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促进中国的未来能源发展(第一部分)

新科技产品在不断涌现并取代汽油和柴油成为汽车的动力燃料。在接受“中外对话”采访的第一部分中,倪维斗谈到了生物燃料、电能、氢能和混合燃料等替代燃料。

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中外对话:近年来我国汽车保有量越来越大,然而石油短缺形势却日益严峻,油价也一直在上涨,老百姓都很发愁。汽车能不烧油吗?

倪维斗:我国目前年自产石油能力约1.8亿吨左右,而去年我国的石油需求大约为3.1亿吨,从国外引进了差不多1.3亿吨。我国对石油的需求还在不断增长,石油进口依赖度越来越大,这不仅要花费大量的外汇,假如我国的石油来源地中东和非洲局势不稳定,还可能对我国的能源安全构成威胁。

 

来源于石油的液体车用燃料(主要是汽油柴油)的短缺将是我国现代化发展的瓶颈,尤其是我国汽车工业和汽车保有量近年来迅速的增长。2005年我国生产汽车570万辆,仅次于美国和日本,居世界第三。2005年比2004年汽车保有量增加20%。近年来车用燃料消费量增长很快,平均约为12%。

 

© Rob Welham 摄

在我国石油储量、产量不多和车用液体燃料必须安全供应的形势下,我们必须要考虑一个问题:是不是汽车全部都要用汽油、柴油作为燃料?传统上我们使用汽油或柴油来开动汽车,但是在石油短缺的情况我们应该寻找别的途径。

发展替代液体燃料的化学品是其中一个很重要的途径。

中外对话:哪些化学品可成为汽油和柴油替代液体燃料?

 

倪维斗:目前被广泛研究的替代液体燃料主要是甲醇二甲醚非粮食乙醇

用于替代汽油的甲醇(化学式:CH3OH)有很高的辛烷值,该值越大,抗爆性越好。因此甲醇应用在汽油机车中时,可以提高在气缸中的压缩比,从而提高发动机的热效率。甲醇替代汽油可以做到1.6份甲醇替代1份汽油。当然,燃用甲醇也有一系列问题,如金属腐蚀,橡皮元件溶胀,冷起动困难,非常规排放物(如甲醛等)等,但是经过多年努力,这些问题都可得到适当的解决。若在汽油中低比例掺烧甲醇(10%),则对原发动机只需作小量的改动,而高比例掺烧(85%)或是用纯甲醇,则需重新设计发动机。对此,中国有关研究单位已设计并成功试运行纯甲醇汽车。当然,在这方面还需进行大量的科研和开发工作,在使用中积累经验,不断改进。

用于替代柴油的二甲醚(化学式:CH3OCH3)具有很高的十六烷值,该值越高,燃烧性能就越好。二甲醚在发动机中燃烧完全,排放明显优于常规柴油机。氮氧化物排放比常规柴油机可降低50%以上,运行噪声低,无黑烟排放。但二甲醚在常温下是气态,只是在压力大于5.1帕斯卡下才为液态,所以发动机的油路系统需加压。此外,二甲醚粘度只有柴油的三十分之一,燃油喷射系统的零件的磨损以及喷射时间的严格控制都有新的问题需要解决。

非粮食制造乙醇替代石油也是一个可行的方向,但关键是这种能源作物不能与粮食和其它人民生计农作物争地、争水,且单位面积有高产出率。生物柴油是以含油植物、动物油脂以及废食用油为原料制成的液体燃料,从技术来看基本上是成熟的,关键在于含油植物的资源。各种能源作物如何大规模种植,通过基因调控和分子生物学,培植耐旱、耐碱、高产的品种,这将是农业能源专家们的重大课题。

中外对话:前几年“氢能经济”被炒得很热,2000年时出现了第一轮氢能燃料电池汽车试运行高潮。氢能燃料电池汽车现在发展得怎么样?可以走上商业化的道路了吗?

倪维斗:我不太赞同“氢能经济”这个提法,近几年对氢能的炒作有些过头了,好多人并不明白氢能经济是怎么回事。一种十分迷惑人的说法是氢能可以从“水到水(from water to water)”,就是说水被电解后变成氢,氢燃烧后又成为水,所以是零排放。而其实氢气只不过是一种像电一样的载能体,是要用其它一次能源转换得到的。电解水要耗费大量的电,目前得到1公斤氢气至少要耗9公斤高纯度水及45~50度电,而电本身又绝大部分来自化石能源。

目前,无论是美国还是日本,虽然在氢能燃料电池方面投入了大量资金,但依然有很多的问题没有解决,例如,燃料电池汽车的价格、氢气的存储、注氢的基础设施、运输等。对燃料电池汽车,积极开展基础性研究是必需的,但离真正商业化还有很长的路,少说也得15~20年。

中外对话:那么您认为有没有比“氢能燃料电池”更好的汽车动力呢?

