產業(yè)技術體系變革與汽車新能源發(fā)展戰(zhàn)略

[摘要] 目前，可替代石油燃料的汽車新能源有多種，孰優(yōu)孰劣，眾說紛紜。文章認為，開發(fā)汽車新能源不僅是為了解決汽車的環(huán)境污染和石油的短缺問題，更是為了變革重化工業(yè)技術體系。從變革產業(yè)技術體系的角度出發(fā)，文章提出了發(fā)展汽車新能源的三步戰(zhàn)略。

[關鍵詞] 汽車新能源產業(yè)技術體系變革發(fā)展戰(zhàn)略電動汽車

一、引言

汽車作為現代重化工業(yè)技術體系的代表產品，不僅是不可再生石油資源的主要消耗者，而且也是造成城市空氣污染的主要禍首。汽車所排放的尾氣中含有大量NOX(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、PM(顆粒物)和HC(碳氫化合物)等有害物質，對城市大氣環(huán)境造成了嚴重的污染和破壞。解決汽車的環(huán)境污染和石油的短缺問題需要尋找可替代石油燃料的潔凈能源或改變傳統(tǒng)的內燃機技術。然而，由于方法眾多，每一種方法都存在各自的優(yōu)缺點，眾說紛紜，爭執(zhí)不下。究竟哪一種新能源適合我國汽車未來能源的發(fā)展方向呢?

我們認為，內燃機技術以及汽車產業(yè)在產業(yè)技術體系中占有核心地位，從整個產業(yè)技術體系的發(fā)展戰(zhàn)略角度出發(fā)，分析現有的汽車各種替代能源的優(yōu)缺點，分階段實施汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略，對于我國實現產業(yè)技術的跨越發(fā)展具有十分重要的現實意義。

二、汽車代用能源的分類及特點

目前，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油和柴油的汽車代用能源有許多種，可將其歸納為三類:第一類是不可再生能源，包括液化石油氣、天然氣、煤基液體燃料、甲醇;第二類是可再生能源，包括乙醇、生物柴油、太陽能;第三類是性質不確定能源，其性質的歸屬取決于生產該能源的原料，包括燃料電池、電能和氫能。

1.不可再生能源

(1)液化石油氣(LPG)。LPG分為石油煉制過程中的副產品和油田伴生氣兩種。

LPG的優(yōu)點:①能效高。與汽油相比，LPG辛烷值較高;②減少污染。LPG可降低CO2排放25%、CH80%、SO270.5%、SO99.99%、Pb100%、CO89.72%、顆粒物41.67%、噪音40%;不需改變內燃機;石油廢棄物利用，有一定的經濟價值。

LPG的缺點:能量密度低;車用LPG的質量要求較高，需要提純處理;存在一定的爆燃危險性，安全性較差;仍然以石油資源為依托，屬于不可再生資源。

(2)天然氣(NG)。汽車使用的天然氣按儲存方式主要分:壓縮天然氣(CNG )、液化天然氣(LNG)和吸附天然氣(ANG)三種。

①壓縮天然氣(CNG)。CNG是將常態(tài)下的天然氣以20MPa以上壓力壓縮在高壓罐內供汽車使用。

CNG的優(yōu)點:污染排放低。天然氣汽車尾氣中NOX及CO2排放量很低，且無PM固體微粒排放;工藝簡單。供汽車使用的CNG是用壓縮機將天然氣壓縮儲存，燃燒時通過減壓裝置減壓釋放，工藝比較簡單;天然氣儲量相對豐富。我國目前天然氣資源量約為54萬億立方米，探明的天然氣地質儲量為3.9萬億立方米，資源探明率為7.2%。并且，天然氣的勘探潛力很大，儲量較石油豐富。

CNG的缺點:存儲體積較大，能量密度低;汽車充氣時間較長，一次行駛里程短;儲氣鋼瓶因壓力大，有一定的危險性;車用充氣源受天然氣管網限制;屬不可再生資源。

②液化天然氣(LNG)。LNG是將天然氣在-161℃的低溫下液化，并進行凈化處理而成。

LNG的優(yōu)點:更潔凈環(huán)保。LNG燃盡后無灰渣和焦油，主要排放物是二氧化碳和水蒸氣，NO2、CO2等有害物質的含量極少;能量密度大。LNG液化后的體積僅是原氣態(tài)體積的1/625，能量密度高于CNG三倍多;安全性能好。LNG無需高壓，不易自燃自爆，安全性能好;車用充氣源不受天然氣管網限制;具有循環(huán)利用能源效應。LNG在汽化至常態(tài)過程中將釋放出大量的冷能，可回收用于汽車空調或汽車冷藏。

