E-fuels 能拯救燃油车吗
撰文 / 钱亚光
编辑 / 张 南
设计 / 师 超
来源 / Automotive News, Carscoops, Seattle Times, Rolls-Royce, The Verge，PWC Japan Group
7月12日，智利HIF Global公司与日本石油公司出光兴产株式会社（Idemitsu Kosan）签署了一项战略合作协议，以加快e-fuel碳中和燃料的生产。
HIF Global在智利蓬塔阿雷纳斯的Haru Oni示范工厂，是世界上第一个批量生产e-fuel的工厂，由保时捷、西门子能源、AME 能源公司、智利国家石油公司（ENAP）和意大利国家电力公司（Enel）等公司携手开发。
“e-fuel”中“fuel”是英文"燃料"的意思，字母“e”代表了“可再生电力electro”，中文往往翻译为合成燃料或电子燃料，指任何能够将通过可再生资源生产的电能转换为气体或液体的能源介质或技术。
e-fuel的吸引力在于，在不改变发动机、燃油喷射器、其他部件或排放系统的情况下，它以使燃油汽车的运行几乎和电动汽车一样清洁。
尽管一些汽车公司尽最大努力增加电动汽车的续航里程，但由于温度和牵引载荷等条件限制，续航里程仍然不够长且相当不稳定。这些公司已经开始以更快的充电速度来解决这个问题，但即使是充电速度最快的车辆，从没电充到80%仍需20分钟以上。
而采用e-fuel的车辆补能时间只要大约2分钟。这并不是说电动汽车技术没有取得令人印象深刻的进展，但e-fuel的固有优势是难以超越的。
保时捷投资7500万美元参与的HIF Haru Oni e-fuel示范工厂已经开始运营▼
图片来源:保时捷
碳中和的燃料
欧洲的目标是到2050年实现气候中和，这就要求对技术进行重新思考，不仅要考虑电动汽车，还要考虑传统汽车的新燃料。
e-fuel可以通过从空气中抽出二氧化碳和从水分子中抽出氢气来制造。然后，二氧化碳和氢化合物可用于制造碳氢化合物，碳氢化合物是石油、天然气和煤炭的主要成分。
这种燃料合成的核心反应是Fischer-Tropsch反应。该反应是德国化学家Franz Fischer与 Hans Tropsch在1925年发现的。即在高温高压下，水蒸气或氢，与一氧化碳可以在金属催化剂的催化下生成烷烃类。
图片来源：普华永道日本集团（PwC Japan Group）
这种新燃料，需要用由风能或太阳能等可再生能源产生的电力，来电解水，产出氢气和氧气。通过使用更多的能源和添加碳（最好是从空气中捕获的二氧化碳），有可能生产出其他合成燃料，如e-氢、e-甲烷或e-柴油。这是电转化为燃料的过程。
由于不会产生额外的二氧化碳，燃烧方式实现了碳中和。这些新燃料的生产过程也被称为Power-to-X。
其他合成物是甲醇和氨，后者在合成过程中不需要二氧化碳。然而，内燃机必须经过改造才能使用e-fuel。
无论化石燃料内燃机多么清洁，它们总是会排放二氧化碳。由绿色电力和空气中的碳产生的e-fuel，正在开辟一条通往未来的新道路。
前面提到的Haru Oni示范工厂已于去年年底开启运营，预计今年年生产13万升的e-fuel燃料，计划到2026年生产5500万升燃料；2027年产量将扩大10倍。
对e-fuel的需求是巨大的，根据罗尔斯·罗伊斯公司的一项分析，到2050年，需要20000TWh的燃料能源，相当于20000亿升柴油。
会先用在大车和跑车上
北美本土汽车制造商正依靠超大型皮卡和SUV带来的巨额利润，为其他车型的电气化提供资金。但在这种大型车辆上采用电池动力系统是行不通的，因为它不能提供与内燃机传动系统相同的牵引能力和行驶里程。
图片来源:保时捷
在欧洲，保时捷和法拉利等跑车制造商正在考虑使用e-fuel，以保持它们几十年来完善的跑车特点和性能。主要原因是电动跑车的电池组太重，行驶里程短，充电时间长，削弱它们的吸引力。
从通用汽车的两款SUV——雪佛兰Suburban燃油车和GMC的悍马(Hummer) EV的对比，我们可以看出内燃机在大型车辆上优于电动系统的优势。
Suburban的涡轮柴油六缸发动机高速油耗为9.04升/百公里。它的106升油箱每次加满油的续航里程为1172公里，加满油通常需要5分钟或更短的时间。GMC悍马电动汽车一次充电可行驶505公里。用直流快充桩充满电大约需要一个小时。
虽然汽车制造商说e-fuel适用于今天的发动机，但燃料制造商必须设法以接近汽油的成本制造它。
根据国际清洁运输委员会(International Council on Clean Transportation)最近的一项研究，如果现在就要使用e-fuel，每升成本不能超过2.9美元。壳牌(Shell)、埃克森(Exxon)、沙特阿美(Aramco)和几家规模较小的炼油公司正在开发e-fuel。
