从环境角度看电动汽车在中国的应用前景

从环境角度看电动汽车在中国的应用前景权衡谢培轩谢，看这儿（看完了删这段）：你写的我都看了，但有的化学原理没懂，考完试你得给我讲讲，同时你要确保自己讲明白，最后展示时给听众讲明白。然后你想想怎么精简一下，不要整段都是参考文献！我觉得后半段有点偏离主题。你要确定文中出现的三种蓄电池都可以作为电动汽车的电池！你要有时间就这两天改改明天再给我发一遍，没时间就考完试再做。你那部分的定量分析考完试咱们找个时间聚一下商量着写。李建国老师请看这儿：老师您好，我们听了您的建议，做了一些改进。您可以直接看变动部分：蓝色字体是权衡新加的，橙色字体是谢培轩新加的。我们还有一些疑问：1.后半段关于蓄电池和汽油机的介绍显得有些冗长，您是否觉得部分内容偏离中心应适当精简（同时避免大段引用参考文献）？2.您认为标题1.1.4和结论部分的叙述是否能如此表述？如果还有时间，我们还会修改，并加上一些汽油机和蓄电池污染的定量分析。摘要：这篇文章运用了估算，统计，物理热学和电化学以及区域地理等基础科学原理，定量分析使用电动汽车对环境的污染，并将其与燃油汽车作比较。文章内容主要有两部分——发电过程对大气的污染以及回收不当对环境的污染。关键词：电动车环保发展引言：随着电动汽车科技的发展，电动汽车正在逐渐走近我们的生活；但是，它离能够普遍使用的交通工具还有一段距离。充电桩等配套设施不够完善，续航里程不够远，这些都是电动汽车发展面临的问题。电动汽车和燃油汽车相比，优势在于环保；但它真的如我们所想的那样环保吗？恐怕不然。笔者完成这篇文章之前，查阅了包括火力发电基本信息和蓄电池的简单工作原理，文中有部分数据来源于生活经验的估计。正文：1.电动汽车用电对环境的污染1.1中国的发电现状及其对环境污染的定性分析以2014年的数据为例，中国全国的发电量为5.5万亿千瓦时，工业发电4.07万亿千瓦时，其中火电发电量占总发电量比例的75.20%（1）。火电对环境的污染最大；本文只做简略估计，忽略其他绿色发电对环境的污染。1.1.1火力发电简述火力发电的主要燃料是煤炭，而煤炭在中国储量较为丰富，再加上新能源和其他绿色能源的应用困难，火电便在中国的发电比例中占重要地位，并且段时间内火电的比例不会下降。1.1.2火力发电的效率我们在化学课中学过，火力发电需将燃料的化学能转化为内能，进而转化为蒸汽的机械能，蒸汽再推动涡轮，产生电能。由此可见，火力发电存在较多的能量耗散。我国火电厂的燃料利用率低于40%。在现有的技术水平下，如果电动汽车广泛使用，势必会加快资源消耗和浪费，并且燃烧不完全的燃料会加剧环境污染。1.1.3火力发电的环境污染火力发电的主要污染包括烟气污染，粉尘污染和温室气体排放。全国每年的火力发电大约产生140万吨二氧化硫和1500万吨烟尘（2）。二氧化硫和氮氧化物等酸性气体会带来酸雨灾害，烟尘会加重中国的雾霾现象，二氧化碳和甲烷等会加剧温室效应。1.1.4火电厂在中国的地理分布从下图是截止到1999年中国的主要火电厂分布情况（与现在无很大差别）。不难发现，我国的绝大多数火电厂都分布在东南沿海，东北平原以及华北平原一带。结合地理知识，以黑河——腾冲一线分开中国大陆，发现图示的79座火电厂仅有5座分布在该线以西。换句话说，该线以东47%的国土面积上聚集了将近94%的人口和火电厂。如果电动汽车在中国被广泛使用，在能源结构不变的情况下必然会加大火力发电量，从而在我国的人口密集区产生更多大气污染物。更严重的是，漠河——腾冲一线以东大致为我国的季风区，火电厂呈平行盛行风向方向分布，这更加有利于污染物扩散，从而加剧我国东部地区的雾霾天气。1.2电动汽车用电对环境污染的定量分析电动汽车需要电能，而我国发电量的75.20%都来自火力发电。其它较清洁的发电方式可以不计污染物排放。需要比较一下火力发电和燃油汽车行驶中的耗能和污染物排放，才能合理的从环境角度定量分析电动汽车的使用前景。