節(jié)能環(huán)保汽車進(jìn)化論

低碳環(huán)保是當(dāng)前全球的主題。交通排放占據(jù)了全球二氧化氮排放的25%，公路交通所使用的能源占交通總能源使用量的73%，而其中輕型汽車（主要是乘用車）占了能源使用量的52%，因此，汽車業(yè)的節(jié)能減排意義重大。

目前，大多數(shù)大汽車市場的監(jiān)管機構(gòu)都要求大幅度減少汽車尾氣的二氧化碳排放，而蓄勢待發(fā)的新一輪的汽車進(jìn)化正是與汽車的排放量密切相關(guān)。

管窺節(jié)能環(huán)保汽車

發(fā)展低碳汽車，意味著要實現(xiàn)動力系統(tǒng)的電氣化，這需要經(jīng)歷幾個階段：微混合動力/起停汽車、輕度混合動力汽車、完全混合動力電動車、插電式混合動力電動車、里程擴展型混合動力電動車、電池電動汽車和燃料電池電動汽車。本文介紹“液壓混合動力”之外的一些技術(shù)發(fā)展及相關(guān)應(yīng)用，以窺探全球節(jié)能環(huán)保汽車的發(fā)展現(xiàn)狀。

【混合動力電動車】 混合動力電動車可以顯著提高燃油效率并減少溫室氣體的排放量，特別是在城市中使用時，它們還可以減少其他空氣污染物的排放量，并降低城市中的噪音水平。目前已經(jīng)有多種車型，比如豐田Prius、本田Insight、本田Jazz混合動力、雷克薩斯CT200H、保時捷卡宴S混合動力車、標(biāo)致508HYbrid4和奔馳E300B luetecHybrid等。可以說，從豐田1997年首次大規(guī)模生產(chǎn)第一代Prius至今，混合動力技術(shù)已經(jīng)確立了堅固的市場地位。2009年，Prius是日本最暢銷的汽車，而混合動力汽車也占據(jù)了當(dāng)年11%的市場份額。據(jù)報道，Prius是2012年第一季度全球銷量第三的汽車。隨著更多的車型的出現(xiàn)，混合動力技術(shù)將在全球范圍內(nèi)獲得更大的市場份額。在推出高檔的Lexux混合動力車并把Prius的范圍擴大到包括七座的同時，豐田現(xiàn)在已經(jīng)推出了混合動力版本的Auris和Yaris。2012年9月，豐田宣布它計劃到2015年底前推出21款新的混合動力車型，并預(yù)計在2013～2015年間，其混合動力汽車的年銷售量至少為一百萬臺，這大約相當(dāng)于豐田15%的汽車生產(chǎn)。

【插電式混合動力電動車】 插電式混合動力電動汽車結(jié)合了短距離時（如每天上下班）電動模式的優(yōu)勢與長距離時汽油/柴油動力汽車的優(yōu)勢（運行距離遠(yuǎn)，加油時間短）。該車在純電動模式下運行時不產(chǎn)生任何直接影響空氣質(zhì)量的污染物，同時降低噪音污染；與低碳電力結(jié)合使用時，可大大減少溫室氣體排放。但插電混合動力電動汽車購買價格明顯高于同類的內(nèi)燃機汽車。因為需要容納內(nèi)燃式發(fā)動機，一個電動馬達(dá)和一個大電池，所以它比傳統(tǒng)汽車重；而且，這可能會導(dǎo)致降低車輛內(nèi)部空間和負(fù)載能力，并增加車輛的能源消耗。雖然更大的電池的生產(chǎn)增加了插電混合動力電動汽車的碳排放，但車輛整個生命周期的整體凈排放量仍是比傳統(tǒng)的汽油/柴油動力車顯著降低。由于是混合動力，因此它非常適合那些需要很多較短距離（如每天上下班）車程，但同時還需要傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的行駛距離和公用設(shè)施的車主。目前市場上有少量的車型可購買，比如沃爾沃V60、豐田Prius插電式混合等。

