第一节
能源变革与汽车工业

能源作为现代化的动力，关系着国计民生和人类福祉，是人类生存发展和经济社会发展的重要物质基础。人类对能源的利用，从柴薪到煤炭、石油、天然气等化石能源，再到水能、风能、太阳能等清洁能源，每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃和人类文明的重大进步。

一、能源变革历史和发展规律

能源是推动人类文明发展的重要动力。世界能源自身也在不断发展进步，经历了从高碳到低碳、从低效到高效、从局部平衡到大范围配置的深刻变革。能源变革与工业革命有着很强的内在联系，是工业革命的根本动力。

（一）能源变革与工业革命

近200年来，人类社会已经先后经历了两次工业革命，随着智能电网的发展，第三次工业革命伴随着能源变革也已悄然而至。

（1）第一次工业革命始于18世纪60年代，由于蒸汽机的发明与广泛应用，煤炭迅速取代柴薪，推动了近代工业的建立和大发展。在这次变革中抢占先机的英国，在1770—1860年的90年中，建立了世界上规模最大的煤炭工业。到19世纪中期，英国煤炭产量已占全球的2/3，并以此为基础加快发展纺织、钢铁、机械、铁路运输等工业，率先在世界上建立近代工业体系。

（2）第二次工业革命始于19世纪中后期，由于电力的发明及广泛应用，推动了现代工业的建立和大发展，不仅产生了电力、电器、石油、化工、汽车、通信、信息等新的工业，而且推动了纺织、钢铁、机械、铁路运输等旧的工业升级。19世纪七八十年代，以煤气和汽油为燃料的内燃机相继诞生，90年代柴油机创制成功。内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。80年代德国人卡尔·弗里特立奇·本茨等人成功地制造出由内燃机驱动的汽车，内燃汽车、远洋轮船、飞机等也得到了迅速发展。内燃机的发明，推动了石油开采业的发展和石油化工工业的生产。1870年，全世界生产大约80万t石油，而1900年的年生产量猛增到了2000万t。

在这次变革中抢占先机的美国，在1910—2010年的100年中，电力装机容量、用电量、电网规模一直位居世界第一，美国也率先在世界上建立了现代工业体系。

（3）从前面两次工业革命可以看出，能源变革对工业发展具有决定性的影响，没有蒸汽机技术的突破，就不会有近代工业，没有电力的广泛应用，现代工业也无从谈起；同时能源变革对工业发展又具有全局性的影响，既推动了新的工业出现，也推动了旧的工业升级。进入21世纪后，大规模开发利用化石能源带来的能源危机、环境危机凸显，建立在化石能源基础上的工业文明逐步陷入困境，新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。这一轮能源变革，是以电为中心、以新能源大规模开发利用为特征的能源变革。随着新一轮能源变革的到来，新能源技术、智能技术、信息技术、网络技术不断突破，与智能电网全面融合，正在承载并推动着第三次工业革命。新一轮能源变革与新一轮工业革命再次相伴发生。

（二）能源发展规律

世界能源发展经历了从高碳向低碳、从低效向高效、从局部平衡到大范围配置的深刻变革。

1.能源结构从高碳向低碳发展

在能源发展过程中，人类不断寻找更多种类的能源，以保障能源供应，满足经济社会发展对能源的需求，但不同发展阶段的主导能源不同。随着需求的变化和技术的发展，主导能源不断升级，总体是朝着更加低碳的方向发展。从柴薪到煤炭、石油、天然气，再到水能、核能、风能、太阳能以及其他清洁能源的发展过程，就是逐步减少碳排放的过程。各类能源的碳排放强度见表1—1。

化石能源碳排放强度高，持续上百年的开发利用已经排放了大量二氧化碳，对全球气候的影响也开始凸显，最近100年全球气温上升了0.74℃。自1979年以来，北极海冰面积每年减少超过7万km ² 。要减缓气候变化、实现人类的可持续发展，必须降低能源结构中化石能源比重、提高清洁能源比重。

