（环境工程专业论文）北京市2008年交通能源需求与环境排放分析.pdf

中文摘要 摘要：在能源日益紧缺的情况下，交通部门作为高能耗部门，特别是单位产 值的石油消耗量在所有行业中最高，由此也带来了较高的环境排放。北京作为国 际大都市，随着社会经济的稳步高速增长，人们对交通服务量的需求在不断上升 的同时也加剧了交通能源消耗和环境排放。 本文在此背景下，根据a 州能源技术模型，建立删能源技术模型月b 京市 2 0 0 8 年交通能源需求与环境排放模型，并通过运用回归分析等方法建立模型数据 库，得出北京市2 0 0 8 年不同情景下的交通能源需求与常规大气污染物及温室气体 的环境排放。模型结果表明，在调整部分个体交通服务量向公共交通转移的同时， 调整能源技术构成，发展新型可再生二次能源与节能环保技术的情景下，能源需 求最低，为2 7 3 9 0 e + 1 1 m c a l ，环境排放中，c o 、h c 、c 0 2 、s 0 2 减排率最高，相 对于基础情景分别削减了1 7 2 0 、1 4 7 8 、2 6 7 、2 3 5 。最后，本文在上述研 究基础上，得出北京交通发展较佳战略，希望能为北京市的交通发展提供一定的 参考价值。 关键词：交通发展；回归分析；a d 州能源技术模型；情景分析；能源需求；环境 排放； 分类号； a b s t r a c r a b s l r r a ( ? nw i t ht h c 如盯舒s h o r t a g ci sg e t t i n gm m s c v c r ce v e r d a y t h en a m c d e p a r t m e n t 豳ah i g he n e r g yo 曲s 啪p t i o nd 印a r t m c n th s t c d 砒t h et 叩o fa ut h e d c p a m m m sf o r l l n i t o u t p u tp e t r o l 即mo o n s 哪p t j o n ， h 弱n 臼曲u t e dh i g h 盯 吼岫c m a le m i s s i 帆b c 硒i n g ，鹤缸i n t c m a t i 蚰a lm c 仃o p o l i s ，h 够柚h i g h 盯锄d h i 曲盯d e m 柚df o r 蚰c r g y 咖s u m t i w i mi 协a l lt y p 锚o f 妇壤cn e e d ，、h 髓t h c c 锄m y i si n 吼e a d ya n dh i 曲一s p c c dg r o w t h ，w l l i c ht h 髓s e v e r c dt h c 锄v 衲衄如t a l 倒s s i o na t t h cs 锄e t i m e b 觞c d t h i sb a c k 孕n d ，1 1 1 i st h e s i sw me s t a b l i s haa i r g yt c c h n o l o g y m d d e l b c i j i n g 仃a f f i c 佃盯科d 锄锄da n d 唧i r o n m e m a l 锄i s s i o 璐m o d e li n2 0 0 8 ，i n a c 。o r d 如c cw i t ht h ca i m 如e r g yt 池o l o g ym o d c l a n df i l n h 锄o ，am o d c ld a t a b a w i ub ec r c a t c db yl i s i n gt h er e 伊嘟i o n 柚a l y s i st oc o m cu pw i t ht h ct n 街c c r g y d 锄a n da n dt h c n v 训a la i fp o n u t a n t s柚df n h o u s eg 够c n v i f 0 砌蜘t a l 锄i s s i 咖s 矗wy c a r2 0 0 8i nb c i j i n g 1 h em o d e lr c s u l t ss h o wt h a tt h em i n i m 岫e r 韶 d 锄锄di s2 7 3 9 0 e + 1 1 m c a l ，w h e ns h j f t i n gt h ei n d i v i d u a l 仃a f f i cv o l 啪ct op u b l i c 胁s p o n a t i o n ，a d j u s t i l l g e r g yt e c h 玎m o 西船，a n dd e v e l 叩i i l gn 州蜘e w a b l ee n e r g y 柚dt h c 曲e 唧- s 响g 如v 的砌c n t a l l y 衔跖d l yt e c h l l o l o g y o nt h ee n v i r o 砌吼t a l 锄i 鹃i o n 锄o u n t ，c o ，h cc 0 2 ，s 0 2h 弱t h eh i g l l e s tr e d l l c 【i o nr