汽车、火车、船舶和飞机绿色化进程

当世界竞相实现从电网到工业的去碳化时，运输领域面临着特别的问题——仅运输就占了我们星球能源相关温室气体排放量的四分之一左右。运输燃料不仅需要绿色、廉价和强大，还需要轻便和安全，便于携带。

以汽油和柴油为主的化石燃料，在为各种移动机器提供动力方面一直非常有效。自工业革命以来，人类已经完善了挖掘、提炼、分配和在发动机中燃烧这些燃料的艺术，创造了一个庞大且难以撼动的行业。现在我们必须远离化石燃料，而世界上没有一种一刀切的替代品。

每种运输方式都有其独特之处——这也是为什么我们今天有不同配方的碳氢化合物，从汽油到柴油，从船舶燃料到航空燃料。汽车需要方便、轻便的能源；集装箱船需要足够的动力以持续数月；飞机绝对需要可靠并能在零下温度下工作。随着化石燃料的逐步淘汰，运输燃料的格局正在“变得更加多样化”，加州大学伯克利分校交通可持续发展研究中心的联合主任蒂莫西·利普曼（Timothy Lipman）说。

每种能源解决方案都有其优缺点：电池效率高，但重量问题突出；氢气——宇宙中最轻的元素——能量巨大，但以“绿色”方式生产成本高昂，而且作为气体，占据很大的空间；携带氢气的液体燃料更容易运输或投入现有发动机，但其中的氨有毒；生物燃料供应不足，合成碳氢化合物难以生产。

这场能源转型的规模是巨大的，世界为了生产足够的电力和替代燃料所需的可再生能源量则是天文数字，科罗拉多州国家可再生能源实验室燃料电池和氢气技术项目经理基思·威普克（Keith Wipke）说。从电网到建筑和工业，一切都渴望获得可再生能源——据估算，到2050年，全球电力需求可能会超过目前的两倍。幸运的是，分析表明可再生能源能够胜任这项任务。“我们需要全速踩下可再生能源的加速踏板，它们将得到充分利用，”威普克说。

为了保持全球变暖不超过1.5°C并限制气候变化的最严重影响，气候变化政府间专门委员会建议世界在2050年前实现净零排放——即我们排放到空气中的任何温室气体都需要通过其他方式（如森林或碳捕集）来去除。一个包括国际能源署（IEA）在内的政府间组织，已经制定了使世界达到净零排放的路径。

IEA的路径描述了整个世界范围内的大规模、难以实施的转变，包括所有类型的运输。他们的目标是用更可持续的东西取代化石燃料，例如绿色氢气或生物燃料（这些燃料要么不产生温室气体，要么回收空气中已经存在的温室气体）。

尽管某些运输部门仍在变化，但我们现在可以很好地了解未来可能为船舶、飞机、火车和汽车提供动力的情况。这是对未来的一瞥。

汽车

道路客运车辆（包括出租车、公交车和摩托车）构成了全球运输排放的最大份额——约占45%。

如今，轻型交通的明显赢家是电池电动车。（当然，要减少排放，您需要一个绿色、可再生的电网来提供电力；这种转变正在独立于交通发生。）超过十几个国家已宣布所有新车必须在2035年或更早之前成为电动车。我们正朝着这个方向前进：2023年约有1400万辆电动车被售出，占新车销量的约18%。这条路并不平坦。“你从失败中学到的东西比从成功中学到的更多，”威普克说，“一路上有很多经验教训。”

令人惊讶的是，电动车可以追溯到19世纪，当时它们很受欢迎，因为它们比汽油车更简单、更安静、气味更小。是亨利·福特的T型车在20世纪初的发明让汽油车成为赢家，这些车的价格不到当时电动跑车的一半，且行驶里程更远。这使它们大受欢迎，以至于如今道路上有超过10亿辆汽油车。

在21世纪初，看起来氢燃料电池将是汽车脱碳的解决方案。这些化学电池充满了氢气，然后像电池一样运行——将氢与空气中的氧气结合生成电力和水。更换燃料电池将为驾驶员提供他们习惯的模式：可以在几分钟的加油时间内行驶数百英里。“想法是，不要让人们牺牲或改变他们的行为。让我们给他们一些像汽油一样的东西，只是换一种燃料，”威普克说。

