替代能源动力汽车：电动车的前景与影响

“替代能源动力汽车”这一概念，是相对于传统汽油车和柴油车而言的，是指用非汽油和非柴油燃料发动机或新能源作动力替代或部分替代传统内燃机（汽油机和柴油机）作动力的汽车。这种替代能源动力汽车应具有良好的节能和环保效果。

发展替代能源动力汽车，一种途径是探索针对汽车动力的完全创新，从根本上改变发动机的工作原理，以更低的能量消耗获得更高的动力性能。在这一途径上，最具前景的是电动车，包括燃料电池车、蓄电池电动车、太阳能电动车以及混合动力电动车等。第二种途径是用更便宜、更充裕、更洁净的动力燃料替代汽油和柴油，如使用乙醇、天然气和生物柴油等。

下面重点对替代燃料汽车和电动汽车进行介绍。

1.替代燃料汽车

替代燃料汽车（Alternative Fuel Vehicle，简称AFV）所用的替代燃料分液体和气体两大类，液体替代燃料主要有甲醇、乙醇以及生物柴油等，气体替代燃料主要有氢、二甲醚、液化石油气及天然气。

（1）氢燃料汽车　氢无疑是最受争议，但也是最有前景的替代燃料。氢是宇宙中最丰富的物质之一，它的储量是无穷无尽的。但是，氢气并不是一次能源，它只是一种能源载体。由于自然界并不存在自由状态的氢气，因此需要消耗大量的电能电解水或其他途径才能获得氢气，在使用中还需要将其压缩或是转换为液态。氢燃料汽车的突出优点是接近零排放和燃料来源的多样性。

图4-53　宝马氢气跑车

氢不仅适合于用在燃料电池中，也可以直接用作内燃机的燃料。氢的燃料热值大约是汽油的3倍，但燃烧所需的空气也约为汽油的3倍，如果计及氢本身所占体积，则氢气的混合气热值并不高。因此，直接使用气态氢会大大降低发动机的动力性能。一般是通过在进气或压缩过程中向缸内直接喷射液态氢才会大幅度提高氢发动机的动力输出。在经过25年的不懈努力后，宝马公司的V12燃氢H2R跑车（图4-53）打破了氢动力车的时速世界纪录（大约300km/h）。V12燃氢发动机还用于宝马7系列轿车。继宝马公司之后，马自达公司也开始研究氢燃料在常规发动机上的应用技术。马自达公司RX—8双门跑车上的转子发动机也有其独特优势，即只需进行微小的改动即可燃用氢燃料。这种发动机燃用氢燃料时，不像往复活塞式发动机那样容易发生回火。

氢的问题主要是生产和运输。如果氢是用石油或天然气作为原料生产，那么生产氢所需的能量比生产汽油或柴油的要高。所以，汽车公司主要关注使用再生能源来生产氢。宝马公司认为太阳能、核能可以考虑用于生产氢。通用公司认为，一半的氢会从天然气中获得，另一半则会从可再生能源中获得，比如水能、核能。现在欧洲氢的年产量是180万吨，只需要90万吨就可以给450万辆氢动力车提供足够的能量。

但是氢运输的问题还很难解决，尤其是氢需要新的独立的基础设施，而这需要大量资金的投入。液态氢可以通过管道运输，但是把它的温度降到-235℃并且保持这个温度却很难，而气态的氢即便是在250个大气压下的能量密度仍然太低，与运输汽油相比，运输压缩氢气需要10倍的载货汽车数量，即使是在密封罐里，氢气也很容易挥发，因为氢气的分子体积太小，容易通过罐壁大分子之间的间隙挥发出去。

专业厂家如德国的Linde和法国的Air Liｑuide公司已经开始氢的配送。有的专家认为，因为一半左右提供燃料电池和氢技术的厂家不属于汽车行业，氢作为汽车用的替代能源会改变汽车工业现状并且创造新的工作岗位。

（2）生物燃料汽车　生物燃料（Bimass Fuel）属于可再生能源，是太阳能以化学能形式储存在生物中的一种能量形式，直接或间接地来源于植物的光合作用，是以生物质为载体的能源。生物质燃料来源广泛，可以从薪柴、农林作物、农作物残渣、动物粪便和生活垃圾等获得。生物燃料蕴藏量极大，据估计，仅地球上的植物每年可生产的生物燃料量，就相当于目前人类每年消耗的矿物能的20倍。未来主要的生物燃料有生物柴油、生物乙醇和生物甲醇等。近年来，由于原油价格高涨，美国、德国和法国等国家大力发展生物柴油和乙醇等生物燃料，以减轻对原油的依赖。

据英国《经济学家》周刊报道，美国用玉米生产的乙醇年产量正以30%的速度增长，德国的生物柴油产量年均增长40%～50%，法国2007年乙醇和生物柴油的产量比2005年提高2倍。另外，加拿大、英国和芬兰等也都在建设或计划建设大型生物燃料厂。尽管生物燃料的产量与石油等矿物燃料相比仍很小，但生物燃料的时代已经到来。

