EV、FCV与CNGV三种未来汽车能源的比较

东京车展上各整车厂的主张及其验证

2014/01/06

概 要

  说到东京车展上展出的概念车的倾向,普遍认为EV明显减少。发动机由于可实现低燃耗,目前仍获得多数支持,但新一代车辆会将是EV、FCV、CNGV中的哪个呢?本报告根据社会需求,对各技术在原理上的优劣进行了比较。此外,随着页岩气开采技术的进步,天然资源的分布图被改写,利用页岩气的CNGV无论是在发达国家还是发展中国家都有望普及。其优异的燃烧特性及低廉的价格都能使天然气成为新能源车最佳的燃料。

相关报告:
▽2013年东京车展:

· 日系整车厂:概念车
· 日系整车厂:微型车与上市车型
· 日系整车厂:发动机与商用车
· 配套厂:EV/HV相关零部件 · 配套厂:安全配置及提高燃效 · 外资整车厂

 



本报告的目的:分析各种新能源的优劣

  纯电动车(下称EV)的市场与预期相反,并未扩大。蓄电池的能力有限,作为车辆的实用性不佳,价格以及维护成本较高,成为EV普及的障碍。与此相对,丰田、本田相继宣布2015年将发售燃料电池车(下称FCV)。FCV通过搭载发电装置(Fuel Cell不是电池,是发电机),尝试改善续航里程。但其价格高于蓄电池EV,因此在产量方面没有大量满足市场需求的计划。

  现如今电动车辆似乎走进了一个死胡同。而全世界关注的另一个焦点是清洁能源车,即以压缩天然气为燃料的汽车(下称CNGV)。天然气的主要成分是甲烷,下文将介绍其多方面的优势,广泛应用于各个行业。随着近年来开采技术的提高,页岩气的大量上市使价格下跌,同时有助于摆脱对石油国家的依赖,可说是具有革命性的意义。

  本报告对上述3种新能源车的优劣进行考察的同时,还将详细介绍具有巨大优势却鲜有关注的CNG车。

 



2013年东京车展:概念车动力来源的变化

  当今社会网络信息泛滥,但作为了解日系整车厂未来发展方向的途径,车展仍具有较大意义。这是因为,车展是汽车的制造销售方与购买使用方双向交流的场所。2013年第43届东京车展的一个重要的主题是在概要中提到的新能源,各整车厂在此次车展上揭示了其新能源方面的方针。与不久前举办的法兰克福车展的比较,在了解了欧洲的动向后更让人兴致勃勃。


  关于未来能源,各整车厂的开发及上市销售方针并未提出全面开展的内容。如果不找准对象,开发工作量及费用将变得十分庞大,即使是大型整车厂也不一定能够负担。下表是两车展上展出的日系整车厂概念车数量与不同原动机的比较:

 

东京车展 法兰克福车展
2013
2013 (2011)
汽油 :
HV :
EV :
FCV :
CNGV  :
16台
7台
3台
2台
1台
( 3台)
( 3台)
(10台)
( 2台)
( 0台)
12台
8台
2台
0台
4台

(MarkLines统计的概数。仅限乘用车,不包括上市车型及竞技车辆)


  普通发动机配套车在2013年占据绝大多数比重,重新恢复了其在市场上的地位。普通发动机车近期降低燃耗的效果显著,燃效直逼混合动力车。而混合动力车则将重心逐渐从燃效转移至动力性能(瞬间增加电力,提高加速性能)。

 其他动力种类的车辆出现以下倾向:


 *EV:展示数量显著减少。2011年东京EV展的车型主要是普通尺寸的乘用车车型,而相对于此,2013年东京车展上展出的3台车辆只有超小型车及轮距较狭窄的变形车辆,电动车辆似乎已经陷入小众的窘境。

i-ROAD MC-β ブレイドグライダー

(左起分别是前后各1座的丰田i-ROAD、长2.5m x 宽1.3m的2座本田MC-β、前轮轮距极其狭小的3座日产Blade Glider)


  *FCV:两届东京车展上都只有丰田与大发展出FCV。双方以2015年前后投放市场为绝对目标,持续开发,但截至车展仍未具备与其他动力车型竞争的能力。业界及政府对氢社会的期待是推进FCV事业的背景,形成了汽车产业拉动氢气产业发展的局面。

  丰田2008年限量销售的FCV基于SUV,到2015年量产的FCV将努力缩小至普通乘用车的尺寸。尺寸与燃料电池组的尺寸相当,但输出功率翻倍,燃油箱数量减半,并削减了成本等,提高了关键技术。

