如何使交通脱碳

美国政府的能源信息署 (EIA)年度报告预测，美国交通运输产生的 CO 2排放量在未来 30 年内将大致保持不变，如下文红色部分所示。换言之，根据美国政府的说法，美国并未将交通运输中的 CO 2排放量降至零。

图 1：按行业和燃料来源划分的能源相关 CO 2排放量

下面的NREL 图解释了这个预测。综上所述，汽油车每英里 0.30 美元，300 英里范围的电动车每英里 0.47 美元，预计电动车不会比汽油车便宜，人们更喜欢便宜的便利车。

图 2：30 年 CO 2排放量预测

可以做很多事情来减少 CO 2；然而，在大多数情况下，它们的成本高于基于碳的选择，因此不可扩展。换句话说，少数有钱人可能会购买昂贵的物品；然而，由于公众不想支付更多费用，大规模部署是不可行的。EIA 观察这种消费者和政治行为，并将其纳入他们的模型中。

1B 美元的交通研发计划会是什么样子？

全球道路上大约有15 亿辆汽车，例如，如果在 15 年内用价值 2 万美元的绿色汽车替换这些汽车，那么总成本将是 30 吨，或每年 2 吨（1.5e9 辆汽车 * 2 万美元） / 15年）。

例如，如果政府或基金会在 5 年内每年花费 2 亿美元（1B 美元）来开发比天然气更便宜的绿色交通系统，那么他们将实现交通脱碳，并降低 30 吨的部署成本，超过 $1B 的工程成本，因为它只是 30,000 的一部分（$30e12 / $1e9）。

或者，可以依赖现有的交通研发项目；然而，正如上述 EIA 图表所指出的，美国政府经济学家认为这不会奏效。

本文着眼于在 1B 美元的研发预算下，如果工程师负责开发多个比碳成本更低的城市交通系统，他们可能会做什么。我们专注于几种可能的方法，包括氢、氨和可更换电池。我们首先回顾了挑战，包括稀土短缺、昂贵的电网扩建、氢储存和氨处理。

稀土挑战

世界每年生产 1 亿辆汽车，其中约 200 万辆是电动汽车 (EV)。或者，可以将电动汽车产量提高 50 倍，每年生产 1 亿辆电动汽车，持续 15 年，例如 (100M / 2M)。然而，电动汽车通常使用稀有的锂、钴和镍；如果大幅增加消费，这些材料的成本会发生什么变化，目前尚不清楚。

电网扩展挑战

现有的电网可以为住宅街道上的几辆电动汽车充电。但是，如本视频所述，一次为多辆电动汽车充电需要更多的电网。

具有多个快速充电站的商业充电站通常在 20 分钟内为 50kWh 电动汽车电池充电。每个托架约 5 万美元的电子设备消耗约 150kW，这与120 个家庭平均消耗的电量相同。随后，一个有 5 个托架的快速充电站需要为 600 个家庭提供相同的电力。

绿色化学101

碳氢化合物是一种仅包含氢 (H) 和碳 (C) 原子的燃料。例如石油、汽油和天然气。当它们燃烧时，它们的碳原子与大气中的氧 (O) 结合并形成 CO 2，一种温室气体。因此，如果想要一种不排放 CO 2的燃料，就需要一种不含碳的化合物；例如氢气（H 2）或液氨（NH 3）。

绿色能源通常由风能、太阳能、水力或核能制成。

绿色能源通常通过以下方式输送：电线中的电力、管道中的氢气、管道中的热量（例如 500°C 蒸汽）、管道中的液氨或船舶或车辆罐中的液氨。

如何用氢气或氨气移动车辆

可以通过以下方法使用氢气转动车轮：

燃料电池将氢气转化为电能，从而驱动电动机。

在活塞式内燃机或燃气轮机中燃烧氢气，通过废热回收提高效率。

或者，可以使用液氨通过以下技术转动车轮：

燃料电池将氨（不是氢）直接转化为电能，从而驱动电动机。

将氨与更易燃的物质（如氢气）混合，然后在活塞式内燃机或燃气轮机中燃烧，通过废热回收提高效率。人们可以裂解氨来生产氢气。

与燃料电池一起工作时，电池可用于：(a) 支持变化的负载，同时燃料电池的功率更恒定；(b) 支持初始驾驶，同时燃料电池加热到所需温度；(c) 支持制动时的能量回收.

