汽油、氫能源、鋰電池能源利用效率的差距主要來自于利用一次能源的方式，鋰電池轉(zhuǎn)化效率更高的主要原因，是從一次能源到電能再到機械能的轉(zhuǎn)換步驟少，除了線損和充電損失，總體效率損失較少。
新能源車主體能源選擇：鋰電、氫能、燃油能源利用效率分析
從遠古時代的植物、柴火、動物脂肪、木炭等物質(zhì)，到如今大家都在使用的煤炭、石油、天然氣等化石能源，再到核聚變反應(yīng)，人們在選擇主體能源時，首先要從能源物質(zhì)本身無法改變的比能著手。
據(jù)了解，交通部門的能耗占全球一次能源消費的29%、占碳排放的14.5%（公路交通占10.6%，航空占1.5%，鐵路占0.5%，其它占1.9%）。隨著世界經(jīng)濟不斷發(fā)展，交通運輸業(yè)將持續(xù)發(fā)展，如何選擇主體能源便成為重中之重。
能源的運輸效率與燃料選擇
交通運輸業(yè)對燃料本身的效率有著極致追求，一般都傾向于比能較高的燃料。
比能是一種描述單位質(zhì)量里能量的單位，它可以用來衡量物質(zhì)的熱（heat）和其它熱力學性質(zhì)（thermodynamics properties）。比如，比熱（specific heat）、比內(nèi)能（specific internal energy）、比焓（specific enthalpy）、比吉布斯自由能（specific gibbs free energy）、比亥姆霍茲自由能（specific helmholtz free energy）等等。
比能也可以用來描述物體的動能和勢能。比能不同于其它能量性質(zhì)，它是物體內(nèi)部、本質(zhì)、不可變更的性質(zhì)。為了區(qū)分，我們將燃料（包括鋰電池、氫燃料電池等）的比能叫做“化學能比能”，以區(qū)分其它形式的儲能系統(tǒng)。
能源的運輸效率理論上只與比能有關(guān)系，比能越大的燃料，其運輸效率越高，反之亦然。理論上如果只考慮運輸效率，那么每一種燃料都存在著最優(yōu)燃料攜帶值。所以，我們看到，F(xiàn)1賽程中每輛賽車的油量、加油時間都經(jīng)過了精確計算。
如果從燃料用途的角度來審視，可以有如下論斷：運輸效率越高，續(xù)航里程的潛力越大，負重的潛力也越高?，F(xiàn)有的常用能源中，比能較高的有氫燃料（142Mj/Kg）、天然氣（55.2Mj/Kg）、柴油（48Mj/Kg）、汽油（46.4Mj/Kg）和無煙煤（30Mj/Kg），而以鋰電池為代表的各種商用電池的比能一般不超過1.8Mj/Kg（國家規(guī)定可享受補貼的新能源汽車的電池比能只有160Wh/Kg，僅相當于0.6Mj/Kg）。
假設(shè)將特斯拉電動車（BEV）modelS100D的極值續(xù)航里程500Km上推200Km，即達到汽油車700Km的續(xù)航里程，則需再儲存40度電。也就是說，按照鋰電池的最高比能200Wh/Kg計算，至少需要200Kg的鋰電池組以提高電池容量，同時還要為這200Kg的車體增重繼續(xù)提供燃料。
從好的一面看，電池增重能提高續(xù)航里程；從負面角度看，這也使得空駛消耗的能源量（交通工具的凈重）遽增。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，每增加100Kg負重，耗油將增加半升/100Km，消耗的能量也增加了17Mj/100Km。
一般燃油車（ICE）的能源效率大概為30%，按照鋰電池的能源效率80%來計算，則大概需要6Mj/100Km的能量輸入，即需要8.33Kg/100Km（按照鋰電池上限200Wh/Kg計算）的電池，以負擔每新增100Kg電池對整個體系的增重。
回到上述所說，假設(shè)將特斯拉電動車的續(xù)航里程從500Km上升至700Km，則需要多攜帶120Kg的電池組為增加的電池繼續(xù)提供燃料，這還不包括后續(xù)再為120Kg電池組提供能量需要新增的電池。利用泰勒展開（Taylor），我們知道，最終要半噸的增重才能為200Km的鋰電池車（BEV）增程提供足夠的電力（體積上至少增加一個后備箱）。隨著續(xù)航里程的增加，鋰電池車（BEV）的增重也越來越快，且很快會將新增電池組的電量吃完，達到續(xù)航的瓶頸。
反觀以氫能源作為動力的燃料電池車，目前主流車型的每百公里耗氫少于1Kg，2Kg氫燃料可以增加續(xù)航里程200Km。按照70mpa氫氣瓶的氫氣質(zhì)量含量比（gravimetric storage density）5%計算，每增加2Kg氫氣需要增加40Kg的總質(zhì)量裝備，而每增加40Kg的重量，每百公里需要耗費大約0.0448Kg的氫氣來為增加的200Km續(xù)航，同時也需要增加40Kg高壓氣瓶等總質(zhì)量裝備，而為了這樣的增重需要付出0.314Kg的氫氣，但為這部分增加的續(xù)航里程帶來的燃料增重付出的整體交通工具質(zhì)量僅僅增加了6.3Kg。
