《“未来车”世纪》 第五章 使用洁净智能的能源

1、第五章 · 使用洁净智能的能源汽车需要能源以驱动车轮行驶。能源从何而来，如何将能量传到车轮，沿路浪费的能源有多少，有什么副作用，以及造成的直接成本和整个社会的成本有多少，这些问题都很重要。在本章中，我们将阐述汽车车轮动力能源从汽油燃料替换成电能所带来的好处，并探讨这种方案所必须予以解决的实际性问题。汽车燃料的不利影响汽车车轮所需要的动力能源成本一直以来都是令人关注的热点问题。从20世纪初期到现在汽车快速发展的原因之一（特别是在美国）是加油站汽油燃料的低廉价格，推动了大都市以及广泛的人口密度较低，适合于小型车辆行驶的市中心外围地区的发展。如同近期的汽油燃料价格增长所显示的，这反过来扩大

2、了能源增加效应。当能源价格上涨的时候，汽车在城市的运行成本变得更高，其效应贯穿整个经济生活领域：个人出行受到更多限制，人口密度较低的市中心外围地区变得不再那么有吸引力；城市边缘地区的房地产价值呈下降趋势；过去经常寻找处于郊区的价格相对较低房源的低收入家庭受到明显的影响。然而，靠内燃机里的汽油燃料供给能源的传动轮的一个主要不利影响是，这个过程不仅会产生局部空气污染，而且会产生造成温室气体效应的二氧化碳的排放。近几十年来，在减少汽车尾管所造成的局部空气污染方面已取得了较大进展，但是二氧化碳排放问题已日益成为需要迫切关注的重点。通过创造刺激手段来降低对汽油燃料的依赖性，税收，外壳以及碳供应方案已成为

3、降低二氧化碳排放的长期方案，但是从短期来看，它们会引起汽油燃料价格上涨和运行成本增加等不利影响。汽油燃料的另一个众所周知的缺点是不可再生性。地球的石油储量是有限的，随着储量的消耗，对剩余石油储量的开发，提炼以及使用成本将会升高。目前对于到底还有多少剩余石油储量尚未探明，也无法确定全球石油生产用量是否已经达到顶峰，但是向可再生能源燃料转变的趋势是毋庸置疑的。这些能源例如水电能源，太阳能，风能，生物能等等，它们不会由于消耗而减少，并且随着相关技术的发展，这些能源成本会更低。而石油能源另一个不利影响集中体现在蕴藏石油资源的地区非常少，这使石油进口国产生了较为显著的能源安全问题，它们很容易受石油供给波

4、动和价格上涨的影响。世界上许多地球逐渐产生了一种需求，通过使用形式更多样化，分布地区更广泛的能源以取得更大的能源安全。 出于所有这些理由，以石油为主要能源的全球能源供给系统作为今天的汽车车轮驱动动能是具有不可持续的。而且随着时间的推移，问题只会逐渐恶化。对于这个问题，我们的建议是不仅用电动机替换内燃机，而且将电动车与各种分布式而非整体式的新型都市能源系统结合起来，这样会增加对形式多样化，使用洁净，可再生能源的使用需求，而且使城市的个人出行成本比使用汽油燃料行驶的成本要低的多。通过将那些购买，储存和出售使用了智能电网技术以及具有动态定价的电力市场的电能源的小型车联合起来，这些系统可被启用。汽车新

5、能源供给系统为了实现新能源的应用，我们不仅要考虑汽车的传动系统，而且还要考虑从一次能源中提炼出作为汽车动力的供应链。原理上，这些供应链可能持续时间较短，因为汽车直接通过风帆蓄电池或顶蓬上的太阳能电池板供电。然而在实际中，这些供给系统会扩展到原始的一次能源，并涉及许多储存，传输和转换过程。如图5.1，向我们展示了许多目前正在使用或未来预计会使用的车轮供电能源的方式。图5.1 汽车车轮驱动动力能源图5.2燃料从油箱到车轮，从矿井到车轮的能效，以及不同类型推进装置的二氧化碳排放请注意，在系统里可能有三种主要的能源载体液体燃料（以气油为主），电能以及氢能，正如我们将看到的，氢能和电能紧密相关。液体燃料

