新能源汽車的發展前景和能效分析

徐洪流

【摘 要】目前由于工業革命給地球帶來了極大的負荷，全球能源和環境系統面臨著巨大的調整。汽車作為石油消耗和二氧化碳排放大戶，亟需進行調整與改革，新能源汽車的出現則很好地填補了這一空白，新能源汽車的主要發展方向主要包括純電動和燃料電池技術兩種，但是由于目前新能源技術尚不完善，所以目前新能源汽車多是采用油電混合、插電式混合動力作為汽車能源。

【關鍵詞】新能源汽車；發展前景；能效

中圖分類號： U469.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0187-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.079

1 我國新能源汽車發展現狀及趨勢

早在2010年我國就已經成為了第一大汽車市場，而隨著汽車數量的增多，隨之而來的能源消耗與空氣污染問題也日益嚴重，所以發展更清潔高效的能源是十分迫切的。相信未來幾年或者幾十年傳統燃油汽車將逐漸被新能源汽車所取代，新能源汽車將成為汽車的主體。

在國家政策方面，我國近些年不斷出臺新能源汽車扶持政策，對我國新能源汽車業的發展起到了強有力的推進作用，電動汽車的質量不斷趨于完好，銷售量也得到了極大的提高。這就使得我國在2015年就成為了全球第一大新能源電動汽車市場。同時我國大力發展新能源汽車建設則指出，在下一個5年，即2020年，全國電動汽車保有量將成長為現在的十倍以上，同時配套搭建好充電基礎設施，逐步形成新能源網絡。同時加大了政府對新能源汽車的補貼。

隨著氫燃料電池技術的不斷研發，氫燃料電池汽車以及加氫站等基礎設施已經在一些國家中開始進行建設了，與傳統電動汽車相比，氫燃料電動汽車具有更強的優越性，較于傳統電動汽車電池會對環境造成一定危害，氫燃料電池對于環境造成的污染幾乎為0，續航能力更強、充電速度更快。

基于以上氫燃料汽車的優點，各國都在紛紛開展推進氫燃料汽車的計劃，例如，日本作為推行氫燃料電池技術的先鋒，已經在發展發行了許多氫燃料汽車。我國在氫燃料的推動上也是十分重視，在北京、上海等大型一線城市已經開始建設氫燃料補充站，未來發展傾向就是增大投資大力發展氫燃料汽車，使其具有與傳統汽車、電動汽車相同的競爭能力。同時不斷完善制氫、加氫等配套基礎設施，使得氫燃料汽車可以實現真正意義上的上路行駛。此外政府有關部門及地方政府的推動也是功不可沒，例如一些地市推出氫燃料公交車、有軌電車等的試運行，為氫燃料車輛的發展起到了強有力的推動作用。

2 天然氣發電和制氫用于汽車的前景

2.1 發展新能源汽車需要穩定的動力來源

汽車的運行需要有能源的補充才能夠完成，電動汽車需要電源、氫燃料汽車需要氫能源。發電、制氫可以通過不可再生資源：煤、石油、天然氣等來獲取；也可以通過可再生資源：風能、水能、太陽能來制取。目前的科技發展水平，天然氣的運用具有高能效、小排放的等優勢，就使得天然氣變成了現階段新能源汽車動力源的主要原材料。

近年來隨著我國經濟的快速發展和天然氣開發技術的不斷提高，天然氣產業已經進入了快速發展時期，我國天然氣市場規模逐漸擴大，已經成為了亞洲第一大，位居世界第三大天然氣消費國。隨著天然氣消費量逐年上升，新能源汽車的不斷推廣，將天然氣作為新能源汽車的供應源，是一個很好的方式。

2.2 天然氣發電用于電動汽車的發展前景

目前我國的發電產業仍是以煤炭發電為主，天然氣發電只占相當小一部分。與其他國家相比，與世界平均水平相比，我國天然氣發電比例較低。利用煤炭進行發電會不可避免的產生許多污染物：氮氧化物、二氧化硫、粉塵等，還會產生許多煤渣，造成處理困難多消耗許多資金，從而降低企業盈利。二氧化硫的排放也會造成全球氣溫升高等溫室效應，對環境造成極大的破壞。但是較成本來說天然氣發電的成本較煤炭發電來說較高，大約為煤炭發電的兩倍以上。但是天然氣發電有其自身多種優勢：第一，發電效率高達57%，遠高于煤炭發電效率；第二，利用天然氣進行發電所產生二氧化碳排放量極低，僅有煤炭發電的一半甚至更低，氮氧化物的排放量更是只有煤炭電廠的20%，而且幾乎不派發二氧化硫及煙塵。總體來說，利用天然氣發電雖然成本高一些，但是從綜合方面考慮，從可持續發展方面考慮，其收益還是比煤炭發電大很多的。

所以我國近些年在大力發展天然氣發電以取代傳統的煤炭發電模式。我國連續發布了幾條利于氣電發展的政策，這都有利于天然氣發電的發展。例如在2012年10月31日發布的《天然氣利用政策》，文件指出天然氣發電項目屬于允許類，改變了以往被定義為限制類的情況。2015年1月14日國家印發《關于規范天然氣發電上網電價管理有關問題的通知》將天然氣發電電價上調高于煤炭發電電價，同時積極鼓勵地方政府采取對天然氣發電進行財政補貼，氣價優惠等政策，以此來鼓勵推動天然氣發電產業的發展。

