低碳交通的关键技术——氢气发动机

Gaëtan Monnier

法国石油与新能源研究院交通研究中心主任

Luis Le Moyne

勃艮第大学汽车和交通工程研究所主任

Cédric Philibert

法国国际关系研究及澳大利亚国立大学所副研究员

François Kalaydjian

法国石油与新能源研究院经济监测部主任

使用氢气、氢衍生物等新燃料的发动机可帮助卡车、船运、飞机减碳。

新燃料发动机有两大优势——无需大的技术突破；成本可控。

氢气发动机与燃料电池一样可用于重型卡车。

人造燃料及氨气应用于航空及船运。

航空及船运业减碳更难，需要多方面技术进步。

使用氢燃料、氢衍生物燃料（如氨）等新能源的发动机再次受到关注。新能源发动机有望助力陆运、海运、空运减排。

美国发动机公司康明斯正在测试氢燃料卡车发动机；法国雷诺卡车正同法国石油与新能源研究院共同开发新能源发动机；空客已宣布2035年将推出由燃气涡轮驱动的氢能飞机。这些趋势说明传统的内燃机并非明日黄花，甚至可以通过燃料去碳化为实现2050年长途交通碳中和目标贡献力量。

01

氢燃料发动机

氢分子能量密度很高，可通过水电解这一清洁的方法生产，而水电解仅消耗可再生能源或核能。电池是目前降低私家车碳足迹的主流方案，但对重型车来说不够方便。法国石油与新能源研究院交通研究中心主任Gaëtan Monnier说：“公交车、面包车等车型的电池可在制动过程中回收能量，但对于重型车辆来说，哪怕带上350千瓦的大电池，仍需每跑300公里就充一次电。”欧盟2020年出台了“碳中和欧洲氢能战略”，提出2030年以前欧洲300万卡车中将有10万辆采用低碳的氢能。Monnier说：“最初的想法是使用氢燃料电池驱动电机。但直接使用内燃机燃烧氢气这一想法也早在几年前便引起了研究者和汽车生产商的兴趣。”

“氢气内燃机是交通减碳的低成本解决方案。”

内燃机有几个优点。一是仅需在现有设计上做局部调整，勃艮第大学汽车和交通工程研究所主任Luis Le Moyne说：“氢气内燃机需要使用能经受高温的金属，还需要采用适合氢气这一易燃气体的喷射系统，控制效果也要重新评估……但这些因素都无需技术突破。”其次，使用内燃机可以让生产商保住现有产线，不用大幅增加成本及涨价。Le Moyne总结道：“氢气内燃机是交通减碳的低成本解决方案。”

相比之下，燃料电池还没有大规模生产，且需要用到铂金这一稀有金属，导致车辆成本较高。Monnier说：“燃料电池的使用寿命较短，需考虑车辆生命周期内电池更换的问题。”但燃料电池能源效率更高，高至65%，氢气内燃机最高则仅为45%。哪个方案更好？现在还不明确。Monnier说：“氢气内燃机成本更低，但在车辆生命周期里耗能更多。两个方案在不同的车辆使用场景下各有优势。”

02

氢燃料的航空风险

航空同样面对氢气与燃气涡轮之辩。空客两种方案都在测试，希望能在2035年以前让氢动力飞机飞上蓝天。但国际能源署前分析师Cédric Phillibert说：“难点不在推力，而是机上氢燃料的存储。氢燃料必须以密度最大的液态存储。”但即便是液态，氢燃料所占的空间也是煤油的四倍，且所需存储温度极低，需保持在-253°C。为减少热量损失，液态储氢罐的形状为球体或圆柱体，因此无法放置于机翼，只能放于机身。这就意味着航空器的形态必须完全改变。因此飞机制造商正在研究现有涡轮不变，探索使用一种更“实际”的燃料——人造燃料。

图片来源：PI France

人造燃料相当于去碳版的柴油，可使用无碳氢气和大气中捕捉的二氧化碳通过费托合成工艺制成。费托合成人造燃料要耗费很多能源，全流程能源效率为15%，而氢燃料的全流程能源效率为30%。尽管如此，人造燃料仍有很大的优势。Phillibert说：“人造燃料不需要改变飞机或机场的结构和设计。”人造燃料相比易燃的氢气更易于运输。Phillibert补充道：“因此，我们可以自己大规模生产氢气，人造燃料则从可再生能源充足的国家进口。”保时捷的做法便符合这一思路，于2021年在智利建立了eFuel合成燃料工厂。

03

氨气助海运减碳

海运业也采用了类似的思维方式。针对长途海运，曾有人提出可以燃烧氢气，但现在已经转向使用与氢气接近的氨气。氨气的化学式为NH3，可使用无碳氢气和氮气通过哈柏法制成。法国石油与新能源研究院经济监测部主任François Kalaydjian指出，氨气有一个好处：“现有港口已经能装卸氨气。氨气在-33.5°C即可保持液态，可用于生产工业肥料。”但下定论还太早，氨气是一种有毒气体，必须小心处理。因此，气态甲醇（通过无碳氢气和二氧化碳制备），也有可能成为货船两冲程发动机的主要燃料。

“实现交通减碳，必需各种技术多管齐下。”

氢气发动机、燃料电池、人造燃料、氢气、甲醇等各种燃料都可作为长途运输减碳的选项。Monnier总结道：“对汽车行业来说，电池会是最重要的技术。但海运业的未来需要多方面技术。海运业脱碳更难，所需技术更多。”因此，未来不仅要靠氢气发动机和衍生技术，我们要多措并举才能克服挑战。

这一结论与欧洲运输与环境联合会等环保组织的观点相反。环保组织支持道路交通完全电气化。欧洲委员会将在2023年前几个月决定“零排放车辆”的定义，现在这一概念仅限于每公里二氧化碳排放低于1克的车辆。Monnier说：“如延用这一标准，氢气或氨气等无碳内燃机可能无法算作零排放，因为内燃机还是要烧一小部分油的。但那点二氧化碳又很难量化。” Kalaydjian总结道：“偏爱少数几种技术弊大于利，因为要实现交通减碳必需各种技术多管齐下。”

作者

Hugo Leroux

编辑

Meister Xia