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新能源车主体能源选择成重中之重

 从远古时代的植物、柴火、动物脂肪、木炭等物质,到如今大家都在使用的煤炭、石油、天然气等化石能源,再到核聚变反应,人们在选择主体能源时,首先要从能源物质本身无法改变的比能着手。

  据了解,交通部门的能耗占全球一次能源消费的29%、占碳排放的14.5%(公路交通占10.6%,航空占1.5%,铁路占0.5%,其它占1.9%)。随着世界经济不断发展,交通运输业将持续发展,如何选择主体能源便成为重中之重。

  能源的运输效率与燃料选择

  交通运输业对燃料本身的效率有着极致追求,一般都倾向于比能较高的燃料。

  比能是一种描述单位质量里能量的单位,它可以用来衡量物质的热(heat)和其它热力学性质(thermodynamics properties)。比如,比热(specific heat)、比内能(specific internal energy)、比焓(specific enthalpy)、比吉布斯自由能(specific gibbs free energy)、比亥姆霍兹自由能(specific helmholtz free energy)等等。

  比能也可以用来描述物体的动能和势能。比能不同于其它能量性质,它是物体内部、本质、不可变更的性质。为了区分,我们将燃料(包括锂电池、氢燃料电池等)的比能叫做“化学能比能”,以区分其它形式的储能系统。

  能源的运输效率理论上只与比能有关系,比能越大的燃料,其运输效率越高,反之亦然。理论上如果只考虑运输效率,那么每一种燃料都存在着最优燃料携带值。所以,我们看到,F1赛程中每辆赛车的油量、加油时间都经过了精确计算。

V8彩票技巧  如果从燃料用途的角度来审视,可以有如下论断:运输效率越高,续航里程的潜力越大,负重的潜力也越高。现有的常用能源中,比能较高的有氢燃料(142Mj/Kg)、天然气(55.2Mj/Kg)、柴油(48Mj/Kg)、汽油(46.4Mj/Kg)和无烟煤(30Mj/Kg),而以锂电池为代表的各种商用电池的比能一般不超过1.8Mj/Kg(国家规定可享受补贴的新能源汽车的电池比能只有160Wh/Kg,仅相当于0.6Mj/Kg)。

  假设将特斯拉电动车(BEV)modelS100D的极值续航里程500Km上推200Km,即达到汽油车700Km的续航里程,则需再储存40度电。也就是说,按照锂电池的最高比能200Wh/Kg计算,至少需要200Kg的锂电池组以提高电池容量,同时还要为这200Kg的车体增重继续提供燃料。

V8彩票技巧  从好的一面看,电池增重能提高续航里程;从负面角度看,这也使得空驶消耗的能源量(交通工具的净重)遽增。根据实验数据,每增加100Kg负重,耗油将增加半升/100Km,消耗的能量也增加了17Mj/100Km。

  一般燃油车(ICE)的能源效率大概为30%,按照锂电池的能源效率80%来计算,则大概需要6Mj/100Km的能量输入,即需要8.33Kg/100Km(按照锂电池上限200Wh/Kg计算)的电池,以负担每新增100Kg电池对整个体系的增重。

  回到上述所说,假设将特斯拉电动车的续航里程从500Km上升至700Km,则需要多携带120Kg的电池组为增加的电池继续提供燃料,这还不包括后续再为120Kg电池组提供能量需要新增的电池。利用泰勒展开(Taylor),我们知道,最终要半吨的增重才能为200Km的锂电池车(BEV)增程提供足够的电力(体积上至少增加一个后备箱)。随着续航里程的增加,锂电池车(BEV)的增重也越来越快,且很快会将新增电池组的电量吃完,达到续航的瓶颈。

  反观以氢能源作为动力的燃料电池车,目前主流车型的每百公里耗氢少于1Kg,2Kg氢燃料可以增加续航里程200Km。按照70mpa氢气瓶的氢气质量含量比(gravimetric storage density)5%计算,每增加2Kg氢气需要增加40Kg的总质量装备,而每增加40Kg的重量,每百公里需要耗费大约0.0448Kg的氢气来为增加的200Km续航,同时也需要增加40Kg高压气瓶等总质量装备,而为了这样的增重需要付出0.314Kg的氢气,但为这部分增加的续航里程带来的燃料增重付出的整体交通工具质量仅仅增加了6.3Kg。

