氢能社会
新能源汽车决胜未来
2019/10/16 9:37:04
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发展先进电驱动汽车有重大意义
随着中国经济的快速发展与人民生活水平的逐步提升，汽车进入中国普通百姓家庭已是不可改变的事实与趋势，中国人也一样要享受快速便捷的现代汽车文明，而且，汽车及相关产业的发展将成为中国的重要经济支柱之一。2009年中国的汽车保有量已经达到6962万辆，但按汽车人均普及率计算，中国(每千人54辆)还远不及全球的平均水平(每千人140辆)。按照现在的发展势头，十几二十年之后，中国汽车的普及率完全可能接近发达国家的水平。如果按欧洲的一半，即每千人300辆计算，总保有量就是4.5亿辆。如果按每辆汽车年消耗燃油1吨的先进水平计算(目前欧洲水平为1.5吨，日本为1吨，中国为2.2吨)，4.5亿辆车就需要4.5亿吨燃油。据石油部门专家估计， 2020年国内的石油年产量可达到1.8亿吨，考虑进口 2.7亿吨，共计4.5亿吨。如参考发达国家情况考虑，其中三分之二，即3亿吨石油给汽车使用，可炼成燃油约2亿吨。从2020年到2030年，我国石油产量继续较大幅度增长的可能性不大，而价格会继续攀升。要满足4.5亿辆汽车的能源需求将存在2亿吨以上的巨大缺口。因此，如果依赖石油，中国人将不可能实现普及汽车的梦想，用不了多长时间，中国的加油站前将排起长队，中国汽车工业也将不得不停滞发展的步伐。
因此，中国如要继续发展汽车工业和普及汽车，一方面必须大幅度节省燃料消耗，实现每辆车年消耗燃油低于1吨的目标，另一方面必须寻找数量级与石油相当的燃料来源。而唯一能在数量级上与石油燃料相提并论的只有电力资源。电可以用各种能源来生产，除了煤发电以外，我国还正在大力发展核能、水能、风能、太阳能、各种生物质能和废弃有机物等资源发电。电力部门预测， 2020、2030年我国年发电量将分别达到7.5和10.5万亿千瓦时左右。如果预测纯电驱动(包括插电式)汽车、2030年保有量则分别达到3000万辆和2亿辆，按每辆电驱动车年耗电4000千瓦时(度)测算，则相应阶段的年耗电量约为1200和8000亿千瓦时(度)，分别占当年发电量的1.6%和7.6%，即只占电力供应总量的一小部分。而由于电动车多数在夜间充电，可以利用它来平衡电网的峰谷差，提高电网的效率，同时意味着，这样数量的耗电量并不需要增加相应数量的发电能力。2020
发展电驱动汽车有助于缓解发展汽车工业所面临的环境问题。由于发电过程较高的效率与电驱动汽车使用环节的零排放，使得电动汽车的全寿命周期总碳排放低于燃油汽车，更低于其他形式的煤制燃料(甲醇、二甲醚、煤制油)的碳排放。如果考虑其他的发电类型(核电和可再生能源发电)其碳排放将更低。同时，现代化的大型发电厂能最有效地提高能源利用效率，还有条件采用CO2集中存储技术解决碳排放问题。随着水力、风力、太阳能、生物质能发电的比例增长，电驱动汽车对降低CO2排放的意义将更加显现出来。
这里还要强调，发达国家的汽车普及已经完成，他们面对的是“存量”问题，他们是在现有的总量基础上如何往下减少能耗和排放，而我国的汽车普及还刚刚开始，我们面对的是巨大的“增量”问题，是在不断快速增长的总量上努力节能减排，这个巨大的能源“增量”和排放“增量”所带来的影响比任何国家都要严峻。可以说，发展电动汽车是解决我国汽车能源与环境问题的根本途径，是唯一可选择的解决方法，其重要意义超过任何国家。
发展创新型产业的良机
改革开放以来，我国汽车工业取得了显著成绩，但总体而言，无论是核心技术，还是产业化水平与国际先进水平仍存在较大差距。面临着由电驱动汽车引发的巨大技术变革时期，中国绝不能错过这个机会，在继续快速提升传统汽车产业自主研发能力的同时，应大力加强电驱动汽车的技术创新和产业化工作，争取在电驱动汽车发展上占据有利位置，改变汽车工业在技术上依赖外国的被动状况，同时建立起一个新兴的创新型产业。