a t 龉t h cc o n e s p o n d i n g c i l t t i n gm t c s ，r c l a t i v ct 0t h cs t a t 惦w i t h o u tn 圮辄g g c s t c dc h 蛆g c s ，a ”1 7 2 0 ，1 4 7 8 ， 2 6 7 柚d2 3 5 ，r c ；p e c i i v d y a tt h el 鹤t ，t h i st h e s i sp m p o s e d 蛆叩t i m i z c dt r a 伍c d e v e l o p m e n ts t r a l e g yf o rb e i j i n gb a s e do nt h ea _ b 0 v es t u d y h 叩e f i l l l y ，t h es u g g c s t i o 船 j nt h i st h e s i s 伽p v i d es o m e 鹏e f i i l f c 聆n o et ot h e 雠i cd e v e l o p m 如ti nb e i j i n g k e y w o r d s ：7 i h f 龀d 钾e b p m e n t ；r e g r 幅s i o na i 吼i y s 虹；a 工m 蛐e r 酊t e c h n o i o 留 m o d e i ；s c 蚰a 咖a n a i y s i s ；e n e r 野d e m a n d ；e n v i m n m e n t a ie m i s s i o n s c l a s s n o ： 终端利用层次能源技术对应表 为便于研究，本文对终端利用层次中各种能源技术采用如下对应关系。 汽油公交车 b u s p c n d 柴油公交车 b u s d i e l 液化石油气公交车 b u s l p g 压缩天然气公交车 b u s c n g 无轨电车 t r 0 h e y 氢燃料电池公交车 b u s h 混合动力公交车 h y b r i 曲u s p c t m l 纯电动公交车 b 惦d e c t r i c 汽油出租小轿车 ( 知呻e h d l 柴油出租小轿车 c a r - d i e s e l 液化石油气出租小轿车 c a f - l p g 压缩天然气出租小轿车 c 缸c n g 汽油出租大客车 c o a c h p c t r o l 柴油出租大客车 c o a c h d i e s e l 液化石油气出租大客车 c o a c h - l p g 汽油小轿车q * p e t m l 柴油小轿车c a r - d i 铬e l 液化石油气小轿车 c a r - l p g 压缩天然气小轿车c a 卜c n g 纯电动小轿车 c 扣c l e c t r ! i c n y ； 混合动力小轿车 h y b r i d c a r - p c t r o l | 垫芝竺芝霹蔓一一唑一一、 柴油货车5 一 m c k d i e s c l 、l 城市轨道m r t 内燃机车l o c o m o t “r e s d i e s e l 电力机车 l o c o m o 【i v e s c l c c n 记 动车组e m u 磁悬浮列车 m a 百c v i h i n 使用航空煤油的航空飞机 a i i p l a n e - a v i a t i 伽k c 喀c n c 使用氢燃料的航空飞机 a i r p l 柚c h 致谢 本论文的工作是在我的导师鲁晓春教授的悉心指导下完成的，鲁晓春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 鲁晓春老师对我的关心和指导。 鲁晓春教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向鲁晓春老师表示衷心的谢意。 鲁晓春教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，宋伟峰、王晓燕、刘春英等同学对我论文中 的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 研究背景 1 引言 2 0 0 6 中国能源发展报告指出：人口众多、人均资源不足是我国的基本国 情。多年来，依赖大量资源消耗，推动中国经济的增长，与此同时，经济增长的 代价是：资源消耗过度、环境破坏严重。我国的能源问题日益显著。一方面，能 源消费需求十分强劲。2 5 年我国的能源消费总量达到2 2 2 5 亿吨标准煤，如果 按照年均3 的能源消费增长率，到2 0 2 0 年，能源消费总量将达到3 5 亿吨标准煤。 另一方面，能源生产缺乏增长空间，不得不进口更多的能源。目前，煤炭、天然 气和水电基本上可以达到自给，能源供求缺口主要集中在石油上我国在1 9 9 3 年 由石油出口国变为进口国，2 0 0 3 年成为世界第二石油消费大国，当前石油进口依 存度高达5 0 。在面临能源瓶颈制约和环境破坏的条件下，中国经济发展中的各 项建设项目都必须坚持节能、高效、可持续发展的原则【n 。 