生产生物燃料的原料包括动物脂肪、油料、废弃烹调油、糖类作物以及谷物等。20世纪30年代，生物燃料在一些地方开始小规模使用。在20世纪70年代第一次石油危机爆发后，欧美国家和南美的巴西等国开始重视发展生物燃料。现阶段，生物燃料通常与普通汽油和柴油按一定比例混溶后供汽车使用，如欧洲使用的B5柴油中含有5%的菜籽油提炼的生物柴油，美国使用的E10汽油含有10%的乙醇。也有一些地方使用的混合燃料中含有更高比例的生物燃料，如美国有一种E85乙醇汽油，其中乙醇的含量达70%～85%。

欧美国家出于环保和能源安全等方面的考虑，对生物燃料的使用提出了具体目标，并提供补贴以刺激生产和消费。美国2005年3月提出的一项联邦法案要求，到2012年生物燃料的使用量要达到80亿gal（1gal约合3.39L），比2005年的产量高出近1倍。欧盟2003年要求各成员国立法，规定到2005年生物燃料在汽车燃料消费中所占比重达到2%，2010年进一步达到5.75%。美国联邦政府目前给予每加仑乙醇51美分的减税，一些州还另外给予减税。德国很早就开始对生物柴油免征燃料税。英国政府今年将对生物燃料的补贴范围从生物柴油扩大到乙醇。法国政府也提高了可享受补贴的生物燃料的产量额度。

生物燃料也引起不少发展中国家的兴趣。早在2003年，印度农民就开始种植一种名为麻风树的植物，这种植物的果实如同榛子大小，含油量高达80%，通过压榨、提纯后产生一种清澈的金黄色液体。经过德国戴姆勒—克莱斯勒公司实验室检测证明，这种麻风树籽油几乎在各个方面都明显胜过传统的柴油，特别是它的硫含量非常低，燃烧时没有气味，几乎不产生炭黑。

（3）天然气汽车　从替代燃料汽车的技术发展和产业化进程来看，天然气燃料汽车是开发程度最高的，超过了其他代用燃料汽车。从资源方面看，天然气供应也是可靠的。根据1997年世界石油大会资料，根据当时年产量，世界剩余石油可采年限是49年。天然气的储量是石油的80%，但由于天然气的生产量少于石油，仍可维持开采65年。天然气不仅仅是一种可能的代用燃料，而且作为未来长期使用的运输用能源已经为人们所接受。

天然气汽车（Natural Gas Vehicle，简称NGV）包括压缩天然气汽车（Compressed Natu-ral Gas Vehicle，简称CNGV）（图4-54）和液化天然气汽车（Liｑuified Natural Gas Vehicle，简称LNGV）。压缩天然气汽车是将天然气压缩至20MPa充装于汽车用压缩天然气储气瓶中，经减压器减压后供给发动机燃烧的天然气汽车。液化天然气汽车是将天然气在-162℃低温下液化后，储存于液化天然气储气罐中，经汽化后供给发动机燃烧的天然气汽车。由于液化天然气汽车所需的绝热储气瓶尚未商品化，因而目前天然气汽车主要采用压缩天然气作为燃料。天然气也可以通过一定的炼制工艺（Fischer Tropsch）转换为液体燃料汽油或柴油使用，即所谓的“Gas To Liｑuid”燃料，简称GTL燃料。

图4-54　五十铃天然气汽车（正在加气）

天然气汽车的突出优点是：汽车发动机不必做大的改动就可直接使用，而且在低温状态下的冷起动性能优良。由于天然气的主要成分是丙烷和丁烷，它们在发动机内可以充分燃烧，不易产生积炭，不会稀释润滑油，发动机内部零件的磨损大大减少，足以成倍提高发动机的寿命和润滑油的使用期限，从而降低汽车保养和运行费用，有效提高汽车使用的经济性。不仅如此，天然气的价格还比汽油便宜，仅相当于汽油的一半。有关专家认为，天然气汽车是最具推广价值的低污染汽车，尤其适用于城市公共交通和出租汽车使用。

压缩天然气汽车在很多国家（包括我国）已经非常流行。天然气一个很大的优点是，它含有相对较少的碳，因此会产生较少的CO₂排放。产生同样多的能量，天然气造成的CO₂排放是传统油料的75%～80%。有的专家估计，到2020年，一半以上使用替代燃料的车辆会使用天然气或是天然气的液化产物，如GTL。

（4）液化石油气汽车　液化石油气（Liｑuified Petroleum Gas，简称LPG）是一种无色气体，它的来源是石油开采过程中的石油气，是炼油厂加工过程中的副产物，其主要成分是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯以及少量不易液化的乙烯和少量不易气化的戊烷。液化石油气氢含量大，硫、氮等杂质少，不含芳香烃，燃烧完全、热值利用率高。通过在城区适当位置安排建设一定数量的加气站，液化石油气将成为城市公共汽车和出租汽车的理想燃料，有利于减少车辆有害物排放对环境的污染。

