本書圍繞中國車用能源可持續發展的問題，從能源、環境、經濟、技術、產業領導力和政策多個方面，對中國車用能源可持續轉型之路進行了系統、深入的分析和研究；對中國車用能源的多條技術路線進行了全生命周期分析，建立了中國車用能源發展的五個情景——參考情景、電動汽車發展情景、燃料電池汽車發展情景、生物燃料發展情景和綜合政策情景；對車用能源需求管理，汽車燃油經濟性提高，電動汽車、燃料電池汽車和2代生物燃料等技術措施在中國車用能源可持續轉型中的作用進行了定量的分析和評估，在此基礎上提出了促進中國車用能源可持續轉型的政策與制度建議。
本書可供相關政府部門、汽車及能源行業管理和工程技術人員，以及大專院校相關專業師生參考。
前言
第1章 引論
1.1 車用能源的影響因素
1.1.1 經濟發展
1.1.2 人口地理
1.1.3 技術進步
1.1.4 公共政策
1.2 可持續車用能源系統
1.3 本書主要內容
第2章 汽車發展與污染控制
2.1 汽車發展引發的環境問題
2.2 城市汽車污染物排放的計算
2.3 中國典型城市空氣污染狀況
2.3.1 北京
2.3.2 上海
2.3.3 廣州
2.4 機動車污染控制與節能措施
2.4.1 新車排放控制
2.4.2 燃油品質
2.4.3 在用車排放控制管理
2.4.4 加速落后技術車輛淘汰
2.4.5 發展替代燃料
2.4.6 發展電動汽車
2.4.7 臨時交通管理措施
2.5 挑戰與展望
第3章 中國汽車保有量及交通服務量情景分析
3.1 歷史及現狀
3.2 汽車交通服務量預測模型
3.2.1 模型框架
3.2.2 汽車保有量預測模型
3.2.3 汽車交通服務量預測模型
3.3 情景分析
3.3.1 情景定義
3.3.2 汽車保有量
3.3.3 汽車客運交通服務量
3.3.4 汽車貨運交通服務量
3.4 結論
第4章 汽車動力系統技術
4.1 中國機動車動力系統發展現狀
4.1.1 中國汽車發展現狀與動力技術構成
4.1.2 中國乘用車動力技術構成
4.1.3 中國商用車動力技術構成
4.1.4 兩輪機動車電動化比例升高
4.1.5 動力系統電動化進入起步階段
4.1.6 中國汽車燃料消耗現狀
4.2 高效清潔汽車動力技術
4.2.1 高效發動機技術
4.2.2 智能啟停技術
4.3 混合動力技術
4.3.1 串聯式混合動力技術
4.3.2 并聯式混合動力技術
4.3.3 混聯式混合動力技術
4.4 純電驅動技術
4.4.1 插電式混合動力汽車
4.4.2 增程式純電動汽車
4.4.3 純電動汽車
4.4.4 燃料電池汽車技術
4.5 結論
第5章 石油基液體燃料
5.1 引言
5.2 發展現狀和歷史趨勢分析
5.2.1 中國石油的整體流向
5.2.2 中國石油資源和原油產量
5.2.3 中國石油進口和戰略儲備
5.2.4 中國石油煉制規模和技術
5.2.5 中國石油消費總量和構成
5.2.6 國際與國內的石油價格
5.2.7 中國石油相關環境政策
5.3 未來展望和應對策略分析
5.3.1 中國石油未來發展問題的研究綜述
5.3.2 中國石油消費及車用汽油、柴油消費的情景分析
5.3.3 中國石油的能源安全約束指標與石油缺口
5.3.4 中國石油的常規污染和溫室氣體減排
5.4 結論和建議
5.4.1 主要結論
5.4.2 政策建議
第6章 天然氣基車用燃料
6.1 引言
6.2 車用天然氣的資源供應能力分析
6.2.1 中國天然氣的資源勘探開發
6.2.2 中國天然氣的生產、消費和進口
6.2.3 中國天然氣的儲、運、配
6.2.4 煤制天然氣SNG
6.2.5 未來天然氣供需形勢和車用的潛力
6.3 CNG汽車發展分析
6.3.1 基本技術描述
6.3.2 國內外發展現狀
6.3.3 技術性能評價
6.3.4 支撐條件分析
6.3.5 未來發展建議
