中国社会科学院经济文化研究中心《调查研究通讯》No.2008-6       2007年4月8日
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矿物燃料与交通用能

　

——能源经济概观之四

　

柯 堤

　

    在本世纪五十年代末或六十年代初，我国将实现高度现代化，届时人口将达15亿至16亿人; 如人均用能水平达到4吨标煤，则用能总水平约为60亿吨标煤。在一定的条件下，它可以成为我国用能总量饱和水平的界限，即在达到这一水平之后，我国能源消费总量将呈现零增长的状态。
  由文献[1]、[2]、[3]可知，在本世纪五、六十年代以后，我国能源消费总量60亿吨标煤中，约有50%以上由可再生能源来提供（风能、水能、太阳能、生物质能）；40%至50%仍将由不可再生能源来提供，根据后文的分析，这部份不可再生能源的物质形态将主要由煤炭构成。它的主要使用方式：一为发电供热，二为替代石油成为交通燃料及各种化工原料。

　

一、矿物能源和使用年限及方式
    根据最近的一次评估，中国石油的总资源量是940亿吨，现在只发现了其中的22%，天然气总资源量有38万亿立方米，目前仅探明了7%〔4〕。另外，目前已知我国煤层气的总资源量为35万亿立方米，煤炭的总资源量约在6万亿吨上下。
如果假设在2050年前后，我国石油消费总水平达到4亿吨，天然气和煤层气的消费总水平达到3000亿立方米（俩者合计，届时我国人均油气消费水平不足0.5吨石油当量，远低于目前发达国家的人均水平）；再假设上述资源的采收率达到其资源总量的30%，则我国石油、天然气和煤层气的使用年限约在70年左右。
如设煤炭的回采率达到上述资源总量的50%，则在我国能源消费总量达到饱和水平后（届时核电的比例在能源供应中可达10%），年均煤炭消费量为24亿吨标煤（约合33亿吨原煤），我国煤炭资源的使用年限可达千年以上。由此可见，在百年之后，我们将无油气可用。这对目前交通体系的用能结构是一个很大的威胁。从当前的情况来看，交通用能约占能源消费总量的25%，它对应的能量形态几乎全为石油制品。以1/4这个比例乘以60亿吨标煤，得数为15亿吨标煤，折合原油约为10.5亿吨。
    目前煤制油的技术已基本成熟，通常的标准是4吨原煤可制一吨成品油，那么10.5亿吨原油需要42亿吨原煤，这明显超出了上述33亿吨原煤的限界。也就是说，如全部用煤制油来替代原有的交通用油存在很大的问题；另外，这种使用方式的能源效率只有10%稍多，只有石油制品（汽柴油）的一半左右[5]。
根据技术的进展和质能级配准则（包括按级用能和按级用物的准则，我们将有专文探讨，还可参见文献[6]），我们把交通用能系统分成三大部份，进行分组替代分析。
    第一部分：长途专用运输系统（不包括铁路运输系统）。该系统主要包括长途陆路货运和客运、海运及空运运输工具；其用能总量约占交通用能的40%，即6亿吨标煤，折合原油约4.2亿吨。当百年以后，石油、天然气耗尽，它们可用煤制品（汽、柴油、二甲醚等）来替代。
    第二部分：城市公交及家用汽车系统。该系统用能量约占交通用能的40%，即6亿吨标煤，折合原油约4.2亿吨。该系统的作功特点是：在一年的绝大部份时间里（约90%左右），每天行驶的里程只有几十公里，而且平均速度只有七、八十公里。对此，可考虑以电力为主的能源动力体系。
第三部分：农交和农机系统。该系统主要包括各种农用牵引机械和农村短途运输车辆（农村家用汽车归入上述第二大类）。该系统用能量约占交通用能的20%，即3亿吨标煤，折合原油约2.1亿吨。其能量形态为非粮乙醇燃料和生物汽柴油制品。
    下文将对这三大部份做些简略地分类讨论。

