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我国节能与新能源汽车的发展及战略

2019-05-14 16:32:35| 来源:| 编辑:| 点击:19次

我国节能与新能源汽车的发展及战略

近年来,我国汽车业发展迅猛,预计2020年前我国将成为世界上最大的汽车制造国和主要的汽车出口国之一。我国目前的人均汽车保有量还很低,是世界上汽车市场潜力最大的国家,预计2020年汽车保有量将达到1.3~1.5亿辆。但是,当我国刚刚到达汽车社会门槛,车用石油消费在石油总消费中的比例还大大低于世界平均水平时,我们已经感受到了石油供应的日益紧张。2000年以来,汽车(包括农用车)汽油、柴油年消费约占我国汽油、柴油消费总量的一半,石油消费的1/3左右。这一数据说明:车用汽油、柴油消费总量与石油消费总量同步快速增长。由于汽车市场的持续升温,石油安全风险不断增大。再有,根据国际平均水平和我国现状分析,我国车用汽油、柴油消费占石油总消费比例还将有大幅增长。此外,我国目前车用燃油消费总量与汽车保有量之比偏高,即汽车的油耗量偏大。同时,车用石油消耗所产生的空气污染和CO2排放也正在变成愈来愈严重的问题。这充分表明,我国所面临的石油安全与交通能源问题将会愈来愈严峻。

对于我国汽车能源面临的危机和严峻挑战,我们采取的对策应该是综合性措施,应当采取立足两条腿走路:一方面,发展节能汽车以解决现阶段产业发展、能源紧张和节能环保问题;另一方面,开展新能源汽车研究,实现车用能源多元化,保障汽车能源的可持续供应。

发展节能汽车——我国汽车能源动力系统发展的战略选择之一

现在,我们应优化现有以石油和内燃机为基础的车用能源动力系统,重点发展直喷式内燃机及其混合动力系统,发展节能汽车。关键的节能汽车能源动力技术如下:

(一)高效柴油发动机技术

轿车柴油机节能效果与汽油混合动力不相上下。据国务院发展研究中心分析预测,如果2020年我国柴油轿车发展到乘用车的20%,则当年可节约燃料1880万吨。为此应当在我国发展先进的柴油轿车,但是必须解决好排放控制关键技术问题。

其主要包括:柴油机电控技术,排气后处理技术、清洁柴油与代用柴油技术。柴油机电控高压燃油喷射系统和电子管理系统,是绿色高效柴油机核心关键技术,应当大力发展。柴油机排放控制技术中,废气再循环技术(EGR)较成熟,效果显著,应尽快推广使用;微粒捕捉器技术(DPF)2010年前将会在欧洲柴油车普及,我国需加快应用速度;氮氧化物(NOx)催化转换器技术路线需要慎重选择,深入研究。

(二)节能汽油发动机技术

当前,我国的轿车基本上是汽油轿车为主,现采用的轿车汽油发动机还有相当的节能潜力。汽油发动机节能技术的发展呈如下趋势:缸内直喷技术、电辅助增压、电动气门、可变压缩比、停缸控制技术等将会在今后五年进行规模产业化。

以日本为代表的非均质直喷技术面临燃烧稳定性和后处理等问题,以欧洲为代表的均质直喷技术正在兴起。

电动气门与无凸轮发动机技术也在突破之中。电动气门具有与电控喷射同等重要的意义,它将给发动机空气系统控制和循环过程管理带来一系列节能技术变革,如取消节气门,可变压缩比、部分停缸等。

在中小城市和农村,摩托车和三轮摩托车是主要个人交通工具,保有量已近1.5亿辆,其节能环保水平亟待提高,其升级换代趋势值得关注。有针对性地开发具有中国特色的超微型节能汽油机,具有重要的节能意义和市场前景。

(三)先进的混合内燃机技术

先进内燃机的发展呈现多重混合化趋势。

1、燃料供应的混合

常规汽柴油与代用燃料混合。以常规汽柴油为主,将各种代用燃料,包括醇醚燃料,与汽柴油掺混并进行适当设计将会成为主流燃料技术。

2、燃烧方式的混合

汽油机均质充气与柴油机压燃方式混合。以燃料混合和控制技术为基础,综合汽油机和柴油机两种燃烧方式优点的均质压燃(HCCI)内燃机技术正在兴起。

3、输出功率的混合

内燃机与电机功率的混合。新型集成化大功率启动电机/发电机一体化装置与新型电源系统技术,既是内燃机电控技术的扩展和深化,也是复杂混合动力传动系统的基础模块技术。内燃机的混合化是连接现有汽车节能环保技术与新能源汽车技术之间的桥梁。