最适用的是航空业
德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）微过程工程研究所所长Roland Dittmeyer认为，对于那些无法获得连接到可靠、清洁电网的充电基础设施的人来说，e-fuel可能是一个有用的替代品。
KIT正在将e-fuel作为国家倡议的一部分。其小型演示项目还得到了大众、奥迪、福特子公司壳牌和其他工业合作伙伴的支持，而其研究的重点是飞机。
Dittmeyer告诉The Verge：“乘用车可以带着电池行驶，但带着电池长途飞行的可能性很小。”因为电池对飞机来说仍然太重了，飞机很可能需要主要依靠替代燃料才能以污染较小的方式起飞。他认为，e-fuel的最佳用途是在航空。
7月11日，据Seattle Times报道，硅谷初创公司Twelve在美国Moses Lake附近开始建造一家生产低碳航空燃料的工厂。
美国华盛顿州州长Jay Inslee(左二)与Twelve联合创始人在Moses Lake的奠基仪式上发表讲话，从左起是CSO（首席科学官）Etosha Cave，CEO Nicholas Flanders和CTO Kendra Kuhl▼
图片来源：Twelve
Twelve开发了一种使用可再生电力、水和废弃生物质二氧化碳制造航空燃料的工艺。这种工艺用电将水和二氧化碳分开，以产生氢气和一氧化碳，然后将其组合起来，制造能加工成航空燃料的碳氢化合物。而这种新型的航空燃料被称为SAF（可持续航空燃料），是航空业推动脱碳的关键焦点。
SAF是通过更可持续的方式由可替代、可再生能源合成而来，也可以算是一种e-fuel。SAF的原材料包括植物油、藻类、油脂、动物脂肪、废水、酒精、糖衍生物和二氧化碳，但最终将转化成相同的烃类混合物。
SAF燃烧时产生的碳排放量与传统航空燃料相同，其优势在于生产过程中可以吸收二氧化碳，因而能将整个生命周期的碳排放量减少70%至100%。
目前，SAF在供应和需求方面都面临挑战。阿拉斯加航空公司负责战略采购和供应链管理的副总裁Ann Ardizzone表示，“Twelve将推广的技术可能是最重要的杠杆之一”，以使阿拉斯加航空实现其到2030年其喷气式飞机10%的燃料成为SAF的最初目标。
航空业每年使用约757亿升的航空燃料，去年只生产了约3785万升的SAF，约占总量的0.05%。预计到2025年，SAF可能取代约2%的传统航空燃料。
全球各地的态度
欧洲
欧盟欧盟拨款778万欧元，成立了创新基金，针对二氧化碳和水，高温共电解制备绿色合成气这样一个工艺，来降低电解槽的成本，并且提高电解槽的耐用性。
图片来源:保时捷
今年 2 月份，欧盟通过了《2035 年欧洲禁售燃油轿车和小货车零排放协议》。按照协议，到 2030 年，所有新上市的乘用车和轻型商用车碳排放水平须比 2021 年分别减少 55% 和 50%，到 2035 年均减至零。该协议遭到了汽车工业大国的强烈反对，欧盟最终“做出妥协”，修改了协议的内容，允许欧盟国家在2035年后销售添加e-fuel合成燃料的新车。
在欧洲，保时捷、Stellantis、法拉利、宝马和其他汽车制造商都在认真研究e-fuel，以取代汽油和柴油。
Stellantis全球推进系统主管Micky Bly在今年4月的SAE国际会议上表示:“我们将为发动机提供e-fuel燃料，而不是为e-fuel提供发动机，这意味着我们不会改变硬件来适应它们。”
北美
美国《国家清洁氢能战略和路线图》以及《氢能攻关计划》（2021 年6月）的目标是到2030年将清洁氢能的成本降低80%，至1美元/kgH2。加拿大的氢能战略（2020年12月）目标是到2050年实现清洁供应的全球领导地位，且氢在终端能源中的占比达到30%。
在2022年的财务预算中，美国能源局拨款5.3亿美元用于二氧化碳的捕集、存储和利用等方面的研究，并且其中有1亿美元在加州建设了人工光合作用的研究中心，集中攻坚光电催化和二氧化碳固定等方面的基础。
美国有80亿美元的氢能中心计划，10亿美元的研发和5亿美元的氢供应链计划。加拿大拥有15亿加元的联邦低碳和零排放燃料基金，其中包括用于氢的资金，以及27.5 亿加元的车辆和加油站领域的零排放转型基金。
日本
2022年日本宣布成立了清洁基金，在未来的10年将投资1万亿日元用于氢能和碳循环方面的研究。最新的一个报道，日本的新能源产业综合开发机构也拨款1145亿日元，启动以二氧化碳为原料的燃料制造技术开发的项目研究。
2023年日本政府修改了“氢基本战略”，关于氢的供应链建设和强化、以氢为原料生成的e-fuel的研究开发推进、供给强化、需求创造等相关讨论。
