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评论 || 杨裕生:实现“双碳”目标应发展的汽车动力技术

发布时间:2022-08-04 14:49:11   来源:中国汽车报网    浏览次数:

习近平主席代表我国多次庄严承诺:“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,明确了实现“双碳”目标的方针。笔者认为,“完整准确全面”6个字既是贯彻新发展理念的要求,也为实现“双碳”目标指明了方向,针对的是节能降碳中出现的片面性、模糊性、概念化问题。
  在我国,交通运输领域是二氧化碳的排放大户,碳排放占比约9.9%,对实现“双碳”目标有着不可推卸的责任。笔者想就“完整准确全面”实现“双碳”目标,探讨汽车动力应该发展的技术。
  运输工具电动化,有助于减少二氧化碳排放。但是,不同的电动技术路线有不同的节能降碳效果。笔者认为,汽车电动化要选最降碳的动力技术路线。长续驶里程纯电动车装的电池多,制造电池所用能耗多;车重耗能高,节能降碳效果不佳;还需解决里程焦虑、安全焦虑、充电焦虑、价格焦虑、电池寿命焦虑这五大焦虑。因此真正节能降碳的电动汽车技术路线是:以微小型纯电动车为突破口;大中型车发展纯电驱动的增程式。
  微小型纯电动车可使用铅酸电池、钠离子电池做低速车,也可使用锂离子电池做高速车。增程式电动车是在纯电动车基础上并联一个发电装置(不是串联,所以不能称“串混”),构成纯电驱动系统(没有动力的混合,所以不能称“混合动力”),发挥电池与车辆发电相结合的优势,可比燃油车节油50%,比纯电动车能效高、排放少,而且能解决纯电动车的五大焦虑。在笔者看来,增程式不是向纯电动车的过渡,而是恰好相反——纯电动车将向增程式升级。未来,增程式电动车不烧油,改烧由生物质制成的乙醇和可再生能源发电转化二氧化碳制成的甲醇,可实现碳中和,且节能。
  为了实现2030年碳达峰,要加速发展以下6种汽车动力技术:一是高热效率内燃机技术,目标是让内燃机的热效率达到50%以上,为仍在大规模使用的燃油车降碳,同时要发展排量在1.0升以下、少于4缸的小型高热效发动机,降低振动和噪声。二是为增程式车研发“三合一”的发电技术,实现内燃机-发电机-控制器一体化,简化结构,减轻重量,提高能效。三是轻小型高效率燃气轮机-发电机一体化技术,目标是发展体积小、重量轻的燃气轮机用于增程式电动车,在电池启动车辆后发动燃气轮机,燃气轮机以恒功率发电与电池并联,相得益彰。四是合理功率冗余量的汽车设计技术,目的是改变功率冗余量过高的传统设计习惯,为汽车配置合理功率的发动机,减轻重量,节能降碳;同时可限制超速行驶,提高安全性;对于载重车,还可消除任意改装加大载重量,减少因严重超载损毁公路的现象。五是高安全、廉价、减排的动力电池技术,进一步提高磷酸铁锂电池性能;将钠离子电池引入电动汽车(特别是增程式车);发展资源丰富、价格低廉、易于处置的有机电池。六是优化动力系统的控制技术,充分发挥计算机功能,进一步提高汽车节能降碳水平。七是高安全、高能效、长寿命储能电站技术,有效利用可再生能源发电,削峰填谷,为纯电动车充电;铅碳电池应成为大规模储能的首选,同时应大力发展新型水系储能电池。
  为实现2060年碳中和,汽车动力需普遍电动化,节能的增程式车应成为主流车种,其所消耗的能量必须全部来自太阳,汽车动力应发展的技术也有6种。一是近零排放制醇技术,目标是以醇代替石油产品。生物质制乙醇有3个技术渠道:将年产9亿吨秸秆转化为1.3亿吨乙醇,发展廉价的酶转化技术;发展不与粮食争地的甜高粱制糖技术;用陈粮制乙醇-酒糟保存全部蛋白质用作饲料的综合利用技术。可再生能源发电-转化二氧化碳为甲醇有两个技术渠道:电解水制氢加二氧化碳的技术;电解还原二氧化碳为甲醇的技术。此外,还可发展其他新技术。二是增程式专用燃用乙醇、甲醇的高热效发动机发电技术,目标是针对醇类热值低的特点,发展热效率大于50%的内燃机。三是高效发电机、电动机技术,目标是提高电机比功率,减重节能;提高能量转换效率,节能降碳。四是高安全、长寿命、绿色电池的储能电站技术,集铅碳电池、液流电池、锂离子电池三者的优点,避三者缺点,使储能电站更安全、更节能降碳。五是VG2G技术体系,以应对因长期阴雨天太阳能发电不足问题。VG2G是“车辆发电到电网”的简称,此处的车是指装有发电机的增程式车,可以统一调度持续若干天发电补充电网缺口,其容量和寿命均远大于V2G(车辆电池到电网)。六是废旧电池的处置和材料再生技术,目标是以最小的能耗、有盈余的工艺回收废电池中的全部有用材料,且不对环境造成污染。
  至于燃料电池,笔者认为其并非是有竞争力的增程器。燃料电池电动车必须有动力电池与燃料电池并联,以适应行驶中功率的变化,实际上是以燃料电池为增程器的增程式电动车。既然如此,燃料电池就必须与其他增程器“竞争上岗”,确有过人之处方有一席之地。遗憾的是,事实并非如此。近年来,日产和本田两大汽车公司相继宣布停产燃料电池电动汽车,它们做出这样的决断,必然有其原委。总之,必须完整准确全面评价燃料电池电动车的能量转换效率、二氧化碳排放、实用性、性价比,消除片面性、模糊性、概念化。
  笔者还认为,内燃机能够为实现“双碳”目标做大贡献。内燃机将是长期使用的动力装置,应该大力发展高性能内燃机技术。虽然石油产品在车船中用量减少是大趋势,但在今后相当长时间里仍是重要能源,提高内燃机的热效率对节能降碳有着立竿见影的效果。另外,完全源于太阳能的乙醇、甲醇是未来的主要能源载体,通过热效率高、价格低廉的燃醇专用内燃机转换成动力,从长远看,有着很强的竞争优势。尤其是电池与内燃机发电并联的增程式技术,能发挥两者互补的优势,节能率高,是今后车船的主要动力,高热效的内燃机是节能降碳的主角。任何轻视、忽视、短视内燃机的倾向都是错误的,均不可取。
  综上所述,大力提高内燃机的热效率,不仅对近期节油很重要,而且对远期使用醇类的降碳也很关键。当前,动力电池生产是高耗能产业,电动汽车要节能降碳,必须从减少电池用量开始,而不是片面追求长里程而多装电池,或拼命提高比能量而增加危险性,其出路应该是电动汽车的微小型化和采用增程式。用新技术装备的增程式电动力,不是向纯电动的过渡,而是车船实现“双碳”目标的主力技术。燃料电池电动车作为增程式车的一种,部分地区有易于纯化的副产氢(如氯碱工业),可以废物利用、适度发展。
  (作者杨裕生系中国工程院院士)