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用玉米秸秆沼气发酵为lightyear结构混动车提供能源的项目验证

导读: 目前电动车存在里程焦虑、充电难和快速充电带电网冲击、制造成本过高等难题,lightyear结构电动车,在当前电池、汽车制造技术水平下实现长续航,低于传统燃油车的单车生产成本,使用成本也远低于燃油车。

摘要:

(1)目前电动车存在里程焦虑、充电难和快速充电带电网冲击、制造成本过高等难题,lightyear结构电动车,在当前电池、汽车制造技术水平下实现长续航,低于传统燃油车的单车生产成本,使用成本也远低于燃油车。

(2)本文设计两个玉米秸秆厌氧发酵系统作为lightyear混动车的动力能源。并从多角度讨论了这两个方案的可行性。

引言:

第四种混动车结构lightyear结构,这种构造的电动车能很好解决里程焦虑、充电难、电网冲击和制造成本偏高等难题,并通过与生物质能源动力的结合应用,使得10年内石油等化石能源将退出人类能源舞台。汽车也会更廉价。本文通过设计两个玉米秸秆沼气系统,并多角度讨论其可行性。

1、lightyear混动电动车结构介绍

1.1 lightyear混动车原理

未来,lightyear混动车(以下简称LY混动车)因其突出的性能、更环保的动力源。LY电动会完全取代燃油车,LY结构成为主要的电动车结构方式。

1.1.1 单电机LY混动车原理介绍

用玉米秸秆沼气发酵为lightyear结构混动车提供能源的项目验证

图1  单电机LY 混动车

Fig. 1  single motor LY hybrid

如图1所示、LY单电机结构,是一个发动机兼发电机驱动的纯电动车。电动机为一个130KW的电动机,兼发电功率为130KW。电动机在车辆行驶时提供加速推力、前进后退动力。在车停下来的时候,由外力带动发电机逆向充电。也可以由充电口进行快慢速充电。电机发电和充电口充电,可以是二选一或者两者同时充电。最大充电功率为130+40=170KW。这种结构带来的好处是能够在15分钟内充电达到80%(电池容量为25KWH)。

1.1.2 双电机LY混动车

用玉米秸秆沼气发酵为lightyear结构混动车提供能源的项目验证

图2 双电机LY 混动车

Fig. 2  Two motor LY hybrid

LY双电机结构,就是一个双电机驱动的纯电动车的增强版。电动机A为一个55KW的电动机兼发电机,发电功率为20~55KW。电动机A在正转时提供加速推力,由外力带动反转是作为发电机使用。通过一个简单的传动耦合结构即可实现。

电动机B是一个75KW的主驱动电动机,带动后轮转动。电动机B可满足单个电机运行时,最高车速为100KM/H。

lightyear结构在没有燃油发动机时,当汽车停下来时,通过机械传动系统给电动机A提供动力,带动电动机A发电。最高发电功率为55KW,快充约半小时小时充满电,发电的同时也可以通过充电口将电能回馈到电网,实现逆向充电。在没有外置动力的情况下,也可以通过充电口快充或者慢充。或者二者同时进行。最大充电功率为55+45=100KW.可以在10分钟左右给电池充电到80%。

lightyear结构也在前机舱放置一个燃油发动机,为发动机A提供动力,发电功率为20KW~55KW。作为增程器使用。当汽车需要加速、爬坡等大动力时。增程器停止工作。电动机A为汽车提供推力。增程器可以做成20KW、30KW、40KW、55KW四种规格。增程器发动机及汽油由加油站提供。根据行驶距离来确定选用哪一种功率规格。电动机A的变频控制系统是带逆变功率的变频器。发电后电能存储到电池。或者直接给电动机B提供电能。

假定该车型电池续航里程为160KM,百公里耗电13度,电池组定为26度。在自带燃油发动机增程和40L燃油情况下,160KM里程电量用尽耗时 2小时。发电机发电20X2=40度。增程模式下,百公里油耗折算8L,总里程续航里程超过500+160=660KM。这样解决了里程焦虑问题。

