The (green) car of the future
Matthew L James
Science, Technology, Environment and Resources Section
Contents
25 August 2009, 2009–10
Executive summary ..................................................................................................................... 1 The dream car ............................................................................................................................. 1
Fuel efficiency ........................................................................................................................ 3 Alternative fuels in Australia ................................................................................................. 4 Pathways to progress .............................................................................................................. 5
Hybrid vehicles ........................................................................................................................... 7 Hybrid prototypes ................................................................................................................... 8 Flex fuel vehicles ................................................................................................................. 10 Plug-in hybrids ..................................................................................................................... 11
Electric vehicles ........................................................................................................................ 13 Electric dreams ..................................................................................................................... 14
Solar and compressed air vehicles ............................................................................................ 17 Solar cars .............................................................................................................................. 17 Compressed air cars ............................................................................................................. 18
Hydrogen vehicles .................................................................................................................... 20 Prototype hydrogen cars ....................................................................................................... 21 Hydrogen economy .............................................................................................................. 23
Australian automobile developments ........................................................................................ 24 Research and development (Ramp;D) ...................................................................................... 24 Car industry policy ............................................................................................................... 26 Safety issues ......................................................................................................................... 27
Futurama ................................................................................................................................... 28
Table 1 : Comparison of alternative vehicle characteristics ................................................ 31 Addendum ............................................................................................................................ 33
Appendix: Car operation life cycle analysis ............................................................................. 34
Acknowledgements
This vehicle brief is in part based on materials previously prepared and items supplied by Ann Rann, Mike Roarty and Anita Talberg whose contributions are gratefully acknowledged. Special extra thanks are due to Ann Rann for her extensive editing support.
The (green) car of the future
Executive summary
lsquo;Motorcars produced this year will run into millions—no doubt they willrsquo; WGP.
lsquo;The problem with automatic cars is that theyrsquo;re still being driven by manual brainsrsquo;. P K Shaw.
A panacea for the environmental problems of modern motor vehicles – especially their use of non-renewable oil and their emissions – has long been the subject of speculation. Various alternative fuels are put forward as solutions to the worldrsquo;s diminishing reserves of oil, but each seems to have its own issues and problems to deal with, not to mention effects on agricultural crops previously destined for human food consumption. Meanwhile, the use of natural gas and biogas appear as feasible interim solutions to fuel shortages, but the pressure continues to reduce greenhouse gas emissions, so that the lsquo;holy grailrsquo; of vehicle fuels is to achieve a carbon-free status. One possibility is the use of hydrogen, but this remains elusive.
Hybrid vehicles may provide some limited efficiencies, but tend to initially cost more to buy which negates their perceived advantage. Various hybrid types have been produced or are under investigation with the latest trend being toward plug-in varieties that seem to combine the benefits of electric cars with an engine in reserve. Electric vehicles have a long history of development but suffered from range and safety problems, which have only recently been addressed with new nanotechnologies. Other options, like compressed air cars and hydrogen concepts, seem to have a way to go for acceptance by the vehicle industry, consumers and driving commentators.
Australia has a role to play in assessing such advanced technologies, with past experience in developing concept hybrid cars and new projects. While the Government has proposed grants for hybrid production, other regulatory areas such as safety standards can prove burdensome for new entrants. Infrastructure development can also be a huge hurdle f
