未来你可能会驾驶使用哪种能源的车?

作者:威廉亚洲 发布时间:2020-12-22 20:39

  众所周知,二氧化碳等多种温室气体的排放是造成全球气候变暖的主要原因之一。在过去几十年中,交通领域产生的二氧化碳排放量在所有能源消耗类别中增长最快。自1990年以来,交通领域产生的二氧化碳排放量已经增长了68%,其增量主要来自于道路运输,其中道路运输排放约占交通运输排放总量的75%。除了温室气体之外,道路运输的发展还伴随着地区空气质量及噪音排放等方面的挑战。

  与此同时,联合国预测到2050年,世界人口规模将从目前约77亿增长至约97亿,其中仍将有约80%的人口生存在每年人均能源消耗量小于100 GJ的国家中,他们对进一步提高生活水平质量有着迫切需求。

  在交通出行领域中,车辆能耗与减排性能的提升,与其所选择使用的车辆动力总成系统及车用能源密不可分。因此,针对道路交通出行领域的能源解决方案可以理解为车辆动力总成技术和车用能源的优化组合,二者需要统筹考虑,协同发展。

  如今传统内燃机与液态化石燃料的组合正在交通领域中发挥着主导作用,而在面向未来的交通系统中,根据出行需求和场景的不同,将呈现多种车用动力系统和车用能源组合并存的局面,主要包括燃料电池汽车(fuel cell electric vehicle, FCEV)与氢能,纯电动车(battery electric vehicle,BEV)与电能以及包含内燃机的混合动力汽车与清洁低碳燃料 (如生物燃料,天然气及其他合成燃料)[4]以上3类。

  本文将结合未来车用动力系统的发展趋势重点讨论车用能源及燃料,重点介绍液态燃料,包括目前主要使用的传统液态化石燃料即汽、柴油及先进内燃机技术,清洁替代燃料(如生物燃料、天然气合成油(GTL)燃料、电转液(PTL)燃料、液化天然气(LNG)等),以及电气化动力系统 ( 包括混合动力、纯电动和燃料电池) 等。

  壳牌认为未来世界的能源结构将呈现多种能源并存的特点,没有任何一种单一燃料/动力组合能够全部有效解决世界所面临的复杂能源问题;各个低碳能源解决方案都将有望在未来能源世界中找到适合自己的应用场景;各种能源在世界能源结构中的具体占比将高度依赖当地政治、经济和社会的发展程度。

  尽管能源转型及脱碳在交通运输领域中十分重要,但当前交通运输体系中,依然有大量使用传统化石能源的车辆出售、运行。此外,针对重型汽车领域,传统液态碳氢燃料因其拥有高能量密度、市场成熟度高、且成本较低等优势,短期内将很难被取代。在交通能源转型的背景下,可以预见在相当长一段时间内,车用能源中仍将需要大量的传统石化产品。

  因此,传统化石燃料如何更好助力车用动力系统技术升级,满足其效率与排放方面的挑战,将成为能源行业与汽车行业需要携手共同解决的问题。

  在传统内燃机领域,可以通过汽油缸内直喷(GDI)技术、汽油压燃(GCI)技术、稀薄燃烧、可变压缩比、使用高品质燃油性能添加剂及先进后处理系统等,在降低排放的同时进一步提高热效率。车用能源与发动机技术的联合优化已将平均热效率提升至35%以上,更多新技术有望将发动机热效率提升至50%左右(如马自达SkyActiv X);同时,先进后处理技术、高品质燃油清净剂等创新应用有望进一步降低汽车尾气污染物排放水平。

  在交通运输的低碳化清洁化进程中,替代燃料(如生物燃料、液化天然气、合成液体燃料等)需要发挥更加重要的作用。

  生物燃料是被提及最多的低碳液体燃料之一,具有原料丰富、可再生、与现有交通燃料体系融合度高等特点,对实现交通能源领域节能减排作用巨大,被认为是优化交通能源结构、提高清洁燃料比例、解决石油短缺等问题的良好现实选择。受到政府政策的强力支持,生物燃料在交通领域的应用得以快速增长[5]。目前使用最广泛的生物燃料包括通常与汽油混合使用的乙醇,以及通常与柴油混合使用的脂肪酸甲酯(fatty acid methyl ester, FAME)。

  图2 展示了生物乙醇与普通汽油的全生命周期CO2减排效果对比,数据基于欧洲《可再生能源指令》(Renewable Energy Directive, RED) 和欧洲研究机构JEC 的全生命周期分析,其中甘蔗制第1 代生物乙醇可减少约74%的普通汽油的全生命周期CO2 排放,而第2 代生物乙醇减排效果更佳。

