内燃机真的要死了吗?

内燃机真的要死了吗?

张俊张俊

2017年对于内燃机来说是很不平常的一年。这一年,很多国家都相继公布了禁售内燃机汽车的时间表。今年7月,英国和法国宣布,将在2040年停止销售常规汽油和柴油小型载客汽车(car)及货车(van)。此前,荷兰、挪威等国家政府也提出过将在2025~2030年禁售传统燃油车的计划。一直号称要通过新能源汽车“弯道超车”实现汽车工业由大变强的中国,在刚刚闭幕的2017中国汽车产业发展(泰达)国际论坛上,据工业和信息化部副部长辛国斌透露,也已经启动制定燃油车退出时间表。

前段时间,英国《经济学人》杂志上发表的头条文章《内燃机之死(The Death of the Internal Combustion Engine)》更是将这一话题推向了高潮。有朋友已经把这篇文章翻译成了中文,英语阅读不方便的朋友可以直接查看中文版(“内燃机之死”——今天的经济学人头条都说了些什么)。很多不明就里的民众就此认为:内燃机汽车真的要马上被电动汽车全面取代了,就像大约100年前,内燃机汽车取代蒸汽机汽车那样。

《经济学人》头条文章:The Death of the Internal Combustion Engine


然而,内燃机真的要死了吗?电动汽车真的能够一往无前、势如破竹地全面取代内燃机吗?我们来看看Gautam Kalghatgi教授怎么说,一起了解更多关于电动汽车和内燃机的真相!


人体毒害潜力及其他限制纯电动汽车大规模增长的障碍

Prof. Gautam Kalghatgi

继英国政府宣布将在2040年停止销售一切常规汽油和柴油小型载客汽车(car)及货车(van)后,关于内燃机(internal combustion engine, ICE)消亡的评论一直不绝于耳(The Government confirmed today that it will end the sale of all new conventional petrol and diesel cars and vans by 2040, as it unveiled new plans to tackle air pollution)。英国政府发布的文件还表明,政府的目标是:到2050年,路上行驶的几乎每一辆小型载客汽车及货车都将是零排放汽车。这表明,到2050年,英国政府将只允许纯电动(battery electric vehicles, BEVs)或氢燃料电池驱动的小型载客汽车及货车在英国的道路上行驶。法国也颁布了类似的政策。然而,需要注意的是,这些政策文件只提到了轻型车(light duty vehicles, LDVs),而并不包含大部分的商用运输工具(如长途卡车、飞机、舰船等),这些商用运输工具将可以继续使用基于石油燃料的内燃机驱动。在英国,轻型车能源需求只占交通运输能源总需求的一半左右,而对于全球来说,这个比例只有40%左右。

截止到2016年,在英国注册登记的乘用车约有3200万辆(Number of cars on the road in the United Kingdom (UK) between 2000 and 2016 (in millions)),截止到2017年3月,在英国注册登记的可充电电动汽车(plug-in electric vehicles, PEVs)有10.4万辆(Plug-in electric vehicles in the United Kingdom),其中一部分可充电电动汽车还是插电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicles, PHEVs),即既有内燃机又有电池,所以严格来说不是零排放。实际上,一些新的证据表明,插电式混合动力汽车的车主不愿意经常费劲地把车连到电网上去充电,他们主要是为了获得补贴及其它一些优惠政策而购买插电式混合动力汽车,大部分情况下,他们都是烧汽油在行驶。不管怎样,如果我们假定到2050年时,英国注册登记的小型载客汽车及货车的数量与2016年时一致,为了满足英国政府的要求,2050年以后英国注册登记的纯电动车数量将是现有纯电动汽车保有量的约300倍,这个改变的规模非常巨大。考虑到不断下降的纯电动车成本以及政府政策的刺激,我们有强烈的信心,这种改变是可能的。然而,纯电动汽车的大规模增长依然存在巨大的障碍。下面我们来看看在英国的道路上只使用纯电动汽车的影响。

一、纯电动汽车的人体毒害潜力

1. 已经有很多研究强调了电动汽车(electric vehicles, EVs)对人体和水质的毒害潜力,这些毒害潜力主要是由生产制造电池所需要的金属所导致(Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles)。针对这一问题,最近理特咨询公司(Arthur D Little)发表了一篇报告,非常有趣,也很容易理解(Battery Electric Vehicles vs. Internal Combustion Engine Vehicles——A United States-Based Comprehensive Assessment )。

