康明斯垫片(氢能的春天来了？)

Posted 2023-05-25

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康明斯垫片(氢能的春天来了？)

编译 | 杨玉科

编辑 | 李国政

出品 | 帮宁工作室（gbngzs）

它时而被赞誉为“魔力”解决方案，时而被嘲笑为无法企及的“乌托邦”，时而又被拥抱为“地球保护计划”。

它就是氢能。因排放物只有水，几十年来，氢能一直被标榜为近乎奇迹的燃料。科幻小说之父儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在他1874年的小说《神秘岛》中描述道，有朝一日“水将被用作燃料”，氢和氧将“提供取之不竭的热和光来源”。

近150年后的今天，氢能的应用不再局限于科幻小说中。不过，尽管氢能的生产过程涉及的化学反应很简单，但它能否成为改变社会的能源仍是未知数。

作为一种丰富且无污染的能源，氢能被许多人认为在交通及其他领域拥有诱人的潜力。经过几十年的试点项目和零星部署，氢能似乎接近经济可行性和广泛使用的边缘。

如今，由于气候变化和地缘政治不稳定，氢能的高光时刻似乎终于到来。面对气候变化这一全球性挑战，以及人们对能源独立日益强烈渴望的双重刺激下，各国政府和跨国公司开始投入数十亿美元，希望开创一个氢能源时代。

▍能源危机推动氢能研究

博世燃料电池工程经理马特·所林顿（Matt Thorington）表示:“终于要发生了。”到2030年，博世将在氢能生产技术上投资至多5.91亿美元。

根据美国环保署的数据，交通运输业占美国温室气体排放的27%，比其他任何行业都多。美国对抗交通运输领域碳排放的主要努力，集中在纯电动汽车和政府支持的电动汽车生态系统上。

但这也许还不够。

安永会计师事务所（Ernst & Young）全球移动出行分析师克里斯汀·林兰（Kristin Ringland）认为，在有些领域，电池可能不是最好的选择。

尽管目前还没有达成共识，但越来越多的行业分析师和科学家认为，要在2050年实现零排放的目标，交通运输业将需要纯电动汽车和氢动力汽车。

作为洛斯阿拉莫斯国家实验室的项目经理，罗德·伯鲁普（Rod Borup）表示：“我们认为，没必要非此即彼，我们希望它‘共存’。”

许多汽车行业氢能和燃料电池的努力都始于洛斯阿拉莫斯，这个实验室因氢弹的开发而声名鹊起，博鲁普现在负责该实验室运行时间最长的非武器项目。

1973、1974年，石油输出国组织禁止向部分国家出口石油并削减石油产量，美国遭受经济冲击，汽油极度匮乏，对氢能的努力自此开始。

1977年，联邦法律设立美国能源部，部分原因就是为了应对那次能源危机。各种不同的研究项目进入了国家实验室的权限范围，在洛斯阿拉莫斯实验室，当年从亚利桑那大学毕业3年的年轻科学家拜伦·麦考密克（Byron McCormick）建立了氢能和燃料电池技术实验室。

这是一个偶然天成的时机。美国能源部对太阳能、风能、先进电池和燃料电池进行了研究。虽然花了几十年的精力，但换来了这些技术的成熟。现年76岁的麦考密克说:“所有这些都是从上世纪70年代就开始启动了。如果不是石油禁运，这些研究可能不会开展。”

麦考密克后来成为通用汽车的高管，在那里建立了通用汽车的全球替代驱动中心（Global Alternative Propulsion Center），专注于氢能和燃料电池技术，直到2009年退休。

他的工作开始生根发芽。2021年6月，通用汽车启动了一项350亿美元的投资，反映了双重碳减排战略。该公司正在推出一个完整的纯电动乘用车和商用车系列。同时这笔资金还支持通用Hydrotec系统用于卡车、火车和飞机的燃料电池的开发。

▍从卡车开始

行业专家认为，铁路和航运是氢燃料电池的最佳选择，但在地面交通中，氢能适合哪个领域还不太确定。

预计长途卡车运输具有潜力。根据美国环保署的数据，中型和重型卡车消耗了美国26%的运输燃料。在燃料电池领域，氢能提供的能量密度具有优势。氢能的燃料补充时间短，而且相对于电动汽车，其自体重量要小。

