編者按
黨的二十屆三中全會(huì)提出，當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期是以中國(guó)式現(xiàn)代化全面推進(jìn)強(qiáng)國(guó)建設(shè)、民族復(fù)興偉業(yè)的關(guān)鍵時(shí)期。中國(guó)科協(xié)科普部特邀院士專(zhuān)家，暢談科技強(qiáng)國(guó)。本期“科普話(huà)強(qiáng)國(guó)”欄目，帶領(lǐng)讀者走近清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院教授帥石金團(tuán)隊(duì)，探尋內(nèi)燃機(jī)零碳排放技術(shù)如何推動(dòng)交通動(dòng)力的低碳轉(zhuǎn)型。
中國(guó)2020年鄭重承諾“雙碳”目標(biāo)，即力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。2019年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出，推廣新能源、清潔能源、智能化、數(shù)字化、輕量化、環(huán)保型交通裝備及成套技術(shù)裝備。
近年來(lái)，隨著能源開(kāi)采、轉(zhuǎn)化技術(shù)和節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展，全球能源供需矛盾緩解，使得能源綠色低碳戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型成為可能。清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院教授帥石金認(rèn)為，當(dāng)前車(chē)用能源與動(dòng)力呈多元化、低碳化和零碳化發(fā)展趨勢(shì)，可以滿(mǎn)足未來(lái)嚴(yán)格的汽車(chē)節(jié)能和排放法規(guī)要求。
如今，市場(chǎng)上主流的汽車(chē)動(dòng)力可以分為純內(nèi)燃動(dòng)力、純電動(dòng)力、燃料電池動(dòng)力和混合動(dòng)力。帥石金指出，純電動(dòng)力雖然在使用端是零碳排放，但還要看能源供給側(cè)，即觀(guān)察全生命周期的碳排放，比如需要將制造開(kāi)采過(guò)程中的碳排放都考慮進(jìn)去，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效應(yīng)等。
“目前純電動(dòng)乘用車(chē)在中國(guó)發(fā)展比較好，介于純內(nèi)燃車(chē)和純電動(dòng)車(chē)之間的就是混合動(dòng)力車(chē)。”帥石金向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，混合動(dòng)力有兩種，即油電和插電。
其中，油電混合動(dòng)力車(chē)（HEV）在國(guó)外發(fā)展很好。業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)，中國(guó)乘用車(chē)不能放棄油電，因?yàn)槠涔?jié)能效果明顯，對(duì)生活在沒(méi)有充電基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)或寒冷地區(qū)的人來(lái)說(shuō)，油電車(chē)是一種非常好的選擇。插電式混合動(dòng)力車(chē)（PHEV）可油可電、以電為主，既可以純電驅(qū)動(dòng)，又可以?xún)?nèi)燃機(jī)直驅(qū)，還可以電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，適用于所有工況。而插電增程混合動(dòng)力車(chē)（REEV）是純電驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力響應(yīng)好，內(nèi)燃機(jī)在虧電時(shí)給電機(jī)發(fā)電，無(wú)里程焦慮，適合在城市工況運(yùn)行。
2019年到2024年，各種插電混合動(dòng)力汽車(chē)在中國(guó)的市場(chǎng)份額不斷上升。數(shù)據(jù)顯示，2022年至2024年，我國(guó)REEV銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)，每年占比分別為3.6%、6.8%、9.1%。
此外，不難發(fā)現(xiàn)，PHEV具有節(jié)能減排和使用便捷等綜合優(yōu)勢(shì)，是滿(mǎn)足未來(lái)乘用車(chē)嚴(yán)格法規(guī)要求的主流技術(shù)路線(xiàn)之一，也是交通碳達(dá)峰和低碳化的有效技術(shù)路線(xiàn)。“其中量產(chǎn)混動(dòng)專(zhuān)用內(nèi)燃機(jī)峰值有效熱效率已經(jīng)超過(guò)45%，未來(lái)采用稀燃以及碳中和燃料，節(jié)能和減碳潛力較大?！睅浭鹫f(shuō)。
他還指出，車(chē)用動(dòng)力電動(dòng)化符合未來(lái)交通的可持續(xù)發(fā)展，而氫燃料電池動(dòng)力以及甲醇內(nèi)燃機(jī)和氫燃料內(nèi)燃機(jī)等也是重要的技術(shù)發(fā)展方向。
從2021年開(kāi)始，帥石金一直思考“碳中和”內(nèi)燃機(jī)該如何發(fā)展、存在哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)。他認(rèn)為，氫能是我國(guó)未來(lái)實(shí)現(xiàn)“碳中和”不可缺少的一環(huán)。
“氫可愛(ài)又可恨。”帥石金打比方道，可愛(ài)的是氫屬于零碳燃料，可恨的是氫體積能量密度低、易燃、儲(chǔ)運(yùn)成本高。
氫能汽車(chē)?yán)m(xù)航里程較長(zhǎng)、氫燃料加注快、零碳排放、環(huán)境友好。對(duì)于氫內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)化，帥石金信心十足，并指出需要解決3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是解決氫直噴系統(tǒng)的耐久性問(wèn)題，二是制定氫內(nèi)燃機(jī)使用安全性標(biāo)準(zhǔn)，三是將氫內(nèi)燃機(jī)安全和排放標(biāo)準(zhǔn)納入現(xiàn)有車(chē)、船、航空等應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系。
由于氫氣存在制備成本高、運(yùn)輸儲(chǔ)存不便以及易燃易爆等缺點(diǎn)，限制了快速普及，研究人員開(kāi)始關(guān)注氨燃料內(nèi)燃機(jī)。帥石金表示：“雖然氨燃料更容易存儲(chǔ)和運(yùn)輸，但氨燃料一般需要其他燃料引燃，且氮氧化物排放較高，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)還有一段路要走?！?/p>
近年來(lái)，帥石金開(kāi)始關(guān)注電制合成燃料（e-fuel）。e-fuel是將水電解生成的氫氣和捕集的二氧化碳通過(guò)催化反應(yīng)合成的一種液體碳?xì)溲?，如甲醇或碳?xì)淙剂稀-fuel合成使用的二氧化碳必須是生物制備過(guò)程或直接空氣捕集的二氧化碳，這樣制備的e-fuel才是碳中和或綠色燃料。當(dāng)前最受關(guān)注的e-fuel是綠色甲醇，成本相對(duì)其他綠色碳?xì)淙剂希缙?、煤油和柴油等更低，?huì)優(yōu)先得到發(fā)展。
帥石金指出，內(nèi)燃機(jī)要想長(zhǎng)期生存下去，必須從源頭解決碳排放問(wèn)題，使用零碳或碳中和燃料是唯一選擇。在“碳中和”共識(shí)下，中國(guó)的內(nèi)燃機(jī)也在適應(yīng)和擁抱新能源。內(nèi)燃機(jī)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里是主導(dǎo)動(dòng)力，未來(lái)的內(nèi)燃機(jī)應(yīng)該是零碳或碳中和內(nèi)燃機(jī)，包括混合動(dòng)力專(zhuān)用內(nèi)燃機(jī)，這一轉(zhuǎn)變是建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的必經(jīng)之路。
編輯：李華山
