汽车产业发展的新能源分析及展望

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  摘要:汽车在为人类社会做出巨大贡献的同时,也越来越多地暴露出不足之处,发展节能环保的新能源汽车是未来汽车产业的新趋势。文章从现实问题出发,对几种最重要的新能源进行优劣分析,从而得出新能源汽车产业的“两步走”发展战略。
  关键词:节能 环保 新能源 汽车
  
  能源是人类赖以生存和社会得以发展的重要物质基础。在历史上,能源开发与利用的每一个重大事件都对人类社会的进步产生过重要的影响。汽车产业作为能源的一大消耗产业和排放有害物质的一大污染源,寻求应用于汽车的新能源及其产业化迫在眉睫。
  
  汽车产业发展面临的严峻问题
  
  内燃汽车发展至今,已经面临着“环境污染”和“能源危机”的双重问题。随着汽车产业的快速发展,汽车的生产量和保有量急剧增加,汽车排放污染已成为大气污染最严重的根源,严重的危害着人类的健康。据研究,目前大气中38.5%的一氧化碳(CO)、21.7%的碳氢化合物(HC)、87.6%的氮氧化物(NOX)、11.7%的二氧化碳(CO2)、6.2%的二氧化硫(SO2)、32%的微粒物(PM)来自汽车废气排放,如图1所示。而城市大气中,61%的CO、87%的HC和55%的NOX来自汽车废气排放。因此,解决汽车废气排放问题,已成为世界各国长期研究的重要课题。
  


  能源是支撑社会经济发展的物质基础。目前人类处于以石油、煤炭、天然气等化石燃料为主的“碳氢经济”时代,经济的运行与增长与这些能源有着直接或间接的联系。然而,化石能源具有有限性和不可再生性。对化石能源过度的依赖与使用,使人类社会面临着化石能源枯竭的巨大威胁。因此,寻求新的替代能源和开发低污染的绿色汽车,已成为当今世界汽车产业发展的主题。
  
