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

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

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

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

油耗平均7．8L，最低7．0L 最高12．3L。

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

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

图4 一个10立方米的厌氧罐

Fig． 4 A 10 cubic meter anaerobic tank

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

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

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：

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。

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）

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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