二、长途专用运输系统
    长途专用运输系统具有以下特点：载重吨位大，如十几吨乃至几十吨；运输半径大及连续运行时间长，一天平均可达上千公里；路况复杂，如长距离爬坡，弯道多。对此，传统油料的能量密度大，能较好地满足上述要求；故而以油料为形态特征的能源还将在很长的时期内存在下去。以下完全以煤炭为基础来对这一系统的用能进行替代分析。其中，煤制油和煤制二甲醚各占一半（在长途专用运输系统中回程车的空载率约占30%—40%，此时可使用车载液化二甲醚）。
    一般来说，用煤炭制油1吨，需耗用4吨煤炭。4吨原煤的热值与2吨石油的热值相当，因此，煤制油的第一步转化效率只有50%。如内燃机的能源效率以22%计，则煤制油的能源效率只有11%（50%×22%=11%）;这很难令人满意。从经济上说，现在一般认为，当每桶石油的价格在35美元以上时，用煤制油是划算的; 但如考虑到环境成本（如由原煤采掘造成的地面塌陷等），则这种经济性也要打不少折扣。如要得到2.1亿吨石油燃料，需用8.4亿吨原煤，折标煤6亿吨。
    一般说来，可用2.3吨原煤制成1吨二甲醚，其热值与1吨石油大体相当。由于二甲醚在内燃机里可充分燃烧，其效率比燃油可提高约3个百分点，故使用二甲醚做汽车燃料时，其能源效率可达21.7%（10000÷11500×25%=21.7%）。这相当于煤制油的两倍，且其环境成本仅为煤制油的1/2。与煤制油相比，其不利的方面是要增加一定的投资建设加气站。要得到2.1亿吨二甲醚，需用4.83亿吨原煤，折标煤3.45亿吨。
    上述两项总计，替代石油燃料4.2亿吨，需用原煤13.23亿吨，折标煤9.45亿吨。如果在上述煤代石油的结构中，将二甲醚的比例提高，则原煤用量还可进一步减少，能源效率还可提高。另外，铁路运输系统如实行电气化，则可将其归入下类用能系统予以考虑。

三、城市公交及家用汽车系统
    这个交通运输系统具有其特殊性，即人们购买汽车主要还是作为上下班的代步工具，行驶里程要求不高（平均日行驶不过七、八十公里），速度也不会太快；根据该系统的作功特征，可匹配以相应的用能形态，即通过以电油混合的方式向纯电方式过渡。下面是两组估算：
    其一，纯电方式。4.2亿吨石油的全程热效率以23%计，则其用于作功的能量仅为0.966亿吨石油，其余的能量皆以废热或其它污染物的形式排放了。目前的超超临界火电机组的热效率已超过45%，如电池的能量效率为70%（理论上可达100%）；则用煤发电，以动力电池驱动汽车行驶，则其能源效率为：45%×70%=31.5%，相当于前者的137%。1亿吨石油的热值相当于2亿吨原煤，2亿吨原煤除以31.5%，其值为6.35亿吨原煤。这就是说，以纯电方式运行，这个交通系统只需用6.35亿吨原煤就替代了4.2亿吨石油；而若用煤制油的方式则需用16.8亿吨原煤。两相比较，纯电方式比煤制油少用了10亿吨原煤，约合7.14亿吨标煤。
    其二，以电为主，电油混合。对此，我们可以假定，在4.2亿吨石油当中，有20%仍以煤制油的方式运用，则其所需原煤为4.2亿吨×20%×4=3.36亿吨（煤制成油后，用车载汽柴油机发电，然后以此为车载动力电池充电）。其余80%按纯电方式运行，则根据前面的参数计算，可得这部分需用原煤4.9亿吨（4.2亿吨×80%×2÷31.5）。两者相加为8.26亿吨原煤，也仅相当于16.8亿吨原煤（全用煤制油的方式）的一半左右。
由此可见，根据系统的作功特点，匹配以相应的用能形态，即质能级配准则——按级用物、按级用能，可以大幅度地提高能量效率，并实现同等的工作任务。现在的问题是上述用能方式是否有相对成熟的技术体系为支撑。下面来看两个例子。
    即插即用的汽车。2007年通用动力公司推出了VOLT概念车，它采用了该公司最新的E-FLEX系统——车辆完全由电动机驱动，3缸发动机只负责给电池充电；一次充电行驶64公里。这意味着绝大多数将汽车作为上下班交通工具的人每天回家充电一次即可。当停车时，只要插上插头，6个小时就能给它的电池充满电，在使用汽车发动机给锂离子电池充电的情况下，它的行驶里程能达到1000公里，油耗为4.5升/百公里。预计该车2010年上市[7]。
    双模混合动力汽车。2007年10月，深圳比亚迪首款以铁电池电机和汽油发动机的双模混合动力汽车F6DM亮相。F6DM采用电动车系统和混合动力系统，是一种将控制发电机和电动机两种混合力量相结合的先进技术，不仅大大降低了油耗及排放，更提高了动力和操纵性能，实现了既可充电、又可加油的能量补充方式。该车在城市路况下基本可实现纯电动状态行驶，在比亚迪电动汽车充电站快速充电10分钟可达50%的电量，在家使用普通插座慢速充电，充满电量只需9个小时。预计该车将于2008年下半年量产上市，2009年纯电动车也将面市[8]。
    据介绍，该车在纯电动车模式下的续驶里程达到100公里，在油箱容积仅为25升的情况下，该车总续驶里程达到430公里[9]。比亚迪的资料显示，目前铁电池充电循环次数可达2000次以上，电池的持续里程寿命大于60万公里; 如果车上使用100块铁电池，则充满电续驶里程可达350公里，最高时速可达150公里/小时〔10〕。在2006年北京车展亮相的F3e比亚迪电动车百公里电耗仅12度，以目前电价计算，每百公里的电费不到10元，其经济性非常明显[11]。