但问题主要在于建立氢气加注站网络的后勤挑战，以及以绿色方式生产大量氢气的经济性。“最大的问题不是车辆——车辆很棒。是基础设施，”利普曼说。

面对这些问题，电池车超过了燃料电池，成为市场主导，即使早期版本的电池车很难实现100英里的续航里程，并且完全充电需要数小时，有时甚至需要十几个小时。事实上，你可以将它们插入现有的电力基础设施是一个巨大的优势。而且电池的整体效率很高——你不会在从制造燃料然后为汽车提供动力的多个步骤中损失能量。此外，研发人员也承诺提供越来越好和更便宜的电池。

挑战在于实现高能量密度（较轻的电池意味着较轻的汽车，每英里使用的能量更少，因此可以在单次充电中行驶更远），同时保持电池便宜、安全、快速充电、能够提供加速爆发力，并在广泛的温度范围内运行。如今大多数电动车都是由锂离子电池提供动力，这些电池已经取得了长足进步并且仍在改进。自1991年首次商业化以来，它们的平均能量密度按重量计算已经翻了一番多，价格也下降了一个数量级。但它们的改进是有限的，随着电池需求的飙升，锂金属的价格容易出现波动。因此，研究人员和公司正在追求两种戏剧性的变化电池技术。

截至2023年，一些中国公司已经开始商业生产钠离子电池。钠是丰富的——它是地球上第六大常见元素——因此它比锂便宜得多，使其成为降低电动车成本很好的选。但值得权衡的是，钠比锂重——每个原子的重量是锂的3.3倍——这限制了在给定电池重量中装入足够的能量。换句话说，这些电池很重。预计使用钠电池的中国汽车价格约为1万美元，但续航里程仅为150英里左右。相比之下，例如特斯拉Model 3（配备现代锂离子电池），售价是其四倍多，但续航里程却是其两倍多。

汽车公司还开始承诺在未来五年内推出固态电池。固态电池的名字来源于它们将通常在锂离子电池中的液体替换为一层薄薄的固体陶瓷或聚合物。这种看似微小的变化提供了安全优势，并为电池电极端提供了更好的选择。因此，固态电池承诺提供更高的能量密度，尽管它们还尚未进入车辆市场。2027~2028年，丰田计划推出一款续航里程超过600英里的固态电池汽车。

总体而言，专家们预计到2050年，道路上将布满电动车，但这些车将配备各种不同类型的电池，以适应不同用户的优先需求：价格或性能。我们将需要大量电池。在IEA到2050年实现净零排放的路径中，到2030年60%的新车销量将是电动车，这需要每年启动近20个新的大规模电池工厂。这是一个史诗般的任务——但可以实现。

卡车

公路货运车辆，包括庞大的半挂车，占运输排放量的近30%。对于这些重型公路车辆，尤其是长途车辆，目前一种首选的解决方案是燃料电池，这也是最初为汽车去碳化设定的计划。

假设你有一辆拉着8万磅货物的18轮卡车，需要行驶500到600英里。“要在卡车上储存这么多电量，可能需要多达1万磅的电池，”威普克说，“而储存氢气可能只需要1,000到2,000磅，包括燃料电池。”而且氢气罐可以在几分钟内加满。这可以使卡车公司的物流变得更简单，因为重量更轻意味着需要的能量更少。

像电池一样，燃料电池自其发明以来也有了改进。“在过去的20年里，氢气在技术上取得了很多进展，”威普克说。例如，氢气在汽车中可以储存的压力增加了一倍，因此可以在给定空间内装更多的燃料。设计师们还克服了燃料电池内部水冻结并使其破裂的问题。

尽管1937年兴登堡飞艇灾难的大火使氢燃料声名狼藉，但专家指出，所有燃料都是易燃的。研究人员通常表示，一辆建造良好的氢气车通常不会比一辆汽油车更危险。例如，氢气非常轻，如果发生碰撞或泄漏，它往往会迅速漂走。加氢站还有故障安全技术，以防止有人随意喷洒氢气，而加油站没有这样的技术。但加氢站的可靠性难以保证。“你有压缩机，有流量阀。因此，可能会有更多的东西坏掉，”威普克说。

随着燃料电池使用量的增加，这些问题应该会得到解决。今年5月，总部位于亚特兰大的非营利组织交通环境中心（CTE）在加州伯克利附近开设了世界上最大的加氢站，旨在为30辆卡车提供动力，这些卡车将从奥克兰港运送货柜和汽车到下一个目的地。利普曼参与其中，他的团队负责计算加氢站的可靠性和使用情况，并监督卡车本身。如果一切顺利，他说，这将会扩展。“我们希望在10年内拥有数千辆卡车。”