6.4 LNG汽車發展分析
6.4.1 基本技術描述
6.4.2 國內外發展現狀
6.4.3 技術性能評價
6.4.4 支撐條件分析
6.4.5 未來發展建議
6.5 GTL發展分析
6.5.1 基本技術描述
6.5.2 國內外發展現狀
6.5.3 技術性能評價
6.5.4 支撐條件分析
6.5.5 未來發展建議
6.6 結論和建議
6.6.1 天然氣的供應能力將持續快速增長
6.6.2 天然氣汽車總體將呈現快速發展趨勢
6.6.3 亟須完善車用天然氣定價機制和基礎設施條件
6.6.4 重點推廣CNG城市公交汽車和示范LNG重型車輛
第7章 煤基液體燃料
7.1 引言
7.2 煤基液體燃料的資源供應潛力分析
7.2.1 煤炭開發和利用現狀
7.2.2 煤炭資源的產能約束和車用的潛力
7.3 煤基液體燃料的技術評價
7.3.1 技術發展現狀
7.3.2 技術性能比較
7.3.3 WTT分析
7.3.4 碳稅對成本的影響
7.3.5 六維度綜合評價
7.4 煤基液體燃料的發展政策分析
7.4.1 各種技術路線的分析
7.4.2 綜合發展政策建議
7.5 結論和建議
7.5.1 主要結論
7.5.2 政策建議
第8章 生物液體燃料
8.1 生物液體燃料發展現狀
8.1.1 燃料乙醇增速緩慢,2010年利用量遠未實現規劃目標
8.1.2 生物柴油2010年利用量已超規劃目標,但與累積產能差距顯著
8.2 生物質原料資源潛力
8.2.1 生物質原料資源的選擇
8.2.2 非種植類原料資源潛力較大,但面臨多種競爭性用途
8.2.3 能源植物資源潛力不確定性較大,受多重約束影響
8.3 生物液體燃料技術發展與產業政策
8.3.1 非糧1.5代生物液體燃料技術
8.3.2 2代生物液體燃料技術
8.3.3 微藻產生物柴油
8.4 生物液體燃料發展情景
8.4.1 技術選擇
8.4.2 情景設定
8.4.3 成本與技術擴散
8.4.4 主要約束條件
8.4.5 中國生物液體燃料發展潛力情景分析與評價
8.5 結論和建議
8.5.1 主要結論
8.5.2 建議
附錄
第9章 車用電力能源
9.1 電力發展預測及電動汽車用能供需分析
9.1.1 中國電力現狀及發展趨勢分析
9.1.2 中國電力發展預測
9.2 電動汽車電能補充方式比較及對充電功率的需求
9.2.1 三種典型的電能補充方式
9.2.2 不同電能補充方式的功率需求
9.3 電動汽車與電網的相互影響及協調發展
9.3.1 由充電引起的電能質量問題
9.3.2 電動汽車雙向能量轉換技術
9.4 支撐電動汽車發展的電網基礎設施及技術標準
9.4.1 基礎設施建設與電力系統升級改造
9.4.2 電動汽車技術標準
9.5 結論和建議
第10章 車用氫能路徑分析
10.1 中國氫氣的生產
10.1.1 煤制氫
10.1.2 天然氣制氫
10.1.3 石油制氫
10.1.4 工業過程副產氫
10.2 中國的氫氣利用
10.2.1 合成氨生產消耗氫氣
10.2.2 甲醇生產消耗氫氣
10.2.3 成品油生產用氫氣
10.2.4 商業氫氣
10.3 中國氫氣流動圖譜
10.4 中國氫氣作為交通能源的政策
10.4.1 《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》——新能源汽車的基礎研究規劃
10.4.2 中國的能源狀況與政策
10.4.3 《中華人民共和國節約能源法》——鼓勵開發使用可再生能源
10.4.4 《中國節能技術政策大綱(2006年)》——氫能及其應用技術
10.4.5 《中國應對氣候變化國家方案》——燃料電池和氫能技術
10.5 氫能燃料電池汽車技術開發及示范進展
10.5.1 燃料電池城市客車研發與產品
10.5.2 燃料電池轎車開發與產品
10.5.3 燃料電池系統開發