  本田的燃料电池车未在东京车展展出,而是在同时期举行的洛杉矶车展上亮相。此次未发布技术上的重大突破,车辆是实体模型,规格(电池组功率密度 3kW/l,总输出功率 1000 kW 以上,续航里程480km以上,氢气罐最高填充时间3分钟)也仍是丰田车一贯的规格。此次发布只是一次例行公事。

  上述2款车型都是以氢气燃料为前提,因此正在考虑采用非氢气燃料的大发则有必要大书特书一笔。其目的在于取消使用氢气时所必需的FC内铂催化剂与高压罐,这在微型车的配套以及成本方面都极具优势。开发周期预计将长于氢燃料电池,大发未提出到2015年前后发售的计划。

# # #

大发的FCV概念车“FC凸DECK” —— 外观(左),座椅下搭载的燃料电池(中),燃料电池组的切割模型(右)


*CNGV:
法兰克福车展上,除了CNG乘用车的两大整车厂菲亚特与大众集团以外,欧宝、戴姆勒等整车厂也展出了新CNG乘用车。日本对CNG的关注度较低,因此没有期待在东京车展上能看到CNG车,但马自达展区仍展出1台CNG发动机试制车(详情后述)。 


 能源方面,如要整理各日系整车厂方针的相似之处,按照以下分为4组2家之间进行比较,更容易把握:

1.  先行投放EV上市车型的EV组:
   日产推出EV商用车及超小型车
   三菱:并用电动驱动系统及发动机(PHEV),补充EV的缺点
2.  推迟EV的量产时间,阐明追求新能源的全球知名整车厂组:
   丰田:宣布有意向到2015年发售燃料电池车
   本田:在洛杉矶车展上表达了与丰田相同的方针,计划到2015年发售EV
3.  目前仍推进内燃机燃耗改善的微型车主力组:
   铃木:电动化方面,仍停留在以发动机为主体的混合动力车
   大发:试制非氢燃料FCEV,提出不同于普及氢气基础设施的方案
4.  注重驾驶乐趣组:
   斯巴鲁:延迟EV发售计划,保持现有的产品路线
   马自达:以内燃机为重心,发展乙醇及CNG等新燃料

 

<马自达 3 SKYACTVIE-CNG 概念的概要>

  新Axela(在海外市场称为“马自达 3”)作为全球战略车型,搭载各类原动机,基于针对各国不同燃料的“多重解决方案”。继汽油、HV、柴油之后,马自达又宣布推出乙醇(混合率85%的E85燃料)及CNG版本,在此次车展上展出CNG版试验车辆。主要规格如下,但由于尚处试验阶段,因此(尚未取得认证)也有可能会产生变更:

*汽油或CNG都可行驶的双燃料发动机
   ‐还配套基础汽油系統与向进气管内输送CNG的气体系統
   ‐通过驾驶座AT变速杆底部的开关切换燃料
   ‐下述燃油箱及喷射器等CNG专用零部件的配套厂是美国Quantum Technologies(据MarkLines推测)

*天然气车使用内压20 MPa的75升高压气体罐
   ‐未尝试天然气的液化配套,计划尽早实现上市销售
  (部分长途卡车厂商正考虑可-162℃保温的液化气罐)

# #
上左:增加了CNG系統的发动机室
上右:包括发动机的基础车型是Axela
左:从发动机室内略下方视角拍摄的图片。
  可看到2种燃料系统
# 左:利用名为"GAS"的按钮切换燃料
分格曲线显示罐内CNG的余量
#

 

 



天然气与甲烷的普遍特征

  马自达尝试的CNG是资源量丰富、在全世界受到瞩目的可称之为“页岩气革命”的燃料,在车展上的宣传受到关注。主要成分是甲烷的天然气的利用本身并非新鲜事,但理解其优势之大非常重要,以下概括了其优势:

<物理性质与资源量>

  甲烷的分子结构是碳氢化合物中最简单的(CH4),因此在自然界的各种地方生成、埋藏:
  ‐来自油田、煤矿、页岩层等化石燃料的天然气的主要成分
  ‐从地下水合物层解冻分离
  ‐有机物的发酵等随时在自然界发生
  ‐与石油不同,也可人造

<应用上的优势>

  具有纯净、均质、低碳比例等化学特性,因此具有以下优势:
*由于储量丰富、易生成,即使长期大量供应,也不必担心资源枯竭。
*基于上述理由,该燃料价格较低廉。
*资源量丰富,分布均匀,可实现能源自给
*燃烧特性优

