【润英联微课堂】对氢能源寄予厚望

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　　减少运输领域的温室气体排放对于满足全球范围内正在实施的更严格的控制措施而言至关重要。虽然在轻型车辆中，动力系统电气化有望成为减少尾气碳排放的主要途径，但在重型车领域，润英联技术专家Tom Featherstone 提出，在充电时间和负载为两个关键因素的考量下，以氢能为动力的内燃机如何被证明是重型车辆的理想选择。

　　为了实现全球温室气体（GHG）减排承诺，运输领域正在引入各种减排战略。在所有汽车细分市场中，我们已经看到领先的OEM车企纷纷宣布近零碳排放公告，以及在实现这一目标道路上的许多过渡时期目标。在乘用车和摩托车等轻型车辆市场中，动力总成电气化是关键战略，因此越来越多的混合动力和纯电动车型已经上市。但是，重型长里程车辆的要求则大不相同。在这一市场，电池电气化具有挑战性，因为电池质量和体积都非常大，导致有效载荷容量降低，车辆购买成本增加，并且由于充电时间长，运营效率下降。OEM车企正在考虑包括使用替代燃料在内的一系列选择。

　　"虽然生物燃料是朝着正确方向迈出的一步，但市场必须找到合适的零碳燃料来源，以实现其长期目标。"迄今为止，氢主要用于燃料电池。但现在，其作为一种绿色能源载体正被广泛采用，可用于平衡电网的能源需求，并可迅速应用在经过耐用性验证的内燃机中，为OEM车企能够实现未来的碳减排目标。在重负荷卡车领域，氢能内燃机（H2ICE）与通过燃料电池实现动力总成电气化相比，具有许多优势：

　　需要基础设施投资

　　阻碍氢能被广泛采用的主要因素是缺乏足够的氢能基础设施。到2020 年底，国际能源署报告称，全球有 540 个加氢站 （HRS），但并非所有加氢站都向公众开放，其中一半加氢站在亚洲，35%在欧洲，其余大部分在美国。

　　然而，国际能源署表示，需要做出更多的努力来扩大氢能的生产规模，降低成本，并通过将传统技术与CCUS（碳捕获使用和储存）相结合，以及通过水电解产生氢能，用低碳氢能来取代煤炭和石油产生的高碳氢能。

　　已经在开展活动来纠正生产和基础设施的不足，投资也很强劲。例如，美国已经开放了70亿美元的资金，用于在全国范围内建立清洁氢能中心。这些被视为推动拜登政府到 2050 年实现近零碳排放目标的核心动力。目前，107个加氢站中，大部分在加利福尼亚州，美国政府的目标是到 2025 年在该州建立 200 个加氢站，预计到 2030 年将建立 1,000 个加氢站。计划在东北部各州推出14个加氢站，随着市场的扩大，加氢站将与车辆的推广相匹配，促进二者共同发展。

　　欧洲已承诺提供52亿欧元的公共资金，预计将额外释放70亿欧元的私募基金，以支持氢能价值链的研究和创新、首次工业部署和相关基础设施的建设。根据欧盟氢能路线图雄心勃勃的情景预计，到 2040 年，欧洲将有 15,000 个加氢站。

　　在中国，政府已发布了2021-2035年氢能长期规划，将采用分阶段的方法来发展国内氢能产业和制造能力。来自中国新能源汽车产业发展规划 的预计，加氢站的容量将从2020年的85个增长到2035年的2,000个。

　　"将全球各地的承诺加在一起，到2040年，全球将有23,000个加氢站投入使用，以支持道路上预计越来越多的氢燃料电池和氢气发动机车辆。"

　　氢内燃机和润滑挑战

　　氢气内燃机技术适用于许多运输领域，包括汽车、卡车、摩托车、船舶和铁路，许多OEM制造商处于研究、概念验证和产品商业化的不同阶段。在重负荷卡车领域，包括达夫、康明斯、斯堪尼亚与Westport、MAN以及中国的潍柴、玉柴和一汽在内的几家OEM制造商都已宣布投资氢气内燃机。这意味着，随着技术被逐步商业化，我们可以期待在未来几年内看到这些车辆出现在我们的道路上。

　　尽管氢气内燃机采用基于众所周知的内燃机驱动，但预计会出现许多润滑方面的挑战。

　　早燃

　　由于氢气的点火能量非常低（氢气0.017 mJ对比汽油0.24 mJ），因此可以通过燃烧区的热点点燃。例如，这些热点可能包括发动机部件上的热表面、润滑油衍生的沉积物和从活塞环喷射的润滑油。

　　OEM制造商需要考虑多种设计策略，以最大限度地降低热点的早燃风险，包括燃料混合管理以及活塞和火花塞设计。同时，对于润滑油配方人员来说，了解润滑油构成如何影响低速早燃和燃烧区沉积物非常重要。我们认为，实现金属、粘度和沉积物控制的适当平衡对于确保将提前点火事件的可能性降至最低至关重要。

　　水分

　　氢燃烧产生的副产品是水。在发动机温度被抑制的工况循环中，水会在油中积聚，这可能会带来许多影响。

　　在开发阶段就识别可能面临水分累积风险的工况周期和应用是非常重要的。这将使已经为乘用车混动系统开发的水分处理的化学结构能够在氢气内燃机应用中进行测试。我们认为，配方设计人员必须专注于如何在水分含量高的情况下保持粘度控制，并评估如何有效使用抑蚀剂和乳化剂。

　　后处理

　　尽管与使用化石燃料的车辆相比，氢气内燃机需要的后处理要求降低，但仍需要NOx管理。此外，润滑油成为碳氢化合物 （HC） 和二氧化碳排放的唯一来源。

　　考虑到这一点，重要的是要监测立法，以了解润滑油排放的允许量，并评估降低的后处理要求如何能够改变润滑油配方的化学结构。寻找控制润滑油粘度和最大限度地减少与润滑油相关的碳氢化合物和二氧化碳排放的方法将成为人们关注的焦点。

　　燃油经济性

　　与传统化石燃料相比，氢气的能量密度降低，将增加燃料储存所需的车辆空间。尽管氢能有可能成为零碳燃料，但对于希望在不增加燃料储存的情况下延长车辆续航里程的OEM制造商来说，燃油经济性将变得很重要。

　　未来方向

　　氢能委员会是一项由CEO领导的全球组织，其长期目标是通过氢能促进清洁能源转型。其表明，重型卡车由于其高里程和功率特性，预计将长期成为最大的氢气消费者，到2050年需要110 MT的氢气才能减少13 GT的二氧化碳。

　　显然，随着技术进入市场，仍有许多工程、基础设施和润滑油配方挑战需要解决。然而，氢气内燃机有可能为高负载、高使用、长途应用提供低成本、零碳的解决方案，在这些应用中，纯电池的电动解决方案不能满足运营要求，燃料电池技术可能在经济上尚未可行。随着配备新型氢气内燃机发动机的车辆进入市场，可能会出现要求与其特定需求相匹配的润滑油的机会。