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吕锡民:替代能源车发展潜力分析

环保及能源之挑战日益严苛,发展洁净能源车辆已为未来趋势。2019年硅谷国际车展闪亮登场,三十多家车厂纷纷展出了2019年最新车款。
(曹景哲/大纪元)
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【大纪元2020年02月15日讯】再生能源替代化石能源已成能源转型典范,而低碳运输是该过程中最重要的项目。石油将机器引入人类世界,从那时候起,石油供应一直是控制运输活动。对于全球各大经济体,能源安全和环境保护是运输部门实施节能减碳的主要驱动力。

运输减碳模式涉及多个面向,包括社会、经济、技术和制度。社会人士担忧未来石油供应的枯竭以及人类活动对环境的影响。经济驱动因素包括企业的获利–从汽车制造和能源供应到采矿和化学工业,以及各国政府的增长野心。技术部分涉及电力和/或“绿色燃料”的生产、运输和存储技术的成熟与商业化。制度因素是指国家和国际两阶段减少与客运和货运相关温室气体(GHG)排放的方法和机制。

如果从人类的历史眼光来看,再生能源是一种能够透过自然程序生生不息的能源,再生能源有很多种但不外产自地球上的三大能源:太阳照射地球的辐射能;地球内部岩浆产生的地热能;地球自转产生的动能,如潮汐能。太阳热能发电厂利用聚光器(如抛物线槽式、塔式、碟式)加热如水和盐类等热媒制造蒸气推动涡轮机发电,能源效率约在14%~23%之间,太阳光电利用半导体晶片发电,受到材料限制,能源效率仅约15%,风力机利用阵风推动叶片,将机械能传给发电机发电,能源效率约为35%,大/小型水力发电厂发电效率最高分别为95%和90%,潮汐发电同样高约90%左右,因为它们都是利用水位差推动水涡轮机发电,其间没有热能大量散失的问题,生质能、沼气和废弃物发电是利用燃烧生质物产生高温气体来推动气涡轮机发电,能源效率约落在20%到40%之间。至于燃料电池是利用各种电解质,以氢与氧为原料,透过化学反应产生电力,副产品为水,由于也有散热的问题,所以各种燃料电池的能源效率约在40%与50%之间。上述再生能源、氢能和化石燃料的各种发电方式(共27种)的能源效率之详细数值及比较如图1所示。附带一提的是,由于热力学第二定律以及卡诺循环(Carnot Cycle)限制,火力发电厂最高能源效率最高仅达50%~60%之间。

运输减碳成效与运输部门能源消费结构有关。显然,运输减碳主要模式与减少石油碳足迹密不可分,包括使用其它能源载体,如天然气(主要是甲烷)、电、氢等为车辆输入能源,我们称之为替代能源车。电动车与氢能车可堪称“零排放车”(Zero Emission Vehicle)。然而,必须考虑的是能源载体的来源,它们有可能来自煤炭、石油或天然气。

1 各种能源之不同发电方式的能源效率比较

就天然气使用型态来说,天然气车(NGV)主要含括压缩天然气(CNG)与液化天然气(LNG)两大项,前者适用于小客者,后者适用于大型运输工具(如巴士、货车、火车、船舶、飞机等)。天然气在台湾电力部门的占比在2025年将达到50%,政府目前正在积极发展此一洁净能源,普遍设置相关基础设施,天然气实不应置于运输部门的燃料应用类别之外。

氢能车电力主要来自车上燃料电池(FC),因为发电特性,多数燃料电池车也加入超级电容器或蓄电池作为动力系统一部分,但容量较纯电动车小。车上燃料电池多以高压氢气与空气中的氧气产生化学电力。多数燃料电池车被视为零污染车,因燃料电池发电时只会排放水及热。与内燃机车相比,燃料电池车的主要污染来源来自氢气的制造过程,因为现今较经济的氢气制造过程是以天然气为原料。氢能车的环境冲击取决于生产燃料氢所使用的初级能源种类,氢能车仅在使用由再生能源制造的氢燃料时才算是一种环保交通工具,也只有在此情况下,它才比化石燃料车具有更清洁与高效能的优点。

