用于未来道交通运输的能量途径

为了实现道路交通的环保要求，可选用各种不同的技术。在一项研究项目中，内燃机研究联合会在可靠的技术分析基础上，对能量载体和车辆动力装置不同组合的成本进行了研究。研究结果表明E燃料即使其效率并不占优势，但是在能源体系中仍具备一定的市场竞争力。

1 起因和方法

为实现到2050年将温室气体排放量相比1999年降低达80%的目标，欧盟目前正为此而努力，部分成员国如德国，在其气候保护规划中甚至已强制要求该指标在相同时期内降低达95%。因此，在广泛的专家研究范围中，内燃机研究联合会（FVV）已研究了应通过哪些能量途径才能到2050年即实现上述要求，为此已明确选择了一种技术方式来考察3种可能的能量载体与动力装置的组合（图1）：蓄电池电动车（BEV）、燃料电池车（FCV）以及制取E燃料（也称为PtX燃料，即用电能制取某种燃料）及其在内燃机领域的应用。

图1 用于所有道路交通的能量途径

为了能比较每种技术对经济发展的意义，为每种能量途径采用了一种单独的转换场景，但这并非意味着通过单一的途径即可实现高达100% 的转换效率，而仅仅是为了更好地形成研究模型。出于所使用的方法，不对基于生物质的燃料进行相关考察，即使未来其能对降低交通运输领域的CO₂排放作出贡献，但是生物燃料绝不会完全替代化石燃料。所有被考察的能量途径的起点是从电力领域完全切换至再生能量，如果因交通运输领域的附加需求而使用电需求量明显增加的话，其依然大有可为，这已被FVV早期的研究所证实。

 为了对每种能量进行比较，在本研究中分别考察了轿车和商用车每公里的行驶成本，其包括能量载体的生产和分配成本以及车辆购置的折旧成本，而不考虑其他方面的成本，特别是在车辆维修、税收和保险等方面的费用，但是实际上其已在运营成本中占据了重要份额。

2 输入参数

每一种100% 能源情景都呈现出其独特的应用条件，在考察对国民经济的意义时均需考虑到这些边界条件，因此在完全转换到BEV时应能连续地输出电能。为了克服暂时断电等现象，需通过PtX装置实现逆向供电率。在使用燃料电池的场合，应实现集中制取氢气和现场制取氢气等方式。在加气站现场制取氢气的情况下，则需考虑到现场无论是电能还是氢气都无法以大规模实现储存，为此应使用相同大小的逆向供电率。相反，集中制取氢气和E燃料却能实现大量生产，并能提供足以在为期两周的断电过程中所使用的储量。因为对于E燃料至今仍以多种碳氢化合物作为能量载体，因此本研究项目总共考察了8种不同的燃料-发动机组合。仅在使用Fischer-Tropsch（FT）方法制取燃料时，必须在紧接着的精制过程中同时生产多种燃料，此时会有两种导向，一方面是最高成本，其在进行组合时会有最不利的参数，另一方面是最低成本，其可通过组合而得到最有利的参数。

为了计算所使用的基本能量，首先将2015年德国消耗的燃料量以目前汽车动力装置的效率转化成车轮上的机械能需求（车轮能量需求量）（图2）。为了可比性起见，排除了所有可能出现的外部影响，例如货物运输需求量的增长，因此与效率无关，每种能量途径在车轮上必须有高达143 （TW·h）/a（译注：万亿瓦小时/每年）的机械能可供使用。

图2 在交通运输能力不变情况下所必需的机械驱动能量以及不同能量载体总的能量需求

能量载体的生产成本主要受到用电量费用的影响。对于PtX制取过程的断续用电而言，在最高成本的情况下当今德国北海近海风力发电设备生产电能的成本为88.10€/（MW·h），而在最低生产成本情况下2030年MENA地区的发电成本可能降低到24.26 €/（MW·h）。相反，“蓄电池供电”和“分散式制氢”的可永久供电途径的成本从100～180 €/（MW·h）起始。这些成本包括了断电缓冲所必需的“电能制取煤气”（Power-to-Gas）装置和燃气动力装置以及缓冲由于电能而降低的生产效率，而对于随之而来的工艺步骤（电解、包括 CO ₂析出和液化在内的PtX合成）中使用的装置假定其折旧期为20年。为了估算总成本，必须采取众多的假设，例如各种设备和工艺步骤的负荷率、起动时间和效率。