加州并不是唯一追求氢气的地方。截至2023年，美国能源部已投资80亿美元用于区域清洁氢中心计划，建立了不少于10个可以生产和分配氢燃料的中心。全球范围内，道路运输中氢气的使用量在2022年比2021年增加了约45%（尽管全球范围内仍然只有数万辆卡车和公共汽车）。

然而，一个大挑战是以绿色方式生产所有需要的氢气。虽然氢气丰富（它是宇宙中最丰富的元素），并且存在一些自然地质储量可以开采，但要获得纯净、浓缩的供应需要能量。获得氢气的最便宜方法是通过蒸汽重整化石燃料，但这会产生二氧化碳。最清洁的方法是使用可再生电力将水分解为氢气和氧气，但生产这种“绿色氢气”要昂贵得多。

截至2022年，氢气需求量达到了近1亿吨，但其中不到1%是以低排放方式生产的。根据IEA的净零排放路径，到2030年，全球将需要两倍于此的氢气作为燃料，包括1100万吨的纯氢气用于运输。IEA的记录显示，绿色氢气得到了广泛政治支持，低排放氢气生产项目也急剧增加，这都是好消息。但机构指出，实际的、现实世界中的部署“并未起飞”，需要更多的政策支持才能使其加速。

火车

根据IEA的说法，铁路已经是电气化最普及的运输子部门，仅占运输排放量的1%。因此，这是最小、最容易解决的问题之一。

火车，像卡车一样，是需要大量动力的重型车辆。但许多火车已经在使用电线或电轨运行。其他火车使用燃料，通常是柴油，但将其转化为电力以驱动电动机（电动机比燃料发动机具有更好的扭矩）。这是一种相对简单的步骤，可以用其他燃料，如氢气或电池，来替代柴油，为现有的电动机提供动力。“火车很容易电气化，”华盛顿特区非营利组织洛基山研究所（RMI）的化学工程师哈特杰·辛格（Hartej Singh）说，他分析去碳化问题。

IEA认为，扩展电气化铁路是一个好主意——尤其是如果它能够取代飞机的话。今天，乘客每乘坐一英里的火车旅行，平均排放量是飞机旅行同样距离的五分之一。但是，IEA指出，铺设新的电气化铁路是一项昂贵的工程。

船舶

航运，占运输排放量的约10%，特别需要在补充燃料前行驶超长距离和时间——跨越大洋需要几周、数千英里的旅程。

目前，航运主要使用燃油——一种高硫化石燃料，通常被描述为油桶底部的残渣。但由于国际海事组织在2023年通过了减碳目标，到2050年左右实现净零排放，这一情况正在迅速改变。“这基本上意味着整个全球船队需要退出化石燃料，”伦敦大学学院研究航运的工程师特里斯坦·史密斯（Tristan Smith）说。目前，全球船队中只有1.2%的船舶使用低排放燃料，但21%的新船订单是按照使用这些替代燃料而设计的。史密斯看到了航运需要走的明确路径。

目前，一种流行的低排放替代品是生物甲醇（由植物制成）。但史密斯说，这是一个短期的干扰：没有足够的土地来种植足够的生物燃料库存，用来满足全球船队的需求。从长远来看，他押注氨（NH3）作为最佳解决方案。

这是一种富含氢的液态燃料，提供了大量能量。此外，我们已经知道如何制造和运输它；全球每年生产约1.5亿吨，主要用于肥料。史密斯指出，氨实际上比纯氢便宜（尽管它含有氢），因为纯氢需要额外的能量和成本来加压和冷藏储存。相比之下，氨相对容易保持液态。虽然氨比化石燃料需要更多的储存空间，但对于船舶来说，这比对汽车来说并没那么重要。

不过，需要重新设计发动机来使用氨。氨难以点燃，发动机需要催化剂来去除其他污染物，如温室气体氧化亚氮。所有这些问题都在解决中：由澳大利亚矿业和绿色能源公司福特斯库运营的绿色先锋号是第一艘试验氨燃烧发动机（混合一些柴油）的船舶，并试验加油策略和安全协议。史密斯说，氨的主要问题是它有毒，而氨气泄漏令人讨厌。总的来说，史密斯看到了氨的明确前景。“我们可以看到，从明年中期开始，氨发动机船舶的订单会爆炸式增长，”他说。

