理论教育 能源技术汽车能源转型中的几类重要技术

能源技术汽车能源转型中的几类重要技术

时间:2023-06-10 理论教育 版权反馈
【摘要】:在各发达国家中,德国的新能源汽车发展战略备受瞩目,他们将重点发展纯电动汽车。因此,在满足排放法规要求和最大限度节能减排的前提下,应尽可能延长液态和气态传统燃料作为内燃机汽车燃料的使用寿命,在汽车能源转型过渡期中更多地发挥作用。笔者以为,在整个能源转型的过渡期内,该国赋予汽车石油燃料的特别使用权是科学的,值得我国研究与借鉴。因为节能汽车已被本书定义为广义新能源汽车,其重要性显而易见,在此无需赘述。

能源技术汽车能源转型中的几类重要技术

1.寻觅合适的过渡工具——“桥”或“船”

前面已提到,汽车能源由主要依赖化石能源(尤指石油)至摆脱这种依赖是一个渐进的漫长过程,其间的过渡时期不可能一步跨越过去。欲实现(或较早实现)转变,应选择合适的方式或途径。不同国家(地区)情况各异,选择的方式或途径也不尽一致。在各发达国家中,德国新能源汽车发展战略备受瞩目,他们将重点发展纯电动汽车。作出如此抉择,德国完全是从自身具体情况出发的,因为德国可再生清洁能源电力占比很高,2011年已达20%,至2020年将达到50%。除此之外,德国还有其他优势和有利条件能够支持其作出这一战略选择。而我国则很难仿照德国的做法。首先,我国目前可再生能源电力占比仅为微不足道的1%,即使到2020年,与德国的差距也十分巨大。其次,我国现今虽然在名次排列上是世界第二大经济体,但实质上,仍然是一个地地道道的发展中国家,有13多亿人口,低收人家庭乃至贫困人口约占半数以上,老百姓还有许许多多紧迫的民生问题需要解决,不可能“不顾一切”地以十分高昂的成本来发展新能源汽车,而只能从实际情况出发,采用比较积极稳健、现实而有效的方式,以较低的成本和代价,循序渐进地从传统汽车能源时代向新能源汽车时代过渡。

迄今为止,学术界的普遍认知是,最适宜作传统内燃机汽车燃料的是液态燃料,其次是气态燃料。因此,在满足排放法规要求和最大限度节能减排的前提下,应尽可能延长液态和气态传统燃料作为内燃机汽车燃料的使用寿命,在汽车能源转型过渡期中更多地发挥作用。众所周知,丹麦是世界上发展清洁可再生能源最积极的国家之一,计划在2030年前后,使电力和供热部门实现100%采用可再生能源。但在同一时期,该国却不急于在交通领域加速淘汰化石能源,认为那样不太现实。笔者以为,在整个能源转型的过渡期内,该国赋予汽车石油(包括天然气等)燃料的特别使用权是科学的,值得我国研究与借鉴。

假设(汽柴油)传统汽车时代为此(处),新能源汽车时代为彼(处),两者之间横亘着一条宽阔的大河。如何由此岸到达彼岸?“纵身一跃”是不可能过去的,势必要借助某种工具——即“过河”的“桥”或“船”。在我国,节能汽车、(清洁)替代燃料汽车和混合动力汽车就可扮演这种“桥”或“船”的角色。因为节能汽车已被本书定义为广义新能源汽车,其重要性显而易见,在此无需赘述。

2.(清洁)替代燃料汽车

据国家T信部统计的数据显示,2011年前5个月,我国原油对外依存度达到55.2%,已超过美国的53.5%(国际能源署在早些时候曾预测,中国原油需求增速未来若保持不变,那么至2023年其石油供应对外依存度将突破80%)。中美是世界上两个能源消费量最大的国家,但面临的形势局面各异,在美国着力摆脱所谓的“石油魔咒”之际,我国却不知不觉陷入这种“魔咒”之中。我国对进口原油的过度依赖,已引起业界和国人的极大忧虑和不安。诚然,在经济全球化的当今时代,世界已形成“你中有我,我中有你”的局面,不可能也无必要“万事不求人”或什么都要“自力更生”。但我国是一个有天文数字级巨量人口的大国,诸如粮食和石油这样关系国家命脉的物质,依赖或过度依赖国际市场供应,不仅不现实,还将使我国社会生产和能源安全承受巨大风险。尽管我们判断现时代我国面临战争威胁的可能性极低,国际石油供应因此而中断的风险也不大,但作为防备之策,还是不能将之预估为零。更为重要的是,能源供应过度依赖国际市场,要看“别人”的“脸色”行事,会给我国经济社会发展带来很大的不确定性,难以制定和实施比较准确的发展计划,从而造成巨大的损失。当代国际主流虽然是和平发展,但局部冲突乃至战火不断,尤其是石油供应链地区(国家)更是如此。在此形势下,我国不但可能会遭遇国际石油短时期供应不畅或中断的风险,而且剧烈起伏不定的国际油价很容易成为投机家针对中国需求的炒作“题材”,从而给平稳(较快)发展的经济造成伤害(甚至很大伤害)。综合各种因素,无论从哪个角度看,我国都应该把石油的对外依存度控制在科学合理的范围之内。中国工程院向国务院提交的相关研究报告建议,我国石油对外依存度最好控制在60%,不要超过65%。如果我国石油消费增长速度过快,对外依存度高,意味着要争抢其他石油消费国的市场份额,容易引发市场的过度反应和价格强烈波动,不利于经济长期稳定和健康发展。作为世界头号军事强国的美国,在国际上筹措石油的能力无人可以比拟,按说它不愁没有石油用。但近年来,该国却一直在努力控制石油的对外依存度,除了发展新能源外,也积极发展替代燃料。这的确值得我们研究和深思。