倪维斗:相比而言,我更赞成电动车。因为电已经得到了广泛的应用,而且非常高效。


by Vj-pdx

混合车是一个很好的例子,汽车的发动机主要是给蓄电池充电,必要时也帮忙驱动,使发动机保持工作在最佳状况,从而降低能耗。目前国外发展起来的“插电(plug-in)”汽车,在50~60公里范围内可以通过蓄电池来驱动,而蓄电池可以十分方便的用市电充电。一般的在城市内上、下班或办事,行驶距离不大,就可以不用液体燃料,只是在一天之内要长距离行驶时,才会起动发动机,从而使车用燃料耗量大大减少。近来纯电动车(锂离子电池)一次充电可行驶300公里,城市公共交通用超级电容、锌-空气电池都有示范,以电为载能体的交通工具正在迅速发展。

目前电动车的主要问题在蓄电池,若在蓄电池方面有突破的话,将来在汽车动力上是否还有氢能燃料电池的“位置”是一个大问号。

把氢能燃料电池看作是汽车动力的“最高目标”是不妥的。百年技术发展的历程证明,电是最好的载能体,多种化石能源、可再生能源,核能都可以转化为电,而且对电能已经建立了基本覆盖全球、也覆盖我国国土的网络,再去建立氢的网络是绝对不可能,也没有必要的。


© Rob Welham 摄

中外对话:在中国,替代燃料的发展现状如何?发展起来困难吗?

倪维斗:总的来说,一种新的燃料在汽车中应用不会一帆风顺,肯定会伴随这样或那样的问题。但是,正因为如此,才需要我们科技工作者加倍努力,从理论-实践-再理论-再实践中走出具有中国特色的道路来。醇醚燃料的应用是中国自主创新、形成自己有特色的汽车工业的一个契机,因为由于国情方面的原因,国外在这方面应用得不多,或是刚起步不久(如瑞典Volvo日本三菱),这样,如果我们从国情出发,加强研究和实践,就可以有跨越式的前进,走出自己的道路来。


第二部分:有关碳问题的探讨

 

 
倪维斗是清华大学热能工程系教授,中国工程院院士。曾任清华大学副校长。现任北京市科协副主席,中国环境与发展国际合作委员会能源战略与技术工作组中方组长。

 

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匿名 | Anonymous

什么时候汽车才能不烧油?

最好是汽车只烧一次油,然后利用行驶做功发电,积蓄后面行驶所需的动力,自给自足。又节约又环保,希望科学家们早点把这个东西研究出来。

When can vehicles not use petrol any more?

If vehicles get power by burning petrol at the beginning, then it produces energy while driving and provides power for itself. It is energy-saving and environmentally-friendly. I wish scientists can develop it as soon as possible.

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匿名 | Anonymous

为什么还是煤?

地下不仅仅是光有煤,还有奔腾的滚烫的火山岩浆,为什么不把这些永不枯竭的能量利用起来呢?比洁净煤更环保。

Only coal?

Apart from coal, there is also boiling magma underground. Why don't we utilize this inexhaustible supply of energy? It will be more environmentally-friendly than Clean Coal.

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匿名 | Anonymous

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学术、文笔、趣味兼备。

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匿名 | Anonymous

科学家不是万能的

又见到一个把希望寄托在科学家身上的人,我们的媒体,太多地夸大了科学的作用,尤其是对于环境,科学更多地是在其中扮演了一个反面形象。即使是一百个科学家的作用,或许都顶不上一个政治家;即使所有的科学家都在为环境努力,都肯定抵不上我们自身良好的环境习惯的养成。
二楼的更可爱了,世界上那里有永不枯竭的能源啊。当然,不应该否认人类利用火山的可能性,对了,别忘记还有其他更强大的自然力量,海啸啊,地震啊,都应该利用上,还有流星,也被浪费了,建议科学家把陨石下降的动能转变汽车石油吧,呃。。。这个任务交给雅典娜手下的圣斗士们,也许更加合适。
Aturen

Scientists can not do all the work

Our media always overestimates the power of science. Actually most of the time science plays a negative role in environment protection. Sometimes a politician is hundred times as helpful as a scientist. Our environmentally-friendly habits are more helpful than all the efforts from all scientists.

The Comment2 seems naive. Inexhaustible supply of energy does not exist at all. Probably there is possibility that human would make use of volcano, and the other natural powers like tsunami, earthquake and meteor should be turned into energy. I suggest scientists turn the kinetic energy from the falling of the aerolite into petrol … en I think Athena’s fighters will be more suitable to do it. --- Aturen