四、农用运输系统
    依前所述，这个系统的用能量为整个交通运输系统用能量的20%，约3亿吨标煤，折合原油约2.1亿吨。该系统的作功特点是：运输半径短、运输物体积大而质量小。根据质能级配准则，适合其特征的能量形态为生物乙醇。
无水乙醇的能量密度约为汽柴油的70%，2.1亿吨原油折合能量相当的无水乙醇约为3亿吨。这是一个很大的数字，如用纯粮食来制造，则耗粮近10亿吨，相当于我国目前粮食年产量的2倍，根本不具任何行性。所幸的是，我们现在已有相对成熟的非粮乙醇制造技术。
    我国大农业的乙醇供给潜力。目前我国粮食产量约5亿吨，相应的秸秆产量约7至8亿吨;二、三十年之后，我国粮食产量应在6亿吨以上，相应的秸秆产量约9至10亿吨。运用中国科学院过程工程研究所的秸秆乙醇技术，目前大约7吨玉米秸秆可制成1吨乙醇（95%以上的纯度）[12];则10亿吨秸秆可制成1.43亿吨乙醇（只利用了秸秆中的纤维素）。如果把秸秆中的半纤维素也加以充分利用，就有可能实现5吨秸秆制成1吨乙醇;如此，10亿吨秸秆便可制成2亿吨乙醇。这种供给潜力主要在我国传统的农业主产区。
    另一方面，在我国西北部还可开辟出面积为8至10亿亩的农牧业新主产区，种植多年生牧草和能源作物，如甜高粱。使用北京泰天地能源技术开发公司的技术[13]，4亩甜高粱秸秆（亩产4吨秸秆，含水率为70%）便可制成一吨乙醇（纯度95%以上）;则只要有4亿亩甜高粱，便可生产出1亿吨无水乙醇。
    两相合计约3亿吨无水乙醇。这里有一点要特别指出，上述从秸秆中提取出乙醇后的渣料，仍可作为饲养牛羊的饲料（从重量上说，仍可达十数亿吨的规模，即其不会与牧争饲）。由此可见，农村运输系统的能量需求完全可以用生物质能来解决，无需耗用矿物能源（如果计入能源林业及其他能源农业的供给，年产三、四千万吨生物柴油也是非常有可能的[14]）。
    基本成熟的用能技术支撑体系。对于乙醇而言，如果说上述生产技术相对成熟；则其用能技术就更为成熟。例如在巴西，使用100%乙醇的发动机和车辆早已批量生产和应用。现在的问题是在乙醇的生产和使用过程中能否进一步提高能量效率。这里有两个方向可以进一步研究。其一，直接使用高含水乙醇的酒精内燃机，例如酒精纯度为60%至65%。这种方式可以大幅度降低乙醇生产过程中的能量耗用，估计降幅可达50%左右[15]；如此，在能量使用的全过程中，其利用效率可提高一倍左右，特别是在农村分布式的能量产消系统中，这种可能性更高。
其二，车载制氢系统。例如最近以色列开发出车载制氢系统，可将乙醇、生物柴油、汽柴油等直接转换为氢。他们研发了一种将传统制氢装置小型化的方法，可将其直接安装在汽车上，只要输入汽油、柴油和乙醇等燃料，即可转换为供燃料电池使用的氢。由于该系统不需要改变现行燃料运、储的基础设施，因而解决了氢燃料电池汽车制造商面临的一大难题;同时它们比传统内燃机的能量利用效率提高了近一倍，排放亦明显降低[16]。
如果这些问题可以获得解决，那么农村运输系统的生物乙醇用量可减少到2亿吨以内（95%的纯度）。如此，全用生物质能满足其需要，就要更加有保障了。