一段时期以来,我国汽车产业高速增长,不仅使我国成为世界上最大的汽车生产国,还使汽车业成为整个国家最大的石油消费用户,同时也成为近年我国石油对外依存度不断上升的最大“贡献者”。这也意味着,要有效破解我国的“石油魔咒”,汽车业毫无疑问要担当重要责任。为此,除了要大力发展节能与新能源汽车外,就是积极发展(清洁)替代燃料汽车,其巾,主要是生物燃料汽车和天然气汽车,这是近、中期内我国汽车业的一个现实而有效的选择。

(1)生物燃料汽车

使用生物燃料的汽车与普通汽柴油汽车在结构无重大不同,这里主要论及生物燃料。

1)发展生物燃料的必要性和重要性。前些年,由于世界上最大的乙醇生产国美国和巴西将很多粮食用于乙醇生产,导致全球粮价高涨、供应短缺而使得生物代用燃料备受争议。那一时期,笔者与此有关的一些研究文章.也对发展生物燃料表达了过分谨慎的观点。如今,这场风波逐渐平息后重新思考,对此有了新的、比较积极的认识。即,在因地制宜、真正“不与人争粮、争地”和务必保护生态环境的原则指导下,我国积极稳妥地发展非粮绿色生物燃料是必要的,也是正确的。国际学界的主流认识也是,在化石能源储量日渐减少的情况下,发展可再生的、以生物质为原料的绿色非粮生物燃料(尤其是第二代生物燃料)将是大势所趋。据美国一家知名的绿色科技市场调查公司Clean Edge 2011年上半年发布的一份最新研究报告预测,至2020年,全球生物燃料市场的总规模将在2010年的基础上翻一番。由此可见,生物燃料市场的发展前景还是相当光明的。如世人所知,德国未来能源发展战略的重点是可再生能源,例如风能太阳能。但该国并未因此而放弃或轻视发展生物质能。该国认为,易于存储的生物沼气很适合用于为风电和太阳能发电的波动提供补偿,它可在强风期间暂停,在电力供应低迷时启用。德国政府在新制定的法规中,加强了对发展沼气进行财政鼓励的措施。

我国发展生物燃料(也包括生物质能发电等)有多重意义,可以说是“一举三得”:首先,可充分利用我国生物多样性、生物质来源丰富、分布广泛的优势;其次,是贯彻国家一直倡导的“建设节约型社会”原则的具体举措,“废物利用变废为宝”,符合循环经济的要求;第三,提高生物质的经济价值,相当于给广大农民(尤其是自然地理条件比较差的西部、中西部经济欠发达的边远地区)开辟一条脱贫致富奔小康的途径。

2)我国发展生物燃料的有利条件和优势。我国是农业林业大国,生物质资源丰富而充足,主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工废弃物、乡村有机垃圾和生活污水等。据有部门和专家测算,我国每年有7亿多吨农作物秸秆产量,其中,可作为能源化利用的约3亿~4亿t;畜禽粪便排泄物大约为30亿t/年;还有约15亿亩边际土地可用于种植和生产能源作物(既能防风、防沙和防止水土流失,有利于植被保护,又能产生经济效益)。保守估计,这些若能得到有效开发与利用的话,则将形成每年8亿~10亿t标准煤的生物质能开发量或化石能源替代量。此外,我国气体能源和生物燃气也具有丰富的原料来源和应用空间,发展前景广阔。最近10年间,国家对沼气工程的投入已达250多亿元,使我国成为世界上沼气发展速度最快、建设规模最大的国家之一。据统计,2010年全国户用沼气池达到3000多万口,大中型沼气设施达到1000多口,沼气年利用量达到约150亿m3。据称,沼气使用效果与天然气相当,属于清洁燃气,不仅可作生活用气,经过再处理,还可用作汽车燃料。目前,东风汽车股份公司的一个下属企业,已开始生产这种沼气汽车,并已向农村用户提供应用,效果及反映皆佳。

3)新的生物原料发现及技术进步使生物燃料发展路子更宽广。近年来,我国生物质能源产业发展较快,在资源品种上不断有新的发现,产业的可持续性越来越强劲;生物燃料技术进步加快,生物质加工深度不断提高,产业价值链延长,经济效益越来越好。