6、需要管线，提炼设备以及静态和动态的储集罐等基础设施，以燃料罐需求最大。氢能源将液体或气体储存和运输也需要一个过程。电能需要发电机，传输和分配电缆，大功率电子和控制设备，以及蓄电池或其他车身储存设备等基础设施。电气化系统，将多种其他形式的能源转化成电能，并以电能和氢能的形式输送能量，减少或消除了原料采集，加工，分配和燃烧等过程中出现的问题。我们所介绍的三种向电动车转换的方法（氢燃料电池，蓄电池和增程电能）有着不同的动力功效（从油箱到车轮）和不同的燃料效率（从矿井到油箱）（如图5.2）。电能和氢能源的相互补充作用电动车供电来源蓄电池的替换方案是将氢能源结合燃料电池一起使用。蓄电池可直接充电，而燃料

7、电池只有在充满氢气燃料时才可产生电能。和电能一样，氢能源也可以由许多不同的能源制造，而且氢能源可采用电解水方式提炼，因此电能源的回收方式也可以成为氢能源的回收方式。这样，氢能源和电能便可相互替换，互为补充。当然，在这种电解过程里会出现能量损失，但优点是汽车可实现长距离零排放行驶（超过200英里），而充电时间很短（5分钟）。随着蓄电池和氢能源燃料电池技术的发展，每种技术对另一种技术的成熟的推促作用逐渐明显。每种技术对汽车的好处都是无可替代的从能源使用方面来说，使用蓄电池作为动力能源的运行成本较低（但是充电时间较长，较小的能源密度限制了汽车里程）；燃料电池和储存的氢能源可使汽车具有更大里程和更短的

8、充电时间（但是需要一个新的燃料供给基础设施）。蓄电池尤其适合于USV之类的小型电动车，但是氢能源燃料电池为家庭型汽车和公交车等较大的车型提供了适当的折衷方案。蓄电池和氢能源燃料电池结合使用可使多样化的能源效率得到最大化，以满足不同的运输要求。氢能源是一种极有价值的方案，因为它不仅可利用水和电制造，同时也可以从碳氢化合物中提取出来，比如生物质能，天然气或者煤炭。这种可从各种可用能源组合中提取氢能源的方案是有效解决能源复杂问题的一种尝试。水，电和天然气在世界各地广泛分布，这意味着每个家庭和公司都可以使用制造出氢能源的所有原材料。最新研究表明，建造汽车氢能源基础设施从经济和技术角度上讲都是可行的。事

9、实上，只需要比阿拉斯加输油管工程更小的资金，就可以在美国100个最大的城市之间每隔25英里建造一座氢能源便利加油站，可供美国70%的人口使用。重要的是从能源多样化的角度来看，这些基础设施可对电网起到补充作用，因为本国供应的天然气和生物能都是极好的氢能源来源，而且氢能源是储存从风能和太阳能等可再生能源中提取的电能的极佳方式，可备不时之需。发电装置，氢能源储存装置以及燃料电池加油站可设置在同一地点，也可根据技术和成本考虑分布在整个电网和成列的汽车中。电气化系统的优点使能源供给系统电气化即将多种形式的能源转换成电能并以电能或氢能源形式进行分配，它最基本的优点是可以提供比液体燃料更高的端到端的能效。在

10、一次能源向车轮供电的过程中，浪费的能源更少，释放的有害副产品也更少。电气化直接使个人出行所耗费的总能源成本更低。如今使用电网给蓄电池充电的成本很低廉，电能源成本约为每英里2美分。按照加油站的加油成本为2-4美元，这个充电成本为使用汽油为燃料的同类车型的驾驶成本的三分之一到六分之一。然而，和可以无限次填充的汽油油箱不同，蓄电池可充电的次数有限，需要更换新的。即便考虑到这一点，当前以电能作为能源仍然比汽油燃料作为能源的成本要低得多，而且随着时间的推移，它的好处只会增加。电气化系统的第二个优点是它带来了能源的多样化可灵活使用许多不同的能源，这些能源的使用各有利弊。这使得能源供给系统可以长期朝着日益有