10.5.4 氫能燃料電池汽車示范運行
10.6 能量流動圖譜分析
10.6.1 燃料經濟性分析
10.6.2 車內能量流動分析
10.7 氫能汽車發展的情景分析
10.8 結論和建議
第11章 車用燃料技術路線全生命周期能耗及溫室氣體排放
11.1 國內外車用燃料全生命周期研究情況
11.2 車用燃料全生命周期分析模型
11.2.1 階段劃分和功能單位
11.2.2 計算方法與邏輯
11.3 燃料與車輛路線
11.3.1 石油基燃料路線
11.3.2 天然氣基燃料路線
11.3.3 煤炭及煤基燃料路線
11.3.4 生物燃料路線
11.3.5 車用電力路線
11.3.6 車用氫能路線
11.3.7 其他相關技術
11.4 多種車用燃料路線全生命周期能耗和碳排放
11.4.1 從礦井到加油泵
11.4.2 從加油泵到車輪
11.4.3 動力-燃料技術組合
11.5 未來展望
11.5.1 從礦井到加油泵
11.5.2 從礦井到車輪
11.6 結論和建議
11.6.1 主要結論
11.6.2 政策建議
第12章 車用能源情景分析
12.1 車用能源模型
12.1.1 模型總體框架
12.1.2 汽車交通需求預測模型
12.1.3 車用能源供應模型
12.1.4 車用能源集成與優化模型
12.2 參考情景
12.2.1 情景主要假設
12.2.2 情景結果
12.2.3 情景要點總結
12.3 電動汽車發展情景
12.3.1 情景主要假設
12.3.2 情景結果
12.3.3 情景要點總結
12.4 燃料電池汽車發展情景
12.4.1 情景主要假設
12.4.2 情景結果
12.4.3 情景要點總結
12.5 生物燃料發展情景
12.5.1 情景主要假設
12.5.2 情景結果
12.5.3 情景要點總結
12.6 綜合政策情景
12.6.1 情景主要目標與假設
12.6.2 情景結果
12.6.3 情景要點總結
第13章 政策建議:中國車用能源可持續轉型之路
能源安全和氣候變化已成為當前國際政治、經濟和環境領域的熱點問題。在現代化過程中，中國將長期面臨保障能源安全和減緩氣候變化帶來的挑戰。中國能源未來發展的道路會對全球能源市場和應對氣候變化格局產生廣泛而重大的影響。目前，中國已成為全球汽車市場增長最快的地區之一，也已成為全球最大的汽車消費國和生產國。車用能源問題已成為中國能源和環境問題中的一個核心問題。
1.1 車用能源的影響因素
根據影響因素作用機制的特點，把影響車用能源發展的主要因素劃分為四大類：經濟發展、人口地理、技術進步和公共政策。
1.1.1 經濟發展
一個國家的汽車保有量和車用能源消費量首先是由該國汽車的交通運輸服務需求量大小決定的，而交通運輸服務需求量又是由該國的經濟規模總量、經濟結構和產業結構等宏觀經濟特征決定的。一般說來，一個國家的經濟規模大，汽車交通服務需求就大，車用能源消費量也越大。也就是說，在一定時期內，經濟規模、汽車的交通運輸服務需求量和車用能源消費量三者之間呈現很強的正相關。實踐表明，自改革開放以來，中國經濟規模、汽車交通運輸服務需求量和車用能源消費量之間正是呈現很強的正相關關系。到21世紀中葉，中國才能基本實現現代化，成為一個收入水平中等偏上的中等發達國家。在未來相當長的時期，中國經濟仍然處在成長期，GDP的增長率是中國汽車交通運輸服務需求的關鍵驅動因素。
1.1.2 人口地理
除了經濟規模和發展水平外，一個國家的人口地理特征也是影響該國汽車交通運輸服務需求大小及車用能源消費量的關鍵因素。一個國家主要的人口地理特征體現在人口數量、人口構成、國土面積、城市化率、城市化模式和交通運輸基礎設施條件等。美國國土面積廣闊，城市群分散，高速公路網高度發達，乘用車保有率高，達到每千人785輛；日本國土面積狹小，人口密度高，城市密集，乘用車保有率比美國低得多，每千人只有450輛；加拿大、德國、英國和法國的乘用車保有率介于以上兩者之間。因此，人口增長率、人口密度、城市化率及模式和交通運輸基礎設施發展模式也是中國汽車交通運輸服務需求和車用能源需求的關鍵驅動因素。