据有关资料介绍,在我国广袤的大地上,有越来越多的植物被发现可以作为生产燃料的原料,例如麻风树、亚麻荠等。与此相类似的还有黄连树。据2011年5月28日的《科技日报》报道,在河北省武安市连绵起伏的太行山脉深处,满山遍野生长着一种枝繁叶茂的黄连树,因其果实可以提炼柴油,因此被当地人称作“柴油树”。现时,武安市共有这种“柴油树”10万余亩,每年可提炼1万t柴油。该市计划至2015年将种植面积扩大到20万亩,届时将可提炼柴油2万t。

据称,在我国大陆南方诸省及台湾地区,广泛生长着一种野生草本植物五节芒,俗称中国芒草,有多个不同的品种。其中有些种类的芒草,不仅可以作为建筑材料使用,还能用来制取氢(气)作为氢发动机汽车或燃料电池(电动)汽车的燃料。这种植物经过捣碎压制后可作为燃料,在燃料制备过程中还能生成(氢)气。曾有专家测算,若农民种植1公顷的中国芒草,收获的生物燃料价值相当于约8000L的可用于供暖的重油,经济效益可观。目前,我国亦有科研机构正在研究以某个种类的芒草为原料而生产乙醇。据有关专家称,如果在我国广大的贫瘠、退化的土地上广种芒草,不仅可以防止水土流失和沙漠化,还可以此为原料制取乙醇。假设在我国西北近100万平方公里的不宜粮食作物生长的地区种植芒草,以平均每公顷收获10t干芒草计算,则总产量可达10亿t.即使用其中的一半为原料制取乙醇,也大致相当于我国2010年消耗的汽油量。

当前,世界上包括我国在内的不少国家(地区),都在研究利用藻类植物制取生物燃料的工艺技术以及相关的植物栽培方法。据认为,利用海藻制取燃料能够避免与农作物争夺耕地和淡水资源,其生长非常快,资源量大,有望成为人类未来比较理想的生物燃料的来源之一。海藻可通过热解来制造油料,借助细菌发酵生产乙醇,经厌氧消化途径而转化为甲烷。不过,有关研究人员指出,利用海藻大规模生产生物燃料尚需解决两大关键问题:一是提高经济性,按照已有的工艺技术制取的生物燃料价格过高,无法与石油等竞争:二是仅利用野生海藻远远不够用,应大力推广人工养殖海藻,以保证有充足的资源。

与海藻相类似的是生长在(淡)水里的水藻,以此为原料而制取生物燃料——水藻油。据称,水藻制油具有诸多优势:首先,水藻易于种植,繁殖快,几乎可以种在任何有水的地方;其次,投入少,水藻几乎不需要特别的养分,有阳光、水和二氧化碳(将藻类放置于热电厂附近,还可以吸碳,有利于降低碳排放)即可;再次,水藻的(单位种植面积产量)的能量密度比其他生物燃料(植物)原料的更高。据有关专家测算,每公顷(面积)水藻(每年)制取的燃料要比用相同面积种植玉米而生产的乙醇多80倍以上,与大豆相比也大致如此。因此,采用水藻制油效率更高,效益也更好。据美国有关研究机构的报告称,如果在美国广阔的海岸线和五大湖泊以及相应湿地广泛种植水藻,那么从理论上讲,每年生产的生物燃料量相当于从海外进口石油数量的17%。当然,水藻制油目前还存在不少问题,其中,最主要的是需要大量水面用以种植水藻,如何节水还要多思量。

我国南方广大地区盛产木薯,在保证不与人争地、争粮和保护生态环境的大前提下,通过种植木薯并进行深加工,可将此种植物(或作物)的作用发挥到极致。用木薯可以生产乙醇,这是第一道能源产品,用此产品制成过程中产生的高浓度有机废水制取沼气,经提纯处理后可成为清洁的生物燃气,这是第二道能源产品。如此一来,木薯“全身”都变成了能源之宝,尤其是第二道产品,更是变废为宝。据有关资料介绍,在全国最大的木薯产地——广西南宁市武鸣县,在市政府重大科技专项资金支持下,该县有关的高科技企业与某院校正在开展木薯全面利用和深加工产业化项目,至2011年3月5日项目试投产以来,每天产出的2万m3沼气经过纯化,制备成1.2万m3生物燃气供应市场。至今,南宁市已有近百辆汽油出租车用此种沼气纯化生物燃气,车辆使用效果及排放与天然气汽车的相当。

目前在我国,对玉米全面而深度利用的科研试验项目已经启动。玉米不仅是人类重要的粮食来源,可以食用,如果富余,或者是属于陈化粮还可用来生产乙醇。通过相应的工艺技术,用玉米棒芯还能生产出低聚木糖等产品。此外,利用这些产品制作过程中产生的废渣废液,还可生产纤维素乙醇(这正是未来生物燃料重要的发展方向之一)及其他产品。这是很值得提倡的“一物多用、物尽其用、变废为宝”的科学发展之路。

