醇當量火焰速度要快于汽油,更有利于發(fā)動機的動力性能和經(jīng)濟性能的提高。

(7)甲醇的蒸發(fā)潛熱大,大約是汽油的3.7倍,柴油的4.7倍。由于甲醇的蒸發(fā)潛熱大,所以甲醇從液體變成氣體要比汽油多吸收2.7倍的能量,尤其在中冷直噴的發(fā)動機中,這種特性會產(chǎn)生很大的冷卻效果,等同于研究法辛烷值增加24,極大地改進了整體發(fā)動機的熱效率以及抗爆震能力[4]。

(8)甲醇水溶性很強,與水100%相溶,在自然界中可生物降解,相比于汽油和柴油,對環(huán)境的危害較小,更加綠色環(huán)保。

1.2 甲醇作為車用替代燃料的缺點

由于甲醇本身的性質(zhì),導致其在作為車用替代燃料時也有不少弊端。

(1)甲醇能量密度低

甲醇能量密度較低,其低熱值為15.8 MJ/L,只有汽油和柴油的一半。也就是說如果想要達到汽油和柴油產(chǎn)生的相同功率或者是行駛相同距離,所消耗的甲醇是汽油和柴油的2倍多。這也導致在實際情況下甲醇車輛需要更大的油箱,或者在油箱相同的情況下甲醇加注更頻繁。

(2)甲醇的氣化潛熱大

氣化潛熱大的第一個缺點就是冷啟動問題,如果環(huán)境溫度較低,甲醇本身的蒸發(fā)潛熱就大,甲醇變?yōu)榧状細怏w得不到足夠的熱量,蒸發(fā)的甲醇氣體就會變少,與空氣形成的混合氣體的濃度就達不到可燃濃度的下限,混合氣體無法被點燃,導致甲醇發(fā)動機難以啟動或者直接導致啟動失敗;第二個缺點則是加劇氣缸磨損,由于甲醇氣化潛熱大,如果出現(xiàn)氣化不良,未氣化的甲醇會流入氣缸壁,對氣缸壁上的潤滑油進行沖洗和稀釋,加劇氣缸和缸套之間的磨損。

(3)甲醇的腐蝕性和對橡膠的溶脹老化作用

甲醇是一種極性化合物,對汽車的燃油泵、橡膠塑件和密封件等造成較大影響。甲醇的生產(chǎn)工藝、運輸條件和儲存環(huán)境都決定了其不可避免地會產(chǎn)生少量的有機酸,造成汽車燃油泵和發(fā)動機金屬部件的腐蝕;同時甲醇對一些橡膠塑料件的膨潤力較大,容易造成燃油泵和油路密封性差,導致油路故障,發(fā)生漏油等情況。

(4)甲醇的毒性

甲醇具有一定的毒性,它會引發(fā)人的視神經(jīng)及視網(wǎng)膜病變,重者會失明,甚至死亡[5]。甲醇車輛在行駛過程中排放的尾氣中也含有少量未燃盡的甲醇和甲醛等物質(zhì),對環(huán)境和人體也會有一定的影響。因此甲醇的毒性也是制約甲醇大范圍推廣的因素之一。

2 甲醇燃料和甲醇汽車在我國的發(fā)展狀況

2.1 我國甲醇燃料的發(fā)展情況

早在“六五”期間,國家科委、交通部等就開始組織在山西省進行低比例甲醇燃料(M15-M25)的研發(fā)工作,到如今經(jīng)過幾十年的發(fā)展,甲醇燃料取得輝煌成就,也出臺了不同比例的甲醇燃料行業(yè)標準。

在各級政府部門的領(lǐng)導和組織下,目前已經(jīng)形成包括國家標準、行業(yè)標準、地方標準、團體標準和企業(yè)標準在內(nèi)的比較系統(tǒng)的標準體系。2023年9月1日《M100車用甲醇燃料》國家標準正式實施,此舉有助于推動M100車用甲醇燃料在交通領(lǐng)域的廣泛應用和推廣,同時也是我國甲醇燃料發(fā)展的一個重要里程碑。

2.2 我國M100車用甲醇燃料的消費情況

我國M100車用甲醇燃料消費量的變化主要受甲醇汽車的推動,尤其是2012—2018年“四省一市”的甲醇試點工作,為M100車用甲醇燃料更加成熟地走進市場奠定了基礎(chǔ)。

