文|創(chuàng)瞰巴黎 Hugo Leroux

編輯|Meister Xia

導讀

在交通運輸和能源領域，隨著“雙碳”目標的提出，隨著技術進步和產(chǎn)業(yè)轉型升級的驅(qū)動，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)高度關注，新能源發(fā)動機有望助力陸運、海運、空運減排。

一覽：

• 使用氫氣、氫衍生物等新燃料的發(fā)動機可幫助卡車、船運、飛機減碳。
• 新燃料發(fā)動機有兩大優(yōu)勢——無需大的技術突破；成本可控。
• 氫氣發(fā)動機與燃料電池一樣可用于重型卡車。
• 人造燃料及氨氣應用于航空及船運。
• 航空及船運業(yè)減碳更難，需要多方面技術進步。

使用氫燃料、氫衍生物燃料（如氨）等新能源的發(fā)動機再次受到關注。新能源發(fā)動機有望助力陸運、海運、空運減排。

美國發(fā)動機公司康明斯正在測試氫燃料卡車發(fā)動機；法國雷諾卡車正同法國石油與新能源研究院共同開發(fā)新能源發(fā)動機；空客已宣布2035年將推出由燃氣渦輪驅(qū)動的氫能飛機。這些趨勢說明傳統(tǒng)的內(nèi)燃機并非明日黃花，甚至可以通過燃料去碳化為實現(xiàn)2050年長途交通碳中和目標貢獻力量。

01 氫燃料發(fā)動機

氫分子能量密度很高，可通過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，但對重型車來說不夠方便。法國石油與新能源研究院交通研究中心主任Ga?tan Monnier說：“公交車、面包車等車型的電池可在制動過程中回收能量，但對于重型車輛來說，哪怕帶上350千瓦的大電池，仍需每跑300公里就充一次電。”歐盟2020年出臺了“碳中和歐洲氫能戰(zhàn)略”，提出2030年以前歐洲300萬卡車中將有10萬輛采用低碳的氫能。Monnier說：“最初的想法是使用氫燃料電池驅(qū)動電機。但直接使用內(nèi)燃機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)燃機是交通減碳的低成本解決方案?！?/p>

內(nèi)燃機有幾個優(yōu)點。一是僅需在現(xiàn)有設計上做局部調(diào)整，勃艮第大學汽車和交通工程研究所主任Luis Le Moyne說：“氫氣內(nèi)燃機需要使用能經(jīng)受高溫的金屬，還需要采用適合氫氣這一易燃氣體的噴射系統(tǒng)，控制效果也要重新評估……但這些因素都無需技術突破。”其次，使用內(nèi)燃機可以讓生產(chǎn)商保住現(xiàn)有產(chǎn)線，不用大幅增加成本及漲價。Le Moyne總結道：“氫氣內(nèi)燃機是交通減碳的低成本解決方案?！?/p>

相比之下，燃料電池還沒有大規(guī)模生產(chǎn)，且需要用到鉑金這一稀有金屬，導致車輛成本較高。Monnier說：“燃料電池的使用壽命較短，需考慮車輛生命周期內(nèi)電池更換的問題。”但燃料電池能源效率更高，高至65%，氫氣內(nèi)燃機最高則僅為45%。哪個方案更好？現(xiàn)在還不明確。Monnier說：“氫氣內(nèi)燃機成本更低，但在車輛生命周期里耗能更多。兩個方案在不同的車輛使用場景下各有優(yōu)勢?！?/p>

02 氫燃料的航空風險

航空同樣面對氫氣與燃氣渦輪之辯?？湛蛢煞N方案都在測試，希望能在2035年以前讓氫動力飛機飛上藍天。但國際能源署前分析師Cédric Phillibert說：“難點不在推力，而是機上氫燃料的存儲。氫燃料必須以密度最大的液態(tài)存儲?！钡幢闶且簯B(tài)，氫燃料所占的空間也是煤油的四倍，且所需存儲溫度極低，需保持在-253°C。為減少熱量損失，液態(tài)儲氫罐的形狀為球體或圓柱體，因此無法放置于機翼，只能放于機身。這就意味著航空器的形態(tài)必須完全改變。因此飛機制造商正在研究現(xiàn)有渦輪不變，探索使用一種更“實際”的燃料——人造燃料。

人造燃料相當于去碳版的柴油，可使用無碳氫氣和大氣中捕捉的二氧化碳通過費托合成工藝制成。費托合成人造燃料要耗費很多能源，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。Phillibert說：“人造燃料不需要改變飛機或機場的結構和設計?！比嗽烊剂舷啾纫兹嫉臍錃飧子谶\輸。Phillibert補充道：“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家進口?！北r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 氨氣助海運減碳

海運業(yè)也采用了類似的思維方式。針對長途海運，曾有人提出可以燃燒氫氣，但現(xiàn)在已經(jīng)轉向使用與氫氣接近的氨氣。氨氣的化學式為NH3，可使用無碳氫氣和氮氣通過哈柏法制成。法國石油與新能源研究院經(jīng)濟監(jiān)測部主任Fran ois Kalaydjian指出，氨氣有一個好處：“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。”但下定論還太早，氨氣是一種有毒氣體，必須小心處理。因此，氣態(tài)甲醇（通過無碳氫氣和二氧化碳制備），也有可能成為貨船兩沖程發(fā)動機的主要燃料。

“實現(xiàn)交通減碳，必需各種技術多管齊下。”

氫氣發(fā)動機、燃料電池、人造燃料、氫氣、甲醇等各種燃料都可作為長途運輸減碳的選項。Monnier總結道：“對汽車行業(yè)來說，電池會是最重要的技術。但海運業(yè)的未來需要多方面技術。海運業(yè)脫碳更難，所需技術更多?！币虼耍磥聿粌H要靠氫氣發(fā)動機和衍生技術，我們要多措并舉才能克服挑戰(zhàn)。

這一結論與歐洲運輸與環(huán)境聯(lián)合會等環(huán)保組織的觀點相反。環(huán)保組織支持道路交通完全電氣化。歐洲委員會將在2023年前幾個月決定“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：“如延用這一標準，氫氣或氨氣等無碳內(nèi)燃機可能無法算作零排放，因為內(nèi)燃機還是要燒一小部分油的。但那點二氧化碳又很難量化?！?Kalaydjian總結道：“偏愛少數(shù)幾種技術弊大于利，因為要實現(xiàn)交通減碳必需各種技術多管齊下?！?/p>