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呂錫民:替代能源車發展潛力分析

環保及能源之挑戰日益嚴苛,發展潔淨能源車輛已為未來趨勢。2019年硅谷國際車展閃亮登場,三十多家車廠紛紛展出了2019年最新車款。
(曹景哲/大紀元)
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【大紀元2020年02月15日訊】再生能源替代化石能源已成能源轉型典範,而低碳運輸是該過程中最重要的項目。石油將機器引入人類世界,從那時候起,石油供應一直是控制運輸活動。對於全球各大經濟體,能源安全和環境保護是運輸部門實施節能減碳的主要驅動力。

運輸減碳模式涉及多個面向,包括社會、經濟、技術和制度。社會人士擔憂未來石油供應的枯竭以及人類活動對環境的影響。經濟驅動因素包括企業的獲利–從汽車製造和能源供應到採礦和化學工業,以及各國政府的增長野心。技術部分涉及電力和/或「綠色燃料」的生產、運輸和存儲技術的成熟與商業化。制度因素是指國家和國際兩階段減少與客運和貨運相關溫室氣體(GHG)排放的方法和機制。

如果從人類的歷史眼光來看,再生能源是一種能夠透過自然程序生生不息的能源,再生能源有很多種但不外產自地球上的三大能源:太陽照射地球的輻射能;地球內部岩漿產生的地熱能;地球自轉產生的動能,如潮汐能。太陽熱能發電廠利用聚光器(如拋物線槽式、塔式、碟式)加熱如水和鹽類等熱媒製造蒸氣推動渦輪機發電,能源效率約在14%~23%之間,太陽光電利用半導體晶片發電,受到材料限制,能源效率僅約15%,風力機利用陣風推動葉片,將機械能傳給發電機發電,能源效率約為35%,大/小型水力發電廠發電效率最高分別為95%和90%,潮汐發電同樣高約90%左右,因為它們都是利用水位差推動水渦輪機發電,其間沒有熱能大量散失的問題,生質能、沼氣和廢棄物發電是利用燃燒生質物產生高溫氣體來推動氣渦輪機發電,能源效率約落在20%到40%之間。至於燃料電池是利用各種電解質,以氫與氧為原料,透過化學反應產生電力,副產品為水,由於也有散熱的問題,所以各種燃料電池的能源效率約在40%與50%之間。上述再生能源、氫能和化石燃料的各種發電方式(共27種)的能源效率之詳細數值及比較如圖1所示。附帶一提的是,由於熱力學第二定律以及卡諾循環(Carnot Cycle)限制,火力發電廠最高能源效率最高僅達50%~60%之間。

運輸減碳成效與運輸部門能源消費結構有關。顯然,運輸減碳主要模式與減少石油碳足跡密不可分,包括使用其它能源載體,如天然氣(主要是甲烷)、電、氫等為車輛輸入能源,我們稱之為替代能源車。電動車與氫能車可堪稱「零排放車」(Zero Emission Vehicle)。然而,必須考慮的是能源載體的來源,它們有可能來自煤炭、石油或天然氣。

1 各種能源之不同發電方式的能源效率比較

就天然氣使用型態來說,天然氣車(NGV)主要含括壓縮天然氣(CNG)與液化天然氣(LNG)兩大項,前者適用於小客者,後者適用於大型運輸工具(如巴士、貨車、火車、船舶、飛機等)。天然氣在台灣電力部門的占比在2025年將達到50%,政府目前正在積極發展此一潔淨能源,普遍設置相關基礎設施,天然氣實不應置於運輸部門的燃料應用類別之外。

氫能車電力主要來自車上燃料電池(FC),因為發電特性,多數燃料電池車也加入超級電容器或蓄電池作為動力系統一部分,但容量較純電動車小。車上燃料電池多以高壓氫氣與空氣中的氧氣產生化學電力。多數燃料電池車被視為零污染車,因燃料電池發電時只會排放水及熱。與內燃機車相比,燃料電池車的主要污染來源來自氫氣的製造過程,因為現今較經濟的氫氣製造過程是以天然氣為原料。氫能車的環境衝擊取決於生產燃料氫所使用的初級能源種類,氫能車僅在使用由再生能源製造的氫燃料時才算是一種環保交通工具,也只有在此情況下,它才比化石燃料車具有更清潔與高效能的優點。

