1，交通能源和環境問題是21世紀全球面臨的重大挑戰，對中國來說更是如此。
目前全球汽車保有量約為8億輛，預計到2020年，全球汽車保有量將達到6543.8+02億輛，主要來自發展中國家。據國際能源署(IEA)統計，2001年，全球石油消費的57%在交通領域(其中美國占67%)。預計到2020年，交通用油將占全球石油消費總量的62%以上。美國能源部預測，2020年後全球石油需求和常規石油供應將出現凈缺口，2050年供需缺口幾乎是2000年世界石油總產量的兩倍。同時，交通能耗也是當地環境汙染和全球溫室氣體排放的主要來源之壹。為此，全世界達成了* * *共識:交通能源轉型勢在必行。
近年來，中國汽車工業發展迅速。2005年，我國汽車產銷突破570萬輛，分別居世界第三和第二位，自主品牌轎車和汽車出口大幅增長。據預測，2020年前，中國將成為世界上最大的汽車制造國和主要的汽車出口國之壹。目前中國人均汽車保有量還很低。2003年，每千人汽車擁有量僅為美國的2.5%(19輛)，與美國90年前的水平大致相當。是全球汽車市場潛力最大的國家，預計2020年汽車保有量將達到1.3 ~ 1.5億輛。然而，當中國剛剛邁入汽車社會，汽車用油量占總用油量的比重(1/3以下)仍遠低於世界平均水平(1/2以上)時，我們已經感受到了石油供應的日益緊張。與此同時，汽車油耗造成的空氣汙染和二氧化碳排放也成為越來越嚴重的問題。中國已成為世界第二大二氧化碳排放國，由此引發的國際政治經濟爭端將會加劇。這充分表明，我國面臨的石油安全和運輸能源問題將更加激烈、影響更大、更加嚴峻。按照傳統交通能源動力系統的發展，是不可持續的，實現我國交通能源動力系統轉型是大勢所趨。
2.未來20年將是中國交通能源動力體系轉型的戰略機遇期。
從歷史上看，交通能源動力系統的變革壹直處於技術革命和經濟變革的核心。19世紀，煤炭和蒸汽機列車引發了歐洲的工業革命，開啟了人類的工業經濟和文明。20世紀，石油和內燃機汽車為美國的經濟騰飛做出了貢獻，將人類帶入了以石油為基礎的經濟體系和物質繁榮，也給能源環境帶來了巨大的挑戰。進入21世紀，以替代燃料和混合動力為代表的各種汽車能源動力新技術迅猛發展，相互競爭，引發了壹場新的技術變革，預示著人類將進入後石油時代過渡期和能源動力技術創新突破的機遇期。
這次能源動力體制改革的主要趨勢是汽車能源多元化、汽車動力電動化和汽車排放清潔化:基於可再生能源的生物燃料對各類車輛具有良好的適用性，成為各國推廣的新燃料；混合動力作為汽車新能源和動力技術的平臺，繼承了先進的內燃機技術，結合高效清潔的電驅動模式，既充分利用了現有的燃料基礎設施，又容納了各類新型燃料，現已成為新型動力汽車產業化的裏程碑；燃料電池作為壹種新型的能源轉換裝置，雖然還有很多技術障礙需要克服，但作為新壹代汽車能源和動力系統的長遠解決方案，仍然被世界看好。
汽車能源和動力技術的轉變是壹個漫長的過程。混合動力有望在近中期逐步普及；燃料電池汽車的規模商業化將在2020年之後。面對汽車技術的中長期發展，中國汽車的這壹技術變革時期為中國交通能源動力體制改革提供了歷史機遇。