1.1.3 技術進步
未來汽車技術和能源技術進步會對車用能源的發展產生深刻的影響。汽車節能技術的創新和推廣會不斷提高汽車的燃油經濟性和降低包括二氧化碳在內的污染物排放水平。純電動和燃料電池等新能源汽車技術的進步，除了會大幅度地提高汽車的燃油經濟性和降低污染物排放外，也會帶來車用能源轉換及儲存技術、車用能源基礎設施建設和汽車產業本身的深刻變革。生物基替代能源技術進步也會改變中國車用能源供應結構。需要指出的是，未來車用能源技術進步和市場滲透率有很大的不確定性。
1.1.4 公共政策
中國車用能源發展的目標是建立可持續車用能源系統。因為國家整體利益和個體的利益在一定程度上存在著不一致性，市場機制在外部性內部化和信息供應等方面存在失靈的問題，中國可持續車用能源體系的建立需要政策干預。車用技術進步在很大程度上由政策導向決定，在宏觀經濟因素和人口地理因素相同的背景下，不同的政策導向在很大程度上決定著車用能源技術創新未來發展的方向和不同車用能源技術路線可能發揮的作用。
1.2 可持續車用能源系統
中國需要建立可持續車用能源系統。目前世界上還沒有一個公認的可持續車用能源系統的標準定義。不同的國家，因資源稟賦、人口地理條件、經濟社會發展水平、能源和交通基礎設施特征以及技術創新能力等的不同，對可持續車用能源體系的定義、解釋和要求也會有所不同。中國是一個人口眾多、資源相對貧乏和經濟快速發展的大國，目前也沒有一個公認的可持續的車用能源系統的定義，但是我們可以從以下幾個方面探討和認識中國可持續車用能源系統的一些基本特征。
1）汽車交通經濟：以盡量少或支付得起的成本來滿足社會經濟發展和個體對汽車交通服務的需求。大量的石油進口要花費大量的外匯儲備和經濟資源，向可持續的車用能源系統轉型將帶來明顯的交通經濟效益。
2）能源系統效率：以最小的能源資源消費來滿足社會經濟發展和個體對汽車交通服務的需求。理想的可持續的車用能源系統應該是，在滿足相同的汽車交通服務需求的條件下，從礦井到車輪（WTW）全生命周期能耗最小的或較小的系統。
3）溫室氣體排放：二氧化碳是最主要的溫室氣體（greenhousegas，GHG），根據全球二氧化碳排放控制目標情景，2050年全球人均二氧化碳排放只略大于1t。控制二氧化碳排放已成為全球車用能源技術創新最主要的驅動力之一。機動車成為城市空氣質量惡化的重要污染源。理想的可持續車用能源系統應該是，在滿足相同的汽車交通服務需求下，WTW全生命周期二氧化碳排放和機動車污染物排放最小或較小的系統。
4）能源供應安全：中國石油資源相對貧乏，2010年石油對外依存度已接近55%，未來還會進一步升高。目前中國95%以上的車用能源消費來自石油基燃料，車用能源增長是推動中國石油對外依存度不斷攀升的最主要的力量。可持續的車用能源體系應該具備有效應對國際能源市場風險的能力。從這一方面看，車用能源供應應該是多元化的，在經濟可行的條件下盡量減少對國外能源資源的依賴。
5）燃料品種供需匹配：可持續車用能源體系應該不僅能保證車用能源數量上供需平衡，而且能夠保證車用能源品種上匹配合理，盡量避免車用能源在品種上出現大的余缺，保證車用能源生產、運輸和加注等基礎設施得到科學的利用。
6）汽車工業競爭力：中國汽車產業起步較晚，在傳統汽車技術和能源技術領域缺乏競爭力，但在新能源汽車領域有取得較大超越的可能性。中國新能源汽車市場具備一定的規模才能為汽車產業的升級和競爭力提升提供所需的動力。
應用可持續車用能源系統是一種理想的政策目標情景。我們認為，交通經濟、能源效率、溫室氣體排放、能源安全性、能源品種供需匹配和工業領導力是衡量中國車用能源系統是否具有可持續性的六個最基本的標準。