由上可以看出，氫燃料電池車續(xù)航里程的增加沒有帶來車體質(zhì)量的不對稱增加。用一個形象的比喻，電池電動車就如同一列緩慢前行的駝隊，為了穿行沒有任何補給點的茫茫戈壁，需要多加駱駝（電池）進團，利用駱駝攜帶更多的補給，但是這部分補給（電池電量）也要包括新增的駱駝（新增電池重量）所需的額外能量。隨著距離的增加，新增駱駝（電池重量）的速度也越來越快，而駝隊補給（電池電量）增長速度不變，駝隊（電動車）的距離瓶頸將很快出現(xiàn)。
能源的轉(zhuǎn)化效率與燃料選擇
能源的轉(zhuǎn)化效率與燃料的效率直接相關(guān)。交通工具需要的最終能量形式都是機械能，所以需要不同的過程、步驟對一次能源的能量進行二次轉(zhuǎn)化。
一般來說，能量在光、熱、電、機械能之間的轉(zhuǎn)換越頻繁，能量轉(zhuǎn)化的效率就越低。另外，各種燃料轉(zhuǎn)化效率的比較應(yīng)在同樣的應(yīng)用結(jié)果中展開，比如供熱、發(fā)電、車輛行駛等，由于交通工具的燃料以機械能的形式體現(xiàn)在最終的續(xù)航里程上，所以燃料的轉(zhuǎn)化效率一般以well to wheel（從能源開采到交通工具的使用）為基礎(chǔ)作對比。
氫燃料、電力、汽油等除少部分源自可再生能源，基本都是由石化能源轉(zhuǎn)化而來的二次能源。這就為以碳排放為標準比較各種能源的轉(zhuǎn)化效率提供了依據(jù)。
能源的轉(zhuǎn)化效率是一項實踐指標，即使是同一種能源會隨不同的施用過程得到不同的能源轉(zhuǎn)化率。比如，在不借助碳捕捉和封存技術(shù)（CCS）的情況下，降低煤電碳排放唯一的辦法就是降低度電煤耗，例如選擇更高壓力和溫度的鍋爐，從而提高煤炭能源的轉(zhuǎn)化率。由于各類型汽車需要的電力、氫能源、汽油、煤制油燃料等都是由高碳的化石能源轉(zhuǎn)化而來，因此通過各類交通工具的全生命周期碳排放值，間接得到各能源的轉(zhuǎn)化效率顯然是一種可取的指標。
雖然鋰電池電動車的碳排放會受電源結(jié)構(gòu)中化石燃料的比重影響，但總體來說，在使用中還是減少了碳排放的強度，是良好的下一代交通工具。
在采油、煉油、運油等過程中會產(chǎn)生大量排放和耗能，所以如果考慮以“開采、加工一次能源的碳排放、利用二次能源推進汽車行駛中的碳排放”為標尺，即well to wheel（從能源開采到汽車使用中的排放）計算的話，鋰電池車和燃料電池車的碳排放比內(nèi)燃機車要低更多，純電汽車的碳排放則比燃料電池汽車更低。
制氫過程的碳排放和煤制氫過程中的溫室氣體排放（無碳捕捉和排放處理）均在19Kg二氧化碳/1Kg氫氣，天然氣制氫的溫室氣體排放在8.9Kg二氧化碳/1Kg氫氣。經(jīng)過實測，我們發(fā)現(xiàn)，不到1Kg氫氣就可供燃料電池汽車行駛100Km。所以，燃料電池車相應(yīng)的碳排放在8.9Kg至19Kg二氧化碳/100Km。
反觀電動汽車運行過程中的排放，普通載重情況下一度電可以行駛8公里至9公里，即使全部來自煤電，碳排放一般也可控制在10Kg/100Km左右。汽油車的碳排放一般在33Kg/100Km，算上采油、煉油過程中的碳排放則會達到50Kg/100Km以上。汽油車的碳排放一般是鋰電池車（BEV）的3倍，也是氫能源汽車的2.5倍左右。因此，可以認為汽油、氫能源、鋰電池車BEV的能源效率也呈同等分布。
汽油、氫能源、鋰電池能源利用效率的差距主要來自于利用一次能源的方式，鋰電池轉(zhuǎn)化效率更高的主要原因，是從一次能源到電能再到機械能的轉(zhuǎn)換步驟少，除了線損和充電損失（均可控制在10%左右），總體效率損失較少（主要損失是在發(fā)電階段）；氫能源轉(zhuǎn)化效率較高的原因，主要在于其利用的方式，即氫能發(fā)電不受卡洛循環(huán)束縛，其電化學能效是內(nèi)燃機的1.5倍；汽油的轉(zhuǎn)化效率低，既源于其從開采到運輸?shù)绞蜔捇俚絻?nèi)燃機的用能方式，更是因為內(nèi)燃機較低的熱效率限。雖然內(nèi)燃機汽車（ICE）已經(jīng)過一百多年進化，但其熱效率依然徘徊在30%左右。不過，提升熱效率的努力也并未停步。（作者為國家能源集團金融中心主任助理）
