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天然气汽车：欧洲的一个选择
摘要
在欧洲，天然气汽车扮演着次要的角色。一个决定性的原因是大多数欧洲国家对天然气进口的依赖。除了意大利，没有使用天然气作为燃料的传统。
此外，缺乏基础设施(例如加油站)。与欧洲形成对比的是，在拉丁美洲和亚洲国家，天然气汽车十分普遍。一些国家培育天然气汽车
因为他们有自己的天然气资源。许多国家必须减少大城市的高空气污染。
环境因素是欧洲使用天然气汽车的主要动机。去年，高油价刺激了天然气作为燃料的使用。欧洲各国政府已经制定了鼓励措施(如减税)来培育天然气汽车。然而，重点是混合动力技术和电动汽车，然而，这需要进一步的技术改进。相比之下，天然气在传统发动机中的使用在技术上是成熟的。进一步提高能源效率和使用可再生能源可以避免额外的天然气进口。总之，天然气作为燃料的市场渗透应该在欧洲得到促进。
1. 引言
压缩天然气(CNG)在今天的欧洲汽车行业中扮演着相对次要的角色。虽然使用天然气作为燃料的汽车将是传统汽车的有效替代品，但在欧洲大多数国家关于汽车未来的讨论中并没有认真考虑到这一点。在世界其他地区，特别是拉丁美洲和亚洲，以天然气为燃料的汽车被认为是传统汽车的一种重要替代品，这种汽车的库存正在迅速增加。在世界范围内，使用天然气作为燃料主要是为了减少排放，而天然气可以帮助实现这一目标。在一些拉美国家，最初的动机是通过使用本国天然气而不是进口石油来减少经常账户赤字。自1980年代以来，一些拉丁美洲国家的天然气车辆数量已大幅度增加。从那时起，CNG汽车在亚洲国家的汽车库存中也取得了可观的份额。大多数欧洲国家都落后于全球发展。
除了考虑和先决条件，如当地天然气的供应，更多地使用天然气作为汽车燃料取决于国家补贴。为此目的所使用的手段因国家而异。一些国家通过降低销售税或对这些汽车征收使用税来推动天然气的使用。然而，大多数国家对天然气征收的燃油税低于对汽油和柴油征收的燃油税。此外，一些国家通过禁止在污染严重的大都市地区使用传统汽车和燃料，或通过差别停车收费来鼓励使用污染较轻的汽车，来强制使用压缩天然气汽车。在欧洲，天然气作为汽车燃料的使用在过去几年中得到了各种形式的支持。加上石油价格的上涨，这导致大多数国家的天然气车辆库存在过去几年大幅度增长。然而，这一增长开始较晚，而且仍然低于世界其他地区。除意大利外，欧洲汽车库存中CNG汽车所占比例明显低于1%。造成这种情况的一个决定性原因可能是，大多数国家既依赖石油进口，也依赖天然气进口。在一些国家，液化石油气(LPG)已经占据了主导地位，而CNG却难以跟上。另一个重要因素是，与液化石油气相比，在一些国家(例如德国)，天然气没有税收优惠待遇。虽然天然气在传统四冲程燃油机中的使用已经被广泛掌握，并可以通过混合动力技术进一步改进，但电动车能否克服它们所面临的技术和经济挑战(如低能源密度和高电池成本等)仍然存在很大的疑问。然而，公众和政客们实际上更加关注电动汽车，即使在可预见的未来，这种技术将不适合大规模使用和生产。因此，欧洲在未来几年应该把重点放在电动汽车的研发和CNG汽车的市场渗透上。为此目的，应至少维持到2020年，通过对天然气的税收优惠来促进天然气作为燃料。此外，应该促进重型车辆更多地使用天然气。
论文的组织如下:第二节讨论各种运输燃料的优缺点(传统燃料和生物燃料以及电动汽车和天然气汽车)特别是它们对环境的影响。第三节介绍了欧洲以外天然气汽车的发展。