1.3 本書主要內容
中國車用能源問題十分復雜，涉及能源、經濟、環境、技術、社會、產業領導力以及政策等多個方面。對中國車用能源問題認識并提出解決方案需要開展系統、深入的多學科綜合研究。清華大學中國車用能源研究中心受國家能源局、工業與信息化部、科學技術部等政府部門的委托，圍繞中國車用能源可持續發展的問題，從能源、經濟、環境、技術、產業領導力和政策多個方面，對中國車用能源可持續轉型之路進行了系統和深入的分析研究，對中國車用能源的多條技術路線進行了全生命周期分析，研究提出了中國車用能源發展的五個情景―參考情景、電動汽車發展情景、燃料電池汽車發展情景、生物燃料發展情景和綜合政策情景。利用情景分析的方法，對車用能源需求管理、汽車燃油經濟性提高、電動汽車、燃料電池汽車和二代生物燃料等技術措施在中國車用能源可持續轉型的政策與制度安排建議。本書總結和展示了清華大學中國車用能源研究中心的這些研究工作以及取得的研究成果。本書共有13章，第2章至第13章各章安排如下。
第2章 汽車發展與污染控制：闡釋了中國汽車發展引發的環境問題，重點研究城市機動車與空氣污染關系，分析了中國機動車污染控制措施，總結了相關挑戰并對未來進行展望。
第3章 中國汽車保有量及交通服務量情景分析：重點對中國汽車保有量和汽車交通服務量進行預測。通過建立包括人口密度、家庭收入等因素的預測模型，對私人乘用車、公共交通車輛和其他車輛保有量進行分類預測；在未來汽車年行駛里程和載客/載貨率預測的基礎上，對汽車客運和貨運的交通服務量進行分類預測。
第4章 汽車動力系統技術：對中國機動車動力系統的發展現狀進行了系統的評估，包括高效清潔汽車動力技術、混合動力技術、純電驅動技術，也介紹了這些技術在中國的技術研發和產業示范情況。
第5章 石油基液體燃料：圍繞石油基車用能源問題，對中國石油供應鏈進行全方位分析，涉及石油生產、石油進口、石油煉制到油品消費等方面，并對未來發展提出一些策略性建議。
第6章 天然氣基車用燃料：圍繞車用天然氣問題，對中國天然氣未來供需形勢和天然氣動力汽車技術發展進行了評論，分析了天然氣的車用潛力。第7章 煤基液體燃料：在對煤基液體燃料供應鏈進行全方位分析基礎上，對多種煤基液體燃料技術的發展進行全面、客觀的評價，并在此基礎上提出初步的發展政策建議。
第8章 生物液體燃料：在對中國生物燃料未來發展的各類資源和眾多技術進行了綜合，結合未來重點技術突破時點和政策情況，對未來車用生物燃料（如燃料乙醇、生物柴油）進行了多情景分析。
第9章 車用電力能源：圍繞車用電力能源發展問題，進行了電力系統發展的現狀及未來發展情景分析，論述了影響電力系統發展的若干關鍵因素，并評估了電能作為車用化石能源的替代能源的可能性，進行了可行的技術路線展望。
第10章 車用氫能路徑分析：圍繞氫能車用和燃料電池汽車發展問題，對中國氫氣生產和利用進行了全面分析，并結合燃料電池汽車技術發展，分析了未來車用氫能的來源問題。
第11章 車用燃料技術路線全生命周期能耗及溫室氣體排放：在介紹模型和闡釋各條燃料和動力技術路線的相關參數的基礎上，對中國車用燃料技術路線進行了基于同一計算平臺的多燃料/車輛路線的全生命周期綜合比較；對重點技術路線的全生命周期的能耗和碳排放情況進行了預測展望。
第12章 車用能源情景分析：圍繞中國車用能源可持續轉型之路，提出了中國車用能源未來發展的五個情景―參考情景、電動汽車發展情景、燃料電池汽車發展情景、生物燃料發展情景和綜合政策情景，從能源、經濟、環境、技術和產業領導力等多角度對五個情景進行了分析評估。
第13章 政策建議：中國車用能源可持續轉型之路：對中國車用能源可持續轉型之路進行了量化分析，提出了促進中國車用能源可持續轉型的政策建議。
2.1 汽車發展引發的環境問題
