中国天然气汽车产业未来发展建议

王意东 何太碧，2 汪 霞 王 艳 毛 丹

1.西华大学汽车与交通学院 2.流体及动力机械教育部重点实验室 3.成都工贸职业技术学院

0 引言

我国提出了“2030年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降60%～65%”的发展目标，其中交通领域是实现节能减排目标的重要力量之一。近些年来，我国能源安全和环保压力日益严峻，国家和各地方政府给予了以电动车为代表的新能源汽车前所未有的、全方位的扶持，天然气汽车产业因此遭遇了极大的困难和挑战，产销量双双下滑，外界对天然气汽车的未来发展走向也存在着诸多质疑。但是，当前新能源汽车技术还不够完善和成熟、技术进步较慢、安全事故时有发生，产业化进程中还存在着很多不确定因素；随着政策的日趋理性，过度依赖政策扶持的新能源汽车销量在2019年出现了近10年来的首次大幅度下滑；再者，新能源汽车的销量占全国汽车年总销量仍不足0.5%，保有量占比也不到1.5%；在我国以火电为主的大背景下，新能源汽车难以承担起节能减排的重任，实现2030年的交通减排目标任重道远。2017年全国“两会”上，政府工作报告首次将“新能源汽车”改为“清洁能源汽车”，绿色环保、经济性好、技术成熟的天然气汽车又迎来了发展机遇。为此，笔者基于资源禀赋、战略安全、减排目标及产业技术现状，系统分析了我国天然气汽车的未来发展定位、趋势以及面临的瓶颈，并据此提出了相关发展建议，以期推动我国天然汽车产业迈向新台阶。

1 我国交通能源清洁化发展路径分析

2013年以来，我国超过美国成为全球最大的原油进口国，2019年原油对外依赖度高达70.8%，能源结构和能源安全面临极大挑战。2013年又遭受史上最严重的雾霾天气，机动车尾气排放控制已成为各级地方政府控制大气污染的重点工作之一。面对日益严峻的能源安全和环保压力，转方式、调结构势在必行，清洁化是汽车产业发展的必然选择。

国内机动车排放法规不断加严，排放法规更新间隔越来越短，国Ⅲ到国Ⅳ间隔了3年，国Ⅴ到国Ⅵ间隔了2年。中国环境科学研究院《移动源排放法规发展状况和趋势》报告指出，国Ⅶ排放法规已提上日程。工业和信息化部、国家发展与改革委员会及科学技术部联合发布的《汽车产业中长期发展规划》也提出，2025年，国产乘用车平均燃油消耗量将进一步要求降至4.0 L/100 km。按照这个趋势，传统燃油车满足排放标准技术难度不断增大，具备排放优势的天然气汽车将迎来良好的发展机遇。

2019年，我国电动汽车保有量达381×104辆，但汽油替代率仅1.456%。假设2030年电动汽车突破1×108辆，有望替代27%的传统燃油汽车，成品油替代率也仅14%，仅靠新能源汽车实现2030年的交通领域减排目标还远远不够[1]。再者，电动汽车的“零排放”仅限于使用阶段，我国电力结构中，2018年煤电发电量占全口径发电总量的63.7%[2]，煤电的生产、传输、转化等阶段产生的气体污染物排放总量，按全生命周期计算各类车辆单位里程污染物排放量，电动汽车的常规气体污染物排放量均高于传统燃油汽车，其NOx、SOx和PM排放量分别是天然气汽车的1.2、3.5及7.5倍[3-4]。在我国煤炭发电占主导地位的大背景下，电动汽车全生命周期实现能源清洁化将是一个复杂而漫长的过程。在中长期内，交通领域要实现2030年的减排目标需要统筹各类电动汽车、清洁燃油车、清洁替代燃料汽车（天然气、甲醇以及其他生物质燃料汽车）的多元化发展[5]。考虑到天然气储量丰富，加工为车用燃料工艺简单，技术成熟，天然气汽车应是我国在中长期内推广清洁能源汽车、实现交通减排的现实选择。