燃料電池本質上是一種電化學反應,在可控制情況下將氫離子與氧離子結合產生水分子,伴隨的電池電位差可以驅動諸如馬達等電力設備。與上述電化學反應相反的電解作用下,再生能源電力可將水分解成氫與氧,從而再生能源電力電解水技術是一種可與傳統能源相互競爭的高產量與低成本產氫技術,但是一部氫能車在從100%再生能源電力電解水產氫開始到燃料電池發電產生動力為止的整體能源效率是小於25%的。

電池電動車,又稱電瓶車、純電動車(BEV),是指以事前已充滿電的蓄電池(大容量電瓶)供電給電動機,由電動機推動的車輛,而電池的電量由外部電源補充,媒體常簡稱作電動車,故常與其它以電力推動的車輛(如無軌電車)混淆。

2 天然氣車、電動車、氫能車的發展潛能比較

如圖2所示,就未來發展潛力而言,我們對天然氣車(NGV)、電動車(BEV)、氫能車(FCV)作一番比較,分析資料結果顯示,再基礎建設方面,NGV可由燃油車直接改裝,BEV可用市電充電,FCV的基礎建設最為欠缺,但是NGV與FCV的燃料填充時間較快,加油速度與傳統燃油車沒有兩樣,添加燃料或充電速度太慢是BEV的最大缺點。就使用者經濟因素來看,NGV具有最高的耗油里程,最差是FCV,這顯然與單位重量能量密度及車上蓄有關,另外在這三款替代能源車中,NGV售價僅為BEV與FCV的四分之一,如果是改裝者則成本更低。另就環保效益而言,CNG表現不俗,其燃料碳排放介於兩者之間。但在能源效率理論分析上,由於內燃機的熱力學限制,NGV的環保效益不如其他兩者。然而,因為NGV具有最高的單位重量能量密度(Wh/kg),所以在實際耗油測試中,NGV的燃料行駛里程(LOE/p-km)遙遙領先其它兩者,這數據證實NGV成的熟工藝性,以及在替代能源車市場中的高占有率。在當今汽車市場上,CNG的累積銷售數是27,765,376輛約為PEV 5,127,297輛的5.4倍。

3 天然氣車、電動車、氫能車和傳統車的能源效率比較

最後回歸到低碳運輸的環保觀點,針對各式各樣能源車從原料生產到動力產生過程的能源效率分析,Transport & Environment(一個倡導清潔運輸組織,自稱是歐洲領先的非政府組織)發布包括電池電動車(BEV)、燃料電池車(FCV)和傳統燃油車(ICV)的能源效率比較。在使用100%再生能源電力之下,總體結果為:BEV-73%;FCV-22%;ICE-13%,詳細分析過程步驟如圖3所示。在這種情況下,可以考慮使用再生電力來為BEV充電和生產氫氣或用於ICE的燃料,但是由上述分析結果可知,如果FCV最終仍然浪費78%的淨能量(是BEV的三倍),則氫仍然很難堪稱環境最優的汽車燃料,並且作者認為氫已經是成本特別昂貴的燃料,如果再使用成本偏高的再生能源電力來產氫那豈非對削弱產業競爭力雪上加霜。

在替代能源車發展潛勢分析中,我們發現燃料添加速度快與最高重量能量密度是天然氣車與氫能車發展最佳優勢。另外,由於能源安全政策與環境保護動機下,天然氣與氫燃料趁此全球再生(綠色)能源竄起之勢,具有替代傳統燃料與儲能應用的不錯機會。但是,在實際應用中,由於氫是屬於二次能源,燃料價格高,技術與經濟效益未臻成熟,安全性存疑,皆為其普及化與商業化的不利之處。緣此,在發展替代能源車上,使用化學電池的電動車與燃料基礎設施成熟的天然氣車是未來氫能車普及化及商業化的兩大威脅。#

(註:作者為台灣工研院能環所前研究員)

責任編輯:任慧夫

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2020-02-15 2:25 PM
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