氫動力的未來
編譯 | 楊玉科
編輯 | 葛幫寧出品 | 幫寧工作室(gbngzs)
去年,當(dāng)豐田章男(Akio Toyoda)將一輛氫動力試驗(yàn)車卡羅拉開上賽道的時(shí)候,他兜售的氫發(fā)動機(jī)概念就像荒野中一聲孤獨(dú)的吶喊,淹沒在這個(gè)正為純電動汽車發(fā)狂的行業(yè)。
一年后的今天,豐田汽車在供應(yīng)商世界里找到了意想不到的盟友。
美國渦輪增壓巨頭博格華納和日本活塞環(huán)專業(yè)公司理研(Riken Corp.)都在追求清潔內(nèi)燃機(jī)。近期,這兩家公司都加快技術(shù)開發(fā)步伐,以在未來發(fā)動機(jī)中燃燒零排放的氫氣,而不是污濁的汽油,不是氫燃料電池,而是用氫代替汽油的內(nèi)燃機(jī)。
越來越多的公司對這個(gè)想法表示歡迎。博格華納正在為氫發(fā)動機(jī)推出全系列零部件,包括噴油器、軌道系統(tǒng)和電子控制單元。今年,它甚至還贏得氫動力領(lǐng)域第一份合同——向一家歐洲建筑設(shè)備制造商提供新設(shè)備。
理研公司去年成立一個(gè)新部門,以打入氫發(fā)動機(jī)零部件市場。今年5月,它在日本的一家工廠開設(shè)了氫發(fā)動機(jī)評估中心。
自從豐田章男坐到卡羅拉氫動力賽車方向盤后,盡管孤軍奮戰(zhàn),但豐田汽車一直積極倡導(dǎo)氫燃燒技術(shù)。過去一年來,豐田章男駕駛?cè)紵龤錃獾目_拉參加過許多比賽,最近還駕駛一輛氫動力雅力士參加了比賽。
豐田章男認(rèn)為,人類的敵人是碳,而不是內(nèi)燃機(jī)。但在此前,他的理念在全球投入數(shù)千億美元的可插電式電動汽車行業(yè)中,幾乎沒有得到什么支持。
▍問題不在于內(nèi)燃機(jī),而在于碳
氫內(nèi)燃機(jī)其實(shí)無碳。它還有一個(gè)額外優(yōu)勢,可以利用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)技術(shù),以及開發(fā)和交付這些技術(shù)的供應(yīng)商和工人組成龐大全球網(wǎng)絡(luò)。對博格華納或理研這樣專注于內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的公司來說,氫有望更無縫地過渡到碳中和的未來。
博格華納日本公司區(qū)域經(jīng)理兼燃料系統(tǒng)總工程師漢斯·哈達(dá)姆(Hans Hardam)認(rèn)為,問題不在于內(nèi)燃機(jī),而在于碳。
他的觀點(diǎn)與豐田章男幾乎完全一致。作為全球最大汽車制造商掌門人,豐田章男沒有放過任何機(jī)會來支持公司理念——清潔內(nèi)燃機(jī)與電動汽車和燃料電池汽車一樣,在碳中和策略中同樣可行。
事實(shí)是,其他幾個(gè)汽車廠商也在鉆研氫燃燒技術(shù),如戴姆勒集團(tuán)和曼公司,發(fā)動機(jī)制造商康明斯和動力系統(tǒng)專家李斯特(AVL)。
雅馬哈正在研究氫動力在摩托車和全地形汽車上的潛在用途。今年早些時(shí)候,雅馬哈研制了一款5.0升V8氫動力發(fā)動機(jī)——基于雷克薩斯RC F運(yùn)動轎跑中使用的豐田動力系統(tǒng)。
勞斯萊斯的目標(biāo)更高。它正與英國易捷航空(easyJet)合作,在飛機(jī)上安裝氫發(fā)動機(jī)。
在地面上,氫內(nèi)燃機(jī)支持者看到建筑、農(nóng)業(yè)或海洋應(yīng)用的卡車,和其他重型車輛上早期商業(yè)化的潛力。氫密度使其成為比電池更好的柴油替代品,長時(shí)間重載的卡車不需要不切實(shí)際的、沉重而昂貴的電池組。
除重型車輛上的初步部署外——這些車輛自重很重,而且通常用于運(yùn)送重型貨物,博格華納也希望在SUV和皮卡上有所應(yīng)用。他們相信,氫動力在跑車和越野車等利基市場上也有機(jī)會。
博格華納從事氫燃燒研究已有十年,在歐洲建有兩個(gè)開發(fā)中心,其中一個(gè)在法國的布洛瓦,另一個(gè)在英國的吉利厄姆。哈達(dá)姆透露,與客戶的討論近幾年才開始。
對博格華納和理研公司這樣的老派內(nèi)燃機(jī)企業(yè)而言,氫內(nèi)燃機(jī)前景緩解了向純電動未來可能出現(xiàn)的不和諧轉(zhuǎn)變。