交通运输业是高能耗产业，特别是单位产值的石油消耗量在所有行业中最高。 在交通运输方式中，航空能耗最高，公路次之，高速铁路第三，水运能耗最低1 2 】。 就北京而言，随着城市化进展、人口增加、社会经济稳步高速发展，人们对交通 运输的服务量在不断上升，从而加剧了交通能源需求量和环境排放。在公路运输 方面，北京的能源消耗主要是汽油、柴油、天然气等。铁路运输方面，主要消耗 柴油和电能，近年来，电能的比重有所增加。航空运输方面，基本消耗的是航空 煤油。可以看出新型清洁能源和可再生二次能源如生物质能、氢能、电能等还未 得到较好的应用和发展1 3 】，北京的交通运输能耗主要集中在石油产品和煤等传统能 源上，能耗高，对环境的污染严重。据报道，北京机动车交通的c 0 2 和h c 分担 率分别为6 3 3 6 和7 3 5 4 ，尤其在非采暖期，两者的排放分担率达8 0 左右。氮 氧化物的排放分担率大约为2 2 ，采暖期则达到5 0 。在运输能耗不断增加、能 源相对短缺、环境破坏的问题下，优化交通发展模式，发展节能型交通运输工具 和清洁能源显得尤其重要【4 j 。 北京正在准备2 0 0 8 年奥运会，同时北京已经将未来发展目标设定为国际一流 大都市。国际上许多城市的发展经历表明，未来交通发展模式将对实现这些目标 产生重大影响1 5 1 。所以结合北京的发展目标，国际类似城市的发展经验，以及交通 技术的发展趋势分析北京市2 0 0 8 年交通运输发展及其能源需求和环境效益是非常 必要的。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代中期，由于能源供应安全问题受到各石油进口国的高度重视， 诞生了一系列用来研究能源规划及预测能源供应和需求的模型，大体可分为两类。 第一类是自顶向下模型( t o p d a w n m o d e l ) 。它是以经济学模型为出发点，以 能源价格、经济弹性为主要的经济指数，集中地表现它们与能源消费和能源生产 之间的关系，主要适用于宏观经济分析和能源政策规划方面的研究。典型的代表 是基于一般均衡理论的c g e 模型等。这类模型比较适合于对市场体系比较完善的 宏观经济进行模拟，而我国目前正处于由计划向市场经济过渡的特定时期，市场 平衡机制不十分完善，在这种情况下利用自顶向下模型得到的模拟结果可能和实 际情况相差较大。 第二类是自底向上模型( b 眦t 咖u p m o d e l ) 。它是以工程技术模型为出发点， 对以能源消费和能源生产过程中所使用的技术为基础进行详细描述和仿真，并以 能源消费、生产方式为主进行供需预测及环境影响分析的模型。自底向上模型目 前的开发方向有两个：一是以能源供应、转换为中心，用于分析高效能源技术的 引入及其效果的模型，以国际能源署正a ( i n t 啪a t i a ie n e r g y a 薛n c y ) 为核心开 发的m a r 勋气l 模型和欧盟开发的e f o m 模型为代表；二是以能源需求、消费为 分析对象，对各部门由于人类活动变化所引起的能源需求和消费方面的变化进行 详细分析计算的模型，通常叫做“终端能源消费模型”。这种模型以法国的m e d e e 模型和瑞典斯德哥尔摩环境研究所( t h es t o c l d l o l me n v i 枷m e n th s t i t u t d 开发的 u l a p 模型为代表。 m a r l l 模型是以技术为基础的能源市场分配的长期动态线性规划模型。该 模型创立于2 0 世纪7 0 年代末，踟年代初e t s 触v 认开始研究m a r 豇札模型， 经过2 0 多年的发展，m a r l 模型己被全球3 7 个国家的7 7 个研究机构广泛应 用。由于m a r k a i ，模型是能源系统模型，所以主要用于研究国家级或地区级的能 源规划和政策分析。m a r 豇札模型的研究方法主要是运筹学的多目标规划理论和 混合整数规划方法，一般包括费用函数、安全函数、斜率函数、环境函数、核能 函数、化石能函数、非再生能源函数和可再生能源函数，其约束方程共有2 1 类， 如各种能源载体的平衡约束、系统总投资增长约束、电量平衡约束等。 b a r r y n a u g l l t e n 应用m a r & 扎模型研究在澳大利亚竞争激烈的电力市场中，天然 气循环发电技术与煤炭发电竞争的优势及其在整个能源部门中的地位。d o l f g i e l c n 等应用m a r 地模型研究了2 0 0 0 2 0 2 0 年上海能源系统温室气体减排的最优策 略。o s a t o 等应用m a r k a l 模型分析了1 9 9 0 2 0 5 0 年日本c 0 2 减排的潜力，并 确定了未来日本的主要能源和能源技术选择。e r i c d l a 娼帆等在m a r k a l 模型的 2 基础上建立了中国能源系统模型，研究了在保证社会、经济的发展，同时确保能 源供应安全和环境的可持续发展的前提下，不同情境的中国未来的能源技术战略。 b r 如6 n 等应用m a r 勋l 模型描述欧盟5 个瑞典语国家的能源系统，通过 a 口( m b i n c dh 龃t 柚dp o w e f ) 技术与其它发电技术的比较，进而评价不同技术在发 电领域发挥的作用。