掰扯掰扯能源與車輛和交通運(yùn)輸?shù)哪切┦虑?/h1>
自從電動(dòng)汽車普及開來(lái),所謂“油電之爭(zhēng)”好像就一直沒(méi)停過(guò),氫能源這個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)落地成果比較有限的方向和最近開始逐漸熱起來(lái)的合成燃料也逐漸被卷入了這場(chǎng)爭(zhēng)論
首先不管是無(wú)腦電吹還是油吹,覺(jué)得什么燃油車?yán)吓f的或者不智能的,覺(jué)得電動(dòng)汽車就是大號(hào)電瓶車沒(méi)技術(shù)含量的或者三天兩頭自燃又沒(méi)靈魂的,覺(jué)得增程混動(dòng)燒油發(fā)電多此一舉的,或者張口閉口就是什么政治國(guó)際格局什么商業(yè)誰(shuí)把誰(shuí)“干死”之類的,這些東西都是完全不著邊毫無(wú)道理的東西,任何技術(shù)路線能發(fā)展到今天并且還在繼續(xù)發(fā)展就證明有應(yīng)用空間和需求,不存在誰(shuí)把誰(shuí)徹底“干死”而只有競(jìng)爭(zhēng)和互補(bǔ),什么商業(yè)什么政策什么格局再怎么影響產(chǎn)業(yè)也不能徹底根本改變用戶實(shí)際需求和技術(shù)路線自身的特點(diǎn)
所謂“油車”,倒不如說(shuō)是僅以內(nèi)燃機(jī),或者說(shuō)熱機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛,是利用熱機(jī)將燃料燃燒放出的熱轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)行駛的車輛
“電車”,則是使用電池作為儲(chǔ)能結(jié)構(gòu),以電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛
而混合動(dòng)力,則某種意義上是上述二者的結(jié)合,既能使用電能(無(wú)論是充電還是車輛自身產(chǎn)生的)又能使用燃料作為驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行的能源
氫能源,則是利用氫燃料電池,使用氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能,再利用電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力的車輛,通常車上還會(huì)有一塊電池“暫存”電能以“削峰填谷”(當(dāng)然也有氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛,其結(jié)構(gòu)上可能更接近于上述“油車”或“混動(dòng)車”)
那么這其中所涉及的東西都有:
“油車”:儲(chǔ)存燃料的油箱(或其它形式的燃料儲(chǔ)存裝置)、發(fā)動(dòng)機(jī)(或者說(shuō)熱機(jī))、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
“電車”:電池、電控、電機(jī)
混合動(dòng)力車輛:視具體情況而定,通常最簡(jiǎn)單的增程混動(dòng)車輛有內(nèi)燃機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池、電控、電機(jī),而更復(fù)雜的混動(dòng)車輛還會(huì)包含一些機(jī)械直驅(qū)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等
氫能源車輛:氫燃料電池、電池、電控、電機(jī)
然后具體掰扯掰扯各種零部件自身的特點(diǎn):