機遇之壹:中國的資源和能源條件適合發展新能源交通動力系統。中國缺乏石油、天然氣和煤炭，這給交通能源的可持續發展帶來了嚴峻挑戰。基於各種資源特點的多種替代燃料，可以充分發揮我國幅員遼闊、資源多樣的優勢，因地制宜地發展以煤炭為基礎的燃料工業、以生物質為基礎的農業能源和以天然氣為基礎的各種氣體燃料技術，實現交通能源的多元化。同時，從我國城鄉布局來看，城市模式以大城市群為特征，汽車燃油基礎設施相對集中，有利於清潔燃油管理和監管。中國廣大農村地區壹次能源資源的特點因地區而異，更適合發展壹次能源多元化、燃料生產和消費本地化的燃料供應體系。
機遇二:中國具有後發優勢，實現交通能源動力系統轉型。從中國汽車的發展階段來看，具有後發優勢。雖然發達國家政府大力推動各種替代燃料汽車的應用和向氫燃料電池汽車動力系統的轉型，但其傳統汽車產業龐大，石油基礎設施完善，消費習慣難以改變，實施轉型社會成本高，轉型難度大。而我國汽車產業剛剛發展起來，汽車普及率較低，在汽車動力系統發展的戰略選擇上有較大的自由度。與常規汽車相比，我國在新能源汽車研發和產業化方面具有比較優勢。如果政策對了，我們可以在世界上率先實現轉型。
第三次機遇:實施汽車動力系統改革是對我國多年發展清潔汽車和電動汽車成功實踐的戰略總結和發展的必然要求。基於中國能源安全、環境保護和中國汽車工業跨越式發展的戰略考慮，“九五”期間，科技部會同有關部委組織實施了“清潔汽車行動”，取得了重大的階段性成果。目前，中國有22萬輛燃氣汽車和700多個加氣站，每年更換石油654.38+0.5萬噸。而且天然氣汽車呈現快速增長勢頭，預計未來幾年將進入大規模推廣應用階段。“十五”期間，科技部組織實施了“電動汽車重大科技專項”，這是國家投資8.8億元的最大科技項目之壹。200多家單位、2000多名科技骨幹直接參與實施，初步形成了政產學研用合作機制。目前，小型純電動汽車已開始小規模產業化，混合動力汽車多款車型通過國家認證並成為產品，燃料電池汽車進入示範評估階段。自主研發的燃料電池、動力電池、驅動電機、電控系統具備量產能力。這為中國汽車動力轉型戰略的實施奠定了堅實的技術、人才和實踐基礎。
二、中國交通能源動力系統發展的戰略選擇
基於我國汽車能源動力系統面臨的挑戰和機遇，我國汽車能源動力系統的發展目標應立足於轉型，盡快轉型。然而，新的汽車能源動力系統與現有的汽車能源動力系統有著千絲萬縷的聯系。同時，中國目前的汽車產業發展和節能環保問題也不得不由現有的汽車能源和動力技術來解決。因此，我們應該在“過渡”與“轉型”之間選擇壹種平行互動、協調發展的策略。壹方面發展節能汽車，解決迫在眉睫的能源安全問題，另壹方面開展新能源汽車研究，瞄準未來汽車競爭制高點，實現汽車能源動力系統的可持續發展。
1，節能汽車
優化現有以石油和內燃機為基礎的汽車能源動力系統，發展節能汽車，重點發展直噴式內燃機及其混合動力系統。利用現有液體燃料基礎設施，實施汽柴油清潔戰略，逐步與國際燃料標準接軌；大力發展各種合成燃料，特別是符合我國國情的煤基合成燃料，與汽油、柴油混合使用，形成新的清潔燃料。
2000年以來，我國汽車(包括農用汽車)每年的汽柴油消耗量約占全國汽柴油總消耗量的壹半，石油消耗量約為1/3。這個數據說明了三個問題:1)汽車汽柴油消費總量隨著石油消費總量快速增長。考慮到汽車市場的持續升溫，油品安全風險很大。2)與國際平均水平相比，我國汽油和柴油消費占石油消費總量的比重較低。通過調整和優化石油消費結構，可以實現汽車燃料的間接替代。主要通過替代方式，將替代難度較小的工業燃料先用非石油產品替代，汽車使用原石油燃料。那麽在同樣的總油耗下，整車油耗有20%以上的上升空間。3)目前我國汽車總油耗與汽車保有量之比偏高，即汽車油耗過大，節能潛力巨大。