   ‐CH4与石油相同,也是碳氢化物,因此可以汽油、柴油发动机为基础,通过小幅改动设计发动机,使用、维护及修理方面也可采用已有的技术
   ‐尾气相对清洁--- 相对汽油燃烧后的尾气,CO可削减70-90%,NMOG(HC)可削减50-75%,NOx可削减75-95%。此外,几乎不产生烟尘。
  这是由于CH4分子内有1个C和4个H,氢元素的比例较高,且气态燃料在燃烧腔内可形成非常均匀的混合气体,CH4不会产生光化反应,因此不属于限制对象等。
   ‐辛烷值较高,且会形成均匀的混合气体,因此不会产生爆震音,实现安静的驾驶:
  相对于甲烷的辛烷值118,日本国内常规汽油的辛烷值是91
   ‐燃耗、CO2排放量少:据悉,由于甲烷的特性,CO2的削减率可达20%。



  谈到其缺点,包括发热量较少、气体运输效率低等:
*与LPG不同,液化时需要非常高要求的高压及低温。因此以气体的形态搭载于车辆时,气罐的容积会变得非常大。
*发热量较低,为8000 kJ/L,(汽油为32520kJ/L)
*在发动机中向进气管输送气态燃料时,发动机容积效率会降低10-15%。
  在同一排量下比较,相当于最大输出功率降低10-15%。


  但这些缺点并非使像延长EV续航里程那样难以克服的技术,根据需要,可在允许范围内升高发动机的排量、增加气罐。曾在日本国内销售过的CNG乘用车的输出功率最高达190kW (258马力),其中多款车型的续航里程在300-350km (10-15标准)前后。

<各国CNGV的普及情况>

  具有这些巨大优势的天然气车辆正在各国普及中。目前CNGV保有量前13位的国家中的汽车发达国家为德国、日本。法国、意大利、西班牙的保有量不到日本的四分之一。

 

国家 CNGV 保有量 CNG 加气站
所有汽车 乘用车、轻型商用车 总数 公营 私营
伊朗 3,300,000 3,293,948 1,992 1,957 35
巴基斯坦 2,790,000 2,609,500 2,997 2,997 0
阿根廷 2,244,346 2,244,330 1,916 1,916 0
巴西 1,743,992 1,743,992 1,793 1,793 0
中国 1,577,000 1,089,070 3,350 3,150 200
印度 1,500,000 1,469,004 724 405 319
意大利 846,523 843,023 959 912 47
哥伦比亚 450,633 427,173 692 692 0
乌兹别克斯坦 450,000 450,000 213 213 0
泰国 413,047 345,881 488 462 26
乌克兰 388,000 19,400 324 132 192
玻利维亚 254,722 254,722 156 156 0
美国 250,000 231,400 1,438 535 903
...
德国 (19位) 96,349 94,707 915 844 71
...
日本 (23位) 42,590 16,564 314 274 40
NGV国家 17,730,433 16,310,105 22,162 19,779 2,383

展出:NGVA Europe 2013.9.23


  从该表可看出如下趋势:
*无论是发达国家还是发展中国家都在普及CNGV。
*天然气车保有量较多的国家中,除了乌克兰与日本以外,主要依靠小型车辆拉高了总保有量。
*天然气站的数量排名与保有量排名略有不同,但车辆多的国家基础设施基本上也进行了普及。只有德国,相对于保有量,公营加气站的数量较多。


  在日本,行驶固定路线的公交车及垃圾车等大型车辆占多数。

 



3种新能源车的比较 - 能源转换效率

  EV、FCEV、CNGV被看做是新一代汽车的候选,除了作为汽车驾驶性能优,还能有效利用能源资源,甚至从能源安全的角度也具有优势。因此在评估其优劣时,必须结合这些特点进行综合比较。

  首先需要从天然资源的开采(Well)到汽车行驶(Wheel)所有环节的效率评估。参看下图:

天然資源から車両までの総合効率比較


      MarkLines基于丰田汽车发布的资料制作而成
      效率数值出处如下:
      *黑字:丰田汽车调查
      *红字:日本能源经济研究所向经济产业省提交的报告
      *蓝字:东京电力(利用发电第一阶段的排气废热的复合循环案例)



  上图显示了“只要基于相同的天然资源,无论使用哪种原动机,综合效率都相差不大”的结论。除上图以外,还有其他各类效率数值,上述数值来自政府引用的多个案例。填充至车辆前的能源制造技术是流动性的,且效率上有很大的波动幅度,实际燃烧时的效率也由于发动机、燃料电池、电机特性的不同,使用负荷极限的不同而有很大的不同。因此截至目前,各类效率的差距低于10%,无法精确判断孰优孰劣。

以下将把图中容易曲解的要点进行说明:

*EV的效率绝对不高
  电动车辆的车辆效率(图中肉色的部分)确实高,经常作为EV的优势进行宣传,但无法与发动机的热效率直接进行比较。输入电机的电能不会像燃料那样处于保存状态,而是在发电机中处于激发态(因此无法像燃料那样稳定储存),因此将发电效率算入车辆效率是正确的处理方法。

