产业技术体系变革与汽车新能源发展战略

[摘要] 目前,可替代石油燃料的汽车新能源有多种,孰优孰劣,众说纷纭。文章认为,开发汽车新能源不仅是为了解决汽车的环境污染和石油的短缺问题,更是为了变革重化工业技术体系。从变革产业技术体系的角度出发,文章提出了发展汽车新能源的三步战略。

[关键词] 汽车新能源产业技术体系变革发展战略电动汽车

一、引言

汽车作为现代重化工业技术体系的代表产品,不仅是不可再生石油资源的主要消耗者,而且也是造成城市空气污染的主要祸首。汽车所排放的尾气中含有大量NOX(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、PM(颗粒物)和HC(碳氢化合物)等有害物质,对城市大气环境造成了严重的污染和破坏。解决汽车的环境污染和石油的短缺问题需要寻找可替代石油燃料的洁净能源或改变传统的内燃机技术。然而,由于方法众多,每一种方法都存在各自的优缺点,众说纷纭,争执不下。究竟哪一种新能源适合我国汽车未来能源的发展方向呢?

我们认为,内燃机技术以及汽车产业在产业技术体系中占有核心地位,从整个产业技术体系的发展战略角度出发,分析现有的汽车各种替代能源的优缺点,分阶段实施汽车新能源的发展战略,对于我国实现产业技术的跨越发展具有十分重要的现实意义。

二、汽车代用能源的分类及特点

目前,可代替传统汽油和柴油的汽车代用能源有许多种,可将其归纳为三类:第一类是不可再生能源,包括液化石油气、天然气、煤基液体燃料、甲醇;第二类是可再生能源,包括乙醇、生物柴油、太阳能;第三类是性质不确定能源,其性质的归属取决于生产该能源的原料,包括燃料电池、电能和氢能。

1.不可再生能源

(1)液化石油气(LPG)。LPG分为石油炼制过程中的副产品和油田伴生气两种。

LPG的优点:①能效高。与汽油相比,LPG辛烷值较高;②减少污染。LPG可降低CO2排放25%、CH80%、SO270.5%、SO99.99%、Pb100%、CO89.72%、颗粒物41.67%、噪音40%;不需改变内燃机;石油废弃物利用,有一定的经济价值。

LPG的缺点:能量密度低;车用LPG的质量要求较高,需要提纯处理;存在一定的爆燃危险性,安全性较差;仍然以石油资源为依托,属于不可再生资源。

(2)天然气(NG)。汽车使用的天然气按储存方式主要分:压缩天然气(CNG )、液化天然气(LNG)和吸附天然气(ANG)三种。

①压缩天然气(CNG)。CNG是将常态下的天然气以20MPa以上压力压缩在高压罐内供汽车使用。

CNG的优点:污染排放低。天然气汽车尾气中NOX及CO2排放量很低,且无PM固体微粒排放;工艺简单。供汽车使用的CNG是用压缩机将天然气压缩储存,燃烧时通过减压装置减压释放,工艺比较简单;天然气储量相对丰富。我国目前天然气资源量约为54万亿立方米,探明的天然气地质储量为3.9万亿立方米,资源探明率为7.2%。并且,天然气的勘探潜力很大,储量较石油丰富。

CNG的缺点:存储体积较大,能量密度低;汽车充气时间较长,一次行驶里程短;储气钢瓶因压力大,有一定的危险性;车用充气源受天然气管网限制;属不可再生资源。

②液化天然气(LNG)。LNG是将天然气在-161℃的低温下液化,并进行净化处理而成。

LNG的优点:更洁净环保。LNG燃尽后无灰渣和焦油,主要排放物是二氧化碳和水蒸气,NO2、CO2等有害物质的含量极少;能量密度大。LNG液化后的体积仅是原气态体积的1/625,能量密度高于CNG三倍多;安全性能好。LNG无需高压,不易自燃自爆,安全性能好;车用充气源不受天然气管网限制;具有循环利用能源效应。LNG在汽化至常态过程中将释放出大量的冷能,可回收用于汽车空调或汽车冷藏。

LNG的缺点:生产与运输成本较高。LNG是在低温下液化、缩小体后装入特殊运输设备运送到目的地,并再次气化后方可使用。因此,LNG在中短途运输方面成本过高。属不可再生资源。

