運輸脫碳最清潔的方式是什么？
近年來，隨著全球氣候變暖的加劇以及傳統(tǒng)化石能源易受動蕩局勢的影響，清潔能源的開發(fā)和利用大大加快，尤其是新興的氫能。電動汽車和氫燃料電池是幫助我們實現(xiàn)這一事業(yè)最突出的技術之一。但由于成本和緩慢的采用速度，這些技術尚未顯著減少我們的整體排放量。
幸運的是，新南威爾士大學的研究人員可能剛剛創(chuàng)造了一種近乎完美的橋接技術，可以輕松地將柴油發(fā)動機改造成使用氫作為燃料來減少碳排放，但是他們是怎么做到的呢？這會導致碳中和革命嗎？
悉尼新南威爾士大學的研究人員改裝了一臺柴油發(fā)動機，它在氫柴油雙燃料直噴 (H2DDI) 輕型單缸壓燃發(fā)動機中實現(xiàn)了高達 90% 的氫能占比，減少了 85% 的排放量，每千瓦時僅 90 克，并將發(fā)動機效率提高了 26%！
燃料的油衍生部分可以很容易地換成生物燃料，只需稍作修改，就可以使得該發(fā)動機能夠完全碳中和運行。此外，該發(fā)動機并不必須使用高純度氫氣，也可以使用更便宜、更容易生產(chǎn)的低純度氫氣。
但是這個引擎是如何工作的呢？為什么它比純生物柴油發(fā)動機或純氫內(nèi)燃機更好？有三個原因：氮氧化物排放、效率和供應鏈可靠性。
為什么選擇氫能雙燃料發(fā)動機？
首先，氮氧化物。柴油發(fā)動機的運行方式與汽油發(fā)動機完全不同。它們不是火花觸發(fā)燃燒，而是使用壓縮。當活塞向下拉動時，它會吸入空氣和汽化柴油，然后在氣缸中混合在一起。當活塞上升時，它會壓縮這種氣體，從而加熱它?；钊麑⑵鋲嚎s的壓力可以將其加熱到足以燃燒，從而將活塞推回原位。
氫氣可用于相同的壓縮點火式發(fā)動機，但它有兩個明顯的缺點。首先，它的效率不是很高，這意味著它產(chǎn)生的功率要少得多。這是因為氫氣的燃燒速度遠快于柴油燃料，因此在活塞到達氣缸底部之前，氫氣就已經(jīng)燃燒殆盡了。這減少了施加在氣缸上的力，從而降低了發(fā)動機的功率。
其次，空氣和氫氣的均勻混合物會產(chǎn)生比柴油更多的氮氧化物排放。柴油發(fā)動機內(nèi)部的高壓和高溫環(huán)境導致氮氣與氧氣反應，產(chǎn)生氮氧化物（也稱為 NOx）。然后這些排放物被云層吸收并產(chǎn)生酸雨，從而造成巨大的環(huán)境破壞。但是由于氫氣燃燒得更快，它最終會在比普通柴油更高的壓力下燃燒（因此溫度也高得多）。這導致氫動力柴油發(fā)動機產(chǎn)生更高水平的氮氧化物。
那么為什么不是純粹的生物柴油呢？生物燃料有一個重大問題。它們奪走了我們的食物供應，導致棲息地喪失。長話短說，如果我們要使用生物燃料，我們需要非常謹慎地使用它們，以避免造成生態(tài)和人道主義危機。
氫能雙燃料發(fā)動機的工作原理
而雙燃料發(fā)動機值得被人稱贊的地方就是該研究團隊保留了原有發(fā)動機中的柴油噴射裝置，并直接在氣缸中添加了氫燃料噴射，使發(fā)動機能以每分鐘 2000 轉的恒定速度運行。
更重要的是，該團隊的努力還找到了擺脫與氫發(fā)動機相關的高氮氧化物 (NO x) 排放的方法。研究人員沒有像許多人預想的那樣，將所有氫氣放入發(fā)動機并使其充分混合，而是將其分層添加，這樣反而可顯著減少 NO x 的排放。
通過這種方式可以減慢氫氣的火焰速度，也意味著氫氣可以在活塞上產(chǎn)生更大的力并在低得多的壓力下燃燒。此外，也可以通過這一點在理想的時間（即氣缸循環(huán)的后期）將氫氣定時注入，這意味著氫存在于發(fā)動機的某些部分中，而在其他部分中則較少。
總體而言，雙燃料發(fā)動機減少了導致酸雨和空氣污染的氮氧化物排放。
從理論上講可以制造出以這種方式使用氫氣作為唯一燃料的發(fā)動機。但研究人員希望改造柴油發(fā)動機，以達成更快的普及使用，所以這些發(fā)動機的制造方式不同。因此，他們仍然需要使用 10% 的柴油來保持氣缸正確點火。但總體結果非常好，該發(fā)動機可以通過碳中和的方式運行而不會造成對生態(tài)災難性影響，并且比標準柴油發(fā)動機更加清潔。
這就是這個令人難以置信的引擎的工作原理。
氫能雙燃料發(fā)動機的優(yōu)勢
這個系統(tǒng)可以很容易地改裝到任何柴油發(fā)動機上。因此，從拖拉機到采礦鉆機、卡車甚至火車，一切都可以以非常低的成本快速切換到該系統(tǒng)。這項技術可能是使這些關鍵車輛實現(xiàn)碳中和的最快捷的方法。
此外，氫基礎設施應該很容易搭建，只需要很少的成本就可以生產(chǎn)大量的低純度氫氣。但這種氫基礎設施也可能出人意料地高效。氫燃料電池技術（使用氫氣發(fā)電，唯一的副產(chǎn)品是水）的重要問題之一是其整體效率。
為電解機提供動力，然后將氫氣精煉到足夠高的純度是非常耗能且效率低下的。但使用氫能雙燃料發(fā)動機的話這些問題就能迎刃而解，因為它可以用更少的能量做更多的事情。氫能雙燃料發(fā)動機只需要使用低純度的氫氣就可以正常運行，可以使用更少的能量來產(chǎn)生相同的功率。再加上這種雙燃料發(fā)動機帶來的能源效率提高，它應該有一個相當不錯的整體效率。
考慮到所有這些，難怪這些研究人員希望在未來 12-24 個月內(nèi)將這種發(fā)動機商業(yè)化。在一年左右的時間里，世界各地的人們可能會將他們的商業(yè)和農(nóng)業(yè)柴油機械轉換為碳中和、超高效和清潔燃燒的雙燃料氫柴油發(fā)動機。
結語
實際進行這些轉換的后勤工作將很困難。畢竟，并非所有柴油發(fā)動機的制造方式都相同，因此他們可能不得不一次將精力集中在一種型號的發(fā)動機上。
但至少在理論上，這是將柴油動力汽車快速轉換為碳中和汽車的絕佳方法。這種橋接技術可能正是我們在逐步采用電動汽車技術的同時抵御氣候變化所需要的。
本文來自微信公眾號：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：唐詩，編譯：唐詩
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