【潤英聯微課堂】對氫能源寄予厚望

廣告　商業廣告，理性選擇

　　減少運輸領域的溫室氣體排放對于滿足全球范圍內正在實施的更嚴格的控制措施而言至關重要。雖然在輕型車輛中，動力系統電氣化有望成為減少尾氣碳排放的主要途徑，但在重型車領域，潤英聯技術專家Tom Featherstone 提出，在充電時間和負載為兩個關鍵因素的考量下，以氫能為動力的內燃機如何被證明是重型車輛的理想選擇。

　　為了實現全球溫室氣體（GHG）減排承諾，運輸領域正在引入各種減排戰略。在所有汽車細分市場中，我們已經看到領先的OEM車企紛紛宣布近零碳排放公告，以及在實現這一目標道路上的許多過渡時期目標。在乘用車和摩托車等輕型車輛市場中，動力總成電氣化是關鍵戰略，因此越來越多的混合動力和純電動車型已經上市。但是，重型長里程車輛的要求則大不相同。在這一市場，電池電氣化具有挑戰性，因為電池質量和體積都非常大，導致有效載荷容量降低，車輛購買成本增加，并且由于充電時間長，運營效率下降。OEM車企正在考慮包括使用替代燃料在內的一系列選擇。

　　"雖然生物燃料是朝著正確方向邁出的一步，但市場必須找到合適的零碳燃料來源，以實現其長期目標。"迄今為止，氫主要用于燃料電池。但現在，其作為一種綠色能源載體正被廣泛采用，可用于平衡電網的能源需求，并可迅速應用在經過耐用性驗證的內燃機中，為OEM車企能夠實現未來的碳減排目標。在重負荷卡車領域，氫能內燃機（H2ICE）與通過燃料電池實現動力總成電氣化相比，具有許多優勢：

　　需要基礎設施投資

　　阻礙氫能被廣泛采用的主要因素是缺乏足夠的氫能基礎設施。到2020 年底，國際能源署報告稱，全球有 540 個加氫站 （HRS），但并非所有加氫站都向公眾開放，其中一半加氫站在亞洲，35%在歐洲，其余大部分在美國。

　　然而，國際能源署表示，需要做出更多的努力來擴大氫能的生產規模，降低成本，并通過將傳統技術與CCUS（碳捕獲使用和儲存）相結合，以及通過水電解產生氫能，用低碳氫能來取代煤炭和石油產生的高碳氫能。

　　已經在開展活動來糾正生產和基礎設施的不足，投資也很強勁。例如，美國已經開放了70億美元的資金，用于在全國范圍內建立清潔氫能中心。這些被視為推動拜登政府到 2050 年實現近零碳排放目標的核心動力。目前，107個加氫站中，大部分在加利福尼亞州，美國政府的目標是到 2025 年在該州建立 200 個加氫站，預計到 2030 年將建立 1,000 個加氫站。計劃在東北部各州推出14個加氫站，隨著市場的擴大，加氫站將與車輛的推廣相匹配，促進二者共同發展。

　　歐洲已承諾提供52億歐元的公共資金，預計將額外釋放70億歐元的私募基金，以支持氫能價值鏈的研究和創新、首次工業部署和相關基礎設施的建設。根據歐盟氫能路線圖雄心勃勃的情景預計，到 2040 年，歐洲將有 15,000 個加氫站。

　　在中國，政府已發布了2021-2035年氫能長期規劃，將采用分階段的方法來發展國內氫能產業和制造能力。來自中國新能源汽車產業發展規劃 的預計，加氫站的容量將從2020年的85個增長到2035年的2,000個。

　　"將全球各地的承諾加在一起，到2040年，全球將有23,000個加氫站投入使用，以支持道路上預計越來越多的氫燃料電池和氫氣發動機車輛。"

　　氫內燃機和潤滑挑戰

　　氫氣內燃機技術適用于許多運輸領域，包括汽車、卡車、摩托車、船舶和鐵路，許多OEM制造商處于研究、概念驗證和產品商業化的不同階段。在重負荷卡車領域，包括達夫、康明斯、斯堪尼亞與Westport、MAN以及中國的濰柴、玉柴和一汽在內的幾家OEM制造商都已宣布投資氫氣內燃機。這意味著，隨著技術被逐步商業化，我們可以期待在未來幾年內看到這些車輛出現在我們的道路上。

　　盡管氫氣內燃機采用基于眾所周知的內燃機驅動，但預計會出現許多潤滑方面的挑戰。

　　早燃

　　由于氫氣的點火能量非常低（氫氣0.017 mJ對比汽油0.24 mJ），因此可以通過燃燒區的熱點點燃。例如，這些熱點可能包括發動機部件上的熱表面、潤滑油衍生的沉積物和從活塞環噴射的潤滑油。

　　OEM制造商需要考慮多種設計策略，以最大限度地降低熱點的早燃風險，包括燃料混合管理以及活塞和火花塞設計。同時，對于潤滑油配方人員來說，了解潤滑油構成如何影響低速早燃和燃燒區沉積物非常重要。我們認為，實現金屬、粘度和沉積物控制的適當平衡對于確保將提前點火事件的可能性降至最低至關重要。

　　水分

　　氫燃燒產生的副產品是水。在發動機溫度被抑制的工況循環中，水會在油中積聚，這可能會帶來許多影響。

　　在開發階段就識別可能面臨水分累積風險的工況周期和應用是非常重要的。這將使已經為乘用車混動系統開發的水分處理的化學結構能夠在氫氣內燃機應用中進行測試。我們認為，配方設計人員必須專注于如何在水分含量高的情況下保持粘度控制，并評估如何有效使用抑蝕劑和乳化劑。

　　后處理

　　盡管與使用化石燃料的車輛相比，氫氣內燃機需要的后處理要求降低，但仍需要NOx管理。此外，潤滑油成為碳氫化合物 （HC） 和二氧化碳排放的唯一來源。

　　考慮到這一點，重要的是要監測立法，以了解潤滑油排放的允許量，并評估降低的后處理要求如何能夠改變潤滑油配方的化學結構。尋找控制潤滑油粘度和最大限度地減少與潤滑油相關的碳氫化合物和二氧化碳排放的方法將成為人們關注的焦點。

　　燃油經濟性

　　與傳統化石燃料相比，氫氣的能量密度降低，將增加燃料儲存所需的車輛空間。盡管氫能有可能成為零碳燃料，但對于希望在不增加燃料儲存的情況下延長車輛續航里程的OEM制造商來說，燃油經濟性將變得很重要。

　　未來方向

　　氫能委員會是一項由CEO領導的全球組織，其長期目標是通過氫能促進清潔能源轉型。其表明，重型卡車由于其高里程和功率特性，預計將長期成為最大的氫氣消費者，到2050年需要110 MT的氫氣才能減少13 GT的二氧化碳。

　　顯然，隨著技術進入市場，仍有許多工程、基礎設施和潤滑油配方挑戰需要解決。然而，氫氣內燃機有可能為高負載、高使用、長途應用提供低成本、零碳的解決方案，在這些應用中，純電池的電動解決方案不能滿足運營要求，燃料電池技術可能在經濟上尚未可行。隨著配備新型氫氣內燃機發動機的車輛進入市場，可能會出現要求與其特定需求相匹配的潤滑油的機會。