在一些地区(南美洲和亚洲)CNG被广泛使用。第四节的重点是欧洲天然气车辆的发展。结果表明，与世界其他地区相比，欧洲CNG汽车的库存并不重要。只有在意大利，在某种程度上在德国，CNG汽车发挥的作用很小，但越来越大。提出了促进欧洲CNG汽车发展的政策措施。此外，还讨论了欧洲供应问题的环境优势与安全问题。第五节的结论是，天然气的选择在欧洲应得到更多的重视。
2. 天然气:运输部门的一个真正的选择
目前，汽油和柴油是最常见的交通燃料(柴油几乎垄断了重型汽车)。然而，一些替代燃料基本上是一次性的(虽然不是在每个加油站，也不是在所有国家)。我们将在下一节简要介绍这些燃料。
2.1传统燃料和生物燃料
汽油是碳氢化合物和其他成分(乙醇、硫磺等)的不同混合物，这取决于原油和炼油厂使用的工艺。柴油的含碳量和每升二氧化碳的排放量都高于汽油。
液化石油气是石油和天然气生产(称为凝析油或天然气液- NGL)或原油蒸馏和炼油厂裂解的副产品。液化石油气的主要成分是丙烷和丁烷。在相对较低的压力下，这种气体混合物可以以可接受的成本储存和运输。
传统汽油和柴油的其他替代品包括生物燃料、电力和天然气。氢有一些有趣的特性(例如，除了水的排放，它可以在没有排放的情况下燃烧)和运输部门的长期潜力(取决于燃料电池的发展)，但在可预见的未来，它对燃料供应的贡献不会很大。
欧洲最重要的生物燃料是生物柴油。这是一种酯化植物油，其性能可与用原油生产的柴油媲美。它可以直接用于传统柴油发动机(只需稍加修改)或与传统柴油混合使用(因为直到一定比例的生物柴油，不需要改变发动机)。以菜籽油为原料生产的生物柴油称为菜籽油甲酯(RME)，是欧洲使用最广泛的生物柴油。如果使用其他植物或有机废物，这些油被称为脂肪酸甲基/乙基(FAME或FAEE)。现代工艺通过生物质气化生产生物燃料，然后合成气体作为燃料。然而，这些流程目前正处于开发阶段(一些示范工厂正在生产或在管道中)。到2020年，这项技术的贡献将保持适度，尽管政府大力推广。
2.2电动和混合动力汽车
对汽车来说，一种潜在的有趣的能源是电力。电动汽车的优势——尤其是在部分负载模式下——比奥托或柴油发动机的效率高得多(总体效率为80%，低于30%)。电力生产中的能源损失并不能完全弥补这一优势。此外，使用煤炭、水电和核能等廉价能源发电的可能性降低了供电成本。一般来说，以电力的形式提供能源要比以汽油的形式运送汽车便宜。
电动汽车的一个重要优点是它们不直接排放任何污染物。因此，今天主要使用电力驱动的车辆在建筑物内运输(例如仓库里的叉车)，以避免在空气交换率低的环境中使用传统发动机会产生高浓度的污染物。增加使用这类车辆，特别是在大城市，将有助于改善空气质量，特别是在颗粒物、硫(SO2)和氮(NOx)方面。然而，为这些汽车提供电力的发电站将排放越来越多的此类污染物。在二氧化碳总排放量方面，电动汽车的优势取决于为运输部门供电的发电厂的整体效率，以及所使用的主要能源。在考虑二氧化碳排放时，用于发电的燃料也很重要。煤炭所占比例越高，其发电的总体二氧化碳优势就越小。如果用煤发电，则为零或负。在这方面理想的做法是使用核能、水力或其他可再生能源。按照欧洲联盟及其成员国的计划，风能和太阳能等可再生能源所占份额的增加，使得有必要使需求适应供应的波动，或增加电力的储存能力。除了蓄能电站(水电)或气压站，插电式电动汽车的电池还可以用来储存风能或太阳能高供应时期产生的电力，并在供应低于需求时再供应回来。
