我國中遠(yuǎn)期能源發(fā)展戰(zhàn)略研究

我國中遠(yuǎn)期能源發(fā)展戰(zhàn)略研究

（續(xù)期，約為預(yù)備期）。用煤經(jīng)合成氣制合成油的工藝流程長,投資大,每噸油品耗標(biāo)煤3.5噸,新鮮水10噸,對于3百萬噸/年規(guī)模的液化工廠,噸油投資在9300元以上。與此對比,GTL工廠投資少,當(dāng)天然氣價格低于1元/m3時,油品出廠價低于煤合成油。合成油產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良,無硫柴油十六烷值接近80,石腦油是生產(chǎn)乙烯的優(yōu)良裂解原料,還有高檔石蠟和潤滑油。合成醇醚:由煤或天然氣等原料制備的合成氣在中壓、中溫和催化劑作用下可轉(zhuǎn)化為甲醇。甲醇是人工合成的化學(xué)品中產(chǎn)量最大者之一,工藝成熟,目前已經(jīng)向大型化(百萬噸級)發(fā)展,成本隨之降低。若生產(chǎn)燃料級甲醇產(chǎn)品,成本還可進(jìn)一步降低。我國以煤為原料生產(chǎn)甲醇技術(shù)擁有自行設(shè)計(jì)、制造和施工能力,甲醇生產(chǎn)規(guī)?？纱罂尚?具有靈活性;但為了提高資源和能源利用率、市場競爭力和影響力,新建甲醇項(xiàng)目趨于大型化。每噸甲醇耗標(biāo)煤1.8噸,新鮮水7噸,對于1.8Mt/a規(guī)模的工廠,噸甲醇投資在3900元以上。工業(yè)上甲醇進(jìn)一步脫水制備二甲醚化學(xué)品,技術(shù)成熟。國內(nèi)外正在開發(fā)合成氣一步法制備二甲醚,可望使二甲醚化學(xué)品或燃料的生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低,為大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。甲醇和二甲醚生產(chǎn)規(guī)模靈活,原料來源廣泛。目前國際上主要采用天然氣生產(chǎn),國內(nèi)主要采用煤炭生產(chǎn)。特別對不能作為動力煤直接燃燒的高硫、劣質(zhì)煤,可作為合成甲醇燃料的原料,得到潔凈利用。此外,大量副產(chǎn)的煤層氣、焦?fàn)t煤氣、化工釋放氣等均可生產(chǎn)甲醇和二甲醚燃料。從長遠(yuǎn)看,采用生物質(zhì)氣化制備甲醇可實(shí)現(xiàn)甲醇生產(chǎn)的可再生化。甲醇與汽油混合做成M15、M85或M100(純甲醇)可替代汽油作為清潔車用運(yùn)輸燃料,尾氣排放的污染物較少。國外曾經(jīng)應(yīng)用過一段時期,但由于多種原因未能推廣應(yīng)用。我國從20世紀(jì)80年代開始甲醇燃料的試用和研究工作,曾列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目,由山西和中科院分別負(fù)責(zé)攻關(guān)。國家科委1994年安排、實(shí)施了山西省利用小化肥聯(lián)醇發(fā)展民用燃料及化工產(chǎn)品的可行性研究,1996年組織了煤制甲醇的能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的生命周期研究,得出了“在山西省等富煤地區(qū)發(fā)展燃料甲醇與甲醇汽車是現(xiàn)實(shí)可行的”研究結(jié)論。山西省在“九五”期間就承擔(dān)了國家經(jīng)貿(mào)委“煤制甲醇-潔凈燃料汽車示范工程,開展了試驗(yàn)示范階段,城際客運(yùn)中巴車采用M85~M100燃料甲醇,獲得良好結(jié)果。2002年9月頒布實(shí)施《車用燃料甲醇》、《M5、M15甲醇汽油》2個地方標(biāo)準(zhǔn)和儲運(yùn)標(biāo)準(zhǔn),新建、改建100座加油站銷售甲醇汽柴油。正在制訂M90、M93、M95、M97甲醇汽油,在太原、陽泉、大同和臨汾四城市推廣。另外承擔(dān)國家科技攻關(guān)計(jì)劃“甲醇燃料汽車示范工程”,組建了四個甲醇燃料汽車示范隊(duì)(55輛),分別以不同緯度、不同車型、不同燃燒裝置和不同運(yùn)營路線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保、安全和管理等方面的檢測和對比分析,結(jié)果表明甲醇燃料汽車的使用不僅安全、可靠,而且經(jīng)濟(jì)效益明顯。2006年計(jì)劃投入2000輛甲醇燃料靈活出租車運(yùn)營,實(shí)踐將表明大規(guī)模推廣甲醇燃料車的成熟性,特別是M100甲醇燃料更有意義。二甲醚十六烷值高,是優(yōu)良的柴油機(jī)清潔燃料,但二甲醚的發(fā)動機(jī)和整車技術(shù)有待成熟,商業(yè)應(yīng)用有待時日,且二甲醚常壓下為氣體,需加壓瓶裝儲存,儲運(yùn)和加裝成本高。今后在大型化生產(chǎn)降低價格后,可能用于定點(diǎn)線路的城市公交車輛。氫氣:煤或天然氣制造合成氣的過程中,少許改動工藝流程就可制成氫氣。主要是采用中溫和低溫CO變換結(jié)合,加大變換深度,同時也增加了脫除CO2的負(fù)荷。提高氫純度一般使用變壓吸附(PSA)工藝。大致4噸天然氣或7噸標(biāo)煤能生產(chǎn)1噸氫。大型天然氣制氫裝置投資年每噸純氫約需5500元,而煤制氫則需12000元。預(yù)計(jì)當(dāng)每m3天然氣價格為0.7元時,氫氣(2MPa)出廠銷售價為6元/kg,每噸入廠煤價格為100元時,氫氣(2MPa)出廠銷售價為7.4元/kg?？紤]今后氣化、凈化、分離和制氧新技術(shù)的出現(xiàn),上述價格應(yīng)會降低。車用燃料電池發(fā)動機(jī)使用氫燃料時,氫的儲存、運(yùn)輸和加注等過程均要求在高壓下進(jìn)行,其投資和費(fèi)用均高,甚至大大超過制造成本。因此,在社會擁有氫能汽車的早期,有限氫的供應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,只能利用已有的天然氣網(wǎng)絡(luò),按小規(guī)模分散方式產(chǎn)氫。隨著氫能汽車的普及,以煤為原料的大型制氫工廠和氫氣長輸管線將在全國逐步形成集中生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)格局。綜合展望:我國煤炭資源相對豐富,而且西北產(chǎn)煤區(qū)的煤價較低,煤轉(zhuǎn)化作為石油替代燃料是可行的。每年將1.5~2.0億噸煤做轉(zhuǎn)化原料,不論是液化或是制取醇醚燃料,均能產(chǎn)出折合4000~5300萬噸原油的替代燃料。2030年后,隨著燃料電池汽車的進(jìn)入市場,將已有的煤轉(zhuǎn)化裝置逐步改產(chǎn)氫氣,上述煤量可替代更多原油。此外如采用煤發(fā)電供熱聯(lián)產(chǎn)合成油、甲醇或氫的技術(shù),還能進(jìn)一步節(jié)省煤耗。對我國來說,煤轉(zhuǎn)化為石油替代燃料可行,替代份額取決于經(jīng)濟(jì)性和煤的供應(yīng)量。另外,由煤制備替代燃料的同時,還可分離出CO2,便于集中處理,為CO2的減排奠定良好平臺。5生物質(zhì)燃料乙醇生物質(zhì)能是太陽能通過光合作用轉(zhuǎn)化而成的自然能源,生物質(zhì)資源包括傳統(tǒng)的秸稈、牲畜糞便、薪柴和城市有機(jī)廢棄物等,還有今后發(fā)展的各種速生能源植物(速生林、速生草本植物和富糖植物、富油脂植物等),是潔凈的可再生能源,是唯一能轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生能源。目前我國農(nóng)作秸稈、林木生物質(zhì)及畜禽糞便三類中可用做能源的資源總量約折標(biāo)煤6.5億噸,考慮到逐年的增長率以及能源作物的種植對傳統(tǒng)生物質(zhì)資源的補(bǔ)充,2020年~2050年預(yù)期分別達(dá)到9億噸和12億噸標(biāo)煤。