1.1.3 货车的LY混动车

货车因其载荷大,耗电高。充电难问题尤为突出,LY混动货车,每个轮子采用单独电机驱动。每个电机都具备电动机和发电机功能。并具有一个或多个增程发动机。这种结构的好处是能够在短时间内快速实现能源存储和使用。

1.1.4 LY混动车定义

由以上类推,LY混动车可以为多电机驱动、多电机兼发动机的任意组合方式。不同车身结构、车辆用途、及驱动传动方式的电动车均可以由机械传动逆向发电。该类结构称为LY结构。LY结构混动车的特点是能够快速实现能量的变换、存储和使用。最大限度降低车体重量,各个车体构成部件能有在行驶、加速、减速、充放电的时候充分、重复利用。LY混动车主要以环保的能源为动力源。

2、 LY混动车带来的能源结构改变

2.0.1 燃油车和LY混动车用车成本对比

下面以广汽传祺GS3和GE3为例子说明,为什么十年内电动车将完全取代燃油车。

由汽车之家查得口碑实际油耗、电耗如下图

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油耗平均7.8L,最低7.0L 最高12.3L。

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电耗平均17.9kWH,电耗最低15kWH,最高22kWH。

折合18kWH和7.8L实际应用汽车的里程相当。假定,每天行驶200公里。

需要电能36度,92号汽油15.6L

GE3的为130KW单电机驱动。改为LY结构:后驱为75KW电动机和前驱55KW发电兼电动机。电池续航由310KM改为160KM,电池容量47KWH改为25KWH(新GE3自重由1667kg降低为1200kg,百公里电耗降低为12KWH)。并标配一台轴输出65KW的沼气发动机(该沼气发动机有尾气余热利用锅炉,每度电能产生8升95摄氏度的热水),传动损失10%,带动前电机发电功率为55KW,能在半小时内给汽车充满电。在发电机和充电口(45KW)同时充电情况下,12分钟能充电80%。每两个小时充电一次,每次15分钟。这种情况大多数车主能够接受。

假定新GE3每天行驶160KM,年里程5.85万公里。每天需要沼气为25KWH/2=12.5标方。12.5标方需要玉米秸秆12.5/557*1000≈23kg。年需秸秆8.395吨。秸秆成本和沼气池成本可以忽略不计。可以得到年新GE3的动力成本为零。

直接电网充电为25/0.92x365=9918度,按0.69元每度。年需电费约6800元。

GS3的燃油年油耗为160/100*7.8L*365=4555L。燃油成本为4555x7.5=34162元。

目前广汽GE3最便宜为14万。新GE3未来成本可以降低到10万。

在利用玉米秸秆作为动力源的情况下。5年用车成本对比。新GE3为10万。燃油车GS3为3.4x5+11=28万。其他保养、保险、税收假定相同。

由此计算燃油汽车用车成本太高、未来的淘汰速度远比预想的要快。

3、 玉米秸秆作为LY混动车的动力能源可能性

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图3 各种常见生物质沼气产量

Fig. 3 Biogas yield of various common biomass

下面是两种规格的沼气系统概述。

3.0.1  最小沼气系统

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图4 一个10立方米的厌氧罐

Fig. 4 A 10 cubic meter anaerobic tank

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图5  6标立方米的沼气气囊

Fig. 5 Six cubic meters of biogas

根据规模化秸秆应用经验,沼气池存放鲜秸秆到完全自然发酵,也就是秸秆停留时间是180天,23kg干玉米秸秆如果一次装料,通过水下机器人自动搅拌发酵(这种机器人目前还没产品,这是我用来构想替代搅拌器、并能控制发酵速度的机器人。具体结构和原理后续文章给出。)一次装料量180x23=4140kg,假定为5吨(鲜秸秆的干重)。5吨秸秆考虑浮渣、沉淀、分层和堆积等因素。正常发酵容积可以设计为存储容积为10m3,厌氧发酵容积为30m3。需要一个20立方米的沼气池内气囊。