  目前主要代用燃料的优劣比较分析
  
  (一)氢
  国际上氢能发展的热潮,起始于20世纪末燃料电池的加速发展。起初,对氢能的系统性开发是出于对高效过程的追求,主要用作宇宙飞船、航天飞机等尖端科技产品的燃料。随后,氢能的研发目的侧重于对清洁交通的引导,现发展到汽车应用上。随着氢能研究的逐步深入,人们对氢能解决人类能源问题给予了更高的期望。最近,氢能被赋予摆脱对石油资源依赖、CO2减排等重要使命,并正在形成相对成形的氢经济构想,加速了向氢能经济过渡的努力。
  1、制氢技术现状。目前世界上制取氢气的方法除了传统的矿物燃料制氢、电解水制氢之外,近年来的太阳能制氢和生物制氢等制氢新技术也受到了广大学者的关注。第一,矿物燃料制氢。这是采用最多的方法,并已有成熟的技术及工业装置。其制法主要有重油部分氧化重整制氢,天然气水蒸气重整制氢和煤气化制氢。但矿物燃料制氢存在工艺落后、经济效益差且污染严重等缺点,并且由于石油、天然气和煤都是宝贵的一次能源,因此造成了能源的极大浪费。第二,电解水制氢。电解水制氢是一种意境成熟的传统制氢方法,其生产历史已有80余年。通过电解水制取的氢气纯度高并且制氢过程操作简单,但电解水的效率不高(传统电解水的效率约为60%-80%),且需要消耗大量的电能(每立方米氢气耗电约4-5千瓦时),这些不利因素限制了大规模电解水制氢的应用。第三,太阳能光解水制氢。1972年,日本学者藤屿和本多描述了第一支TiO2半导体电极所组成的电化学电解槽,它通过光解水的方法把光能转化成氢和氧的化学能,揭示了利用太阳能分解水制氢的可能性,这种方法制氢的优点不言而喻。地球的水资源极其丰富,阳光也堪称是取之不尽的物质,一旦该制氢技术成熟,将能使人类在能源问题上一劳永逸。但这种方法制氢也存在光电转化效率低(一般为20%-30%),以及不能有效地利用太阳光强度等问题。第四,生物制氢。早在100多年前,科学家们就发现在微生物作用下,通过乙酸钙的发酵可以从水中制取氢气,而现已证明产氢作为一种生理性状广泛的存在于光合营养生物中。生物制氢包括发酵制氢和光合作用制氢。与传统制氢工艺相比,生物制氢具有节能清洁、原料来源丰富且价格低廉和不消费矿物资源等优点。但生物制氢也存在光能利用率低、产氢量小等缺点,离大规模的工业化生产尚有距离。
  2、制氢技术发展趋势。目前,传统的制氢工艺大量的消耗了原本就很紧缺的矿物燃料和电能,并且由于制备成本高而使氢成为“贵族能”,同时,制氢过程中产生大量污染物,因而不能从根本上解决能源和环境的污染问题。成本低和环境友好已成为氢能生产技术的主要目标。鉴于此,在电解水技术得到完善,且发电技术不断改进(太阳能、风能和核能大量用于发电),使电能成本降低的情况下,电解水制氢在未来制氢工业中所占的比例将大大提高。而随着制氢技术的发展与完善,利用可再生资源(特别是生物质和太阳能)制氢也将成为未来氢气生产的发展趋势。
  3、氢气汽车产业化的困难。汽油车较易改成氢气车,其排放物主要是水(H2O)、氮气(N2)、氧气(O2)和少量氮氧化物(NOX)。氢以其清洁无污染、高效、可储存运输和来源广泛等优点,成为新能源汽车产业中理想的能源载体之一。然而,在其产业化进程中仍面临着诸多的困难。第一,氢的来源。氢气作为二次能源,它的制取不仅消耗大量的能量,而且并没有摆脱对化石能源的依赖,也很难达到零污染。自然界中,氢气大量存储在水中,来源丰富,但用电解的方法制氢,需要耗费大量的电能,成本过高。第二,氢的储存。氢通常可以三种状态储存和运输:高压气态、液态和固态。高压气态输送技术相对成熟,但效率却不高,仅适用于很小的加氢站。液氢的输送效率大大提高,但其沸点低(-253℃),易受外部温度影响而蒸发,不适宜长期储存。另外,失火、爆炸、早燃等问题还待解决。第三,氢供应的基础设施。据壳牌公司子公司壳牌氢公司预测,整个建设氢气供应站、切换管道、添置设备及相关的运营费用至少需要190亿美元,这是单个公司所难以承担的。第四,氢气汽车发动机的重量和价格。现有的汽车发动机无论从性能上还是从可靠性方面,都属十分成熟的技术。而目前最好的氢气汽车发动机,从重量和价格上都不能同现有的汽车发动机相竞争,这就造成短期内氢气汽车无法同传统汽车相抗衡的局面。
  4、氢气汽车产业化的前景。以氢为动力的汽车技术得到了世界各国政府和企业的高度重视,并且取得了重大进展。预计在未来的5-10年内氢气汽车将正式进入市场,已加氢站、输氢管道建设为标志的氢经济初露端倪。第一,乙醇。乙醇是开发最早的代用燃料,以燃料乙醇替代汽油,曾被当成摆脱石油以来的重要出路。乙醇燃料具有非常低的碳氢化合物(HC)和有害物排放,是生物燃料的一种,它能通过玉米、大麦、小麦、甘蔗和甜菜等农作物发酵获得,而且具有清洁环保、价格低、可再生等特点。然而,现在生物燃料乙醇产业大多用粮食作为原料,形成了“人车争粮”的局面,这是乙醇产业进程中最大的障碍。第二,天然气。天然气是一种无色、无味、无毒且无腐蚀性的气体,主要成分为甲烷。与其他化石燃料相比,天然气燃烧时仅排放少量的二氧化碳粉尘和极微量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物。因此,天然气是一种清洁能源。但由于发展天然气汽车涉及到车辆改装、配套加气站建设、土地置换、燃油气费用、能源市场等因素,这些都是发展天然气汽车需要面对和解决的问题。第三,柴油。柴油汽车具有燃油经济性好、CO2排放量低等诸多长处,柴油广泛用于大型车辆、船舰。但是,由于受排烟和消费者传统观念等的影响,柴油在轻型车中一直处于低迷发展阶段。然而,柴油可以与前景乐观的天然气制油燃料(GTL)组合使用,GTL是理想的柴油补充燃料之一。各项指标优于汽油车的GTL柴油车将实现更大的普及。另外,柴油与甲醇、水的复合燃料具有乳化剂用量少、稳定期长、热值较高等特点,可使用含水的粗甲醇,燃料成本较低。第四,混合动力。混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式,优点在于车辆启动停止时,只靠发电机带动,不达到一定速度,发动机就不工作,因此,便能使发动机一直保持在最佳工况状态,动力性好,排放量很低,而且电能的来源都是发动机,只需加油即可。混合动力车又称复合动力车,它将先进的燃油或代用燃料发动机、电机、能量储存装置(如蓄电池)等结合起来工作。在诸多新能源汽车解决方案中,成功的实现了产业化的只有混合动力汽车。但是,混合动力仍是基于石油做燃料,并没解决能源危机的问题,只是汽车新能源发展过程中的一个过渡产品。第五,燃料电池。燃料电池是一种将H2和O2的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置,其最大特点是能量转换效率高,可达到60%以上;另外,它还具有燃料多样性、排气清洁、噪声低、环境污染小、可靠性及维修性好等优点。因此,燃料电池发动机的开发在世界范围内掀起了一个高潮。
  但是由于以下几点还没有解决,导致燃料电池产业化推广过程延缓:一是成本太高。燃料电池使用的关键材料与部件(电解质膜、极板和催化剂)对成本的影响最大。电解质膜是质子交换膜燃料电池的核心部件,它不只是一种隔膜材料,它还是电解质和电极活性物质(催化剂)的基底;另外,电解质膜还是一种选择透过性膜。用作电解质膜的材料,要求电解质膜的质子传导率高;气体(尤其是氢气和氧气)在膜中的渗透性尽可能小,以免氢气和氧气在电极表面发生反应,造成电极局部过热,影响电池的电流效率;机械强度和热稳定性高,电解质膜表面与催化剂结合牢固等。目前只有全氟磺酸酸膜可以满足要求,导致成本较高。极板也是影响电池成本的另一个重要因素。燃料电池电极必须使用特殊的电极结构——多孔的气体扩散电极,以提高电池的比功率。极板通常是由低成本材料,如石墨或石墨复合材料制成。然而,即使是采用无孔碳板作为极板的原材料,考虑到材料的加工费用,极板的成本仍显得过高。而金属极板则需要进行改性以防腐蚀,导致成本大幅度增加。铂、钌、钯等铂族和银、金等贵金属,由于其良好的催化活性,导电性和抗腐蚀能力,是首选的各种低温燃料电池的电催化剂。然而贵金属的稀缺性决定了其成本居高不下,因此寻找贵金属的替代产品成为降低成本的关键。二是管理系统体积重量大。燃料电池系统是一个由众多子系统组成的复杂系统,除电池组之外,整个系统还包括一个燃料及其循环系统、氧化剂及其循环系统、水/热管理系统和一个能控制各类开关和泵的控制系统。因此,管理系统需要进一步优化。三是长期运行的稳定性较差。现在的燃料电池耐硫和CO性能较差,使其工作寿命较短,最长的稳定性在40000小时。在实验中由于吸入空气中的杂质也使燃料电池的安全性和耐久性降低,因此,提高燃料电池的性能以适应需求是燃料电池产业化的重点。
  