2002年，我國計入農用車和摩托車後的等效單車年均油耗約為1.5噸，接近美國2000年的單車年均油耗，但遠高於法國(1.2噸)和日本(1噸)。單車年平均油耗取決於車輛技術、車輛結構、行駛裏程、運行工況等因素，中長期有很大的提升潛力。根據國家中長期科技規劃在能源領域的戰略研究成果，建議2020年中國汽車節能的目標是在汽車保有量調整在1.5億輛以內的前提下，單車年均油耗控制在1噸左右。與現狀相比，節油約1/3，節油潛力約7000萬噸。汽車總油耗應控制在1.5 ~ 2億噸。為了實現這壹目標，關鍵的節能汽車動力技術如下:
(1)高效柴油機技術
汽車柴油發動機的節能效果堪比汽油混合動力。據國務院發展研究中心分析預測，如果2020年我國柴油車發展到乘用車的20%，當年將節油1880萬噸。因此，我國應發展先進的柴油車，但必須解決排放控制的關鍵技術問題。主要包括:柴油機電子控制技術、尾氣後處理技術以及清潔柴油和替代柴油技術；柴油機電控高壓燃油噴射系統和智能發動機電子管理系統是綠色高效柴油機的核心關鍵技術，應大力發展。柴油機排放控制可采取以下策略:EGR(廢氣再循環)技術成熟有效，應盡快推廣；DPF(微粒捕集器)技術將在2010年前在歐洲柴油車上普及，中國需要加快應用。需要慎重選擇氮氧化合物催化轉化器的技術路線，重視SCR在商用車上的應用；發展合成柴油和生物柴油對解決柴油數量和質量問題具有重要意義。要大力發展替代柴油技術，力爭2020年產能提高到10萬噸以上。根據2002年的統計，中國農用車的柴油總消耗量與常規柴油車相當。發展節能經濟型新型農用車，逐步采用農業能源作為燃料，對汽車節能和農村經濟發展具有重要的戰略意義。
(2)節能汽油機技術
目前中國的汽車基本都是汽油車，目前汽車使用的汽油發動機還有20%以上的節能潛力。汽油機節能技術的發展趨勢是:缸內直噴技術、電動輔助增壓、電動氣門、可變壓縮比、停缸控制技術將在未來五年內產業化。世界各國都在對直噴汽油機技術進行深入研究。以日本為代表的非均質直噴技術面臨著燃燒穩定性和後處理等問題，而以歐洲為代表的均質直噴技術正在興起。電動閥和無凸輪發動機技術也在突破。電動閥與電控噴射具有相同的意義，將為發動機空氣系統控制和循環過程管理帶來壹系列節能技術變革，如取消節氣門、可變壓縮比、部分停缸等。目前中國的汽車主要集中在大城市。在中小城市和農村，摩托車和三輪摩托車是主要的個人交通工具，其數量已達654.38+0.2億多輛。它們的節能環保水平亟待提高，其升級趨勢值得關註。開發具有中國特色的超微型節能汽油車具有重要的節能意義和市場前景。
(3)先進的混合動力內燃機技術
先進內燃機的發展呈現出多元混合的趨勢。
混合燃料供應:混合傳統的汽油和柴油與替代燃料。在常規汽柴油的基礎上，混合各種替代燃料，包括醇醚燃料和汽柴油，並進行適當的設計，將成為主流的燃料技術。
混合燃燒模式:汽油機均質充氣，柴油機壓燃。HCCI內燃機技術是在燃料混合技術和控制技術的基礎上發展起來的，它結合了汽油機和柴油機的優點。
輸出功率的混合:內燃機和電動機功率的混合。新型壹體化大功率起動電動機/發電機集成裝置ISG和新型供電系統技術，既是內燃機電控技術的拓展和深化，也是復雜混合動力傳動系統的基礎模塊技術。混合動力內燃機是現有汽車節能環保技術和新能源汽車技術之間的橋梁。
2.新能源汽車
