2009/03/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳芃
汽車是現代生活中重要的交通工具，卻也是能源消耗的一大元兇。如何讓汽車更省油、清淨，是全球能資源與環境的重要議題，多元的發展方向與新技術，亦是全球工業界的新商機。
2008年全球汽車保有量粗估為9.57億輛，亦即有接近10億輛的汽車正在使用之中。如此多的車輛絕大多數使用化石燃料，其中又以汽、柴油比例最高，少部分則使用替代性燃料，而電力車輛的占比可說是微乎其微。
以我國來說，運輸部門占原油消費的3成以上（2008年底約為37％），2007年占全國溫室氣體排放的13.3％。由此可見，車輛動力新技術的開發與導入，與能源耗用、二氧化碳及其他排放成反向關係，亦即可降低燃料使用、抑制溫室氣體排放與環境污染，是一個攸關人類未來的重要技術領域。
從替代到取代
現階段汽車多採用燃燒方式，以熱能轉換成動能，效率低且排放高。理論上可解決此問題方式雖多，但不變的是均以改變動力單元為手段，從石油系的燃料轉向生質燃料，再以混合動力的方式節約燃料使用，最終則希望以電力或其他非燃燒的方式，達到不使用化石燃料與零排放的目標。
改變燃料的來源，須顧及目前汽車的使用情況，在無須大幅修正汽車零件與加油站等設施的前提下，改用替代性燃料是最容易達成的改變。以下茲簡介二甲醚與生質燃料等替代性燃料。
一、二甲醚
二甲醚（Dimethyl Ether, DME）具有無硫、低芳香族特性，代表其能更乾淨的燃燒。DME用於車輛內燃機時，由於含有氧原子，有利於迅速燃燒，且分子量較汽、柴油為低，故可以減少微粒物質的排放，無SOx排放問題，而NOx與二氧化碳的排放量亦低於汽、柴油。據日本研究結果，其NOx排放量可較柴油降低40％。
在來源方面，DME可由多種含碳物質合成產生，包括：煤炭、天然氣、生物質等，故以其做為燃料可以降低對於原油的使用，缺點為DME單位熱值較低。DME可做為柴油引擎的替代燃料，但噴射系統必須經過修改，目前瑞典已導入DME貨車使用，中國亦利用煤炭生產DME，並預計導入做為卡車燃料。
DME亦可用於燃料電池，包括由DME製氫與直接燃料電池兩種模式。DME的優點在於其分子完全氧化後可提供12個電子的電量（甲醇為6個），且不會造成電位下降。
二、生質燃料
車用生質燃料大致有兩個方向，一是使用酒精添加於汽油中做為替代燃料，再者是以生質柴油等直接替代現行燃料。相關資料顯示，全球生質燃料的生產大戶均為農業大國。生質燃料的限制在於土地、與民爭糧、氮肥釋出之全球增溫潛勢等。日本為汽車使用大國，車輛保有量達7,000萬輛，卻囿於上述限制而無法大力推動生質燃料。台灣情況與日本接近，對於生質燃料的投入，應思考以下一代的纖維素技術為切入點。
利用木質纖維素（Lignocellulose）製作生質燃料，被稱為第二代生質燃料，其來源多且廣，轉換率更高，發展不致擠壓糧食作物的空間。該技術現階段重點在於前處理（打散纖維素結構）及利用高效率之酵素（Enzyme）讓纖維素水解糖化轉換效率提升，其中又以酵素占成本比例較高。近年美國能源部陸續投入10億美元從事相關研究，合作廠商之一的Novozymes預估，每加侖酒精使用的酵素成本將由5美元降至0.3美元，Genencor則估計為0.1～0.2美元。
各種解決方案與相關技術
替代燃料可視為過渡期的方案，電力則是新世代汽車動力來源的主流發展。然而問題在於如何產生電力，以及如何讓電池電動車或燃料電池汽車具有現階段汽車的性能，且續航力與方便性能滿足大眾的需求。以下將簡述主要的動力技術與所需求的儲能設備。
一、混合動力
長期以來，電動車的功率與續航能力均無法達到商業要求，而混合動力車則為此提供了部分答案，歐巴馬在當選美國總統前，也使用Ford的混合動力車。混合動力車大多是內燃機再加上電力系統，而電力來自於蓄電池或其他發電裝置。由於內燃機僅在特定工作狀態下能維持高效率（如高速公路巡航），在此前提下，混合動力車的設計多以電力做為動態調整項目，核心技術在於控制兩個動力來源間的協調性。
混合動力車目前也導入太陽能模組，惟能源轉換效率仍低，亦有已導入燃料電池的產品，初具商品化的可能性。以各大車廠研發方向來看，混合動力車雖屬於過渡性產品，但具有下世代技術的指標意義，而由此亦可預見未來車界將以燃料電池汽車為共同的大方向。
二、高性能電池