雖然我國可耕土地少而人口多,與民爭糧的擔(dān)心一直存在,但有的專家通過調(diào)研認(rèn)為:本世紀(jì)前50年保持現(xiàn)有糧田面積不變,通過科技進(jìn)步提高單產(chǎn),在可滿足人口增加與生活水平提高的糧食需求以外,還有可能騰出部分耕地用于種植能源作物,或復(fù)種套種能源作物;此外,在一些未利用土地上種植速生、耐受性好的能源作物,都是對未來生物質(zhì)資源供給的重要補(bǔ)充。生物質(zhì)的特點(diǎn)是資源分散,熱值低(風(fēng)干物的低位熱值只有標(biāo)煤的60%左右),品種雜,存在明顯的區(qū)域性和季節(jié)性。簡單的分散利用方式只有農(nóng)戶的沼氣池,而高效率、低成本的加工,將其轉(zhuǎn)化為電能或石油替代燃料就必須在大型裝置進(jìn)行,日加工能力達(dá)到千噸或幾千噸級,為此存在著收集、干燥、打包和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié),都需要一定的費(fèi)用支出,并且一般在超過15公里以后,運(yùn)輸費(fèi)用隨收集半徑增大而增加。生物質(zhì)原料成本由直接成本、收集成本、運(yùn)輸成本、儲存成本和預(yù)處理成本組成。在不考慮儲存成本的情況下,每噸廢棄生物質(zhì)的進(jìn)廠收購價至少在100元以上,多數(shù)達(dá)200元(不含專門種植的速生糖料和油料作物)。國外根據(jù)市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律,估算能取得的生物質(zhì)資源量隨收購價增高而增多,但一般認(rèn)為每噸價位20至40美元可以接受。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為替代石油運(yùn)輸燃料必須改變其化學(xué)結(jié)構(gòu),通常采用生物化學(xué)法和熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法等途徑,乙醇、生物柴油、合成油、合成醇醚和氫都是主要的生物質(zhì)燃料產(chǎn)品。生物質(zhì)制燃料乙醇:生物質(zhì)成份中的糖、淀粉、纖維素和半纖維素都可通過多種發(fā)酵工藝生產(chǎn)無水酒精即燃料乙醇。糖、淀粉發(fā)酵制造酒精是成熟的傳統(tǒng)工藝,具體原料隨地區(qū)而異,我國北方目前以玉米、小麥為主,南方以木薯、甘蔗為主。美國則用玉米,巴西用甘蔗。為了消化國家糧庫陳糧,已建成百萬噸燃料乙醇生產(chǎn)能力,調(diào)配成E10乙醇汽油,在東北和中部多地推廣應(yīng)用。用糧食做燃料乙醇工廠建設(shè)投資約4200元/噸(年產(chǎn)30萬噸),按3.3噸玉米生產(chǎn)1噸乙醇計(jì)算:玉米價格1200元/噸,、加工費(fèi)1000元計(jì)算,如不計(jì)算副產(chǎn)品收入,變性燃料乙醇的生產(chǎn)成本大約接近5000元/噸。國家規(guī)定車用乙醇汽油售價必須與同標(biāo)號的汽油“同升同降”,變性燃料乙醇按同期90號汽油出廠價乘以0.9111的價格進(jìn)行結(jié)算。因燃料乙醇成本較高,國家給以補(bǔ)貼(每噸乙醇近千元),如果油價上升,燃料乙醇可以形成競爭力。美玉米乙醇隨工廠規(guī)模和工藝不同,噸成本在300~369美元范圍。燃料乙醇大量推廣的核心問題是原料問題,單純靠小麥、玉米不僅價格高,而且資源量有限,應(yīng)另尋原料。南方的木薯每公頃可提供5~7噸燃料乙醇,北方的甜高粱每公頃可提供3~5噸燃料乙醇,每噸的生產(chǎn)成本可以降低1000元以上,是合宜的候選原料。當(dāng)然為此需要做進(jìn)一步的一系列調(diào)研和論證,確認(rèn)能否達(dá)到總產(chǎn)千萬噸級規(guī)模,并相應(yīng)進(jìn)行有關(guān)部署落實(shí)。農(nóng)作物廢棄的秸稈含有60%以上的纖維素和半纖維素,經(jīng)預(yù)處理和水解即轉(zhuǎn)化為醣(五碳或六碳),然后發(fā)酵生成乙醇,這一技術(shù)途徑如果得以實(shí)現(xiàn),將可以有效地?cái)U(kuò)大燃料乙醇的資源量。近年來國內(nèi)外致力研究纖維素和半纖維素酶轉(zhuǎn)化技術(shù),力求高效能和低成本。關(guān)鍵環(huán)節(jié)是纖維素的水解糖化過程,生物法及酶水解法被認(rèn)為是最有希望的工藝,但纖維素酶的成本降低、發(fā)酵工藝優(yōu)化以及酒精廢糟的綜合利用問題有待突破。美國預(yù)測使用玉米秸稈原料,年產(chǎn)乙醇20萬噸工廠建設(shè)投資折860美元/年噸(2010年),每噸乙醇需3.3噸干秸稈,制造費(fèi)約70美元,估計(jì)出廠銷售價為360美元(當(dāng)前水平為800美元)。注意到制造過程外購纖維分解酶的費(fèi)用約占售價10%,工藝流程也較復(fù)雜,今后存在改進(jìn)工藝降低成本的空間。為了利用基因科學(xué)技術(shù)為清潔能源服務(wù),美國能源部近年啟動一項(xiàng)稱為GTL(GenomestoLife)的重大攻關(guān)課題,目標(biāo)之一就是通過深入研究微生物群體在基因作用下如何更有效地將纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖肌＝谀繕?biāo)是在2012年將纖維素乙醇的成本降低到玉米乙醇的水平;遠(yuǎn)期(2050年)目標(biāo)是最低出廠價進(jìn)一步降為200美元/噸(按熱值當(dāng)量折每加侖汽油91美分)。此目標(biāo)若能實(shí)現(xiàn),則屆時通過纖維素轉(zhuǎn)化生產(chǎn)的燃料乙醇將取代美國車用燃油總量的部分以至全部。使用E10乙醇汽油對汽車無需改造,推廣應(yīng)用靈活性較大,但只能替代汽油用量的8%~9%。從全國各地的區(qū)域性特點(diǎn)考慮估算,可能替代5%左右。為了擴(kuò)大替代份額,應(yīng)考慮在某些地區(qū)推廣應(yīng)用E85乙醇汽油,汽車制造商要專門生產(chǎn)適用的車型(國外稱為FFV,即靈活燃料汽車,價格約比常規(guī)轎車貴),但這是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要國家統(tǒng)籌安排。預(yù)計(jì)2035年后隨著纖維素制廉價乙醇的成功實(shí)現(xiàn)而得到實(shí)施。生物柴油:以包括植物油、動物油脂和廢餐飲油(地溝油)在內(nèi)的各種油脂為主要原料,經(jīng)過預(yù)處理和酯交換反應(yīng)(用甲醇將甘油置換),得到脂肪酸甲酯(FAME)又稱生物柴油。它具有柴油的主要性能,可作為調(diào)合物使用,通常調(diào)成20%(體積)比率,簡稱B20。植物油來源廣泛,有草本的大豆油、棉籽油、菜籽油和木本的棕櫚油、黃連木籽油等。但多數(shù)為人工栽培的食用品,價格昂貴。為了開辟廉價油源,可考慮在長江流域的冬閑稻田上移栽油菜,它的成熟時間短,不影響前后茬水稻的種植。栽培成本比單種油菜低。如能發(fā)展一千萬公頃,即可制取生物柴油一千萬噸。利用荒地種植黃連木、麻風(fēng)樹等非食用木本油料植物也是生物柴油的另一來源。每公頃可獲得柴油2~3噸。油料作物基生物柴油每噸價格在4000元上下,而麻風(fēng)樹等木本油料基和垃圾油脂基生物柴油每噸價格可降到3000元以下,因此,大力開發(fā)高含油量植物可解決原料價格和原料供應(yīng)的雙重問題。據(jù)國外資料,以大豆油原料生產(chǎn)10萬噸柴油的工廠投資約7000萬美元,折700美元/噸年。每噸柴油直接加工費(fèi)$50,間接成本$95,扣除回收副產(chǎn)品甘油,并考慮投資回報(bào)后每噸售價需高于原料$95。結(jié)合國內(nèi)情況,計(jì)入增值稅、消費(fèi)稅和所得稅等稅費(fèi),大致每噸柴油出廠價高于原料收購價1000元左右。生物柴油的生產(chǎn)技術(shù)成熟,雖然還有完善的余地,但主要矛盾首先是組織廣大農(nóng)民從事種植油料作物,在給以合理報(bào)酬下努力降低成本,爭取每噸油收購價不高于2000元,以此條件估算可能取得的油源。餐飲廢油是低價的生物柴油原料,雖然總量有限,但可以實(shí)現(xiàn)燃料油轉(zhuǎn)化和改善衛(wèi)生環(huán)保條件,近期就可以實(shí)現(xiàn),值得重視。