2 天然气汽车产业发展现状及趋势

2.1 天然气汽车产业发展现状

2.1.1 天然气资源保障现状

我国天然气资源主要分布在中部、西部和海域，资源相对丰富，具备发展天然气汽车的资源禀赋，四川、塔里木、鄂尔多斯等地相继发现千亿方超大气田，潜力巨大[6]。自然资源部发布的《中国矿产资源报告2019》数据显示[7]，截至2018年，我国查明天然气资源储量达5.793 6×1012m3，预测我国天然气地质资源量达90×1012m3，可采量为50×1012m3。2019年，我国天然气产量达1 736×108m3，重点打造了四川、鄂尔多斯、新疆及海上四大天然气生产基地。我国也在推进能源进口多元化，构建了“西北、东北、西南、海上”四大油气进口通道，与“一带一路”沿线“富气”国家签订了长达数十年价值数千亿美元的天然气购销合同，2019年我国天然气进口量达1 332×108m3[8]。截至2019年10月，我国已建成投产LNG接收站25座（拟再建64个），主要分布在环渤海、江浙沪和华南等地[9-10]，目前实际年接收能力为8 955×108t。这些都为天然气汽车的发展提供了坚实的资源保障,车用天然气供气紧张局势将得到极大缓解。

2.1.2 车用天然气消费现状

天然气是清洁高效、资源丰富、低碳环保的化石能源，加大天然气在能源消费结构中的比重已成为各国能源发展基本战略[11]。2018年我国天然气消费量在能源结构中的比重为8%，按国家能源局规划，2030年我国天然气消费量在能源结构中的比重将提升至15%，我国“以气替煤，以气替油”的能源结构调整政策导向日益显著。2018年我国天然气消费总量突破2 800×108m3，其中车用天然气消费达360×108m3，车用天然气消费量占天然气消费总量比例上升至12.8%，天然气汽车的快速发展带动了车用天然气消费的稳定增长，成为改善我国交通能源结构成效显著的领域之一。

2.1.3 天然气汽车发展现状

随着能源和环境压力的不断加大，天然气汽车在交通领域节能减排和优化能源结构中发挥着重要的作用。近些年来，国内油气价比进一步回落，加之排放法规日益加严，天然气汽车特别是天然气重卡等商用车取得了快速增长。截至2018年，我国天然气汽车保有量为676×104辆，同比增加62×104辆，增幅10.2%。2010—2018年我国天然气汽车保有量如图1所示。天然气汽车对燃油车的替代规模日益突出，2018年，我国车用天然气替代传统车用燃油规模达3 100×104t，其中，替代汽油1 340×104t，柴油1 760×104t，车用天然气替代传统车用燃油占比达9.6%[12]，天然气汽车保有量较高的新疆、山东、宁夏、四川等地减排效益更为明显。

图1 2010—2018年我国天然气汽车保有量图

2.1.4 天然气加气站布局现状

我国天然气加气站主要分布在气源地、沿海城市或离管道气较近的省市，截至2018年，我国拥有天然气加气站9 000余座，其中CNG加气站5 600余座，同比增长5.67%，主要分布在新疆、山东、四川、河北、内蒙古等地；LNG加气站3 400余座，同比增长9.67%，主要分布在山东、陕西、山西、内蒙古等LNG产出省份。我国管道气源地区建站较为密集，远离管道气源地的建站相对低迷，近年来，各级管网公司加大了管网建设力度，22个省市提出了“县县通”“镇镇通”天然气管道建设规划，预计2030年天然气管道将超过20×104km[13]，随着管网覆盖的不断完善，管道气源加气站建设将迎来机遇。2010—2018年我国天然气汽车加气站保有量如图2所示。