LNG的缺點:生產與運輸成本較高。LNG是在低溫下液化、縮小體后裝入特殊運輸設備運送到目的地，并再次氣化后方可使用。因此，LNG在中短途運輸方面成本過高。屬不可再生資源。

③吸附天然氣(ANG)。吸附儲氣的原理是在儲氣容器中以特殊方法裝填超級活性炭作為吸附劑。利用吸附劑表面分子與氣體之間的作用力吸附氣體分子。

ANG的優(yōu)點:儲存壓力低。ANG的壓力一般只有4~6MPa，有利于安全;不必使用笨重的鋼瓶，減少儲氣設備重量。

ANG缺點:能量密度低;ANG技術難度較大，目前還處于研究階段。

(3)煤基液體燃料。煤基液體燃料是將煤炭通過直接或間接方法液化成液體燃料油，俗稱“煤變油”。

煤基液體燃料的優(yōu)點:我國富煤少油，利用煤變油技術可緩解石油緊張。

煤基液體燃料的缺點:煤變成液態(tài)燃料單位成本高;煤轉化成液態(tài)燃料的生產過程中要消耗大量的能源;煤變油技術僅是將一種不可再生能源轉化為另一種形式，不符合能源發(fā)展方向;煤變成液體燃料只是將煤炭轉變?yōu)槠汀⒉裼停廊徊荒芙档铜h(huán)境污染。

(4)甲醇。甲醇是一種含氧化合物，溶解性強，可與汽油、柴油溶解混合為新型燃料。甲醇可從煤、天然氣和油頁巖中制取。

甲醇的優(yōu)點:甲醇作為燃料具有辛烷值高、汽化潛熱大、熱值較低等特點;作為車用燃料，甲醇的CO、HC和NOx排放較汽油和柴油低，幾乎無碳煙排放;溶解性好，可與汽油、柴油混合使用。

甲醇的缺點:對環(huán)境即有正面影響也有負面影響。甲醇汽油可以減少尾氣中CO、CH、NOx排放，但尾氣中總醛排放增加;甲醇具有毒性。人攝入5～10毫升就會發(fā)生急性中毒，30毫升即可致死;甲醇對金屬有腐蝕作用，對橡膠皮革有溶脹作用;制取甲醇要消耗不可再生資源。

2.可再生能源

(1)乙醇。乙醇是玉米、小麥、薯類、高粱、甘蔗、甜菜等經發(fā)酵、蒸餾、脫水后再在其中加入變性劑而成。車用乙醇汽油是將燃料乙醇和組分汽油按一定比例混配而成。

乙醇的優(yōu)點:減少污染。使用乙醇汽油的汽車尾氣中CO降低30%，NOX減少10%，苯系物質、氮氧化物、酮類等污染物濃度明顯降低;屬可再生能源。

乙醇的缺點:乙醇需要與汽油混合使用，不能成為汽油的完全替代品;燃燒乙醇會產生懸浮顆粒，不是完全的綠色燃料;消耗大量土地資源。

(2)生物柴油。生物柴油是采用動物或植物油脂與甲醇(或乙醇)經酯交換反應而得到的脂肪酸甲(乙)酯，是一種可以替代石油柴油的可再生清潔燃料。

生物柴油的優(yōu)點:環(huán)保特性優(yōu)良。根據美國科學家的研究結果，使用生物柴油可降低90%的空氣毒性，二氧化碳排放要比柴油減少60%;車輛成本低。使用生物柴油的汽車與普通柴油車相同，車輛無須任何修改;安全性好。生物柴油的閃火點較高，毒性較低;是一種環(huán)境友好的可再生燃料。

生物柴油的缺點:燃燒效果差。生物柴油的粘度約為#2石化柴油的12倍，影響噴射時程，導致噴射效果不佳。由于生物柴油的低揮發(fā)性，造成燃燒不完全，影響汽車燃燒效率;制取生物柴油的成本較高;消耗大量耕地資源。

