– 氢内燃机依旧存在污染
– 由化石燃料制成的昂贵氢燃料是否有意义？
– 它只是针对短期问题的小众解决方案吗？

如歌中所唱的，“鸟儿这样做了，蜜蜂这样做了；即使是受过教育的跳蚤也这样做了；让我们一同坠入爱河”。发动机制造商仿佛也是这样急切地爱上氢内燃机。

JCB 在 5 月份宣布将开发氢燃料解决方案。康明斯、卡特彼勒、利勃海尔和广汽集团也紧接着宣布他们也将试验和开发用于各种应用的氢内燃机。

是热血上头，还是明智之举？

故事由氢燃料开始

氢是第一个从宇宙大爆炸冷却漩涡中形成的元素。它既是自然界储量最丰富的元素，也是人们在脱碳时谈论最多的元素。在各个方面，它被视为灵丹妙药：在有效遏制全球变暖的同时可以保证个人交通工具和高能量应用的可实现性。 氢气可以由可再生能源（风能或太阳能）生产，并且当它用于燃料电池系统时可以做到零排放。被认为是终极的清洁能源解决方案。

在碳氢化合物、混合动力、电池电动和氢燃料电池驱动技术混战的当下，是否有另一种发动机类型的空间？

技术可行性 

氢燃料内燃机的工作方式与柴油燃料内燃机大致相同。但氢气燃烧只产生水，因此没有碳排放；然而，反应温度会产生氮氧化物，对人体健康有害。虽然这些排放可以通过控制燃烧过程或后处理来尽量减小，但它们永远无法完全消除，而且控制过程会增加发动机的成本。

增加的成本除了来自最小化排放的需求以外，设计使用柴油的“常规”内燃机需要改装才能使用氢气运行，改装费用不可忽视。此外，必须在车辆上增加一套沉重的高压氢气罐，这又进一步增加成本并减少车辆的有效载荷。

问题来了，在发动机成本增高的前提下，燃料差价会带来回报吗？如果假设柴油发动机和氢发动机的系统效率相同，并且发动机具有相同的功率输出，我们可以参考下表中英国柴油和氢气定价：

从上图获取的结论是令人失望的。当前的氢气成本意味着，不仅发动机/车辆更贵，而且每公里的车辆运行成本也更高——这是所有公关稿和营销中没有提到的。 

氢燃料内燃机技术的支持者会争辩说，氢的成本会随着规模的扩大而降低（的确如此，但这要扩展到 5 到 10 年的时间线内），并且“电气化”动力系统——锂离子电池或燃料电池——的前期投入成本会比氢燃料内燃机更高。在后一点上，现在确实如此，但Interact Analysis 的研究表明，锂离子电池和燃料电池系统的价格在未来 5-10 年都将大幅下降。这不仅会使电池动力系统的初次购买价格更接近于内燃机动力系统的价格，而且伴随着与电力相关的运行成本大幅降低，电池驱动的总拥有成本也会降低——至少对于电池电力系统而言 。

另一个问题是氢气从哪里来。虽然氢气在燃烧时是“干净的”——但它在生产时是“脏的”，其中大部分是化石燃料工业的副产品（棕氢/灰氢）。生产绿色氢气即通过电解水产生的氢气，整个过程由可再生电力提供动力，是完全可行的，但成本要高得多。同时也需要考虑从在内燃机中燃烧氢气与在燃料电池中使用哪种方案更为有效？

综合上述所有情况，为什么还是有制造商考虑并推动这种解决方案呢？

脱碳道阻且长 

必须承认的是，在某些应用和特定工作环境，尤其是非公路车辆无法不依靠化石燃料运行。偏远地区的高强度工作循环对脱碳最具挑战性——例如，推土机的能源需求目前还无法由当前的电池技术满足。如果使用氢燃料电池版本，在没有高压储存设施的偏远地，加氢也将面临重大挑战。实际上，某些应用将难以通过电动化实现脱碳，因此必须寻找新的解决方案。