其次是調(diào)合比例問題,如果全面推廣,將能替代近20%的柴油燃料(熱值為石油柴油的0.92倍)。生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化:生物質(zhì)如同煤一樣,可以在高溫下熱分解或全部氣化(用空氣或氧氣);不同的是生物質(zhì)熱值低、密度小、預(yù)處理復(fù)雜、產(chǎn)品產(chǎn)率低,且產(chǎn)生大量含氧化合物的“生物油”,精制后可做燃?xì)廨啓C(jī)燃料,但要轉(zhuǎn)化為車用燃料就需要經(jīng)過重整變成氣體?？傊?生物質(zhì)氣化爐是正在開發(fā)中目前還不夠成熟的一項(xiàng)技術(shù),用于發(fā)電的爐型進(jìn)展較快,而用于生產(chǎn)合成氣的爐型開發(fā)相對滯后。用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法把生物質(zhì)先氣化制成合成氣,就能在該平臺上利用相關(guān)工藝生產(chǎn)合成油、二甲醚等醇醚燃料或氫氣。國外曾提出BTL即生物質(zhì)經(jīng)氣化,然后用費(fèi)-托法合成柴油的技術(shù),比喻為來自太陽的柴油,既是清潔燃料,又不凈排放CO2,確實(shí)有吸引人之處。但是核心問題是經(jīng)濟(jì)效益。國外有專家測算年產(chǎn)10萬噸柴油的BTL工廠,生物質(zhì)(干基)收購價3歐元/GJ,總投資約2.9億歐元,柴油價16歐元/GJ,通過技術(shù)發(fā)展,2020年生物質(zhì)(干基)收購價2歐元/GJ,那么總投資約2.3億歐元,柴油價9歐元/GJ。對照以煤為原料年加工規(guī)模百萬噸級的CTL工廠,單位(GJ)投資明顯較高。植物光合制氫:水生微型藻類可以通過光合作用在無氧條件下不還原CO2生成碳水化合物而直接產(chǎn)生氫氣,按理論計(jì)算其產(chǎn)氫量為植物干物質(zhì)重量的1/15。氫經(jīng)燃料電池轉(zhuǎn)化為交通能源其總能量利用效率高于生物質(zhì)制備乙醇做內(nèi)燃機(jī)燃料的效率。同時生物光合產(chǎn)氫的更深層意義在于它是無碳能源。植物光合制氫還有一個重要特點(diǎn)就是生產(chǎn)過程中除氫的原料水之外幾乎是不耗水的。而單位植物生物質(zhì)干物質(zhì)的積累都需消耗200倍水(木本植物)或1000倍水(草本植物)。我國北方廣大地區(qū)光熱資源豐富,但干旱缺水正是可以在可控環(huán)境下大規(guī)模養(yǎng)殖藻類,將成為我國的可再生氫源地區(qū)。經(jīng)國內(nèi)外多年研究,對藻類產(chǎn)氫機(jī)理已有基本了解,有待繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)研究和工程開發(fā),降低反應(yīng)設(shè)備投資,取得低成本的氫氣。綜合展望:我國生物質(zhì)資源總量僅為巴西的1/4,因此千方百計(jì)擴(kuò)大生物質(zhì)資源量是我國生物質(zhì)研究的永恒主題。那就需要對資源植物的常規(guī)與生物技術(shù)并舉選育良種擴(kuò)大種植。生物質(zhì)能屬可再生能源,所生產(chǎn)的燃料歸于清潔燃料范疇。國外首先開發(fā)的是燃料乙醇和生物柴油,技術(shù)成熟,可作為汽油或柴油的調(diào)合組分,預(yù)期2020年產(chǎn)量可替代10%~20%的運(yùn)輸燃料。我國待有效利用與開發(fā)的生物質(zhì)資源尚屬豐富,參照國外經(jīng)驗(yàn)也以燃料乙醇和生物柴油為先期目標(biāo)。但為了不與民爭糧,不與糧爭地,最終替代的份額有限。因此宜努力開發(fā)利用纖維素、半纖維素水解、醣化、發(fā)酵制燃料乙醇的技術(shù),爭取在基因工程研究方面有所突破,提高產(chǎn)率并降低成本,經(jīng)過10年左右其成本達(dá)到糧食乙醇水平,2040年前可與汽油競爭。降低對糧食和油料作物依賴的另一途徑是還應(yīng)積極開發(fā)生物質(zhì)熱化學(xué)工程技術(shù),降低生產(chǎn)凈化合成氣的裝置投資與成本,創(chuàng)造全面綜合利用生物質(zhì)的范例。此外注意到生物質(zhì)資源分散、品種多樣、含水多、熱值低的不利因素,應(yīng)細(xì)致研究有關(guān)作物的育種、栽培、收割、采集、干燥、打包、運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)方法,還應(yīng)力爭擁有多種高效、經(jīng)濟(jì)和清潔的轉(zhuǎn)化技術(shù),力求降低各環(huán)節(jié)的費(fèi)用,使大型加工廠在優(yōu)化條件下運(yùn)營。6交通油脂是最主要的宏觀措施,需要繼續(xù)關(guān)注交通監(jiān)管和綜合交通體系的建設(shè)表9及表10中列出了國際先進(jìn)國家美國、日本、歐共體15國(奧地利、比利時、德國、丹麥、西班牙、希臘、法國、芬蘭、意大利、愛爾蘭、盧森堡、荷蘭、葡萄牙、瑞典、英國)與我國2000年的交通網(wǎng)簡況及客運(yùn)與貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量簡況?？梢钥闯?交通網(wǎng)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)與國土面積的大小、人口的多少及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度緊密相關(guān),我國要達(dá)到當(dāng)前發(fā)達(dá)國家按國土面積或人口密度水平的交通網(wǎng)水平,我國公路網(wǎng)規(guī)模還要增大五倍,達(dá)七百萬公里,鐵路網(wǎng)規(guī)模要增大三倍,達(dá)二十萬公里,按我國當(dāng)今的建設(shè)速度,達(dá)到這種規(guī)模,還需半個世紀(jì)的持續(xù)努力。從綜合交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看,發(fā)達(dá)國家近二、三十年各種交通工具的份額已大致穩(wěn)定,在客運(yùn)周轉(zhuǎn)量中,美、歐以汽車與飛機(jī)為主,份額達(dá)93~99%,貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量中的份額各國有較大差別,我國當(dāng)前客運(yùn)份額與日本相近,而貨運(yùn)接近美國。根據(jù)預(yù)測,我國2020年的旅客周轉(zhuǎn)量將為2000年的3.2倍,達(dá)3.9萬億人·公里,貨物周轉(zhuǎn)量將為2000年的2倍,達(dá)8.9萬億噸·公里。與此相適應(yīng),交通耗油將迅速增長,由2000年的0.55億噸上升到2020年的2.56億噸,占全國石油總耗量的份額由25%上升至57%,特別值得注意的是,我國全國總油耗預(yù)期在2000~2020年間增加2.3億噸,而其中交通油耗增加2億噸,占87%,充分說明降低交通耗油,構(gòu)建節(jié)油的綜合交通體系的重要性。2020年后,我國交通需求仍將繼續(xù)增長,隨著全球石油供應(yīng)的衰竭,情況將更為嚴(yán)重。我國整個交通運(yùn)輸系統(tǒng)仍處在高速發(fā)展期,其結(jié)構(gòu)需經(jīng)長期發(fā)展才能達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài),還可進(jìn)行積極調(diào)控。為科學(xué)地、正確地構(gòu)建我國未來的綜合交通運(yùn)輸體系提供了良好的機(jī)遇與可能性,抓住機(jī)遇,將交通節(jié)油放在突出重要位置上,研究擬定相應(yīng)的方針,以期能及時、正確、科學(xué)地逐步構(gòu)建我國現(xiàn)代化的、可持續(xù)發(fā)展的綜合交通體系,將是交通節(jié)油最重要的宏觀措施。汽車、飛機(jī)當(dāng)前均靠燃油為動力,要大力發(fā)展電氣化軌道交通,努力使公路與民航的份額不繼續(xù)迅速增長。