燃料电池本质上是一种电化学反应,在可控制情况下将氢离子与氧离子结合产生水分子,伴随的电池电位差可以驱动诸如马达等电力设备。与上述电化学反应相反的电解作用下,再生能源电力可将水分解成氢与氧,从而再生能源电力电解水技术是一种可与传统能源相互竞争的高产量与低成本产氢技术,但是一部氢能车在从100%再生能源电力电解水产氢开始到燃料电池发电产生动力为止的整体能源效率是小于25%的。

电池电动车,又称电瓶车、纯电动车(BEV),是指以事前已充满电的蓄电池(大容量电瓶)供电给电动机,由电动机推动的车辆,而电池的电量由外部电源补充,媒体常简称作电动车,故常与其它以电力推动的车辆(如无轨电车)混淆。

2 天然气车、电动车、氢能车的发展潜能比较

如图2所示,就未来发展潜力而言,我们对天然气车(NGV)、电动车(BEV)、氢能车(FCV)作一番比较,分析资料结果显示,再基础建设方面,NGV可由燃油车直接改装,BEV可用市电充电,FCV的基础建设最为欠缺,但是NGV与FCV的燃料填充时间较快,加油速度与传统燃油车没有两样,添加燃料或充电速度太慢是BEV的最大缺点。就使用者经济因素来看,NGV具有最高的耗油里程,最差是FCV,这显然与单位重量能量密度及车上蓄有关,另外在这三款替代能源车中,NGV售价仅为BEV与FCV的四分之一,如果是改装者则成本更低。另就环保效益而言,CNG表现不俗,其燃料碳排放介于两者之间。但在能源效率理论分析上,由于内燃机的热力学限制,NGV的环保效益不如其他两者。然而,因为NGV具有最高的单位重量能量密度(Wh/kg),所以在实际耗油测试中,NGV的燃料行驶里程(LOE/p-km)遥遥领先其它两者,这数据证实NGV成的熟工艺性,以及在替代能源车市场中的高占有率。在当今汽车市场上,CNG的累积销售数是27,765,376辆约为PEV 5,127,297辆的5.4倍。

3 天然气车、电动车、氢能车和传统车的能源效率比较

最后回归到低碳运输的环保观点,针对各式各样能源车从原料生产到动力产生过程的能源效率分析,Transport & Environment(一个倡导清洁运输组织,自称是欧洲领先的非政府组织)发布包括电池电动车(BEV)、燃料电池车(FCV)和传统燃油车(ICV)的能源效率比较。在使用100%再生能源电力之下,总体结果为:BEV-73%;FCV-22%;ICE-13%,详细分析过程步骤如图3所示。在这种情况下,可以考虑使用再生电力来为BEV充电和生产氢气或用于ICE的燃料,但是由上述分析结果可知,如果FCV最终仍然浪费78%的净能量(是BEV的三倍),则氢仍然很难堪称环境最优的汽车燃料,并且作者认为氢已经是成本特别昂贵的燃料,如果再使用成本偏高的再生能源电力来产氢那岂非对削弱产业竞争力雪上加霜。

在替代能源车发展潜势分析中,我们发现燃料添加速度快与最高重量能量密度是天然气车与氢能车发展最佳优势。另外,由于能源安全政策与环境保护动机下,天然气与氢燃料趁此全球再生(绿色)能源窜起之势,具有替代传统燃料与储能应用的不错机会。但是,在实际应用中,由于氢是属于二次能源,燃料价格高,技术与经济效益未臻成熟,安全性存疑,皆为其普及化与商业化的不利之处。缘此,在发展替代能源车上,使用化学电池的电动车与燃料基础设施成熟的天然气车是未来氢能车普及化及商业化的两大威胁。#

(注:作者为台湾工研院能环所前研究员)

责任编辑:任慧夫

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2020-02-15 2:25 PM
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