開發新壹代汽車能源動力系統，發展新能源汽車。重點發展各種液體替代燃料發動機及其混合動力汽車，逐步過渡到使用生物燃料和可充電混合動力的混合動力；進壹步發展以天然氣為主體的氣體燃料基礎設施，逐步建設長期可持續的氣體燃料供應網絡；以天然氣發動機為基礎，發展各種氣體動力，特別是天然氣/氫氣內燃機及其混合動力；開發新壹代燃料電池發動機及其混合動力，到2020年達到規模商業化水平；大力推進動力電池技術進步，發展適合我國國情的純電動汽車，特別是微型純電動汽車。以城市公交車輛為重點，以點帶面，穩步推進新能源汽車示範和商業化。
(1)汽車能源轉型的方向和重點
汽車能源轉型的方向將從石油、天然氣/煤層氣、煤基燃料向生物質燃料和化石能源、核能、可再生能源制氫發電轉變。從資源來源看，中長期車用石油替代燃料的主體將來自煤基燃料、生物燃料和天然氣燃料三個方面。到2020年，總量將達到3000萬噸以上，占車用燃料消費總量的15% ~ 20%，與歐盟預期目標基本持平。從車輛應用的角度來看，車用替代燃料主要有三類:含氧燃料(醇/醚/酯)、合成油(BTL/CTL/GTL)和氣體燃料(甲烷氣/合成氣/氫氣)。含氧燃料技術成熟，是近期推廣應用的重點。壹般以勾兌使用為宜。合成油與現有的車輛技術體系和基礎設施完全兼容，是壹種優質的環保燃料。其技術還有很大的提升空間。從中長期來看，它將成為壹種主要的替代燃料。在氣體燃料中，甲烷氣是近期和中期的重點。以天然氣為例。2020年，中國天然氣供應量將超過6543.8+0.20億m3。如果約654.38+00%用於汽車，將替代約654.38+00萬噸汽柴油。合成氣是由各種壹次能源通過氣化工藝制得的富氫氣體，是各種新型汽車燃料的原料氣，也可直接用作車用燃料，在汽車能源轉化中起著關鍵作用。氫氣是壹種原料來源廣泛、零排放的環保燃料，是汽車能源轉型的戰略目標之壹。根據國家中長期科技發展規劃，我國將從基礎科學研究、前沿技術創新和工程應用開發三個方面實施氫能技術的關鍵突破。
(2)汽車動力轉換和混合動力
汽車動力系統是壹個完整的系統，包括燃油、發動機和動力傳動系統。根據生命周期分析，從油井到車輪的效率，石油衍生的最佳組合是:汽油/柴油-內燃機-混合動力；源自天然氣和煤的氫燃料電池及其混合動力可以與合成燃料內燃機及其混合動力競爭。近年來，汽車動力系統最大的突破是混合動力技術，為汽車動力系統的改造奠定了基礎平臺。
目前，內燃機混合動力汽車的產業化是動力變革的壹個裏程碑。采用混聯汽油混合動力系統的汽車在城市工況下可節油40%左右。混合動力也為汽車排放控制提供了壹種有效的新途徑，特別是在城市工況下。鑒於我國私家車主要集中在大中城市，混合動力汽車非常適合在我國推廣使用。同時，我國是公交大國，在公交車上推廣使用混合動力汽車也具有重要意義。要借鑒我國汽車工業在發動機電控噴射等技術變革中積累的發展經驗和商業模式，通過稅收優惠等激勵政策大力發展和推廣混合動力。
未來發展中國混合動力有兩條技術路線值得關註:壹是汽車混合動力模塊化。通過功能模塊的開發和組合，逐步推進汽車電源的電動化。從具有自動啟停和怠速停機功能的“微混合動力”，以並聯式混合動力發動機為主體的“輕度混合動力”，到以混聯式為特征的“全混合動力”，隨著電動力比例的逐漸增加，最終過渡到串聯式的“插電式混合動力”。二是城市公交混合動力系統的平臺化。發電機組+驅動電機+儲能裝置構成了混合動力系統的基礎技術平臺。通過切換不同的輔助動力總成(APU)來適應從汽油、柴油內燃機到氫燃料電池等不同的能量動力轉換裝置，形成不同的油電、氣電、電電混合動力，促進動力系統的平穩過渡和轉換。