由于效率更高，人们可能更喜欢燃料电池而不是内燃机。然而，燃料电池通常成本高昂，可以通过废热回收提高燃烧效率；因此，这两种途径都值得探索。

有关详细信息，请参阅：

燃料电池汽车

氢能汽车

氢内燃机汽车

燃料电池汽车清单

氢内燃机汽车清单

氢挑战

如果有管道，氢气 (H 2 ) 很容易在管道中移动。但是，由于液体时的温度为 -253°C，而在罐中压缩为气体时的压力为 700 大气压 (10,000 psi)，因此它不容易在车辆中运输或储存。

要了解压缩氢气为何令人沮丧，可以查看一个示例。一个内径为 0.7 米的球体体积为48 加仑，内表面积为2,400 平方英寸。如果在每平方英寸上施加 10K psi 的压力，则内表面会产生 2400 万磅的总压力（1090 万公斤）；这意味着坦克需要坚固、沉重且昂贵。

可以考虑用 10K psi 的高气压换取 -253°C 的低温液体；然而，冷冻的 H 2液体通常更昂贵。

NREL预计未来 30 年氢燃料电池汽车的成本将超过汽油汽车；因此，如果想朝这个方向发展，他们需要成本改进以超出预期。

有关氢的详细信息，请参阅：

移动性储氢：综述，Rivard 等人，2019 年

氨挑战

液氨 (NH 3 ) 是具有一个氮原子 (N) 的氢 (H 2 )，将其用于运输也面临着多重挑战，其中一些挑战如下所示。

添加和减去一个氮原子需要花钱。

罐中的液氨需要在 1 个大气压（即无压力）下冷却至 -33°C，或在室温下加压至 10 个大气压（150 psi），因此很麻烦。我们在这方面有很多经验，因为我们使用氨来制造肥料。

氨的单位能量消耗量是汽油的三倍；但是，如果可以提高油箱到车轮的效率，那么可以使用更少的氨水。

氨蒸气对人有毒。

如果不小心，氨可能会产生一氧化二氮污染物 (NO x )。

氨不愿燃烧（氨挑战..，Erdemir 和 Dincer，2020 年）

当一个人从氢气转移到氨气时，他们以 10K psi 压力或 -253°C 低温的不便为代价；由于加减氮原子不便。

有毒的挑战

为了维持城市中的有毒氨，氨动力车辆需要与中央当局进行沟通。如果氨罐发生故障或检测到氨蒸汽，服务车辆将前往维修或去除氨。带有端口的标准化油箱将使自动化服务更容易。全市范围内的氨监测和维护系统最终会增加总拥有成本。

中国的核反应堆如何使全球交通脱碳

根据我们的计算，中国的高温四代核反应堆在不久的将来应该能够以大约 1.26 美元/公斤的价格生产氢气。随后，在中国，5 公斤管道氢气的批发成本为 6.30 美元，这是推动燃料电池汽车行驶 300 英里所需的费用。或者，可以在中国将氢转化为氨（例如通过带有热回收的 Haber-Bosch），放置在船上，然后转化回氢。在这种情况下，5 公斤氢气在中国以外的批发价可能约为 13 美元。

这些燃料成本与汽油和柴油燃料相比具有竞争力，尤其是考虑到燃料电池通常比内燃机更有效时。然而，如上所述，人们仍然必须应对各种挑战。

对于那些不想在你的后院建造核反应堆的人来说，你很可能会如愿以偿。但是，如果接受核能的国家使用其反应堆通过向您出售廉价的绿色氨来获取财富，请不要感到惊讶，如如何以 100B 美元的价格解决气候变化问题中所述。

中国可能会领先，因为他们是唯一拥有商业运行的高温第四代核反应堆的国家。此外，他们可以利用美国/欧洲对核能的抵抗力作为竞争优势，因为利用太阳能、风能和水力生产绿色氢或氨的成本很高。中国的核电成本是美国/欧洲核电的三倍（2000 美元对 6000 美元/千瓦时）。