  新能源汽车产业发展展望
  
  基于以上分析,新能源汽车产业大致可以分为“两步走”:第一步,多种能源汽车共同发展,同时开发新能源、研究新能源汽车的技术。并行发展的能源汽车主要包括以下几类:氢气汽车、混合动力车、燃料电池车、GTL柴油车、植物燃料车、电动车等。与此同时,大力开发燃料电池的高新技术,研究各种新能源有待解决的方法,为第二步打下坚定的基石。第二步,大力发展燃料电池汽车及电动汽车,包括设施建设、技术水平、储存运输技术等。经过第一步的努力,技术和市场都渐趋成熟,燃料电池及电动汽车是长期计划中的最重要内容。在“两步走”的发展战略中,需要建立完善的制造、供应、政策三位一体的开发、推广、实施综合体系,需要制造商、供应商、政府、消费者及社会各界人士的共同努力。
  
  结论
  
  “环境污染”和“能源危机”的双重挑战已经决定了新能源产业势不可挡的发展趋势。多种能源共同发展的同时,研发新能源尖端技术,推动燃料电池汽车和电动汽车的长期计划的进程,将带领人们告别化石燃料,迎来节能、环保、可再生的新能源汽车产业。
  (作者单位:北京理工大学管理与经济学院)
  
   参考文献
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