长期以来,全国各地都在为“地沟油”回流餐桌损害公众健康而大伤脑筋。而如今,我国有关的高科技企业已经找到变此废物为“宝”的良方,可从1t“地沟油”中提炼约980kg的生物柴油,即“地沟油”提炼生物柴油的转化率高达98%。经国家有关部门鉴定,这种被提炼出的生物柴油含硫数值比零号化石柴油低得多,十六烷值比化石柴油更高,此意味着其热值也更高。同时,不含芳烃和重金属,含氧值高,能保证充分燃料,不会污染环境。另据有关文献称,与普通柴油相比,生物柴油可减少90%的一氧化碳、80%的悬浮颗粒物、78%的二氧化碳排放。我国每年从餐饮业中产生的“地沟油”约有2000多万t,每年废弃或闲置的动植物油总计在1亿t左右。如果通过相应的工艺技术将之“化废为宝”,那么不但解决了“危害人们健康”的难题,而且对缓解我国能源短缺也大有帮助,同时,还有益于环境保护,节约资源,真是“一举多得”,意义重大而深远。但在鼓励此项事业发展的同时,务必对市场上从事此类业务的企业与单位严加监管,防止有人打着用“地沟油”提炼生物柴油的幌子而制成所谓的“食用油”,再次同到餐桌。目前,在全球范围内,“地沟油”的主要用途也是通过提炼而用作汽车燃料。现在,美国许多地方的汽车加油站提供的柴油中,就包含这一类所谓的“地沟油”生物柴油,占柴油总供应量的2.5%-5%。早在2006年,经英国有关权威部门检测之后,该国许多柴油机汽车都已开始燃用这种“地沟油”生物柴油了。据介绍,英国汽车使用的此种生物柴油,是“地沟油”经提炼后再与矿物质油勾兑,一般是加入5%的矿物质油,这不仅不会影响燃烧效率,还可以减少汽车尾气中15%的多环芳烃排放。

(2)天然气汽车

笔者曾在近年来撰写的多篇论文中建议,我国应积极发展天然气汽车,甚至有必要将其作为近、中期优先发展车种的首选方案之一。主要有四个根本性的理由:一是天然气汽车与传统汽柴油汽车在结构上无本质差别,实施起来比较容易,一系列的成本都比较低;二是天然气作为汽车燃料,使(燃)用效果好;三是天然气资源相对比较丰富;四是在世界范围内,发展天然气汽车也是时代潮流(之一)。以下对此略加阐述。

1)发展天然气汽车具体实施起来比较容易。天然气汽车完全是在传统汽车的基础上发展起来的,不是“另起炉灶”,不涉及对内燃机系统进行重大、根本性改动。当今,在国际上,天然气汽车技术已相当成熟。在国内,此项技术也有较好的基础,往更高水平提升不存在任何不可逾越的障碍。综合各个方面的因素考虑,我国从传统汽柴油汽车时代向新能源汽车时代过渡,发展天然气汽车是比较现实的、经济的、风险较低的战略选择之一。在此方面,德国汽车工业联合会执行董事柯劳斯·布老宁博士的见解与笔者大致相同或相近。他也认为,在今后很长的一段历史时期内,天然气是很有吸引力的汽车清洁替代燃料,通过发展天然气汽车,然后再向以氢为主的氢燃料发动机汽车和氢燃料电池(电动)汽车过渡(见2011年4月21日《中国汽车报》)。

2)天然气的使(燃)用效果甚佳。天然气虽然属于化石能源,但它却是现阶段世界公认的清洁能源,甚至被不少人称为“21世纪的能源”。据有关研究机构预测,至2015年,世界(换算成石油当量的)天然气产量将超过石油,天然气的开发利用正在引领全球能源结构的变革。天然气的主要成分是甲烷,在空气中可以得到充分燃烧,热值高。据有关文献称,1m3的天然气,热值在8500cal(1cal=4.1868J)以上,相当于93号汽油的1.13~1.17倍;而且,同等热值的天然气,二氧化碳的排放量比石油的低28%。我国有关科研机构对相关的CNG(压缩天然气)汽车排放物进行应用全程测定,与普通汽车相比,其可综合降低污染物排放量80%以上,若进一步改进技术,则该比率还能够再提高。这意味着,天然气汽车几乎(接近)是无污染汽车。

3)天然气资源相对比较丰富(www.daowen.com)

①全球情况。近年来,随着科技进步及勘探技术水平的提高,在人们很少听到发现新的大油田的消息且能源危机舆论日盛时,有关发现大气田的新闻却不断见诸报端。综合国内外众多文献资料,世界天然气资源确实还是比较丰富的,常规天然气储量约480万亿m3,可供开采的年限远大于石油。鉴于天然气作为清洁能源的巨大优势,多年来,其在世界上已获得广泛应用。目前,天然气在世界能源消费结构中的占比平均已达25%左右的水平,欧美等发达国家和地区更高达约48%。在全球范围内,人年均消费天然气约508m3。近年,美国为摆脱所谓的“石油魔咒”,实施了包括提高国内石油产量、扩大天然气使用量等举措,有效降低了石油供应的对外依存度。

