客观日本

实现低碳社会的新技术开发特集(2)

2012年03月21日 科技交流

汽车新燃料技术(二甲醚(DME)的重新思考)

 1.前言

    虽然原油价格自2008年7月11日达到每桶147.27美元的史上最高值后开始趋于平稳,但这足以给汽车用户改变观念带来足够的影响。众多轿车中,油电混合车博得很高人气,甚至有人情愿为此等上半年多。可以想象,这种小型家用车足以推进向油电混合、活塞混合、电气或者燃料电池的动力系统变革。

  另一方面,主要承担物流的货车、公交车等大型汽车,现阶段还未发现能取代柴油发动机这一优秀动力系统的颇具前景的发动机。因此能够预想到,在原油的需求供给远远不足的石油高峰之后,柴油发动机也仍然将作为主流设备使用。然而,要想实现低碳社会,也就是CO2排放量减少的社会,就必须尽量减少原油的使用量,将其置换成排放CO2较少的能源。上面提到的小型家用车可以有效利用除化石能源发电以外的电气,而大型运输汽车则通过提高燃料消耗率,减少柴油的使用量,导入循环过程中CO2排放量少的新燃料,以达到削减CO2排放量的目的。另外,为确保供给量,也必须对图1所示的油砂等低品位石油以及煤、天然气等非石油系能源进行液化使用。

  这里我们将探讨大型运输汽车即货车、公交车用新燃料之一的二甲醚(DME)在构造低碳社会方面的可能性。

图1 资源和燃料

 

2. 国内外针对DME燃料利用的动向

DME(化学式:CH3-O-CH3)由于没有碳元素间的结合并且含氧元素,因此柴油燃烧时基本不排放粒子状物质(PM),是一种清洁燃料。它的液化压比液化石油气低,大约在6.1kgj/cm2加压下液化。并且拥有与汽油同等程度以上的十六烷值,作为柴油燃料使用时不需要PM对策,因而能有效适用于燃烧温度的降低引起的氮氧化物(NOx)降低现象。因此不需要采用高度的排气降低触媒系统就可以应对严格的排气规定。在此,我们将向您介绍针对DME燃料利用的最近动向。

(1)日本国内的动向

作为燃料制造的动向之一,由新泻市的燃料DME制造股份有限公司投资的具有年产8万吨DME制造能力的DME普及促进机械设备(原料为天然气起源的进口甲醇)于2008年8月完成(1)。此外,通过资源能源厅的DME燃料利用设备引进促进辅助事业发展,一正蒲鉾股份有限公司将锅炉燃料替换成DME2),开始了DME作为锅炉燃料在新泻的利用,开启了DME作为燃料的流通(2008年12月)。还有,随着代替能源法(替代石油能源促进法)的改正以及能源供给结构高度化法(由能源供给事业者提起的非化石能源的利用以及促进化石能源原料有效利用的相关法律)的成立(3),对DME作为液化石油气业界的非化石能源供给对应的对象,还有液化石油气的主要成分丙烷和丁烷以及蒸气压相近等特点给予关注。

DME汽车开发的动向之一是,作为国土交通省“新一代低公害车开发·实用化促进事业”的一贯政策,在交通安全环境研究所主导下,实施由大臣认定的DME车辆行驶实验(4),如图2所示五十铃中央研究所制造的2吨货车,总行驶距离突破10万公里(2009年9月)。这些行驶实验结果,预计将反映在为实现量产化的DME汽车的技术基准制定的该技术指针的计划中。另外,作为实证运行示范项目之一,符合2009年规定(岗位新长期规定)且取得大臣认定的绿号(营业用号)的中型DME货车(五十铃中央研究所制造),于2009年11月17日开始营业运行(5)。此货车既符合2009年规定,同时CO2的排放量比基础的汽油内燃机少,且与同等天然气发动机(三元触媒系统方式)比较CO2排放量保持在同等水平以下,但热效能却在其之上等。

图2 五十铃中央研究所制造承重2吨的DME货车 (环保车世界2008,2008年6月于横滨赤炼瓦仓库街展示,笔者摄影)

 (2)国外的动向

欧洲瑞典有由沃尔沃公司导入开发车辆的计划(5),俄罗斯莫斯科的10辆左右的复古改造DME车以给学校配送食品的形式持续进行行驶试验,近年来已经打算开始数十台的实用行驶计划(6)。中国为填补液化石油气的需求,已经开始在民用液化石油气中混入DME进行流通使用。另外,在运送范围上,上海市公交车行驶路线范围内正在进行DME汽车的实证试验(7)