【里程擴展型混合動力電動車】 與插電式混合動力電動汽車類似，該車在純電動模式下運行時不產(chǎn)生任何直接的影響空氣質(zhì)量的污染物，而且在低速行駛時能減少噪音污染；當(dāng)與低碳電力和生物燃料一起使用時，可以實現(xiàn)顯著的溫室氣體減排。同樣，與內(nèi)燃發(fā)動機汽車相比，前期的購買價格比較高。里程擴展型混合動力電動車在制造中可能會產(chǎn)生比同級別的內(nèi)燃發(fā)動機汽車多達(dá)34%的溫室氣體排放量，這主要是由于電池生產(chǎn)造成的，但車輛生命周期的整體凈排放量仍然顯著降低。全電動情況下更長的行駛距離，結(jié)合汽油/柴油擴展，使得該類車輛非常適合每天有定期的較短行程的駕駛者。當(dāng)需要長途旅行時，該類車輛有傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的行駛里程和公用設(shè)施可用。但如果推廣，則需要通過技術(shù)創(chuàng)新來降低電池成本和重量，從而讓車輛價格與替代車型接近，并且提高性能。目前有一些可選車型，如沃克斯豪爾的Ampera、雪佛蘭的Volt、菲斯克的Kama。

【純電池電動汽車】 2013年4月，Detroit Electric在上海汽車展上向公眾推出了新的高性能電動跑車SP：01。該限量版的兩座純電動跑車為電動汽車的性能和操控性樹立了新的標(biāo)桿。它的最高時速可達(dá)250公里，加速到100公里每小時只需要3.7秒，據(jù)稱是當(dāng)今世界速度最快的純電動汽車，但高昂的價格（起價13.5萬美元）使得在車展或電視節(jié)目以外的地方看到SP：01電動跑車的機會相當(dāng)渺茫。純電池電動汽車幾乎無污染，且每公里行駛成本較低。由于運動部件的減少、液體變化的需求減少和剎車片磨損的降低，需要的維修成本也比內(nèi)燃機動力車低。與汽油/柴油或混合動力汽車相比，它最大的劣勢是價格過高。中型純電池電動汽車（如日產(chǎn)LEAF）比同級別的汽油或柴油動力車要貴大約2萬美元，這主要是由于電池成本高。隨著技術(shù)創(chuàng)新和電池產(chǎn)量增加，純電池電動汽車的成本溢價可能會隨著時間的推移而減少，到2020年降至約8000美元，到2030年降至約4000美元。與汽油/柴油動力車相比，目前純電池電動車行駛里程有限（通常160公里左右就需要充電，但范圍從80～400公里不等）；在極冷或極熱條件下，行駛里程可能更有限。另外，汽車生命周期內(nèi)電池的耐用性還是個未知數(shù)。

【燃料電池電動汽車】 汽車制造商越來越擔(dān)心制造電池為動力的汽車將無法滿足苛刻的排放和燃油經(jīng)濟性標(biāo)準(zhǔn)，因此或許我們需要燃料電池電動汽車。使用氫氣作為燃料——實際上更準(zhǔn)確地說是用它作為能量載體，因為生產(chǎn)氫氣要消耗其他能源——有潛力減少溫室氣體和其他污染物的排放量，因為燃料電池電動汽車在使用階段沒有空氣污染物排放，水蒸汽是惟一的反應(yīng)產(chǎn)物。正如戴姆勒公司首席技術(shù)官Thomas Weber所言，燃料電池技術(shù)具有無排放行駛的最大潛力。美國能源部長最近對氫氣技術(shù)表示出越來越濃厚的興趣。與此同時，德國政府已經(jīng)撥款給全國可替代能源的服務(wù)站，用其提供電池充電器和氫泵服務(wù)。由于較短的加油時間和較長的行駛里程，燃料電池汽車適合于需要定期長途運行的車主。預(yù)期到2050年燃料電池電動電動車可能會占據(jù)超過30%的中型汽車市場。

2013年1月下旬，豐田和寶馬透露說計劃在氫燃料電池研究方面進(jìn)行合作。早些時候，福特、戴姆勒和日產(chǎn)宣布它們共同努力，并最早于2017年將它們自己的燃料電池技術(shù)推向市場。它們希望通過協(xié)作發(fā)出明確的信號，讓供應(yīng)商、政策制定者和行業(yè)鼓勵進(jìn)一步發(fā)展氫氣補給站和其他必要的基礎(chǔ)設(shè)施，從而使氫氣動力車大眾化成為可能。