③吸附天然气(ANG)。吸附储气的原理是在储气容器中以特殊方法装填超级活性炭作为吸附剂。利用吸附剂表面分子与气体之间的作用力吸附气体分子。

ANG的优点:储存压力低。ANG的压力一般只有4~6MPa,有利于安全;不必使用笨重的钢瓶,减少储气设备重量。

ANG缺点:能量密度低;ANG技术难度较大,目前还处于研究阶段。

(3)煤基液体燃料。煤基液体燃料是将煤炭通过直接或间接方法液化成液体燃料油,俗称“煤变油”。

煤基液体燃料的优点:我国富煤少油,利用煤变油技术可缓解石油紧张。

煤基液体燃料的缺点:煤变成液态燃料单位成本高;煤转化成液态燃料的生产过程中要消耗大量的能源;煤变油技术仅是将一种不可再生能源转化为另一种形式,不符合能源发展方向;煤变成液体燃料只是将煤炭转变为汽油、柴油,依然不能降低环境污染。

(4)甲醇。甲醇是一种含氧化合物,溶解性强,可与汽油、柴油溶解混合为新型燃料。甲醇可从煤、天然气和油页岩中制取。

甲醇的优点:甲醇作为燃料具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点;作为车用燃料,甲醇的CO、HC和NOx排放较汽油和柴油低,几乎无碳烟排放;溶解性好,可与汽油、柴油混合使用。

甲醇的缺点:对环境即有正面影响也有负面影响。甲醇汽油可以减少尾气中CO、CH、NOx排放,但尾气中总醛排放增加;甲醇具有毒性。人摄入5～10毫升就会发生急性中毒,30毫升即可致死;甲醇对金属有腐蚀作用,对橡胶皮革有溶胀作用;制取甲醇要消耗不可再生资源。

2.可再生能源

(1)乙醇。乙醇是玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等经发酵、蒸馏、脱水后再在其中加入变性剂而成。车用乙醇汽油是将燃料乙醇和组分汽油按一定比例混配而成。

乙醇的优点:减少污染。使用乙醇汽油的汽车尾气中CO降低30%,NOX减少10%,苯系物质、氮氧化物、酮类等污染物浓度明显降低;属可再生能源。

乙醇的缺点:乙醇需要与汽油混合使用,不能成为汽油的完全替代品;燃烧乙醇会产生悬浮颗粒,不是完全的绿色燃料;消耗大量土地资源。

(2)生物柴油。生物柴油是采用动物或植物油脂与甲醇(或乙醇)经酯交换反应而得到的脂肪酸甲(乙)酯,是一种可以替代石油柴油的可再生清洁燃料。

生物柴油的优点:环保特性优良。根据美国科学家的研究结果,使用生物柴油可降低90%的空气毒性,二氧化碳排放要比柴油减少60%;车辆成本低。使用生物柴油的汽车与普通柴油车相同,车辆无须任何修改;安全性好。生物柴油的闪火点较高,毒性较低;是一种环境友好的可再生燃料。

生物柴油的缺点:燃烧效果差。生物柴油的粘度约为#2石化柴油的12倍,影响喷射时程,导致喷射效果不佳。由于生物柴油的低挥发性,造成燃烧不完全,影响汽车燃烧效率;制取生物柴油的成本较高;消耗大量耕地资源。

(3)太阳能。太阳能资源丰富,随处可得,无需运输,对环境无任何污染,是未来汽车能源的发展方向。

目前,制约太阳能汽车发展的主要障碍:一是汽车的动力常受时间、地点、季节、气候影响;二是太阳能的采集与转换效率难以满足汽车高速行驶所需要的足够动力;三是太阳能电池板造价昂贵。

3.性质不确定能源

(1)燃料电池。燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的一种装置。燃料电池常用的燃料有氢、天然气、甲醇等,常用的氧化剂有氧气、空气。

燃料电池的优点:洁净、污染低。纯氢和氧结合的燃料电池,可实现零放排。以甲醇、天然气为燃料的燃料电池汽车造成的大气污染仅为内燃机汽车的5%;燃料电池能量转换效率较高;噪音低。燃料电池属于静态能量转换装置,除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件,噪音小;燃料多样化。燃料电池所使用的燃料可以是氢、甲醇、天然气,也可以是丙烷、汽油、柴油、煤以及可再生能源;利用生物制氢、水制氢的燃料电池可实现能源再生化。

燃料电池的缺点:成本高。质子交换膜电池中的膜材料和催化剂均十分昂贵;燃料的质量不过关。质子交换膜燃料电池必须使用没污染的氢燃料,而目前纯净氢的制取技术还存在困难。

(2)电能。以电能为动力的汽车分为三种:纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCV)和混合动力电动汽车(HEV)。纯电动汽车是指以车载蓄电池为电源,用电动机驱动的车(本文中的电动汽车指的是纯电动汽车)。