汽車用電池現階段以鋰鐵電池最為熱門。美國德州大學在1996年以LiFePO4做為正極材料，克服鋰鈷正極鋰電池的缺陷，在過充電、大電流時不具危險，無毒性、無記憶效應，成為汽車、特別是純電池電動車的最佳選擇，亦可使混合動力車更具實用性。
鋰鐵電池目前主要技術問題在於正極材料、隔離膜等。正極材料由Phostech擁有德州大學之專利商業授權，而A123 systems則以奈米微粒酸鐵粉體提高導電性；在國內，長園科技、立凱電能等廠商則擁有不同技術。在隔離膜技術方面，除基本的阻隔正負極之外，必須具多孔性、低電阻、機械強度高、具彈性、可撓曲，耐腐蝕、高耐氧化性等特點，目前仍以美、日為領導廠商。
三、燃料電池
燃料電池為一動力單元，以氫與氣為燃料，利用觸媒加速反應，將化學能轉換成電能，簡言之，就是水電解的逆反應，其效率可達55％以上（質子交換膜燃料電池，PEMFC），較內燃機的30％高出許多，同時完全沒有排放及污染。
由於行車時環境的限制，PEMFC是最適合用於車輛的燃料電池。目前技術面的問題在於膜材的選擇，穿透度攸關效率，化學與機械穩定性則是符合市場需求的基礎。在成本方面，隔離膜約占燃料電池35％成本，但內部使用的鉑觸媒價格則更高，約達成本的40％，此兩者如能尋找到大幅降低成本的新材料，燃料電池汽車才有普及的可能性。
前述燃料電池以純氫為燃料，故須將儲氫設備納入汽車結構之中。車用儲氫設備的最大考量是安全、重量、價格與能量密度等。由於一般乘用車輛空間有限，又要求節省能量（氫須在80℃左右被釋出），故此方面具有多重的研究方向，目前則以高壓、液態、儲氫合金與吸附儲氫為主。
高壓儲氫為目前主流之技術，但要達到700大氣壓力的容器價格不斐，且消費者對高壓的觀感不佳，有安全上的顧慮；液態儲氫則要克服冷卻設備的限制，BMW開發有無需冷卻設備的儲槽，但體積龐大且有壓力與汽化等問題；儲氫合金以固態氫模式儲存，不需高壓，但能量密度過低（目前為重量百分比2％），影響車輛實用性；吸附儲氫則是以奈米碳管（CNT）等材料吸附氫氣，可達10％以上，但是量產技術尚未成熟，價格也偏高。
四、壓縮空氣
印度最大車廠Tata Motors投入2,000萬歐元，預計生產法國MDI所設計的空氣動力車Citycat，其原理是將空氣壓縮至汽車的儲氣系統，以空氣壓力推動傳動系統，類似工廠內常見的氣動工具。由於車輛本身非常輕巧，故能得到相當的續航力，但載重能力偏低，僅適合短距離交通。
這種利用壓縮空氣、無污染又造價低廉的車輛，沒有空調、音響等舒適性設備，同時安全性仍有疑慮，但卻極為符合開發中國家的需求。同時，車輛由印度國內開發製造，產業鏈主導權掌握在本土車廠，更能有效帶動周邊產業的發展，對於國家經濟具有相當的效益。
市場面限制仍多
看過新的汽車動力技術後，必須瞭解一些可能影響技術發展的限制。由使用層面來看，汽車已是普及的私人財產，特色是可自由支配與運用，而汽、柴油等燃料目前供應足夠，也是百年以來不變的模式。新的動力技術若要大幅改變全球使用者的習慣，在初期的推動上將會遭受相當的抗力，以企業在商言商的立場來看，如不能迅速的回收投資成本，將影響開發的意願。
再者，新技術可能會形成多元利益的衝突，如放棄既有的龐大基礎設施（如加油站系統），再建立起一個足以滿足需求的全新設施（如加氫站），牽涉的層面不單是消費者新行為模式的教育，更隱含能源供應者、通路業者、車廠、各級供應商等連帶關係；要排除這些因素，絕對是一項極其艱鉅的挑戰，非單一企業可達成，最終均需倚賴政策力量。也因如此，全球車廠的對策，在情勢未明朗的情況下，短期內仍以改善內燃機效率與節省燃油為主，諸如稀薄燃燒、直接噴油等技術，但實際所能貢獻的成效，遠落後於每年增加的汽車銷售量。
目前全球遭逢金融海嘯，美國三大車廠風雨飄搖，受到財務影響，投入新技術研發的動能大幅下降，意願也轉趨保守。雖然龍頭老大意興闌珊，但金磚四國等新興國家車市仍有向上的動能，惟此時所生產者，均為滿足當地市場需求的低成本車種，新技術的落實仍然不易，印度空氣動力車的發展，或許能成為一個觀察的指標。
現階段，Hybrid為相當具有潛力的技術，美國總統歐巴馬亦承諾將推動Hybrid車輛。而被視為最有可能替代內燃機的燃料電池，亦可先期透過Hybrid的方式，彌補目前實用性能的不足，並藉汽油╱燃料電池混合動力的商業化，持續支持燃料電池汽車的研究，最終達到全面替換內燃機的目標。（作者任職於工研院材化所）