作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/26 13:58:37
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中国发动机如何实现“碳中和”?听听他们怎么说

 

为如期实现碳达峰、碳中和目标,作为燃油大户的内燃机会消失吗?是否有可以实现“碳中和”的燃料?内燃机实现碳中和还有哪些技术瓶颈需要突破呢?……

10月21日,一场主题为“中国发动机碳中和之路”的院士专家访谈在湖北十堰召开,围绕发动机产业链关键环节和关键技术、针对行业各动力应用领域,院士专家们探讨了实现“碳中和”的技术路径。

据悉,访谈活动由中国内燃机学会主办,“科创中国”发动机碳中和产业科技服务团承办。中国内燃机学会副理事长兼秘书长李树生主持了本次访谈。访谈活动也是中国内燃机学会2023年度品牌活动系列之设计与智能制造学术年会的一大亮点。

内燃机动力将长期存在

“这些年来,国内的内燃机专业招生不太乐观,可能被一些禁止销售燃油车的报道所误导。”中国工程院院士、中国内燃机学会理事长、天津大学校长金东寒谈及电动车是否是零碳时表示,现在电动车还不是完全的零碳排放汽车,因为电动车所用的电仍然有60%以上来自于火电,只是没有计算到电动车的排放上。

“未来电力行业仍需不断提高其可再生能源发电的占比,这对实现双碳目标至关重要,也能切实推动电动汽车实现低碳化。但没有哪一种动力系统能够包打天下。”金东寒强调,多元化能源结构和技术路线是动力领域碳达峰、碳中和目标实现的最佳途径。

在金东寒看来,内燃机、电池电机、燃料电池以及混合动力,这些不同的动力系统将在不同的应用场景中发挥各自的重要作用。未来,内燃机仍然会是重要的动力形式之一,内燃机的节能提效依然是可操作性强且现实有效的降碳途径。

中国科学院院士、中国兵器工业集团首席科学家毛明从事装备设计,他对动力系统的理解是,一个可以匹配装备的驱动系统,具体要求包括体积要小、重量要轻、效率要高、成本要低。

毛明表示,尽管驱动系统电动化是趋势,但内燃机知识的更新也在加速迭代,做内燃机研究的人不能只停留在燃料和结构方面,还需要增加一些数字化、信息化、智能化的知识,这有利于提高内燃机产品性能,实现减排,以及相关知识的传承和积累。

“未来内燃机的地位仍然是不可替代的,对于占全球25%碳排放交通运输的降碳使命还是主要靠内燃机来完成,因为内燃机在船舶和卡车等重载运输仍是主导动力,相当比例的新能源汽车仍需要内燃机。”青海民族大学副校长、天津大学讲席教授尧命发称。

谈及内燃机如何实现“碳中和”?尧命发表示,未来内燃机产品结构和技术会发生变化,燃料将是最终实现“碳中和”的根本途径。

发展或选用碳中性燃料

“内燃机短期内消亡是不现实的。”中国工程院院士、中国汽车工程学会理事长、清华大学教授李骏曾长期主持中国一汽技术中心产品自主研发与科技创新工作,他给内燃机的生存指了一条出路——用efuel(电制合成燃料)替代化石燃料。

李骏介绍了目前全球4种最主要的efuel分别绿电、绿氢、绿氨和绿醇,可能还会有生物汽油和柴油。谈及选择哪种efuel来开发内燃机时,他从5个维度给出分析:第一必须是零碳燃料,第二必须用可再生燃料,第三必须是安全的燃料,第四成本必须低,第五未来的零碳燃料必须体积能量密度高。

近年来,中国工程院院士、上海交通大学讲席教授黄震带领团队一直开展efuel相关的研究工作。他介绍,团队目前正在做的一件事情就是用绿电来做合成柴油,这样做的好处是不需要单独研制发动机,可以对现有内燃机进行改造后直接用于柴油车或者船舶上。

关于绿电做燃料的成本问题,黄震表示从目前制取来说,绿氨的成本最容易跟化石燃料制氨去竞争,制备成本只是内部价格,还需要看外部价格,未来化石燃料可能需要增加碳税,成本也会提高,相比较绿电就更有竞争优势了。

“纯电动力适用于小功率、短距离应用场景,仍面临电池材料资源短缺、成本价格高、运行安全等挑战。内燃动力适合中大功率、长距离应用场景,但需要拥抱电如混合动力及碳中和材料,才能实现可持续发展",清华大学航空发动机研究院副院长帅石金指出,内燃动力实现碳中和的路径有多种,乙醇生物质内燃机、氢内燃机、氨氢融合内燃机、甲醇内燃机、efue内燃机等,可以依据交通使用场景以及碳中和阶段性目标进行选择。

不要放弃内燃机的研究

“当前,新能源有3个主要的动力,分别是电池、燃料电池和发动机,这里的发动机是零碳发动机。”李骏团队对比发现,“零碳发动机是具有竞争力的,因此发动机还是可以涅磐重生的,我们研发新型的零碳内燃机是大势所趋。”

关于如何研制零碳内燃机?李骏认为必须遵守3个原则:一是实现碳达峰、碳中和目标,二是要具有全生命周期的商业竞争力,三是实用性要强。

李骏带领团队从新一代基于efuel的内燃动力的两个创新点着手开展研究。一个方面的研究是复合燃料系统,该系统不是把燃料混合在一起,而是包含主燃系统的辅燃系统。当复合燃料系统采用80%零碳燃料的时候,不用改造发动机的设计,就可以自然达到“碳中和”,因此可以用这样复合燃料系统的技术建立发动机的平台,这就是零碳内燃机的探索。

另一方面的研究是热电复合动力系统。李骏透露团队正在研制氨燃料发动机,这也是零碳发动机,氢、氨、氮的混合物就可以用于发动机的燃料,进一步裂解99.99%的氢就可以用于燃料电池,使得发动机和燃料电池全都是零碳的。

李骏说:“未来这种热电复合动力系统就可以变成‘碳中和’的动力系统,100%的降低二氧化碳,同时实现净零碳排放。”

“装备驱动的发展现在还是混合动力这个方向。但不太可能永远都是纯机械内燃机,一定是越来越混合,控制和系统集成会让内燃机的功率会越来越小。”毛明从应用端呼吁年轻人不要放弃内燃机的研究,不仅这里面需要攻关突破的技术还有很多,而且其中的机械学,热工学等等永远都有应用,都需要进步的学科。

 
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