为什么在内燃机中燃烧氢气是减少二氧化碳排放的明智且经济的选择

为什么在内燃机中燃烧氢是减少二氧化碳的明智而合理的选择 排放 INTRODUCTION 运输人员和货物占全球二氧化碳排放量的近20％。汽车，航运和航空航天等运输部门面临着越来越大的脱碳压力，不仅要满足社会的期望，还要实现欧盟设定的目标。 电气化显然是实现脱碳的途径之一，也是轻型道路车辆和私家车的可能赢家。但是电池的局限性使它们不太适合需要大量能量的重型车辆，或者无法可靠地使用充电点或需要大量自主性的车辆。 内燃机(ICE)具有许多优点。它燃烧燃料，便于运输和分配。它拥有100年的创新，以优化从燃料到推进的能量传递。当燃料是化石燃料时，内燃机显然不再可行。但是，如果燃料是绿色氢，内燃机将是许多车辆脱碳的有趣解决方案 。 本文将讨论从重新利用ICEs到氢气的机遇和工程挑战被克服。 脱碳运输：电气化不是唯一的答案 对运输脱碳最常见的市场反应是向电气化迈进，用电动动力系统取代内燃机（ICE），使电池成为唯一的能源。这些是高效的，不产生“排气管排放”，如果使用绿色能源，可以100％清洁。特别是汽车行业已经看到了向电动汽车(EV)的重大转变，主要集中在个人车辆和一些公共汽车上。 这种转变是受欢迎的。然而，电池有其局限性，并不是万能药。 它们目前不适合许多大型商用车辆，如卡车、建筑机械和农用车辆，以及长途航运和海军船只，因为电池特有的挑战，如重力能量密度差(即产生足够的能量需要太多的电池重量)，以及充电所需的时间长度。一些人正在探索混合电气架构，使用氢气为燃料电池供电，燃料电池产生电力 ，称为燃料电池电动汽车（FCEV）。 电池在航空中也有限制。没有理由不能将它们用于短距离渡轮，短距离飞行的轻型飞机以及电动垂直起降车（EVTOL）-实际上，这些地区存在许多早期电动汽车。但是， 与其他能源相比，当前电池技术的重力能量密度（MJ/kg）较差，这意味着电气化不适用于大型商用飞机或必须长时间在海上航行的船舶。 一些较小的飞机也可能是FCEV。但是，即使在液体阶段，氢气的体积能量密度也很差，这意味着该技术无法用于更大的产品。 很明显，新型的混合动力飞机比当前型号更小，更慢，它使用SAF（可持续航空燃料）混合了电气和热力发动机，为短程飞行提供了解决方案。 氢燃烧发动机的可能性 电气化不是镇上唯一的游戏。如果我们用内燃机燃烧氢气而不是化石燃料，内燃机仍然可以保持相关性。 高体积能量密度，由于长的碳链和合理的重量能量密度，这意味着化石燃料自19世纪末以来一直是一流的 世纪。但是碳链的燃烧会产生二氧化碳，这使得净零目标成为最糟糕的一类。 如今，技术的进步意味着有可能转化ICE，使它们能够燃烧氢气而不是化石燃料。 但这并非没有挑战。 氢燃料罐 第一个挑战是解决在车辆中储存氢气时体积能量密度低的问题。尽管氢气具有良好的重量能量，这意味着每公斤燃烧可获得大量能量，但它的体积密度却很差，即每公斤所占的空间要比一公斤多 汽油或柴油。这意味着车辆将需要一个大而重的油箱来存储足够的氢燃料，以提供化石燃料发动机的等效行驶里程。（图表1显示了存储与否时CH2（压缩氢）/LH2（液态氢）之间的差异）。 这里的关键是公式P.V=K.T，它表明体积V和压力P的乘积与温度T成正比。 因此，一个答案是将气态氢保持在较高的压力下以减少体积。这是公路和轨道车辆的当前解决方案，其中700bar的1KG压缩氢（CH2）提供〜100公里的自主性。船舶在空间上具有更大的灵活性，但仍需要开发安全有效的存储，可以长时间保存大量氢气-在低温或高压之间进行权衡-无论是在船上，还是在港口加油。 航空面临着不同的挑战，因为在飞行变得不可能之前，它可以承载的空间和重量有物理上限。在正常大气压和环境温度下，您需要大约3,000升气态氢才能获得与一升煤油燃料相同的能量。