(3)太陽能。太陽能資源豐富，隨處可得，無需運輸，對環(huán)境無任何污染，是未來汽車能源的發(fā)展方向。

目前，制約太陽能汽車發(fā)展的主要障礙:一是汽車的動力常受時間、地點、季節(jié)、氣候影響;二是太陽能的采集與轉換效率難以滿足汽車高速行駛所需要的足夠動力;三是太陽能電池板造價昂貴。

3.性質不確定能源

(1)燃料電池。燃料電池是直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的一種裝置。燃料電池常用的燃料有氫、天然氣、甲醇等，常用的氧化劑有氧氣、空氣。

燃料電池的優(yōu)點:潔凈、污染低。純氫和氧結合的燃料電池，可實現零放排。以甲醇、天然氣為燃料的燃料電池汽車造成的大氣污染僅為內燃機汽車的5%;燃料電池能量轉換效率較高;噪音低。燃料電池屬于靜態(tài)能量轉換裝置，除了空氣壓縮機和冷卻系統(tǒng)以外無其他運動部件，噪音小;燃料多樣化。燃料電池所使用的燃料可以是氫、甲醇、天然氣，也可以是丙烷、汽油、柴油、煤以及可再生能源;利用生物制氫、水制氫的燃料電池可實現能源再生化。

燃料電池的缺點:成本高。質子交換膜電池中的膜材料和催化劑均十分昂貴;燃料的質量不過關。質子交換膜燃料電池必須使用沒污染的氫燃料，而目前純凈氫的制取技術還存在困難。

(2)電能。以電能為動力的汽車分為三種:純電動汽車(BEV)、燃料電池電動汽車(FCV)和混合動力電動汽車(HEV)。純電動汽車是指以車載蓄電池為電源，用電動機驅動的車(本文中的電動汽車指的是純電動汽車)。

電能是一種潔凈能源，電動汽車完全可以實現零排放、無污染，但是，目前的電能還不屬于可再生能源，主要是因為電能還有相當一部分是通過煤炭、石油等化石類能源轉換而來。

電動汽車的優(yōu)點:潔凈無污染。目前，只有電動汽車完全符合零排放，而且電動汽車噪音很低;電能是取之不盡、用之不竭的能源。如果用再生能源(太陽能、水能、風能、生物質能、潮汐)發(fā)電，電能可永續(xù)使用;電能的利用技術成熟。人類利用電能已有很長一段歷史，遍布全國的電網可為電動汽車的充電帶來極大的方便;電動汽車結構簡單，維修方便。

電動汽車的不足:電池性能還無法滿足電動汽車產業(yè)化的要求。目前，電動汽車的蓄電池主要有:鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等。鉛酸蓄電池比能量低，質量和體積太大，一次充電行駛里程較短，且壽命短，污染嚴重;鎳鎘蓄電池中的重金屬鎘對環(huán)境有污染;鎳氫蓄電池有高溫使用電荷量急劇下降的缺點;鋰離子的問題是安全性和穩(wěn)定性，此外，大功率鋰電池存在技術難度;價格昂貴。蓄電池的價格是目前制約電動汽車產業(yè)化的障礙;電池充電時間長，蓄電能力有限;動力性差;電能還沒有解決完全可再生和無污染問題。電能的生產還大量依賴煤炭、石油等不可再生資源，此外，汽車廢棄蓄電池還有污染問題。

(3)氫能。氫是自然界存在最普遍的元素，在自然界中多以化合物形態(tài)出現，主要貯存于水，特別是海水中富含大量的氫，石油、天然氣、煤炭、動植物體也含氫。氫的發(fā)熱值是所有燃料中最高的，而且燃點高，燃燒速度快，是十分優(yōu)質的二次能源。以氫氣為能源驅動汽車，主要有三種方法:汽車攜帶貯氫罐，以氫氣在發(fā)動機中直接燃燒產生動力;汽車電池放電電解出氫作燃料;以氫作燃料電池的燃料，用電力驅動汽車。

氫能的優(yōu)點:氫是潔凈能源。氫燃燒非常清潔，除生成水和少量氮化氫外不會產生其他對環(huán)境有害的污染物質;氫是高效燃料。每公斤氫燃燒產生的能量為33.6kW·h，是汽油的2.8倍;不需要對現有的技術裝備作重大的改造。現在的內燃機稍加改裝即可使用氫。