改革开放以来我国的汽车工业取得了长足进步，不但在产量上成为世界第一大国，而且在技术研发能力上也有了显著进步，这些都为电驱动汽车的发展奠定了重要的技术经济基础。从“十五”开始，我国设立了国家“节能与新能源汽车”重大科技项目，在该项目引领下，我国电驱动汽车研发工作已取得初步成绩，某些领域已居世界先进水平。在手机、笔记本电脑、电动自行车工业的带动下，我国电池产业得到了快速发展，产量居世界第一，技术水平居世界先进行列。预计2010年我国车用镍氢动力电池和锂离子动力电池年生产能力将分别达到3.6亿瓦时和40亿瓦时以上。我国在锂离子电池、永磁电机等电驱动汽车关键零部件的核心材料方面具有一定的资源优势。我国已探明储量的锂资源居世界第二位，稀土资源居世界第一位。我国正处于城市化、工业化初期，已成为全球最大的汽车市场。我国电驱动汽车具有相对成本优势，以锂离子动力电池的价格为例，目前我国的价格为3-4元/瓦时， 而美、欧、日目前约10元/瓦时。另外，我国电力工业快速发展，未来电力供会相对盈余，这将保证电驱动汽车大规模发展的用电需求。
近年来，党中央与国务院高度重视新能源和电驱动汽车的支持力度，先后出台了《汽车产业振兴规划》、《关于开展节能与新能源汽车示范推广试点工作的通知》、《汽车产业调整和振兴规划》等一系列政策，鼓励和支持电驱动汽车的创新和发展，我国将新能源汽车作为后金融危机时期重点发展的战略性新兴产业之一。目前，我国成立了跨部门的以温家宝总理为主任的国家能源委员会，研究拟订国家能源发展战略。我国目前正在实施的20个新能源汽车示范试点城市工作也将极大推动电驱动汽车技术研发和产业化进程。国家重视和政策支持将为我国电驱动汽车蓬勃发展带来重大战略机遇。
以上这些都说明了，我国在发展电动汽车上具备了许多有利条件，我们要充分利用这些有利条件，抓住机遇，加快发展步伐。
电池与充电式发展电驱动汽车的主要瓶颈
以纯电动汽车为例。电动汽车发展还有许多实际的困难，包括车辆技术问题，基础设施问题，生产与使用成本问题，消费者的接受问题。而其中的两大主要瓶颈是电池与充电。其一，电池成本仍然较高，电池的能量密度较低，带来电动车的价格高，整车重，充电后续驶里程短等问题；其二，充电时间长与尚未建立起便利的充电网络。目前的电池价格与能量密度尚只能支持设计续驶里程较短的电驱动汽车，而每次充电还需要数小时。已经习惯几分钟加一次油便可以行驶数百公里的消费者能否接受需要每天充电的电驱动车？家庭只有一辆电动汽车的消费者如何解决长途出行问题？
较低车速的电动汽车一旦普及会不会对现有交通体系造成一定影响和冲击？如何在拥挤的公寓式楼房居民区建立充电网线和充电桩？等等。这些都是需要面对的问题。
世界电动汽车推广应用大致经历过3次高潮，都没有成功，最主要原因是电池太重与价格太贵，使之无法与燃油汽车竞争。
近一二十年，电池技术有了巨大的进步，锂离子电池的出现，电池的能量密度比铅酸电池提高了数倍，尤其是磷酸铁锂电池基本克服了锂离子电池在安全性方面的不足。在分析了锂离子电池的成本构成后认为，电池的成本将随着批量化生产的实现，将可能大幅度降低。因此说，这次电动汽车产业化成功的可能性较以往要大许多。但仍应该看到，由于目前电池的比价格(3-4元/瓦时)仍然很高，比能量(80-100瓦时/公斤)仍然很低。如果要求电动汽车与内燃机汽车接近的动力性与续驶里程，电动汽车必将很贵和很重，将无法被市场接受，也无法推广应用。
一个新的能源与驱动技术能否具有推广优势，总结起来主要有四个要素，即能源可获得性、环境友好性、经济性和使用方便性，即所谓的4E(Energy, Environment, Economy, Easy )。对于电动汽车，前两项毋庸置疑，具有很大的优势，而后两项目前的问题仍然很多。电动汽车的使用不方便性主要表现在两个方面：续驶里程短和充电时间长。由于不能指望电池的能量密度短时间内会再有重大突破，电动汽车可行的续驶里程也难以很快提高。在充电方面，即使有快速充电的技术，也远达不到人们的期望。还有，在推广的初期，充电的基础设施很不完善。为了弥补使用不方便性给消费者造成的不想购买电动汽车的障碍，只有从提高经济性想办法，即消费者购买与使用电动汽车要比燃油车便宜很多。归结起来，要使推广电动汽车取得成功，必须大幅度降低消费者的购车与使用成本，尽可能改善充电方便性。这两点能够做好，电动汽车的普及就有指望。
电动汽车无法取代传统汽车