对于天然气消费量的不断增长,一些人士可能担心其资源的加速枯竭。诚然,这种担心是必然、也是必要的。但客观而论,在今后一个很长的时期内,世界天然气供应还是无大忧的,这缘于其有强大的后续资源储量。据称,与常规天然气使(燃)用效果基本相同、完全可接替之的非常规天然气(包括页岩气、煤层气、可燃冰等)资源十分丰富,全球资源量多达近4000万亿m3,是常规天然气储量的8.3倍(见2011年7月15日的《科技日报》)。据英国《星期日泰晤士报》报道,日本一家企业正在研究开发海底的可燃冰资源,称其掌握的资源量可供日本使用300年之久(见2012年1月17日《长江商报》)。在过去的10年间,世界非常规天然气产量快速增长,2008年,其产量占全部天然气总产量的比例达到18%,而在美国,该比例高达40%,预计至2030年,美国非常规天然气产量的占比将更进一步提高至50%以上。据分析,美国天然气产量的大幅提升,主要得益于页岩气开采技术的创新——“水力压裂法”的应用,即向地下岩石构造注入水、沙子和相关的化学物质,以使地下岩石构造断裂,释放长期以来被认为不可开采的储备。据称,这项具有革命意义的技术革新,可将美国现时期日益减少的天然气资源储备变成可延续上百年的供应。

②我国的情况。我国天然气资源虽然谈不上丰富,但也不是像许多人想象的那样匮乏。随着勘探和开采技术的进步和完善,也不断有新的发现,清洁的天然气能源在我国的应用前景还算是颇为光明的。据有关资料介绍,我国现今大致确定的天然气总资源量超过38万亿m3,最终可探明地质储量超过13万亿m3。我国也是世界上非常规天然气资源十分丰富的国家之一。据国家能源局油气司有关人士称,我国(现阶段掌握的)非常规天然气资源总量约为320万亿m3,其中,低渗透气(包括致密砂岩气)约100万亿m3,煤层气超过30万亿m3,页岩气100万亿m3。对这些数据,国土资源部目前认可的、可供开采的非常规天然气储量为26万亿m3。现时期,非常规天然气产量仅占我国天然气总产量的八分之一,有专家预计,至2020年,该比例将提高到三分之一。

由于种种原因,当前天然气在我国能源领域中的应用还不普遍,占能源总的消费比例仅约为3%~4%,年人均天然气消费量仅约为60m3,大致是世界平均水平的十分之一,这不单与世界平均水平相差悬殊,也远低于亚洲的10%(左右)的水平。许多有识之士都认为,我国要想有效降低过高的石油供应对外依存度,其中之一的现实选择,就是进一步普及应用天然气。毋庸讳言,在一个相当长的时期内,仅靠国内产量是很难满足巨大的天然气市场需求的。对此的解决办法是,坚持提高国内产量和扩大进口“两条腿走路”的方针。经过多年的发展和坚持不懈的努力,我国扩大天然气使用已具备了良好的条件和相关的基础设施。西气东输一线工程早已投入使用,2011年6月,二线工程主干线也全线贯通送气,来自土库曼斯坦的天然气,在横穿15个省份后直达我国南方珠三角地区。至此,我国已建起中亚——西气东输二线与中俄油气管道、中缅油气管道、海上(从澳大利亚等国进口)LNG(液化天然气)战略通道等四大油气战略通道。现时,我国已形成陆上油气战略通道5.7万km,“十二五”还要新建5万km。届时,一个纵贯南北、连接东西的油气管网格局将全面形成。至2011年年底,通天然气的城市增至270个。到21世纪中期,全国将构建成一个覆盖31个省(区)、市的天然气管道大网络,95%以上的地级市均可用上天然气。这为积极发展天然气汽车打下坚实基础和创造了必要条件。

③发展天然气汽车是世界汽车潮流之一。因为发展天然气汽车有利于增强相关国家(地区)的能源安全和促进环境保护以及可取得较明显的经济效益,一个较长时期以来,全球天然气汽车呈快速发展之势。截至2011年6月统计,世界天然气汽车保有量约为1380万辆,投入运营使用的加气站有1.94万座。其中,亚太地区均分别占据多数,分别为800万辆和9850座。在亚太58个国家(地区)中,有22个国家(地区)制定了相应的天然气汽车发展计划,并具体付诸行动。白2008年以来,亚太地区天然气汽车保有量年均增长幅度达到24%,加气站数量年均增长19%。据国际天然气汽车协会预测,到2020年,若天然气汽车增长率保持在相对保守的18%左右,那么届时全球天然气汽车总保有量将达到6500万辆,约占世界汽车总保有量的9%,每天替代的石油数量可达700万桶。据分析,全球天然气汽车之所以发展较快,除了其自身拥有的许多优点外,也与各国(地区)政府在政策上的支持分不开,尤其是使天然气在价格上始终保持对汽柴油的优势。