图2 2010—2018年我国天然气汽车加气站保有量图

2.2 天然气汽车发展趋势

虽然国际汽车界对新能源汽车作为未来汽车产业发展方向已形成共识，国家和地方省市也将新能源汽车作为重点发展领域，给予了全方位的政策支持，但新能源汽车在技术研发、成本控制、产业化进程、基础配套等方面的困境还具有许多不确定性，新能源汽车建设和营运过度依赖国家政策的补贴，高速增长的背后实为国家政策强力引导的结果，私人消费积极性并不高，短时间内，新能源汽车仍难以完全替代传统燃料汽车，或形成强势竞争优势。在汽车产业以节能减排为主流的大环境下，内燃机动力仍将在未来较长时间内占据主要市场份额，节能技术、替代能源仍将拥有较大的应用潜力与市场空间。因此，中长期内，汽车工业应当是传统燃油、替代燃料、新能源等多种能源并存的过渡期。随着国家阶段性补贴的日益缩减，成本偏高，技术进步缓慢的新能源汽车的购买竞争力将进一步减弱，部分购车需求特别是运营需求将转向经济性好、技术成熟、成本较低的天然气汽车。

天然气汽车较传统燃油汽车更具经济性优势。以四川为例，现行LNG价格4.0元/m3, CNG价格2.9元/m3,远低于汽柴油价格。据调查，天然气汽车的初始购车成本高于传统燃油汽车，但油气价格比在0.5左右时，一年以内即可收回成本，后续可节约更多的燃料成本费，CNG出租车全年可节约燃料费3万元，LNG重卡货运全年可节20余万元[14]。

压缩天然汽车（CNGV）与液化天然气汽车（LNGV）因各自特性不同，应用于两种不同的商业领域，CNGV主要应用与城市交通、私人汽车、城市物流等领域。LNGV主要应用于具有长途运输需求的物流货运及城际客运领域。笔者认为：①中长期内，压缩天然气汽车在中小城市的渗透率将进一步提高。近年来，新能源汽车在各大城市公共交通、城市物流等领域已有较为广泛的应用，这些城市经济基础及充电配套相对较好，但绝大多数中小城市配套也极为薄弱，电动化积极性不高，短期内难以改善，经济环保的CNG汽车将是现实的选择。②LNG商用车将是未来的天然气汽车发展的重要领域。中国物流协会《第五次全国物流园区（基地）调查报告（2018）》指出[15]，截至2018年，全国物流园区共计1 638家，物流需求强劲，汽柴油替代规模潜力巨大。2018年，我国柴油消费超过1.59×108t[16]，柴油车保有量2 184×104辆，长途物流货运、城际客运及重卡商用等柴油尾气排放重点车型，是电动汽车不能覆盖的领域。LNG汽车经济性好，加注时间短，续驶里程长，国内卡车配置双450 L气瓶，续驶里程可超过900 km，适合跨省长途运输。因此，LNG物流货运和城际客运等领域将是天然气汽车未来的发展重点，天然气汽车将成为该领域最重要的替代车型。

3 天然气汽车发展面临的瓶颈

3.1 政策支持厚此薄彼，产业重视程度不高

近些年来，国家将政策聚焦在新能源汽车领域，给予了新能源汽车前所未有的扶持政策，国家及各地方政府密集出台了百余部政策，仅消费端就可享受购车补贴、购置税减免、不限行、不限购、优惠电价、充电桩补贴甚至停车费减免等全方位扶持政策。天然气汽车受到较大影响，天然气汽车政策支持不足，新能源汽车政策又支持过度，国家政策的不合理导致汽车市场信号的扭曲。

新能源汽车技术还不成熟，国家现阶段大规模、高强度的扶持政策操之过急。目前，电池及电控等核心技术还不成熟，众多领域还处于“技术研发”阶段，充电配套等基础配套也比较缺乏，尚不宜进行大规模的市场化，频发的安全事故即证明了这一点。目前新能源汽车的建设和运营过度依赖扶持政策。比较而言，天然气汽车同属清洁能源汽车，产业链完善，技术成熟度高，环保性能好，安全可靠运行数十年，已处于大规模“市场化”阶段，不管是消费端还是企业端均未得到国家重点扶持，地方政府重视程度也不高。