世界能源消费结构长期以化石能源为主，但其所占比重正在逐步下降。1965—2014年，全球化石能源年消费总量从50.5亿t标准煤增长到159.5亿t标准煤，增长了2.1倍；化石能源占一次能源消费比重由94.3%下降到86.3%，下降约8个百分点，能源消费结构从高碳向低碳发展。1965—2014年世界一次能源消费总量及化石能源占比如图1-1所示。

2.能源利用从低效向高效发展

提高能源开发利用效率的关键在于技术创新。第一次工业革命时期的蒸汽机技术创新，对能源发展产生了划时代的意义，推动了煤炭的大规模高效开发和利用，促使社会生产从手工劳动转向大机器生产，极大地提升了劳动效率和社会生产力。第二次工业革命期间，蒸汽机技术的提升潜力越来越小，对煤炭主导的能源发展的推动作用开始逐渐减缓。随着电动机、内燃机的出现和广泛应用，以石油和电力为代表的新的能源形式登上历史舞台，推动了能源效率和劳动生产力的进一步提升。发展到今天，化石能源利用效率的提升空间越来越小。目前，汽油内燃机直接燃油效率在30%左右，燃煤发电机组效率最高在50%左右。

与传统的化石能源相比，太阳能、风能、水能等清洁能源不可储存，如果不开发利用，只能白白浪费。因此世界上很多机构（如IEA、BP等）将经过开发转化后的太阳能发电、风电、水电等作为一次能源进行统计。考虑到未来清洁能源将在能源结构中占主导地位，能源利用效率将主要取决于作为一次能源的太阳能、风能、水能的开发转化效率；而电能的终端利用效率远高于化石能源的直接利用效率，电动机效率可以超过90%，远高于蒸汽机、汽油内燃机、煤炭直接燃烧等，因此，大规模开发清洁能源并转化为电力，全球能源利用效率将获得极大的提升。从蒸汽机到电动机，能源利用从低效向高效发展如图1—2所示。

如今电能已成为全球最重要的能源之一。从全球范围看，以电为中心的能源开发利用格局正在加快形成，并成为全球能源发展的战略方向。近 10 年来，全球电力消费增长20%左右，约3/4的一次能源需求增量用于发电。

3.能源配置从局部平衡向大范围优化发展

从能源发展看，全球化石能源生产与消费具有明显的逆向分布特征，南美、中东的石油、天然气送到亚洲，远东西伯利亚的石油、天然气送到欧洲，距离长达数千千米，能源配置逐步从点对点输送向物流网、管网方向发展，呈现强烈的网络化趋势。未来，在以清洁能源为主导、以电为中心的能源发展格局下，电网将成为能源配置的主要载体。

全球清洁能源的分布同样很不均衡，除分布式开发的清洁能源就地利用外，北极、赤道附近地区和各洲内大型的水电、风电、太阳能发电基地，大多距离负荷中心数百甚至数千千米，需要构建电网从能源基地向负荷中心输电，这是最经济便捷的能源配置方式。随着全球清洁能源的大规模开发，电网覆盖范围将进一步扩大至全球，形成全球广泛互联的能源网络。

二、汽车工业的发展

如果说第一次工业革命开启了现代文明的帷幕，那汽车的出现则极大地推进了人类文明史的发展。汽车在国民生产、生活及交通中扮演着极其重要的角色，汽车工业已成为国民经济的重要支柱产业。自第一辆汽车诞生以来，经过100多年来的不断改进、创新，凝聚了人类的智慧和匠心，并得益于石油、钢铁、铝、化工、塑料、机械设备、电力、道路网、电子技术与金融等多种行业的支撑，汽车工业发展迅速，它改变的不仅是人类的交通工具，还改变了人类的生产生活方式。

（一）蒸汽汽车的诞生

1769年，法国人N.J.居纽制造了世界上第一辆蒸汽驱动的三轮汽车如图1—3所示。

这辆汽车被命名为“卡布奥雷”，车长7.32m，车高2.2m，车架上放置着一个像梨一样的大锅炉，前轮直径1.28m，后轮直径1.50m，前进时靠前轮控制方向，每前进12~15min需停车加热15min，运行速度为3.5~3.9km/h。1771年他造出第二辆车，没有真正跑过，现置于法国巴黎国家艺术馆展出。尽管N.J.居纽的这项发明失败了，但却是古代交通运输（以人、畜或帆为动力）与近代交通运输（动力机械驱动）的分水岭，具有划时代的意义。