液化石油气在常温条件下，压力约1.6MPa就可由气体变成液体，能比较方便地储藏在高压气瓶中。液化石油气在压力小的情况下又容易转变成气体，所以使用很方便，容易起动、燃烧完全，燃烧后排气中的CO和HC等有害物质就会大为减少。据测定，汽车发动机使用液化石油气与使用汽油相比较，尾气中CO可减少80%左右，HC可减少50%～70%，发动机运行平稳，使用寿命可延长1倍以上。可见，汽车改用液化石油气作发动机燃料，对改善城市空气质量效果十分显著。图4-55所示为LPG大客车。

图4-55　LPG大客车

2.电动汽车

电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。1837年，英国人罗伯持·戴维逊制造了第一辆有实用价值的电动汽车，电能的来源是蓄电池，这辆电动车比卡尔·本茨发明的汽车还早近50年。然而，由于当时的技术水平和社会环境所限，电动汽车没有发展起来，但燃烧汽油的内燃机汽车发展得却很快。随着世界汽车保有量迅速增加，尤其是在发达国家的大城市，内燃机汽车尾气排放的有害物质便成为第一大环境污染源。汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重的威胁，再综合能源安全问题的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。如1993年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作计划”（PNGV），由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。

电动汽车分为纯电动汽车和混合动力电动汽车两大类。其中纯电动汽车根据产生获得电能方式的不同，又可以分为蓄电池电动汽车、燃料电池电动汽车以及太阳能电动汽车等。

（1）蓄电池电动汽车　蓄电池电动汽车的关键是电池，要想在较大范围内应用这种纯电动汽车，就要依靠先进的蓄电池。经过10多年的筛选，现在普遍看好的是镍氢电池、锂离子和锂聚合物电池。

镍氢电池单位重量储存能量比铅酸电池多1倍，其他性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的4～5倍。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为铅酸电池的4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。电动汽车其他有关的技术，近年来也都有了巨大的进步，如交流感应电动机及其控制，稀土永磁无刷电动机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术等，这些技术的进步使电动汽车日见完善并走向实用化。

蓄电池电动汽车的主要问题是电池的寿命短，使用成本高，电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵等。但蓄电池电动汽车仍是目前成本最低的一种电动汽车，在短距离、固定线路运输领域已得到广泛应用，如城市公交车、机场勤务车、旅游景点游览车以及校园电动交通车（图4-56）等。(www.xing528.com)

图4-56　校园电动交通车

（2）燃料电池电动汽车　燃料电池是把燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池也有多种类型，经过多年的探索，用于汽车的是质子交换膜燃料电池。

燃料电池的工作原理是：将氢气送到阴极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在阳极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过质子交换膜（PEM，即固体电解质），在阳极与氧原子的电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给阴极供应氢，并及时把水（蒸气）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。

燃料电池的优点如下。

①能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可高达60%～80%，为内燃机的2～3倍。

②不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生CO和CO₂，也没有硫和微粒排出，没有高温反应，也不产生NO_x。如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气，仅会产生微量的CO和较少的CO₂。

③寿命长。燃料电池本身工作没有噪声，没有运动性，没有振动，其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命长。

目前，燃料电池在汽车上的应用已取得重大进展，图4-57所示为燃料电池公共汽车。但要大面积商业运行，还必须解决燃料电池汽车的成本、可靠性、基础设施建设以及燃料电池原料的来源等问题。

图4-57　燃料电池公共汽车

（3）太阳能电动汽车　太阳能电动汽车（图4-58）是当今最清洁、最有发展前景的绿色环保汽车，通过太阳能电池板将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中，再通过高能蓄电池中的直流电转换成交流电，驱动永磁电动机旋转从而带动汽车行驶。

图4-58　太阳能电动汽车

太阳能电动汽车是用车载蓄电池作为动力能源的汽车，作为一种新型的绿色交通工具，它具有零排放、低噪声、能源补充来源广等优点。但因当前太阳能电池板的转换效率太低，目前只能用于短途或者行车速度比较低的场合。此外，太阳能汽车的动力供应还受天气的影响。

（4）混合动力电动汽车　混合动力电动汽车是指车上装有两个以上动力源（包括电动机驱动），符合汽车道路交通、安全法规的汽车。车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池和内燃机等。

目前所说的混合动力电动汽车，一般是指内燃机混合蓄电池的电动汽车。内燃机蓄电池混合动力系统如图4-59所示。

混合动力电动汽车的优点如下。

①采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，使内燃机处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率时，由电池来补充。负荷小时，内燃机富余的功率可发电给电池充电。由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。

图4-59　内燃机蓄电池混合动力系统

②因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时以及怠速时的能量。

③在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。

④有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖以及除霜等纯电动汽车遇到的难题。

⑤可以利用现有的加油站加油，不必再投资。

⑥可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

混合动力电动汽车有3种基本的工作方式，即串联式、并联式和混联式。

混合动力电动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术难度高，价格较高。

图4-60　丰田PRIUS混合动力电动汽车

经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力电动汽车“PRIUS（先驱）”（图4-60）。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲。现在已经在全世界20多个国家上市销售。根据丰田公司的测试，PRIUS在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；在市郊节油29.7%，综合节油40.5%。混合动力电动汽车还可以降低50%的有害物排放。