隨著中國經濟的快速發展和城市規模的不斷擴大，以及人民生活水平的不斷提高，中國機動車保有量在過去的幾十年里呈現出快速增長的趨勢。1978～2010年的32年間，全國機動車保有量從136萬輛增長到近8000萬輛（不含摩托車、低速貨車和低速電動車等），年平均增長率為14%，特別是2000年以后增速更高，年平均增長率達17%。機動車數量的快速增長，為人們的生活帶來了便利，提高了人們的生活質量，但同時也帶來了嚴重的環境問題。
由于中國機動車污染控制水平較低，交通基礎設施建設和規劃管理發展比較緩慢，機動車單車污染物排放因子普遍高于發達國家；同時由于城市交通密度和人口集中程度較高，機動車污染物排放密度和污染物濃度都比較高，造成的危害很大。
為了控制機動車污染，中國迅速完成了汽油無鉛化進程，相繼頒布并實施了新車排放標準。然而，由于中國機動車污染控制起步較晚，在用車中排放控制技術相對落后的車輛仍然占較大的比例，機動車的平均排放水平要遠高于歐美發達國家。此外，配套的交通基礎設施建設和交通規劃管理水平未能與機動車保有量的高速增長保持同步發展，交通結構不合理，造成目前很多大城市中心區主要道路長時間處于飽和狀態，車輛平均行駛速度低，怠速比例高，加重了城市的空氣污染。
專欄2-1 機動車污染物對人體健康和環境的影響
機動車排放的污染物主要包括一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、細顆粒物（PM2.5）等，這些污染物對人體健康會造成嚴重的危害。CO和HC是不完全燃燒的排放物，CO會降低人體血液的輸氧能力，濃度低時會使人感到頭疼、頭暈，出現中毒；濃度高時可以致死。HC中的苯和多環芳烴物質目前被證明是致癌物質。NOx，特別是NO2是一種毒性很強的具有刺激性氣味的紅褐色氣體，在濃度為5ppm① 時就對人的呼吸系統和免疫系統有很大的危害。而PM2.5會通過呼吸沉積在人的肺部，加重呼吸系統疾病，并且由于其表面經常吸附許多有毒物質而具有很大的危害性。機動車排放出的NOx與HC會發生光化學反應產生低空臭氧和光化學煙霧，此外NOx還是酸雨的重要來源，嚴重危害人類健康。機動車排放顆粒物中的黑碳（blackcar-bon，BC）會使能見度降低，還會影響氣候變化。
表2-1是北京市NO2平均濃度年際變化（北京市環境保護局，2007，2008，2010），可以看出，中心城區NO2平均濃度比郊區高31%～44%。在交通密集的城市中心區，空氣污染中機動車污染的特征十分明顯。
目前，機動車排放在中國城市污染物排放的分擔率呈現出上升趨勢。多數城市CO、HC的分擔率超過50%，大城市甚至達90%以上。在人群聚集程度最高的城市中心，機動車污染物的排放和濃度分擔率達到80%以上，而且機動車排放分擔率有繼續增大的趨勢，這表明機動車排放污染物已是城市大氣環境的主要污染源（霍紅，2005；關共湊等，2006；關共湊和余倩，2007；金小山，2009；李從慶等，2010；楊清玲等，2009）。在北京、上海和廣州等機動車保有量增長迅速的城市，機動車污染已經成為大氣污染的首要污染源，是城市大氣污染控制的重中之重。表2-2為北京市2008年各種污染源的排放貢獻（Wangetal.，2010），由表中可見，機動車是城市NOx和HC最主要的污染源，而這些污染物是臭氧的前體物，因此機動車是導致城市空氣質量惡化的首要污染源。
就全國來看，2006年，中國機動車的CO、NOx和HC排放量占相應污染物全國總排放量的20%以上。目前，對氣候和人體健康均有惡劣影響的黑碳（BC）得到全世界學術界和決策部門越來越多的關注，中國機動車的BC排放則占全國BC排放總量的10%以上（Zhangetal.，2009）。
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