3.2 标准建设相对落后，与现实需求不匹配

天然气汽车的发展离不开一系列政策、标准、规范的支撑，目前总的框架已基本成型，但与天然气汽车高质量发展、可持续发展的要求相比仍显滞后，标准不完善也不利于产业的技术创新。在CNG技术标准及行业规范方面，我国现行的天然气汽车技术标准和规范多为20世纪90年代出台的，已不匹配当前技术发展和市场需求，更不利于企业技术进步。在LNG技术标准和行业规范方面，我国现行的LNG汽车产业相关标准法规大多零散地参考国外标准，尚未形成完整的适合我国实际的标准体系和规范，部分LNG汽车专用零部件研发设计、测试试验、质量验收等相关标准缺失，仍需参考国外标准，部分省市由此便出台了地方标准，但权威性和推荐性相对较弱。

3.3 储气瓶储气压力偏低，车辆续驶里程较短

天然气汽车以其良好的经济性和环保性受到消费者的青睐，但天然气本身不易储存，能量密度低，相对液体燃料携带的燃料少，需要压缩至一定体积以增加续驶里程，天然气汽车行驶里程短已成为阻碍其发展的一大瓶颈。车用高压储气瓶是天然气汽车的关键零部件之一，其技术发展水平直接影响到天然气汽车的续驶里程和应用效果。根据国家标准[17]，我国现行的天然气汽车储气瓶压力为20 MPa，有效行驶里程为150～200 km,远低于燃油汽车的400～500 km。这一压力水平，导致CNG汽车运行效率低下。为了满足行车需求，消费者不得不频繁充装燃料，严重影响了消费体验和购车积极性。在不改变气瓶压力的情况下，只能增大气瓶容积来提高续驶里程，这将影响车辆整体结构布局、装载空间、车载质量。我国现行气瓶压力偏低已成为天然气汽车续驶里程短的关键因素，国外天然气汽车储气瓶压力已提升至25 MPa，甚至更高的30 MPa。

储气瓶成本高也是阻碍天然气汽车发展的一大因素。天然气汽车储气瓶的成本主要包括材料、安装、制造及工具成本，其中，材料成本占总成本的70%[18]，采用优质、低价的复合材料已成为降低高压天然气气瓶成本的关键所在，目前天然气汽车采用的是玻璃纤维缠绕（GF）气瓶，GF价格低廉，性能较低，在生产过程中能源消耗大，污染大，且弃后不能回收利用或自然降解，造成资源浪费和环境污染。也可采用性能更好的碳纤维（CF）缠绕，但成本高，不适合大规模推广使用。

3.4 加气站布局不平衡，建站投资热情不高

我国天然气汽车加气配套体系存在不充分、不平衡、建站热情不高等问题：①加气站数量缺乏，加气排队现象普遍，严重影响消费者用车体验，截至2018年底，我国累计建成各类加气站9 000座，主要分布在山东、新疆、四川、内蒙古等气源地及沿海城市，国家发展与改革委员会印发的《天然气发展“十三五”规划》指出，2020年配套建设加气站12 000座以上，据此还有3 000座未完成，节点将至，恐难实现这一目标；②布局不合理，我国加气站尚未形成跨区域的供气网络，城际的高速公路、国省干道、快速干道等分布极少，物流运输车辆、重型卡车，城际客运车辆等行驶里程长，消费者对运输途中能否便捷加注燃料存在担忧，影响了消费者的购车积极性；③加气站建设难度大，加气站基本属于新建，属于易燃易爆设施，城市供地又相对紧张，选址上存在局限性，开发难度大，且成本偏高。城际干线、国省道路、高速公路等加气站建设土地成本虽然相对偏低，但长途出行的天然气汽车偏少，投资回报周期长，并且加气站建设还存在涉及部门多、审批周期长的问题,投资吸引力低。