发展新能源汽车—我国汽车能源动力系统发展的战略选择之二

(一)全球交通能源动力系统的变革及趋势

历史上,交通能源动力系统变革一直处于技术革命和经济转型的核心位置。19世纪,煤和蒸汽机火车引发了欧洲的工业革命,开创了人类的工业经济和工业文明;20世纪,石油和内燃机汽车促成了美国的经济腾飞,把人类带入了基于石油的经济体系和物质繁荣时期。进入21世纪,石油类型的交通能源压力日渐突现,环保环境压力也日益增大,客观上导致以替代燃料和混合动力为代表的各种新型汽车能源动力技术迅猛发展,形成了所谓的新能源汽车,这些新型汽车能源动力技术相互竞争,引发了一场新的技术变革。

这场以汽车能源多元化为核心的能源动力系统变革主要有以下三大趋势:

(1)基于可再生能源的生物燃料对于各种车辆具有良好的环保和适用性,已成为各国共同推广的新型燃料。

(2)混合动力作为新型汽车能源动力技术平台继承了内燃机技术,结合高效洁净的电力驱动方式,既充分利用现有燃料基础设施,又能包容各种新型燃料,现已成为新型动力汽车产业化的里程碑;

(3)燃料电池是一种新兴能量转换装置,尽管存在很多需要克服的技术障碍,作为汽车能源动力系统的远期解决方案仍然被全球所看好。

(二)发展新能源汽车,这一技术变革为我国交通能源动力系统变革提供了历史机遇,也是我国汽车工业可持续发展的必然要求。

一是我国的资源和能源状况适合发展新能源交通动力系统。我国缺油、少气、多煤,这一结构特点给交通能源可持续发展带来了严峻的挑战。具有各自特性的多种替代燃料,可以充分发挥我国地域辽阔和资源多样性的优势,可因地制宜发展基于煤炭的燃料工业、基于生物质的农业能源和基于天然气的各种气体燃料技术,从而实现交通能源多元化及来源的多样化。在我国大中城市,汽车燃料基础设施比较集中,也有利于燃料清洁化管理和监督。

二是我国具有实现交通能源动力系统变革的后发优势。尽管发达国家政府均大力推动各种代用燃料汽车的应用,以及向氢能燃料电池汽车动力系统的转型,但是其有传统汽车产业庞大、石油基础设施完善、消费习惯难以转变的诸多制约,实施转型社会成本高昂,转型难度很大。我国汽车工业刚刚发展起来,汽车普及率低,因而在汽车动力系统发展战略选择上,有更大的自由度。在新能源汽车研发和产业化方面比较具有优势。

三是实施汽车能源动力系统变革,是多年来我国发展清洁汽车和电动汽车的战略总结。“九五”期间,国家科技部等相关部委组织实施了“清洁汽车行动”,取得了重大阶段性成果。目前,全国已有燃气汽车近30万辆,年替代石油150万吨,而且天然气汽车呈现快速增长势头。“十五”期间,科技部组织实施了“电动汽车重大科技专项研究”,国家投入8.8亿元,初步形成了官、产、学、研合作机制。目前,小型纯电动车辆已经开始小规模产业化,混合动力汽车已有多个车型通过国家认证,燃料电池汽车已进入示范考核运行阶段;自主开发的燃料电池、动力蓄电池、驱动电机和电子控制系统已具备批量化生产能力,这些为我国汽车能源动力系统转型战略的实施,奠定了坚实的技术和实践基础。

(三)汽车能源动力技术的变革是一个比较漫长的过程,我国开发新一代车用能源动力系统,发展新能源汽车应采取的步骤:

(1)重点发展各种液体代用燃料发动机及其混合动力汽车,逐步过渡到采用生物燃料及可充电的混合动力;

(2)进一步发展以天然气为主体的气体燃料基础设施,分步建设长期可持续利用的气体燃料供应络;

(3)以天然气发动机为基础,发展各种燃气动力,尤其是天然气、氢气内燃机及其混合动力;

(4)发展新一代燃料电池发动机及其混合动力,到2020年,达到规模商业化水平;

(5)大力推进动力电池的技术进步,发展适合中国国情的纯电动车尤其是微型纯电动车。要以城市公交车辆为重点,以点带面,稳步推进新能源汽车的示范与商业化。

(四)车用新能源开发和转型的方向及重点

车用能源转型的方向应从石油、天然气/煤层气、煤基燃料向生物质燃料、化石能、核能及可再生能源制氢和发电过渡。

从资源来源看

我国节能与新能源汽车的发展及战略

,中长期车用石油替代燃料的主体将来自三方面:煤基燃料、生物燃料和天然气燃料。到2020年,总量将可达到3000万吨以上,占车用燃料总消费的15%~20%,与欧盟的预期目标基本相同。