2. 尽管每日邮报(The Daily Mail)和空中电视台(Sky TV)报道了在刚果的矿井中工作的孩子们,并将他们的困境与电动车联系起来,但这些问题可能并没有引起太多的公众注意,因为所有的这些问题都发生在偏远地区(Child miners aged four living a hell on Earth so YOU can drive an electric car: Awful human cost in squalid Congo cobalt mine that Michael Gove didn’t consider in his ‘clean’ energy crusade)。今年年初,卫报(Guardian)和华盛顿邮报(Washington Post)也有过类似的报道。然而,如果目标是将电动汽车的数量增加几百倍以完全取代内燃机,环保运动和其他非政府组织不太可能继续忽视这个环境问题。

3. 关于内燃机的环境危害,也有一些很常见的报道,比如“……柴油发动机导致了4万人(各种不同的数字)额外的死亡,因为氮氧化物排放……”。David Spiegelhalter教授对此有一个清晰的解释(Does air pollution kill 40,000 people each year in the UK?)。从本质上讲,这只不过是一种猜测,而且这种影响也可以用一种听起来并不那么令人担忧的方式表达出来,例如:在伦敦和巴黎,暴露于PM2.5的风险相当于每天吸一根烟(见David Spiegelhalter教授文中表2)。

4. 除此之外,理特咨询公司的研究还称:“一辆2015年的纯电动汽车整个使用寿命内产生的毒性对人类生命的影响相当于20天的死亡或残疾(以失能调整生命年(disability adjusted life years, DALYs)衡量,失能调整生命年是美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)定义的一个描述“在特定人群中,因疾病、残疾或过早死亡导致的健康生活损失的年数”的综合指标),而一辆2015年的内燃机汽车产生的毒性对这一指标的影响只有6天。对于2025年的车型,两者对环境的二次影响的差异将会进一步扩大,纯电动汽车将会产生更高的人体毒害风险。”

5. 如果像英国政府规划的那样,英国3200万辆乘用车全部被小型纯电动汽车取代,因此导致的人类健康生活损失的年数将达到170万年左右,而同样数量的内燃机汽车导致的人类健康生活损失的年数只有53万年。当然,如果电池容量更大一点的话(意味着更长的纯电续航里程),导致的人类健康生活损失的年数将更高。这个数字还不包含未来很长一段时间电动化余地很小的商用运输工具。

6. 正如理特咨询公司的报告中所说的:“与纯电动汽车对人体健康的潜在危害相比,所有其他的环境二次影响都显得苍白无力。因为汽车对人体毒害的潜力在汽车使用寿命的不同时段是不一样的,驾驶一辆纯电动汽车而不是内燃机汽车的决定,本质上是将内燃机汽车对人体健康影响相对较小的更靠近汽车本身的毒害转换成纯电动汽车对人体健康影响相对较大的靠近矿山尾矿的毒害。对于美国司机来说,这是一个在当地社区(或者驾驶区域)排放少量污染还是在采矿和制造的地方排放相比而言更多的污染的两难选择。”

7. 最后,电池回收的问题也需要解决(Electric car growth sparks environmental concerns——Mining of raw materials and recycling of lithium-ion batteries in spotlight)。3200万辆汽车将产生超过1200万吨的电池。

8. 由于新型燃烧技术、先进后处理技术及控制技术的发展,未来几十年,内燃机的燃油消耗和排气污染将进一步减少。

二、经济影响

1. 英国政府的税收中,燃料税和燃料增值税的收入每年约为360亿英镑。电动车取代内燃机后,这将不得不由其他税收来补偿。

2. 随着电动汽车数量的增加,政府财政补贴(在英国,每辆电动汽车补贴5000英镑)的负担将会增加。在某一阶段,也许在未来几年,这些补贴必须停止。然而,如果私家车车主需要自己投资来对家里的供电系统进行升级以满足电动汽车充电的需要,或者如果纯电动汽车的成本尽管已经大幅下降但仍然高于传统汽车,政府可能还需要继续补贴。目前,只要补贴一减少,电动汽车的销量就大幅下降,例如香港,丹麦(暂时减少),中国——比亚迪提高了价格而不是吸收新增的成本。

3. 新基础设施的成本,如充电桩(The Problem With Electric Cars? Not Enough Chargers)。在英国,大约40%的车主无法路外停车(off-road parking),政府将不得不投资建设充电桩,这可能需要高达870亿英镑的投资(Britain faces huge costs to avoid power shortages with electric car plan)。

4. 额外的电力成本(Is there enough electricity? National Grid reacts to fossil-fuel vehicle ban)。如果电力的来源不是无碳的,还需要考虑温室气体(greenhouse gas, GHG)效应(这对于法国来说也是一个问题,因为法国正准备放弃核电!)。大家应该注意,电动汽车的充电很可能来自边际发电(marginal electricity generation),这通常是基于化石燃料的,而不是可再生能源。