电能是一种洁净能源,电动汽车完全可以实现零排放、无污染,但是,目前的电能还不属于可再生能源,主要是因为电能还有相当一部分是通过煤炭、石油等化石类能源转换而来。

电动汽车的优点:洁净无污染。目前,只有电动汽车完全符合零排放,而且电动汽车噪音很低;电能是取之不尽、用之不竭的能源。如果用再生能源(太阳能、水能、风能、生物质能、潮汐)发电,电能可永续使用;电能的利用技术成熟。人类利用电能已有很长一段历史,遍布全国的电网可为电动汽车的充电带来极大的方便;电动汽车结构简单,维修方便。

电动汽车的不足:电池性能还无法满足电动汽车产业化的要求。目前,电动汽车的蓄电池主要有:铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等。铅酸蓄电池比能量低,质量和体积太大,一次充电行驶里程较短,且寿命短,污染严重;镍镉蓄电池中的重金属镉对环境有污染;镍氢蓄电池有高温使用电荷量急剧下降的缺点;锂离子的问题是安全性和稳定性,此外,大功率锂电池存在技术难度;价格昂贵。蓄电池的价格是目前制约电动汽车产业化的障碍;电池充电时间长,蓄电能力有限;动力性差;电能还没有解决完全可再生和无污染问题。电能的生产还大量依赖煤炭、石油等不可再生资源,此外,汽车废弃蓄电池还有污染问题。

(3)氢能。氢是自然界存在最普遍的元素,在自然界中多以化合物形态出现,主要贮存于水,特别是海水中富含大量的氢,石油、天然气、煤炭、动植物体也含氢。氢的发热值是所有燃料中最高的,而且燃点高,燃烧速度快,是十分优质的二次能源。以氢气为能源驱动汽车,主要有三种方法:汽车携带贮氢罐,以氢气在发动机中直接燃烧产生动力;汽车电池放电电解出氢作燃料;以氢作燃料电池的燃料,用电力驱动汽车。

氢能的优点:氢是洁净能源。氢燃烧非常清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生其他对环境有害的污染物质;氢是高效燃料。每公斤氢燃烧产生的能量为33.6kW·h,是汽油的2.8倍;不需要对现有的技术装备作重大的改造。现在的内燃机稍加改装即可使用氢。

氢能的缺点:廉价的制氢方法是氢能利用的一大障碍。目前,氢的制取需要大量能量,而且制氢效率很低;氢的安全性能差。氢气是一种无色无臭的气体,而且着火界限宽、着火能低、燃烧速度快,容易引发火灾及爆炸。此外,氢特别容易泄漏,加油站、管道和纯化工厂很难完全消除泄漏隐患。

三、发展我国汽车新能源的思路

汽车产业在整个工业体系中占有核心地位,汽车新能源的发展战略不仅关系到汽车产业的可持续发展,而且对于整个工业的发展方向具有举足轻重的作用,因此,我们还需要从产业技术体系角度考虑汽车新能源的发展战略。

产业技术体系是指在工业生产部门各个产业领域所使用的各种产业技术,因其生产过程中的必然联系而构成的统一的有机整体。产业技术体系中的产业技术因其在生产部门生产过程中的影响范围和程度不同而分为源技术、主干技术、旁支技术三个层次。其中,源技术是最核心的、最具影响力的技术,它决定整个工业部门产业技术体系的性质和本质特征,决定了工业部门内部其他产业部门核心技术的产生、变革和地位。而主干技术是在源技术之下,直接与源技术配套的工业部门内部各产业技术,它们只是对一个或几个工业部门有重大作用。而旁支技术则是为主干技术服务的、处于次要地位的各产业技术。

人类历史上的历次产业技术革命都因产业技术体系中的源技术发生重大变革,推动产业技术体系中各层次的产业技术逐步改变,最终导致整个产业技术体系发生变革。第一次工业技术革命正是因蒸汽机的出现,导致人类生产的重心从农业转向工业;第二次工业技术革命由于内燃机和电力技术的发明,使人类生产走上了重化工业道路,也导致今天的资源危机和环境恶化;以微电子、新材料、新能源、生物工程、航天技术、海洋技术等为代表的第三次工业技术革命,并没有改变第二次工业技术革命所奠定的重化工业技术体系性质,却使消耗不可再生资源、污染环境的重化工业技术体系加速发展。今天,人类经济社会面临的生存危机,在本质上是产业技术体系性质造成的,是迄今为止历次产业技术革命都在产业技术开发与应用上忽视了人与自然的关系,从而导致产业技术体系各层次的产业技术都消耗不可再生资源、排放污染环境的废弃物造成的。

