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塑料,能源工业可持续发展的关键材料

用得越多 节约越多
    目前为止,塑料最主要的初始来源还是石油,并因之而备受诟病,塑料似乎抢占了原本可以应用于交通运输或其他更多用途的资源。然而,研究表明,塑料制造所消耗的石油量只占到全球年度总用量的3%,而不同塑料应用所能带来的节能效果,则达到其消耗燃料量的数倍、几十倍,甚至上百倍。或许正因如此,塑料“用得越多,节约越多”的观点才渐渐成为业界的共识。而如今,最新的塑料技术已经步入“用得越来越少,可以实现的节约越来越多”的全新时期,塑料技术正在为能源工业可持续发展以及现有能源的高效利用提供全面的解决之路。

建筑节能
    建筑耗能约占全社会整体能源消耗的40%,包括建筑应用时采暖、制冷的能耗和生产建材的能耗两方面。采暖和制冷能耗取决于建筑的保温隔热性能和采暖、降温系统的热效率。
    经过多年实践,建筑界已公认在大多场合,各种泡沫塑料是最有竞争力的保温隔热材料,主要优点是保温隔热性能好、质量轻、不吸水、施工方便、价格低廉。一层40毫米的聚苯乙烯泡沫塑料EPS板的隔热效果相当于860毫米厚的砖墙,而每平方米40毫米EPS板的重量不到1公斤。因此在世界各国都大量应用塑料隔热材料。
    在建筑整体保温隔热之外,建筑内部同样有不少环节与节能相关。近年来已为越来越多建筑所采用的“地板采暖”(或称辐射采暖)方式,就是一种兼具室内舒适性和节能效果的技术,而塑料已成为这一应用最具优势的材料。常采用的地暖管有交联聚乙烯管PEX、耐热聚乙烯PE-RT管、铝塑复合管或聚丁烯PB管等。
    建筑耗能还包括生产建材过程中消费的能源。很多传统建材不只是生产过程中耗能大,生产过程中产生的污染对环境造成的影响也很严重。如今,塑料建材已经越来越多地替代传统建材在建筑中的应用。例如,在现代建筑中上下水管、布线管等基本上已为塑料管道所代替。一般而言,塑料管道的加工能耗不到钢管的1/4,而且由于塑料管道具有轻量、耐腐蚀、保温性能好等特点,还可以减少运输能耗以及用于热水输送时的热量损失。
    太阳能等新能源技术的应用已经随处可见,而塑料是其能够实现高效运作的最重要的基础材料之一。

交通运输节能
    交通运输工具的能耗和其本身的重量密切相关,采用性能重量比大、容易成型加工的塑料可以显著降低能耗。有关研究表明,使用塑料有助于减轻汽车重量,汽车重量每减少10%,燃料经济性可提高5%。用聚碳酸酯替代玻璃的环境效益包括重量、安全和设计。1千克的聚碳酸酯可替代2.2千克的玻璃,对于15万公里使用寿命(以美国轿车平常消费计),可节约200-300兆焦的能量和减少14-22千克二氧化碳排放。
    如今,塑料已经是汽车上应用最广泛的轻质材料,汽车塑料化是当今国际汽车制造业的一大发展趋势,其塑料化用量已经成为一个国家汽车技术水平的标准之一。轻型车辆市场对尼龙、聚丙烯、聚氨酯和其它工程塑料的需求量非常大,约占树脂市场需求的30%以上。借助塑料和复合材料,可用更轻质的材料来生产结构件。金属车门板、前端模块和油箱也都可用或已经为塑料材料代替。
    塑料在汽车上的广泛应用所带来的轻量化效果,可以显着降低汽车能耗。而被寄予厚望的全电动汽车,要尽快推向市场,轻量化是现阶段最可行的路线。图中为三菱化学在CHINAPLAS 2012展出的全电动概念车。
 
塑料节能领域广阔
    塑料应用所带来的节能效果并不局限于建筑和交通运输两个方面。塑料用于食品保鲜,可以减少远途运输时食品的腐败变质,从而提高运输效率,同时也减少由于食品供应不足而导致的重新制造、生产过程无谓消耗的大量能源,以及无效运输、废弃物处理等能耗。
    事实上,塑料在每一个发挥作用的应用领域,之所以能够成为与传统材料竞争的优胜者,与其优异的性能及显著的节能效果密不可分。