隨著我國新能源汽車的發展，在未來電動汽車、電動出租車、電動公交車都會慢慢的普及開來，到時用電量將會是一個極其龐大的數字，為了更好地保障新能源汽車的長久發展，需要從現在就做好發電工作，提升發電量，減少因為發電而帶來的環境問題，否則新能源汽車的出現將會變得毫無意義。隨著電力驅動汽車越來越多，未來的充電量也將是巨大的，尤其是在用電高峰期就會更加凸顯出來，在大量車輛進行充電式，就會對電力系統產生很大的沖擊，需要從現在起就開始規劃建設，增加電能儲備以求滿足電量需求。例如在充電樁附近建立建設天然氣發電系統，來滿足電動汽車的用電需求，可以有效緩解電動汽車大量充電對于電力系統的沖擊。

2.3 天然氣制氫用于氫燃料電池汽車發展前景

推進氫燃料汽車的發展首先需要提供穩定的氫源。最為理想的制氫方式是利用可再生能源制氫，例如：生物方法制氫、太陽能制氫。利用這種制氫法可以有效地降低制氫環節對于環境的污染。但是從目前的科技發展力水平來看，這些方法已經可以應用于實驗階段，但是距離工業化量產還有較長的一段路要走。目前制氫的主要措施還是利用化石能源，也就是不可再生資源，例如：煤炭、石油、天然氣制氫。煤炭和石油制氫的造價高，而且利用煤炭與石油進行制氫還會產生大量的廢氣，對大氣造成嚴重的污染。

分布式中小規模天然氣制氫技術的應用還是比較靈活實用的，現在此項技術的運用搭建也較為成熟，中小規模天然氣制氫造價比大型天然氣制氫成本低，制氫量也可以隨著市場需求來進行靈活調配。隨著西氣東輸、川氣東送和海氣登陸等項目的建設與實施，四通八達的天然氣網絡正在逐漸完善。我國已逐漸進入天然氣大規模發展建設階段，可以利用現有的天然氣管道網絡在加氫站附近進行制氫，從而節省一部門運輸與儲存成本。

3 天然氣發電和制氫用于汽車的能效

3.1 天然氣發電用于電動汽車的能效

天然氣發電用于電動汽車的能效就是將天然氣天然氣發電效率、電網輸配電效率、電池充放電效率以及電動汽車的電動機效率全部乘在一起，得出的結果就是天然氣發電用于電動汽車的能效。

3.1.1 天然氣發電效率

目前利用天然氣發電效率最高的方式，就是采用燃氣與整齊聯合循環發電。與傳統的單純利用蒸汽發電的模式相比較，燃氣與蒸汽混合循環發電具有發電效率高、發電成本低、效益好等優點。燃氣與蒸汽聯合循環發電的本質就是：利用燃氣輪機做工后產生的高溫氣體排放到余熱鍋爐中使其產生蒸汽，再將蒸汽運送到蒸汽輪機中做工。分為燃氣循環與蒸汽循環，還可以利用蒸汽循環后的低壓低溫蒸汽進行對外供熱。

3.1.2 電網輸配電效率

電力在運輸過程中不可能做到100%運輸電力，即使是最先進的科學技術也無法保障。所以電網在進行電力輸配時會產生消耗，大概消耗率在6.5%～7.5%。

3.1.3 電池充放電效率

經過實驗研究可知，鋰離子電池的充電效率一般近乎100%，但是在放電視會受到電池放電狀態、放電功率、電池溫度的影響而出現比較大的波動，并不是一直穩定的。一般情況下，當電池組的放電深度小于80%時，電池的放點效率可以達到近乎90%，所以在對天然氣發電用于電動汽車的能效進行計算時，可以將電池的充放電效率當做90%進行計算。

3.1.4 電動機效率

電動機的效率也必然是有消耗的，不會達到100%，而影響電動機的發電效率的因素主要有兩種：轉速和轉矩。

3.2 天然氣制氫用于氫燃料電池汽車的能效

利用天然氣制氫用于氫燃料電池汽車的能效主要包括：天然氣制氫效率、氫氣輸配效率、氫燃料電池效率以及電動機效率四種。

3.2.1 天然氣制氫效率

現在普遍使用的天然氣制氫方法是采用天然氣蒸汽重整制氫法。該方法的主要制氫措施是通過：甲烷與水反應產生一氧化碳和氫氣，再利用一氧化碳與水反應生成氫氣的模式，進行氫氣的獲取。用此方法理論上可以使得甲烷的轉化率最高，達到85%左右。

3.2.2 氫氣輸配效率

氫氣在高壓強下可以儲存于壓力容器中，通過車輛運輸。用于儲存運送氫的高壓容器一般是用鋁合金作為內膽，外面纏繞高強度碳纖維，再通過樹脂浸泡、固化處理，從而保證其密封性。一般氫的運輸距離不會很遠，制氫廠距離加氫站不會很遠，所以不會經過長途運輸，氫氣的儲存時間也不會很長，一般當天就回消耗掉。所以在運輸儲存環節氫的消耗率幾乎為0。

3.2.3 氫燃料電池效率

氫氣燃燒生成能量的效率并不是很高，在理想狀態下效率最多也只是能達到80%，在氫氣的實際做功過程中受到膜電極、雜質濃度、催化劑含量、工作溫度和濕度等因素影響，其實際的做功效率比理想效率低很多，大概只在45%～60%左右。

4 總結

天然氣作為一種現階段可以直接利用的清潔性能源，以其具有的高效性被廣泛運用，隨著政府的大力推廣和城市官網的不斷建設健全，利用天然氣進行發電和利用天然氣制氫用于氫燃料電池汽車的發展，有著十分美好的未來前景。

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