储存氢的唯一可行的解决方案 -无论是用于燃料电池，还是通过燃烧为涡轮推进和涡轮风扇提供动力-是使用10巴压力并将温度降低到-253ºC，其中氢从气体变成液体，增加其能量密度。 即使在最佳条件下，由于重量增加，这仍然仅限于支线飞机。远程将需要使用SAF。 图1:12 体积燃料与重量燃料的挑战（来源：Mdpi，研究门） 10 8 喷气燃料A HFO/VLSFO 柴油 MGO 汽油 Avgas LPG丁烷 6 甲醇 4 氨 2 储存CNG存储的LH2 存储的CH2 0锂离子超级电容器 乙醇 DME 储存的LNG 液化石油气丙烷 LNG CNG LH2 CH2 注：Avgas=航空汽油；CH2=在70MPa下压缩的氢气；CNG=在25MPa下压缩的天然气；DME =二甲醚；HFO/VLSFO=重质燃料油/极低硫燃料油；LH2=液化氢；锂离子电池；LNG=液化天然气；LPG=液化石油气；存储的CNG =250bar的IV型储罐；存储的CH2=70MPa的最佳可用CH2储罐；存储的LH2=当前的小型LH2低温储罐；存储的LNGcoditiosGO=小型海运油。 数字以低热值（LHV）表示。包括存储设备的重量。 05101520253035 具体能源(kWh/kg) 调整用于燃烧氢气的ICE 鉴于热机技术的成熟，从技术和经济的角度来看，在内燃机中燃烧氢气是一个有趣的选择，特别是在难以电气化的车辆中。 然而，必须克服一些技术挑战。例如： •开发和调整当前的ICE技术以适应氢气，同时保持电机的合理成本 •升级污染控制系统，以管理氢气中少量的NOx排放 为了进一步探索这一点，我们应该考虑汽车的活塞驱动的ICE和飞机的涡轮驱动的ICE。船舶的氢燃烧可能会遵循升级现有内燃机的模型 ，首先是双燃料，最后是氢或氨。所有这些都面临类似的挑战，下面将讨论。 原则上，ICE可以在氢气上运行以产生机械能，仅释放碳水蒸气和NOx 。 将ICE转换为氢气不会改变原理 -尽管NOx排放控制需要精确的燃烧过程管理，但只需进行少量修改。 这些修改是必不可少的，因为： “克服降低的比功率：与具有预混合和火花点火的大气发动机相比，氢气显着降低（至少20％至25％）发动机的比功率（占据相对较大的体积，减少了在每个循环中可以进入气缸的空气量）。 但是，由于13到14的高压缩比（气缸和燃烧室的容积之间的比率）是可能的-能量效率可以达到36％，这改进了传统的燃料发动机，其中较低的压缩比（现在高达10）意味着能量效率不超过30％。 可以通过适当的喷射装置（高压直接喷射）和用氧气增压的空气（添加压缩机或涡轮增压器）来消除特定的功率限制。 生产效率非常高的电机(40%以上)，甚至可以超过最好的柴油发动机。 “消除自燃风险：氢气对自燃和回火现象(进气歧管中的自燃)非常敏感。此外,发动机必须是清洁的,特别是没有可能导致自燃的碳沉积物。为了弥补这些缺点，日本马自达公司在1991年开发其内燃氢动力汽车时采 用了旋转发动机。 “NOx排放控制需要精确的燃烧过程管理。当氢气在大量空气中燃烧时，NOx在非常高的温度下产生。我们希望避免优化的稀薄混合物，这会产生高燃烧火焰和高比例的空气 在混合物中，这为NOx的产生创造了最佳条件。然而，当运行极稀（低于R=0.5）时，由于强烈的热稀释，燃烧温度急剧降低。这显著限制了NOx的产生量。 其他解决方案也可用于减少NOx排放，包括： •使用废气再循环(EGR)进行热稀释 •分层燃烧，精确地包括 控制燃烧室中的局部混合物成分，以使燃烧发生在最佳的丰富度。 •NOx排放可以用适当的后处理装置(NOx捕集器,SCR)处理 ,后处理装置是尾管装置,类似于催化转化器。 图2: 电子燃料WTW能源效率(来源：Concawe报告关于电子燃料在欧洲运输系统中的作用) 氢燃烧：工业在做什么？ 在本节中，我们将着眼于利用氢燃烧的现实世界创新。 汽车 那么汽车行业是如何适应的呢？一些著名的公司已经在氢燃烧方面进行了大量投资。