1825年，英国人斯瓦底·嘉内制造了一辆蒸汽公共汽车，18个座位，车速为19km/h，开始了世界上最早的公共汽车运营。

后来，蒸汽机发展成为铁道车辆和船舶使用的外燃动力源，人们在为汽车寻找功率体积比高、功率重量比高的轻便动力装置。

（二）内燃机汽车的诞生

世界上第一辆汽车是由德国人卡尔·本茨（1844—1929年）于1885年10月研制成功的，一举奠定了汽车设计基调，即使现在的汽车也跳不出这个框框。他于1886年1月29日向德国专利局申请汽车发明的专利，同年的 11 月 2 日专利局正式批准发布。因此，1886年1月29日被公认为是世界汽车的诞生日。

1.卡尔·本茨的三轮汽车

1879年，德国工程师卡尔·本茨首次试验成功了一台二冲程试验性发动机。1883年，本茨创立了“本茨公司和本茨莱茵发动机厂”。1885年，他在曼海姆制成第一辆本茨专利发动机汽车，如图1—4所示。

本茨的车为三轮汽车，采用一台二冲程单缸0.9马力的汽油机，此车具备了现代汽车的一些特点，如火花点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬架、后轮驱动、前轮转向和制动把手。但该车的性能并不十分完善，行驶速度、装载能力、爬坡性能也不十分如意，而且在行驶中经常出故障。但是，它的巨大贡献不在于其本身所达到的性能，而在于观念的变化，即自动化的实现和内燃机的使用。

2.哥特里布·戴姆勒的四轮汽车

1886年，德国人哥特里布·戴姆勒（1843—1900年）在一辆四轮马车上安装了自己研制的汽车发动机，以18km/h“令人窒息”的速度行驶，人类历史上第一辆四轮汽车诞生了。戴姆勒研制的四轮汽车如图1—5所示。1890年戴姆勒成立公司。

本茨和戴姆勒是人们公认的以内燃机为动力的现代汽车的发明者，他们的发明创造，成为汽车发展史上最重要的里程碑，因此他们两人被世人尊称为“汽车之父”。

（三）汽车首次大批量生产

1896年，美国人亨利·福特试制出第一辆汽车。1903年建立福特汽车公司。初期，租赁马车制造厂做总装厂，装配两座带篷船式车身A型车，售价850美元。发动机、化油器、变速器、车桥、车身均外购。后建比凯·阿庇纽新厂，三层式厂房，一层机加工缸体、曲轴等18个大件，二层机加工小件，三层最后组装，已具备大量生产的基本形态。

1908年，亨利·福特及其伙伴将奥尔兹、利兰以及其他人的设计和制造思想结合成为一种新型汽车——福特T形车，如图1—6所示。

该车投放市场便获好评，接到大量订单。1909 年开始T形车单一品种生产，当年售价 950 美元，产量达万辆。1914年，他将泰勒的流水生产线技术运用到汽车上，这种技术被后人称为装配线。装配线不仅有助于在装配过程中通过生产设备使零部件连续流动，而且便于对制造技能进行分工，把复杂技术简化、程序化。组装 1 辆汽车由原定置式的750min缩短为93min，工厂单班生产能力达1212辆。当时有专用机床约1.5万台，工人1.5万人，这就是后来为全世界汽车厂继承的汽车大批量生产方式的原型。

与此同时，福特公司调整销售组织，在销售服务子公司的基础上，开设现地组装厂，把从底特律运来的散件组装成车。这样，可以用普通货车运输，大量削减运输费用，且节省底特律的占库面积。大批量生产和分装使生产成本逐年下降，1924年年底T形车售价下降到290美元。1917年福特公司市场占有率逾42%，1921年达55.45%，成为当时美国最大的汽车制造商。1927年停产前T形车共售出1500万辆，同一车形连续生产长达19年，创造大批量生产的辉煌。