重型电池会消耗有效载荷，这对长途卡车运输来说是一个问题，因为这会降低利润。北美货运效率委员会执行董事迈克尔·罗斯（Michael Roeth）表示，由于重量差异，在350英里的里程中，一辆燃料电池卡车可以装载约3.8万磅货物，而一辆纯电动卡车只能装载3.3万磅货物。

尽管燃料电池卡车比传统的内燃机卡车重，联邦政府对零排放卡车的载重限额为2000磅，这使得燃料电池卡车的载重能力与柴油卡车相当。

就总成本而言，燃料电池供应商Ballard估计，在区域运输场景下，电池电动卡车的总成本将为434381美元，一辆类似的燃料电池卡车售价为414367美元，柴油卡车的价格与后者相当。

2021年9月，美国国家可再生能源实验室的一项分析给出了喜忧参半的结果，它支持了“两种技术都有发展空间”的观点。研究表明，在特定的商业场景和路线距离下，两种动力系统都可能具有成本优势。

燃料价格是一个很大的变数。总的来说，该实验室的研究人员表示，在较短里程情况下，电动动力系统可能是最好的。报告称，到2025年，这两种技术最就可以在成本上与柴油卡车竞争。

现代汽车集团支持的新墨西哥州氢燃料初创公司Pajarito Powder，其联合创始人汤姆·斯蒂芬森（Tom Stephenson）表示:“经验之谈是，现在的柴油领域，将来会看到氢燃料电池；现在的汽油领域，将来会看到电动电池。”

并非所有人都信服。当约翰·亨利·哈里斯（John Henry Harris）在2021年7月联合创立中型卡车初创公司Harbinger时，他选择从零开始生产一辆专用汽车。但他很快就对氢能这个潜在的选择失去了兴趣。

“当实际观察这两种解决方案的成熟度时，我们看到了一个数量级的差异，”哈里斯说，“在过去的两年里，我们可以很轻松地建造一个电动平台。但如果换作氢燃料汽车，我们要做到这个水平，差得还很远。”

▍对电动电池的补充

在乘用车市场上，目前只有两款燃料电池车型，而且销量都很低。

根据咨询公司Interactive Analysis发布于2022年10月的一份报告，丰田汽车于2014年在日本推出Mirai，该燃料电池乘用车的累计销量约为4200辆。报告称，在韩国，尽管制定了一项国家战略，让氢能在脱碳努力中发挥核心作用，但现代Nexo等燃料电池乘用汽车在2020年和2021年的销量加起来仅为8500辆。

不过，这两家汽车制造商都没有失去对氢能的兴趣。

现代汽车集团计划在2028年之前，开发其全部商用系列的氢燃料电池版本，下一代系统将于明年推出。而且，该公司看好燃料电池在卡车、火车和海上船只上的应用。

除了Mirai，丰田汽车还在今年8月与宝马集团合作，设计和生产一款氢燃料电池汽车，预计最早将在2025年销售。丰田汽车也在研发氢燃料巴士，与洛杉矶Kenworth公司合作开发的8级燃料电池卡车也在测试中，并计划与五十铃和日野汽车合作开发中型燃料电池卡车。

丰田汽车在2021年12月表示，将在电池电力和氢燃料电池技术方面投资700亿美元。

在大多数竞争对手更专注于纯电动汽车的情况下，丰田汽车把注意力集中在多种选择上，让一些人感到奇怪，但丰田汽车倾向于以一种微妙的方式进行能源转型。该公司认为，不同的技术可能适合不同的车型和地理位置，现在判断如何匹配还为时过早。它还在探索氢内燃机。

丰田汽车首席科学家、丰田研究所（Toyota Research Institute）首席执行官吉尔·普拉特（Gill Pratt）说:“我们对整件事非常谦卑——我们不知道。诚实的事实是，我们认为其他人也不知道。”

Pajarito Power的斯蒂芬森说，关于哪种技术能最好地降低碳排放的争论，让人想起了上一代风能和太阳能产业之间的类似争吵。

他预计，从长期来看，电池电动汽车和氢燃料电池汽车的互补性将大于竞争性。“当市场力量能够真正决定人们在这方面的决策时，我们就可以超越竞争对手，看到两者兼用带来的更大机遇。”

