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油頁岩革命引爆天然氣動力汽車高速成長


刊登時間: 2013/08/15

文 許鴻德

原油價格從2004年開始不斷攀昇後居高不下,「高油價」成為每位車主心中揮之不去的陰影,SUV車款更因高油耗而受環保人士猛烈抨擊。「節能科技」與「替代燃料技術」瞬間成為目光焦點,不論是大家熟悉的柴油引擎、Hybrid油電混和動力系統,或是過去介紹過的生化柴油、氫動力甚至燃料電池都或多或少存在著限制其發展的瓶頸。由於氫具有非常高的能量密度,釋放的能量足以使汽車引擎運轉,因此許多科學家預言,以氫為能源的燃料電池是本世紀汽車的核心技術,它對汽車工業的革命性意義就相當於1960年代CPU對於資訊工業一般重要。氫為二次能源(可循環使用),既容易取得(直接由太陽能電解海水即可獲得)又不導致環境污染,堪稱最理想的汽車燃料來源!在21世紀的前幾年,被視為最清潔的「氫動力」成為汽車產業的希望所寄、德國BMW更投入了數十億歐元的研發經費,然而即使各大車廠傾全力研發(BMW還準備再投入10億歐元),在燃料電池誕生已超過30年的今天、幾個關鍵技術障礙依然無法克服。多數人相信氫動力車改變世界的那一天應該在30到40年後,「大家說『氫動力』是未來的希望,在我的眼中、氫動力永遠都是未來的幻影,」J.D. Power的研究員Walter McManus繼續說:「換句話說,『氫動力』只會在科幻小說中出現!」

Toyota雖然在Hybrid技術上領先群雄,但銷售量與全球汽車市場相比仍是少數。

即使各大車廠傾全力研發,在燃料電池誕生已超過30年的今天,仍然有無法克服的技術障礙。

頁岩氣 引爆新一波能源革命
就在氫動力的發展腳步停滯不前時,另一波能源革命卻悄悄到來:隨著「頁岩氣」革命的到來,以及美國本土天然氣的大量開採,全球能源業的生態大幅改變。天然氣(又稱油田氣、石油氣、也就是一般俗稱的「瓦斯」)主要成分是甲烷,還含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫等,為無色無臭易燃易爆氣體。天然氣早已是人類冬季取暖以及發電的重要能量來源,但做為汽車動力卻始終不是主流,不過這將隨著油頁岩革命導致低價天然氣大量開採而有所改變!油頁岩是富含有機物的沉積岩,可自其提煉出液態烴類。透過化學裂解加工,可將油頁岩中的油母質轉換為合成原油。加熱油頁岩至特定溫度能將分離蒸氣,即藉由蒸餾產生類似石油的頁岩油以及易燃的油頁岩氣(天然氣)。從2005年開始,美國不斷發展從油頁岩開採天然氣的技術,根據地質學家的預估,美國的油頁岩蘊藏的天然氣總量足夠美國使用100年!目前美國已經取代俄羅斯、成為全球最大的天然氣生產國。大量的低價天然氣被開採出來導致天然氣期貨價格自2010年年中以來持續下跌,幾乎可以用「崩盤」來形容,而同期美國國內的天然氣使用量來到歷史新高。若預估長期能源價格趨勢,除了石油因為同時也是重要工業原料,市場需求使其具有長線上漲題材之外,煤價和天然氣價格隨著供給大於需求,未來將僅剩跌深反彈或是因季節因素所帶來的溫和漲幅(冬季需求)。油價和天然氣價格愈來愈大的價差已成為常態,以天然氣取代石油的趨勢將愈來愈明顯。
從2005年開始,美國不斷發展從油頁岩開採天然氣的技術,大量的低價天然氣被開採出來,導致天然氣期貨價格自2010年年中以來持續下跌。

 

歐洲車廠率先動作
頁岩氣引爆的能源革命亦得到汽車製造商的關注,而率先採取行動的是來自歐洲的Fiat;雖然Toyota宣佈與BMW展開燃料電池和電動車等四大領域的合作,Daimler也將與Ford、Renault-Nissan合作研發燃料電池,然而Fiat的新能源發展路徑卻大不相同:決定放棄開發氫燃料電池而將精力集中於壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,CNG)技術,作為長期規劃中內燃式引擎的替代能源。Fiat的戰略改變其實經過深思熟慮,由於氫原子在各元素中尺寸最小、質量最輕,很難經由管道進行長距離輸送,這點與天然氣存在明顯區別。加以氫燃料電池壽命相對較短(原因是在能量轉化過程中產生一氧化碳,而燃料電池內部的鉑基催化劑逐漸被一氧化碳還原),Fiat高層認為考慮到燃燒效率,同時將燃燒時消耗的能量計算在內,與傳統動力車型相比,氫燃料電池車的優勢其實並不明顯。短期內Fiat的新能源重點在於壓縮天然氣(CNG),旗下Fiat Panda車型CNG天然氣動力版本的二氧化碳排放只有86克/公里,不僅其空污排放水準好於同規格柴油動力版本、也超過了汽油動力版本。從長遠角度來看,Fiat預期「感應式無線充電」技術將得到廣泛應用:只要將無線充電設備將安裝在道路周圍,則純電池動力車型的續航里程只需要達到20英哩左右即可,在電池能量耗盡前便能從一條道路趕到另一條安裝了充電設備的道路,如此一來電動車輛最大的成本:二次電池開支就可大幅降低!Fiat估計覆蓋國土面積接近義大利或英國的國家需要500億英鎊安裝充電設備,相形之下從英國伯明罕到倫敦鋪設一條高速鐵路就需要耗資330億英鎊,因此以公共建設的角度來看,無線充電設備的成本並不算高。
油頁岩是富含有機物的沉積岩,可自其提煉出液態烴類。透過化學裂解加工,可將油頁岩中的油母質轉換為合成原油。