能量载体分配方面的投资主要取决于充电站或加油（气）站的数量和单个成本。在成本最低的情况下，5 000个完全合格的轿车加油（气）站（相当于40 000个加油（气）点）以及6 000个商用车加油（气）点。通常而言，BEV则最少需要80 000个快速充电点以及1 750万位于工作地点的交流电充电点。对于成本最低的情况，则这些数量将加倍。用于长途货运电气化的无轨电动车辆尚需架空滑接电线，还需附加投资。在成本最低的情况下，将使用长达4 000 km并配备架空导线的德国高速公路，而在成本最高的情况下，长达13 000 km的德国高速公路网仍有待实现电气化。用于全部转换成蓄电池电动车的电网需配备有足够的覆盖领域，在最佳情况下（充电时间点跟随着能量供应，无快速充电，并且例如在假期开始时不应出现峰值负荷）就无需扩建电网，相反对于成本最高的情况则必须为电网附加投资达770亿欧元，其折旧期长达40年。

出于对市场竞争的考虑，购置一辆C级汽油机轿车的成本总共为20 000 €，而按照目前的汽车价格，相当的柴油机轿车价格还要加价达2 400€。在成本最低的情况下，专家们以未来的燃料电池车和蓄电池电动车价格能被广泛接受为出发点，而对于成本最高的情况则应考虑来源更丰富的价格。根据对2030年的预测，额定行驶里程为500 km的蓄电池电动轿车的成本最多将增加11 300 €，而燃料电池轿车的成本将增加12 500 €，对于这些车辆的成本，假定其折旧期为4年。

商用车的购置成本由当今各种可选用的柴油车辆价格的平均值形成，为90 400 €。包括用于架空导线运行的缩放式集电器在内的全电气化所需增加的成本大概总共为52 000～87 500 €，使用燃料电池驱动所需增加的成本假定为36 500～125 000 €，而若转换成再生甲烷的话，则视燃烧过程的不同可带来14 000～24 000 €的利润。

3 能量需求效果

对于除了车辆购置成本之外的所有成本组成部分而言，未来的能量需求是具有决定性意义的。第一步首先可从车轮上所需的机械能和当时驱动的总效率推导出能量需求量，在保持汽车总量不变的情况下，BEV较高的效率导致每年燃料箱-车轮的能量需求量为176 （TW·h），而100% 的燃料电池车队则以307 （TW·h）的数值呈现出明显较高的燃料箱-车轮的能量需求量，各种不同E燃料的燃料箱-车轮能量需求量为431～469 （TW·h）。与此相比：2015基准年德国的总电能消耗量为每年515 （TW·h）。

对于道路交通的初始能量需求量（图3）而言，在所应用的能量载体生产过程中的转换损失是不可忽略的。即使假定逆向供电部分为20%，按期望蓄电池电驱动因直接利用电能其最好的初始能量需求量为249～325（TW·h）。这种较高的数值小于2015年德国总的初始能量消耗量3 632（TW·h）的9%。在集中制取氢气的情况下，道路交通初始能量需求量提高到502～574（TW·h），其小于德国初始能量需求量的16%。由于生产较为昂贵，E燃料处于较高的数值并呈现出较大的带宽774～1 315（TW·h）。在最有利的情况下，采取PtX方法制取的甲烷适合于道路交通的需求，但是还是小于总初始能量需求量的24%。

图3 道路交通（轿车和商用车）使用各种不同能量载体和驱动方案的初始能量需求量

对于所有能量途径开始时的电能，每种场合必须增添附加的生产能力。如果这些生产能力仅通过德国北海近海风力发电设备来实现的话（图4），那么在每台设备的最大功率平均为5 MW的情况下，在采用BEV的前提下就需要添加11 000～15000台设备投入运行，而按照连续过程的能量载体和效率的不同，在德国集中制取氢气的情况下，FCV则需要更多的设备，约为23 000～26 000台，如需供应FT-柴油或FT-汽油时仍需要43 000～49 000台设备。为了在MENA地区生产氢气和E燃料，不仅可通过风力，而且还可充分利用太阳能，因此MENA地区的能量需求通常不会折算到风力发电机组的保有量。

图4 为了满足道路交通 CO₂排放量不变的初始能量需求，需添加的5 MW级风力发电设备数量  （图中缩写含义同图3）

4 成本效果

首先只考察用于轿车的能量载体成本，如果不考虑纳税和租金的话，那么对于BEV较为有利的效率所导致的能量成本为每百公里1.99～4.68€。集中制取的氢气在最佳情况下使FCV的能量成本高出32%。使用E-甲烷行驶至少要使能量成本提高116%，而其它的E-燃料则都明显超过此值。当然，要考虑到因内燃机没有实现混合动力化，FVV专家们采用了这种比实际燃油耗更低的技术。

