世界各国纷纷加入禁售汽柴油车时间表,但问题有这幺简单吗?

世界各国纷纷加入禁售汽柴油车时间表,但问题有这幺简单吗?

空气污染已经成为全球热门议题,从之前英国、法国、印度都宣布在 2020~2040 年逐步禁止贩售汽柴油车,以及对柴油车加重课税等政策,2017 年 9 月中国宣布正在研究禁售传统能源汽车的时间表,一直到今天为了抢救空污,我们的行政院也宣布:2040 年新售汽车全面电动化。一时之间世界各国纷纷加入禁止贩售汽柴油车行列,好像只要在路上跑的都是电动车,空气就不再污染,人类的能源问题迎刃而解。然而现实很严峻,如果要让路上跑都是电动车,那我们至少要再盖几座大型发电厂,请问,世界各国的政府禁售汽柴油车同时,都开始规划新建大型发电厂了吗?

汽柴油车的确是空气污染的元兇

人类的空气污染是从工业化以后就一直存在的问题,到 1980 年代以后世界各国努力拚经济,工业化与自动化也让汽车价格逐年降低,最后让更多人能买车,因此空气污染更严重,火力发电厂与一般工厂每天排放出来的污染物就够令人伤脑筋了!汽柴油车是拖着一支长长的排气管满街排放废气,更是造成今天空气污染的元兇,因为发电厂或工厂排放的污染物可以集中管理,硫化物、氮化物、PM2.5 微粒等污染物可利用化学或物理方法回收,但儘管如此,住在旁边的居民一定还是觉得空气明显比较差,因为不论再好的回收设备,都不可能百分之百回收污染物,就更不用说汽柴油车分散在大街小巷,要回收污染物又必须考虑成本问题,触媒转化器也只能减少污染物,其他无法减少的只能任由它排放到空气里了!

注:PM 是指悬浮微粒(Particulate Matter),PM2.5 是指直径 2.5 微米以下的悬浮微粒,头髮直径大约 100 微米,因此 PM2.5 是肉眼看不见的污染物,但是吸入人体可能会造成肺部或身体的病变。全面改用电动车是不是人类的能源问题就解决了?

以电动车全面取代汽柴油车的确是可以减少空气污染,其实过去大家也都知道,只是以前没有成熟的电池技术,目前人类最成熟的二次电池包括:铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等,如表一所示,其中铅蓄电池能量密度太低、镍镉电池有污染问题,一直到镍氢电池出现才大量应用在汽车;镍氢电池的能量密度较高,安全性又很好,因此 Toyota 应用在 Camry、Prius 等油电混合车,由于有汽油协助使用引擎充电,因此电池不需要太大,这种技术已使用超过十年没有太大的问题,但是由于它的能量密度不够高,不容易应用在完全使用电池的电动车,因此唯一的机会就只有锂电池了!

世界各国纷纷加入禁售汽柴油车时间表,但问题有这幺简单吗?

表一:二次电池的种类。

锂电池又分为锂离子电池与聚合物理电池,它们的阳极材料相似,主要差别在阴极材料与电解液使用「高分子聚合物」取代,可降低成本且增加能量密度,不过这些高分子聚合物通常化学安定性不佳,安全性较低,应用在汽车较困难。因此锂离子电池成为目前电动车的最佳选择,再加上锂电池堆叠技术与电池管理系统(BMS:Battery Management System)成熟,造就了这几年电动车市场的蓬勃发展。为了解决锂电池可能爆炸的问题,业界也已经开始发展「全固态锂离子电池」。

【延伸阅读】对锂离子电池的原理有兴趣的人可以参考〈知识力专家社群:锂离子电池(Lithium ion battery)〉。

【延伸阅读】对锂离子电池的原理有兴趣的人可以参考〈知识力专家社群:全固态锂离子电池〉。

电动车如何充电是个大问题

问题是电动车要充电,如何充电是个大问题,因为电动汽车的电池重达 200 公斤,很难由使用者如 Gogoro 机车那样自行更换充电,只能以定点充电的方式进行,即使目前的规格要求在 1 小时内完成充电,使用者是否能在加「电」站等 1 小时却是个问题。如果必须把车开回家在停车场充电,最大的问题是目前的电力基础建设不足。假设大楼停车场有 100 个停车位,每个都设置插座,当 100 台电动车同时充电,大楼变压器无法承受如此巨大的电流,因此整个电力基础建设,包括变压器、变电所、高压电塔都必须重新设计才能达成,听起来就不是短期内可做到的事。