(3)汽車能源動力轉換的關鍵和瓶頸:動力電池和氫燃料電池。
目前，新型動力電池還不能滿足汽車使用要求，即使是國外已工業化的混合動力汽車用動力電池，也還存在初期成本高、使用壽命短等問題。動力電池涉及混合動力、純電動和燃料電池三種電動汽車，因此動力系統的變革將強烈依賴於電池技術的突破。雖然混合動力的產業化將極大地推動動力電池尤其是高功率動力電池的技術進步，但近30年來車用動力電池的研發經驗表明，其技術進步將是長期的、穩定的、漸進的。
氫燃料電池系統是效率最高的汽車發動機，它可以帶來壹種全新的汽車設計理念。根據IEA IEA2004的統計，全球用於能源技術研發的公共資金中，約有12%投入氫燃料電池。近年來，燃料電池汽車技術發展迅速，例如，燃料電池堆的大規模生產成本已經降低到近100美元/千瓦。然而，車用燃料電池的商業化仍面臨壹系列重大挑戰:使用壽命仍需提高壹倍以上，仍有儲氫、氫源基礎設施等重大問題需要解決。以低溫膜和碳電極板為標誌的R&D和投資車用質子交換膜燃料電池技術的第壹個高潮已經過去。以復合增強高溫膜、低鉑催化劑、金屬雙極板為標誌的新壹代技術正在崛起。美國能源部於2005年8月發布了最新的技術路線圖，美國國會批準繼續增加對氫燃料電池的投資。世界正在繼續為燃料電池的產業化而努力，在氫燃料電池技術的競爭中，中國處於日本、加拿大和美國之後的第二位。
總的來說，燃料電池是車輛動力系統的長期解決方案。其中，燃料電池城市客車有望率先實現商業化。美國正在實施國家計劃，目標是到2065，438+05年，使燃料電池城市公交車占新增城市公交車的65，438+00%。相比較而言，城市公共交通在中國更具戰略地位，中國公交產業更具國際競爭力。燃料電池公交車應該算是燃料電池汽車商業化的壹個突破。
(4)我國新能源汽車的發展趨勢和工藝前景。
基於國外各種研究預測和國際主要汽車公司、能源公司的技術發展路線圖，結合我國具體國情和發展現狀，可以初步展望我國汽車能源動力系統的變革趨勢:
1)2010左右，隨著油價的上漲，燃油稅的征收，排放法規的國際接軌，中國汽車能源動力系統的技術改造將出現拐點。以混合動力和混合燃料為主體的新能源動力系統汽車產業化高潮將會到來。
2)2020年前後，隨著常規石油供需缺口的出現、CO2政策法規的實施以及燃料電池、動力電池等新能源和動力技術的進步，我國汽車能源和動力系統的技術改造將進壹步突破，燃料電池汽車產業化有望興起。
3)20世紀上半葉，基於各種液體燃料的先進內燃機和混合動力汽車及其基礎設施、基於各種氣體燃料的氣體和燃料電池汽車及其基礎設施、基於電燃料的純電動汽車及其基礎設施將長期並存。其中，先進的內燃機和混合動力汽車將占主導地位。燃氣、燃料電池汽車和純電動汽車之和預計在21世紀中葉左右達到汽車銷量的1/3 ~ 1/2。
中國汽車新能源和動力系統的發展進程將沿著中國特色的道路逐步走向世界前列。
◎內燃機及其混合動力汽車會有壹些特殊的車型，比如適合中國城市條件的輕度混合動力微型車，適合地域特點的超微型汽油車。近期和中期使用的燃料將主要是汽油和柴油，混合少量替代燃料。從中長期來看，各種替代燃料的比例將逐漸增加，並逐步開發出基於生物燃料的插電式內燃混合動力汽車；
