百年汽車史革新將屆,準備好面對電動車時代了嗎?

百年汽車史革新將屆,準備好面對電動車時代了嗎?

2018 年 8 月下旬發生在台灣中南部長達超過一個星期的暴雨還令人記憶猶新,更早之前的八八風災,更是台灣近 60 年來最嚴重的水患。不管是 2018 年 8 月長達一個星期的強降雨,還是八八風災期間,單日就破千的累積雨量,雖然近因一個是熱帶性低氣壓與西南氣流的交互作用,另一個是中度颱風所帶來的災害。但,造成如此雨量的原因,就目前的研究,都指向氣候變遷所造成的極端氣候。

極端的短時強降雨,被視為是因為氣候變遷所帶來的災害之一。
極端的短時強降雨,被視為是因為氣候變遷所帶來的災害之一。

全球暖化,便利的交通運輸是幫兇

除了在台灣等熱帶地區所造成的強降雨,近年來歐洲夏季不斷出現的熱浪、 2019 年襲擊北美洲地區的嚴重寒潮、 2016 年讓台灣平地降下冰霰的霸王寒流,都被認為是極端氣候所造成的現象。而目前的研究指出,造成極端氣候現象近年來頻率增加的原因,都指向全球暖化現象的加劇。因為工業革命之後人類燃燒化石燃料造成的溫室氣體排放,所導致的全球暖化現象,影響的不僅只是冰川融化、海平面上升,讓低海拔地區有淹沒的。帶來的極端氣候,更是影響人類活動,甚至是生命財產安全的最致命危機。

冰川融化造成海平面上升,只是全球暖化所帶來的其中一項問題。
冰川融化造成海平面上升,只是全球暖化所帶來的其中一項問題。

為了遏止全球暖化現象加劇,聯合國在 1990 年代初期制定《聯合國氣候變遷綱要公約》,並在 1997 年制定《京都議定書》。但由於全球暖化現象並未減緩, 2015 年 12 月更在巴黎召開聯合國氣候峰會,通過被稱為「巴黎協議」的氣候協議,取代 1990 年代末期的《京都議定書》。期盼透過約束各簽署國政府,透過控制溫室氣體的排放量,減緩全球暖化的現象。

《京都議定書》、《巴黎協議》,都是為了遏止全球暖化現象加劇而簽署。
《京都議定書》、《巴黎協議》,都是為了遏止全球暖化現象加劇而簽署。

由於溫室氣體濃度上升的原因,最大的原因,在於工業革命以後,人類燃燒煤炭、石油等化石燃料所造成的二氧化碳排放。其中,交通運輸在全球二氧化碳的排放比例更超過兩成,甚至有 40% 的國家,交通運輸是該國最主要的二氧化碳排放來源。於是,在各國的減碳政策中,交通運輸業都是最主要的目標。無論是加嚴新車的排放標準,或者制定傳統燃油汽機車的退場機制等,為的是要透過法規的指定,減少交通運輸行為造成的溫室氣體排放。例如:隨著期數增加而更趨嚴格的環保法規等等,早在多年以前就開始對交通運輸業「下手」。甚至,透過各種的政策補貼,鼓勵民眾換購更具效率的新世代動力車款,或者替代能源動力產品。

由於交通運輸是溫室氣體的排放大戶,各國政府也積極透過各種方案,鼓勵民眾選用更為節能的汽車產品。
由於交通運輸是溫室氣體的排放大戶,各國政府也積極透過各種方案,鼓勵民眾選用更為節能的汽車產品。

對於汽車的減碳,歐洲車廠曾一度押寶柴油動力,因為柴油相對較高的熱轉換效率,不但油耗較汽油引擎出色,也有更低的二氧化碳排放量,將柴油引擎是為是節能減碳的主力解決方案之一,而以 Toyota 為代表的日系車廠則是鎖定在 Hybrid 油電複合動力。不過,初期無論是押寶柴油動力的歐系車廠,或者以 Hybrid 油電複合動力為主力的日系車廠,大多都是以提升內燃機引擎效率,並減少二氧化碳排放量為主要的目標。電動車,還只是未來的願景。一直到 2015 年,從美國燒起的「柴油門」事件,暴露了柴油引擎NOx氮氧化合物排放量並不如預期,將歐洲車廠一手打造的「Clean Diesel」潔淨柴油的招牌打下。雖然柴油引擎具備油耗以及低排放量的優勢,但是氮氧化合物與細懸浮微粒等污染物的排放,卻同樣是污染環境的元兇之一。