從國家組織管理層面看,為構(gòu)建我國現(xiàn)代化的、節(jié)油的、可持續(xù)發(fā)展的綜合交通體系,我國公路、鐵路、民航及水運(yùn)已有較好的基礎(chǔ)和專門的國家管理機(jī)構(gòu),正在進(jìn)行著積極的努力,存在的問題是:(1)應(yīng)該設(shè)立機(jī)構(gòu)來統(tǒng)一、協(xié)調(diào)全國的發(fā)展。(2)一些新興技術(shù),如電動汽車及磁浮列車技術(shù),對未來發(fā)展有著重大意義,目前處于研發(fā)、示范與產(chǎn)業(yè)化起步階段,應(yīng)明確有相應(yīng)的國家管理部門給予特別的關(guān)注來統(tǒng)一規(guī)劃、部署與協(xié)調(diào)有關(guān)研發(fā)、示范、產(chǎn)業(yè)化與大規(guī)模應(yīng)用工作。希望能給予重視,及時解決。軌道交通是大運(yùn)量公共交通的主要方式,其單位乘客人·公里的能耗比汽車與飛機(jī)低3~4倍,是交通節(jié)能的重要途徑。由電氣化鐵路、城市軌道交通與磁浮交通組成的電氣化軌道交通采用電力驅(qū)動,電可由各種能源產(chǎn)生,從而可大幅度地節(jié)油,有效減少交通對于石油供應(yīng)的依賴性。電氣化軌道交通沒有隨車尾氣排放,從而還可有效解決燃油交通帶來的嚴(yán)重的大氣污染問題。近年來,一些新技術(shù),如城市軌道交通新技術(shù)、磁浮列車技術(shù)取得了令人鼓舞的進(jìn)展,為推進(jìn)電氣化軌道交通的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化增強(qiáng)了活力。電氣化鐵路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化與大規(guī)模應(yīng)用。全國解放時鐵路承擔(dān)著全國65%的客運(yùn)量和約85%的旅客周轉(zhuǎn)量,是主要的客運(yùn)交通工具。解放以來,鐵路得到了快速發(fā)展,2002年總長達(dá)7.19萬公里,由于公路與民航的發(fā)展,其在客運(yùn)中的份額有所下降,承擔(dān)著全國6.6%的客運(yùn)量和35.2%的旅客周轉(zhuǎn)量,仍然保持著客運(yùn)的骨干地位。在貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量中2003年的份額為32%。雖然我國鐵路獲得了歷史性的大發(fā)展,已成長起來與鐵道有關(guān)的完整的產(chǎn)業(yè)體系,但與我國交通發(fā)展需求和國際技術(shù)先進(jìn)水平相比,仍然存在著很大差距,主要表現(xiàn)在:(1)我國鐵路路網(wǎng)密度按國土面積計(jì)算,僅為74.89公里/萬平方公里,按人口計(jì)算,僅為0.56公里/萬人,在世界重要鐵路國家中仍屬后進(jìn)。(2)運(yùn)營速度低。旅客列車最高運(yùn)行速度長期徘徊在105~110公里/小時,自1997年起經(jīng)過4次大規(guī)模提速和運(yùn)行圖調(diào)整后,旅客列車最高速度提高到140~160公里/小時,但是仍落后于世界鐵路30年。目前我國旅客列車平均速度為72.4公里/小時,僅相當(dāng)于西歐國家20世紀(jì)50年代鐵路的水平。(3)鐵路電氣化率低。2001年我國電氣化鐵路總里程1.69萬公里,占鐵路總里程7.01萬公里的24%。在未來的綜合交通運(yùn)輸體系中,繼續(xù)努力保持鐵路交通的骨干地位,應(yīng)成為發(fā)展的重要原則。為此,必須繼續(xù)努力擴(kuò)大鐵路網(wǎng)規(guī)模,計(jì)劃2020年達(dá)到總運(yùn)營里程10萬公里;要建設(shè)客運(yùn)專線網(wǎng),實(shí)行客貨分流;客運(yùn)網(wǎng)應(yīng)努力繼續(xù)提高運(yùn)營速度至200公里/時以上,在長大干線方面要與磁浮列車有合理分工,以期與民航競爭中實(shí)現(xiàn)有效分流;要大幅度提高電氣化率,由當(dāng)前的26%增至2020的約50%,使鐵路的油耗量大體保持在當(dāng)前水平?？上驳氖?鐵道部門已做出了規(guī)劃與部署。城市軌道交通采用獨(dú)立的專用軌道、電力驅(qū)動、高密度運(yùn)行,是現(xiàn)代化城市大眾化、大運(yùn)量快速客運(yùn)的骨干系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)距長短、運(yùn)量大小及旅行速度的不同,已發(fā)展了有軌電車、地鐵、輕軌與市郊鐵路等多種系統(tǒng)并得到了實(shí)際應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)社會與城市化的發(fā)展,城市軌道交通以其運(yùn)量大、污染小的特點(diǎn)引起人們的重視,我國各大中城市掀起了發(fā)展城市軌道交通的熱潮。加速城市軌道交通的發(fā)展是減少交通油耗的另一重要方面。它將有效提高市民使用公共交通的積極性,其節(jié)油效果將表現(xiàn)為汽車數(shù)量增速減緩和單位車輛平均年耗油量下降。隨著規(guī)模的擴(kuò)大,其效果將日益顯著。城市軌道交通的建設(shè)需要政府作為基礎(chǔ)設(shè)施給予積極的資金支持。從技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展看,我國地鐵、輕軌等城市軌道交通起步較晚,設(shè)備由多國引進(jìn),尚未形成完整的產(chǎn)業(yè),面對許多城市大力發(fā)展城市軌道交通的積極性與需求,努力提高我國的技術(shù)水平,大力推進(jìn)國產(chǎn)化進(jìn)程,盡快形成完整的、現(xiàn)代先進(jìn)水平的產(chǎn)業(yè)是當(dāng)務(wù)之急。近年來又發(fā)展了直線電機(jī)驅(qū)動的輪軌車和中、低速磁懸浮列車等新技術(shù),它們的起動快、噪音小、轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)點(diǎn)將在城市軌道交通中得到應(yīng)用,抓住新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇,實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,也應(yīng)給予充分的關(guān)注。我們應(yīng)抓緊制定建設(shè)、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃、戰(zhàn)略及措施,來推動與指導(dǎo)有關(guān)工作的前進(jìn)。磁浮交通經(jīng)過長期持續(xù)努力,已開始進(jìn)入了實(shí)用,將為地面軌道交通發(fā)展打開新局面。高速磁懸浮列車用電磁力將列車浮起而取消輪軌,采用長定子同步直線電機(jī)將電供至地面線圈,驅(qū)動列車高速行駛,從而取消了受電弓,實(shí)現(xiàn)了與地面沒有接觸、不帶燃料的地面飛行,克服了傳統(tǒng)輪軌鐵路提高速度的主要困難。經(jīng)過長期持續(xù)努力,使整個技術(shù)已經(jīng)成熟到可以建造實(shí)用運(yùn)營線,最高運(yùn)行速度已達(dá)550公里/小時,其主要特點(diǎn)與優(yōu)勢是:(1)克服了傳統(tǒng)輪軌鐵路提高速度的主要障礙,有著更加廣闊的發(fā)展前景;(2)是當(dāng)今唯一能達(dá)到400公里/小時運(yùn)營速度的地面交通工具,具有不可取代的優(yōu)越性;(3)能耗低、噪音小、啟動停車快、爬坡能力強(qiáng),選線自由度較大;(4)安全、舒適、維護(hù)少;(5)采用電力驅(qū)動、不燃油。我國與德國合作,在引進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上,于2002年底成功建成了由上海浦東機(jī)場進(jìn)城全長30公里的磁浮示范運(yùn)營線。