1.2.1行驶过程中的能源消耗一辆普通的燃油汽车和一辆普通的电动汽车质量近似相同，假设它们的轮胎材质相同（即动摩擦因数相同），那么它们行驶过程中受到的摩擦力相同，以相同速度匀速行驶相同里程所需能量相同。普通燃料汽车耗油大约为每百公里八升，汽油的密度约为0.72克每立方厘米，即每百公里5.76千克。汽油的热值是每千克43.1兆焦，那么小汽车行驶一百公里耗能约为250兆焦。汽油机的效率只有20%，也就是说这250兆焦能量只有五分之一即50兆焦用来推动小汽车前进，其余能量随尾气等耗散。那么普通电动汽车行驶一百公里，在无能量损失的情况下耗能也是50兆焦。电力传输过程中的损耗不计，以北汽EV-200官网公布的数据为例，取蓄电池循环效率（放电量与充电量的比值）和电动机效率（电能与其转化为的机械能的比值）都为90%，可以计算出使电动汽车行驶一百公里的实际能耗为62兆焦，约是17千瓦时电能。再考虑到温度对耗电量的影响，消耗的电能为18千瓦时。随着电动汽车的使用，蓄电池会老化，官网给出的数据只适用于新车。因此，平均下来，一辆普通电动汽车在其使用期限内的耗电量需加上原来的三分之一，即改为24千瓦时每100千米。根据国家发改委提供的数据，我国火电厂平均每发1千瓦时的电耗标准煤360克，那么每千克的标准煤能发3千瓦时的电。上述24千瓦时的电中有75%来自火电厂燃煤，即24千瓦时的电需耗煤约6千克。所以，行驶一百公里，忽略其他次要因素，燃油汽车消耗汽油5.76千克，电动汽车耗煤6千克。能产生29.27兆焦能量的燃料可折合为1千克标准煤。（3）用上文出现的热值数据估算，1千克汽油可以折算为1.471千克标准煤，那么5.76千克石油约等效于8千克煤，目前燃油汽车的能源消耗约为电动汽车的三分之四倍。因此，使用电动汽车确实可以节约化石能源，并且随着电力工业的技术进步，火力发电的比例将下降，用电对化石能源的依赖将减弱。所以，从能源消耗的角度看，电动汽车优于燃油汽车，并且排放的温室气体更少。1.2.2行驶过程中排放的污染物研究此问题以这些指标为例：一氧化碳CO，氮氧化物NOx，碳氢化合物HC，颗粒物PM，二氧化硫SO2。我国燃油汽车（轻型汽油客车）排气污染物排放标准如下：不超过1.8克每千米的一氧化碳，不超过0.3克每千米的氮氧化物，不超过不超过0.1克每千米的碳氢化合物（短里程基本没有颗粒物排放，二氧化硫未列入标准）（4）。因此，燃油汽车行驶一百公里，可以认为排放了180克一氧化碳，30克氮氧化物和10克碳氢化合物，此三项合计220克。（短里程基本没有颗粒物排放）由于二氧化碳是汽油0123456789电动汽车燃油汽车每百公里耗标准煤/千克燃烧的主要排放物，不计入环境污染物。再看电动汽车。火电厂每发1千瓦时的电，可以认为约排放2克颗粒物、7克二氧化硫、4克氮氧化物，0.22克一氧化碳。（二氧化碳不计，碳氢化合物未列入标准）（5）。忽略其他次要因素，电动汽车行驶一百公里耗电24度，其中四分之三来自火电，那么要排放约36克颗粒物，126克二氧化硫，72克氮氧化物，4克一氧化碳，此四项合计242克。由此可见，行驶100千米的路程，电动汽车排放的污染物略多于燃油汽车，且前者排放的颗粒物会加重当前的雾霾天气。这个结果也说明，使用过程中“零排放”的电能在生产过程中并不是没有污染。只有火电在发电的比例下降，电动汽车在排放污染物上才会有明显的优势。2.蓄电池回收不当对环境的污染020406080100120140160180200CONOXHCPMSO2每百公里排放污染物/克燃油汽车电动汽车2.1蓄电池的种类、成分及相应工作原理2.1.1锂离子电池(6)锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。常见的正极材料主要成分是LiCoO2。充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释放出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中；放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极化合物结合，这个过程中锂离子的定向移动产生电流。