為了增加車主使用的方便性,目前的主流產品為雙燃料車型(汽油/CNG),這類車型可以同時使用汽油與壓縮天然氣、汽油與天然氣的交互運用也免除了車主尋找加氣站的困擾。

 

未來天然氣車型將逐漸受到重視
隨著天然氣的開採成本逐漸降低,再加上其一氧化碳排放量趨近於零、對環境傷害極小,而且天然氣作為燃料可直接使用於內燃式汽油引擎,在免除開發成本又有以上種種優點的前提下,由原廠設計並銷售的天然氣動力車型近年來在海外地區已快速普及,包括VW、M.Benz、Opel在內的歐洲車廠都提供了不少的選擇。由於天然氣燃燒溫度高但爆發力不足,加上為氣態非液態之故,過去一般消費者對出廠後自行改裝的天然氣動力車型之刻板印象是引擎無力、不順甚至燒毀氣門的問題發生,而原廠推出的天然氣動力車型由於設計更周詳、其穩定與耐久等特性逐漸獲得重視。為了增加車主使用的方便性,目前的主流產品為雙燃料車型(汽油/CNG),就是在傳統汽油動力車型內整合壓縮天然氣(CNG)燃料系統:包括天然氣氣瓶、減壓調壓器、各類閥門和管件、混合器(或者天然氣噴射裝置)、各類電控裝置等,這類車型可以同時使用汽油與壓縮天然氣、汽油與天然氣的交互運用也免除了車主尋找加氣站的困擾。原廠所推出的產品不僅僅修改燃料供應系統,引擎本身的強度也會適度提昇。車室內儀錶板設有雙燃料錶、油箱蓋內也有兩個添加口。以VW推出的瓦斯與汽油共生Passat Ecofeul車型為例,車內搭載一具1.4升雙增壓引擎,並因應天然氣的燃燒特性而提高氣門、活塞、活塞環強度,不但具備兩種燃料的控制程式切換,雙增壓引擎設計帶使其最大馬力達到150匹,故0~100km/h加速、極速各有9.7秒、209km/h的表現,完全顛覆了「天然氣車型跑不快」的傳統印象。整個大中華地區(包括中國與台灣地區)都大幅依賴進口能源,隨著「頁岩氣」革命的到來以及美國本土天然氣的大量開採,有關單位都應嚴肅面對與研究,並與汽車製造商及時溝通,考慮進一步開放生產或進口原廠天然氣車型,再搭配加氣站的廣設以得到民眾支持,才不會在新一輪能源革命中錯估情勢!
除了民用車型之外,Fiat也早已在商用車型大量推廣天然氣動力技術,並在其全線產品上普及。

短期內Fiat的新能源重點在於壓縮天然氣,旗下Panda車型CNG天然氣動力版本的二氧化碳排放只有86克/公里,不僅其空污排放水準好於同規格柴油動力版本、也超過了汽油動力版本。

 

由原廠設計並銷售的天然氣動力車型近年來在海外地區已快速普及,包括VW等歐洲車廠都提供了不少的選擇。

天然氣車型優缺點分析
天然氣動力車型優點
1.更環保:CNG車型的最大優勢就是減少對環境有害的氣體排放。與汽油動力車型相比,天然氣車型可以減少多達93%的一氧化碳排放量、減少33%的氮氧化物和50%活性烴氣的排放量。
2.更安全:CNG車型的油箱比汽油或柴油油箱更厚且更結實。美國過去兩年多以來沒有出現過任何天然氣儲罐破裂的情況。
3.經濟效益:天然氣的費用比汽油低。平均來說費用降低30%(未來可能更多),而且與汽油價格相比,天然氣的價格非常穩定。
4.CNG車型的維護成本低:因為天然氣燃燒時很少產生污染,這對於引擎的磨損較少,而且還能延長維修引擎和更換機油的時間。
天然氣動力車型缺點
1.使用空間:用戶對於CNG車型的最大抱怨就是空間較為不足,因為雙燃料車型必須犧牲車室空間以便容納天然氣儲氣瓶。
2.成本較高:整合壓縮天然氣(CNG)燃料系統需增加額外成本,但此成本可由日後的燃料費用彌補。
3.天然氣蘊含量:天然氣與汽油一樣都是石化燃料,不能將其視為可再生資源。儘管美國的天然氣儲量仍然很高,但也不是取之不盡;而按照目前的消耗速度,天然氣儲量還能持續開採100年。
目前美國已是全球最大的天然氣生產國,大量開採的低價天然氣導致天然氣期貨價格自2010年年中以來持續下跌,而同期美國的天然氣使用量來到歷史新高。若預估長期能源價格趨勢,油價和天然氣愈來愈大的價差已成為常態,以天然氣取代石油的趨勢將愈來愈明顯。
雖然Toyota宣佈與BMW展開燃料電池和電動車等的合作,Daimler也將與Ford、Renault-Nissan合作研發燃料電池,然而Fiat卻決定放棄開發氫燃料電池而集中於壓縮天然氣技術,作為長期規劃中內燃式引擎的替代能源。