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发动机的下一代能源新可能性:氢燃料、合成燃料、生物质燃料

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摘要:现今,汽车制造商正在探索利用下一代能源的发动机的新可能性。虽然丰田MIRAI等所使用的氢发动机以氢为燃料,但是在氢储存和运输方法等方面存在许多课题。本文中将对氢燃料、合成燃料以及通过培养微藻制成的生物质燃料这三种下一代能源的特点和课题进行简单介绍。

关键字:氢、合成燃料、生物质燃料、可持续燃料、氢发动机、下一代能源

1、使用高压压缩后的氢,实现了充足的动力性能和惊人的续航里程

在2021年赛季的日本汽车超级耐久赛上,利用氢燃料驱动的卡罗拉运动版高速行驶。丰田汽车的氢发动机日益成熟,很多汽车爱好者都为感受到了发动机的新可能性而高兴。

除了丰田,其他汽车制造商,例如雅马哈发动机株式会社和川崎重工业株式会社也在开发氢发动机的摩托车。

然而,氢是最轻的元素,因此存在能量密度低的缺点。将氢用作能源时,需求量巨大,因此必须增加其密度。

丰田MIRAI等燃料电池汽车(FCV)搭载的氢气瓶以70MPa的高压压缩氢气,实现了充足的动力性能和惊人的续航里程。

氢的能量密度低,因此将其用作能源时用量庞大。丰田MIRAI等通过高压压缩来弥补能量密度低的问题

丰田MIRAI

氢在地球上几乎是取之不尽的,氢能源可以说是理想燃料。当将氢用于量产车辆时,通过使用氢发动机与电机组合而成的混合动力,可以显著提高燃油效率。

然而,使用氢作为燃料还存在其他课题。如果利用可再生能源电力来电解水制氢的话,几乎可以实现零碳,但从成本的角度来看,还需要很长时间才能实现。

下一代燃料大致分为三种。第一种是氢。但由于氢很轻且密度小,因此存在不适于储存和运输的缺点。而其余两种下一代燃料可以解决氢的储存和运输问题。

2、利用氢制作液体合成燃料

第二种下一代燃料是合成燃料。顾名思义,其是一种以化学方式生成的液体燃料。合成燃料的原料是由可再生能源制成的氢和从工厂或家庭排放的CO2。通过使用可再生能源电力进行化学合成,可以制成以烃为成分的液体燃料。

合成燃料是解决氢的低能量密度和运输困难问题的一种手段。在脱碳对策方面,最近利用合成燃料的动向在欧洲和日本都很引人注目。

丰田在2021年的汽车超级耐久赛上派出搭载有氢发动机的卡罗拉运动版,并宣布将在下个赛季的汽车超级耐久赛上使用合成燃料驱动GR86。

日本斯巴鲁株式会社也计划在特殊认证车辆的ST-Q级中使用合成燃料来驱动BRZ。BRZ上搭载基于市售车的水平对置发动机,而GR86上搭载GR Yaris的直列三缸涡轮发动机,并且其排量降至1.4升。

丰田运行搭载有氢发动机的卡罗拉运动版赛车,宣布将在下个赛季使用合成燃料运行GR86

两家企业或许是希望通过使用不同类型的动力单元,通过相同条件下的行驶从而获取更多的数据。

但是,将氢与碳结合,并在不燃烧的情况下使其液化需要来自外部的能量,将CO2转化为CO,并与氢反应,从而生成水和合成燃料。如果要使合成燃料成为主流燃料,其成本需要降低到目前汽油价格的两倍左右。

相比先消耗能量使氢成为液体燃料,直接燃烧氢效率更高。这样考虑的话,使用氢发动机更合理。不仅限于汽车的发动机,将氢燃料用于发电的开发也在进行中。

3、由植物、藻类、废油等制成的生物质燃料

最后介绍的下一代燃料是生物质燃料。人们很早便开始研究和引入生物质燃料。在大量种植甘蔗的巴西,很长时间以来一直使用汽油和乙醇的混合燃料。美国印第赛车也使用了乙醇作为燃料。

使甘蔗或玉米发酵来制成乙醇会导致甘蔗或玉米无法食用,引起食物短缺问题,为此还考虑了一种从速生植物中制造乙醇的方法。这种乙醇是第二代生物乙醇,其不是将糖质转换为乙醇,而是将膳食纤维转换为乙醇,因此存在效率低的缺点。

目前,作为第三代生物质燃料,正在进行培育微藻类以制造燃料的研究。世界上有2000多种藻类,其中许多种类都有在体内制造油并储存的特性。通过培育这种藻类,进行榨油和重整后用作燃料。

日本IHI株式会社在该领域拥有最先进的技术,其成功研制出一种由微藻类制成的可持续航空燃料(SAF),并将其用作日本国内航班的燃料。

株式会社电装多年来一直在研究利用微藻类的生物质燃料,并且与丰田共同开发这种生物质燃料以用作汽车燃料。

马自达株式会社与广岛大学等合作,开发利用微藻类的生物质燃料,与此同时,在2021年的汽车超级耐久赛上派出了使用“SUSTEO”(日本悠绿那株式会社所开发的由食用废油重整制成的生物质燃料)作为生物柴油的马自达 2 SKYACTIV-D 1.5。“SUSTEO”已经在公共道路上进行了实证实验,因此完成超级耐久赛将不存在问题。

第三代生物质燃料通过培养微藻类来制造。此外,悠绿那株式会社开发了一种由食用废油重整制成的生物质燃料“SUSTEO”,并已在公共道路上进行了实证实验。

悠绿那作为一家初创企业,成功实现人工培育微藻类——眼虫。如果能够培育出比眼虫具有更高储油性质的藻类,则有可能立即在实用化上取得突破。

虽然培育生物质燃料的原料——微藻类所消耗的能量较少,但大量培养需要广阔的用地,并且由于台风等灾害,失败的风险很大。另外,培育时需要利用太阳光,因此养殖池仅限于室外。

此外,世界汽车拉力锦标赛(WRC)将从2022年开始引入生物质燃料和合成燃料的混合物,称为“可持续燃料”。其通过从工厂等排放的CO2中提取碳,用可再生能源从水中提取氢制造合成燃料,然后混合由植物等制成的生物乙醇而制得。

在赛车运动界,不仅是日本,世界范围内都开始倾向于采用可持续燃料。而且,初期将通过采用合成燃料或生物质燃料与化石燃料混合来加速普及,扩大规模并降低成本。

20年后的2040年左右,在个人移动出行领域,车主或将大致分为三类:共享电动汽车、电动汽车车主以及混动车车主。

虽然本田宣布将放弃发动机,但在看到其他日本制造商都在为了延续发动机而倾注努力后,未来有一天本田或许会改变其方针。

出处:前沿研发信息介绍平台

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