估計目前燃料電池汽車的成本溢價約為10萬美元。隨著時間的推移，溢價會減少，預(yù)計到2030年降至4500美元左右。2012年，英國研制成功聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC），它能在較低的溫度下操作，比其它燃料電池更小、更輕，使得它們更適合用于小汽車和貨車。英國的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池系統(tǒng)可將汽車總擁有成本降到低于36美元/kW，從而讓燃料電池電動汽車足以在成本上與內(nèi)燃機動力汽車競爭。如果使用該技術(shù)，到2050年可以將燃料電池電動汽車的市場總份額從原有預(yù)期的25%提高到34%，相當(dāng)于在全球增加了200萬輛燃料電池電動汽車，這等同于300億美元的聚合物電解質(zhì)膜燃料電池市場價值，以及全球2.6億噸的二氧化碳節(jié)余。

目前還沒有可供購買的氫燃料電池汽車，但氫燃料電池汽車已經(jīng)開始試運行。例如在南加州，本田已經(jīng)向一組選定的消費者出租其FCX氫燃料電池汽車。在夏威夷，通用汽車測試了氫動力雪佛蘭汽車Equinox，該車在2010年溫哥華冬季奧運會中試用。2013年2月現(xiàn)代開始有限生產(chǎn)供公共和私人車隊租賃的車輛。豐田表示會在2015年發(fā)布燃料電池轎車，其他廠商也有類似期望。它們的目標(biāo)市場定在英國、日本、德國和美國等國家，因為這些國家已經(jīng)有了這類汽車加燃料所需的氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)計劃。

氫氣動力的待解難題

雖然有足夠的吸引力，但是氫能源自身也存在問題。

首先，氫氣不是燃料，它只是燃料傳輸?shù)囊环N方法。作為宇宙中最豐富的元素，氫氣并不是單獨存在的，它必須從其他化合物—如水或烴分子—中提取，需要其他能源。最清潔徹底的方法當(dāng)然是利用太陽光將水分解為氫和氧，或者使用太陽能電解水。這意味著要有一個可行的“氫經(jīng)濟”，太陽能的使用一定要便宜。當(dāng)然制造氫氣的能量也可以來自煤炭或核能，但其后的副產(chǎn)品必須加以處理。

新的提取氫氣的技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。例如2013年3月，瑞典隆德大學(xué)（Lund University）的研究人員開發(fā)出一種方法，可以將發(fā)電站運行中產(chǎn)生的燃燒垃圾底灰分解成氫氣。由燃燒垃圾形成的重的砂粒狀底灰經(jīng)常被用來覆蓋垃圾填埋場或作為建筑材料，由于存儲時會逐漸釋放氫氣，因此為了避免爆炸危險，這些垃圾底灰通常被放置在開放空間以確保氫氣可以逸出。這項新技術(shù)不是讓氫氣緩慢釋放到空氣中，而是在無氧環(huán)境中用水浸濕底灰使其迅速釋放氫氣，然后收集并存儲，從而將垃圾底灰變?yōu)橐环N資源。該技術(shù)不僅消除了氫氣爆炸的風(fēng)險，還降低了垃圾填埋場的壓力。研究人員估計，使用這種技術(shù)每年可產(chǎn)生200億升的氫氣，相當(dāng)于56千兆瓦時（GWh）的能量，有助于更環(huán)保的氫生成。

其次，氫的存儲運輸有問題。氫氣需要壓縮存貯，攜帶氫加壓罐相當(dāng)于攜帶炸彈，非常危險，因此必須為氫氣運輸制造一個安全的氫存儲介質(zhì)。

第三，使用氫須使用燃料電池，因此燃料電池一定要便宜，但目前用鉑作催化劑的成本相當(dāng)高。同時，為了鼓勵消費者對燃料電池汽車的大規(guī)模接受，必須有大型加氫基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，以確保車主可以方便地為車輛加氫。

核心在于電池技術(shù)