咨询公司德勤对此表示认同。就像太阳能和风能是“过去十年的惊喜”一样，德勤的一份新报告称，氢能“现在看起来很可能”将成为下一个规模化的能源。2021年，与氢气相关的风险投资活动达到了创纪录的近20亿美元。德勤预计2022年将超过这一数字。

尽管如此，氢能仍然面临着“先有鸡还是先有蛋”的难题。现有的基础设施不足以支持大量的早期采用者。

根据美国能源部替代燃料数据中心2022年11月发布的数据，美国有48148座电动汽车充电站，基础设施开始快速发展。

相比之下，公共加氢站只有54个。

“如果你问房地产从业人员什么是最重要的，你听到的一定是‘地段、地段、地段’。我们做一个类比，对于替代燃料来说，最重要的是‘基础设施、基础设施、基础设施。’”普拉特说。

加氢站要想实现经济可行性，必须有临界数量的用户。根据国际清洁交通委员会2017年的一份报告，根据加氢频率和使用情况，每个加氢站可以支持100到400辆汽车。

虽然商业卡车运输网络的基础设施要求可以根据特定地点进行定制，但许多人现在怀疑氢燃料电池在轻型应用方面能否赶上纯电动汽车。

安永的林兰表示:“就氢能的基础设施而言，几乎为零，这一时间差将给电池带来额外的动力。人们需要额外的时间来学习如何使用和适应氢能，然后再表达感受说‘它真的可以’。”

无论是主要用于卡车运输还是更广泛的用途，美国能源部正在开始奠定氢能基础设施的基础。在为电动汽车建造50万个充电站的同时，能源部还从两党基础设施法中拨款80亿美元，在氢生产商、消费者和企业之间建立6到10个氢枢纽。

能源部从9月份开始向争夺这笔资金的地区征求申请，预计明年春天将进行选拔。据能源部称，这些氢能市场将成为该部“能源地球”计划的催化剂。该计划旨在在未来10年，将清洁氢气的价格从目前的每公斤约5美元降低80%，至每公斤1美元。

尽管氢气除了水之外什么都不排放，但在实现零碳经济的道路上，它仍然面临着巨大的障碍。就像纯电动汽车可能依赖燃煤电厂提供的电力一样，当使用化石燃料制造氢时，它的无污染优势就被否定了。

根据世界经济论坛（World Economic Forum）的数据，仅用可再生能源生产的绿色氢气占目前氢气总产量的0.1%。专家们表示，绿色氢气要成为主流，还有几十年的路走。

能源和气候政策智库能源创新（Energy Innovation）的电气化主管萨拉·鲍德温（Sara Baldwin）说:“我们用了20年的时间，才达到电动汽车的水平，我预计氢燃料也需要同样的时间。还有很多化石燃料可以继续燃烧，但我认为关键是让我们摆脱化石燃料。”

无论排放怎样，氢气都会到来。根据极光能源研究公司（Aurora Energy Research）的数据，欧盟启动了一项计划，以减少对俄罗斯石油的依赖，因此，自4月份以来，目前全球氢电解槽项目的数量增加了一倍多。

推动能源独立的努力，突显了氢能正在带来的巨大变化。但作为现代燃料电池研究的先驱，麦考密克认为，另一种转变正在进行中，其意义更为深远。

“人们一直在谈论石油的末日，我认为他们没有抓住重点，我们真正应该谈论的是内燃机的终结。从穴居人到今天，石油是我们赖以生存的东西。内燃机的终结才是真正划时代的。”麦考密克总结道。

▍丰田、康明斯着眼于氢内燃机

在汽车和卡车制造商大举投资氢燃料电池的同时，他们也在考虑另一种替代方案——可以在大量车辆中取代柴油发动机的氢内燃机。

这并不是一个全新的创意。早在1806年，瑞士发明家弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹（Francois Isaac de Rivaz）就制造了一种以氢和氧为动力的内燃机。