達(dá)到430公里/時的設(shè)計(jì)速度和500公里/時的最高速度,已安全可靠運(yùn)行三年,行駛200萬公里,載客400萬人次,證實(shí)了其實(shí)用性,在我國誕生了世界第一條高速磁浮運(yùn)營線。當(dāng)前,正在積極推進(jìn)全長170公里的滬杭高速磁浮線的建設(shè),它將有力地帶動整個系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化和更大規(guī)模的應(yīng)用。發(fā)展磁浮交通在我國已奠立了良好基礎(chǔ)。作為磁浮交通的發(fā)展,將在長大干線與城際及市內(nèi)交通兩個方向上同時積極推進(jìn)。可以期望,我國將在世界上率先實(shí)現(xiàn)磁浮交通的實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化與大規(guī)模應(yīng)用,為構(gòu)建我國先進(jìn)的,可持續(xù)發(fā)展的綜合交通體系做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。7燃料與燃料的關(guān)系公路在交通運(yùn)輸中的地位十分重要。在客運(yùn)周轉(zhuǎn)量中美國已占89%,歐共體15國占88%,日本占61%,在不計(jì)海運(yùn)的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量中日本占93%,歐共體15國占75%,美國占31%。我國還處于高速發(fā)展階段,也已達(dá)到在客運(yùn)周轉(zhuǎn)量中占56%和貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量中占14%。作為公路交通工具的汽車,目前全球保有量已達(dá)8億輛,預(yù)期2020年將增加到12億輛,增長50%。目前全球平均每千人擁有135輛,美國已達(dá)每千人770輛,歐共體15國約每千人480輛,韓國每千人167輛。我國2005年民用汽車保有量3000萬輛,平均每千人擁有25輛,年產(chǎn)量已達(dá)570萬輛,估計(jì)2020年保有量將達(dá)1.3~1.5億輛,達(dá)每千人100輛水平,2020年后仍將保持一定增長趨勢。要能有效達(dá)到節(jié)油和環(huán)保的目的,汽車的技術(shù)發(fā)展正向著車輛節(jié)能化、能源多元化、動力電氣化、排放潔凈化等方向積極推進(jìn),包括發(fā)展節(jié)能汽車、代用燃料汽車與電動汽車。在傳統(tǒng)汽車技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的同時,新能源和新動力技術(shù)的研究、發(fā)展和推廣工作正在世界范圍內(nèi)積極展開。目前已有多種新型汽車方案在進(jìn)行研發(fā)與示范,鑒于一種新型車輛只有達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用后才能顯示其重大的節(jié)油效果,而大規(guī)模應(yīng)用要經(jīng)過研發(fā)、示范證實(shí)其技術(shù)優(yōu)越性與經(jīng)濟(jì)合理性,逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并解決了相應(yīng)配套基礎(chǔ)設(shè)施才可能實(shí)現(xiàn)。形成未來實(shí)用的車輛體系的整個過程需要較長的時間,要分階段有序地持續(xù)推進(jìn),根據(jù)實(shí)際的需求與進(jìn)展,不斷研究相應(yīng)的戰(zhàn)略、方針與措施。對多燃料—車輛技術(shù)分析研究表明,由燃料制取、運(yùn)輸,到車輛使用的全生命周期內(nèi)的能量利用效率,對化石能源的依賴程度,常規(guī)污染物排放和溫室氣體排放等指標(biāo)出發(fā),較佳的組合是:(1)以多種能源為基礎(chǔ),液體燃料為載體的內(nèi)燃機(jī)混合動力車;(2)以多種能源為基礎(chǔ),以氫燃料為載體的燃料電池發(fā)動機(jī)電動汽車;(3)以多種能源為基礎(chǔ),以電為載體的動力電池驅(qū)動的電動汽車。這些認(rèn)識對于車輛的發(fā)展有著重要的參考意義。新型汽車的實(shí)際發(fā)展方向還有很多需要考慮的因素,并且隨著時間的推移還會有新的發(fā)展和認(rèn)識。由現(xiàn)有的強(qiáng)大汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型為未來的新型汽車工業(yè)需要進(jìn)行長期的持續(xù)努力和實(shí)踐,中間還有一些過渡步驟,發(fā)展節(jié)能汽車與代用燃料汽車將是其主要內(nèi)容。發(fā)展節(jié)能汽車不改變現(xiàn)有液體燃料基礎(chǔ)設(shè)施,優(yōu)化現(xiàn)有以石油和內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的車用動力系統(tǒng),實(shí)施汽柴油清潔化,大力發(fā)展各種合成燃料,并與汽柴油混合,形成新型清潔燃料,應(yīng)是近期內(nèi)產(chǎn)生顯著效果的主要措施。為此,要發(fā)展先進(jìn)的柴油轎車,解決好排放控制的關(guān)鍵技術(shù)問題;發(fā)展節(jié)能汽油發(fā)動機(jī)技術(shù),充分利用發(fā)掘尚存的20%以上的節(jié)能潛力;按先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的混合化發(fā)展趨勢,推進(jìn)汽柴油與代用燃料混合的燃料供應(yīng),汽油機(jī)與柴油機(jī)燃燒方式的混合,以及內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)輸出功率的混合,大力發(fā)展內(nèi)燃機(jī)混合化技術(shù)。內(nèi)燃機(jī)的混合化是聯(lián)接現(xiàn)有汽車節(jié)能環(huán)保技術(shù)與新能源汽車技術(shù)及電動汽車技術(shù)之間的橋梁。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)成熟基礎(chǔ)上,應(yīng)迅速推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；瘧?yīng)用的工作,以在交通節(jié)油中取得顯著效果。代用燃料汽車包括天然氣汽車,液化石油氣汽車,醇醚類燃料汽車和生物燃料汽車四類,這些燃料的轉(zhuǎn)型需要發(fā)展相應(yīng)的新型車輛,以及代用燃料的基礎(chǔ)設(shè)施與供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。氣體燃料汽車包括壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、吸附天然氣(ANG)與液化石油氣(LPG)等已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段,全世界約有500萬輛在使用,氫內(nèi)燃機(jī)和氫與天然氣混合車也在研制與示范,其發(fā)展將與氣體燃料的資源與產(chǎn)量相協(xié)調(diào)。乙醇燃料是最受關(guān)注的石油替代產(chǎn)品,在巴西已得到廣泛推廣應(yīng)用,甲醇汽車曾得到一定發(fā)展,但有關(guān)毒性與腐蝕性方面的爭議使其應(yīng)用近年明顯下降。二甲醚的使用開始引起研究領(lǐng)域的興趣。醇醚類燃料汽車仍將繼續(xù)研發(fā)與示范應(yīng)用,其產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模應(yīng)用程度尚需在進(jìn)程中逐步明朗。石油與化石能源終將耗竭導(dǎo)致車用能源轉(zhuǎn)型的必然性引發(fā)了世界范圍內(nèi)研發(fā)電動汽車的積極性。能源轉(zhuǎn)型是一個長期過程,在此過程中,汽車動力的電氣化率與電驅(qū)動功率的比例必將逐步提高。