专家指出发展天然气相关产业亟须打通技术瓶颈

天然气比其他燃料更有吸引力。但即使是最吸引人的技术，现实也是残酷的。

资料来源:LOUIE PSIHOYOS/CORBIS

戴恩·博伊森是一个令人讨厌的“推销员”在一次天然气汽车会议上，ARPA-E天然气汽车项目的负责人博伊森说，行业巨头们不想听他说什么。"说实话，天然气不是一种重要的运输燃料."事实上，“这是愚蠢的燃料，”他补充道。

一些观众戏谑地欢呼，但他们知道博伊森在谈论能量密度。一升汽油可以驱动一辆标准汽车行驶10公里，而一升天然气在正常温度和压力下只能行驶13米。即使在将天然气冷凝成液体或挤压成高压罐后，它也无法与汽油相比。

然而，在过去的五年里，博伊森的ARPA-E项目已经花费了3000万美元，促进了天然气汽车和轻型卡车的发展。

清洁工

为什么？原因是尽管能源密度低，但天然气可以提供很多东西。它储量丰富，价格低廉。目前，美国使用水力压裂法生产大量天然气，而相当于1加仑汽油的天然气价格仅为前者的一半。此外，美国目前已知的天然气储量至少可以维持到下个世纪。天然气也相对清洁。天然气发动机产生的二氧化碳比汽油发动机少30%，同时氮氧化物和硫氧化物等污染物的排放量也大大减少。

更重要的是，这些引擎已经存在。只要稍加铸造和修理，传统的汽油或柴油发动机就可以使用天然气。根据美国贸易组织“全美汽车协会”的数据，全球有1520万辆天然气驱动的汽车。其中，142，000人在美国。大多数是重型卡车和公共汽车。一些预测结果显示，到2030年，美国大多数卡车将使用天然气能源。

对于重型发动机来说，经济是“驱动力”。即使有天然气发动机，这种卡车也比柴油发动机卡车贵数万美元。Trillium CNG市场开发与战略副总裁威廉·佐贝尔(William Zobel)表示，卡车油耗极高——平均每年需要45，000升柴油，燃油节约将在2-3年内抵消额外成本。延龄草天然气公司主要建设压缩天然气(CNG)燃料供应站。卡车和公共汽车更严格的污染标准也在推动变革。

现在，博伊森和其他人希望天然气能源的应用可以扩展到轻型汽车和卡车。“真相就在这里。我绝对相信这项技术会起飞。”博伊森说。加利福尼亚能源委员会的运输系统研究员雷纳尔多·冈萨雷斯也同意这一观点:“只有一种替代性的车辆技术具有经济价值，那就是天然气技术。”

但是负责指导美国市场发展的斯蒂芬·伊博拉指出:“有许多障碍需要克服。”例如，日本本田汽车公司已经生产了民用天然气汽车。然而，在美国仅售出2000辆汽车，而每年售出150万辆汽油车。在天然气汽车占据道路之前，仍然需要对燃料箱、泵和基础设施进行重大改进。

当Boysen走上洛杉矶会议中心的一个小舞台时，一艘巨大的集装箱船停在窗外，卸下日本汽车、韩国电视和中国家具。每天，8000辆卡车负责运输这些货物。这些车辆越来越符合港口污染标准，并开始使用天然气作为燃料。但博伊森承认创新存在障碍。他说他可以畅所欲言，因为他将在本月底离开ARPA-E。他一个接一个地列举了这项技术面临的挑战以及工程师们为解决这些问题所做的努力。

燃料箱困境

油箱的材料一直困扰着研究人员。天然气最大的问题是能量密度低。在正常温度和压力下，每升只有40，000焦耳，略高于汽油的1/1000。为了携带足够的燃料，汽车需要一个巨大的油箱，这就减少了它的载货空间。因此，本田的天然气汽车的集装箱数量是汽油汽车的一半。"司机讨厌这样，因为他们不能在机场接人。"博伊森说。