在理研公司看來,汽車零部件行業(yè)正面臨百年一遇的大變革,需要進(jìn)行重大改革。“我們將最大限度地利用90多年積累的發(fā)動機(jī)專業(yè)知識,將氫發(fā)動機(jī)作為實(shí)現(xiàn)脫碳的新一代發(fā)動機(jī)進(jìn)行開發(fā)。”
在脫碳方面,供應(yīng)商也面臨壓力。博格華納承諾在2035年前實(shí)現(xiàn)碳中和,并將氫內(nèi)燃機(jī)視為通過調(diào)整現(xiàn)有技術(shù)來緩解未來的一種方式。 “日本汽車行業(yè)有550萬人,我們希望避免行業(yè)結(jié)構(gòu)變化過快,這就是為什么日本制造商正在考慮替代燃料的原因。日本整車廠非常重視碳中和。”博格華納莫爾斯系統(tǒng)日本公司總經(jīng)理三島邦彥(Kunihiko Mishima)說。
博格華納原始設(shè)備零部件2021年銷售額接近140億美元,企業(yè)希望借助在渦輪增壓器、噴射器、燃料導(dǎo)軌、溫度傳感器和EGR系統(tǒng)方面的現(xiàn)有專長實(shí)現(xiàn)碳中和。此外,他們還看好氫發(fā)動機(jī)控制單元和軟件模塊的潛力,這些模塊可以調(diào)節(jié)燃料箱中的氫氣壓力。
為實(shí)現(xiàn)動力和排放的最佳平衡,氫發(fā)動機(jī)尤其需要渦輪增壓器。在燃燒方程中,氫比燃油需要更多空氣,而且需要在較稀薄的一面運(yùn)行以抑制溫度。博格華納預(yù)測,相對于燃油,氫擁有更高熱效率潛力。
雖然這些系統(tǒng)事實(shí)上是零碳的,但它們會從燃燒掉的潤滑劑中釋放出微量的碳,因此,它們其實(shí)并非零碳。與柴油一樣,氮氧化物是主要挑戰(zhàn)。
博格華納認(rèn)為,氫內(nèi)燃機(jī)是2035年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要工具。與豐田汽車一樣,博格華納將氫燃料系統(tǒng)視為實(shí)現(xiàn)更綠色未來的混合方案的一部分。小型乘用車可能會更屈從電動汽車,而氫燃料電池最終將成為更主流的選擇,但氫內(nèi)燃機(jī)會填補(bǔ)某些空白。
▍雞尾酒式解決方案
雖然氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)使現(xiàn)有發(fā)動機(jī)成本增加30%,但因?yàn)榻⒃诔墒旒夹g(shù)基礎(chǔ)之上,它仍然比電池和燃料電池便宜。而且供應(yīng)鏈已經(jīng)存在,氫內(nèi)燃機(jī)可以比下一代電池和燃料電池堆更快推向市場。
支持者認(rèn)為,與燃料電池相比,氫內(nèi)燃機(jī)成本更低、更可靠、更耐久,但在效率上略落后于前者。與純電池動力系統(tǒng)相比,氫內(nèi)燃機(jī)在冷熱環(huán)境和重載條件下表現(xiàn)更好。
由于氫內(nèi)燃機(jī)是一種新興利基技術(shù),很難預(yù)測其長期市場滲透率。博格華納預(yù)計(jì),氫內(nèi)燃機(jī)最終將占重型汽車和設(shè)備行業(yè)20%~30%。哈達(dá)姆表示,還有很多未知因素,但這個(gè)市場潛力很大。
利用現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)技術(shù)是博格華納等老牌供應(yīng)商的關(guān)鍵,但即便是在尋求產(chǎn)品組合多樣化的同時(shí),它也沒有忽視向電動汽車轉(zhuǎn)型。去年,博格華納全球營收不到3%來自電動汽車相關(guān)產(chǎn)品,它希望將這一比例在2025年增加到25%或更多,在2030年增加到45%。
博格華納有一長串新產(chǎn)品目標(biāo)清單,包括電驅(qū)動電機(jī)、逆變器、車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和電池組控制器等。
“動力系統(tǒng)會更多樣化,這是一種雞尾酒式的解決方案,取決于市場、區(qū)域、企業(yè)政策和政府政策!惫_(dá)姆說。
博格華納日本業(yè)務(wù)規(guī)模很大,擁有兩家工廠、一個(gè)技術(shù)中心和工程辦公室網(wǎng)絡(luò),為幾乎所有日本大型汽車制造商服務(wù)。它還與日本轉(zhuǎn)向和軸承制造商恩斯克(NSK)成立了一家合資企業(yè)。
