文|創(chuàng)瞰巴黎 Hugo Leroux
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
在交通運(yùn)輸和能源領(lǐng)域,隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的驅(qū)動(dòng),乙醇、氨、氫和甲醇等新能源,正在被全球汽車、船舶、航空等行業(yè)高度關(guān)注,新能源發(fā)動(dòng)機(jī)有望助力陸運(yùn)、海運(yùn)、空運(yùn)減排。
一覽:
- 使用氫氣、氫衍生物等新燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)可幫助卡車、船運(yùn)、飛機(jī)減碳。
- 新燃料發(fā)動(dòng)機(jī)有兩大優(yōu)勢(shì)——無(wú)需大的技術(shù)突破;成本可控。
- 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料電池一樣可用于重型卡車。
- 人造燃料及氨氣應(yīng)用于航空及船運(yùn)。
- 航空及船運(yùn)業(yè)減碳更難,需要多方面技術(shù)進(jìn)步。
使用氫燃料、氫衍生物燃料(如氨)等新能源的發(fā)動(dòng)機(jī)再次受到關(guān)注。新能源發(fā)動(dòng)機(jī)有望助力陸運(yùn)、海運(yùn)、空運(yùn)減排。
美國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)公司康明斯正在測(cè)試氫燃料卡車發(fā)動(dòng)機(jī);法國(guó)雷諾卡車正同法國(guó)石油與新能源研究院共同開(kāi)發(fā)新能源發(fā)動(dòng)機(jī);空客已宣布2035年將推出由燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)的氫能飛機(jī)。這些趨勢(shì)說(shuō)明傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)并非明日黃花,甚至可以通過(guò)燃料去碳化為實(shí)現(xiàn)2050年長(zhǎng)途交通碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。
01 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)
氫分子能量密度很高,可通過(guò)水電解這一清潔的方法生產(chǎn),而水電解僅消耗可再生能源或核能。電池是目前降低私家車碳足跡的主流方案,但對(duì)重型車來(lái)說(shuō)不夠方便。法國(guó)石油與新能源研究院交通研究中心主任Ga?tan Monnier說(shuō):“公交車、面包車等車型的電池可在制動(dòng)過(guò)程中回收能量,但對(duì)于重型車輛來(lái)說(shuō),哪怕帶上350千瓦的大電池,仍需每跑300公里就充一次電?!睔W盟2020年出臺(tái)了“碳中和歐洲氫能戰(zhàn)略”,提出2030年以前歐洲300萬(wàn)卡車中將有10萬(wàn)輛采用低碳的氫能。Monnier說(shuō):“最初的想法是使用氫燃料電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但直接使用內(nèi)燃機(jī)燃燒氫氣這一想法也早在幾年前便引起了研究者和汽車生產(chǎn)商的興趣?!?/p>
“氫氣內(nèi)燃機(jī)是交通減碳的低成本解決方案?!?/p>
內(nèi)燃機(jī)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是僅需在現(xiàn)有設(shè)計(jì)上做局部調(diào)整,勃艮第大學(xué)汽車和交通工程研究所主任Luis Le Moyne說(shuō):“氫氣內(nèi)燃機(jī)需要使用能經(jīng)受高溫的金屬,還需要采用適合氫氣這一易燃?xì)怏w的噴射系統(tǒng),控制效果也要重新評(píng)估……但這些因素都無(wú)需技術(shù)突破?!逼浯危褂脙?nèi)燃機(jī)可以讓生產(chǎn)商保住現(xiàn)有產(chǎn)線,不用大幅增加成本及漲價(jià)。Le Moyne總結(jié)道:“氫氣內(nèi)燃機(jī)是交通減碳的低成本解決方案。”
相比之下,燃料電池還沒(méi)有大規(guī)模生產(chǎn),且需要用到鉑金這一稀有金屬,導(dǎo)致車輛成本較高。Monnier說(shuō):“燃料電池的使用壽命較短,需考慮車輛生命周期內(nèi)電池更換的問(wèn)題?!钡剂想姵啬茉葱矢?,高至65%,氫氣內(nèi)燃機(jī)最高則僅為45%。哪個(gè)方案更好?現(xiàn)在還不明確。Monnier說(shuō):“氫氣內(nèi)燃機(jī)成本更低,但在車輛生命周期里耗能更多。兩個(gè)方案在不同的車輛使用場(chǎng)景下各有優(yōu)勢(shì)?!?/p>