首先,內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)二者相比,內(nèi)燃機(jī)最大的特點(diǎn)是受到熱力學(xué)第二定律的制約(即熱機(jī)不可能將所有從熱源取得的能量全部轉(zhuǎn)化為有用功而不引起其他外界變化)導(dǎo)致效率存在理論上限,而且實(shí)際內(nèi)燃機(jī)的工作特性曲線并不像電動(dòng)機(jī)那般理想,內(nèi)燃機(jī)的輸出特性與效率會(huì)很大程度上隨著工況的改變而改變(所以需要變速器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)去調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的工況);電動(dòng)機(jī)在各工況下實(shí)際效率已經(jīng)可以做到相當(dāng)高了,而且電動(dòng)機(jī)的輸出特性很接近理想中的恒扭矩-恒功率曲線。此外內(nèi)燃機(jī)還會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)與聲音,以及存在排放等問(wèn)題。
再說(shuō)儲(chǔ)能。電池?zé)o疑是目前人類使用最廣泛的電能儲(chǔ)能裝置,是一種通過(guò)電極化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化的裝置。雖然電池理論上可以達(dá)到極其高的效率,但是實(shí)際電池中存在各種非理想因素,如內(nèi)阻、電極超電勢(shì)等,且容量等特性也很大程度上受到環(huán)境的影響,如溫度等;充放電的速率也存在限制,尤其是充電過(guò)程,這是制約電池補(bǔ)能的短板之一;此外,現(xiàn)階段最廣泛應(yīng)用的鋰電池,其能量密度仍然在很多情況下存在不理想之處。
而燃料的儲(chǔ)存則也各有特點(diǎn):液體燃料的儲(chǔ)存最為簡(jiǎn)單,加注也相對(duì)容易;而氣體燃料無(wú)論是運(yùn)輸,還是加注、儲(chǔ)存等,往往都沒(méi)有那么容易,可能需要加壓液化、低溫儲(chǔ)存等手段,尤其是對(duì)于那些沸點(diǎn)較低的氣體。甚至,當(dāng)溫度高于一種物質(zhì)的臨界點(diǎn),這種物質(zhì)就無(wú)法純粹通過(guò)加壓而液化。例如氫氣,為了追求較小的儲(chǔ)存體積則只能保存在極低的溫度下液化,如果只是加壓保存則需要極高的氣壓,且體積難以過(guò)于縮小;儲(chǔ)氫合金目前成本高昂且吸附量也較為有限。這造成了氣體儲(chǔ)能方案的實(shí)際能量密度往往都不高。
燃料電池是一種效率相當(dāng)高的裝置,利用從外部供應(yīng)的還原劑與氧化劑在電極上發(fā)生電極反應(yīng)以釋放電能,相較于普通電池而言由于反應(yīng)物都是從外部供給的,所以補(bǔ)能不受制于充電速度的影響,但是其實(shí)際應(yīng)用也較為有限,因?yàn)槠鋵?duì)于工作環(huán)境有一定要求(例如溫度等)、目前電極催化劑等結(jié)構(gòu)成本高昂且壽命尚且是個(gè)未知數(shù),現(xiàn)階段燃料電池常見(jiàn)燃料——?dú)錃猓涔?yīng)相對(duì)較為受限,因此應(yīng)用場(chǎng)合暫時(shí)也不多
(為什么燃料電池車輛需要另一塊電池:因?yàn)槿剂想姵氐妮敵鎏匦圆⒉弧半S叫隨到”,所以燃料電池某種意義上像是一個(gè)“增程器”,需要電池來(lái)“削峰填谷”)
然后,再聯(lián)系一下現(xiàn)有能源體系:
化石能源占據(jù)了現(xiàn)有能源體系的半壁江山,但是石油終究不是長(zhǎng)久之計(jì)。雖然石油等化石資源的儲(chǔ)量可能比曾經(jīng)的預(yù)計(jì)要大,但是將大量?jī)?chǔ)存在化石能源中的長(zhǎng)期固化在地下的碳元素短時(shí)間內(nèi)釋放到大氣中,無(wú)疑會(huì)影響碳元素在碳循環(huán)中的平衡分布,后果是無(wú)法估量的。
電能在目前而言是相對(duì)清潔的能源,其一是風(fēng)電光伏等新興綠色發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模逐年上升,其二是即使是傳統(tǒng)的火電等發(fā)電手段,仍然可以做到更優(yōu)秀的發(fā)電效率與污染治理水平。
氫能源本身在自然界中不存在,氫能是需要消耗其他能源去制造的,而且現(xiàn)階段電解法制氫的效率并不算很高,這可能是由于電解反應(yīng)存在超電勢(shì)等因素。氫能源釋放能量后的產(chǎn)物是水,就該反應(yīng)產(chǎn)物而言并不具備污染性。