中国核电经济学

下表显示了现有碳基能源的单位能源批发成本 ($/GJ)，以及由中国核反应堆直接加热制成的氢气和氨的成本。后一种方法仍在开发中；因此，他们的成本是估计的。此外，如果建造了许多核反应堆，这些成本将会降低，可能会降低 2 倍。如果想解决气候变化问题，请考虑关注这里。

总而言之，中国的核反应堆可以为中国制造创造廉价的热量，为中国制造廉价的管道氢气，并为出口制造廉价的氨。氨出口后，可以转化为氢气，也可以推入氨燃料电池发电。

图 4：现有碳基能源的单位能源批发成本 ($/GJ)

根据我们的计算，用中国制造的氨为世界汽车提供动力大约需要 2,000 个 1GWe/2.6GWt 规模的核反应堆。如果中国的核/加工设备成本为 $3.2K/kWe，那么总成本为 $6.4T，如果分摊 30 年，则为 $220B/yr。但是，如果中国以简化的流程建造数千座反应堆，它们的成本可能会降低，可能会降低 2 倍。在这种情况下，人们会考虑 30 年内每年 110 美元的设备成本，美国/欧洲的氢气批发价格约为 1.29 美元/公斤。

综上所述，中国的核电可能成为世界脱碳的引擎。

气候变化是一个自动化问题

如上所述，EIA 经济学家预测美国交通不会脱碳。乐观主义者可能会认为经济学家是悲观的，而忽略他们。然而，他们是对的。安装氢气、氨气和/或电动汽车基础设施非常困难且昂贵。

在从头开始构建这两个系统时，报告经常将绿色技术与碳技术的成本进行比较。但是，这并不能反映情况。碳系统已经建成并支付了费用。我们正在考虑添加一个新系统，并且该成本低于保持旧的碳基系统运行的增量成本。在大多数情况下，新的绿色在经济上无法对抗现有的碳。这就是经济学家的预测如此悲观的原因。

政府干预可以提供帮助；然而，由于各种原因，它很少能产生重大影响。

解决这个问题的唯一方法是积极降低绿色选项的成本。而不仅仅是汽车。人们需要降低整个井到轮系统的成本，其中“井”是指一种绿色能源。这需要工厂和现场的自动化。

归根结底，气候变化是一个自动化问题。

鉴于大型交通研发计划，我们现在将讨论工程师可以开发的一些东西。

自动加油

工程师可以通过使用一种以上的化学品（例如催化剂）来降低每英里成本；给定自动加油系统，机械工程师可以处理任意数量的化学品。

在这个概念中，驾驶员将两个车轮放在凹槽（紫色）中，然后将汽车向上移动到标志处（绿松石色）。站台计算机告诉车载计算机关闭发动机并置于空档，以便滚轮（橙色）可以根据需要移动汽车。加油站和汽车上的舱口（红色）打开，露出用于传输任意数量化学品的端口和机制；例如氢气或氨气，以及催化剂。此外，可以根据需要去除废弃化学品。金属护罩（紫色）可以延伸并覆盖加油管，以在发生故障时保护和容纳化学品。

例如，如果腔室占用 2 个停车位，尺寸为 3 x 3 x 12 米，那么位于 66% 下方的大型氨罐（绿色）可容纳 10K 加仑，并装满 330 个汽车油箱，每个 30 加仑大小，如下图所示。如果这些舱室每 10 天加油一次，那么美国的 2.75 亿辆汽车将需要 96.6 万个舱室。例如，如果安装每个腔室的零件和人工成本为 50 万美元，那么 30 年内美国的总安装成本将是 15 亿美元/年。

该系统还可以传输电力为电动汽车充电。换句话说，它可以是通用的，并且支持不同的技术。然而，并不是每个站点都具备支持每辆车的能力。因此，汽车和系统之间的通信需要将汽车引导至兼容且功能齐全的站点。总之，站台计算机、车载计算机和车辆中的用户界面控制台需要协调。