例如 ： •丰田希望在ICE中燃烧氢气，而本田将专注于电动汽车和FCEV •雷诺将展示配备“氢发动机”的概念车 •ORECAMagny-Cours评估氢气技术，同时开发自己的氢气ICE 为了更详细地探讨这一点，我们采访了GCKGroup，绿色交通的创新参与者和真正的信徒 热机改造-深入技术，经济 和社交访谈（见访谈1）。混合解决方案 纯氢可能并不总是可能的，但它仍然可以通过混合柴油和氢气来帮助减少排放。 这是已经在海军海洋部门使用的东西，（例如MAHLE动力总成或MAN ，...），另一个行业，由于电池的重量，到目前为止电池是不切实际的。它也可以成为地面移动的解决方案吗？为了了解这是如何实现的，我们采访了沃尔沃集团的国防业务领域ARQUUS，为军事应用设计了量身定制的解决方案（请参阅访谈2）。 航空航天 正在进行各种举措-在空中和地面上-测试氢燃料的ICE以及在燃气轮机中直接使用氢作为燃料。示例包括： •空中客车公司和CFM国际公司已经启动了一个联合项目，对一台以氢为燃料的直接燃烧发动机进行地面和飞行测试，为2035年零排放飞机的投入使用做准备 •罗尔斯·罗伊斯认为，尽管氢气可以直接用作燃气轮机的燃料，但它很可能会在较短的运输段开始。可持续航空燃料（SAF）燃气轮机仍将是远程飞行最有可能的解决方案，向前发展。 航运和海军 航运业对绿色转型的反应比航空或汽车要慢，但现在正在发生变化。国际海事组织设定了一个雄心勃勃的目标，到2050年，与2008年相比，海事部门的温室气体排放量减少50％。目前，很少有值得注意的海上氢燃烧承诺，尽管Maers正在扩大使用由绿色氢制成的电子甲醇。然而，越来越多的创新资源可能会改变这个行业。例如：。 •全球海事论坛的一项分析发现，在2021年和2022年初发起了超过85艘零排放船飞行员的演示，其中14艘是纯氢燃烧。 •许多公司和项目正在致力于氢燃烧，包括MANEnergySolutions ，他们正在开发氢燃烧四冲程船舶发动机。 公司正在探索解决存储问题的创新方法。StartupAmogy开发了一种将氨转化为氢的系统，然后可以 作为单一过程的一部分,立即用作燃料,解决了对具有挑战性的氢储存条件的需要。 采访1：绿色公司Konnection（GCK），绿色移动的创新球员 GCK总部位于奥弗涅-罗纳-阿尔卑斯，由8家工业公司组成，为交通能源转型建立了360度的方法，结合了多种技术构建模块，将其集成到车辆中，以及绿色能源供应。 为了响应适合每个用例的最佳技术，GCK在过去的几个月中实施了许多技术开发项目：一系列创新电池组，一系列高功率密度电动机，一系列氢内燃机和高功率燃料电池系统。 GCK已成为车辆领域的关键参与者，并通过其重型车辆改装活动整合这些技术构建模块。该小组与许多公司和地方当局合作，以转换内燃机车辆的车队（LCV，客车，船，垃圾收集车，雪地美容师等。)用于电动、电池和氢动力汽车。为了开发其车辆，该集团依靠。 其赛车运动实验室及其在Charade赛道的测试中心，GCK在这里有一个技术园区项目，致力于所有无碳出行技术的培训和研发。 最后，GCK凭借其能源部门，为电动和氢动力汽车提供移动绿色能源供应和加油解决方案。 面对出行脱碳的挑战，欧洲选择从2035年开始摆脱内燃机的垄断，转向轻型电动汽车的垄断。无论是基于燃料电池还是电池技术，这种垄断都将造成整个汽车和车辆制造部门的动荡（技术，社会，经济和地缘政治）。GCK集团认为，由于电池或燃料电池电动汽车的多功能性降低，这种趋势将很难转化为所有重型机动性或密集的专业用途 。这就是GCK选择与技术无关的方法的原因。 通过开发电池，电动机，氢内燃机和燃料电池来实现低碳交通 更广泛地说，欧洲定义了这一战略， 车辆制造和售后行业（维护）将受到内燃机工作和技能大量流失的强烈影响。它还将面临由欧洲以外的地缘政治大国控制的组件，矿物或材料的供应问题，以及与其他应用部门（能源，工业，建筑等 ）的竞争。 6在内燃机中燃烧氢