在2023年内阁府的“经济财政运营和改革的基本方针”中，明确的目标是在2030年代前半期之前将包括e-fuel在内的合成燃料商业化。
中国
2021年8月，中国内燃机工业协会发布了 《内燃机产业高质量发展规划 （2021~2035）》，提出力争2028年前内燃机产业实现 "碳达峰"，2030年实现 "近零污染排放"，2050年实现"碳中和"。其中提出加快代用燃料的研究和推广，加速氢气等碳中和燃料产品的研制，深化低碳燃料、生物质燃料等高效清洁燃烧技术研究，从排放源头降低碳含量。
7月1日，广汽研究院推出全球首款乘用车氨发动机，主要以液态氨为燃料，在精确控制氨燃料供给相变过程，平稳发动机运作的同时，利用超高能点火技术实现缸内氨燃料可靠点火。
7月11日，吉利控股及雷诺订立出资协议及合资企业协议，成立合资公司以从事动力总成业务，其中就包括合成燃料e-fuel解决方案和下一代氢动力关键技术的研发。
“在e-fuel的技术储备上，我们国家也有技术，但商业化程度低，国内企业从事这一领域的不多。中国燃料行业和汽车行业是两个完全不同的行业。中国面临碳的问题，更多是在发电上。”上海交通大学汽车工程研究院院长许敏告诉汽车商业评论。
e-fuel面临的挑战
尽管e-fuel易于使用，但制造并不简单。由于它们的目标是碳中和，因此生产过程需要从大气中去除的二氧化碳量应该与燃料排放的二氧化碳量相当。
挑战一，价格昂贵。
为了制造e-fuel，要用可再生的电将水分解成氢和氧，从空气中捕获二氧化碳。然后，氢气与二氧化碳结合，生成碳氢化合物。e-fuel可以非常低碳，但它们不可能同时是低成本的。
它所依赖的碳捕获设施和电解水制氢技术，仍然非常昂贵。保时捷称，1升 eFuels 合成燃料的氢是从 3 升淡化的海水中提取的，而二氧化碳是从 6000 立方米的空气中提取的。
一些分析师认为，电解槽价格将在未来几十年跌至谷底，即使到2030年，大量可再生e-fuel的价格也不会低于每升3-4欧元。
据ICCT（非营利性研究组织国际清洁运输理事会）燃料计划主任Stephanie Searle称，现在以商业规模生产e-fuel，可能要花费大约7美元/升。他指出，从长远来看，使用e-fuel来减少汽车的温室气体排放，其成本是不符合欧洲乘用车燃油经济性标准的罚款的3倍。
根据保时捷的资料显示，e-fuel现在的生产成本基本稳定在10美元/升。即使十年之后，e-fuel的生产成本降到2美元/升，但再加上物流、利润和税收，2033年e-fuel的零售价格至少也应该是普通汽油价格的两倍以上。
挑战二，e-fuel的生产过程效率比较低。eFuel的制造、使用过程中，要经过多次能量转换，从太阳能 -> 光电 -> 电解水制氢 -> Fischer-Tropsch反应合成eFuel -> 精炼柴油 -> 内燃机燃烧 -> 汽车动能。
在此过程中，可再生电能中有48%的能量会损失掉。根据各种研究，当这些燃料在内燃机中燃烧时，70%的能量会损失，而e-fuel的总效率仅为16%。
相比之下，电动汽车使用的大部分能量实际上都用于为车轮提供动力，充电只损失10%，电机损失20%，总效率为72%。
e-fuel实际上是一种平衡行为，但保时捷等一些汽车制造商认为，为了保持内燃机的活力，投资是值得的。
挑战三，商业化还要解决原料、标准、运输、车辆改造等一系列问题。普华永道日本网站指出，e-fuel要实现商品化，还要解决以下课题：
图片来源：普华永道日本集团（PwC Japan Group）
首先，是原料采购。现在的e-fuel的生成成本估计为700日元/升左右，其中约90%是氢的采购成本。如果利用可再生能源制氢，就需要进一步降低设备成本。
其次，是确保供给量和提高生产力。为了大规模生产e-fuel，就要保证的氢和二氧化碳原料供应充足稳定，不浪费、有效率地生产非常重要。
第三，是建立质量标准，目前市场流通的e-fuel质量标准还没有定义，只能采用汽车等燃料的规定。
第四，物流和储存。运输和储存e-fuel时，预计会利用现有加油站等基础设施，但需要制定与传统汽车用燃料隔离的相关规则。
第五，是促进销售和使用的措施。如果传统燃料同时销售，纯电汽车价格降低，可能会限制e-fuel的普及。需要政府提供相关补助金和税制优惠等措施，促进e-fuel的销售和使用。
第六，车辆自身的改造。由于e-fuel的燃料性状（热容量、辛烷值等）与现有燃料不同，所以使用e-fuel时需要对驾驶性能、环境性能的影响程度和适用性进行验证。
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