4 天然气汽车产业发展建议

4.1 转变发展观念，重视天然气汽车在交通清洁化进程中的战略地位及作用

天然气汽车是我国第一大替代能源汽车，环保性能优越，与新能源汽车同属清洁能源汽车，近年来，国家及地方政府大力扶持新能源汽车产业，忽略了天然气汽车产业的发展。天然气汽车产业不受重视与国家的产业战略规划、顶层设计、政策导向有较大的关系。但从目前发展来看，电动汽车产业化进程还存在许多不确定性，难以承担国家2030年的交通减排目标。因此，基于我国资源禀赋、电力结构、减排目标及产业技术现状，笔者认为：我国汽车运输将是传统燃料、新能源、天然气等多种能源长期并存、协同发展的态势。建议：①国家相关部门应尽快制订清洁能源汽车发展的顶层设计，包括新能源汽车、天然气汽车等替代能源汽车的战略定位和作用，以及不同清洁汽车技术路线发展关系，编制清洁能源汽车中长期发展规划和发展目标等，促使各地方政府和相关部门转变发展观念，统筹考虑天然气汽车的发展；②完善天然气汽车发展相关政策，有条件的省市尽快将天然气汽车纳入大力推广的范围，并给予类似于新能源汽车的政策支持，如将符合政策要求的天然气汽车纳入市政采购范围，给予消费者购置税补贴等。此外，相关部门和企业还应加强宣传引导，消除消费者心中天然气汽车不安全的思想偏见。

4.2 完善站、车及专用设备标准法规建设，加强技术创新，助力产业升级

天然气汽车的持续健康发展离不开科学、合理、完善的标准体系[19]，也离不开健全的研发体系。我国天然气汽车的发展已有数十年的历史，部分标准缺失、建设落后，更新缓慢，不能满足产业、技术和市场发展的需求。建议：①对标国际先进标准，学习国外先进理念，结合我国天然气汽车产业发展实际，尽快梳理缺失的标准规范，补充完善，建立框架清晰、操作性强、涵盖面全的标准体系，做到标准和产业的协调发展；②紧跟技术发展，尽快完善或更新天然气汽车相关专用设备及零部件的技术规范和行业标准，如《汽车加油加气站设计与施工规范：GB 50156—2012》（2014版）、《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶：GB/T 24160—2009》[17]关于压缩机、加气机、高压气瓶工作压力限值等相关条款的修订更新；③加强技术创新，加强天然气汽车气瓶、压缩机、加气机、储运设备、各种连接件、阀体、低温冷藏、气密性等关键核心技术创新，加强新材料、新工艺在天然气汽车上应用，开发高效燃烧系统、天然气汽车专用电控系统等，促进传统燃料发动机稀薄燃烧、高能点火等先进燃烧技术在天然气发动机上的应用。

4.3 推广高承压、低成本新材料复合气瓶，增大续驶里程，提高营运效益

车用高压储气瓶是天然气汽车的关键零部件之一，其技术发展水平直接影响到天然气汽车的续驶里程和应用推广。我国广泛使用的20 MPa玻璃纤维缠绕钢制气瓶,续驶里程短，成本高、质量重，且玻璃纤维不能满足进一步提高储气压力的性能要求。建议：大幅提高气瓶储气压力，开发轻量化储气瓶。将储气瓶压力由现行的20 MPa提升25 MPa，甚至更高的30 MPa，由此可将天然气汽车续驶里程提高50%以上。这在技术上完全是可行的。北美、东南亚等国家早已实现高承压气瓶的商用，我国许多企业也向国外提供25 MPa、30 MPa的气瓶产品出口，另外，我国氢燃料气瓶工作压力也高达35 MPa，日本更是高达70 MPa，这对适当提高CNG气瓶压力具有一定的参考价值。