i e a p 模型是静态能源经济环境模型。以能源需求、消费和环 境影响为研究对象，通过数学模型来预测各部门的能源需求、消费及环境影响。 该模型实现了对能源消费系统的仿真，通常称为“终端能源消费模型”。b l c i g u o 应用i e a p 模型研究了未来中国能源系统的发展情景及能源需求。a m i t k n m 缸等 应用l e a p 模型对不同情景下，越南能源系统中各种生物能技术对a d 2 的减排效 果和潜力进行评价。h 0 c 五l l l s h i l l 等应用u 溘p 模型分析了韩国增加天然气发电容 量对能源市场、发电成本和温室气体排放的影响。r a n i 姐k l 蚰a r b o 辩等应用i e a p 模型和环境数据库分析了影响印度德里交通部门能源消费模式和排放标准的因素， 并预测了总的能源需求和交通工具( 不包括货车) 的尾气排放量。b k b a l a 针对 孟加拉国农村生物能的传统燃烧方式的弊端，应用u a p 模型研究了农村能源的 供应和需求状况，并评价了其对全球气候变暖的影响。1 9 9 9 年，r a n j 卸l 沁m a rb 雠 教授利用u 0 蟑模型研究在满足印度四大城市交通运输需求时交通部门的能源需 求与环境排放，该研究分析了在发展不同的交通出行以及使用替代燃料时，各城 市的节能以及减排潜力。同年，国家发展与改革委员会能源研究所朱松丽、姜克 隽根据北京市交通现状以同样的方法，利用i e a p 模型研究了北京城市客运交通 未来的能源需求与环境排放。但是，对于u 0 蟑模型，以能源需求、消费为焦点， 分析评价效率更高的技术的引进和普及的“终端能源消费、能源技术模型”的开 发目前还很落后嘲。日本国立环境研究所( n 乱i 伽i a lh t i t l l t ee n v i 埘蚰e n t s t u d i 鼯j q 玎巳s ) 为主开发的a l m 模型在这一领域进行了开拓性工作，并己在亚太地 区多个国家使用。a i m 能源终端消费模型关注的是能源相关技术，以技术替代为 中心，用反映能源消费变化的求总方式进行计算。因而，能够对个别具体的政策 的有效性进行评价，并可评价各种政策组合后的效果。另外能源需求模型与技术 选择模型相连接，可以对某个技术引进的不同情况下的能源效率提高进行预测。 国家发展与改革委员会能源所于1 9 9 4 年起开始与日本国立环境研究所开始就 刎，中国排放模型进行研究，建立了中国伽m 排放模型，之后对该模型进行了扩 展，如对全国未来能源需求和c 0 2 排放进行了简化分析、根据一些行业情况定义 了新的情景以进行更具体的分析等【7 l o 1 3 主要研究内容及目标 3 本文对于北京市交通的研究包括公路、铁路、航空三个部门。笔者根据国家 发展与改革委员会能源所开发研究的a i m 排放模型中的主要组成部分一a i m ， 能源技术模型，以2 0 0 5 年为基准年，构建舢m 能源技术模型月b 京市2 0 0 8 年交通 能源需求与环境排放模型。通过建立交通服务量、技术构成、能源强度、排放强 度等数据库来研究北京市2 0 0 8 年交通( 包括公路、铁路、航空部门) 能源需求及 环境排放，进而分析得出北京未来交通发展较佳战略。本文的核心内容如图1 1 所示。 4 图1 1 核心内容 f i g l 】1 1q m c o n t e n t 5 2 1 回归分析法 2 研究方法 回归分析是一种应用极为广泛的数量分析方法。它用于分析事物之间的统计 关系，侧重考察变量之间的数量变化规律，并通过回归方程的形式描述和反映这 种关系，帮助人们准确把握变量受其他一个或多个变量影响的程度，进而为控制 和预测提供科学依据。本文主要运用s p s s 统计软件进行一元线性回归分析、曲线 估计及时间序列的曲线估计，得出较合理的模型进行预测嘲。 回归分析的一般步骤： ( 1 ) 确定回归方程中的解释变量( 记为x ) 和被解释变量( 记为y ) ； ( 2 ) 确定回归模型，建立线性回归模型和非线性回归模型； ( 3 ) 建立回归方程； ( 4 ) 对回归方程进行各种检验，确定回归方程是否真实地反映了事物总体间的 统计关系以及回归方程能否用于预测。 2 1 1 一元线性回归模型 一元线性回归分析是在不考虑其他影响因素或在认为其他影响因素确定的条 件下，用于揭示被解释变量与另一个解释变量之间的线性关系。用一元线性回归 法预测的基本思想是：按照两个变量x 、) ，的现有数据，把x 、y 作为已知数，根 据回归方程y - 6 0 + 啦寻求合理的6 0 、6 1 ，确定回归曲线。再把、岛作为已知 数来确定x 、y 的未来演变。 一元线性回归方程为：y 一6 0 + 6 f ( 2 1 ) 运用普通最小二乘估计，寻找参数6 0 、魄的估计值氖、占l ，使( 2 2 ) 式达到 极小，即： 鼬，& ) 一扣五一瓴) 2 = 晋黔一吨) 2 ( 2 2 ) 得出占。、占，的公式： 珏帮 眨， 6 占n - 歹一占。； ( 2 4 ) 在使用s p s s 分析时，s p s s 会自动完成参数估计并给出最终的估计值。 2 1 2 曲线估计 变量之间的关系并不总表现出线性关系，非线性关系也是极为常见的。