塑料:提高新能源利用效率
    积极开发新能源应用是近年来应对能源紧张趋势,推动能源工业可持续发展的关键。而在新能源应用的各个方面,如太阳能、风能、潮汐能、氢能,塑料都是其中被寄予厚望的重要材料。尤其是在行业发展面对困境的时候,越来越多的研究者开始把眼光转向聚合物可以提供的先进解决方案。《CPRJ中国塑料橡胶》在2011年4/5月刊特别做过一期关于聚合物与新能源的专题,其中详细地分析介绍了聚合物在新能源工业的应用解决方案与发展前景。其中介绍了大量塑料在不同新能源领域的应用案例。从中可以感受到,塑料在新能源工业的重要意义,以及塑料如何帮助新能源工业实现更高的转换效率。
    塑料在汽车上的广泛应用所带来的轻量化效果,可以显着降低汽车能耗。而被寄予厚望的全电动汽车,要尽快推向市场,轻量化是现阶段最可行的路线。图中为帝人在CHINAPLAS 2012展出的全电动概念车。

新能源工业的基础材料
    在日前于杜塞尔多夫举行的“K 2013预览”活动中,WVK(德国塑料工业联合会)主席Dr Josef Ertl在其以“变化的世界”的报告中谈到的第一个变化即是能源行业的变化以及聚合物在其中的重要意义,“在德国,我们目前正在经历我们所谓的‘能量转向’,在德文里叫做‘Energiewende’。随着核能发展的突然叫停,整个能源工业开始转向其他可替代能源工业。在开发替代能源的过程中,塑料已成为其中最重要的基础材料:没有塑料,就不可能有太阳能电池,也不可能有风电叶片。”
    正如Dr Josef Ertl谈到的,塑料已经是新能源工业发展不可或缺的重要材料。尤其是最近几年,太阳能技术与应用高速发展、常规风能以及大规模海上风能技术逐渐成熟、新能源汽车商业化等,使聚合物在新能源产业应用领域展现出更加广阔的前景。

解决全电动汽车市场化的根本出路
    事实上并不只是太阳能、风能等新能源市场离不开聚合物材料,在解决交通问题上,被寄予厚望的电动汽车领域,塑料可能是目前技术条件下唯一可行的解决方案。
    当前全电动汽车面对几个重大的挑战:电池本身体积庞大重量过大、电池储存效率不高、汽车续航里程有限、充电时间过长或充电基站不足、电池工作的可靠性与安全性问题等。其中续航里程不足可以说是用户体验不佳的根本问题。

    笔者认为,电池技术的轻量化与汽车本身的轻量化是解决电动汽车续航里程的两个关键。如果汽车重量只有现在汽车重量的1/3,同样的电池能够增加多少行驶里程?在不同的全球性展览会上,尤其是塑料行业展览会上,我们能够看到各种各样的轻量化电动汽车,例如在K 2010展会上,Ticona展出一款全新的概念电动车;2011和2012年的CHINAPLAS国际橡塑展上,三菱化学展出一款重量只有490KG的全电动概念车,该概念车同时配备太阳能辅助电源;帝人在2012年的CHINAPLAS展出一辆超轻量电动汽车,仅重437kg,该电动汽车应用了帝人各种轻量化材料及最新科技,具备实际行驶所需车体刚性。
    当然这些概念车,要实现最终商业化,还涉及到成本等方方面面的因素。尽管如此,如果只是把全电动的思路,应用在现有的燃油汽车上,除非电池技术取得突破性进展,可以在相当小的体积上实现足够大的蓄能,才有可能发挥出全电动的真正潜力。
    从目前的技术发展来看,短期内要实现电池的革命性的创新,包括性能的大幅提高与电池体积的大幅缩小,都不现实。因此,对全电动汽车的发展而言,汽车本身的轻量化才是目前全电动汽车发展的根本出路。

  

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