三、锂的安全供应

在生产电池所需要的锂的安全供应方面也存在一些顾虑(Electric car demand sparks lithium supply fears)。锂的开采过程非常艰难,尽管储量丰富,但只集中在少数几个国家,这些国家可能无法或不愿意提高产量以满足日益增长的全球需求。

四、英国的交通政策

英国的交通政策如下:

昨天——出于对温室气体的担忧,大力推广柴油车

今天——由于氮氧化物和颗粒物排放的原因,转向推广纯电动汽车并将柴油车妖魔化

明天——随着纯电动汽车数量的增加,环保主义者开始觉醒并呼吁:因为政府的政策和大型的糟糕的电动汽车公司只对利润感兴趣,孩子们正在非洲的矿井中死去。其他的制约因素,比如经济方面的问题开始变得非常大?

后天——政府悄悄地放弃了对电动汽车的承诺和热情,就像他们之前对生物燃料那样?

五、对石油需求量的影响

如果全球电动汽车的数量真像狂热者所说的增长得那样快,那么首要的影响将是汽油需求的急剧减少,因为世界上大多数的轻型车(大约85%)是使用汽油驱动的火花点火式发动机。然而,全球对航空煤油、重型车辆及船运柴油的需求在未来几十年内预计将持续增长,尤其是在非经合组织国家(not the membership of Organisation for Economic Co-operation and Development, Non-OECD),如印度和中国(参见国际能源署(International Energy Agency, IEA)、埃克森美孚(ExxonMobil)、美国能源情报署(U.S. Energy Information Administration, EIA)等能源机构发布的能源前景展望),而这些油也必须由石油生产。因此,如果电动汽车的数量增长更快,汽油和中馏分油(航空煤油+柴油)需求之间的差距将会变得更加突出。为了满足日益增长的中馏分油的需求,石油的开采量依然需要增加。炼油时从石油中最先蒸馏出来的低辛烷值汽油成分(石脑油),以前通常都会被加工成汽油,未来将由于汽油需求减少而被废弃。这将导致石油公司及炼油商面临难题,而不是石油需求量的减少。鉴于未来汽油,尤其是低辛烷值汽油供过于求的情形,新发动机技术的发展,类似于马自达公司(Mazda)最近宣布的创驰蓝天计划(SKYACTIV)中可以使用低辛烷值汽油的新技术(如汽油压燃,gasoline compression ignition, GCI)将会更有吸引力(Mazda SKYACTIV Technology; Gasoline compression ignition approach to efficient, clean and affordable future engines)。

总结

英国政府关于所有轻型车使用纯电动汽车的新交通政策的重要经济后果需要一个全面而透明的研究。虽然政府需要投入大量的资金来实施这一新政,最终的结果却几乎可以肯定会对人类健康造成更大的危害,尽管这些危害会被转移到那些开采制造电池所需要的金属的那些国家。如果电动汽车所需的电能来自化石燃料,使用纯电动汽车所造成的温室气体效应也可能会更糟糕。毋庸置疑,交通运输工具的电动化程度未来会有显著地提升,但大部分是以混合动力的形式,即一块小电池,加上联合内燃机一起工作的电机,再结合其它一些如制动能量回收之类的技术,来减少汽车的燃油消耗。同时,未来几十年,新型燃烧技术与更先进的后处理系统及控制系统相结合,将进一步提高内燃机的效率,并降低内燃机的排放。当然,使用低碳燃料(如天然气、氢气等)也能够起到很好的效果。政府应该综合考虑局部及全球环境和温室效应的影响、生产供应安全及成本等因素,采取兼容更多技术路线的措施。不再投资改进内燃机技术的决定是非常短视的,因为未来几十年,内燃机将不可避免地给交通运输业,尤其是商用运输提供绝大部分的动力。


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原文链接:Human Toxicity Potential and Other Barriers to Unlimited Growth of Battery Electric Vehicles

作者简介:Gautam Kalghatgi,沙特阿美石油公司(Saudi Aramco)研究员,牛津大学、帝国理工学院客座教授,英国皇家工程院院士,国际汽车工程师协会会士(SAE fellow),英国机械工程师协会会士(I.Mech.E. fellow)。Gautam Kalghatgi教授在燃料、燃烧、内燃机领域非常活跃,发表学术论文100余篇,曾出版专著《Fuel/Engine Interactions》。

译者简介:张俊,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室博士生,主要从事机动车污染物排放控制方面的研究,微信号:zhangjun_hust。欢迎交流!

本文已取得Gautam Kalghatgi教授的授权,欢迎大家转载扩散。转载请注明原文来自Gautam Kalghatgi教授。谢谢!

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