電動汽車包括混合動力車、純電動汽車與燃料電池車三大類。經(jīng)過近二十年的大力推進(jìn),混合動力車已渡過批量生產(chǎn)的起步階段,邁入較快速增長期,由于經(jīng)濟(jì)性好、排放較干凈、技術(shù)已較成熟,在繼續(xù)降低階格和提高可靠性與耐久性基礎(chǔ)上,有可能較快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模應(yīng)用,大幅度降低燃油消耗,并為過渡到純電動車與燃料電池車打好基礎(chǔ)。純電動車與燃料電池車也已研制成多種樣車,并開始了一定范圍的示范應(yīng)用,也有著一些推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的計(jì)劃,存在的問題主要在于當(dāng)前所用動力蓄電池組和燃料電池的壽命低、成本高、可靠性與可使用性尚差,大規(guī)模應(yīng)用必須解決充電與供氫的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)行,必須認(rèn)真抓緊有關(guān)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用還需要較長時間。近年來,我國國家攻關(guān)計(jì)劃、清潔汽車行動、電動汽車重大科技專項(xiàng)的實(shí)施,極大地推動了我國節(jié)能和新能源汽車的技術(shù)變革。我國汽車業(yè)在燃油汽車節(jié)能環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破,在自主開發(fā)產(chǎn)品上得到規(guī)模應(yīng)用;開發(fā)推廣燃?xì)馄?0萬輛,年替代石油150萬噸,建設(shè)加氣站600多座;形成具有自主產(chǎn)權(quán)的混合動力汽車車型6~7個。在電動汽車方面,早在1992年就作為關(guān)鍵技術(shù)列入了國家“八五”計(jì)劃,支持清華大學(xué)與天津汽車公司研制蓄電池供電的中型轎車與小轎車,開展了鈉硫電池、鉛酸電池和永磁直流電機(jī)驅(qū)動的技術(shù)發(fā)展工作。1995年~2000年的“九五”計(jì)劃期間,安排了“電動汽車技術(shù)產(chǎn)業(yè)化”與“燃料電池技術(shù)”兩個項(xiàng)目,取得了重要結(jié)果,為國家電動汽車的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。由2001年開始,在國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)中作為專項(xiàng)列入了電動汽車技術(shù),投入8.8億元來發(fā)展電動汽車及其相關(guān)技術(shù)。該計(jì)劃將促進(jìn)整個技術(shù)的集成發(fā)展,重點(diǎn)在蓄電池與燃料電池的研究發(fā)展,電機(jī)驅(qū)動及車輛控制的發(fā)展,經(jīng)過十余年的持續(xù)努力,我國的關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)展取得了可喜進(jìn)展,已研制成功多臺純電動、混合動力與燃料電池電動汽車并進(jìn)行了試驗(yàn)與示范應(yīng)用,但其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能尚未達(dá)到可批量生產(chǎn),提供使用的程度,批量生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化工作尚未能真正起步?？偲饋碚f,我國能源可持續(xù)發(fā)展,保障交通能源的可靠供應(yīng),必須十分重視節(jié)油車、代用燃料車和電動汽車的發(fā)展,向著車輛節(jié)能化、能源多元化、動力電氣化、排放潔凈化方向積極推進(jìn)。近期內(nèi),應(yīng)該:(1)開發(fā)和推廣先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)和混合動力車,解決當(dāng)前的節(jié)能與環(huán)保問題,同時為動力系統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)型做好準(zhǔn)備;(2)推廣使用各種氣體和液體替代燃料汽車,并建設(shè)相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施,促進(jìn)交通能源多元化;(3)開展純電動和燃料電池汽車的研發(fā)、示范和產(chǎn)業(yè)化,重點(diǎn)解決動力蓄電池組與燃料電池組的成本、壽命、可用性和大規(guī)模充電與供氫的基礎(chǔ)設(shè)施問題。雖然對于各種車輛的研制進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用規(guī)模的未來發(fā)展進(jìn)程有著不同意見,2010~2050年的節(jié)油效果估計(jì)相差較大,可以肯定的是新型車輛的比重必會逐漸增大,節(jié)油效果必將日益顯著。8燃料的發(fā)展歷程與展望面對化石燃料必將逐漸耗竭的現(xiàn)實(shí),未來可持續(xù)用于汽車動力的能源只有從各種可再生能源及核能得到的電能、氫能和生物質(zhì)能與其它可再生能源轉(zhuǎn)化的替代燃料,從而電動車輛的份額必將逐步增大。在汽車動力電氣化方面,雖然在電氣裝備與控制方面還要做大量研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作,但制約其發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸除了燃料方面的問題外,主要在于電能的供給,當(dāng)前可行的方案是采用燃料電池與動力蓄電池組,它們的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性能和電動車輛的要求相距甚遠(yuǎn),大力加強(qiáng)有關(guān)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作成為發(fā)展電動車輛的主要關(guān)鍵。燃料電池直接將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。與內(nèi)燃機(jī)、化學(xué)電源等傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)相比,燃料電池技術(shù)具有如下特點(diǎn):(1)高效:目前實(shí)際能量轉(zhuǎn)換效率在50%左右;(2)電池本身的運(yùn)行接近于零排放:燃料電池按電化學(xué)原理發(fā)電,不經(jīng)過熱機(jī)的燃燒過程,反應(yīng)溫度低,所以幾乎不排放有害氣體;(3)安靜;較少的運(yùn)動部件和低的反應(yīng)溫度,因而噪聲低;(4)由外部供應(yīng)燃料(如氫氣),燃料補(bǔ)充能在幾分鐘內(nèi)完成,只要燃料供應(yīng)不間斷,就能持續(xù)工作。按電解質(zhì)劃分,燃料電池大致上可分為五類:堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中質(zhì)子交換膜燃料電池目前被認(rèn)為是最理想的車用燃料電池。隨著技術(shù)的進(jìn)步,燃料電池的功率密度不斷提高,電池組的輸出功率不斷增大,電池的體積和成本明顯下降,其可用為電動車輛電源的可能性日益受到重視。雖然世界范圍內(nèi)關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的討論還有不少異議,但對應(yīng)該研究發(fā)展燃料電池電動汽車已達(dá)成了比較一致的共識。燃料電池發(fā)明于18世紀(jì)中葉,20世紀(jì)60年代初通用電氣公司首先將燃料電池運(yùn)用于汽車。