自动加油可缩短加油时间、提高安全性、减少与有毒化学品的接触，并通过支持多种化学品来降低成本。减少占地面积将使人们能够在高速公路上/下坡道旁以及拥挤街道的停车位加油。这一点很重要，因为在现有拥挤的城市中增加基础设施需要以最小的干扰来降低成本。

加油硬件的自动安装

为了降低在全球范围内安装数百万个水下加油装置的成本，工程师可以开发一种用于安装水下燃料室的自动化系统。

安装需要多辆卡车。例如，一辆卡车可能会切割沥青、挖掘和移除材料。另一辆卡车可能会将一个腔室放入新挖的空腔中。另一个可能会为一个大型地下油箱加油。

氢燃料电池行业报告说他们存在先有鸡还是先有蛋的问题。在上述概念中，工程师同时控制鸡（汽车）和蛋（室），这有助于他们开发一个与汽油运输相竞争的系统。

地下管道和电缆的自动化安装

绿色交通可能由电力、氢气或氨气提供动力；由于上面讨论的各种挑战，目前尚不清楚其中哪些将导致。此外，美国政府经济学家预测现有的天然气/柴油基础设施将击败绿色交通，因为成本更低、更方便，而且已经建成。为了应对“已经建成”，需要能够以低成本安装绿色基础设施，这包括燃料输送。

电力可以通过地上或地下电缆输送，氢气可以通过地下管道输送，液氨可以通过地下管道或卡车罐体输送。

安装地下电缆和管道通常涉及挖掘街道，这既昂贵又具有破坏性。因此，需要一种用于安装地下管道和电缆的自动化系统。

我们目前有隧道掘进机，可以为汽车和火车建造隧道。我们需要类似的东西，但对于在 0.2m 到 2m 直径的隧道中布线的管道和电缆。下图显示了这可能如何工作的示例。在这个概念中，隧道内衬有一个外护套（灰色），由三个粘合在一起的 PVC 段制成。一个机器人（蓝色）既挖掘隧道，又安装夹克。管道和电缆将主要安装在道路下，以保护并避开私人土地。

图 8：汽车和火车隧道

外护套安装完成后，安装机器人（绿色）安装管道和电缆，如上右图。隧道引导机器人顶部的导轨（红色），还将电力从地面维护卡车传输到机器人。在正常操作期间，机器人被移除，并且导轨被断电。

沥青港口允许支持卡车进入，如下图所示。港口可能用钢板（金）覆盖，类似于人孔盖，但呈矩形，大约 5m 长按隧道宽度计算。卡车将移除矩形盖板，将机器人（绿色）放入隧道，为轨道通电（红色），然后向机器人输送材料。

安装护套后，通过机器人添加额外的管道或电缆将花费很少。因此，人们希望通过该系统安装新的天然气或水管的成本低于传统的街道开挖成本。换句话说，人们希望对地下水和天然气管道的需求能够推动这一进程，以降低安装额外的氢/氨管道、运输和一般脱碳的成本。

可更换汽车电池

如上所述，氨和氢的运输具有多重挑战。或者，可以考虑使用降低成本的电动汽车进行脱碳。

目前，每辆电动汽车都安装了专有电池，并定期充电。或者，可以使用标准的插入式电池，所有汽车都使用相同的形式，并在不到 1 分钟的时间内更换为新电池。车主将为电动汽车电池消耗的能量和磨损付费。将在关键位置挖出空腔，并通过起重机将充电、存储和交换机制投入使用。汽车将自己定位在机制之上，并且交换将自动发生。

以更低的成本交易更小的范围

如上所述，EIA 预计未来 30 年美国交通运输的 CO 2排放量将保持不变，这主要是由于电动汽车的成本高于天然气。随着消耗量急剧增加，稀有材料的成本是否会合作尚不清楚。

由于这些原因，应考虑可更换电池，因为快速简便的更换使短距离电池更容易被接受。较短的射程有助于避免难以获得的材料，例如钴。例如，低档磷酸铁锂 (LFP) 电池比镍锰钴 (NMC) 电池便宜，因为 LFP 避免使用钴（Battle of Batteries.., 2020）。钠离子电池还通过避免使用稀有材料来换取成本范围（Sodium-ion Batteries.., 2020）。