由此得到一个直径4米,高5米的厌氧池(有效池容45立方米)和池顶有装20立方双膜气囊,加一个水下搅拌机器人是整个系统厌氧系统。没有预处理和沼气净化。通过水下搅拌机器人控制沼气产量,简单可行。池内的PH和温度、可挥发性有机物等等尽可能不去控制。PH通过发酵速度可自动调整,温度由池壁的绝热材料、发酵放热和发动机余热利用热水来保持。这样设计到达免维护的目的。

一年两次装料、人工维护成本低。厌氧系统加一个20KW汽油沼气两用增程发动机可以满足用车需求。沼气产生的沼渣沼液在10年内能够抵消建设沼气池成本、运行费用。除一年10吨玉米秸秆,平时的厨余垃圾和粪便也加入发酵产沼气,产生多余沼气发电上网,六口之家产生的有机废弃物垃圾约为10kg每天。该部分产生的收益不确定,不计入。

最小沼气系统,基本解决了一家六口的电力需求和用车动力需求。

3.0.2 沼气充电站系统(商业运作)

这是一个每天进料2吨,产沼气2*557=1114标方,发电2228度的沼气发电系统。有一套膨化秸秆预处理、一个0.4吨/小时 180℃蒸汽锅炉气、一个1100立方米厌氧发酵罐、一个500标方双膜气柜和4台60KW 效率为38%的沼气发动机、4套50KW直流快慢充充电桩。整个系统投资在136万。

整个系统进料采用含水率15%的粗粉碎玉米秸秆,采购成本为400元/吨。年物料成本29.2万/年。4人8小时人维护运行,年人工费用40万/年。水电检修耗材10万/年。7年折旧,年折旧20万。总体成本在99.2万。

年收益,不考虑沼气沼渣肥料的收益。按照商业充电指导价最低1.2元/度。有2*557*2.2*1.2*365=107.345万。每天为120辆LY结构电动车充电。每辆充电20度。余电可以上网,也可以直接从电网给电动车充电。最快12分钟充到80%、最慢半小时。

由此、在不需要国家补贴的情况下。玉米秸秆沼气发电为LY电动车充电具有商业意义。

假如把这种小型充电站扩展到全国。全国约2.6亿吨玉米秸秆。需要260000000/365/2≈36万座。每座投资概算140万。总投资费用5040亿。秸秆年发电量在2.6*557*2≈2896.4亿度,约等于2017年总发电量的4.5%。投资费用预计6~8年回收成本。

4、验证项目实现和工艺路线

最小沼气系统的实现相对容易。在此不做详细说明。实现的方式也多种多样。建设成本与房屋建造成本相近,预计在15平米*2500元=3.75万。

下面详细讨论沼气充电站系统的实现。

4.0.1 玉米秸沼气充电站

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图6  玉米秸沼气充电站(商用)

Fig. 6 Corn straw biogas charging station (commercial)

如图6所示,工艺系统是一个日处理2吨秸秆,日发电2000度以上的沼气发电系统。

关于玉米收购价格可参考《生物质秸秆预处理工艺及经济性分析》 山东大学、赵希强等

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图7  秸秆收储转运成本

Fig.7 Crop collection, storage and transfer cost

由此表得出粗破碎含水率15%秸秆收运成本400元每吨是合理的。

秸秆收运回来的下一步是预处理,在众多的秸秆预处理技术。选用膨化机膨化的原因是,膨化后厌氧生物停留时间更短,能合理利用余热锅炉的热量。并使用这个热量调节厌氧罐温度,使得其保持在38℃最佳的中温厌氧温度。

膨化

这是一种物理生化复合处理方法,其机理是利用螺杆挤压方式把玉米秸秆送入膨化机中,螺杆螺旋推动物料形成轴向流动,同时由于螺旋与物料、物料与机筒以及物料内部的机械磨擦,物料被强烈挤压、搅拌、剪切,使物料被细化、均化。随着压力的增大,温度相应升高,在高温、高压、高剪切作用力的条件下,物料的物理特性发生变化,由粉状变成糊状。当糊状物料从模孔喷出的瞬间,在强大压力差作用下,物料被膨化、失水、降温,产生出结构疏松、多孔、酥脆的膨化物。