大批量流水生产的成功，不仅使T形车成为有史以来最普遍的车种，而且使家庭轿车的神话变为现实。福特发明的流水线生产方式的成功，不仅大幅度地降低了汽车成本、扩大了汽车生产规模、创造了一个庞大的汽车工业，而且使当时世界上的大部分汽车生产从欧洲移到了美国。1929年，美国生产汽车54.5万辆，出口占10%，占领了除美国之外世界市场的35%。

（四）汽车技术进步时期

20世纪30年代，在美国，大众车的性能和造型向中、高级车靠拢。中级、高级车的奇异造型和昂贵的特殊配置相继出局，更为注重实用性。车型设计开始重视空气动力学效应，整体结构车身备受瞩目，流线型车身就是在这个时期诞生的。这一时期出现了竞赛汽车，如美国克莱斯勒公司超级战马，其性能开始超过高级车；前轮独立悬架结构几乎普及化；德国奥迪、法国雪铁龙和美国科德公司推出前轮驱动轿车；1934年梅塞德斯·奔驰公司制造出首部柴油动力轿车；1936年中级车格雷厄姆取得值得称道的汽车动力性和燃料经济性双优；1937年美国哈德逊公司创出了免离合器的电动换挡。

汽车技术进步主要体现在发动机、燃料、润滑油方面。德国从煤中提炼合成燃油；欧洲、亚洲许多地区采用发生炉煤气，也有地区使用酒精代替汽油。汽油、润滑油和轮胎等物资匮乏困扰着汽车运行。

1973年、1979年世界出现两次石油危机，汽车需求锐减，小型省油车市场看好，对世界汽车发展和汽车工业格局影响很大。这一影响历经10年，1984年之后才步入新一轮增长期。由于20世纪70年代石油危机所致，日本车商生产的小型车耐用、便宜、性价比高，符合国外排放、安全标准，尤其是省油的特点，深受国际市场欢迎。至此，世界汽车形成了美国、日本、欧洲并存的格局。

石油危机极大地促进了汽车节能技术的发展。诸如：发展小型车，减轻汽车自重，提高汽车传动效率，无内胎钢丝子午线轮胎普及化并改善轮胎花纹，降低汽车风阻；使用压缩天然气、液化石油气、掺烧甲醇、乙醇、植物油等代用燃料；开发电动、混合动力和燃料电池等新能源汽车。

（五）电动汽车应运而生

汽车新技术的推出并不能完全避免汽车使用过程中对环境的污染，为缓解资源与环境的双重压力，绿色能源是汽车的首选，新能源汽车和电动汽车技术将是一个主要的发展方向。其中，电动汽车在全球范围内正逐渐被消费者广泛接受。

（1）电动汽车是以电能为动力的汽车，一般采用高效率充电电池或燃料电池为动力源。电动汽车清洁无污染，是电能替代战略里“以电代油”潜力最大的领域。尽管传统的内燃机汽车目前仍占据主导地位，但发展清洁无污染的电动汽车已是大势所趋，并将改变21世纪汽车工业的面貌。

（2）从能源利用效率来讲，燃油为交通工具提供动力的能源转换效率为15%~20%，很难再大幅度提升。而电能转换为动能的效率可达90%，加之蓄电池充电效率为90%，所以从电到动力的效率超过80%。天然气全部转换为电能的效率为55%~58%，石油转换为电能的效率为50%~55%，煤炭转换为电能的效率为40%~50%。所以，电动汽车的能源利用效率是燃油汽车的1.5~2倍。

（3）除了能源利用效率上的显著提升，电动汽车还具有零排放的优势。根据预测，2020年中国汽车保有量将超过2亿辆；假设电动汽车保有量达到500万辆，按照每辆汽车每年行驶2万km，平均每百公里10升油耗计算，500万辆电动汽车每年可以减少汽油消耗约710万t，减少二氧化碳排放量约1500万t。

目前，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前汽车产业链各个层面都在研发节能技术，积极研制可以利用无线电技术充电的小型电动汽车。 gchYHW+4g6QGsCfEiXIDWJ67/+2kYgiXms2dDtN2HUvo5Wv8XEHTDGsJ6B8sGTT3