当前的产业技术体系还属于重化工业技术体系。重化工业技术体系中的源技术——电力技术和内燃机具有消耗不可再生资源、破坏环境的性质,带动了汽车、钢铁、能源、化工、机械加工等主干技术以及旁支技术也具有同样的性质。因此,要实现人与自然和谐相处,必须从根本上针对重化工业技术体系的源技术——电力技术和内燃机进行革命。

传统的内燃机是直接建立在石油、天然气等不可再生能源结构上的工业动力,是现代大工业各种产品生产的母机。汽车发动机是内燃机最突出的代表。汽车不仅是不可再生资源主要消耗者,也是城市环境恶化的主要元凶,此外,汽车产业更是在整个产业技术体系中关联最多的产业。因此,汽车洁净能源的开发应朝着改变传统的内燃机技术,使其由消耗不可再生资源、污染环境向使用可再生资源、对环境无害的方向发展,以推动整个产业技术体系向生态化变革,从而实现可持续发展的目标。因此,未来汽车的新能源应具备如下条件:

第一,新能源必须是可再生资源。不可再生资源终究会枯竭,用较丰富资源替代紧张资源只能作为短期权宜之计。

第二,新能源必须是洁净的。新能源不应对环境产生任何污染,应完全实现零排放。

第三,新能源有利于变革传统的内燃机技术。变革传统的消耗不可再生资源的内燃机技术不仅对于汽车产业发展有利,也会推动整个产业技术体系向可持续发展的方向努力。

四、我国汽车新能源的发展战略

综上所述,我们认为电能是汽车未来最佳的能源。但是,用电动机取代目前广为使用的传统内燃机不是一蹴而就的事情,因此,汽车新能源的发展战略还需要分阶段实施。

1.用电动机取代使用化石类能源的传统内燃机可作为远期终极目标

选择电能作为汽车未来能源的理由是:第一,电能是完全洁净的能源,电动汽车完全可以实现零排放;第二,电能完全有可能转变为可再生能源。尽管目前电能还不是可再生能源,但是随着太阳能发电、风能发电、生物质能发电、潮汐发电等的普及,电能会迅速转变成可再生能源;第三,有利于产业技术体系变革。传统内燃机被电动机取代,将导致化工、石油、煤炭等行业逐步萎缩,而太阳能发电、风力发电、生物质能发电以及潮汐发电等产业将得到大力发展。层层推进,可推动整体产业技术体系发生变革,有望改变重化工业技术体系消耗不可再生资源、污染环境的本质。

2.发展燃料电池汽车是中期目标

将燃料电池汽车作为中期发展目标的理由是:第一,燃料电池汽车技术已相当成熟,极有可能先于电动汽车进入市场。近几年,世界各大汽车公司都纷纷推出以氢或甲醇为燃料的燃料电池汽车;第二,燃料电池汽车有利于环境保护和节省能源。氢燃料电池可实现零排放,即使使用其他燃料(如甲醇)的燃料电池汽车也是常规汽车排放的30%。另外,燃料电池能效高有利于节省能源;第三,燃料电池完全可能实现由不可再生能源向可再生能源的转化。水解氢燃料电池可以实现资源的循环使用,因为氢与氧的燃烧产物就是水,水可以循环使用,取之不尽,用之不竭。另外,可利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源制氢,实现能源可再生化。目前,制约燃料电池成为可再生能源的是水解氢的制取技术,但是,甲醇等燃料电池技术的使用与推广,可为氢燃料电池的发展奠定良好的基础。第四,燃料电池汽车发动机是传统内燃机的变革,可为电动机最终取代传统内燃机提供经验。

尽管,目前的甲醇燃料电池、通过煤或天然气制取氢的燃料电池与我们所倡导的能源的可再生化发展方向违背。但是,只要太阳能、风能、潮汐能发电技术、水解氢技术一旦成熟,燃料电池实现可再生能源的目标就十分容易。因此,我们将燃料电池作为中期发展目标。

3.液化天然气汽车可作为短期发展目标

液化天然气(LNG)属不可再生资源,不符合能源的发展方向,也与我们的倡导的终极目标相悖。我们将其作为短期发展目标的理由是:第一,液化天然气有助于解决汽车尾气的严重污染问题。液化天然气与汽油、柴油相比,更洁净环保;第二,液化天然气有助于解决目前的石油紧张问题。我国的天然气储量较石油丰富,而且天然气的探明储量在不断增加。此外,使用液化天然气不受天然气管网限制,可充分利用世界天然气资源,这对于我国的能源安全有利;第三,液化天然气使用技术与现存的内燃机技术衔接较好。

但是,天然气资源是不可再生资源,长期过量开发与使用将会导致与石油资源一样的命运。因此,发展液化天然气汽车只可作为短期发展战略。

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