高承压、低成本、轻量化气瓶主要包括3方面的研究：①选用新型复合材料。采用满足高承压技术要求且价格相对低廉的新型纤维缠绕材料，玄武岩纤维被誉为21世纪纯天然的高性能纤维，已经列入国家“十三五”规划重点发展的新型材料，其价格低廉，储量丰富，具备天然的相容性、优异的力学性能、耐高温性和耐酸碱性[20]，单丝模量、强度、耐化学腐蚀性等都强于传统玻璃纤维，可替代传统玻璃纤维和碳纤维作为气瓶的新型缠绕纤维材料。国内学者已针对该材料做了大量的研究[21-22]，并进行了35 MPa玄武岩纤维增强复合材料气瓶样品试制和性能试验，取得了较好的效果，水压爆破试验压力高达120 MPa，另外，还可进一步研究采用符合性能要求的新材料塑料内胆替代现行的钢制或铝制内胆，降低气瓶的质量及成本。②气瓶结构设计。结合气瓶几何约束条件，优化气瓶结构参数，如气瓶封头椭球比、内胆壁厚、内胆直径、瓶口直径等，研究不同内胆结构设计下，内胆的极限承压能力和循环疲劳性能，获得满足工业化生产要求的轻量化内胆结构。③气瓶工艺优化。优化气瓶缠绕工艺和固化工艺，研究纤维不同缠绕角厚度、形式、张力及自紧力对气瓶承压和强度的影响，纤维进胶量、缠绕温度、纤维层固化制度等因素对气瓶长期使用性能的影响，明确适用于工业化生产的最优缠绕方式与固化工艺，减少纤维缠绕量、提高纤维利用率、气瓶爆破极限及抗疲劳性能。

4.4 完善重点区域加气站网点建设，解决加气站建站难、成本高等问题

我国加气站等基础配套不完善，制约了天然气汽车的发展，建议按照“政府引导、规划统筹、市场推动、安全有序”的原则，加大加气站基础设施建设力度，实现加气站广度和深度覆盖。建议：①CNG汽车主要在市域内使用，应增加城市CNG加气站网点纵深布局，考虑到城市土地资源紧张，建站成本高等问题，为快速实现建站，完善网络覆盖，可以充分依托并整合现有资源，大力鼓励和支持有条件的加油站增设加气设备，积极发展油气合站、油气电三站合一综合能源补给站等；②LNG汽车主要应用于具有长途运输需求的跨省市物流货运、城际客运等领域，也是未来天然气汽车重点发展领域，应优先完善重点区域、城际间加气站网点覆盖，如工业（物流）园区、干线公路、重点乡镇、高速公路服务区等，满足具有长途运输特点的物流、客运加气需求；③把握各省、市大力推进管网建设机遇，主动对接国家、各省市管网发展规划，加大对管网沿线地区加气站的规划及建设力度，鼓励和支持天然气营运企业加大CNG、L-CNG、LNG等各种形式加气站的投入；④针对建站难、回报周期长等痛点，相关部门应完善加气站政策扶持，比照充电站研究制订加气站建设在税收、补贴等方面的扶持政策，简化加气站建设审批流程，以增强企业的投资意愿。

5 结束语

交通能源清洁化是未来的发展趋势，在充分考虑我国资源禀赋、安全战略以及产业技术现状的背景下，我国应转发发展思路，采取多元化、协同化的清洁交通技术发展路线，以新能源汽车为主线，天然气等替代能源汽车协同发展。天然气汽车资源保障能力强，技术成熟、经济性好，碳排放量少，中长期内，仍将是我国实现节能减排、保障能源安全的现实选择。未来，LNG商用车将是重要的发展领域，CNG汽车在中小城市的渗透率也将进一步提高。但天然气汽车产业目前还存在着政策不合理、续驶里程短、网点不完善等瓶颈，其高质量发展的关键在于：①做好顶层设计、明确发展地位，转变发展观念，完善政策扶持；②完善标准规范体系，加强关键设备技术创新；③推广高承压、新工艺、新材料气瓶解决消费者里程焦虑之忧；④完善重点区域加气站网点布局，依托现有加油站资源，支持建设油气、油气电综合能源补给站，着力解决加气站网点不完善、建站困难、成本高等问题。