◎氣體和燃料電池汽車將從全球最大的天然氣公交車車隊和燃料電池混合動力公交車車隊逐步發展大規模產業化氫燃料電池汽車；
◎純電動汽車將從全球最大的電動自行車生產國(年產654.38+00萬輛)發展而來，並將得到廣泛應用。
考慮到新技術研究、開發和應用中的各種風險和不確定性，上述預測是壹個比較初步和粗略的估計，需要根據新的進展進行修正。但這種前景可以成為我們努力的目標。
第三，中國應采取科技對策
基於節能與新能源汽車“過渡”與“轉型”的雙重發展戰略，我國汽車能源動力系統的科技對策可遵循三條基本技術路線。三管齊下，平行互動:
(1)開發和推廣先進的內燃機和混合動力汽車，解決急需的節能環保問題，促進自主品牌汽車的發展，推動動力系統的技術改造。
(2)開發應用氣體燃料、煤基燃料、生物燃料等汽車替代燃料，促進交通能源多元化，推動基礎設施逐步擴建改造。
(3)開展燃料電池汽車和純電動汽車研發、示範和產業化，推動新能源電動汽車技術創新和關鍵跨越。
近年來，國家重點研究計劃、清潔汽車行動和電動汽車重大科技項目的實施，極大地推動了我國節能與新能源汽車的技術變革。根據國家中長期科技發展規劃，我們將進壹步加大推動中國汽車能源動力科技創新和產業化的力度。為此，建議:
1)以2020年汽車燃料節約替代總量達到1億噸(節約7000萬噸而非3000萬噸)為目標，推進節能與新能源汽車並行互動、協調發展戰略。在市場上，要以節能汽車為重點，大力發展小型化、微型化的節能環保國產車，盡快實施燃油稅，加大油耗法規的宣傳力度。在研發方面，要以新能源汽車為重點，抓住未來二十年汽車能源動力系統技術改造的戰略機遇期，產學研聯合攻關，實現我國汽車工業從產出大國向技術強國的跨越式發展。
2)采取“替代”(間接替代)、“混合”(部分替代)、“替代”(全部替代)三管齊下，穩步發展汽車替代能源；大力發展煤基、生物質基、天然氣基石油替代燃料，促進交通能源多元化；繼續發展燃料、燃氣和電力基礎設施，盡可能實現交通能源載體的兼容和壹體化；
3)發展醇類/醚類/酯類含氧燃料、BTL/CTL/GTL合成油和天然氣/合成氣/氫氣燃料三種替代燃料技術及其車輛應用技術，促進汽車燃料因時因地有限多樣化；液體替代燃料應以混合燃料為主，通過合理的燃料設計、優化的車輛匹配和規範的油品管理，逐步替代石油基汽柴油；全力推進車用燃料特別是合成氣技術和氫氣儲運技術的技術創新，建立替代燃料基礎技術平臺，適應交通能源轉型過程中替代燃料的變化和過渡；
4)以先進的內燃機及其混合動力系統、燃料電池發動機及其混合動力系統、動力電池/超級電容器及其電驅動系統為核心，開展新型動力系統關鍵技術研究，掌握成套知識產權，建立相關產業體系；以輕度混合動力汽車產業化為先導，推進各類混合動力汽車研發和規模商業化，實現自主品牌汽車跨越式發展；在中國獨有的年產銷量超過全球10萬輛的電動自行車產業基礎上，改變傳統汽車文化習慣，修訂相關標準法規，發展以微型車為主體的中國特色純電動汽車；
5)以城市車輛為重點，加大各種新能源電動汽車的市場開發。以混合動力為統壹平臺，通過平臺化、系列化實現規模化，通過規模化推動高端技術——燃料電池汽車的商業化；以政策、標準和法規為導向，推進汽車小型化和公共交通優先，促進交通理念和消費理念的全面進步，營造符合我國國情的自主創新技術市場環境。(作者是清華大學教授、博士生導師、清華大學汽車工程系主任、汽車安全與節能國家重點實驗室主任)。
(來自“清華人”)