天然氣的誘惑力遠(yuǎn)大于其他燃料。但即使是最具吸引力的技術(shù)，現(xiàn)實(shí)也是殘酷的。
圖片來源：LOUIE PSIHOYOS/CORBIS
Dane Boysen是一個令人討厭的“銷售員”。在一個天然氣汽車會議上，美國能源部先進(jìn)研究計(jì)劃署（ARPA-E）天然氣汽車項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Boysen表示，他的話行業(yè)巨頭不會想聽。“老實(shí)講，天然氣并不是重要的運(yùn)輸燃料。” 他補(bǔ)充道，事實(shí)上，“它是愚蠢的燃料”。
一些聽眾則發(fā)出了開玩笑的倒喝彩聲，但他們知道Boysen講的是能量密度問題。1升汽油能驅(qū)動一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車行駛10公里，而1升天然氣在常溫常壓狀態(tài)下只能驅(qū)動它行駛13米。甚至在將天然氣冷凝成液態(tài)或擠壓進(jìn)高壓箱中后，它也無法與汽油相媲美。
然而，Boysen的ARPA-E項(xiàng)目在過去5年間花費(fèi)了3000萬美元，推動了天然氣小汽車和輕型載重汽車的發(fā)展。
更干凈
為什么？原因是盡管能量密度較低，但天然氣能提供的東西很多。它儲量豐富且價格便宜。目前，美國使用水力壓裂法生產(chǎn)出大量天然氣，能量當(dāng)量相當(dāng)于1加侖汽油的天然氣的價格卻只有前者的一半。而且，目前美國已知的天然氣儲量至少能維持到下個世紀(jì)。天然氣也相對干凈。天然氣發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的二氧化碳比汽油發(fā)動機(jī)少30%，同時氮氧化物和氧化硫等污染物的排放量也大大減少。
更重要的是，這些發(fā)動機(jī)已經(jīng)存在。經(jīng)過略微鑄補(bǔ)，傳統(tǒng)的汽油或柴油發(fā)動機(jī)就能使用天然氣。根據(jù)美國行業(yè)貿(mào)易集團(tuán)NGVAmerica的數(shù)據(jù)，全世界有1520萬輛天然氣動力車輛在行駛。其中美國有14.2萬輛。大部分是重型卡車和公共巴士。一些預(yù)測結(jié)果顯示，到2030年，美國大多數(shù)卡車將使用天然氣能源。
對于重型發(fā)動機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)學(xué)才是“驅(qū)動者”。即便使用天然氣引擎，這樣的卡車也比使用柴油機(jī)的卡車多花費(fèi)數(shù)萬美元。Trillium CNG市場開發(fā)和戰(zhàn)略副主席William Zobel表示，卡車燃料消耗量極大——每年平均需要4.5萬升柴油，燃料節(jié)約將在2~3年里抵消額外成本。Trillium CNG主要建設(shè)壓縮天然氣（CNG）燃料供應(yīng)站。日益緊縮的卡車和公共汽車污染標(biāo)準(zhǔn)也推動著變革。
現(xiàn)在。Boysen和其他人希望天然氣能源的應(yīng)用可以擴(kuò)展到輕型汽車和卡車中。“真理就在這里。我絕對相信該技術(shù)將會騰飛。”Boysen說。加利福尼亞能源委員會運(yùn)輸系統(tǒng)研究員Reynaldo Gonzalez也表示贊同：“只有一種可選擇的車輛技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)價值，那就是天然氣技術(shù)。”
但負(fù)責(zé)指導(dǎo)NGVAmerica 市場開發(fā)的Stephen Yborra指出：“有大量障礙需要克服。”例如，日本本田汽車公司已經(jīng)生產(chǎn)出了思域天然氣汽車。但在美國只售出2000輛，而汽油汽車的銷售量則是每年150萬輛。在天然氣汽車占領(lǐng)道路之前，燃料箱、泵和基礎(chǔ)設(shè)施等方面還需要大量改進(jìn)。
當(dāng)Boysen走上洛杉磯會議中心的一個小舞臺時，窗戶外面是巨大的集裝箱貨運(yùn)船，正在卸下日本汽車、韓國電視和中國家具。每天，8000輛卡車負(fù)責(zé)搬運(yùn)這些貨物，這些車輛越來越多地遵照口岸污染標(biāo)準(zhǔn)，開始使用天然氣作為燃料。但Boysen坦言，革新存在障礙。他表示自己能夠暢所欲言，因?yàn)楸驹略碌?，他將離開ARPA-E。他一個接一個地列舉出了該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)以及工程師為解決問題作出的努力。
燃料箱困境
燃料箱材質(zhì)一直困擾著研究人員。天然氣的最大問題是能量密度過低。在常溫常壓環(huán)境下，每升僅有4萬焦耳，是汽油的1/1000略多一點(diǎn)。要攜帶充足的燃料，汽車就需要一個巨大的燃料箱，這就減少了其載貨空間。結(jié)果是，本田的天然氣汽車的貨箱比汽油汽車小了一半。“駕駛者討厭這樣，因?yàn)樗麄儫o法去機(jī)場接人。”Boysen說。