五、小结
    展望未来50年至100年，我国能源消费将达到零增长的状态，其饱和水平约为60亿吨标煤上下。其中交通系统用能将为15亿吨标煤，折原油10.5亿吨;利用煤炭和生物质能对交通用油进行替代的结构如下：对于长途运输专用系统用油4.2亿吨，可用原煤13.23亿吨全部替代（其中煤制油、煤制二甲醚各半）;城市公交和家用小汽车用油4.2亿吨，可用8.26亿吨原煤全部替代（若用纯电方式则仅为6.35亿吨原煤）；农村专用运输系统用油2.1亿吨，可用3亿吨生物乙醇全部替代。如此，交通系统所使用的矿物能源总量约为21.5亿吨原煤，折标煤15.36亿吨。
实现上述替代的产能和用能技术支撑体系现已基本成熟，未来仍大有改进和完善的广阔前途，其能量利用效率的提高前景未可限量。



引文和注释
[1]：柯堤：“节能潜力知多少——能源经济概观之一”，《调查研究通讯》No.2005-11，www.ecrcass.com。
[2]：柯堤：“现代化需要多少能源——能源经济概观之二”，《调查研究通讯》No.2005-14,www.ecrcass.com。
[3]：柯堤：“向可更新能源跃迁——能源经济概观之三”，《调查研究通讯》No.2007-4,www.ecrcass.com。
[4]：施剑松：“刘光鼎：中国油气要第二次创业”，《中国国家地理》2007.6。
[5]：柯堤：“现代化需要多少能源——能源经济概观之二”，《调查研究通讯》No.2005-14,www.ecrcass.com。
[6]：邓英淘：“生活质量、环境保护与物级近配准则”，《发现》杂志1990年秋季号。
[7]：“雪佛兰VOLT概念车：即插即用的汽车来了”，《科技新时代》2007年12月号。
[8]：“比亚迪双模混合动力汽车面世”，科技日报2007年10月29日，记者刘传书。
[9]：“国内首款双模车比亚迪F6电动车正式发布”2007年10月17日，《金羊网——新快报》，记者徐晨华。
[10]：“鼓励建充电站 比亚迪电动车明年有戏”，2007年12月24日，南方报业传媒集团——21世纪经济报道，作者：丛刚。
[11]：“比亚迪F3e纯电动车，首次实体真车体验”，2007年5月14日，广州日报，作者：汪云青。
[12]：“泽生生物：秸秆乙醇不与人争粮、不与粮争地——山东生物能源调研访谈纪要之四”，参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2007-37，2007年11月5日，www.ecrcass.com。
[13]：“甜高梁乙醇的问题与出路”，参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2007-29,No.2007-30, No.2007-31， www.ecrcass.com
[14]：2亿亩能源林业，可亩产生物柴油约100公斤至120公斤，则总产为2000万吨至2400万吨。1000万吨皮棉，相应的棉籽为2000万吨，含油率按50%粗估，则有生产1000万吨生物柴油的潜力。
[15]：目前用粮食生产乙水乙醇，基本是投入1卡的能量，可产出1.2至1.3卡的可用能量，其产投比并不高，其中的关键是粮食生产、运输和加工过程中的矿物能投入相当大，特别是反复蒸馏、精馏至99.9%纯度的乙醇，其用能所占比例很高。而用粮食发酵、一次蒸馏至纯度65%左右的1吨酒精，只耗用一吨蒸汽，其能量消耗仅相当于100公斤标煤。如在农村广阔的农牧业用地中，生产能饲兼用作物，并形成分布式的能源产消系统，可大幅度降低化肥投入和作物运贮过程中的能量耗用，从而大幅度提高能源的全过程利用效率。
[16]：郑晓春：“以色列开发出车载制氢系统可将汽油、柴油、乙醇和生物柴油等直接转换为氢”，科技日报，2007.12.4。