如下所示，NREL 预测未来 30 年的每英里成本；用于汽油车、200 英里 EV、300 英里 EV 和 400 英里 EV。正如人们所看到的，较小的范围与较低的每英里成本相关。不幸的是，由于更多的充电不便，较小的范围也不太受欢迎。但是，这可以通过交换来解决。

图 10：NREL 项目未来 30 年的每英里成本

开发可更换的汽车电池标准成本很低

目前，世界上有定义电池的机械和电气标准，如下图所示，这些标准使人们能够以低成本为小型电器供电。

从理论上讲，一个人可以拥有一种看起来类似于特斯拉电池的标准化汽车电池，但所有汽车都在使用它。该标准将定义机械（例如高度、长度和宽度）、电气连接以及电池和汽车之间的通信。

世界可以用这样的标准做什么？

为制造标准电动汽车电池的公司创造市场；通过竞争和商品化降低成本。

当消费者使用更便宜的低档电池时，他们的收费会更少。随后，许多司机会寻找便宜的低档电池，除非是在没有方便更换的长途旅行中。

家庭将在车道上安装一个房间来容纳标准电池。房主将使用多个电池，太阳能在白天充电，电池在晚上为房子供电，房子会根据需要与汽车交换。

为了推动这一进程，工程师需要开发以下标准化设备：

机械和电气可更换电池系统。

电池和充电器之间的通信系统。

汽车与电池交换站之间的通信系统。

电网与汽车显示面板之间的通信系统。

智能手机用户界面。

支付系统接口。

不同大小的交换、存储和充电机制。

开发一个完整的系统，达到简单的原型，不会花费太多钱，并且会使世界更接近标准化系统。另一方面，全球部署将是一个庞大的项目，并涉及多重挑战，包括：

可更换的电动汽车需要比汽油和柴油汽车成本更低，以促进全球接受。

一次为多个电动汽车电池充电需要更多的发电量和更多的电网。

安装许多带有配套电源线的交换室将是一项艰巨的任务。

通过研发实现交通脱碳

以下是大型交通研发计划可以做的几件事：

开发低成本氨和氢燃料电池，通过废热回收实现高效率。

开发燃烧氨和/或氢气的活塞式内燃机，通过废热回收实现高效率和低污染排放。

与上述相同，但燃气轮机。

发展标准化氨、氢罐。

开发全市氨监测和维护系统。

发展自动加油站。

开发安装水下加油装置的自动化机器。

开发安装地下电缆和管道的自动化机器。

开发标准化的可更换电动汽车电池系统。

不要指望一家公司做上述开发。在他们获得收入之前，有太多事情需要发生。他们会认为这些项目“太大”、“活动部件太多”、“风险太大”等。因此，要推动这一进程，政府或基金会需要支持工程，直到公司找到解决方法获得投资回报。

信任顶级人物

为了加速研发，人们可以向在氢、氨、燃料电池等同行评审期刊上广泛发表文章的科学家和工程师提供资金。传统的拨款申请和研究生过程需要时间。或者，人们可能会直接支持顶级研究人员，并相信他们会雇用他们认为富有成效的经验丰富的人员。商学院教授教导说，大多数成就来自“卓越团队”。创建这样的团队的一种方法是慷慨地支持世界上最多产的研究人员。

结论

工程师需要开发一种无碳且方便的井到轮系统，其成本低于继续燃烧天然气。如上所述，他们有几件事对他们有用，也有几件事对他们不利。有几种途径，包括电、氢和氨；所有这些都值得加速探索。

Electric 迫切需要可更换的电池标准，以帮助解决充电不便和昂贵的远程电池。

基于氨和氢的运输需要降低成本和支持多种化学品进出的自动加油系统。

分销基础设施需要降低成本，以保持较低的消费者成本。这包括开发安装地下基础设施的自动化机器。

研发费用相对较少；然而，为全球 15 亿辆汽车部署完善的基础设施是一项艰巨的任务。

审核编辑：郭婷