動力系統(tǒng)電氣化的進(jìn)展速度主要取決于電池技術(shù)，或者說儲能技術(shù)。如何讓電動汽車的市場占有率迅速增長，改進(jìn)電池技術(shù)和降低成本被廣泛認(rèn)為是最重要的因素之一。這需要四個方面的突破：降低成本、提高能量比（從而提高既定電池重量下車輛的行駛和性能）、提高可用的運行壽命和減少充電時間。同時，制造商必須確保最高的安全水平。由于許多鋰離子化學(xué)物質(zhì)的不穩(wěn)定性，這一挑戰(zhàn)相當(dāng)大，這也正是當(dāng)前插電式汽車的主要關(guān)注點。動力系統(tǒng)電氣化的進(jìn)展速度因素很多，有政府因素，比如樹立運輸業(yè)碳減排的長遠(yuǎn)眼光和戰(zhàn)略，確保提供必要的加油/電/氫等的基礎(chǔ)設(shè)施；有技術(shù)因素，比如降低成本并提高能源存儲（和燃料電池）技術(shù)的性能，減少車輛的能源消耗，開發(fā)加油/充電的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)等。

消費者考慮購買電動汽車時考慮的主要因素包括：所使用“燃料”（即電池等）的價格（90%）、方便充電（86%）、行駛里程（82%）、汽車使用壽命（即電池生命周期，78%）和汽車控制單元（即電池管理，73%）等。尤其電池，因為它占電動汽車總成本的比重很大，而電動汽車車主或潛在車主都還無法確定電池使用壽命有多久，折舊率如何。

雖然以電池為動力的汽車的發(fā)展讓人失望：它們依然價格昂貴、行駛里程有限、充電時間長、電池壽命不確定以及車型少等，但是，隨著電池技術(shù)的改進(jìn)，全電動汽車足以滿足那些短途的、日常行駛需求可預(yù)測的駕駛者的需求，而且更經(jīng)濟。而對于其他駕駛者，也會有一系列的選擇來滿足他們的需求，包括改進(jìn)的汽油或柴油內(nèi)燃發(fā)動機汽車、混合動力電動車、插電式混合動力電動車、燃料電池車及其他。根據(jù)KPMG的預(yù)測，到2018年，插電式混合動力車被認(rèn)為具有最大的銷售潛力，而純電動汽車的吸引力最小（KPMG，2013）。比如日本，已經(jīng)大力采用混合動力，2012年5月，所有新登記的汽車中有五分之一是混合動力車（此數(shù)字不包括微型車）。尤其是在福島核災(zāi)難之后，純電動車更加不被日本汽車業(yè)的高管看好。隨著消費者越來越適應(yīng)電子技術(shù)，他們的購買習(xí)慣很可能會改變。當(dāng)前電動車的成本高的一個解決方案是買車，但可租賃電池，目前雷諾Twizy已經(jīng)提供了這種模式。

從短期來看，預(yù)計傳統(tǒng)的汽油/柴油車仍將繼續(xù)主導(dǎo)個人交通工具。發(fā)動機技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合車輛效率的改進(jìn)，可以實現(xiàn)高水平的燃料經(jīng)濟性。同時，全混合動力技術(shù)的市場份額會繼續(xù)增加。

從中期來看，如果電池技術(shù)的突破能夠達(dá)到必要的性能改進(jìn)和成本降低，那么動力系統(tǒng)的電氣化水平將會大幅提高，越來越多的車輛會提供純電動驅(qū)動模式，插電式混合動力的車型也將增加。隨著消費者對電子動力系統(tǒng)技術(shù)的信心的增加，純電動汽車也將開始搶占市場份額。

技術(shù)的混合使得長期的預(yù)測相當(dāng)困難。插電式混合動力電動車和電池電動車（包括燃料電池汽車）取得顯著市場份額的速度高度依賴于它們相對于傳統(tǒng)汽車相比的總擁有成本。而這，將依賴于諸如油價、電池和燃料電池成本的進(jìn)一步降低，以及政府的政策。比如英國公共政策研究協(xié)會（IPPR）2013年4月發(fā)布的一份報告就呼吁政府為電動汽車建立全國范圍內(nèi)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的充電網(wǎng)絡(luò)；對電動汽車用戶設(shè)立全國性獎勵計劃，例如讓他們免費使用收費公路；它還呼吁政府本身作為汽車產(chǎn)業(yè)的主要客戶之一大力推動采購綠色汽車。