個人交通工具:探索未來車的能源

文/黃明輝
人類文明與能源及運輸工具的關係

古代人類的生活中,最重要的活動就是製造與取得食物。農業時代裡,以牛馬耕田,幫助製造食物;以牛馬駱駝等運送食物,因此缺糧的都市也可以從糧食產量豐富的鄉村得到食物。支持活動的能量都來自太陽 。水要靠太陽的蒸發,才能完成海洋 → 雲 → 降雨 → 河流 → 海洋的循環。有了水及陽光,植物才能生長,提供動物當食物。植物又可當燃料,用來烹調食物與製造器具。因此古人早就是生活在綠色太陽能的時代了!


18世紀末期蒸汽機的發明,使得人類可以用更廉價的蒸汽機動力取代牛馬的獸力與奴隸的人力,19世紀的鐵路與火車,取代了18世紀的驛站與馬車。人類活動的範圍經由鐵路連接成線。20世紀發明了更方便、更有效率的內燃機(汽油或柴油引擎),逐漸取代蒸汽機的地位。小型的內燃機可以裝在小型的車子上,汽車大量增加,加油站與公路到處出現,形成四通八達的交通網。輪船與飛機同樣使用內燃機,海運與空運變得更快速、更便宜。人與貨物都可以更方便地移動,地球村與全球化經濟的形式才得以出現。

圖一:古代人類以人力及獸力耕作與運輸糧食,使用的就是太陽能量。

圖一:古代人類以人力及獸力耕作與運輸糧食,使用的就是太陽能量。

圖二:十八世紀以來,人類開始使用機械幫助農耕與運輸。現在農業主要依賴時由提工的能源。

圖二:十八世紀以來,人類開始使用機械幫助農耕與運輸。現在農業主要依賴石油提供的能源。
石油危機

蒸汽機使用煤炭,內燃機使用石油,人類大量開採這些遠古動植物埋在地下所遺留下來的有限的化石燃料 。20世紀末期,石油發現量出現高峰,未來能開採的數量只會越來越少。這種石油即將用盡的危機威脅著人類生活的每一層面。

 

以人類賴以為生的現代為例,大量使用的農藥與肥料、抽取灌溉水、各式農耕機具的油料、運送食物與肥料的車輛、冷凍冷藏食物的電力等等都需要使用到化石燃料。估計製造食物過程中,來自太陽的能量只有不到10 %,其餘90 % 都來自化石燃料!可想而知,只剩下太陽能的話,製造與運送食物的產能將降為現在產能的十分之一!能支持的人口數將只有現在的十分之一,相當於回到16世紀的人口數!這種食物銳減的現象,將對社會造成巨大的破壞,例如以戰爭等方式,讓人口大量下降。但這是大家最不樂見的大悲劇。

 

人類的智慧就在於用科技解決問題。農藥可以用有機耕作與生物科技取代;肥料與灌溉水可以用回收解決;電力可以用核能與其它再生能源生產;最後一個交通運輸的問題,則可以改用電動車。人類文明的未來並不黯淡,只是需要大規模的改變人類的生活方式。

 

圖三:燃料電池的原理。氫氣與氧氣在燃料電池內返用生產水蒸氣與熱,同時釋放電流。

圖三:燃料電池的原理。氫氣與氧氣在燃料電池內反應產生水蒸氣與熱,同時釋放電流。
電動車的形式

大家都玩過玩具電動車吧!有沒有注意玩具車經常需要換電池,或者充電?電動車的續航力(一次充滿電可以行駛的旅程)決定於電池的能量與車重,因此電源是電動車能否成功的關鍵!以下按照電的來源,將電動車分成幾種形式介紹。

 

一、油電混合動力車:使用汽油引擎與電動馬達兩種動力。以汽油引擎提供啟動時及高速行駛或爬坡所需的動力,市區低速行駛時可以用電動馬達。煞車時可以用電動馬達當成電磁煞車;此時馬達變成發電機,產生的電力回充電池,達成節能的目的。油電混合動力車只是過渡時期的辦法,可以避免電動馬達起動無力與續航力短的缺點。

 

一、油電混合動力車:使用汽油引擎與電動馬達兩種動力。以汽油引擎提供啟動時及高速行駛或爬坡所需的動力,市區低速行駛時可以用電動馬達。煞車時可以用電動馬達當成電磁煞車;此時馬達變成發電機,產生的電力回充電池,達成節能的目的。油電混合動力車只是過渡時期的辦法,可以避免電動馬達起動無力與續航力短的缺點。

 

二、蓄電池車:只使用蓄電池提供電力。雖然現在已經可以製造蓄電池車,但因為上述電池重量與續航力互相排斥的缺點,及充電站不便利的關係,使得推廣不易。

 

三、燃料電池車:燃料電池是一種將燃料直接與氧氣反應產生電的電池。燃料電池車可以使用液態燃料(例如乙醇)或加壓的氣態燃料(例如氫),就像現在的車子使用汽油或天然氣一樣。這些燃料電池每公斤能提供的能量是鉛酸蓄電池的30~100倍,或是鋰離子電池(筆記型電腦或手機的電池)的3~10 倍,可以達到跟汽油車一樣的續航力。當燃料用完後,補充燃料就像現在加油或加氣一樣方便。因此燃料電池車被認為是未來車最可能的型式。

 

圖四:燃料電池車的簡圖,以氫氣進入燃料電池發電,電再使用電動馬達轉動,驅動車子運動。

圖四:燃料電池車的簡圖,以氫氣進入燃料電池發電,電再使用電動馬達轉動,驅動車子運動。
氫燃料電池車的原理與釋疑
燃料電池有許多不同形式,其中一種使用將氫作燃料。氫燃料電池車排出氫燃燒變成的水蒸氣,沒有溫室氣體等廢氣。由於這些因素,氫燃料電池車被認為是未來車最好的選擇。

 

不過不排廢氣的特性常讓人誤解為「氫是潔淨能源 』 !其實這六個字裡面有兩個誤解。首先:氫不是能源 ,而是能源的攜帶者。氫猶如傳送信件的郵差,信件才是傳送的能量。氫是自然界最輕最活潑的元素,一般氫原子都跟其他原子結合成穩定的分子。當製造氫的時候,得加入能量分解含氫的分子。氫進入燃料電池後跟氧結合,再將儲存的能暈釋放出夾來。

 

其次,氫是不是潔淨跟產氫的過程有關,以電解產氫為例,電力的來源若是來自火力發電或者是核能發電,則由這兩種高汙染性的電源所生產的氫就是骯髒的!目前潔淨電源只佔不到 2 % ,用電解產氫並非潔淨的方法。其他工業產氫的方式都使用石油產物,故也同樣是骯髒的。使用骯髒的氫只是把污染源由汽車移到發電廠。只有在未來,大量使用再生能源時,氫才會是潔淨燃料,才能真正的降低空氣汙染。

 

遠景

交通運輸是製造與運送食物的關鍵,影響著人類的生存與生活。當石油耗盡後,汽車可能都得改成電動車。沒有了石油,人類必須恢復到17世紀以前以太陽能為主的生活。許多新科技可以使人類更有效的運用太陽能。例如使用再生能源,來製造氫氣,然後在車上的氫燃料電池發電,提供馬達電力驅動車子。類似的燃料電池技術也可以運用到輪船或者螺旋槳飛機上。這些技術仍舊在迅速的發展中,可能現在的小孩長大成人時就可以看到實用的產品了!到時候,人們互相鼓勵時,可能會說「加氫」而不是「加油」了喔!