而合成燃料,雖然合成燃料仍然是有機(jī)化合物,但是其中的碳元素可以是消耗現(xiàn)有碳循環(huán)中的碳元素的,碳元素在其中的作用更像是一種傳遞能量的“載體”。在這個(gè)前提下,合成燃料循環(huán)一周的凈碳排放只需要考慮用于合成該部分燃料所消耗能量的部分所產(chǎn)生的碳排放。目前路線有電催化、光催化、生物合成等。生物合成法的前景在于,可以利用一些無(wú)法種植其他作物的土地,種植特定的作物或者設(shè)置微生物培養(yǎng)系統(tǒng),作為燃料生產(chǎn)的原料,充分利用這些地區(qū)的光熱資源;或者可以充分利用一些其他產(chǎn)業(yè)的廢料轉(zhuǎn)化為燃料。甚至,對(duì)于風(fēng)電光伏等新興發(fā)電手段,由于其電能輸出波動(dòng)相對(duì)較大,對(duì)于電網(wǎng)而言甚至可能成為負(fù)擔(dān),如果合理布置合成電化學(xué)合成燃料生產(chǎn)線,將多出的電能用于合成燃料,也許還能為電網(wǎng)調(diào)峰。
綜上所述,結(jié)合各種車輛自身技術(shù)結(jié)構(gòu)與能源體系,可以得到一些結(jié)論:
含內(nèi)燃機(jī),甚至純?nèi)剂向?qū)動(dòng)的車輛,在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)是肯定不會(huì)滅絕的。電池的儲(chǔ)能與補(bǔ)能短板在中短期內(nèi)仍然難以解決。對(duì)于有長(zhǎng)距離續(xù)航和便捷補(bǔ)能需求的應(yīng)用場(chǎng)合,燃料的作用還是不可替代,無(wú)論是純?nèi)剂向?qū)動(dòng)還是混合動(dòng)力。
混合動(dòng)力的效率是很容易做到很高的,這可能也是中短期內(nèi)最理想的驅(qū)動(dòng)形式之一。這是因?yàn)殡姎庀到y(tǒng)可以讓內(nèi)燃機(jī)一旦運(yùn)轉(zhuǎn)就直接運(yùn)轉(zhuǎn)在相對(duì)高效的工況,充分利用燃料的能量,而且還可以配備動(dòng)能回收等手段,以進(jìn)一步充分利用能量。甚至,現(xiàn)階段某些高性能車輛也會(huì)搭配以混動(dòng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步提升動(dòng)力輸出特性。
化石燃料雖然仍然是現(xiàn)階段能源體系中不可或缺的部分,但是終究不是個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì),內(nèi)燃機(jī)的燃料體系會(huì)逐漸向合成燃料方向轉(zhuǎn)化。即使內(nèi)燃機(jī)的效率并沒(méi)有那么高,但是合成燃料的應(yīng)用將會(huì)是對(duì)于現(xiàn)有燃油車體系適配最好的,也有潛力在相對(duì)可接受的成本和環(huán)保需求內(nèi)解決快速補(bǔ)能與續(xù)航的問(wèn)題。
純電動(dòng)車輛在電池技術(shù)沒(méi)有巨大飛躍之前,難以完全取代燃料能源體系,但是由于擁有更低的使用成本、更低的振動(dòng)與噪聲、更好的響應(yīng)速度、相對(duì)簡(jiǎn)單的保養(yǎng)維護(hù)流程等,在常規(guī)中短途交通運(yùn)輸出行中還是會(huì)起到較為重要的作用的。
氫能源可能更加適合那些有大量氫氣作為工業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)物的工業(yè)設(shè)施體系附近,現(xiàn)階段氫氣的制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)存與加注等等均存在較大不便之處,特別是儲(chǔ)氫設(shè)備難以小型化,還是較難以推廣。
當(dāng)然這里主要針對(duì)的是常見(jiàn)而廣泛的社會(huì)需求面,對(duì)于賽事、競(jìng)技等等領(lǐng)域可能就另當(dāng)別論了??梢钥隙ǖ氖?,在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái),各種能源形式將會(huì)根據(jù)各自的優(yōu)劣勢(shì)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都將會(huì)是各種能源形式的車輛共存。