在分摊到轿车行驶功率的公共基础设施成本情况下，所看到的情景恰恰相反。 对于以FT方法为基础而制取的液态燃料而言，期望其没有附加的额外成本。 E-燃料的最大投资需要以每百公里0.06～0.11€的成本而折算到E-甲烷上，因而为此必须扩建加油（气）站基础设施。 在氢气进行集中生产的情况下，这种用于氢气分配的基础设施措施以每百公里0.39～0.79€的数值而得以反馈。 对于以蓄电池实现电驱动的BEV而言，就面临着每百公里0.51～2.87€的较高成本。

对于机动化成本而言，除了能量载体成本和分摊的公共基础设施费用之外，还要纳入车辆购置成本，这样就能更贴近各种场合下的实际情景（图5），其原因是车辆购置成本在总成本中占有较大的比重。 对于轿车而言，在内燃机使用E-甲烷情况下这方面的最低成本可降至每百公里28.40€，而在最有利的情况下BEV则为每百公里29.40€，同时FCV以每百公里29.90€的成本略高于前者。 采用E-燃料聚氧亚甲基二甲醚（OME）的车型的最高成本以每百公里45.10€与BEV的最高成本持平。 其最高成本也可称为成本风险，在轿车上使用E-甲烷时可降至最低，甲醇则紧随其后。

图5 在最低和最高成本情况下轿车的机动化成本（图中缩写含义同图3）

对于中重型和重型商用车而言，因其行驶功率较大，车辆购置成本的比重稍微较小一些，但是其最低成本的差别相对较小（图6），不过在加气站现场制取氢气的情况例外。在内燃机上使用二甲醚（DME）时的最低成本为每百公里70.10€。BEV的最低行驶成本为每百公里76.30€，FCV的最低行驶成本为每百公里73.60€。E-DME可实现了最低的成本风险，E-甲烷紧随其后，而BEV和FCV则相对较高。

图6 在最低和最高成本情景下商用车的机动化成本（图中缩写含义同图3）

尽管各类车型的最低成本相互非常接近，但是投资需求状况还是有区别的。转换到不影响气候的道路交通最少的最低投资是使用E-甲烷，其投资为2 700亿欧元，针对BEV的最低投资为3 600亿欧元，紧随其后的是FCV，为3 800亿欧元。在考虑到投资风险（即投资最多的情况）和工业领域的情况下尤其所产生的差别就明显有所减小。氢气和蓄电池电驱动情况产生最大的投资风险，汽车工业承担了其中的最大份额。

5 市场接受能力效果

关于在某种技术途径中的投资实际上是否能减少温室气体排放量的问题最终取决于市场的渗透程度，而用户的接受程度则是其最重要的先决条件。对于用户而言，除了机动化的成本之外，加油（充电）时间是一个重要的衡量标准。在这方面各种不同的能量载体有着显著的差别。假定蓄电池电动轿车在功率为150 kW的快速充电桩上充电，其即便仅用于100 km行驶里程，仍需长达500 s的充电时间，而在其他能源的影响下，该时间则短于30 s，因此在某些应用场合对蓄电池电能的补充是必不可少的。

此外，基于常规能源载体的掺混能有助于加速其在市场范围内的渗透。以当今的公共基础设施并考虑到即刻生效的燃料标准，目前仅对于4种所研究的E-燃料存在一定的技术可能性：E-甲烷以及采用FT法制取的汽油、柴油和LPG。当今的汽油机燃料中最多掺混体积分数为3%的E-甲烷，而当今所使用的CNG中最多掺混体积分数为2%的氢气。电流混合使用不在研究之列，但是这种方法采取插电式混合动力化的技术方式已开始得以应用。

6 结论和展望

在公开技术的考察中仍有不同的技术供不影响气候的道路交通使用，其中E-燃料就以其成本而在持续的汽车电动化过程中具有较高的市场竞争力。针对其成本的计算表明，与能量载体的生产和分配成本相比，车辆成本占有较高的比重，但是即使在市场和分配方面根据应用场合的不同成本风险依然存在显著的差别。

以研究100% 情景（即到2050年100% 市场份额）为基础的方法已被证实对于计算对国民经济具有重要意义的成本计算是恰如其分的，在研究范围内所形成的较为详细的计算工具能应用于在未来制取混合燃料。

【德】 U.KRAMER等

【整理】范明强

【编辑】伍赛特