对于 非线性关系，通常无法直接通过线性回归来分析而建立线性模型。变量之间的非 线性关系可以划分为本质线性关系和非本质线性关系。本质线性关系是指变量关 系形式上虽然呈非线性关系( 如二次曲线) ，但可以通过变量变换化为线性关系， 并可最终通过线性回归分析建立线性模型。本质非线性关系是指变量关系不仅形 式上呈非线性关系，而且也无法通过变量变换成为线性关系，最终无法通过线性 回归分析建立线性模型。本文所用的曲线估计是解决本质线性关系问题的柳。 s p s s 中的曲线估计模型如表2 1 所示。 另外，曲线估计还可以以时间为解释变量运用于时间序列的分析预测中。 s p s s 自动完成模型的参数估计，并输出回归方程显著性检验的f 值和概率p 值、判定系数r 2 等统计量；最后，以判定系数为主要依据选择最优模型进行预测 分析。 2 1 3 回归方程的统计检验 ( 1 ) 回归方程的拟合优度检验 回归方程的拟合优度检验就是要检验样本数据聚集在样本回归直线周围的密 集程度，从而判断回归方程对样本数据的代表程度，一般用判定系数r 2 实现。 。r 2 - i s 敞j s 盯- 1 一i s ：婚船r( 2 5 ) 判定系数r 2 测度了回归直线对观测数据的拟合程度。若所有观测值) ，都落在 回归直线上，r 2 - 1 ，拟合是完全的：如果回归直线没有解释任何离差，) ，的总离 差全部归于残差平方和，r 2 - o ，自变量与因变量完全无关；通常观测值都是部分 落在回归直线上，即0 t 月2t 1 。r 2 越接近于1 ，表明回归直线的拟合度越好；r 2 越接近于0 ，回归直线的拟合度越差。 ( 2 ) 回归方程的显著性检验 回归方程的显著性检验是对因变量与所有自变量之间的回归关系是否显著的 一种假设检验，一般采用f 检验。 ，- i 鼹r 1 l l 驱e 0 2 ) l ( 2 6 ) 7 根据给定的显著水平a 计算f 值所对应的概率p 值，若p ( a ，则说明因变量 与自变量的回归关系显著；若p ，a ，则说明因变量与自变量的回归关系不显著。 本文中a 取o 0 5 。 ( 3 ) 回归系数的显著性检验 回归系数的显著性检验是根据样本估计的结果对总体回归系数的有关假设进 行检验，一般采用f 检验。根据给定的显著性水平a ，计算f 值对应的p 值，若p t a ， 则说明回归系数与零有显著差异，因变量与自变量的回归关系显著；若p ，a ，则 说明回归系数与零无显著差异，因变量与自变量的回归关系不显著【删。a 取o 0 5 。 表2 - 1 曲线估计模型 墅唑生! 勉照慰觋! 劂! ! 啦! 燕垩塑_ j旦塑杰褒| 壅量垄堡屋鳆垡堡友塑 。| 。= 萎l ? - u ! 擘寥： 二二：，+ 簟垒= i 一j 复合曲线 ( c o m p o u n d ) 增长曲线l 一! 删l j ：竺|竺：竺! ：竺!| y - e 喝 ，。一 l n o ) - 竺：!l 。：耋：，l _ ! ：，j 竺 二，：，瓴竺l ( 州岫) | y 。6 b + 耻 y 。6 0 + 瓴乩o | 一羔划竺! 竺! l 竺竺 ( c l i b i c ) | y 。6 0 + 啦+ 峪2 + 虹3 | 。 ”1 “_ ” 2 | 繁一土i ：= j 一坠：塑竺! j j = ，二竺0 竺：警立：! 一 ( e x p o 枷伽) | y 。如和m y ) 乩( 6 0 ) + 肇 | 逆函数 ( h v e r ) 幂函数 ( p o w e r ) 逻辑函数 ( l 0 9 i s t i c ) y 一6 b + 岛，算 y 一6 b + 岛( 而一1 力| ，。，。，。，。一 i ，) ，一6 0 “) ； 1 i l o ) - 1 i l ( ) + ( 黾一l n ) ) 。，。3。? ，+ y 。万南| h 号一 - 。+ h 蛾m y 。万i 再而； l i l e 一 ) 1 n + l l l 蛾讧) 8 2 2a i m 能源技术模型 a n 州能源技术模型是亚太地区综合评价模型的一个相对独立的子模型，其目 的是对能源服务及其设备的现状和未来发展进行相似描述，对能源消费过程进行 模拟。它主要计算未来各种情景下各终端能源部门的分品种能源需求量，同时可 计算出相应的环境排放。这里的情景是为分析未来各部门不同的能源需求和排放 趋势，依照我国目前技术发展、政策需求、模型结构以及数据的获得性进行设置 的 a w 能源技术模型的计算过程如下： ( 1 ) 由情景和外部模型给出能源服务量； ( 2 ) 在各阶层进行技术设备选择来满足各种服务量； ( 3 ) 计算技术设备运行所需要的能源量； ( 求得各种燃料的能源消费量，计算环境排放。【1 1 】 这里需要说明的是技术选择过程，一般分为如下两种情况。 ( 1 ) 技术已达寿命期的情况 利用的技术已达寿命期时，为了适应服务量的需求，必须决定引进传统的技 术，还是引进成本高但节能效果好的技术，为此对技术引进初期成本与节能所产 生的燃料费节省额进行比较，以选择更合算的一方。另外，随着能源需求量增大， 仅适用现在运行中的设备进行生产就不能满足服务量增长的需求，因此需增设节 能设备，这种情况可采用同样的方法，进行传统设备和节能设备的选择。