  由上可以看出,氢燃料电池车续航里程的增加没有带来车体质量的不对称增加。用一个形象的比喻,电池电动车就如同一列缓慢前行的驼队,为了穿行没有任何补给点的茫茫戈壁,需要多加骆驼(电池)进团,利用骆驼携带更多的补给,但是这部分补给(电池电量)也要包括新增的骆驼(新增电池重量)所需的额外能量。随着距离的增加,新增骆驼(电池重量)的速度也越来越快,而驼队补给(电池电量)增长速度不变,驼队(电动车)的距离瓶颈将很快出现。

  能源的转化效率与燃料选择

  能源的转化效率与燃料的效率直接相关。交通工具需要的最终能量形式都是机械能,所以需要不同的过程、步骤对一次能源的能量进行二次转化。

  一般来说,能量在光、热、电、机械能之间的转换越频繁,能量转化的效率就越低。另外,各种燃料转化效率的比较应在同样的应用结果中展开,比如供热、发电、车辆行驶等,由于交通工具的燃料以机械能的形式体现在最终的续航里程上,所以燃料的转化效率一般以well to wheel(从能源开采到交通工具的使用)为基础作对比。

  氢燃料、电力、汽油等除少部分源自可再生能源,基本都是由石化能源转化而来的二次能源。这就为以碳排放为标准比较各种能源的转化效率提供了依据。

  能源的转化效率是一项实践指标,即使是同一种能源会随不同的施用过程得到不同的能源转化率。比如,在不借助碳捕捉和封存技术(CCS)的情况下,降低煤电碳排放唯一的办法就是降低度电煤耗,例如选择更高压力和温度的锅炉,从而提高煤炭能源的转化率。由于各类型汽车需要的电力、氢能源、汽油、煤制油燃料等都是由高碳的化石能源转化而来,因此通过各类交通工具的全生命周期碳排放值,间接得到各能源的转化效率显然是一种可取的指标。

  虽然锂电池电动车的碳排放会受电源结构中化石燃料的比重影响,但总体来说,在使用中还是减少了碳排放的强度,是良好的下一代交通工具。

  在采油、炼油、运油等过程中会产生大量排放和耗能,所以如果考虑以“开采、加工一次能源的碳排放、利用二次能源推进汽车行驶中的碳排放”为标尺,即well to wheel(从能源开采到汽车使用中的排放)计算的话,锂电池车和燃料电池车的碳排放比内燃机车要低更多,纯电汽车的碳排放则比燃料电池汽车更低。

  制氢过程的碳排放和煤制氢过程中的温室气体排放(无碳捕捉和排放处理)均在19Kg二氧化碳/1Kg氢气,天然气制氢的温室气体排放在8.9Kg二氧化碳/1Kg氢气。经过实测,我们发现,不到1Kg氢气就可供燃料电池汽车行驶100Km。所以,燃料电池车相应的碳排放在8.9Kg至19Kg二氧化碳/100Km。

  反观电动汽车运行过程中的排放,普通载重情况下一度电可以行驶8公里至9公里,即使全部来自煤电,碳排放一般也可控制在10Kg/100Km左右。汽油车的碳排放一般在33Kg/100Km,算上采油、炼油过程中的碳排放则会达到50Kg/100Km以上。汽油车的碳排放一般是锂电池车(BEV)的3倍,也是氢能源汽车的2.5倍左右。因此,可以认为汽油、氢能源、锂电池车BEV的能源效率也呈同等分布。

  汽油、氢能源、锂电池能源利用效率的差距主要来自于利用一次能源的方式,锂电池转化效率更高的主要原因,是从一次能源到电能再到机械能的转换步骤少,除了线损和充电损失(均可控制在10%左右),总体效率损失较少(主要损失是在发电阶段);氢能源转化效率较高的原因,主要在于其利用的方式,即氢能发电不受卡洛循环束缚,其电化学能效是内燃机的1.5倍;汽油的转化效率低,既源于其从开采到运输到石油炼化再到内燃机的用能方式,更是因为内燃机较低的热效率限。虽然内燃机汽车(ICE)已经过一百多年进化,但其热效率依然徘徊在30%左右。不过,提升热效率的努力也并未停步。


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