瑞典以大幅降低依靠生物DME运送部门的石油依存度为目标。这项欧洲生物DME计划(8), (9)中,沃尔沃等7家公司以欧盟及瑞典能源省提供的总额2,840万欧元(约35亿日元)的资金为基础,以造纸工厂的黑色液体为原料制造生物DME,并预计到2012年进行如图3的14台DME货车的实证行驶试验。在启动此项计划之际,沃尔沃对所有石油替代燃料进行比较评价,包括使用循环周期在内,并将生物DME定位为新一代生物燃料的先行者。

图3 沃尔沃DME货车 (Washington International Renewable Energy Conference,2008年3月4~6日于华盛顿展示,笔者摄影)

 3. 循环周期中CO2排放量的考察

图4是由瑞穗情报研究所及丰田汽车提供的图表数据,以日本运输用燃料制造(Well to Tank,即经过从原料采掘、采集到燃料制造、运送,到灌入油箱为止)为中心的温室气体排放量的估算结果(10) 为基础,展示了现在能考虑到的主要内燃机用燃料,如旧式燃料,替代燃料以及新型燃料。例如,作为旧式燃料的超低硫柴油制造1MJ的燃料需要0.118MJ的能源投入(消耗),此时,可以读出Well to Tank中排出温室气体7.88g(考虑到的所有温室气体等价于CO2)。位于超低硫柴油位置左边表示制造发热量等价的燃料时温室气体排放量少,位置靠上表示在制造燃料时能源消耗量大。以生物质为原料时,依据碳中性的概念可以削减温室气体排放量。

图4 各种汽车燃料的Well to Tank温室气体排放量(上图翻译另附EXCEL表格)

()DMEWell to Tank中的CO2排放量

喷雾的喷射剂等作为氟氯化碳替代物开始使用的DME,在开始探讨能源利用的十几年来,当初只强调其清洁的燃烧特性。然而当今社会把可持续发展作为当务之急,面对严峻的全球变暖现象,可以说如果不评价温室气体的减排力度就无法普及新能源。

我们试着思考Well to Tank中温室气体的排放量。根据上图4,由天然气(图中标记为NG)经过气体合成制造DME时,制造1MJ的DME需要0.322MJ的能源投入(消耗),此时,在Well to Tank中排出温室气体12.9g。此数值是依据国外天然气田上最高效率的直接合成法转换成DME,并将此用低温油轮运送到日本的模式下算出的。其能源消耗量与由天然气作为LNG运送,经过煤气基础设施作为CNG填充到汽车的情况相比较,虽然不及超低硫柴油,但温室气体的排放量是相同的。以煤为原料时,就必须与CO2的回收·存积(CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage)技术相结合。另外,从木质系生物质获得合成气从而制造DME(Bio DME)时,其最终形态比起天然气合成的烷烃油(FT油),还能将能源消耗量降低到一半以下。从现在的技术来看,可以说将资源量有限且制造成本高的Bio DME微量混合到以煤和天然气为原料的化石起源DME中不失为一良策。

 ()在DME的Tank to Wheels中的CO2排放量

 

那么接下来就让我们看一下在Tank to Wheels(也就是汽车单体来看的情况)中的GHG排放量。图5是就影响柴油发动机整体功率的各种主要因素以及排气对策,对汽油柴油和DME柴油进行的一个比较。NOx对策中,使用柴油或DME都没有差异,但是仅用EGR(排气再循环),不依赖后处理装置而要降低NOx的情况下,与温室气体一氧化氮的排放量比较少的DME相比就比较有优势。只是,过剩的EGR降低了燃料消耗率(也就是CO2排放量增加),因而同时如何保持良好的燃料消耗率就成为关键。如前所述,PM对策中因为不作为燃料性质排出,所以DME的优越性就非常高。如果是汽油柴油,它们要努力减少自身必须经由DPF(柴油微粒子过滤器),为了再利用DPF中产生的(让过滤器捕集的PM再燃烧)PM,需要临时投入较多燃料,因此必须搭载不考虑燃料消耗率的系统。在发动机燃烧上比较一下DME和柴油的话,非发光焰燃烧降低了冷却损失、无需将燃料喷射压高压化减轻了机械损失等,DME隐藏着其燃料形状特有的可能性,通过在过浓运转领域中减少CO保持高燃烧效率,其整体功率超过汽油柴油作为动力系统的可能性非常高。

  为了同时提高燃料消耗率(热效)和排气性能,燃料形状的优越性会给效果带来很大影响。汽油柴油的情况下,即便将动力系统高度化,在动力输出中为了使NOx排放量与燃料消耗率达到平衡,1.5g/kwh已经是极限(根据笔者所属团队的研究),如果不使用会排出N2O的NOx降低触媒而让系统成立,DME柴油将是一大选择。

图5 影响柴油动力系统的效率的各种主要因素以及排气对策的比较

 