11、效，洁净，更有持续性的方向发展。它允许地方充分利用它们独特的能源优势，而不是依靠进口石油或其他不安全的能源来源。西弗吉尼亚洲具有丰富的煤炭资源，夏威夷州主要利用石油，美国罗德岛使用的是天然气，爱达荷州具有大量的水电能源，佛蒙特州从电能中提取核能。通过融合多种类型的能源，开采地点和供能线路，这种多样化的能源使用可保障能源安全，促进能源在本国的使用。图5.3美国整体以及不同州发电所应用的原始资源形式第三个好处是，与汽油燃料相比，行驶中将电能输送到车轮作为动能的过程是洁净，无噪音和高能效的。尽管汽油燃料经过了数十年的研究和技术开发，仍然具有噪音大，容易产生污迹以及散发高热量等缺点。这使得电动车的存在

12、成为都市发展有利的一面。 最后一个也是最重要的优点是，电气化系统使得汽车构造更简单，因为部件和活动部件都减少了。能量密度的影响 如果蓄电池体积，质量过大，价格昂贵，那么这种蓄电池电动车将不具有优良的性能，成本也不划算（图5.4）。早期的蓄电池电动车与汽油燃料汽车相比不具有竞争优势，因此很快便从市场上消失了，因为它们所使用的铅蓄电池不够精密，重量也过大。它们迫使设计者在不够合理的方案中做出选择-那么制造塞满了重型的价格昂贵的蓄电池，要么接受不能满足现实要求的有限的行驶里程。一般来说，不管使用哪种折衷方案，最后蓄电池所占空间的比例总会超过汽油箱所占车内的空间比。图5.4蓄电池、氢气和汽油的能量密度

13、比较图5.5雪佛兰伏特的锂离子电池包（显示在左侧）可使汽车行驶里程达到40英里，差不多相当于1加仑汽油供汽车行驶的里程更精确一点，由于汽车整体尺寸受到实际约束，蓄电池体积过大就意味着供乘客和行李所使用的内部空间更少。内燃机转换为更精巧的电动机不会为蓄电池带来更多空间，而将电机移到车外的车轮上则具有的好处更多，但是将蓄电池体积缩小到令人满意的程度仍然是电动车工艺和技术的重要目标。 蓄电池重量也会带来不同效应。蓄电池可能会给汽车增加上百磅的重量，这将会带来一连串反应比其他方式消耗更多的能源，要求更强大的推进系统。同样，减少汽车蓄电池组的质量也会带来减少能源和推进装置的要求。如第4章所述，当汽车性能

14、要求降低时，汽车重量增加所产生的能源需求可能会减少，这使得用较小的，更廉价的蓄电池组满足需要的驾驶里程成为可能。蓄电池技术发展的可能性蓄电池研发专家们正在尝试找到用尽可能小的空间来储存电脑的方法，来克服上述困难，同时尽可能地少增加质量。随着能源体积和质量比达到要求，他们开始探索新的汽车设计方案，并扩大市场对蓄电池电动车的需求。但是这对于汽车研发自身来说还是不够的。除了具有符合要求的能源密度，电动车的蓄电池必须满足其他实际要求。在适当的运行环境中，它们必须是安全的。它们必须具有充分的使用持久性，也就是说能够提供足够的能量充电。而且，当然，它们的成本必须很低。图5.6汽车蓄电池技术对照表图5.6展

15、示了电池技术的演变以及现阶段为实现这些目标所取得的一些进展。池价格低廉而且在许多领域已得到广泛应用，例如，中国的电动自行车；但是这样存在很多缺点。现在的混合电动车上经常会用到镍金属氢化物电池，例如丰田的普锐斯汽车。这些电池具有良好的能源密度，但是成本更高。锂离子蓄电池的性能更佳，被广泛应用于手提电脑和手机上。近些年来，锂离子电池已经发展到了可被大规模应用于实际的汽车用途中的时代，而且它们很可能得到继续改善。它们推动了小型化，轻型化，蓄电池电动车的产生，这种车型给乘客和行李预留了足够的空间，并能行驶足够长的路程，十分具有吸引力。总结：电动汽车可以有效地满足城市用车的需求蓄电池技术的进展以及对城市个人交通工具的需求的清晰界定使人们认