200多年后，丰田汽车和康明斯重新审视了这个问题。宝马集团在十多年前曾尝试过这种技术，但后来放弃了，转而进军纯电动汽车和插电式混合动力汽车。

在主要汽车制造商中，丰田汽车可能是唯一一家认真探索氢内燃机汽车的公司。丰田汽车总裁丰田章男（Akio Toyoda）今年在富士赛道（Fuji Speedway）的一场24小时耐力赛中，驾驶了一辆氢内燃机卡罗拉掀背车。

丰田章男曾表示，他相信有很多方法可以减少碳排放，而排放氮氧化物但不排放二氧化碳的氢内燃机可能在交通运输中发挥作用。卡车和重型汽车制造商也在考虑，在某些情况下将氢内燃机作为柴油车的替代品。

康明斯氢燃料发动机总经理吉姆·奈伯格（Jim Nebergall）表示:“氢燃料内燃机的性能和效率，与柴油内燃机非常相似。这意味着它可以成为任何柴油应用的合适替代品。”

像其他内燃机一样，它燃烧燃料来转动活塞。这与燃料电池不同，后者采用膜电极，使用氢和氧产生电能，为电机提供动力。大多数柴油和汽油机械师都知道如何修理氢内燃机，但修理燃料电池汽车却需要大量的培训。

康明斯正在押注使用氢内燃机的重型汽车的市场。

今年5月，在加州长滩举行的替代清洁交通博览会（Alternative Clean Transportation Expo）上，康明斯推出了一款15升的氢燃料发动机。该动力装置基于康明斯的燃料不限定平台。缸盖垫片以下，发动机的部件是相似的，但在缸盖垫片以上，不同的燃料拥有不同的部件。

康明斯计划在2027年将这种发动机投入生产。今年9月，一家大型卡车运输公司沃纳企业（Werner Enterprises）签署了一份意向书，准备等康明斯的氢气内燃机上市后购买500台。沃纳企业将这种发动机视为减少温室气体排放的工具。它将与康明斯合作测试和验证发动机。

不过，发动机作为一种绿色交通工具的使用，取决于清洁氢的广泛可用性。清洁氢的市场和基础设施还处于初级阶段。

奈伯格认为，在电动电池、氢燃料电池、氢内燃机等零碳交通工具中，氢内燃机因其初始成本低、熟悉度高、燃烧耐久性强、对恶劣环境的适应性强，以及在具有挑战性的工作循环中的性能而脱颖而出。

他看好其在农业、建筑和港口运营中的应用。它也适用于长途和区域运输，以及专用车辆，如自卸卡车、水泥搅拌机和扫雪机、消防车等应急车辆。

着手氢燃料汽车的公司不仅关注这项技术，也在关注清洁交通法规的发展。

沃尔沃卡车负责全球产品管理的高级副总裁Jessica Sandström表示，他们正在继续投资于内燃机，也在考虑是否可以在内燃机中使用氢气。当然，其中一个不确定因素是有关零排放的政治决定。“是零二氧化碳还是零排放?如果你有一款内燃机，即使用氢燃料，你也会有非常小的排放，比如氮氧化物。”

戴姆勒卡车集团首席执行官马丁·道姆（Martin Daum）表示，该公司的底特律系列柴油发动机可以使用氢燃料。道姆对Automotive News表示:“如果我们看到市场即将到来，我们就可以把它从前期开发阶段拉出来，投入到一个全面的项目中。”

这家卡车公司正在等待观望，因为来自欧洲和加州监管机构的所有信号都要求完全禁止内燃机。

但加州大学戴维斯分校交通研究所的创始主任、加州空气资源委员会成员丹尼尔·斯珀林（Daniel Sperling）认为，氢内燃机的市场可能在某些地方有发展空间，它们与柴油发动机的兼容性是一个优势。

斯珀林说:“仅仅因为欧洲和加州想要什么，并不意味着这就是整个市场。”

不过，他对汽车行业是否会广泛使用氢内燃机表示怀疑。“燃料电池比内燃机效率高得多，你消耗的能量更少。这样就不用在车上安装昂贵的油箱了，也不会有氮氧化物的排放。”斯珀林说，“没有人知道事情会如何发展，我们都在试图弄清楚。”

（本文部分内容综合Automotive News、Reuters报道，部分图片来自网络）