1 4 】 ( e a + e a ) ( f b + e b ) 一换成替代技术 f ：全年固定费用e ：全年燃料费用 a ：技术a ( 运转中的设备)b ：技术b ( 替换设备) 9 h 技术阶段不同的技术： 对正在运转中的技术的燃料费、技术改造设备的固定费用增加部分( 改良费 用) 和燃料费之和进行比较，如替代技术在经济上合算，则对正在运转中的技术 进行部分改良。 但a ) ( ( f b f a ) + e b ) 一现在运转中的技术，继续运转 泓) ( ( f b e a ) + e b ) 一运转中的技术加以改良 f ：全年固定费用e ：全年燃料费用 a ：技术a ( 运转中的设备)b ：技术b ( 替换设备) f b e a ：改良费用 1 0 3 技术发展与能源环境效益 交通部门的技术进步速度是非常迅速的，在其各子部门中均表现得较为明显。 很多的技术进步是在市场经济的直接推动下完成的，并且仍然会继续前进下去。 但是，有一些相当重要的技术需要在优惠政策的扶持和充足的资金保证下才能发 展，本文这里重点讨论这些技术。 3 1 公路运输部门 在2 0 世纪7 0 年代的两次石油危机后，西方国家普遍开始关注石油等不可再 生能源的替代问题，尤其是那些以私人小汽车为主要交通工具的国家，这种紧迫 感更加强烈。近年来随着城市环境问题与全球环境问题的日益突出，替代燃料又 作为解决城市环境问题与减排温室气体的一种重要措施而受到广泛的重视。替代 燃料一般包括：压缩天然气( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、生物质燃料( 如甲醇、 乙醇等) 、氢气，电力、燃料电池及太阳能等。 3 1 1 液化石油气、压缩天然气汽车 液化石油气( l p g ) 、压缩天然气( c n g ) 由于其可获得性、经济性与低污染 性，被认为是比较有潜力的汽车替代燃料。测试表明，压缩天然气( c n g ) 汽车 的有害气体排放大大减少：a d 2 较燃油汽车低2 5 ，h c 化合物低踟，s 0 2 低7 0 ， 有害气体微利减少4 1 ，n q i 】【减少3 0 ，c o 减少8 9 ，具有明显的环境效益。 因为天然气的主要成分是甲烷( 含量在9 0 以上) ，具有热值较高、燃烧充分、燃 烧价格较低、不易积碳等优点。以一般的轿车为例，燃用c n g 百公里可节约燃料 费3 9 ，发动机寿命可延长3 0 以上，润滑油消耗可减少5 0 ，检修周期长，维 护成本降低。 液化石油气( l p g ) 也具有类似的效果，与汽油车相比，l p g 汽车尾气排放 的c o 减少7 0 枷，h c 减少2 0 巧0 ，n o x 减少2 0 枷，c 0 2 减少2 0 旬o ， s 0 2 减少9 0 以上，具有明显的环境效益。l p g 是一种丙烷与丁烷的混合物，其 混合比通常为7 0 一9 0 的丙烷与3 0 一1 0 的丁烷。i j p g 的热值比汽油高3 巧， 加上其辛烷值较高物化好，燃烧完全，可提高发动机的性能，改善汽车的动力性【1 2 1 。 如中型卡车百公里油耗l p g 比汽油低2 0 左右，还可以延长发动机的使用寿命、 减少润滑油的消耗。 1 1 但是，就能量密度而言，不论是c n g 汽车l p g 汽车，都劣于汽柴油，所以 c n g 和 g 车的续驶里程均低于传统的汽柴油车。c n g 与l p g 约为汽油的5 0 ， 丙烷与甲醇约为汽油的6 0 ，重组合汽油约为汽油的9 2 胡8 。为了保证一定的 连续里程，c n g 汽车或l p g 汽车必须配各较大的燃料容器，增加了成本和车重， 成为该类替代技术广泛应用的一个障碍。同时，c n g 和l p g 发动机的能源效率也 较柴油车稍低，减轻污染的同时将增加能源的消耗。 l p g 汽车的改装费仅为每台5 0 0 叽6 0 0 0 元，3 4 个小时就能完成；建一座供 1 0 0 辆汽车的加气站，需投资1 0 0 多万元，半年就可完成，具有投资少工期短的优 点。总体上讲，c n g 汽车的动力性与减少排放量上均优于l p g 汽车，但基础投资、 设备费用等较高，发展速度慢于l p g 汽车【1 3 1 。 l p g 汽车在北京曾有较大的发展，但是由于l p g 汽车的动力性与汽油车相比 较差；有的改装厂为降低成本，采用第二代技术，因与电喷车技术不匹配，车辆 故障率上升；北京的气站还不够多，加气不方便，u g 近几年有下降的趋势。 3 1 2 甲醇燃料汽车 甲醇通常叫做木精，可从天然气、煤或生物质中提取出来，它是能够替代汽 油的另一种交通燃料。甲醇用作发动机燃料的最常见的形式是m 8 5 ，m 8 5 由8 5 的甲醇和1 5 的无铅汽油混合而成。北美地区拥有数量最多的m 8 5 燃料汽车，其 中美国约有1 5 0 0 0 辆，加拿大约3 0 0 辆左右。 m 8 5 燃烧排放的c 0 2 比汽油略低一点( 1 3 ) ，但如果从天然气中提取甲醇， 则甲醇在生产和输送过程中排放的o 。2 比汽油相应要高。在这一前提下，m 8 5 的 全周期c 0 2 排放可能略高也可能略低于汽油。现有的测试还表明，m 8 5 可能比汽 油燃料产生更多的c 0 排放。