汽車的廢氣不僅包含溫室氣體,還包括細懸浮微粒以及氮氧化合物等污染物質。
汽車的廢氣不僅包含溫室氣體,還包括細懸浮微粒以及氮氧化合物等污染物質。

PM2.5 ,汽車也有份

再加上,近來因為霧霾等問題的浮現,讓 PM2.5 等細懸浮微粒造成的空污議題延燒,讓人們開始關注到空氣污染對於人體健康的危害,尤其是致癌風險的提高,還我乾淨的天空,也成為另外一種政治正確。

PM 2.5 所帶來的健康危害在近年來不斷受到關注。
PM 2.5 所帶來的健康危害在近年來不斷受到關注。

就環保署所發表的民國 105 年 (2016年) 的污染源統計資料,車輛所造成 PM2.5 排放量僅次於「營建與道路揚塵」 的 33.63% ,佔所有 PM2.5 排放的 26.29% ,甚至高於工業的 25.97% 。如果以細項來看,光是汽油小客車在台灣就佔總 PM2.5 排放量的 6.17% ,比起被認為是污染元兇的發電產業的 4.81% 更高。不過,最嚴重的還是柴油大貨車的 10.17% 。這樣的統計報告,雖然與一般民眾的刻板印象有所出入,卻明白地指出,汽車,在 PM2.5 的生成中,扮演了相當重要的角色。

以台灣的統計資料,車輛所造成的 PM 2.5 排放僅次於「營建與道路揚塵」。
以台灣的統計資料,車輛所造成的 PM 2.5 排放僅次於「營建與道路揚塵」。

無論是溫室氣體的生成,或者 PM2.5 的排放,從全球暖化造成的氣候變遷,到空氣污染影響的人體健康,汽車,都在其中扮演舉足輕重的角色。雖然,汽車的發明,帶給了人們交通的便利,在目前的各項研究中,卻也發現了它們所帶來的問題。更因為人們的生活幾乎已經無法離開車,再加上汽車在溫室氣體與細懸浮微粒污染的佔比中都名列前茅,成為「改革」的對象,已經是各界的共識。

由於汽車在溫室氣體與細懸浮微粒排放的佔比都相對較高,已經是改革的目標。
由於汽車在溫室氣體與細懸浮微粒排放的佔比都相對較高,已經是改革的目標。

同時,站在污染控管的角度,工廠、發電廠等大型的固定污染源,可以透過監控排污狀態的即時監控裝置,不間斷的監控排放狀態。同時,還可透過高聳的煙囪空間,拉長從燃燒端到排放端的路徑,一方面裝設更多減排的裝備,在廢氣排放的過程中盡可能地捕捉污染物質,減少排入大氣的數量,更高的排放高度,也能有更好的逸散效果,降低對於人體的直接傷害。目前,也早已有政策法令規範,限制固定污染源的排放。

工業與發電廠的固定污染源,相較於體積較小的汽車,要更容易裝設污染監測以及減排設備。
工業與發電廠的固定污染源,相較於體積較小的汽車,要更容易裝設污染監測以及減排設備。

但汽車這類的移動污染源,不但從燃燒端到排放端的路徑較短,減排裝置的裝設先天上就較為困難。即使柴油車裝設 DPF 柴油微粒濾清器早已行之有年,對於佔台灣小客車 PM2.5 排放主要來源的汽油車,歐洲車廠裝設 GPF 微粒濾清器的腳步遲至近幾年才開始推動。而且,汽車的排氣管多半距離地面較近,汽車使用的環境也與人的活動範圍重疊,雖然單一輛汽車的污染物排放量相對較低,但卻是直接排放在房屋、行人周邊。目前,僅能透過定期檢驗或者道路隨機抽檢的方式進行監控。雖然台灣已透過《空氣污染防制法》的修法,預計針對老舊車輛加嚴排放標準,但目前施行細則仍未正式拍板。不過,由於汽車這類移動污染源是 PM2.5 的排放大戶,進一步控管,已是確定的方向。

電動車是目前主流的解決方案。
電動車是目前主流的解決方案。

電動車重回主流

但,為什麼會是電動車?