博格華納在日本從制造發(fā)動機(jī)和傳動鏈開始,現(xiàn)在制造各種與發(fā)動機(jī)相關(guān)的零部件,包括正時(shí)鏈、鏈輪和可變凸輪正時(shí)系統(tǒng)等。
但博格華納研究氫內(nèi)燃機(jī)的動因,并不僅僅是與豐田汽車做生意。它旨在尋求技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn),其主要研究中心在歐洲,客戶不僅來自日本,還來自韓國、歐洲、中國和美國。
哈達(dá)姆解釋道,這不僅僅是一項(xiàng)日本人或者豐田汽車的行動。
▍氫燃料電池的潛力
雖然乘用車行業(yè)正賣力讓消費(fèi)者相信,氫燃料電池汽車在日常交通中將占有一席之地,但是,首先看到這項(xiàng)技術(shù)巨大潛力的是卡車制造商。
戴姆勒卡車技術(shù)主管安德烈斯·戈?duì)柊秃眨ˋndreas Gorbach)在2022年國際汽車工業(yè)協(xié)會運(yùn)輸大會(IAA Transportation 2022)上說,這是一個(gè)化學(xué)問題,沒有任何一種電池化學(xué)物質(zhì)能超越氫氣儲存的能量。
“假設(shè)取電化學(xué)差異最大的元素,得到最高的能量、最高的電壓和最高的能量密度電池,都無法與氫媲美!备?duì)柊秃昭a(bǔ)充道,即使有重大突破,電池的化學(xué)反應(yīng)也只能達(dá)到氫能的1/30,沒有任何元素可以與氫競爭。
可以肯定的是,在氫燃料電池卡車開始取代柴油牽引車之前,仍有重大障礙要克服,因?yàn)閹缀鯖]有燃料基礎(chǔ)設(shè)施,F(xiàn)有氫供應(yīng)鏈無法支撐成千上萬輛卡車。
此外,加氫精制過程也不清潔,違背了零尾氣排放汽車的初衷。該行業(yè)必須加大利用太陽能、風(fēng)能和其他可再生能源生產(chǎn)氫氣的力度,以實(shí)現(xiàn)綠色承諾。
戈?duì)柊秃論?dān)心,基礎(chǔ)設(shè)施的瓶頸會阻礙行業(yè)發(fā)展。在一些區(qū)域和國家禁止使用柴油發(fā)動機(jī)的情況下,卡車運(yùn)輸公司沒有最佳選擇。
戴姆勒在開發(fā)燃料電池卡車的同時(shí),也在繼續(xù)進(jìn)軍純電動卡車市場,它在IAA運(yùn)輸大會上發(fā)布一款采用新型電池化學(xué)結(jié)構(gòu)的歐洲車型。戴姆勒卡車首席執(zhí)行官M(fèi)artin Daum告訴Automotive News,這款卡車的動力系統(tǒng)和電池化學(xué)成分,將在幾年內(nèi)應(yīng)用于美國公路上的貨運(yùn)車。
IAA運(yùn)輸大會焦點(diǎn)集中在先進(jìn)的運(yùn)輸技術(shù)上——電動電池和氫燃料電池車型。戴姆勒卡車、沃爾沃、比亞迪、依維柯,以及幾乎所有其他8級卡車制造商,都將電動牽引車放在展臺最前面和最中間。在法蘭克福會議中心,他們把柴油車型停在次要位置,或外面大廳之間的人行道上。
戴姆勒卡車是一家獨(dú)立卡車制造商,2021年12月從戴姆勒集團(tuán)中分拆出來,它在多個(gè)IAA會議上宣傳氫燃料電池。參觀戴姆勒卡車主展臺的游客,可以登上這輛安靜又平穩(wěn)的GenH2燃料電池概念車。戴姆勒卡車還展示了Cellcentric(與沃爾沃集團(tuán)各持一半股權(quán)的合資企業(yè))開發(fā)的最新一代燃料電池組。
因受企業(yè)逐步淘汰柴油運(yùn)輸時(shí)間表的影響,在新聞發(fā)布會和采訪中,Daum帶著緊迫感的語氣討論了氫技術(shù)!拔覀兩钤谔冀(jīng)濟(jì)中,碳使世界升溫……這不是我們想要生活的世界!盌aum說,在美國長途運(yùn)輸中,燃料電池動力系統(tǒng)是柴油發(fā)動機(jī)的合理替代品,燃料電池動力系統(tǒng)利用氫氣發(fā)電來驅(qū)動馬達(dá)。
燃料和動力系統(tǒng)的重量比電動卡車行駛同樣距離所需重型電池要輕,更輕的重量使運(yùn)輸卡車可以裝載更多貨物。此外,燃料電池卡車的加油速度與內(nèi)燃機(jī)卡車差不多,從而免除了司機(jī)充電延遲的問題。
沃爾沃希望燃料電池技術(shù)能更好地用于長距離和極端負(fù)載。其全球產(chǎn)品管理主管杰西卡·桑德士托姆(Jessica Sandstr?m)說:“我們知道,這將在很大程度上取決于基礎(chǔ)設(shè)施,以及綠色氫氣和綠色電力的可行性!
