天然气汽车储气方式的技术经济性分析

魏捷 胡娣

【摘要】NG作为一种能源，一般通过液化、压缩、吸附等形式进行储存，近年来，天然气被用作汽车燃料，对储气方式提出了全新要求。传统的液化方法具有一定的局限性，会加重汽车运行种类，CNG的储气方式则需高级压缩设备的支持，而且CNG加气站的建设、运行与维护成本较大，现阶段，吸附式天然气储存方式体现出一定的优势功能，运用于汽车储气，前景可观。本文分析天然气汽车储气方式的技术经济性。

【关键词】天然气；汽车储气方式；技术经济性分析

现阶段，我国已经进入空气重污染时期，空气质量令人堪忧，人类面临着严峻的生存环境危机。空气污染的一大来源为汽车尾气，加快汽车燃料改进，选择天然气做汽车燃料成为一大趋势，然而，天然气充当汽车燃料具有一定的弱点，体现在：燃烧所产生能量较低，无法支持交通工具的远距离运行，因此，汽车储气方式的选择成为一大焦点，各类储气方式有自身的优势和不足。

一、天然气作汽车燃料的优势和意义

同煤炭、石油相比，NG是典型的清洁型燃料且价格低廉，为汽车行业发展带来全新的力量。NG作为汽车燃料具有以下优势：

1、控制大气污染

同传统的原油燃料相比，天然气燃烧所产生的污染物比重较小，例如：减少99%的一氧化碳，97%的HC化合物，90%的二氧化硫，同时汽车启动噪音也显著下降，不会产生苯、芳香烃类似的毒害物。也控制了温室气体CO2的排放，控制温室效应问题的产生，保护空气质量，缓解雾霾危机。

此外，天然气燃烧中能够有效借助空气中的氧气，保证燃料充分燃烧，提高发动机热效率。

2、延长使用周期

天然气充当汽车燃料，能够有效延长燃烧时间，而且NG价格仅为石油价格的70%，控制了对润滑油的不良污染，无需频繁更新润滑油，减少了一半的费用支出。而且NG属于气态化工物，能够减少非法偷窃、变卖等问题，NG能够充分燃烧，防止汽车各构造的破损，维护汽车安全运行，延长汽车发动机的使用寿命。

3、安全系数更高

同燃油相比，NG的密度更小，在0.6m3/L以下，即使发生泄漏，容易被疏散，不会轻易出现爆炸事故，而且其燃点较高，不易出现燃烧事故。

从目前来看，NG属于一种有效的环保燃料，在保护空气质量相关方面体现出多方面的优势，具有一定的开发潜力。

二、天然气汽车储气方式的技术经济性分析

以上关于NG充当汽车燃料的分析体现出一定的优势意义，然而其中的缺陷在于天然气能量密度较低，根据试验研究表明：单位体积燃油燃烧能够带来大约34.8x103kJ，与此对应的天然气所产生能量只有0.04x103kJ，能量比重还达不到燃油的1%。选择NG充当汽车燃料，要想发挥其优势功能，当务之急是研发出一种性价比较高的储气技术。常见的NG储气方式主要包括三大类，不同的储气方式具有不同的技术经济性特征。

1、液化储存

液化天然气是一种常见的储气方式，通常被存在储罐内，LNG密度相对较高，而且其体积能量密度也能达到汽油的70%以上，是CNG的2倍，其中含有高纯度的CH4，支持汽车的远距离长途运输。液化储气方式存在自身的缺点，用在汽车中缺乏实用性。这是由于液化天然气的建设需要一个过程，其燃料站需要巨额投入，经济性相对较差，而且LNG要对储存温度有特殊要求，气瓶需要特殊的维护，液化天然气储存方式目前没能真正被运用于汽车行业。

2、压缩天然气储存方式

压缩天然气英文简称“CNG”，NG以压缩方式存于高压容器内部，操作压力一般在16.5MPa-0.34MPa，在这一操作压力下，NG体积比为230，能量密度同液化储气相比，相对较低，仅达到汽油能量密度的26%，现已经成为最为典型、最具优势的汽车储气方式。

CNG在汽车储气中的应用依然体现出一定的局限性，依然存在弱点和问题，依然未能彻底解决环境污染问题。

美国某再生能源实验室，进行了科学的试验，将压缩天然气储气汽车同汽油车进行实验对比，分析两类汽车的燃料消耗情况。经过实验得出，采用CNG的汽车，其燃料费较低，汽车行驶1.6km，较传统的燃油汽车，燃料费减少30%，汽车维护费下降15%，假设汽车每年行驶8万公里，单位汽车可减少1300$的投入。虽然CNG汽车节省了成本，却并未让CNG汽车真正占据有利的市场条件，具体原因在于压缩天然气储气方式具有自身的弱点和不足。其中CNG加气站的建设、运行、维护等都加剧了成本需求量，而且成本的投入也得不到及时、高效回收。CNG具体的劣势体现在：