02 氫燃料的航空風(fēng)險(xiǎn)
航空同樣面對(duì)氫氣與燃?xì)鉁u輪之辯??湛蛢煞N方案都在測(cè)試,希望能在2035年以前讓氫動(dòng)力飛機(jī)飛上藍(lán)天。但國(guó)際能源署前分析師Cédric Phillibert說(shuō):“難點(diǎn)不在推力,而是機(jī)上氫燃料的存儲(chǔ)。氫燃料必須以密度最大的液態(tài)存儲(chǔ)?!钡幢闶且簯B(tài),氫燃料所占的空間也是煤油的四倍,且所需存儲(chǔ)溫度極低,需保持在-253°C。為減少熱量損失,液態(tài)儲(chǔ)氫罐的形狀為球體或圓柱體,因此無(wú)法放置于機(jī)翼,只能放于機(jī)身。這就意味著航空器的形態(tài)必須完全改變。因此飛機(jī)制造商正在研究現(xiàn)有渦輪不變,探索使用一種更“實(shí)際”的燃料——人造燃料。
人造燃料相當(dāng)于去碳版的柴油,可使用無(wú)碳?xì)錃夂痛髿庵胁蹲降亩趸纪ㄟ^(guò)費(fèi)托合成工藝制成。費(fèi)托合成人造燃料要耗費(fèi)很多能源,全流程能源效率為15%,而氫燃料的全流程能源效率為30%。盡管如此,人造燃料仍有很大的優(yōu)勢(shì)。Phillibert說(shuō):“人造燃料不需要改變飛機(jī)或機(jī)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)?!比嗽烊剂舷啾纫兹嫉臍錃飧子谶\(yùn)輸。Phillibert補(bǔ)充道:“因此,我們可以自己大規(guī)模生產(chǎn)氫氣,人造燃料則從可再生能源充足的國(guó)家進(jìn)口?!北r(shí)捷的做法便符合這一思路,于2021年在智利建立了eFuel合成燃料工廠。
03 氨氣助海運(yùn)減碳
海運(yùn)業(yè)也采用了類似的思維方式。針對(duì)長(zhǎng)途海運(yùn),曾有人提出可以燃燒氫氣,但現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用與氫氣接近的氨氣。氨氣的化學(xué)式為NH3,可使用無(wú)碳?xì)錃夂偷獨(dú)馔ㄟ^(guò)哈柏法制成。法國(guó)石油與新能源研究院經(jīng)濟(jì)監(jiān)測(cè)部主任Fran ois Kalaydjian指出,氨氣有一個(gè)好處:“現(xiàn)有港口已經(jīng)能裝卸氨氣。氨氣在-33.5°C即可保持液態(tài),可用于生產(chǎn)工業(yè)肥料?!钡露ㄕ撨€太早,氨氣是一種有毒氣體,必須小心處理。因此,氣態(tài)甲醇(通過(guò)無(wú)碳?xì)錃夂投趸贾苽洌灿锌赡艹蔀樨洿瑑蓻_程發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料。
“實(shí)現(xiàn)交通減碳,必需各種技術(shù)多管齊下?!?/p>
氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池、人造燃料、氫氣、甲醇等各種燃料都可作為長(zhǎng)途運(yùn)輸減碳的選項(xiàng)。Monnier總結(jié)道:“對(duì)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō),電池會(huì)是最重要的技術(shù)。但海運(yùn)業(yè)的未來(lái)需要多方面技術(shù)。海運(yùn)業(yè)脫碳更難,所需技術(shù)更多?!币虼?,未來(lái)不僅要靠氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)和衍生技術(shù),我們要多措并舉才能克服挑戰(zhàn)。
這一結(jié)論與歐洲運(yùn)輸與環(huán)境聯(lián)合會(huì)等環(huán)保組織的觀點(diǎn)相反。環(huán)保組織支持道路交通完全電氣化。歐洲委員會(huì)將在2023年前幾個(gè)月決定“零排放車輛”的定義,現(xiàn)在這一概念僅限于每公里二氧化碳排放低于1克的車輛。Monnier說(shuō):“如延用這一標(biāo)準(zhǔn),氫氣或氨氣等無(wú)碳內(nèi)燃機(jī)可能無(wú)法算作零排放,因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)還是要燒一小部分油的。但那點(diǎn)二氧化碳又很難量化?!?Kalaydjian總結(jié)道:“偏愛(ài)少數(shù)幾種技術(shù)弊大于利,因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)交通減碳必需各種技術(shù)多管齊下?!?/p>