*用于高压填充燃料的能源远大于想像
  燃料电池的最新规格的气罐压力为70 MPA,是较为少见的高压,因此供应车辆时仅压缩这一环节就要消耗氢气本身15%的能源。这部分能源不会作为动力回收,而是在燃料电池恢复到正常压强时自然损耗。

*能源在储存过程中也会产生损耗
  气化氢非常容易泄漏(称为Boil off,蒸发汽化),每天损耗量达4%。此外,电能无法像燃料那样稳定保存,会由于蓄电池的自行放电造成损耗。这些损耗根据储存时间的长短有所不同,因此无法简单计算,也是实际应用时EV、FCEV的综合效率降低的主要原因之一。

 

 



3种新能源车的优劣

  如上述,截至目前各类能源之间效率的差距在1-10%之间,较难评估其优劣,因此无法判断CO2的排放量。社会对新能源的需求本身也不在于CO2的排放量,而是希望通过能源的完全转换,提高安全性。以下列举了各类车辆在这些方面的优劣:

1.天然资源的持续性与能源安全

  EV:可利用各类能源进行发电,因此可持续性最高。此外,在自然能源及生物量等化石能源匮乏的地区选择也较大。

  FCV:将电力转换为可储存的氢气,这是氢社会的基本构想。因此上述电力的优势也适用于FCV。但是,虽然利用能源的灵活度较高,但氢气制造效率较低,因此最好是直接利用电力。另一方面,由于一些发电站无法频繁启动和停止,其供需差会产生剩余电力。自然能源为间歇性的,不适用于系统整合。如利用这些电力来制造氢气或许就有意义了。

  CNGV:甲烷的来源不仅是天然气。甲烷以各种形式埋藏于地中,通过自然界的发酵现象等生成,具有长期稳定供应的优势。

 

2.基础设施完善

  EV:EV用户会在每户住宅设置充电插口,因此保有量的增加或将确实地增加充电网点的数量。智能电表(高度电力消耗计)的普及或将在技术上实现路过车辆利用个人住宅充电及支付。

  FCV:需要充填氢气的充气站,但氢气制造行业能否发展尚有待验证。埋藏资源及电力在能源有效利用方面,应该跳过转化为氢气的这一步,直接利用。此外,剩余电力及超过自然能源发电量的电力供应并不十分具有经济价值(即时使用的能源直接向消费者提供电力利润更大)。像这样有限且不稳定的电力能否用于氢气的量产,有必要估算一下。

  CNGV:CNG站逐渐增加起来,但受到法规限制,汽油站经营者无法随意增设高压气体储存设备。如简化这些人为障碍,将进一步推动CNGV的普及。此外,不能忘了输送至千家万户的城市燃气(成分为调整了热量的天然气)。如果有小型压缩机,技术上可实现家庭气罐填充,这类便携式压缩机在海外已有实际销售的例子。

 

3.安全性:

  EV:使用锂离子电池的车辆需要相应的安全对策。 其电池通过充放电控制完全停止、或发生碰撞等物理上的变形时,如内部发生断路原理上有可能发生爆炸及起火。起火是由内部的可燃物(有机溶剂)电解质的分解造成燃烧,非有机溶剂的电解质尚未实现应用。

  FCV:高压氢气为确保续航里程,采用70MPa高压充填。氢气与CNG及其他石油燃料不同,非常稀薄,如浓度过高有可能燃烧(可燃浓度4~78%)。由于这种性质,回火到燃料管道或气罐破损时,氢气会瞬间爆炸,形成火球等现象。

  CNGV:无上述危险性。发生碰撞事故时,即使气罐破损,但由于甲烷比空气轻,因此不会形成大量可燃混合气体,而是会逐渐消散(如果在车厢这样的密闭空间内充满的话就会产生危险)。但处理20MPa气体的喷出力时需要注意。



  EV、FCV、CNGV的比较中,截至目前已确定的效率的比较并不容易,因此需根据原理上不容易改变的优劣进行稳健的判断。尤其是搭载高压氢气罐的FCV,截至目前除了氢社会的推进以外,没有让人感受到特别的优势。既有对安全方面的担忧,也需要作出能取得平衡的判断。此外,还需要考虑到无论是车辆的原动机还是陆地上的发电厂,都在逐渐提高效率。


  本报告中未谈及可享受CNG低价优势的是大型消耗车辆,即重卡。日系整车厂停售重卡的CNG车以后,出现了将重卡改装为CNG车的需求。2017年日本国内开始进口页岩气后,CNG的低价进一步显现出优势,卡车厂商正考虑开发搭载可-162℃保温的液化气罐的天然气长途运输车。今后还将继续关注CNG的相关动向。


结束

<全球汽车产业平台 MarkLines>