未来的绿色汽车
马修·L·詹姆斯
科学、技术、环境及资源组
今年生产的汽车将达到百万辆，毫无疑问会达到世界平均产量。
解决现代机动车环境问题的灵丹妙药——尤其是使用不可再生石油及其排放——长期以来一直是人们猜测的话题。人们提出了各种替代燃料来解决世界石油储量日益减少的问题，但每一种燃料似乎都有自己的问题和问题要处理，更不用说对以前供人类食用的农作物的影响了。与此同时，天然气和沼气的使用似乎是解决燃料短缺的可行的临时解决方案，但压力继续减少温室气体的排放，因此汽车燃料的“圣杯”是实现无碳状态。一种可能性是使用氢，但这仍然难以实现。
混合动力汽车可能提供一些有限的效率，但往往最初的购买成本更高，这抵消了它们的优势。各种混合动力车型已经生产出来，或者正在接受调查，最新的趋势是生产插电式混合动力汽车，这种汽车似乎将电动汽车的优点与备用发动机结合起来。电动汽车有着悠久的发展历史，但在行驶距离和安全性方面存在问题，而这些问题直到最近才被新的纳米技术解决。其他选择，如压缩空气汽车和氢概念车，似乎还有一段路要走，以接受汽车行业，消费者和驾驶评论员。
澳大利亚在评估这类先进技术方面可以发挥作用，它在开发概念混合动力汽车和新项目方面具有过去的经验。尽管政府已提议资助混合动力生产，但安全标准等其它监管领域可能对新进入者构成负担。基础设施建设也可能成为引入替代燃料供应等新汽车系统的一个巨大障碍。尽管如此，澳大利亚在全球汽车制造业中所扮演的角色只是一个很小的利基市场参与者，但或许具有潜在的影响力。
一、梦想的车
个人机动性等同于自由、个性和个人选择的理想。目前，汽车在安全、舒适和时尚方面提供了人们所渴望的所有这些优点
根据澳大利亚统计局公布的数据，在截至2007年10月31日的12个月中，澳大利亚登记在册的1480万辆汽车行驶里程超过2150亿公里，其中2辆乘用车占行驶里程的73%(1580亿公里)。乘用车行驶的距离有一半以上(51%)用于个人和其他用途，29%用于上下班，20%用于商业用途。显然，改变当地车队的构成是一项艰巨的任务。因此，这里大约有1500万辆机动车行驶在道路上，乘用车和运动型多用途车(suv)占到机动车总数的四分之三以上。
客队的平均年龄接近10年，因此，任何计划以更有效率的车型替换车辆，都必须考虑每年约10%的低替换率。目前，澳大利亚制造的乘用车仅占新车市场的10%左右。摩托车和小型摩托车(约占所有车辆的3%)比大多数乘用车具有燃油效率优势，但安全和实际问题限制了它们在澳大利亚道路上的广泛使用。
最近考虑的一个问题是，如何使汽车在减少排放和污染物方面更节能、更“环保”，并使汽车和燃料制造更具可持续性。这些因素包括考虑如何。
二、燃油效率
在过去的十年里，所有轻型汽车的平均油耗几乎没有变化。发动机技术在每功率输出的燃油消耗方面有了很大的改进，新乘用车的燃油效率也有了提高。然而，整个轻型车车队的潜在燃油节约已被车辆功率、尺寸和重量的增加、四轮驱动运动型多用途车(suv)销量的强劲增长以及轻型商用车燃油消耗的增加所抵消。在澳大利亚，汽油是目前为止主要的乘用车燃料;使用柴油的汽车从1%的老爷车到约4%的新车不等。唯一的其他重要的替代燃料是液化石油气(LPG)使用在百分之三左右。柴油车展览一些燃油效率和性能节省汽油模型作为柴油约10 - 20%更多的能量单位体积比汽油,提供一个给定的力量减少燃料消耗每cent.5 25到30。
ATC的报告比较了各种可能的措施，以鼓励采用更节能、低碳排放的车辆。该报告指出，有一些国家计划促进提高燃油效率和汽车制造创新。此外，澳大利亚已经制定了一些国家层面的计划，这些计划的首要目标并不是提高燃料效率或降低二氧化碳排放，但确实对这些目标产生了一些影响。
三、澳大利亚的替代燃料
澳大利亚技术科学与工程学院(ATSE)最近呼吁到2050年实现交通运输零碳排放的目标，政府的目标是减少全国交通运输对进口碳氢化合物燃料的依赖。该组织发布了一份新的报告《运输用生物燃料:澳大利亚发展路线图》(for Transport: a Roadmap for Development in Australia)，报告发现，澳大利亚对石油的依赖没有灵丹妙药。ATSE认为LNG和CNG商用车可以作为更广泛应用的可行原型。此外，第二代生物柴油和乙醇(来自糖，而不是淀粉)的研究和使用将提供帮助，而从长远来看，混合动力、电动和其他车辆的应用可能会出现。该学会认为，澳大利亚汽车工业能够开发出这样的汽车。
ATSE生物燃料报告强调第二代生物燃料(来自木质纤维素废料的乙醇，来自酶或藻类来源的生物柴油)，而不是第一代生物燃料，后者严重依赖于相互竞争的粮食资源储备。该研究发现，澳大利亚在生物燃料方面的研究和开发非常好，但有限，而且需要本土和海外的联系。报告建议建立一个国家生物燃料研究所，一个比合作研究中心更大的实体，但与澳大利亚生物能源、国家合作研究基础设施战略(NCRIS)等有关。报告说，生物燃料生产投资以及与欠发达国家的联合生产是必要的。澳大利亚广阔的开阔地可能适合藻类燃料的生产。在澳大利亚，替代燃料仅占总燃料消耗量的3%左右。根据ATSE的说法，任何改变都是渐进的，需要持续的研究和开发。因此，交通部门对减少温室气体排放的贡献将是有限的。
四、通路进步
有各种各样的尝试来生产由不同燃料来源驱动的汽车。1886年，卡尔·本茨获得了第一项汽油汽车专利。自19世纪以来，压缩空气发动机已经在一些车辆上使用。1901年，费迪南德·保时捷(Ferdinand Porsche)推出了一款“混合”油电混合动力车。二战后期，甚至煤和页岩油也被用来为汽车提供动力。
其他类型的创新包括燃料电池和混合动力设计。燃料电池通过化学反应把燃料(通常是氢)和氧结合起来发电。通用汽车早在1966年就设计出了第一辆燃料电池汽车，但由于价格过于昂贵，无法投入商业生产。1989年，奥迪(Audi)生产了一款插电式平行混合动力汽车，由电动机驱动后轮。到1998年，丰田RAV4运动型多用途车、本田EV Plus轿车和克莱斯勒EPIC微型面包车都配备了镍氢电池组。
混合动力汽车和氢动力汽车通常被视为未来的灵丹妙药，但开发道路上的成本和延误被证明是重大障碍。当然，使用更小的车辆和更高效的柴油车型可以减少污染。但是，随着中国和印度公民现在都渴望私家车的使用，有必要采取行动来解决有限的燃料供应以及未来的拥堵和污染问题。
各种流行媒体都在宣传原型车的进步，比如英国广播公司(BBC)的电视节目《Top Gear》测试了特斯拉(Tesla)电动汽车和本田(Honda) Clarity氢动力汽车，或者最近出版的精美图画书《绿色设计:未来的汽车》(Green Designed: Future cars)。有各种各样的新进入者，从插入正常电力为电池充电的宝马Mini E和三菱i-MiEV，到福特Fusion和丰田普锐斯混合动力发动机。