泰国能源部制定了2008-2012年天然气汽车发展计划,促使这一类汽车至2012年总保有量达到jj.3万辆。该国政府规定,对(出厂原装的)单一燃料天然气公交车减征消费税,对改装为天然气车的公交车(经原产厂认证)减征22%消费税,但最高减税额不得超过1280美元。美国也曾出台汽车燃用天然气减免消费税的政策措施,每等效加仑汽油的CNG减免0.5美分,每等效加仑汽油的LNG减免0.5美分。意大利政府则制定了天然气进口的优惠政策,规定对天然气的进口不征收关税,对增值税征收也控制在4%以内。在该国,用于天然气汽车的CNG价格只相当于汽油价格的四分之一,柴油价格的二分之一。为促进天然气加气站及相关设施(备)建设的发展,很多国家也实行税收减免措施。韩国政府为每座加气站提供最多高达70万美元的低息贷款,规定凡购买CNG公交车者,增值税和购置税减免额度为1万美元/辆,每辆新购的CNG公交车补贴22500美元,新购CNG垃圾运输车每辆补贴6千美元,每建设一座加气站,企业税减免1.5万美元,进口CNG汽车零部件,基础关税减免。伊朗也大力发展天然气汽车,相关部门已计划至2014年,全国天然气汽车保有量将提高到300万辆,计划新建加气站900座。俄罗斯计划在2010~2015年间,增加投放天然气汽车3.82万辆。从保有量上看,巴基斯坦天然气汽车拥有量居世界第一位,为280万辆。该国为促进天然气汽车发展实施了多项优惠政策,其中包括CNG优先应用于天然气汽车的规定,减免CNG加气设备和汽车改装件进口关税,对私人建设和运营加气站提供补贴。为降低交通运输领域对石油的过度依赖和温室气体排放,欧盟绿皮书提出了欧洲车用替代燃料发展目标,涉及的三种燃料是天然气、生物燃料和氢。至2020年,天然气在该地区车用能源中的份额要达到10%。德国现今每年对再生燃料、天然气等的税收补贴高达30亿欧元,到2020年时将达到50亿欧元。

3.混合动力汽车

(1)在汽车能源转型期内扮演重要的“过河之桥或船”的角色

自20世纪90年代丰田公司混合动力汽车正式实现产业化以来,混合动力汽车技术日臻完善,不断取得进步,已获得市场的相当认可,应用前景甚为广阔和光明。混合动力汽车技术之所以备受青睐,最根本的原因在于其工作原理的科学性和现实性。具体说就是,混合动力技术基于现代先进的电子、电控等技术,将两种完全不同的动力系统,恰当而有机地综合为一体,从而使两者优势互补,同时又能够消除(或避免)各自在单独使用时的局限性。众所周知,发展新能源汽车(例如电动汽车),要获得市场的认可,车辆就得要拥有与传统内燃机相匹敌的动力系统(例如要求电池的动力、相关性能等与内燃机的相当或相近),需要完备或比较完备的基础设施。而这些义不是一朝一夕可以实现的,是一个逐步发展和提高的过程,必须遵循“循序渐进”的原则。要一步从传统汽车时代跨越到新能源汽车时代是不可能的,其间,一定得借助类似于“船”或“桥”的工具或手段才可望实现。混合动力汽车技术方案构思的高明之处在于,其可兼顾传统汽车和新能源汽车(诸如纯电动汽车等)技术的优越性.保证传统汽车由依赖化石能源向以新能源为主导的时代以比较低的代价平稳过渡。并且,在这种可能延续很长的过渡时期内,混合动力汽车更适宜及时吸收传统汽车技术进步与创新成果和新能源汽车(例如电动汽车)技术攻关取得的新成就,能比较容易地从两个领域(或方面)不断集成新技术成果。由此,也就能不间断地完善自我,提高使用的适应性和满意度。在大约有半个世纪之久的汽车能源转型过渡期内,混合动力汽车作为一种“桥”或“船”之类的工具而存在,具有重大价值和重要意义,而非有些人所说的仅是“权宜之计”。如此看,若把混合动力汽车说成是“过渡车型”的话,那么以笔者拙见,此处的“过渡”也绝没有“临时性、暂时性”的意思,而应理解为“渡过”,即混合动力汽车承担一个“过河之桥”的功能(或功用)。已有的事实已表明,混合动力汽车作为“过渡”车型,具有明显的节能减排效果,会保持一个较长的发展期,而且,其动力系统中70%的技术与(纯)电动汽车相同或相似而通用,可以带动电池等核心零部件技术逐渐走向成熟,推动电动汽车的产业化发展(见2011年9月26日《中国汽车报》)。