此后,1993年加拿大巴勒德(Ballard)公司建造了第一代車用燃料電池系統(tǒng),掀起了燃料電池電動汽車開發(fā)的新高潮。由于環(huán)境與能源的需要,世界各國紛紛投入大量資金與研究力量進(jìn)行燃料電池的開發(fā)。2002年1月,美國宣布實(shí)施FreedomCAR計(jì)劃,支持燃料電池研究,旨在發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì),減少對進(jìn)口石油的依賴。2003年初,美國總統(tǒng)布什又宣布啟動氫燃料計(jì)劃(HydrogenFuelInitiative),包括FreedomCAR,在未來五年內(nèi)總投入17億美元,推動燃料電池及氫源技術(shù)的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展,爭取在2020年實(shí)現(xiàn)燃料電池電動車的商業(yè)化應(yīng)用。2002年起歐盟與日本也制定了包括氫能和燃料電池技術(shù)在內(nèi)的可持續(xù)能源系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃,積極開展了工作,期望在2015~2020年前后開始實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。我國早在20世紀(jì)60年代就開始進(jìn)行燃料電池的研究,在堿性燃料電池方面取得了一定的進(jìn)展;“九五”期間國家科技部和中國科學(xué)院分別設(shè)立了攻關(guān)與重大項(xiàng)目支持了“燃料電池技術(shù)”的研發(fā),為“十五”期間燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ);“十五”期間投資8.8億元啟動了863“電動汽車重大專項(xiàng)”,其中約4.0億元用于燃料電池城市客車和轎車的研發(fā);同時支持了973“氫能的規(guī)模制備、儲運(yùn)和相關(guān)燃料電池”的基礎(chǔ)性研究;另外,2001年中國科學(xué)院啟動院知識創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)及氫源技術(shù)”,為燃料電池電動汽車發(fā)展提供了進(jìn)一步的支持。我國自主研發(fā)的燃料電池汽車已經(jīng)過1萬多公里的試驗(yàn)運(yùn)行考核,節(jié)油效果顯著,正在進(jìn)行加氫站的建設(shè)和城市客車商業(yè)化示范運(yùn)營。燃料電池電動汽車從概念設(shè)計(jì)到示范運(yùn)行都已證明是可行的,但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,達(dá)到真正的規(guī)模應(yīng)用,還要解決壽命、可靠性與可使用性、成本及氫源四方面的關(guān)鍵問題。燃料電池堆或模塊的壽命,是燃料電池電動汽車商業(yè)化面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。實(shí)用化的車用燃料電池堆或模塊目標(biāo)壽命應(yīng)大于5000小時;而目前國內(nèi)外公開報(bào)道的車用燃料電池壽命不超過2200小時。影響燃料電池堆或模塊壽命的因素很多,諸如,汽車運(yùn)行中的工況循環(huán)即頻繁的輸出功率變化,環(huán)境中雜質(zhì)的影響,低于零度下的儲存與啟動引起的壽命衰減,自身材料與零部件引起的衰減。為提高壽命需在提高環(huán)境適應(yīng)性,開發(fā)增強(qiáng)復(fù)合膜,改進(jìn)MEA(膜—電極組合)結(jié)構(gòu),采用混合動力控制方式等多方面持續(xù)進(jìn)行工作。目前,一般燃料電池電動汽車的成本是汽油內(nèi)燃機(jī)汽車的十幾倍到幾十倍,其主要原因在于燃料電池系統(tǒng)零部件的費(fèi)用較高,Pt/C電催化劑、質(zhì)子交換膜和雙極板也比較昂貴。降低單元部件和關(guān)鍵材料的費(fèi)用,對降低燃料電池成本起關(guān)鍵作用。成本降低的主要途徑有:開發(fā)低鉑或非鉑電催化劑,開發(fā)非氟復(fù)合膜,建立零部件穩(wěn)定供應(yīng)商,采用模塊化結(jié)構(gòu)和建立批量化生產(chǎn)技術(shù)。進(jìn)一步提高可靠性與可使用性是實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的重要條件,而包括制氫、氫輸送和儲存的氫源問題也是阻礙車輛商業(yè)化的關(guān)鍵,要從多方面持續(xù)進(jìn)行研發(fā)與改進(jìn)。我們要在已有基礎(chǔ)上增強(qiáng)支持力度,分階段設(shè)定目標(biāo),推進(jìn)研發(fā)與示范,力爭早日進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化,實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。采用鉛酸動力蓄電池供電的電動車已經(jīng)實(shí)用多年,實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,但鉛酸電池比能量低、壽命短和污染環(huán)境,難以滿足大規(guī)模電動汽車發(fā)展的需求,需要發(fā)展新型蓄電池。表11列出了已研制成功的四種蓄電池的基本性能,可以看出,綜合性能最好的是鋰離子電池,它的比能量和比功率均很高,循環(huán)壽命長,自放電小,不污染環(huán)境,溫度適應(yīng)范圍寬,是較為理想的車用蓄電池。鋰離子電池于1990年研制成功。90年代在各種便攜式電子產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用,其品種和產(chǎn)量都大大地增加。1994年以后產(chǎn)量顯著上升,年增長率近年來達(dá)到50%以上,其應(yīng)用范圍也由信息產(chǎn)業(yè)擴(kuò)展到能源交通和軍事應(yīng)用。我國鋰離子電池的生產(chǎn)發(fā)展也很快,2000年產(chǎn)量約0.2億塊,2004年達(dá)7.6億塊,占全球市場的37.1%,我國有豐富的鋰資源,為發(fā)展電動車用鋰離子電池組奠立了較好的基礎(chǔ)。鋰離子電池的缺點(diǎn)是價格貴與安全性較差,為降低成本和改善性能還要做較長期的研發(fā)工作,積極發(fā)展以鋰離子蓄電池為基礎(chǔ)的純電動車的建議應(yīng)給予充分注意,做出相應(yīng)部署。無論是燃料電池,還是鋰離子蓄電池的成功發(fā)展,都將為電動汽車的早日產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模應(yīng)用做出重大貢獻(xiàn)。9燃料化學(xué)成分探討本課題組經(jīng)過分析研究,就此戰(zhàn)略研究報(bào)告提出以下結(jié)論:(1)世界常規(guī)石油可采儲量(含已探明、待發(fā)現(xiàn)和開發(fā)中增加量)估計(jì)約5031億噸,扣除已采出的還剩余約3500億噸。目前年產(chǎn)42億噸,如今后以1.5%速度增長,預(yù)計(jì)2035年前后產(chǎn)量將達(dá)到峰值,并在一段時期保持略有波動的穩(wěn)定產(chǎn)量,然后逐步下降。但因需求持續(xù)增長,雖然非常規(guī)石油能夠補(bǔ)充部分缺口,但勢將面臨供不應(yīng)求的局面。必須盡早未雨綢繆,采取一系列節(jié)油和補(bǔ)充替代措施。我國情況同樣不容樂觀。預(yù)計(jì)2050年前國內(nèi)年產(chǎn)量2億噸左右,然后緩慢下降。根據(jù)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度,2020年原油消費(fèi)將達(dá)4.5億噸(若不采取多種節(jié)油措施,此數(shù)值將是5億噸以上),若缺口額全靠進(jìn)口原油,則進(jìn)口依賴程度將達(dá)55%;2050年原油消費(fèi)將達(dá)7億噸(若不采取多種節(jié)油措施,此數(shù)值將是9億噸以上),若缺口額全靠進(jìn)口原油,則進(jìn)口依賴程度將達(dá)75%;這對我國能源安全十分不利。