电动汽车的缺点是电池，它非常昂贵，而且耐久性有限。最根本的问题是电池的功率密度比液体燃料低。迄今为止，锂离子电池主要用于笔记本电脑和手机，其密度最高可达95-190 Wh/kg，而汽油的密度约为1.2万Wh/kg。所以汽油的能量密度大约是锂离子电池的60倍。即使考虑到电动机的更高效率，汽油的净功率也比锂离子电池高20倍左右。这一劣势意味着电动汽车必须在汽车体积中占据更大的份额来储存能量(这意味着留给乘客和他们的行李的体积更小)，而更高份额的汽车动力必须用来移动汽车本身的质量。其结果是电动汽车的续航里程较低和/或乘客空间的减少。对于像公交车这样的重型车辆——除了与电网相连的无轨电车——或纯电动卡车是不可行的选择，因为电池的能量密度较低。此外，给电池充电需要几个小时，而给油箱加油只需要几分钟。这种电池对振动和温度变化也非常敏感。电动汽车的大量增加需要大城市电网的适应。
总而言之，在可预见的未来，纯电动汽车(插电式混合动力汽车)不太可能在小型城市汽车的利基市场之外获得可观的市场份额。电池性能的大幅提高和成本的大幅降低是必要的，以使电动汽车吸引广泛的潜在感兴趣的司机。事实上，尽管媒体(至少在德国)将电动汽车的前景描绘得十分乐观，但在可预见的未来，能否做出足够的改进，使这项技术实现商业突破，仍是一个高度不确定的问题。
与纯电动汽车相比，混合动力汽车的前景要好得多。在短期内，混合动力汽车将以电动驱动补充传统技术和燃料。特别是温和的混合动力汽车，仅用传统发动机和汽车本身的燃料就能产生所需的电力，已经在市场上建立起来，不需要政府的进一步支持。
2.3CNG汽车
与电动汽车相比，CNG汽车代表了一种已经很先进的技术，有进一步改进的潜力。天然气主要由甲烷组成，在大气压下被压缩到体积的1%以下的车辆使用天然气，也可以使用沼气代替天然气。由于汽油在用于奥托发动机之前与空气分散成气态混合物，因此直接使用气体不需要进行根本性的技术更改。天然气具有良好的抗爆性能，因此，可以使用比汽油更高的压缩发动机内的燃料/空气混合物没有提前点火。因此，比使用汽油有更高的热效率和更低的比能耗。由于附加成本低，甚至有可能获得比柴油发动机更高的能源效率和更低的排放。
与电力相比，CNG也可以用于重型车辆，一些卡车已经在这个版本中生产。对于这样的车辆，天然气也可以用作液化天然气，或液化天然气(天然气压缩到原来体积的1/600，温度161至164℃)。
使用压缩天然气还有进一步的优势。压缩天然气发动机具有较低的摩擦损失，因此，比传统发动机低噪音。带有压缩机和废气涡轮增压器的燃气发动机可以达到相对于气缸容量的较高的发动机功率，并显著降低能源消耗——尤其是在城市交通中普遍存在的部分负荷模式下。有了这些技术解决方案，与汽油驱动汽车相比，CNG的缺点——较低的行驶里程和缓慢的启动性能——可以被克服。最重要的是，这些效率优势可以用比柴油汽车(与otto发动机相比)稍低的额外成本实现。由于压缩天然气的整体效率与柴油相当，因此使用压缩天然气的污染物排放量大大低于柴油发动机。剩下的，CNG汽车也可以设计成混合动力车，既可以使用CNG，也可以使用电力。总的来说，与电动汽车相比，CNG汽车具有使用成熟技术的优势。