2.1.2铅酸电池(7)铅酸电池价格低，也最常用。正极是PbO2，负极是浸在电解质溶液H2SO4中的Pb，两极会产生2V电势差，这是由于它的正负极反应：PbO2+2H2SO4+Pb←充电、放电→PbSO4+2H2O+PbSO4。铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。2.1.3镍氢蓄电池(8)镍氢蓄电池是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。Ni-MH电池的电极反应为：正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H20+e_负极：M+H2O+e—=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，只是以吸藏氢气的合金材料（MH）取代镍镉蓄电池中的负极材料镉cd、电动势仍为1.32v。2.2蓄电池回收不当的隐患(9)首先说锂离子电池。它的外壳多为钢或含镍不锈钢，分为圆柱形和方形。电池内部为卷式结构，由正极、负极和含锂盐的有机溶液组成(含LiBF4、LiClO4、LiAsF4、LiCF3SO3等锂盐）。正极材料由含锂化物粉（LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4）、导电碳粉、粘合剂和铝箔等粘合而成。负极材料是由石墨或无定形碳的锂离子嵌入化合物、粘合剂和铜箔粘合而成。废旧锂离子电池中既有原有组成物质，又有充放电过程中副反应产生的新物质，废旧电池被丢弃在环境中,因各种原因破裂而使电池中的物质进入到环境中，造成重金属污染。其次是铅酸电池。其中污染最严重的成分是硫酸和铅元素。一般地，土地本显极弱的酸或碱性，其pH值大约在5-7之间，但铅酸电池中的硫酸一般用的是浓度为37%的，它的泄露会使土壤严重酸化，导致不适于植物生长，进而减小绿化面积，引发进一步的副作用。而铅元素更不用说，一般土壤的铅元素的含量是20-50ppm（1ppm=1mg/kg），而电池中铅元素则远远超过这个值，泄露将会造成重金属污染，使得土地的肥力等各项指标直线下降。再者是镍氢电池，原理同上，重金属污染等问题依然严重。所以电动车对环境的确有很大的好处，但同时也有其不利的一面，最根本需要改变的还是人们对环保的重视与意识。3.汽油机回收不当引发的污染3.1汽油机的组成及工作原理简介一般的，汽油机主要由燃油泵、燃油滤清器、燃油脉动阻尼器、燃油压力调节器、喷油器、进油管、回油管等零件组成。油箱内置式燃油泵，在转动时有油压产生，燃油经燃油泵出口的单向阀门到达燃油滤清器，把燃油中的粉尘杂志过滤掉，经过脉动阻尼器稳压后，燃油进入输油管向各喷油器供油，燃油压力调节器根据进气管的负压值调节回油管的回油量，让多余的燃油经回油管流回油箱。（附图)（10）3.2汽油机保养过程及回收不当造成的污染在汽油机报废后要及时回收，若回收不当将引发很大污染，这些污染主要是来自燃油机内残余的燃油和燃油机中所含的重金属。在日常汽车保养时，会有相当大一部分废弃的汽油先说汽油，常用于汽车的汽油化学成分大致有丙烷、丁烷、辛烷等C4-C12烃类物质，和少量的芳香烃和硫化物等许多很复杂的物质，其中烃类物质占主要地位。（11）烃类，即碳氢所形成的化合物，烷类也包含在内。烷属于一种饱和脂肪烃，饱和脂肪烃在生物学方面属于惰性，分子量大于丙烷的气体能引起头昏，丧失神志等中枢神经症状，具有麻醉作用。芳香烃类物质对人及动物的毒性较大，如果经较长时间较大浓度接触，会引起恶心、头疼、眩晕等症状。此外，石油中的多环芳烃类物质具有强烈的三致作用（即致突变、致癌和致畸）。除此之外，燃油或原油污染土壤，会损害植物根部，