文|創瞰巴黎 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，隨著技術進步和產業轉型升級的驅動，乙醇、氨、氫和甲醇等新能源，正在被全球汽車、船舶、航空等行業高度關注，新能源發動機有望助力陸運、海運、空運減排。

一覽：

• 使用氫氣、氫衍生物等新燃料的發動機可幫助卡車、船運、飛機減碳。
• 新燃料發動機有兩大優勢——無需大的技術突破；成本可控。
• 氫氣發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）等新能源的發動機再次受到關注。新能源發動機有望助力陸運、海運、空運減排。

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

01 氫燃料發動機

氫分子能量密度很高，可通過水電解這一清潔的方法生產，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動電機。但直接使用內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商的興趣。”

“氫氣內燃機是交通減碳的低成本解決方案。”

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

相比之下，燃料電池還沒有大規模生產，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電池更換的問題。”但燃料電池能源效率更高，高至65%，氫氣內燃機最高則僅為45%。哪個方案更好？現在還不明確。Monnier說：“氫氣內燃機成本更低，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勢。”

02 氫燃料的航空風險

航空同樣面對氫氣與燃氣渦輪之辯。空客兩種方案都在測試，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存儲。”但即便是液態，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必須完全改變。因此飛機制造商正在研究現有渦輪不變，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勢。Phillibert說：“人造燃料不需要改變飛機或機場的結構和設計。”人造燃料相比易燃的氫氣更易于運輸。Phillibert補充道：“因此，我們可以自己大規模生產氫氣，人造燃料則從可再生能源充足的國家進口。”保時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，但現在已經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濟監測部主任Fran ois Kalaydjian指出，氨氣有一個好處：“現有港口已經能裝卸氨氣。氨氣在-33.5°C即可保持液態，可用于生產工業肥料。”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動機的主要燃料。

“實現交通減碳，必需各種技術多管齊下。”

氫氣發動機、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：“對汽車行業來說，電池會是最重要的技術。但海運業的未來需要多方面技術。海運業脫碳更難，所需技術更多。”因此，未來不僅要靠氫氣發動機和衍生技術，我們要多措并舉才能克服挑戰。

這一結論與歐洲運輸與環境聯合會等環保組織的觀點相反。環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燃機可能無法算作零排放，因為內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：“偏愛少數幾種技術弊大于利，因為要實現交通減碳必需各種技術多管齊下。”