压缩天然气汽车具有环保优势。在同等功率和重量的情况下，使用CNG燃料的汽车所排放的氮氧化物(NOx)和颗粒物要比目前所有的传统汽车少得多。即使是混合动力汽车(传统燃料加电力)或使用传统燃料和生物燃料混合物的汽车也会排放更多的这种物质。因此,它将有可能在一个相对短的时间内贡献大幅减少排放的颗粒物通过替代传统汽车,公共汽车和出租车和CNG(或通过转换),尤其是在城市,不能严格遵守欧盟的排放限制的力量。即使考虑到生产、改造和从井到车轮的运输过程中产生的排放，与传统汽车相比，CNG汽车通常也有优势。只有使用纯生物燃料的汽车排放的二氧化碳更少。在直接排放二氧化碳方面，目前市场上的CNG汽车明显优于传统汽油汽车。由于未来柴油汽车的排放量必须大幅减少，即使是以牺牲效率为代价，CNG汽车最终也会比柴油汽车减少更多的二氧化碳排放。因此，向CNG汽车的过渡将有助于实现欧盟的目标，即到2015年12月新车平均每公里排放130克二氧化碳 。
3.世界范围内天然气汽车的使用
3.1主要发展方向:汽车数量、基础设施和政策
在许多国家，天然气燃料汽车的数量在过去几年中有所增加。2009年初，世界范围内共有950万辆天然气汽车，占汽车总数的1%。在拉丁美洲和亚洲，天然气车辆的增长尤其强劲，在近年石油价格不断上涨以来。
截至2008年底，天然气汽车数量最多的国家是巴基斯坦(200万辆)、阿根廷(170万辆)和巴西(160万辆)。这些国家合计拥有全球现有天然气汽车存量的一半以上。在伊朗和印度，天然气汽车的库存超过80万辆，紧随其后的是意大利(580万辆)。紧随其后的10个国家(其中包括中国、俄罗斯和美国)的库存数据明显较低。然而，它们远远高于德国的库存数据(64,454辆天然气汽车)。
就某一国家的汽车总数而言，天然气汽车在孟加拉国、亚美尼亚、巴基斯坦和阿根廷所占比例超过20%。在巴西，这一比例达到了10%。相比之下，天然气汽车在欧洲的份额非常低。即使在意大利，天然气作为汽车燃料在20世纪30年代就已经被使用，天然气汽车仅占汽车总数的1.1%。在德国，这一比例仅为0.1%。
除了汽车，公共汽车、卡车以及两轮和三轮汽车也使用天然气。然而，在天然气被广泛用作汽车燃料的国家，汽车主导着天然气汽车车队。印度是一个例外，该国天然气汽车在天然气汽车库存中占有38%的份额。其中两轮车和三轮天然气车发挥着重要作用。另一个例外是乌克兰，其天然气汽车的份额仅为6%。在乌克兰，公共汽车和卡车的市场份额为25%，而“其他车辆”的市场份额甚至达到了44%左右。与欧洲国家相比，德国天然气汽车占天然气汽车的79%，而卡车占18%，公交车非常低占2%。
拥有足够数量的加油站是(广泛)使用天然气作为汽车燃料的先决条件。跨国比较显示，巴基斯坦拥有最多的CNG加油站(约2600个)，其次是阿根廷(1800个)、巴西(1700个)和中国(1300个)(见《燃气汽车报告》，2009年)。紧随其后的是德国和意大利，分别拥有800和700个加油站。因此，德国在每个加油站的车辆数量上排名第一(每个加油站80辆)。相比之下，在印度，每个加油站有2500辆车，在伊朗，
每个加油站有1300辆车。天然气被广泛用作汽车燃料的国家——阿根廷、巴西和巴基斯坦——每个加油站拥有1000辆汽车。
由于天然气汽车的排放量较低，大多数国家都对其提供补贴，但一些国家的经济考虑也很重要。使用国内天然气作为汽车燃料可以对一个国家的经常帐户余额产生积极的影响。在拥有自己天然气储量的拉丁美洲国家，最初的目标是用天然气(作为汽车燃料)代替石油的需求，以减少石油进口的开支。天然气使用量占相当大比例的所有国家都面临经常帐户危机(例如阿根廷)，或目前的特点是经常帐户赤字高
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