沃爾沃正在測試燃料電池電動卡車,每加一次燃料可以跑大約600英里。其計(jì)劃在2025年,讓歐洲客戶測試這種卡車,并在未來幾年擴(kuò)展到美國和其他市場。
尼古拉公司已經(jīng)在美國測試一款燃料電池半掛車。在IAA運(yùn)輸大會上,它推出了面向歐洲市場的一款車型,并計(jì)劃在亞利桑那州的柯立芝工廠進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。尼古拉總裁Michael Lohscheller告訴Automotive News,這款車明年下半年將在美國上市,后年將在歐洲上市。
目前,針對客戶的測試項(xiàng)目正在幫助尼古拉改進(jìn)最終產(chǎn)品。尼古拉還在建設(shè)一個(gè)燃料基礎(chǔ)設(shè)施,首先在長灘港建設(shè)一個(gè)燃料站,接著在靠近南加州主要配送中心的科爾頓和安大略省,建設(shè)另外兩個(gè)燃料站。
“我可以賣給你一輛卡車,但不能讓你靠運(yùn)氣找到氫氣,我必須確保能給你提供氫氣,我們需要把這些東西結(jié)合起來!盠ohscheller說。
其他公司也在現(xiàn)實(shí)條件下測試燃料電池卡車。
豐田汽車與肯沃斯公司(Kenworth)合作,將10輛柴油驅(qū)動的8級卡車改裝為燃料電池卡車,用于南加州一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目證明,燃料電池卡車性能可以與用于拖運(yùn)的柴油半拖車媲美。拖運(yùn)專門指貨物從港口運(yùn)往地區(qū)目的地的運(yùn)輸。
豐田汽車北美公司發(fā)言人喬!げ魉梗↗osh Burns)說,貨運(yùn)卡車主要運(yùn)行本地路線,行駛距離不是很遠(yuǎn),所以,其重點(diǎn)是滿足或超過貨運(yùn)路線的基線需求。
該項(xiàng)目的成功使豐田汽車相信,向卡車制造商出售零排放技術(shù)大有市場。明年,他們將在肯塔基豐田汽車制造公司建造一條專門生產(chǎn)線,為重型商用汽車組裝雙燃料電池模塊。
他們還計(jì)劃為洛杉磯地區(qū)的零部件供應(yīng)場保留幾輛燃料電池卡車的原型車。
有企業(yè)正在探索燃料電池在城市包裹遞送和交易中的應(yīng)用,F(xiàn)代汽車集團(tuán)和依維柯集團(tuán)在IAA運(yùn)輸大會上,發(fā)布eDAILY燃料電池電動汽車——搭載依維柯大型貨車的燃料電池系統(tǒng)。
盡管這款貨車的目標(biāo)是歐洲市場,但它展示了汽車制造商如何將為乘用車開發(fā)的零排放技術(shù)用于大型商用車。豐田/肯沃斯8級卡車搭載的是,為豐田Miri轎車設(shè)計(jì)的燃料電池堆。
戈?duì)柊秃照J(rèn)為,氫技術(shù)的進(jìn)步表明,交通運(yùn)輸正在擺脫一個(gè)內(nèi)燃機(jī)為乘用車、卡車、建筑設(shè)備和幾乎所有其他移動用途提供解決方案的世界。
桑德士托姆對此表示贊同。他說,我們需要為一切做好準(zhǔn)備,因?yàn)闆]有適合所有人的靈丹妙藥。
(本文部分內(nèi)容綜合Automotive News報(bào)道,部分圖片來自網(wǎng)絡(luò)
原文標(biāo)題 : 氫動力的未來
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