  生物燃料行业的投资发展与创新同样不仅局限于第1 代生物燃料。考虑到生物燃料原料生长涉及到土地利用问题,生物燃料行业已经开始向市场供应以纤维质为原料且具有更高减排潜力的第2 代生物燃料,例如在荷兰鹿特丹,由Enerkem、Air Liquid、Nouryon和壳牌共同投资的一个具有商业规模的废弃物制化学品(waste to chemical, WtC)工厂正在建设中。该工厂可将多达36万吨废弃物转化为约22万吨( 约为2.8亿升)生物甲醇,制成的甲醇可直接用于制造化工产品,同时制成的生物甲醇也可作为一种新型可再生燃料用于甲醇燃料汽车使用。该工厂的建成平均每年可以有效利用超过70 万户人产生的废弃物,其制备过程与化石燃料甲醇制备路径相比可以减排CO2 高达30 万吨 。

  天然气制油(GTL)燃料可以作为嵌入式燃料(drop-in fuel),或单独作为燃料使用,具有能量密度大、生产工艺灵活、易于储存和运输等特点,广泛适用于航空、船用和重型陆运交通。

  电转液(PTL)作为一种新兴液体燃料制备技术,目前生产工艺能耗较大,成本较高且基础设施建设不足,目前的经济性较差,该技术的发展仍需开展大量研究工作,且其实际应用推广同时取决于低成本的可再生能源制氢技术和大气碳捕获(DAC)技术的发展[8]。

  液化天然气(LNG)虽然仍属于化石能源范畴,但其已拓展至基于可再生能源应用领域研究,以生物LNG(BioLNG) 和以PTG 技术为代表的生产的可再生液化天然气(RLNG)作为船运及重型陆运燃料潜力巨大,并且拥有较为发达的基础设施。

  纯电动汽车(Battery Electric Vehicle, BEV)的行驶依靠动力电池和驱动电机提供的动力,可以实现行驶过程完全零排放。由于全球各主要市场相继推出非常严格的二氧化碳排放削减目标,尤其针对汽车制造商 OEM 在油箱到车轮(tank-to-wheel,TtW)角度的排放限值非常严格[9],能够降低车辆使用端平均CO2 排放水平的纯电动汽车受到OEM青睐。如能进一步使用可再生能源产生的电力,纯电动汽车在从油井到油箱(wheel-to-tank, WtT)角度的二氧化碳排放也可得到进一步优化。

  燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)可以以氢气、甲醇等为燃料,通过燃料电池中的化学反应产生电流,依靠电机驱动汽车。气态氢可以在高压状态下储存于高压钢瓶中(通常为 35 MPa 或 70 MPa)。燃料电池汽车目前受限于仍然高昂的成本、WtT法规限制、加氢基础设施网络规模,其生产及销售规模目前较为有限,仅局限于部分市场,如美国加州、德国和日本。

  上述BEV和FCEV在车辆使用端虽然没有任何尾气排放(包括二氧化碳排放以及本地污染物排放),但受限于成本与基础设施建设,大部分移动出行需求在短期仍将继续由包含传统内燃机(ICE)的动力系统承担。

  另外,一个有效提升传统内燃机车辆效率的途径是引入混合动力技术,即在传统内燃机动力总成的基础上结合电机等其他动力总成技术。在电机提供瞬时功率的帮助下,发动机瞬态工况驱动及低速/低负荷区域的功率需求可以由电机功率输出满足。在此条件下,内燃机本体设计可以在较小转速/负荷区间内进一步优化,从而提升总体运行效率。而其关键手段是进一步提升稀薄燃烧水平,实现更高空燃比。这将有效降低氮氧化物排放水平,同时降低后处理系统复杂性和成本。

  总的来说,壳牌认为未来交通领域的能源结构将呈现多种能源选择并存的特点。在未来一段时间内,化石能源仍将在交通运输领域中发挥重要作用,内燃机性能优化和燃料及润滑油性能的提升是关键。

  与此同时,能源结构需要更为多元化,以达成温室气体及污染物减排的目标。生物燃料是目前唯一能被大规模应用的可再生能源,GTL 是能够立竿见影改善空气质量的能源选择,LNG 是长途运输车辆的较好选择,燃料电池汽车和纯电动汽车作为零排放技术应当相辅相成。

  为了更好的直面人类社会面临的上述双重挑战,面向未来,汽车行业携手能源行业与学术机构、政府及顾客之间加强紧密合作将成为我们成功实现节能减排目标的重要保障。

  想了解更多详情,请点击链接阅读《壳牌对未来车用能源多元化发展趋势的思考》。

  本文主体内容引用自:《壳牌对未来车用能源多元化发展趋势的思考》,汽车安全与节能学报, 第11 卷 第1 期, 2020 年


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