五、混合动力汽车
混合动力汽车可以将传统发动机与电池驱动的电动马达结合起来，从而提高燃油经济性和性能。电池是通过再生制动来充电的，再生制动能以电能的形式捕获大部分通常以摩擦热的形式损失的能量。正如电动机可以把储存在电池里的电能转化为动力，从而产生车轮转动和牵引的动力一样，这个过程也可以反过来进行，而动力是通过减慢一辆行驶的汽车的速度来产生的，汽车通过再生电能来储存在电池里
与传统汽车相比，混合动力车可能能够节省30%至50%的燃料。据估计，大约20%的能源用于燃料的燃烧，实际上移动的标准汽车。在80%的损失中，约40%的损失来自废气，30%由散热器散热。混合动力汽车也可以利用发动机空转的时间给电池充电，但电池的额外重量和更高的成本成为了障碍。
混合动力汽车结合了先进的电子设备和计算机驱动系统，以实现更好的燃油经济性和减少排放，以及更好的加速度和更大的行驶里程。混合动力汽车比传统汽车更小的内燃发动机也能凑合着用，因为当需要加速或爬坡时，电池和电动马达系统能提供额外的动力。这个讨论涉及混合动力汽车，生物燃料和弹性燃料的变化。
六、澳大利亚汽车发展
在其国家太阳能中心使用涉及太阳能的催化转化试验计划正在纽卡斯尔的一个太阳能研究设施进行，并在昆士兰进行了试点。
CSIRO积极参与澳大利亚的汽车研发，致力于开发电动传动系统、储能系统(如超级电容器和电池技术)和电力控制系统。从中期来看，澳大利亚将不得不为当地石油供应的减少做准备，未来的运输燃料情景将成为CSIRO模型计划的一部分。
澳大利亚联邦政府拒绝批准各种小型汽车的设计规则(ADRs)，比如拟议中的Reva双座城市电动汽车跑道，理由是担心这种“四轮车”的安全问题。98政府声称Reva的进口商没有在一个新的车辆类别中进行强制碰撞测试。从碰撞分析(例如二手车安全等级)中可以得知，勉强达到这些标准的车辆的死亡风险是性能较好的车辆的三到四倍。任何没有达到最低安全标准的车辆都有更高的风险。澳大利亚遵循国际标准。
从本质上讲，所有机动道路车辆都必须符合adr标准，该标准为车辆安全和排放制定了国家设计标准。adr对电动汽车没有具体的要求，但设定了最低的安全标准，主要针对车身强度、刹车和灯光。进口要求部分由联邦基础设施、运输和区域发展部和地方政府(DITRDLG)控制。关于车辆登记要求的决定是由澳大利亚机动车认证委员会作出的，该委员会由联邦和州代表组成，由DITRDLG管理。委员会提出了一项轻型车辆建造和改装的国家业务守则，“概述了轻型车辆改装的最低设计、建造、安装和性能要求”。在本守则中，轻型车辆的定义是“车辆总重量为4.5公吨或以下”。99
作为一个次要问题，但值得注意的是，盲人协会对混合动力和电动汽车的危险性表示了担忧，因为它们发出的噪音很少，不足以提醒人们它们的存在。目前，莲花公司正与导盲犬合作，为盲人协会(Blind Association)进行试验，为汽车安装与汽油发动机发出相同噪音的模拟器。103美国国会目前有一项法案，规定不使用汽油发动机的汽车的最低音量。欧盟也在寻求这样做。
七、未来世界展示
在纽约，1939年至1940年的世界博览会和1964年至1965年的世界博览会上，通用汽车向美国人展示了“未来城市”，即公司对未来城市及其汽车的愿景;幻想在很大程度上实现了。由于目前利润急剧下降，通用汽车可能需要再次向美国公民保证其对未来汽车的前景，无论是绿色还是可持续发展的愿景。通用汽车在澳大利亚汽车行业也发挥了重要作用，因此它在澳大利亚的未来值得关注，尤其是在当前全球金融危机的背景下。
前参议员林恩bull;艾利森(Lyn Allison)在2008年写道，澳大利亚在不要求汽车行业对替代能源需求做出反应方面落后于其他国家，比如通过对低排放汽车生产和燃料补给的补贴，对有条件发放补贴。106年新西兰相比之下,前总理克拉克,宣布2007年10月,作为“2050年能源战略”的一部分,这个国家还旨在到2020年5%的汽车是“插件”和2040年的60%以及25%的燃料电池2050.107 108
汽车制造商认为他们的设计是为了迎合消费者的虚荣心和支付能力，传统上强调个人形象和性能驾驶。日常通勤拥堵、燃料成本螺旋式上升、交通事故和污染等现实问题，直到最近才得到制造商的解决。例如，考虑到“电子稳定控制”(Electronic Stability Control)在这里的常见模型中实施缓慢，有说法称，除非我们对其进行监管，否则澳大利亚市场将无法获得此类安全特性。2008年7月，澳大利亚工党政府宣布，澳大利亚将加入一项国际行动，争取为“电子稳定控制”制定一致的全球技术标准。109 110
因此，声称混合动力车型的推出是故意缓慢的，忽视了这样一个现实:汽车制造商只有在感觉到真正的市场需求，并且愿意为转向新技术的实施成本通常非常高的情况下，才会创造新车型。当然，一些制造商获得了政府补贴或其他形式的支持，但正如三菱(Mitsubishi)最近在阿德莱德(Adelaide)的倒闭所表明的那样，这些补贴不一定能确保预期的结果。政府可以通过提供激励/抑制措施来鼓励转向替代能源，从而扭曲市场。此外，一些外部性不包括在传统车辆成本的典型计算中，而是由社会来承担。
中国是一个蓬勃发展的汽车市场，最近的纪录片《吃了中国的汽车》(the Cars That eat China)清醒地反映出，如果一小部分中国人实现了买车的愿望，就会出现拥堵和污染。111家外国公司在澳大利亚建立了大量大型汽车制造设施，澳大利亚人驾驶从中国和印度进口的汽车的前景并不遥远。如果澳大利亚能让中国参与开发更省油或可替代燃料的汽车，那么我们至少都能在未来的道路上走得更好。
不过，总体而言，电动或混合动力汽车似乎尚未证明自己是一个完整的答案。此外，电池或燃料电池技术的成本等技术障碍，以及它们的处理，仍需要一个数量级的改进。制造这种汽车所消耗的能源及其增加的复杂性意味着，制造这种汽车所排放的温室气体可能会超过最终节省的旅行费用。113(为此目的，附录审查了使用生命周期分析来估计总的节省)。除非电力来自绿色能源，否则电力或混合动力汽车的温室效应节约可能微乎其微。所有这些方面都需要仔细的衡量和进一步的研究，这表明综合考虑各种反应可能会给未来带来最大的希望。
目前，中小型车辆可考虑使用乙醇、气体及生物燃料，而大型车辆则可使用液化天然气、压缩天然气等。参加2008年ATSE燃料研讨会的代表总结说，澳大利亚需要一个替代运输燃料的协调组织和一个框架，使我们的车队达到目前的海外标准。
表1:备选车
资料编号：[5134]
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