如果采用其他的制取工艺。m 8 5 燃料即便能也只能 产生很小的温室气体减排作用。 然而，m 8 5 可以产生较少的挥发性有机物和n 0 k 的排放。美国环保署认定 m 8 5 燃料汽车同汽油车相比，其挥发性有机物排放能够减少3 0 ，能够减少5 0 的疑致癌物质( 包括乙醛、苯) 等有毒空气污染物。甲醇作为代替石油燃料的一 种清洁替代燃料，其另一个优势是它可以从煤或生物质中制取，因而有助于国家 能源安全。 3 1 3 乙醇燃料汽车 乙醇，又叫普通酒精或酒精，是用玉米或其他谷类、其他农产品或剩余物酿 造的一种液体物质。大多数情况下，玉米是生产乙醇的最便宜的原料，其生产工 艺的副产品也能够出售。乙醇辛烷含量高，可以用作汽车燃料。巴西政府执行了 一项用甘蔗生产燃料的计划，其结果是巴西境内有超过四百万辆汽车使用乙醇作 燃料1 1 4 1 。美国和加拿大的乙醇燃料汽车数量也在逐步增加。 同甲醇燃料汽车相似，乙醇燃料汽车使用的通常是一种混合燃料e 8 5 ，e 8 5 用 8 5 的乙醇和1 5 的无铅汽油混合而成。实际上多年以来，出于能源或空气质量等 的考虑，乙醇还被大规模地用作汽油添加剂混在汽油中制成1 0 乙醇成份的混合 液体，称作酒精一汽油混合燃料。 乙醇燃料适应汽车与同型号的汽油车相比，其烟雾污染物排放可以减摔3 0 一 5 0 。然而，由于乙醇要用农作物作生产原料，其燃料周期温室气体排放可能要高 于汽油燃料。根据美国环保署的一项研究，当原料和玉米种植用到的机械、化肥、 杀虫剂以及谷物干燥和发酵消耗的能源都考虑进乙醇的生命周期碳排放分析中， 乙醇生产和使用过程总的碳排放是同加仑汽油碳排放量的六倍。 乙醇燃料汽车的最大路程是同尺寸油箱汽油车路程的7 5 一9 0 。汽车制造商 要安装更大的油箱来提高乙醇燃料汽车的路程。乙醇燃料汽车的另一个缺点是； 出于安全性的考虑，乙醇燃料汽车需要特别的润滑剂以及维护和操作程序。 在北京，甲醇和乙醇燃料汽车的示范项目已经开始启动，但离商业化运作阶 段还有很远距离。 3 1 4 j 蓄电池电动汽车 蓄电池电动汽车也称纯电动汽车。纯电动汽车由电动机、功率变化器和蓄电 池组成起核心部分，纯电动汽车的开发关系到能源、环境、交通和高科技的发展 及新兴工业的兴起。纯电动车主要有如下几个特点：一是无污染。纯电动汽车不 产生废气排放，亦无机油冷却剂等污染；二是效率高。纯电动汽车不仅可以避免 大多数汽车由于各种因素限制，在行驶中没有达到热工引擎运行的公称温度而导 致的污染排放大大增加的现象，而且，在减速和停车时可以将驱动能量“再生” 地转化为电能并储存在蓄电池中，停车时可以不必让电机空转，大大提高能源使 用效率，减少环境污染；三是无噪声。纯电动车的行驶基本上是宁静的，可以有 效降低城市的噪声污染。另外，纯电动车还有日常维护工作少、使用寿命长等优 点。从能源角度来看，纯电动车将使能源利用多元化与高效率，达到能源的可靠、 平衡和无污染利用。从环保角度来看，纯电动汽车是零排放的交通工具，即使计 算发电厂的废气排放，从总量上也会减少全球环境污染。由于纯电动车比传统的 燃料汽车更容易控制，将成为实现智能交通系统，从而提高道路利用率与安全性 的主要措旋。 蓄电池技术是发展纯电动汽车的关键技术之一。铅酸电池是目前己商业化的 可用于电动车的电池之一。但有研究表明，一辆电动车使用的铅电池在其采矿、 制造和电池回收的过程中向环境中排放的铅高于一辆以汽油为燃料的汽车6 倍， 更有害环境与人体健康。后来研制的镍氢电池与锂离子电池已显示出应用在电动 车上的显著优点，其能量密度和功率密度均比较高，此外，它们的充电时间较短， 使用寿命长，原材料蕴藏丰富并可再生利用。钠硫蓄电池是近期普遍看好的电动 汽车蓄电池，美国福特汽车公司的m i l i v 姐电动车就是使用钠硫蓄电池的。它已被 美国先进电池联合体( u s m a b c ) 列为中期发展的电动汽车蓄电池，德国a b b 公 司生产的b 2 4 0 k 型钠硫蓄电池，其质量为1 7 5 k g ，蓄电量1 9 2 k w h ，比能量 1 0 9 w h 瓜g ，循环使用寿命1 2 0 0 0 次，装车试验时最好的一辆车无故障地行驶了 2 3 0 0 k m 。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用 安全性不太理想等问题。此外，各种新型的蓄电池在不断发展中。f 蚓 纯电动车产业化是当前电动车发展的一个瓶颈。其难点不在于技术，而在于 初期购买成本、使用成本和使用寿命等具体问题。与目前广泛使用的传统汽车相 比，这些成本问题非常实际地构成了电动汽车难以产业化的主要障碍。 3 1 5 混合电动汽车 混合电动汽车是指既能用电力驱动又能用机械驱动的机动车。正如同其名称 所说的那样，混合电动汽车集电力驱动系统的效率和液态或气态燃料汽车的长路 程优点于一身。通常情况下，混合电动汽车安装有电力存储装置例如蓄电池外加 机械驱动装置如内燃机、燃气轮机或燃料电池。 混合电动汽车同目前的内燃机或电动汽车相比，有如下几个优点。首先，由 于有电动机分担部分工作负荷，发动机尺寸可以变得更小，这样可以减少汽车自 重提高燃料经济性。