(2)混合动力是节能低排放汽车的通用技术

1)基本的理论认识。据有关文献介绍,经国际相关研究机构的试验与检测,在各种不同燃料和类型的汽车当中,以混合动力汽车的能源总效率(WTW)为最高。就其实际使用情况而言,节能减排效能也十分突出。混合动力汽车拥有两套动力系统,虽然有使机构复杂的消极一面,(但只要做得好)更有使两套系统优势叠加(甚至放大)的积极一面。正如有人形象比喻的那样,一个成年人拎一桶水也会感到很费劲,因为偏重,但若两个小孩抬一桶水则就显得比较轻松,因为两个人的载荷(或受力)对称。混合动力汽车正是由于有两套系统,所以就有可能(而且也必须)将每一套系统设计得更精巧、更紧凑、更高效一些,使之优化到极致(也就是最佳状态)。在技术的实际实施过程中,一般作为主动力的内燃机,通常是采用较小排量、自重较轻、性能更优的机型(如下面介绍的沃尔沃增程式电动汽车采用三缸蜗轮增压发动机那样),多数时间是在高效率区间的稳定状态下工作,燃油经济性自然就高,排放也少,再结合采取制动能量回收等技术措施,节能就更明显。有时,汽车若仅需要辅助动力(例如电池等)单独工作,那么,此时车辆的排放就几乎为零,减排的效果不言而喻。通过上述的介绍可知,混合动力汽车两套系统的优化设计及工作实现最佳化,是其获得节能减排预期效果的关键所在。当下,在我国“十城千辆”新能源汽车示范运营过程中,发现有些混合动力汽车的节能减排效果并不很明显,其中的原因可能有多种,但笔者认为,最主要的是车辆配置的两套动力系统及其管理控制,从结构设计到工作性能均未达到最优化,有些企业甚至是直接把批量用于传统汽车的动力总成,原封不动地安装到混合动力汽车上,这怎么能与新的车辆达到最佳的匹配状态呢?实际上,混合动力汽车对实施技术的要求是很严格的,两套系统只有其中之一达到最佳化(即只有“一好”)是远远不够的,只有双优(若包括管理与控制则是三优)才能使车辆总体性能达到一个比较高的水平,即三个“小好”才能合成一个“大好”。而此点往往被人们所忽视,误以为混合动力汽车技术简单,这大概也是全国不少地方都在搞混合动力汽车的一个原因吧。

从理论上讲,混合动力汽车的应用不存在区域(距离)上的限制,短、中、长途皆可用。但欲使之发挥出最大的节能减排作用,最好在行驶半径不太大、车辆频繁穿过有红绿灯之交叉路口的市区使用。当今,在西方发达国家(地区),混合动力汽车的主要应用市场,是公交车和工薪阶层市区上下班作为代步工具的普通型轿车。

2)结构型式多样,创新的余地大。应当说,混合动力技术还是一项新兴的技术,在世界汽车业界,丰田虽然处于领先的优势地位,但这并不意味着其已将此项技术的所有潜力挖掘殆尽,别人就压根儿没有再创新的余地和机会。客观现实是,近年来,混合动力技术进步很快,早已突破了早先比较单调的结构形式。为满足不同使用目的要求,市场上出现了各式各样的混合动力技术,形成了“百花齐放、百家争鸣”的局面。

时下,混合动力汽车按照混合方式的不同,可分为串联式、并联式和混联式三种;按照混合度,即电机功率与内燃机功率之比例,或使用电的比例与使用其他燃料(或动能)的比例之不同,又可分为微混、轻度混合、中度混合、深度(或重度)混合等。据认为,高电压、高转速、集成化、深度混联是世界混合动力汽车技术发展的一个比较明显趋势。现阶段,全球汽车界已有以下多种类型的}昆合动力汽车产品面世,例如:油一电混合,即汽柴油发动机与蓄电池混合:气一电混合,即燃气(如天然气、氢等)内燃机与蓄电池混合,使用这种混合动力汽车,不但可以替代汽柴油,而且排放更低;内燃机(可燃用汽柴油或燃气等)与液压动力(液压马达)混合,在这种结构型式里,内燃机是主动力,液压动力(液压马达)是辅助动力,由此,可减少内燃机的能耗与排放;液电混合(纯)电动汽车,即蓄电池(发动机)是主动力,液压动力(液压马达)是辅助动力,由此,减少了电池的快充快放,提高了电池寿命和续驶里程;电一电混合,即燃料电池是主动力,蓄电池是辅助动力,如此,显著改善和提高了燃料电池(电动)汽车的使用性能,使该项技术有不少的实质性突破。例如,2011年10月,华南理工大学与广州益维电动汽车有限公司共同研发的“燃料电池——锂离子电池混合电力电动汽车”,就属于这种结构形式。

据有关资料称,为突破长期困扰我国深度混联混合动力汽车发展的共性关键技术瓶颈,中国汽车技术研究中心经过8年科研攻关,最近研制成功一种具有完全自主知识产权的双行星排混合动力总成(CHS),与同类型产品相比,自重减轻约60%,最大输出转矩提高50%,集成度高,节能效果突出。应用于某类型SUV,按NEDC工况测量,市区工况节油40%,综合工况下节油28%。若应用于某类型12m公交车,则可节油35%。此外,由于CHS小而有劲,以应用于12m公交客车为例,与国内现有“发电机+离合器+电动机”混联结构相比,成本可下降8万元左右。这一科研案例也有力地表明,中国汽车业界在混合动力汽车领域,是可以冲破国际上一些人设置的技术壁垒,实现自主创新的。