第一，CNG加气站的建设、运行、维护需要大量的成本。例如：美国某CNG加气站，每0.0283立方米/分的容量成本达到1千美元，该加气站加大研究力度，尽量控制费用成本，然而，要想让CNG汽车占据更多的市场空间，在CNG加气站建设方面依然面临艰巨的任务，美国一些气体企业在CNG加气站建设方面投入了巨额资金，然而，事实证明，资金投入很难得到回报，这是由于CNG储气无法支持汽车远距离行驶，而且CNG加气站数量有限，运行中的汽车无法及時得到能量补充，导致NGV的销量得不到保证。同时，建成的加气站无法达到满负荷运行的效果，导致投资得不到有效回收。

第二，充气中需要特殊设备的辅助，例如：压缩机，要求压缩等级在6级以上，20-25MPa的压力，其价格较高、耗能较大。

第三，储气过程中，对高压容器提出特殊要求，达到无缝标准，制造工艺也相对复杂，高压储气瓶自身较重，安装在汽车结构中，会增加汽车的运行负担。第四，高压设备自身也具有一定的隐患问题，在不良条件下容易发生爆炸事故。

从我国现阶段的情况来看，经过实验证实，12个钢瓶的储气量只有60m3，能支持汽车航行250km，这就是需要缩短加气站间的距离，无疑更加大了加气站建设的资金投入。而且要想让压缩天然气充分发挥燃料功能，要求20MPa的压力，这其中形成了诸多问题，例如：高压充装设备需要大量成本投入。高压设备实际运行中也存在安全隐患。

3、吸附天然气储存方式

ANG技术具有一定的优势和进步性。具体是把吸附剂（微孔结构较多，且d在3nm以下），装在储气罐内，确保在常温、中低压状态下，NG能够以吸附的形式储存。此技术的显著特点为：在储存器内设置多孔吸附剂，通过吸附剂的吸附作用，来提高NG的储存密度和浓度。同以往的压缩式天然气储存方式对比，吸附天然气储存方式具有以下几大优势：

（1）ANG加气站选择了单级压缩方式，这样就有效控制了充气站的建设费用与施工成本。

（2）储气罐的选材范围更广。不同于压缩天然气储气方式，吸附式天然气储存方式下，可以选择多种类型的储气罐，其形状、质地、材料等的选择范围更广，且其质量较轻、压力较小，便于使用、更加安全，减轻了车辆负担，控制了行车风险。

（3）储存压力较低。储气罐储存压力需求只需保持在3-5MPa，将其应用于汽车，能够维持汽车的安全行驶。

ANG储气技术，作为一种新的储气方法，具有一定的优势，但是，要想充分发挥其优势，则要做好下面几项工作：

第一，提高吸附剂质量。由于吸附式储气技术主要是通过吸附的方式来储存天然气，因此，必须保证吸附剂的吸附水平，要加大力度研发出一种高比体积存储容量的吸附剂。

第二，吸附、脱附过程中所产生的热效应，将会对存储系统带来一定的影响作用。吸附过程中发生的放热现象，会影响NG的存储量，脱附过程中的吸热作用，会造成气体释放数量下降。根据具体实验研究，假设初期系统处于彻底隔热状态，NG的现实释放量则可能下降25%。

第三，NG中含有大量杂质，会对吸附剂功能的发挥造成不良危害。NG的主成分不仅有CH4，其中也包括二氧化碳、水、硫化物等杂质，它们可能影响活性炭吸附能力的发挥。

第四，当存储系统压力下降，达到0.1MPa，需要对系统内部气体做特殊处理，例如：加热，这样才能确保气体得到有效释放。

从目前来看，该储气方式最艰巨的任务就是高性能吸附剂的有效开发，扩大吸附剂比表面积、吸附孔体积，选择方便使用的吸附材料。自上个世纪中叶，多种吸附材料被研发出来，具体包括：天然沸石、硅胶、活性炭、分子筛等。现阶段，新型活性炭吸附剂成为一项最为广泛使用的吸附剂。然而，吸附剂的改进与更新依然需要一段较长的距离。

总结

汽车采用天然气燃料具有一定的优势意义与可行性，然而，储气方式的选择至关重要，同液化储气方式、压缩储气方式相比，吸附性储气方式具有一定的优势性能，能够提高储气能力，是一项值得深入推广与研究的技術。

参考文献

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