氨将进一步增加对绿色氢气的需求。到2030年，IEA要求氨基运输燃料额外需要800万吨氢气，此外还需要1100万吨纯氢气用于运输用途。史密斯说，已经有数十亿美元的投资用于绿色氨。“我们需要大量的资金。”

还有减少船舶排放的其他方法，包括减少货物运输、改善物流以减少船舶的行驶距离、设计更流线型的船体，甚至安装现代风帆。这包括奇怪的旋转杆，称为弗莱特纳转子，可以类似于旋转的棒球在空气中侧向移动的方式帮助推进船舶。所有这些都可以帮助减少航运的碳负担。

飞机

或许最难去碳化的部门是占运输排放量约12%的航空业：飞机必须对抗重力，因此燃料不能太重；燃料不能占用太多空间，需要在高空的低温下工作；最重要的是，它必须可靠。“如果卡车或汽车失去动力并滑行到路边是一回事。如果你在空中失去动力，那就完全不同了，”威普克说。

2022年，联合国国际民航组织承诺，到2050年，航空业将实现碳中和，因此正在努力将当前的煤油替换为更清洁的燃料——可持续航空燃料。大多数这些燃料仍然从排气管中喷出二氧化碳，但由于许多是由植物等从空气中去除二氧化碳的物质制成的，即便不是几乎完全无碳，净效果也可以将排放量减少至少一半。截至2022年，航空业使用的“可持续燃料”约为3亿到4.5亿升，但这不到总市场的0.15%。

目前，最具成本效益的可持续燃料选择是由脂肪、油和油脂（如使用过的食用油）化学转化为煤油的生物燃料。这是一种成熟的、已经商业化的技术，RMI专注研究航空燃料的辛格说。但从长远来看，这种原料根本没有足够的来源。“到2050年，我们可能只能覆盖约6%的需求，”他表示。

下一个选择是由林业残留物（如倒下的树枝和木头，甚至是坚果壳）制成的生物燃料。这种原料来源可以提供与废油一样多的燃料，但化学转化更复杂；辛格知道的唯一一家尝试使其商业化的公司最近关闭了其最大的工厂。

一种长期的可持续喷气燃料选择是从回收空气中制造碳氢化合物。这些合成燃料（有时称为液体燃料或电子燃料）从空气中提取二氧化碳，并将这种碳与低排放氢气（是的，又是低排放氢气）结合起来。直接空气捕集工厂是使用液体或固体像海绵一样从空气中吸收二氧化碳的工业设施。这些工厂现在正在大规模商业化运营：地球上第一个百万吨级工厂——每年从空气中吸收约50万吨二氧化碳——预计将在2025年在德克萨斯州开放。

使用纯氢也是一种可能的长期选择，可以通过燃烧它（就像NASA发射火箭一样）或使用它来运行燃料电池。但为了适应飞机，这需要特殊的罐子来在高压和低温下储存氢气。“你需要重新配置我们对飞机设计的整个思维方式，”辛格说。一些公司非常认真地对待氢气飞行的可能性，包括H2FLY，这是Joby Aviation的子公司，后者致力于开发电动垂直起降飞行器（eVTOL）。H2FLY在2023年9月进行了小型示范氢气飞机的试飞。空中客车公司及其合作伙伴现在正在法国图卢兹建设一个液氢机场加油设施。

“我认为我们低估了工程师的技能，”史密斯说，他认为氨动力船舶发动机和氢燃料电池飞机的困难是可以克服的障碍。“你只需让一些优秀的工程师参与一个项目，他们会系统地解决所有问题。”

电池也是一种可能性，尤其是对于较短、较小的飞行，例如由电动垂直起降飞行器进行的飞行，这些飞行器本质上是飞行出租车。目前正在进行大量的长远研究，研究那些难以实现但潜力巨大的电池。例如，锂空气电池会在行驶过程中从空气中吸取氧气作为一个关键电极成分，使它们非常轻便，非常适合航空。

“我们需要将其视为拼图，”辛格说，不同的部分填补了问题的不同空白。电池可能最终为短途飞行提供动力，燃料电池可以解决区域交通问题，而可持续燃料则可以用于那些难以电气化的长途飞行。

事实上，整个运输部门都是一个拼图，需要许多部分来完成一个尚不完全清晰的图景。“我无法比任何人更好地看到未来，否则我现在可能已经退休了，”威普克说。“但我确实非常享受观察事物的发展。发展的速度是惊人的。”