从生化过程看,挤压膨化时最高温度可达130℃~160℃。不但可以杀灭病菌、微生物、虫卵,提高卫生指标,还可使各种有害因子失活,排除了促成物料变质的各种有害因素,更利于厌氧发酵。

将膨化后的秸秆兑12立方米沼液后酸化,8天后投入1100立方米的厌氧罐。厌氧罐产气率为1标方/立方米,采用竖直搅拌。秸秆平均停留时间为83天。秸秆中糖、淀粉等物质的停留时间不到20天,木质素、纤维含量在40%以上,停留时间最长达到180天。能确保秸秆的生物质被完全利用。

由《螺杆挤压膨化机加工农作物秸秆的试验研究》 张祖立等 2001 农业工程学报得到:

image.png

图8  秸秆膨化经验值

Fig.8 Straw bulking experience

由于本工程有蒸汽锅炉,7kg/kWH是自发热膨化,蒸汽加热膨化的度电产能提升到80kg/kWH,一个400kg/h产能的膨化机8小时膨化秸秆2吨。耗费蒸汽2.4吨、电能25度。

厌氧发酵、双膜气柜存储和沼气净化工艺及细节在此不讨论。(这些都是经过大量工程验证的),本工程采用中温湿式厌氧,厌氧罐内含固率为8~18%,停留时间82天。产气率为1标方/立方米/天。

4.0.2 沼气产量及发电量

按照沼气工程相关手册,查得每吨干秸秆(含水15%)产沼气557标方。每标方沼气可发电1.6~2.5度。由此得到最低发电量1782~最高发电量2785度。因沼气产率和发电量是整个系统的生命线。在高产气率和高发电效率的情况下,经济效应更可观。如果按照生物质发电上网标杆价格0.69元/度。这个工程的经济收益是无法保证,只有按照商业充电桩最低1.2元/度~最高1.8元/度,这个充电站的收益很大。

沼气充电站系统的投资概算。

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由上面得到年发电收益为78~120万。年运营成本在100万左右。在国家政策支持下,只需免去土地使用成本、秸秆沼气充电站就实现商业化运作。

沼气发电和太阳能发电比较,沼气发电的可存储性省去了存储成本,沼气发电的连续性也比太阳能好。投资成本,参考网络数据 分布式光伏发电1W的建设成本在5~8块。5KW建设成本为2.5~4万。日平均发电12度。年发电16000~5000度(对应一类~五类光照资源地区)

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图9  5KW太阳能光伏年发电量

Fig.9  5KW solar photovoltaic annual power generation

投资140万可以建设35*5=175光伏电站(未考虑配置储能、充电功能)。以三类资源为例年发电量为38.5万度。而秸秆沼气发电取中位数是73万度。光伏电站的运维成本低。秸秆沼气发电运维成本高。在农村秸秆收运费用很低的情况下,或许秸秆沼气发电比太阳能光伏发电更有发展潜力。有可能成为跟光伏扶贫一样的另外一种扶贫项目。这个沼气充电系统是实现农民增收的一种好的途径。

5、结语

本文给出了在现有技术的基础上,LY混动车具有广阔的发展前景。LY混动车结合生物质能源沼气发电的应用,能够打包解决环境、能源、交通、汽车制造和农业农村问题。这个方向是值得广泛研究和实践的。

秸秆沼气充电站和电动车是相辅相成,相互依赖的共同发展关系,秸秆等生物质能源在没有LY混动车的情况下,不具备经济开发的条件。LY混动车在缺少动力源的情况下将无法实现广泛应用。

[1] 中国城乡建设部、质监局 GBT 51063-2014大中型沼气工程技术规范

[2] 李来庆等 餐厨垃圾资源化技术及设备 北京 化学工业出版社 2013.

[3] 许晓杰等 餐厨垃圾资源化处理技术 北京 化学工业出版社 2015

[4] 王仲颖、高虎、秦世平.中国工业化规模沼气开发战略.北京:化学工业出版社.2009

[5] GBT29488-2013中大功率沼气发电机组

[6] NYT 1223-2006沼气发电机组

[7] 《生物质秸秆预处理工艺及经济性分析》 山东大学、赵希强等

作者:梁云

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