追溯電動車的發展,早在 19 世紀,直流馬達問世之後,就出現了使用直流馬達驅動的行動裝置,最早的電動車甚至可以追溯到 19 世紀初期,比起第一輛汽車問世的時間更早。甚至,現代電動車的基礎架構,也就是馬達驅動、電池儲能的概念,更是在 19 世紀下半葉,可充電式的鉛酸電池發明之後就已經誕生。雖然電動車在 20 世紀因為石油開發技術的提升,以及內燃機引擎的進步而從市場上失去優勢。但是,相對來說,基本的設計概念,早已存在超過 180 年。

目前 BEV 電動車的電動架構,早在汽車發展之初就已提出。
目前 BEV 電動車的電動架構,早在汽車發展之初就已提出。

比起從頭開發全新的動力系統,重拾過去早已出現的技術架構,再透過現代的技術,解決過去的弱勢,相對來說是更簡單而直接的管道。這也是為什麼在各種以零排放為目標,為了降低汽車二氧化碳排放而誕生的新能源動力技術,像是:太陽能車、 FCEV 氫燃料車等解決方案之中,以可充電式蓄電池搭配電動馬達的 BEV 電動車能夠成為主流的主要原因。

因為整體架構較為成熟,以蓄電池搭配電動馬達的 BEV 電動車是目前各車廠主流的發展方向。
因為整體架構較為成熟,以蓄電池搭配電動馬達的 BEV 電動車是目前各車廠主流的發展方向。

而且,就能源轉換效率而言,傳統內燃機汽車大約落在 12% 至 30% 之間,而電動車則有 77% 至 82% 左右。也就是說,單純以能源的使用效率來說,電動車是更能減少能源耗損、讓能源使用更有效率的選擇。如果,再回到源頭,能量產生了來源,一般內燃機,也就是汽、柴油引擎的熱效率,汽油引擎大約是 30% 左右,而柴油引擎可上看至 50% 左右。但是,一般被視為是污染大戶的火力發電廠,如果是單純的燃煤電廠,效率大約為 46% ,但若是使用複循環發電機組,則可上看至 60% ,相較於只能用作汽車動力來源的內燃機,發電機組的效率也更為出色。

電動車動力系統的能源使用效率可達 77% 至 82% 左右。
電動車動力系統的能源使用效率可達 77% 至 82% 左右。

不僅如此,電動車的設計以及理想使用方式,還有車廠未來擘劃的藍圖,也與目前使用汽車的方法有相當的差異。以目前最普及、應用最多元的能源——「電」作為動力來源的電動車,未來將會併入能源網路之中,讓能源能夠更有效率、更充分地被使用。以目前所提倡的使用方式,也就是夜間休息時段透家用充電網路充電,當中一部份的思維,就是為了讓過往夜間離峰時段電網中被浪費的電力也能被儲存至電池當中,再用作隔天通勤使用。而不是像過往一樣,就在電網中被浪費。

運用家用充電座,在夜間等離峰時段為靜止不動的車輛充電,不僅可以補充使用電動車的電量,也能充分使用過往離峰時段被浪費在電網中的電力。
運用家用充電座,在夜間等離峰時段為靜止不動的車輛充電,不僅可以補充使用電動車的電量,也能充分使用過往離峰時段被浪費在電網中的電力。

未來,包括電動車太換下的舊電池,還有電動車,都會被視為是能源網路中的一環,運用智慧型電網設備,與家用電網,或者整體能源網路連結,將其視為是個人與家用的儲能設備,把原先被浪費的電力儲存。一方面降低個人的電費負擔,另一方面,也能讓電網中的電力更有效率地被使用,減少整體電網的負荷。比起內燃機汽車,還必須為其精煉燃料,且燃燒汽油、石油之後,只能擔任移動這單純的任務,能夠與未來能源使用藍圖連結的電動車,就成為了當前主流的解決方案。

電動車在未來將會成為能源網路中的一個重要角色。
電動車在未來將會成為能源網路中的一個重要角色。