因此除了節(jié)約用油之外,及時采取有效的補(bǔ)充替代石油措施勢在必行。當(dāng)前已經(jīng)被采用的替代運(yùn)輸燃料有甲醇、乙醇、生物柴油、煤基合成油和天然氣基合成柴油,雖然替代比例很小,但根據(jù)歐盟和美國提出的規(guī)劃,2020年其替代比例將為20%和10%。我國在幾個地區(qū)已推廣了乙醇汽油,幾年后生物柴油和煤基合成柴油將投放市場。氫能作為運(yùn)輸燃料將隨著30年代燃料電池汽車可能批量進(jìn)入市場而逐漸普及?？傊?1世紀(jì)前半葉將是多種替代燃料、多種車型(內(nèi)燃機(jī)汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車)并存、具有多元化特征的時代,很難設(shè)想在幾十年內(nèi)能回歸到單一化的格局。(2)非常規(guī)石油以加拿大油砂中天然瀝青和委內(nèi)瑞拉超重質(zhì)石油和美國頁巖油為代表,合計(jì)經(jīng)濟(jì)可采儲量達(dá)1500億噸。經(jīng)過幾十年的研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn),天然瀝青和超重質(zhì)石油開采與加工為輕質(zhì)“合成油”的技術(shù)均已成熟,并實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)幾千萬噸的規(guī)模。因投資大、風(fēng)險高,不能指望像開采常規(guī)原油那樣迅速發(fā)展,在世界貿(mào)易中占有重要位置。如果原油價位持續(xù)高于40美元,則可吸引投資而較快發(fā)展到每年億噸以上規(guī)模,2030年補(bǔ)充常規(guī)石油5%,2050年達(dá)到10%。美國主要油頁巖礦埋藏過深,開采成本高,待取得技術(shù)攻關(guān)成果后,最早在2030年建成大型聯(lián)合礦山——煉油廠,產(chǎn)品價格預(yù)計(jì)每桶70~90美元。我國油頁巖資源尚豐,但品位低,需進(jìn)一步調(diào)查核實(shí)。目前通過廢頁巖制造水泥,生產(chǎn)頁巖油做燃料油具備經(jīng)濟(jì)效益。大規(guī)模產(chǎn)油并加工成運(yùn)輸燃料尚待認(rèn)真論證,并展開一系列研發(fā)工作,以便早日建成示范廠,為補(bǔ)充國內(nèi)原油做貢獻(xiàn)。(3)我國煤炭資源相對豐富,西北產(chǎn)區(qū)價格較低,而且不能直接燃燒的高硫劣質(zhì)煤數(shù)量多,在原油價格高于40美元而煤價格較低的情況下,將其轉(zhuǎn)化作為替代運(yùn)輸燃料(合成油、甲醇、氫等)的技術(shù)成熟或基本成熟,經(jīng)濟(jì)上是可行的。如能每年利用1.5~2.0億噸煤加以轉(zhuǎn)化,不論是液化或是制取醇醚燃料,就能替代4000~5300萬噸原油。鑒于多年來山西省成功地進(jìn)行了甲醇燃料的發(fā)動機(jī)改造和行車示范工作,如果我國能夠從目前能源情況出發(fā),全面從宏觀角度對甲醇燃料做出科學(xué)評價,在合理的地域性布局和一定的歷史時期內(nèi)推廣應(yīng)用,可以緩解石油供應(yīng)的缺口。還需組織力量近期完成煤的直接液化和間接液化工業(yè)示范,研究直接從合成氣生產(chǎn)二甲醚的技術(shù)和相應(yīng)的發(fā)動機(jī)技術(shù),研究伴隨大量煤轉(zhuǎn)化引發(fā)的CO2減排技術(shù),使廣泛應(yīng)用可再生能源之前,煤基替代運(yùn)輸燃料占有較多份額。2030年后,燃料電池汽車可能批量進(jìn)入市場,將已有的煤轉(zhuǎn)化裝置逐步改產(chǎn)氫氣,由于燃料電池比汽油內(nèi)燃機(jī)效率高,同樣煤量可替代更多原油。此外如采用煤發(fā)電供熱聯(lián)產(chǎn)合成油、甲醇或氫的技術(shù),還能進(jìn)一步節(jié)省煤耗。當(dāng)前主要問題是開發(fā)氣化、凈化、制氧和CO2減排的國產(chǎn)化新技術(shù)以便降低投資和成本,并且降低大量用煤帶來的溫室氣體排放。這應(yīng)是國家科技中長期發(fā)展規(guī)劃中<煤的清潔高效開發(fā)利用>優(yōu)先主題當(dāng)前及今后延伸的重點(diǎn)內(nèi)容。(4)生物質(zhì)能屬可再生能源,所生產(chǎn)的燃料歸于清潔燃料范疇。國外首先開發(fā)的是燃料乙醇和生物柴油,技術(shù)成熟,可作為汽油或柴油的調(diào)合組分,預(yù)期2020年產(chǎn)量可替代10%~20%的運(yùn)輸燃料。我國待有效利用與開發(fā)的生物質(zhì)資源尚屬豐富,參照國外經(jīng)驗(yàn)也以燃料乙醇和生物柴油為先期目標(biāo)。但為了不與民爭糧,不與糧爭地,為了增加生物質(zhì)原料的替代份額,宜著力開發(fā)利用纖維素、半纖維素水解、醣化、發(fā)酵制燃料乙醇的技術(shù),著力在基因工程研究方面有所突破,提高產(chǎn)率并降低成本,這一前沿技術(shù)尚未列入國家科技中長期發(fā)展規(guī)劃,希望補(bǔ)充組織實(shí)施,爭取經(jīng)過10年左右其成本達(dá)到糧食乙醇水平,2040年前可與汽油競爭。還應(yīng)積極開發(fā)生物質(zhì)熱化學(xué)工程技術(shù),降低生產(chǎn)凈化合成氣的裝置投資與成本,創(chuàng)造全面綜合利用生物質(zhì)的范例。(5)交通運(yùn)輸是耗油的大戶,我國整個交通運(yùn)輸系統(tǒng)仍在高速發(fā)展,在制定規(guī)劃構(gòu)建我國未來可持續(xù)發(fā)展的綜合系統(tǒng)時,應(yīng)將交通節(jié)油作為最重要的原則之一,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的宏觀調(diào)控,大力發(fā)展公共交通與電氣化軌道交通,努力保持鐵路交通的骨干地位,大幅度提高其電氣化率,節(jié)省內(nèi)燃機(jī)車的柴油消耗,積極發(fā)展多種城市軌道交通,對新興磁浮交通的發(fā)展給予特別關(guān)注。(6)公路在交通運(yùn)輸中居于重要地位,為有效減小油耗,汽車動力系統(tǒng)必須向著車輛節(jié)能化、能源多元化、動力電氣化與排放清潔化的方向積極推進(jìn),發(fā)展節(jié)能、代用燃料與電動汽車,逐步實(shí)現(xiàn)過渡與轉(zhuǎn)型。在電動汽車方面,除了根據(jù)國家科技中長期發(fā)展規(guī)劃<低能耗與新能源汽車>優(yōu)先主題,促使燃料電池汽車早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,能夠批量生產(chǎn)進(jìn)入市場外,還應(yīng)加強(qiáng)作為高效能源前沿技術(shù)之一——高性能鋰離子動力蓄電池的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化,以期解決用車外電源充電的混合動力汽車以及純電動汽車的應(yīng)用,利用家庭方便取得的電力替代貴重的石油產(chǎn)品。(7)在燃料電池汽車逐步進(jìn)入市場的同時,相對廉價的氫能燃料也需源源不斷進(jìn)入“加氫站”。氫的規(guī)模生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)拇罅考夹g(shù)課題和有關(guān)制訂產(chǎn)品使用標(biāo)準(zhǔn)和開展社會安全教育等工作也該提前列入日程。本世紀(jì)開始很多外國政府和能源組織對氫能運(yùn)輸燃料給予足夠重視,部署了全面的研發(fā)和應(yīng)用示范工作,迄今有了一定進(jìn)展。本文對氫能未做重點(diǎn)論證,但并不意味著遠(yuǎn)期(2030年后)氫能對我國運(yùn)輸燃料的替代比率可以忽略。好在煤基、氣基制氫工藝技術(shù)成熟,生物質(zhì)基則有待研究開發(fā)。有關(guān)氫能的普及