此外,墙壁上插座里的电又是那里来的呢?是由发电厂来的,说来说去,又回到了最原始的火力、水力、核能发电来提供电力。核能目前社会接受的可能性很低,在台湾想盖水库都很困难了更别说水力发电厂,说来说去又回到最原始的火力发电,不论使用天然气或煤碳,最后还是免不了要造成空气污染,因此要说电动车可改善空气污染是对的,但说这样就能完全解决空气污染,那只是把城市里的空气污染转移到郊区发电厂而已。如果要让路上跑都是电动车,那我们至少要再盖几座大型发电厂,请问,世界各国的政府计画禁售汽柴油车同时,都开始规划新建大型发电厂了吗?

氢能与燃料电池:终极环保的再生能源?氢气来源是个大问题

传统电池直接使用化学反应产生能量,优点是能量转换效率很高(80% 以上),但是充电需要比较长的时间;而使用燃料以内燃机(汽车引击)进行燃烧反应产生能量,优点是可以直接补充燃料,但是使用内燃机的能量转换效率很低(30% 以下)。科学家开始思考,有没有一种方法同时具「电池」与「燃料」的优点呢?于是燃料电池从此诞生了。

燃料电池和传统电池的原理相同,都是将活性物质的化学能转换成电能,但是传统电池的电极本身是活性物质,会参与化学反应;而燃料电池的电极本身只是储存容器而已,并不会参与化学反应(触媒只用来引发化学反应),必须将活性物质(氢气或含氢原子的化合物)加入电池内(就好像汽车补充燃料),才能产生化学反应形成电能,是一种要补充燃料的电池,故称为「燃料电池」(Fuel cell)。

燃料电池使用氢气与氧气反应产生水,反应后排放的氮化物或硫化物极少,几乎没有任何污染,因此被视为终极环保的再生能源。但是燃料电池必须使用氢气为燃料,却成为最大的问题。

高压储氢技术如何把又大又重又危险的氢气钢瓶放在车上是个大问题;因此有国外公司开发出可以承受 700 大气压的航太複合材料储氢瓶,可以取代氢气钢瓶,Toyota 公司更在去年推出氢燃料电池车款 Mirai 创下单次加满氢气可行驶 500 公里的纪录,已经是成功的商品了,那幺它的问题到底在那里呢?

【延伸阅读】对锂离子电池原理有兴趣的人可参考〈知识力专家社群:燃料电池(Fuel cell)〉。

氢燃料电池车款 Mirai

首先车上放了一个压力这幺大的储氢瓶是否安全是个问题,氢气的来源则是更大的问题。大家都知道电解水可以产生氢气与氧气,问题是电解水产生氢气的成本很高,而且这些电还是来自发电厂,结局还是要用火力、核能、水力发电来提供电力,为了降低成本,目前工业主要是将碳氢化合物(石油)以「蒸气重组」(Steam reforming)方式分解生产氢气,搞了半天还是要以石油为原料,看起来人类还真是摆脱不了石化燃料。

为什幺世界各国都是订定 2040 年禁售汽柴油车?

很有趣的现象,世界各国都是订定 2040 年全面禁售汽柴油车,为什幺是这个时间呢?主要还是大家觉得前面我们介绍的这些问题,包括充电站建置、电力基础建设、新建大型发电厂,或是太阳能、风力发电等新能源开发,大约需要 20 年时间,因此选择了这个时间点。不过各国政府争先恐后这样「宣誓」,还有一门不可言传的心思,那就是老百姓对空气污染已忍无可忍,但是眼见要解决这个问题困难重重,宣誓「2040 年」禁售汽柴油车,等于是给老百姓交代,反正 2040 年是 22 年以后的事了,到时是谁执政还不知道,且到时候站在台上的一定不是现在宣誓的那个人,这种只靠嘴巴说说就可以成功的「政绩」,何乐而不为?

能源问题人人有责,不能把责任推给政府

经过前面的介绍,大家一定发现人类的能源问题没有这幺简单,政府该做的,不只是只靠嘴巴说宣誓禁售汽柴油车,而是必须认真开始发展绿色能源。目前最大的问题在于:电价太便宜造成使用者没有节约用电的习惯,各种价格较高的家庭能源管理系统(Home Energy Management System,HEMS)乏人问津。电价如果真的大涨又会造成物价波动,受限于选举与政治因素,要让电价上涨也是困难重重,只能靠我们自己养成时时节约能源的习惯,才是有效的方法。