2022年國內(nèi)車用甲醇燃料消費量突破1 000 kt,達到1 004 kt,其中M100甲醇燃料消耗量為856 kt。貴州省車用甲醇燃料消耗333 kt,排名第一,主要原因是該地區(qū)為M100甲醇出租車保有量最多的省份;新疆躍升為國內(nèi)第二大消費省份,消費量達220 kt,主要原因是近兩年該地區(qū)陸續(xù)投運了上千輛M100甲醇商用車;M100甲醇燃料第三和第四消費的省份分別是陜西省和山西省,這4個地區(qū)的消費量占了國內(nèi)M100車用甲醇燃料消費量的91.6%。由此也可以看出,我國目前M100車用甲醇燃料消費大省較為集中,主要分布在我國西部地區(qū)。

2022年我國各地M100車用甲醇燃料消費情況如表2所示。

表2 2022年我國各地M100車用甲醇燃料消費情況

2.3 甲醇汽車的發(fā)展情況

政策支持對于甲醇汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。2021年生態(tài)環(huán)境部正式打開甲醇汽車公告申報端口,甲醇汽車被納入國家汽車工業(yè)統(tǒng)一管理范疇。從2004—2022年,我國相關(guān)部門不僅出臺了各種支持甲醇汽車發(fā)展的文件,還牽頭組織了大規(guī)模的甲醇汽車試點運行項目。甲醇汽車相關(guān)政策如表3所示。

表3 甲醇汽車相關(guān)政策

從國家政策方面來看,暫時還未將甲醇汽車納入新能源汽車的范疇,無法享受電動汽車和氫燃料汽車在政策上的福利,所以與新能源車相比,甲醇汽車在規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化進展等方面就顯得相對遲緩。由于甲醇汽車政策支持力度不足、相關(guān)車企市場培育不足,導致用戶積極性也不高,目前僅有浙江吉利控股集團有限公司的汽車投入市場。該公司深耕甲醇汽車17年,在甲醇汽車相關(guān)領(lǐng)域形成專利200余件,開發(fā)甲醇燃料車型20余款,累計行駛里程8×109km,最高單車運行里程超過1.2×106km,擁有全球首個實現(xiàn)甲醇汽車量產(chǎn)的主機廠,已成為全球甲醇汽車行業(yè)領(lǐng)跑者。

截至2022年年底,我國甲醇汽車投放量近3萬輛,保有量超過2.8萬輛。從區(qū)域分布來看,甲醇汽車主要分布在貴州、陜西、山西、甘肅、新疆、內(nèi)蒙、江西、云南、海南、遼寧和黑龍江等11個省和自治區(qū)。其中以貴州省貴陽市為最多,甲醇汽車保有量高達1.7萬輛;第二是陜西省西安市,甲醇汽車保有量超過8 200輛。

在“雙碳”背景下,隨著甲醇內(nèi)燃機技術(shù)的進一步發(fā)展,甲醇汽車迎來了新的發(fā)展機遇,但甲醇汽車能否列入新能源汽車的不確定性、整車企業(yè)及下游用戶多處于觀望狀態(tài)以及甲醇汽車的市場投放大都圍繞在甲醇生產(chǎn)基地,地區(qū)域性明顯,也限制了甲醇汽車的推廣。

3 結(jié)語

甲醇作為分子結(jié)構(gòu)最簡單的醇類,常溫、常壓下為液體,與傳統(tǒng)石油基燃料汽油和柴油一樣,在運輸和加注方面相較其他車用替代燃料更具有優(yōu)勢。甲醇作為一種可再生清潔燃料,具有可再生性、高安全性、高燃燒效率、高燃料經(jīng)濟性和低污染物排放等特點。甲醇的常規(guī)排放僅次于超清潔燃料氫氣和二甲醚,優(yōu)于柴油和汽油,被公認為“清潔燃料”[6],因此大力發(fā)展甲醇燃料有助于我國“雙碳”目標的實現(xiàn)。

在甲醇汽車方面,我國已成為世界第一梯隊。目前浙江吉利控股集團有限公司已經(jīng)解決了甲醇發(fā)動機零部件耐醇、耐久性能等行業(yè)難題,掌握了甲醇汽車的核心技術(shù),使我國在甲醇內(nèi)燃機和甲醇汽車這一領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。但甲醇汽車的發(fā)展和推廣還需要政府的大力支持,加快相關(guān)利好性國家政策的出臺,推動甲醇汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

我國未來的能源策略是能源多元化發(fā)展,由于我國能源地理稟賦的特殊情況,甲醇作為替代燃料必然會成為我國能源多元化的重要組成部分,開發(fā)和推廣煤制甲醇作為汽車的替代燃料符合我國的國情,有利于我國汽車的能源多元化,對節(jié)能環(huán)保具有重要意義。