从车辆应用角度看,车用代用燃料主要有三类:含氧燃料(醇、醚、酯)、合成油(BTL、CTL、GTL)和气体燃料(甲烷气、合成气、氢气)。

(1)含氧燃料技术成熟,是近期推广应用的重点,一般以掺混使用为宜。

(2)合成油与现有车辆技术体系和基础设施完全兼容,而且是一种优质的环保燃料。其技术也还有较大的改进余地。从中长期看,将成为一种主体代用燃料。

(3)气体燃料中,①甲烷气是近中期的重点,以天然气为例,2020年,我国天然气供应量可达到1200亿立方米以上,如拿出10%左右用于汽车就可替代1000万吨左右汽柴油;②合成气是各种一次能源通过气化工艺制成的富氢气体,是各种汽车新型燃料的原料气,也可直接用作车用燃料,在车用能源转型中发挥着关键作用;③氢气是一种原料来源广泛、尾气排放为零的环保燃料,是车用能源转型的战略目标之一。要在国家中长期科技发展规划纲要中明确,要从基础科学研究、前沿技术创新、工程应用开发等多个层面实施对氢能技术的重点突破。

(五)汽车能源动力系统转型的基础平台---混合动力技术

近年来,汽车动力系统最大的突破是混合动力技术,它为汽车动力系统的转型奠定了基础平台。采用混联式汽油混合动力系统的轿车,城市工况可节油40%左右,优于柴油轿车,还尤其为城市工况的排放控制提供了有效的新途径。

今后,混合动力的发展将呈现两大特点。

一是轿车混合动力的模块化愈加明显,逐步推进汽车动力的电气化,演化进程表现为:微混合→轻混合→深混合→全混合。“微混合”只具备自动启停、怠速关机功能。“轻混合”以并联式混合动力发动机为主体。“深混合”以混联式为特征,随着电功率的比例逐步提高,混合程度不断增强,最终过渡到可充电式的串联式“全混合”。

二是城市客车混合动力系统的平台化趋势。发电机组+驱动电机+储能装置构成了混合动力系统的基本技术平台。通过换用不同的发电机组,适应从汽、柴油内燃机到氢能燃料电池各种不同的能源动力转化装置,形成油电、气电、电电各种不同混合动力,促进动力系统的平稳过渡与转型。

(六)汽车能源动力系统转型的关键与瓶颈

汽车能源动力转型的关键与瓶颈是动力蓄电池和氢能燃料电池。

(1)动力蓄电池同时涉及混合动力、纯电动和燃料电池三种电动汽车,因此能源动力系统的转型将强烈依赖电池技术的突破。目前,新型动力电池尚不能很好地满足汽车使用要求,已经产业化的国外混合动力轿车用的动力电池,也还存在初始成本高,使用寿命短等问题。尽管混合动力的产业化,将会大为促进动力电池的技术进步,但是近三十年来车用动力电池研发的经验表明,其技术进步过程将呈现出长期、稳步和渐变的特征。

(2)氢燃料电池系统是最具效率潜力的车用发动机,并能带来全新的汽车设计概念。据IEA2004年统计,在全球能源科技研发公共资金投入中,约有12%投向了氢能燃料电池。近年来,燃料电池汽车技术得到了快速的发展,但是,车用燃料电池商业化还面临一系列重大挑战,电池寿命仍需提高1~2倍,还有储氢、氢源基础设施等重大问题有待解决。目前,全球正在为燃料电池产业化而继续努力,我国在氢能燃料电池技术竞争中,处于除日本、加拿大、美国之后的第二行列。

总体上讲,燃料电池是车用动力系统的一个长远解决方案。美国正在实施国家计划,目标是到2015年,使燃料电池型城市客车占到新增公交车的10%。相比而言,城市公交在我国更具战略地位,我国大客车产业更具国际竞争力,应当把燃料电池型大客车作为燃料电池型汽车商业化的突破口。

(七)我国新能源动力汽车发展进程展望

综合国内外各种研究预测以及我国具体国情和发展现状,可初步展望我国汽车能源动力系统的转型趋势:

(1)2010年左右,随着石油价格上涨、燃油税征收以及排放法规与国际接轨,我国汽车能源动力系统技术转型的转折点将会出现。以混合动力和混合燃料为主体的车辆产业化高潮将会到来。

(2)2020年左右,随着常规石油供需缺口的出现,CO2政策法规的实施,以及燃料电池等新型能源动力技术的进步,我国汽车能源动力系统技术转型将取得进一步突破,燃料电池轿车产业化可望兴起。

(3)21世纪上半叶,基于各种液体燃料及其基础设施的先进内燃机与混合动力车、基于各种气体燃料及其基础设施的燃气与燃料电池车、基于电燃料及其基础设施的纯电动车将会长期并存。其中先进内燃机与混合动力车将占主导地位,其余新能源汽车约能占到总销量的1/3~1/2。

结论

在汽车工业跨国界化,全球汽车交通能源面临重大挑战的21世纪,我国汽车工业唯有坚持节能降耗和开发新能源并举的双重战略举措:一方面发展节能汽车,以解决现阶段产业发展、能源安全和节能环保问题;一方面大力发展新能源汽车,实现车用能源多元化,促进汽车工业的可持续发展,保障我国汽车工业沿着中国特色之路逐步走向世界前沿。(哈尔滨哈飞汽车工业集团有限公司)

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