燃料箱還必須加壓?，F(xiàn)在的燃料箱能將氣體壓縮到250帕，大約是大氣壓強(qiáng)的250倍。要保持這些壓力，燃料箱必須使用厚厚的金屬，或更輕但昂貴的碳纖維。目前，燃料箱使得天然氣汽車的平均成本增加了3500美元。而Boysen的項(xiàng)目致力于將這一數(shù)字減少至2000美元。“2000美元實(shí)際是一個大挑戰(zhàn)。”南加州天然氣公司技術(shù)開發(fā)經(jīng)理Cherif Youssef說。
一個方法是利用多孔材料填充儲油罐，從而能夠在溫和壓力下用海綿吸收甲烷，并在壓力降低時釋放該氣體。低壓將能讓燃料箱更輕更便宜，并能降低再填充它們的壓縮機(jī)成本。
活性炭就是一種海綿狀物，這種材料便宜，并廣泛用于各種工業(yè)用途。但它的理論最高生產(chǎn)能力只有220 v/v。一種名為有機(jī)金屬結(jié)構(gòu)（MOF）的材料已經(jīng)打敗了這一數(shù)字。與活性炭能隨意調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，MOF是多孔的晶體材料，能夠從原子尺度上進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便抓住甲烷分子。
研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了數(shù)百種MOF?；瘜W(xué)公司BASF已經(jīng)研發(fā)出合成噸量級的MOF，并在德國實(shí)地測試了MOF裝備。Framergy公司也表示，目前能夠制造克級MOF用于巴士。Boysen說，這些都是好消息。不過，“仍有工作需要做。”他說。
其他挑戰(zhàn)
燃料箱的形狀也是個問題。壓力溫和的海綿樣燃料箱能讓工程師制造與目前標(biāo)準(zhǔn)高壓壓力缸不同形狀的燃料箱。聯(lián)合技術(shù)研究中心（UTRC）下一代燃料箱項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Ellen Sun表示，這是重要的，因?yàn)樵谝惠v汽車?yán)?，汽缸會占?jù)大量空間。對于重型卡車和汽車而言，一個笨拙的燃料箱可能不是大問題，但它卻是載客小汽車“殺手”。
UTRC和其他公司也使用更常規(guī)的方法對高壓燃料箱進(jìn)行再設(shè)計(jì)，以減輕對其材料的壓力，以便將燃料箱制成任何需要的形狀。
無論最后哪種燃料箱脫穎而出，它們都將需要被再次注滿。工程師也正在努力提高這項(xiàng)技術(shù)。一個問題是燃料加注的時間。汽油泵每分鐘能提供10加侖汽油，能量傳輸率相當(dāng)于20兆瓦的功率。目前，CNG系統(tǒng)能在5分鐘填滿15加侖的燃料箱。但它們價格昂貴，并優(yōu)先服務(wù)卡車和專業(yè)車隊(duì)。
許多天然氣汽車的擁護(hù)者都夢想有一臺低壓壓縮機(jī)，能夠用于家庭燃料加注，美國約一半的家庭已經(jīng)安裝了天然氣線路。如果汽車能夠在家里填充燃料，消費(fèi)者將能忍受較慢的填充速度，就像電動車那樣。“家庭填充燃料和低壓燃料箱將是該行業(yè)游戲規(guī)則的主要改變者。”Youssef說。Boysen表示，這樣的壓縮機(jī)已經(jīng)進(jìn)入市場。但它的價格為5500美元，而Boysen的項(xiàng)目則希望能將這一數(shù)字削減90%。
在天然氣能源汽車會議上，研究人員報告了若干進(jìn)步。俄勒岡州立大學(xué)的一個研究小組表示，他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種能將一個氣缸變成壓縮機(jī)并充當(dāng)泵的天然氣引擎。同時，得克薩斯大學(xué)的研究人員則研發(fā)出了只有一個運(yùn)轉(zhuǎn)部件的簡化壓縮機(jī)：一個活塞反復(fù)滑動。他們預(yù)計(jì)造價可能為1500美元，距離Boysen項(xiàng)目的目標(biāo)不遠(yuǎn)。
正如MOF一樣，這些技術(shù)原型要進(jìn)入市場還有很長的路要走。研究人員還必須將水和其他雜質(zhì)從低壓天然氣管道中過濾出去，以免它們在燃料箱里積累。但由于目前市場需求有限，壓縮機(jī)生產(chǎn)商并不愿意投資新技術(shù)。國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室燃燒學(xué)家Bradley Zigler表示，結(jié)果就是“研究與商業(yè)轉(zhuǎn)化之間存在死亡之谷”。
即便工程師能克服所有這些技術(shù)困難卻仍然不夠。分析家表示，對于為新車花費(fèi)數(shù)萬美元的消費(fèi)者而言，他們需要這些技術(shù)同時被廣泛使用。而且，Boysen提到，即便是這樣，天然氣車輛還面臨更多可行性替代方案的競爭，并且駕駛者還需要相信天然氣汽車至少與現(xiàn)在的汽車做到同樣好。他們還需要能隨時隨地買到燃料。
而這一系列需求尤其需要新技術(shù)。但由于缺乏必要的基礎(chǔ)設(shè)施，使得消費(fèi)者很難接納這些新型汽車。但對于Boysen及其同事而言，天然氣的誘惑力遠(yuǎn)大于其他燃料。但他們也清楚，即使是最具吸引力的技術(shù)，現(xiàn)實(shí)也是殘酷的。（張章）