国内包括院士在内的一些专家学者,在发展新能源汽车方面,皆力推增程式电动汽车,对之倍加赞赏。笔者以为,这些专家对此种技术的推崇,实质上也是对混合动力汽车技术的充分肯定。因为从原理上讲,增程式电动汽车也是混合动力汽车之一种,即便其中的内燃机不直接参与驱动汽车,车辆上毕竟安置了两套不同的动力系统。据认为,通常的混合动力汽车采用串联组合结构,就能满足增程式电动汽车的使用要求。

以上的种种事实说明,混合动力技术在很大程度上,业已发展成为传统汽车节能减排的核心通用技术之一。此项技术适应(用)性强,可以对各类不同的传统汽车进行技术改造。长期以来对内燃机燃料喷射系统有专深研究的博世(Bosch)公司认为,无论是汽油机还是柴油机,其油耗与二氧化碳排放均有再降低(或减少)约30%的空间,而混合动力技术能够在此基础上再使之下降(或减少)约10%。若再辅以别的对汽车进行改进或改善的措施,包括采用轻量化、低阻力轮胎等技术,那么内燃机未来的油耗及CO2排放完全可以降(或减)至目前平均水平的一半左右。

混合动力发展成通用技术的另外一个例证是,当今,世界上除了盛行混合动力汽车之外,混合动力火车(列车)及飞机在一些国家(地区)亦得到实际应用,且效果良好。

3)众多跨国公司青睐混合动力汽车。当前,在世界汽车产业界,从整体上讲,日本混合动力汽车技术处于比较领先的优势地位。其中,丰田公司是世界混合动力汽车产业化最成功的企业之一,累计产销量已超过300万辆。该公司近期表示,其新能源汽车发展战略,是在继续保持混合动力汽车产销领先的情况下,发展纯电动汽车和插电式混合动力汽车,同时,也不放弃燃料电池(电动)汽车。本田公司的新能源汽车发展战略,也是侧重于混合动力汽车,但也不忽视纯电动汽车和燃料电池(电动)汽车的研发。三菱汽车公司虽然把电动汽车作为发展新能源汽车的首要任务,但同时也不放弃混合动力汽车。

早先,德国大众汽车公司制定的新能源汽车发展战略,是纯电动汽车与混合动力汽车齐头并进,但据说最近其对此有所调整和修正。该公司有关人士称:电动汽车对人们未来的出行方式将产生重要影响,大众集团正在努力发展电动汽车技术。不过,未来十年内,还是要把主要精力放在混合动力汽车上(见2011年7月18日《中国汽车报》)。据称,大众公司的最高首脑还特别推崇增程型混合动力汽车,认为此种车辆既可获得很高的燃油经济性,有效降低二氧化碳排放,同时,又能很好地控制成本。宝马汽车公司近期对外宣称,在未来很长一段时期内,其将采取“改善和提升传统内燃机技术、发展纯电动汽车以及混合动力汽车”“三条腿走路”的方针。戴姆勒一奔驰公司确定新能源汽车战略,是纯电动、混合动力、燃料电池汽车并行发展。

法国雪铁龙公司对外宣示的新能源汽车发展战略,近期的工作重点,是从燃料电池汽车转向纯电动和混合动力汽车。

美国通用汽车公司在新能源汽车发展中,将把增程式电动汽车作为重点,适当发展混合动力汽车和燃料电池汽车。据称,通用沃蓝达(Volt)增程式电动汽车技术已相当成熟,实现量产可期。福特汽车公司在新能源汽车发展中,将坚持“混合动力、插电式混合动力和纯电动汽车并行”的方针。

韩国现代汽车公司副会长梁雄哲曾表示,该公司现今无意批量生产纯电动汽车,今后将集中研发混合动力汽车和氢燃料电池(电动)汽车。梁雄哲认为,现时,电动汽车所用蓄电池的技术性能已经达到极限,再进一步提高十分困难,纯电动汽车运行所必需的一系列基础设施绝非短时期内能够建立和完善起来的,面临重重困难。在此情况下,现代公司的现实选择,就是着重发展混合动力汽车。当然,现代公司的这种发展战略也不是说没有一点风险。对此,韩国有关专家指出,在世界汽车业界,早期混合动力汽车技术的主导权为丰田公司所拥有,而(纯)电动汽车之核心技术(例如电池)又由化工企业占有,在此状况下,现代汽车公司要集中力量研发2030年之后的环保车——氢燃料电池汽车和插电式混合动力汽车。然而,如果其间(纯)电动汽车之电池技术获得重大突破,电动汽车成本明显降低,那么现代公司的此战略就有可能面临相当大的危险和挑战(见2011年9月22日《科技日报》)。

前不久,瑞典沃尔沃汽车公司宣布,它将开发装有增程器的电动汽车,该项目得到瑞典能源署和欧盟的支持。据称,这种汽车具有三种不同的技术组合结构型式,装有增程器的车辆上,安装了可以增加有效行驶里程的内燃机,使汽车可以连续行驶1000km,二氧化碳排放量低于50g/km。三种技术组合均采用科技含量很高的小而有劲的三缸蜗轮增压汽油发动机,既可燃用普通汽油,也能使用E85燃料。此外,所有技术组合结构形式的车辆,也均安装制动能量回收系统。

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