这个问题问到了电动汽车推广应用的关键点。正确的说，目前与今后相当长时间，受电池能量密度与价格的限制，同样重量与成本的电动汽车达不到传统燃油汽车的性能(动力性与续驶里程)。电池能量密度的继续提高虽然有很大可能性，但同时将带来安全性与成本的挑战，具有实用性的新体系的动力电池开发不是短时间能够实现的。因此，立足于目前电池的性能水平(包括可能的改进)，是我们考虑问题的实际出发点。根据初步计算分析，只有微型小型和较短续驶里程(约100公里)的电动汽车具有经济可行性，即车辆重量与成本增加不多，在较短时间内节省的燃油费可抵消增加的汽车购入成本，这对于低收入群体或购买家庭第二辆汽车的用户具有吸引力。
减少设计续驶里程是降低电动汽车成本的主要途径。如果我们能够接受较短的续驶里程的电动汽车，困扰我们的经济性问题就会迎刃而解。经过统计调查，发现90% 以上消费者每天的汽车日行驶里程不到50-60公里，也就是说续驶里程设计在100公里左右的电动汽车可以满足大多数人出行的需要。按照这样的理念来设计电动汽车，其成本与重量就可能与同级燃油汽车相当。而为了那些少数的远途行驶，可以采取选购增程器或租用燃油车来解决。对于一个家庭有两辆以上汽车的情况，保留一辆燃油汽车备长途之需也足够了。
因此，相当长时间里，电动汽车不具备全面替代燃油汽车的可能，而且没有这种必要。合理的方案是，扬长避短，根据各种汽车的特点，构建出一个协调发展的格局。从而解决未来汽车能源与环境问题，实现我国汽车普及的美好理想。而选择恰当的电动汽车的技术路线来起步，也将决定电动汽车发展成败与快慢的关键因素。
按照这个理念，我们可以构思一个未来新的道路交通结构，例如：
活动范围10公里以内—自行车、电动自行车、微型电动三轮车；
活动范围50公里以内—微型或小型电动汽车；
活动范围100公里范围—插电式混合动力或增程式电动汽车；
活动范围100公里以上—燃油汽车、燃料电池汽车、液化天然气汽车。
混合动力汽车、纯电动汽车与燃料电池汽车有许多共同的特点，即它们都要用到电机、动力电池和相应的控制系统，可以统称为电驱动汽车。在我国863计划“节能与新能源汽车”重大项目中并列为“三纵”，电机、动力电池和相应的控制系统是它们的共性技术，列为“三横”，可见它们在技术上有着十分紧密的关联。
混合动力技术与先进内燃机技术被作为现代汽车动力系统革新的两个重要方向，都是为了达到节能减排的目的。混合动力的类型很多，从最简单的起停式，到复杂的机电耦合系统，都有可能被作为传统汽车技术升级的方案，逐渐被广泛采用。混合动力汽车不改变汽车的使用习惯，不需要新的基础设施，推广起来比较容易。各类混合动力汽车能否在市场中具备竞争优势，主要取决于增加的成本与燃料消耗减少的比例。起停式系统增加成本很少，在城市工况下有明显的节油效果，很可能成为今后燃油汽车的标准配置。日本丰田的混合动力汽车采用较复杂的机电耦合重度混合系统，其节油效果可达到40%以上，生产初期需要政府补贴，而随着大批量生产的实现，现在的成本已与传统车接近，在全球的销售量已超过100多万辆。我国汽车企业应该加大对混合动力汽车的投入，尽快开发出具有竞争力的产品，投放市场。也同样需要国家政策的大力支持。
燃料电池汽车在使用过程排出的是水蒸气和少量未完全反应的无害的氢气，燃料电池具有很高的能量转换效率，燃料电池汽车总的碳排放量也很低，并主要与氢的生产方式有关。燃料电池技术也在快速进步，国际上先进的燃料电池寿命已经达到实用化水平。目前燃料电池价格相当昂贵，但随着批量化生产的实现，也会大幅度下降。燃料电池能否投入规模化商业化应用，主要决定于能否找到大批量生产廉价氢气的途径。我国炼焦过程产生相当数量的副产氢，经过再加工有可能达到燃料电池的使用要求，有可能提供部分车辆使用。燃料电池汽车也需要建设专用的加氢站，氢气的运输、存储也有一些难点，需要解决。作为未来的重要技术方向之一，燃料电池汽车应该继续受到重视。在加大研发力度同时，开展小规模的示范运行，同时大力研究可再生制氢技术。
目前国家各有关部门正在制定进一步支持电驱动汽车发展的政策，制定这些政策时应注意：
1，制定发展电驱动汽车的国家战略。电驱动汽车虽然已经受到高度重视，但是仍未制定统一的国家战略，有了国家战略，各相关政府部门将更能有效发挥各自的作用，企业、科研院所、高等院校也会有更加明确的方向；
2，高度重视示范城市的工作，示范工作的成效如何直接影响人们对发展电驱动汽车的信心，影响产业发展的进程。目前的情况较为粗糙，建议进一步明确示范的具体目的和各城市的重点，使示范工作更加贴紧总体目标，尤其对私人用电动汽车的示范要做出安排；宜采取逐步推进的方法，一边示范，一边总结，一边改进，循序渐进，讲究实效。