第二发动机可以优化在一个特定的速度范围内运转，在此速 度范围，燃料经济性最佳而排放最低。这样，就可以避开内燃式发动机排放高燃 料经济性差的缺点。第三，混合电动汽车除使用电力之外还使用液体燃料( 如汽 油、柴油，甲醇、乙醇) 或气体燃料( 如天然气、液化石油气) ，这可以比单独用 蓄电池行驶更长的路程。再加上其燃料效率更高，这意味着混合电动汽车可以比 目前的内燃机汽车行驶更远的路程。然而，这些优点有可能被混合电动汽车附加 的复杂结构、双燃料系统的额外成本、非电力燃料部分的排放等所抵消。 3 1 6 燃料电池汽车 1 4 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装 装置。由于不受卡诺循环的限制，燃料利用率高，可达5 0 0 0 ，且环境污染小， 几乎没有s 0 2 、n o x 排放，是一种理想的清洁、高效能量转化方式。其同时还具 有噪声低，功率输出变化方便，过载能力强，低负荷运转时效率反而略有增加等 特点。燃料电池可以以多种资源做燃料，如：天然气、氢气、甲烷、甲醇，液化 石油气等。根据所用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池( a f c ) 、磷酸 盐型燃料电池( p a f c ) 、熔融碳酸盐型燃料电池( m c l c ) 、固体氧化物燃料电池 ( s o f c ) 、甲醇直接氧化燃料电池( m d f c ) 与质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 等多种类型。其中，a f c 、p e m f c 和p a f c 为低温燃料电池；m c f c 和s 0 f c 属 高温燃料电池。燃料电池的研究和应用正以积极的速度在发展。a f c 已在宇航领 域广泛应用；p a f c 是民用燃料电池的首选者，作为中型电源的应用进入了商业化 阶段；m c i c 也已完成工业试验阶段；s o f c 是未来大规模清洁发电站的优选对象； p 王强肛 c 是最具前途的交通工具的动力。【1 6 j 近年来，以氢气、空气为原料，经过电化学反应产生电能的质子膜燃料电池 ( p e m f c ) 成为燃料电池汽车的新进展和发展方向。氢燃料电池汽车的能量转化 效率高，可达5 0 枷，通过对余热的二次利用，总效率高达踟珈，是普通 内燃机的2 弓倍。在工作过程中可以实现无污染气体排放的“零排放”，它唯一摔 放的是水，而且氢燃料电池制造过程和内部构件都对环境无毒害。 我国的燃料电池汽车技术己与世界同步。十五”期间，科技部设立了“8 6 3 电动汽车重大专项”等一批国家重大科技项目，上海承担了该专项中的燃料电池 轿车核心技术的前瞻性研究，攻克了燃料电池汽车关键技术群，研发出新生代氢 燃料电池汽车“超越”系列。 3 1 7 涡轮直喷式柴油汽车和生物质柴油汽车 在提到到柴油车的时候，大多数人就想起柴油车的巨大噪声、强烈的微粒物 排放以及拙劣的动力性能。实际结果是中国大地上只行驶着极少量的柴油车。然 而经过近3 0 年的发展，柴油车各种性能已经逐步得到了很大提高。在欧洲，现代 的柴油发动机相比于传统的汽油发动机在节约能源、环境保护、成本效益方面都 具有明显的比较优势，这些优势说明柴油发动机技术已经今非昔比。柴油发动机 最大的优势是能源强度非常低，而降低能源强度看来是从根本上减少交通系统c 0 2 排放的唯一途径。同传统的汽油发动机技术相比，涡轮直喷式柴油发动机( t d l ) 可以节约3 0 的燃料油；同高速直喷式汽油发动机技术相比，t d l 柴油发动机可 以节省1 5 的燃料油。因此，可以减少o d 2 排放2 0 ，最高减排率达到4 5 之多。 至于其他的污染物排放，大众汽车公司生产的部分型号如“h p o3 l i d i ”已经可 以达到欧洲4 号标准的要求。而且汽油价格的激烈振荡也将继续促进柴油车的进 一步发展。在德国三分一的新增汽车为柴油车，在奥地利则接近5 0 。德国几乎 所有的出租车是柴油车【1 5 l 。 现代柴油发动机的另一个优势是它能够以油菜籽油提炼出来的生物质柴油作 动力，生物质柴油在解决全球升温和其他污染物排放方面有如下的优点：比柴油 更显著的环保优势，c 0 2 尾气排放为零，生命周期排放比柴油少8 0 ；硫化物和 挥发性有机物的排放同样低于柴油；其他污染物c 0 和微粒物相当于或略高于 柴油，但差异并不显著。 3 1 8 太阳能电池汽车 与上面的各种新型汽车相比，太阳能汽车的发展要相对缓慢得多。太阳能动 力汽车是通过光伏电池利用太阳能作动力的电动汽车。光伏电池把太阳能转换成 电能以直接驱动电动汽车或者储存到蓄电池中。光伏电池只有在太阳照射的时候 才能生产电能，在没有太阳光的时候，太阳能电池汽车必须使用蓄电池中存储的 电能。光伏电池目前被使用在一些电动汽车样车上以延长其可行驶的路程。尽管 做工最精致的光伏电池也只有2 0 的转换效率，因此太阳能电池汽车只能从太阳 能中得到一小部分的电力，离不开用传统的方法为它的蓄电池补充电量。如果要 求太阳能电动汽车百分百的依靠太阳能作动力，则太阳能电池汽车必须要有非常 大的表面积以接受太阳光照射，同时要求太阳能利用效率非常高、车辆自重小、