燃油箱也必须加压。目前的燃料箱可以将气体压缩到250帕，大约是大气压力的250倍。为了保持这些压力，油箱必须使用厚金属或较轻但昂贵的碳纤维。目前，燃料箱使天然气汽车的平均成本增加了3500美元。博伊森的项目旨在将这一数字降至2000美元。" 2000美元实际上是一个巨大的挑战。"南加州天然气公司技术开发经理谢里夫·优素福说。

一种方法是用多孔材料填充储油罐，这样甲烷可以在温和的压力下被海绵吸收，并在压力降低时释放出来。低压将使油箱更轻更便宜，并降低压缩机的再充气成本。

活性炭是一种海绵，价格便宜，广泛用于各种工业应用。然而，它的理论最大生产能力只有220伏/伏。一种叫做有机金属结构(MOF)的材料打破了这个数字。与活性炭不同，它可以随意调整内部结构，多孔材料是一种多孔晶体材料，可以在原子尺度上设计来捕获甲烷分子。

研究人员已经设计了数百种多器官功能衰竭。化学公司巴斯夫已经开发了一种合成吨金属氧化物燃料，并在德国现场测试了金属氧化物燃料设备。Framergy还表示，它目前能够生产用于公共汽车的克级金属氧化物燃料电池。博伊森说这些都是好消息。然而，“仍有工作要做。”他说。

其他挑战

油箱的形状也是一个问题。这种温和压力的海绵状燃料箱使工程师能够从目前的标准高压气缸制造不同形状的燃料箱。UTRC下一代燃料箱项目的负责人艾伦·孙说，这很重要，因为在汽车中，气缸占据了很大的空间。对于重型卡车和汽车来说，笨拙的油箱可能不是大问题，但它是乘用车的“杀手”。

UTRC和其他公司也重新设计了高压燃料箱，使用更传统的方法来降低其材料上的压力，从而使燃料箱成为任何想要的形状。

无论哪个油箱出现，都需要重新加油。工程师们也在努力改进这项技术。一个问题是加油的时机。汽油泵每分钟能供应10加仑汽油，能量转移率相当于20兆瓦的电力。目前，压缩天然气系统可以在5分钟内装满15加仑的燃料箱。但是它们很贵，并且优先考虑卡车和专业车队。

许多天然气汽车的支持者梦想拥有一台低压压缩机，可用于家用燃料加注。美国大约一半的家庭安装了天然气管道。如果汽车能给家里加油，消费者就能像电动汽车一样忍受较慢的加油速度。“家用燃料和低压燃料箱将是这个行业的主要游戏改变者。”优素福说。博伊森说，这种压缩机已经进入市场。但是它的价格是5500美元，而博伊森的项目希望将这个数字降低90%。

在天然气能源汽车会议上，研究人员报告了一些进展。俄勒冈州立大学的一个研究小组称，他们已经设计出一种天然气发动机，可以将气缸变成压缩机，并充当泵。与此同时，德克萨斯大学的研究人员开发了一种简化的压缩机，只有一个操作部件:一个反复滑动的活塞。他们估计费用可能是1500美元，离博伊森项目的目标不远。

像财政部一样，这些原型技术在进入市场之前还有很长的路要走。研究人员还必须过滤掉低压天然气管道中的水和其他杂质，以防止它们积聚在燃料箱中。然而，由于市场需求有限，压缩机制造商不愿意投资新技术。布拉德利·齐格勒是国家可再生能源实验室的燃烧科学家，他说，结果是“研究和商业转型之间的死亡山谷”。

即使工程师能够克服所有这些技术困难，这仍然是不够的。分析师表示，对于那些花费数万美元购买新车的消费者来说，他们需要这些技术同时得到广泛应用。此外，博伊森提到，即使如此，天然气汽车仍然面临更多可行的替代品的竞争，司机需要相信天然气汽车至少和现有汽车一样好。他们还需要能够随时随地购买燃料。

这一系列需求尤其需要新技术。然而，缺乏必要的基础设施使得消费者很难接受这些新车。但是对于博伊森和他的同事来说，天然气远比其他燃料更有吸引力。但他们也知道，即使是最有吸引力的技术，现实也是残酷的。(张张)

中国科学新闻(2014-111第三版国际版)

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