氫能的缺點:廉價的制氫方法是氫能利用的一大障礙。目前，氫的制取需要大量能量，而且制氫效率很低;氫的安全性能差。氫氣是一種無色無臭的氣體，而且著火界限寬、著火能低、燃燒速度快，容易引發(fā)火災及爆炸。此外，氫特別容易泄漏，加油站、管道和純化工廠很難完全消除泄漏隱患。

三、發(fā)展我國汽車新能源的思路

汽車產業(yè)在整個工業(yè)體系中占有核心地位，汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略不僅關系到汽車產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且對于整個工業(yè)的發(fā)展方向具有舉足輕重的作用，因此，我們還需要從產業(yè)技術體系角度考慮汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略。

產業(yè)技術體系是指在工業(yè)生產部門各個產業(yè)領域所使用的各種產業(yè)技術，因其生產過程中的必然聯系而構成的統(tǒng)一的有機整體。產業(yè)技術體系中的產業(yè)技術因其在生產部門生產過程中的影響范圍和程度不同而分為源技術、主干技術、旁支技術三個層次。其中，源技術是最核心的、最具影響力的技術，它決定整個工業(yè)部門產業(yè)技術體系的性質和本質特征，決定了工業(yè)部門內部其他產業(yè)部門核心技術的產生、變革和地位。而主干技術是在源技術之下，直接與源技術配套的工業(yè)部門內部各產業(yè)技術，它們只是對一個或幾個工業(yè)部門有重大作用。而旁支技術則是為主干技術服務的、處于次要地位的各產業(yè)技術。

人類歷史上的歷次產業(yè)技術革命都因產業(yè)技術體系中的源技術發(fā)生重大變革，推動產業(yè)技術體系中各層次的產業(yè)技術逐步改變，最終導致整個產業(yè)技術體系發(fā)生變革。第一次工業(yè)技術革命正是因蒸汽機的出現，導致人類生產的重心從農業(yè)轉向工業(yè);第二次工業(yè)技術革命由于內燃機和電力技術的發(fā)明，使人類生產走上了重化工業(yè)道路，也導致今天的資源危機和環(huán)境惡化;以微電子、新材料、新能源、生物工程、航天技術、海洋技術等為代表的第三次工業(yè)技術革命，并沒有改變第二次工業(yè)技術革命所奠定的重化工業(yè)技術體系性質，卻使消耗不可再生資源、污染環(huán)境的重化工業(yè)技術體系加速發(fā)展。今天，人類經濟社會面臨的生存危機，在本質上是產業(yè)技術體系性質造成的，是迄今為止歷次產業(yè)技術革命都在產業(yè)技術開發(fā)與應用上忽視了人與自然的關系，從而導致產業(yè)技術體系各層次的產業(yè)技術都消耗不可再生資源、排放污染環(huán)境的廢棄物造成的。

當前的產業(yè)技術體系還屬于重化工業(yè)技術體系。重化工業(yè)技術體系中的源技術——電力技術和內燃機具有消耗不可再生資源、破壞環(huán)境的性質，帶動了汽車、鋼鐵、能源、化工、機械加工等主干技術以及旁支技術也具有同樣的性質。因此，要實現人與自然和諧相處，必須從根本上針對重化工業(yè)技術體系的源技術——電力技術和內燃機進行革命。

傳統(tǒng)的內燃機是直接建立在石油、天然氣等不可再生能源結構上的工業(yè)動力，是現代大工業(yè)各種產品生產的母機。汽車發(fā)動機是內燃機最突出的代表。汽車不僅是不可再生資源主要消耗者，也是城市環(huán)境惡化的主要元兇，此外，汽車產業(yè)更是在整個產業(yè)技術體系中關聯最多的產業(yè)。因此，汽車潔凈能源的開發(fā)應朝著改變傳統(tǒng)的內燃機技術，使其由消耗不可再生資源、污染環(huán)境向使用可再生資源、對環(huán)境無害的方向發(fā)展，以推動整個產業(yè)技術體系向生態(tài)化變革，從而實現可持續(xù)發(fā)展的目標。因此，未來汽車的新能源應具備如下條件:

第一，新能源必須是可再生資源。不可再生資源終究會枯竭，用較豐富資源替代緊張資源只能作為短期權宜之計。

第二，新能源必須是潔凈的。新能源不應對環(huán)境產生任何污染，應完全實現零排放。

第三，新能源有利于變革傳統(tǒng)的內燃機技術。變革傳統(tǒng)的消耗不可再生資源的內燃機技術不僅對于汽車產業(yè)發(fā)展有利，也會推動整個產業(yè)技術體系向可持續(xù)發(fā)展的方向努力。

四、我國汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略

綜上所述，我們認為電能是汽車未來最佳的能源。但是，用電動機取代目前廣為使用的傳統(tǒng)內燃機不是一蹴而就的事情，因此，汽車新能源的發(fā)展戰(zhàn)略還需要分階段實施。

1.用電動機取代使用化石類能源的傳統(tǒng)內燃機可作為遠期終極目標

選擇電能作為汽車未來能源的理由是:第一，電能是完全潔凈的能源，電動汽車完全可以實現零排放;第二，電能完全有可能轉變?yōu)榭稍偕茉础１M管目前電能還不是可再生能源，但是隨著太陽能發(fā)電、風能發(fā)電、生物質能發(fā)電、潮汐發(fā)電等的普及，電能會迅速轉變成可再生能源;第三，有利于產業(yè)技術體系變革。傳統(tǒng)內燃機被電動機取代，將導致化工、石油、煤炭等行業(yè)逐步萎縮，而太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、生物質能發(fā)電以及潮汐發(fā)電等產業(yè)將得到大力發(fā)展。層層推進，可推動整體產業(yè)技術體系發(fā)生變革，有望改變重化工業(yè)技術體系消耗不可再生資源、污染環(huán)境的本質。

2.發(fā)展燃料電池汽車是中期目標

將燃料電池汽車作為中期發(fā)展目標的理由是:第一，燃料電池汽車技術已相當成熟，極有可能先于電動汽車進入市場。近幾年，世界各大汽車公司都紛紛推出以氫或甲醇為燃料的燃料電池汽車;第二，燃料電池汽車有利于環(huán)境保護和節(jié)省能源。氫燃料電池可實現零排放，即使使用其他燃料(如甲醇)的燃料電池汽車也是常規(guī)汽車排放的30%。另外，燃料電池能效高有利于節(jié)省能源;第三，燃料電池完全可能實現由不可再生能源向可再生能源的轉化。水解氫燃料電池可以實現資源的循環(huán)使用，因為氫與氧的燃燒產物就是水，水可以循環(huán)使用，取之不盡，用之不竭。另外，可利用太陽能、風能、潮汐能等可再生能源制氫，實現能源可再生化。目前，制約燃料電池成為可再生能源的是水解氫的制取技術，但是，甲醇等燃料電池技術的使用與推廣，可為氫燃料電池的發(fā)展奠定良好的基礎。第四，燃料電池汽車發(fā)動機是傳統(tǒng)內燃機的變革，可為電動機最終取代傳統(tǒng)內燃機提供經驗。

盡管，目前的甲醇燃料電池、通過煤或天然氣制取氫的燃料電池與我們所倡導的能源的可再生化發(fā)展方向違背。但是，只要太陽能、風能、潮汐能發(fā)電技術、水解氫技術一旦成熟，燃料電池實現可再生能源的目標就十分容易。因此，我們將燃料電池作為中期發(fā)展目標。

3.液化天然氣汽車可作為短期發(fā)展目標

液化天然氣(LNG)屬不可再生資源，不符合能源的發(fā)展方向，也與我們的倡導的終極目標相悖。我們將其作為短期發(fā)展目標的理由是:第一，液化天然氣有助于解決汽車尾氣的嚴重污染問題。液化天然氣與汽油、柴油相比，更潔凈環(huán)保;第二，液化天然氣有助于解決目前的石油緊張問題。我國的天然氣儲量較石油豐富，而且天然氣的探明儲量在不斷增加。此外，使用液化天然氣不受天然氣管網限制，可充分利用世界天然氣資源，這對于我國的能源安全有利;第三，液化天然氣使用技術與現存的內燃機技術銜接較好。

但是，天然氣資源是不可再生資源，長期過量開發(fā)與使用將會導致與石油資源一樣的命運。因此，發(fā)展液化天然氣汽車只可作為短期發(fā)展戰(zhàn)略。

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