4.针对DME燃料导入市场的标准化动向

为使DME作为燃料进入流通轨道,除了定义燃料品质外,还需要品质管理所需要的抽样方法、数量计策方法等国际标准。这些都具备之后,国际流通才会成为可能,才能期待市场的形成。ISO中,在TC28(石油产品以及润滑油)上,2007年进行了范围变更以使其可以经营DME,同年也开始了品质、抽样方法等的讨论。在此,介绍一下ISO关于DME燃料的标准化进展情况。

 ()ISO/TC28 /SC4(石油、石油系列・非石油系列液化气等的品质和分类)

 

在SC4中,2007年设置了WG13「Standardization of DME Fuel」,开始了燃料用DME品质基准的探讨。DME燃料可作为Heating fuel(工业用锅炉、家用炉具等,象LP气那样使用的一般燃料)和柴油动力燃料使用,现在讨论的焦点就是燃料基础。因此,作为柴油燃料所必须的添加剂、着臭剂等,由于各国国情不同而被排除在外。关于燃料品质,计划一并记录DME制造设备发货和终端用户方的数值。关于分析方法,将以相同液化气的LPG以及天然气分析方法为参考,同时参照现有的ISO、日本的LPG行业规格进行探讨。

 () ISO/TC28 /SC5(石油系・非石油系液化气燃料的计测方法)

在SC5中,2007年在WG4「Sampling of refrigerated fluids」上开始了DME的抽样方法说明书的研究,2009年11月,ISO9945“Refrigerated non-petrolem based liquefied gaseous fuels-Dimethyl ether(DME)-Method of manual sampling onshore terminals”发行。并且,预计2010年将在WG3「Procedures for measurement and caluculation of refrigerated fluids」方面,开始研究DME船上计量方法。

 5.小结

日本于2009年秋政权交接,同年9月22日在联合国总部召开的联合国气候变化峰会的开幕式上,日本表明了自己新的中期目标,那就是到2020年温室气体排放量与1990年相比减少25%。具体对策如下:①大型企业引进削减国内排放量的交易制度,②引进可再生能源的固定购买制度,③实施全球变暖对策税(环境税)。各国中期目标以2020年为基准相比,美国0%、欧联(27国)20~30%、英国34%、德国40%、俄罗斯10~15%、日本(前政权)8%。1997签订的京都协议书中日本要削减6%,但是2006年反而上升了6.2%,所以从现状来看更加有必要削减30%以上。

国内汽车领域每年要消耗3600万KL的柴油,因而必须加大努力完成上述伟大的目标。今后,尚未利用的生物体高效应用技术、Well to Wheel评价等,在进行跨领域的技术融合・合作的同时,还要对未来的汽车燃料有个明确规划,即“从哪里来,到哪里去”。

 

 参考文献

(1) 燃料DME制造股份有限公司,

    Web: http://www.fueldme.com/

(2) DME推广促进中心,

    Web: http://www.dmepc.jp/index.html

(3) 经济产业省资源能源厅资料,“关于能源供给结构高度化法”

  (Web: http://www.enecho.meti.go.jp/topics/koudoka/index.htm),2009年9月1日

(4) 佐藤由雄等,“DME汽车的开发和实用化普及战略”,汽车技术委员会讲演前印刷集No.49-08,pp.13-18,2008

(5) 国土交通省新闻出版

http://www.mlit.go.jp/report/press/jidosha10_hh_000040.html

(6) 小熊光晴,后藤新一,“DME(二甲醚)燃料”,日本设计工学会东海支部研讨会“替代石油的未来汽车燃料”资料, pp.9-29,(2007)

(7) Huang Zhen and Xie Xiaomin, “Pathways to DME in China”, 3rd International DME Conference (2008)

(8) Henrik Landalv, “Development of DME trucks”,欧洲生物DME学习会资料 (2009)

(9) Ingva Landalv, “Black Liquor to BioDME by converting Pulp Mills to Biorefineries” ,欧洲生物DME学习会资料(2009)

(10) “运输用燃料的Well-to-Wheel评价-关于以日本运输用燃料制造(Well-to-Tank)为中心的温室气体排放量的研究报告书-”,丰田汽车株式会社,瑞穗信息总研究株式会社,2004年11月

 

 小熊光晴

简历:独立行政法人产业技术综合研究所新燃料汽车技术研究中心新燃料燃烧团队主任研究员。生于1972年8月。2001年茨城大学研究生院理工学研究科博士后课程 生产科学专业。工学博士。

研究领域:从事以柴油发动机系统的高效率低公害化为目标的柴油燃烧、新燃料利用系统、新燃料标准化等的研究开发。获第56届汽车技术会奖浅原奖学术鼓励奖(2006年5月)。

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