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。
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Dane Boysen是一個(gè)令人討厭的“銷售員”。在一個(gè)天然氣汽車會(huì)議上，美國(guó)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(huì)想聽(tīng)。“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(tīng)眾則發(fā)出了開(kāi)玩笑的倒喝彩聲，但他們知道Boysen講的是能量密度問(wèn)題。1升汽油能驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wú)法與汽油相媲美。
然而，Boysen的ARPA-E項(xiàng)目在過(guò)去5年間花費(fèi)了3000萬(wàn)美元，推動(dòng)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(chǔ)量豐富且價(jià)格便宜。目前，美國(guó)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(jià)格卻只有前者的一半。而且，目前美國(guó)已知的天然氣儲(chǔ)量至少能維持到下個(gè)世紀(jì)。天然氣也相對(duì)干凈。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的二氧化碳比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)少30%，同時(shí)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(dòng)機(jī)已經(jīng)存在。經(jīng)過(guò)略微鑄補(bǔ)，傳統(tǒng)的汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)就能使用天然氣。根據(jù)美國(guó)行業(yè)貿(mào)易集團(tuán)NGVAmerica的數(shù)據(jù)，全世界有1520萬(wàn)輛天然氣動(dòng)力車輛在行駛。其中美國(guó)有14.2萬(wàn)輛。大部分是重型卡車和公共巴士。一些預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，到2030年，美國(guó)大多數(shù)卡車將使用天然氣能源。
對(duì)于重型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)學(xué)才是“驅(qū)動(dòng)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(wàn)美元。Trillium CNG市場(chǎng)開(kāi)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(wàn)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(dòng)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(duì)相信該技術(shù)將會(huì)騰飛。”Boysen說(shuō)。加利福尼亞能源委員會(huì)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(jià)值，那就是天然氣技術(shù)。”
但負(fù)責(zé)指導(dǎo)NGVAmerica 市場(chǎng)開(kāi)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(guó)只售出2000輛，而汽油汽車的銷售量則是每年150萬(wàn)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(huì)議中心的一個(gè)小舞臺(tái)時(shí)，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(guó)電視和中國(guó)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(lái)越多地遵照口岸污染標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)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)楸驹略碌祝麑㈦x開(kāi)ARPA-E。他一個(gè)接一個(gè)地列舉出了該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)以及工程師為解決問(wèn)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(wèn)題是能量密度過(guò)低。在常溫常壓環(huán)境下，每升僅有4萬(wàn)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(gè)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(wú)法去機(jī)場(chǎng)接人。”Boysen說(shuō)。
燃料箱還必須加壓。現(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B(niǎo)oysen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(gè)大挑戰(zhàn)。”南加州天然氣公司技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Cherif Youssef說(shuō)。
一個(gè)方法是利用多孔材料填充儲(chǔ)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(shí)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。化學(xué)公司BASF已經(jīng)研發(fā)出合成噸量級(jí)的MOF，并在德國(guó)實(shí)地測(cè)試了MOF裝備。Framergy公司也表示，目前能夠制造克級(jí)MOF用于巴士。Boysen說(shuō)，這些都是好消息。不過(guò)，“仍有工作需要做。”他說(shuō)。
其他挑戰(zhàn)
燃料箱的形狀也是個(gè)問(wèn)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)铮讜?huì)占據(jù)大量空間。對(duì)于重型卡車和汽車而言，一個(gè)笨拙的燃料箱可能不是大問(wèn)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(duì)高壓燃料箱進(jìn)行再設(shè)計(jì)，以減輕對(duì)其材料的壓力，以便將燃料箱制成任何需要的形狀。
無(wú)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(gè)問(wèn)題是燃料加注的時(shí)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(jià)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?jí)粝胗幸慌_(tái)低壓壓縮機(jī)，能夠用于家庭燃料加注，美國(guó)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(dòng)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(shuō)。Boysen表示，這樣的壓縮機(jī)已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)。但它的價(jià)格為5500美元，而B(niǎo)oysen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(huì)議上，研究人員報(bào)告了若干進(jìn)步。俄勒岡州立大學(xué)的一個(gè)研究小組表示，他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種能將一個(gè)氣缸變成壓縮機(jī)并充當(dāng)泵的天然氣引擎。同時(shí)，得克薩斯大學(xué)的研究人員則研發(fā)出了只有一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)部件的簡(jiǎn)化壓縮機(jī)：一個(gè)活塞反復(fù)滑動(dòng)。他們預(yù)計(jì)造價(jià)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(chǎng)還有很長(zhǎng)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(guò)濾出去，以免它們?cè)谌剂舷淅锓e累。但由于目前市場(chǎng)需求有限，壓縮機(jī)生產(chǎn)商并不愿意投資新技術(shù)。國(guó)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(duì)于為新車花費(fèi)數(shù)萬(wàn)美元的消費(fèi)者而言，他們需要這些技術(shù)同時(shí)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(jìng)爭(zhēng)，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(shí)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(duì)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）