氢内燃机是一种看似巧妙的替代方案——利用现有的内燃机技术，但不会产生二氧化碳。虽然会产生氮氧化物，但如果可以最小化排放量或者将排放局限于某些偏远地区，监管机构可能会允许一些回旋余地。但实际上，为氢内燃机车辆的加氢仍然存在挑战——偏远地区的农场或林场储氢是非常大的挑战。现实情况是，氢内燃机可能仅适用于靠近现有氢基础设施的区域——港口、高速公路等。

正反两面

很明确的一点是，内燃机行业本身正走向衰落。在乘用车、卡车、客车甚至非公路车辆中，制造商都意识到他们需要尽快完成脱碳。但这也意味着对新的动力总成技术、车辆和工艺进行巨额投资。实力雄厚的制造商可以完成这样的前期研发投资，但规模较小或者较为保守的内燃机制造商更愿意基于现有产品达成最优解。

氢内燃机利用了传统内燃机的技术积累和供应链体系，基本可以无缝对接现有制造商的维护和服务体系，同时可以减少碳排放，促进投资就业。这都使得这项技术有很强的吸引力。

但这项技术也伴随着诸多质疑：

• 政府是否会严厉打击氮氧化物排放？
• 把用于开发这项技术的时间和金钱专注于其他长期解决方案是否是更好的选择？
• 它只是将污染问题从“本地”转移到“其他地方”吗？

氢经济 

氢内燃机发展的另一个驱动力是它会推动对氢气的更多需求，降低生产成本。如果有更多需要氢气的车辆在运行，氢气生产商将更有动力扩大生产从而降低成本，燃料价格也会随之下降。可以在更广泛的层面上支持氢燃料电池和氢经济。

例如，JCB 和 Liebherr 的投入，从英国和德国的氢经济背景来看，可能很有意义。这是一个很清晰的逻辑链： 增加使用氢气的设备，无论是氢内燃机或是氢燃料电池，都会加速氢经济的发展。

应用场景决定技术路线 

氢内燃机是重型机械脱碳问题的有效解决方案？还是只是为了附和 COP26 的毫无意义技术尝试？这取决于企业想要达到的目标：

• 如果您正在尝试对能耗极高的应用脱碳，那么成本方面的考虑将使氢内燃机成为一个非常实用的解决方案，而不应该试图去说服客户购买电池电动或氢燃料电池车型。
• 如果您的公司已经对内燃机解决方案进行了大量投资并且研发预算有限——或者非常依赖于基于内燃机的供应链——那么开发氢内燃机作为脱碳途径是有意义的。
• 如果您的公司所在的区域，采用氢机械有助于降低氢气的成本，那么氢内燃机的推进也是有意义的。

所以，对于 JCB 和我们之前提到的几家公司来说，在氢内燃机上的投入是合理的；但这并不意味着对于每一家公司都是一个正确的决定。这里有几个风险：

• 首先，氢气的成本目前远高于柴油或电力。这在围绕产品发布的“通稿”中没有提到。但这将是最终用户是否愿意买单的关键——如果立法者没有明确推动使用该解决方案来实现脱碳，那么最终用户就不会愿意为此支付更多费用。
• 其次，如果监管机构决定严厉惩罚或禁止氮氧化物排放，那么这项技术就不是一个切实可行的解决方案——COP26——这个最近的公告让几个主要国家走上了这样做的道路。
• 第三，这可能是最适合建筑或农业中非常密集的应用。然而，其中许多站点距离城市的中心位置很远——尤其是交通走廊——这使得加氢基础设施的建设变得复杂且昂贵。

Interact Analysis的研究表明，虽然该技术显然具有减少碳排放的潜力，但由于机器和燃料价格的挑战，适用的应用场景相当有限，氢内燃机在重型应用中的使用将受到限制，大部分应用中锂离子电池和燃料电池解决方案依旧是最优解。

继续探讨商用车清洁能源政策和解决方案，欢迎联系Alastair today: Alastair.Hayfield@InteractAnalysis.com