撰文 / 錢亞光
編輯 / 張 南
設計 / 師 超
來源 / Automotive News, Carscoops, Seattle Times, Rolls-Royce, The Verge，PWC Japan Group
7 月 12 日，智利 HIF Global 公司與日本石油公司出光興産株式會社（Idemitsu Kosan）簽署了一項戰略合作協議，以加快 e-fuel 碳中和燃料的生産。
HIF Global 在智利蓬塔阿雷納斯的 Haru Oni 示範工廠，是世界上第一個批量生産 e-fuel 的工廠，由保時捷、西門子能源、AME 能源公司、智利國家石油公司（ENAP）和意大利國家電力公司（Enel）等公司攜手開發。
"e-fuel" 中 "fuel" 是英文 " 燃料 " 的意思，字母 "e" 代表了 " 可再生電力 electro"，中文往往翻譯爲合成燃料或電子燃料，指任何能夠将通過可再生資源生産的電能轉換爲氣體或液體的能源介質或技術。
e-fuel 的吸引力在于，在不改變發動機、燃油噴射器、其他部件或排放系統的情況下，它以使燃油汽車的運行幾乎和電動汽車一樣清潔。
盡管一些汽車公司盡最大努力增加電動汽車的續航裏程，但由于溫度和牽引載荷等條件限制，續航裏程仍然不夠長且相當不穩定。這些公司已經開始以更快的充電速度來解決這個問題，但即使是充電速度最快的車輛，從沒電充到 80% 仍需 20 分鍾以上。
而采用 e-fuel 的車輛補能時間隻要大約 2 分鍾。這并不是說電動汽車技術沒有取得令人印象深刻的進展，但 e-fuel 的固有優勢是難以超越的。
保時捷投資 7500 萬美元參與的 HIF Haru Oni e-fuel 示範工廠已經開始運營▼
圖片來源 : 保時捷
碳中和的燃料
歐洲的目标是到 2050 年實現氣候中和，這就要求對技術進行重新思考，不僅要考慮電動汽車，還要考慮傳統汽車的新燃料。
e-fuel 可以通過從空氣中抽出二氧化碳和從水分子中抽出氫氣來制造。然後，二氧化碳和氫化合物可用于制造碳氫化合物，碳氫化合物是石油、天然氣和煤炭的主要成分。
這種燃料合成的核心反應是 Fischer-Tropsch 反應。該反應是德國化學家 Franz Fischer 與 Hans Tropsch 在 1925 年發現的。即在高溫高壓下，水蒸氣或氫，與一氧化碳可以在金屬催化劑的催化下生成烷烴類。
圖片來源：普華永道日本集團（PwC Japan Group）
這種新燃料，需要用由風能或太陽能等可再生能源産生的電力，來電解水，産出氫氣和氧氣。通過使用更多的能源和添加碳（最好是從空氣中捕獲的二氧化碳），有可能生産出其他合成燃料，如 e- 氫、e- 甲烷或 e- 柴油。這是電轉化爲燃料的過程。
由于不會産生額外的二氧化碳，燃燒方式實現了碳中和。這些新燃料的生産過程也被稱爲 Power-to-X。
其他合成物是甲醇和氨，後者在合成過程中不需要二氧化碳。然而，内燃機必須經過改造才能使用 e-fuel。
無論化石燃料内燃機多麽清潔，它們總是會排放二氧化碳。由綠色電力和空氣中的碳産生的 e-fuel，正在開辟一條通往未來的新道路。
前面提到的 Haru Oni 示範工廠已于去年年底開啓運營，預計今年年生産 13 萬升的 e-fuel 燃料，計劃到 2026 年生産 5500 萬升燃料；2027 年産量将擴大 10 倍。
對 e-fuel 的需求是巨大的，根據羅爾斯 · 羅伊斯公司的一項分析，到 2050 年，需要 20000TWh 的燃料能源，相當于 20000 億升柴油。
會先用在大車和跑車上
北美本土汽車制造商正依靠超大型皮卡和 SUV 帶來的巨額利潤，爲其他車型的電氣化提供資金。但在這種大型車輛上采用電池動力系統是行不通的，因爲它不能提供與内燃機傳動系統相同的牽引能力和行駛裏程。
在歐洲，保時捷和法拉利等跑車制造商正在考慮使用 e-fuel，以保持它們幾十年來完善的跑車特點和性能。主要原因是電動跑車的電池組太重，行駛裏程短，充電時間長，削弱它們的吸引力。
從通用汽車的兩款 SUV ——雪佛蘭 Suburban 燃油車和 GMC 的悍馬 ( Hummer ) EV 的對比，我們可以看出内燃機在大型車輛上優于電動系統的優勢。
Suburban 的渦輪柴油六缸發動機高速油耗爲 9.04 升 / 百公裏。它的 106 升油箱每次加滿油的續航裏程爲 1172 公裏，加滿油通常需要 5 分鍾或更短的時間。GMC 悍馬電動汽車一次充電可行駛 505 公裏。用直流快充樁充滿電大約需要一個小時。
雖然汽車制造商說 e-fuel 适用于今天的發動機，但燃料制造商必須設法以接近汽油的成本制造它。
根據國際清潔運輸委員會 ( International Council on Clean Transportation ) 最近的一項研究，如果現在就要使用 e-fuel，每升成本不能超過 2.9 美元。殼牌 ( Shell ) 、埃克森 ( Exxon ) 、沙特阿美 ( Aramco ) 和幾家規模較小的煉油公司正在開發 e-fuel。
最适用的是航空業
德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）微過程工程研究所所長 Roland Dittmeyer 認爲，對于那些無法獲得連接到可靠、清潔電網的充電基礎設施的人來說，e-fuel 可能是一個有用的替代品。
KIT 正在将 e-fuel 作爲國家倡議的一部分。其小型演示項目還得到了大衆、奧迪、福特子公司殼牌和其他工業合作夥伴的支持，而其研究的重點是飛機。
Dittmeyer 告訴 The Verge：" 乘用車可以帶着電池行駛，但帶着電池長途飛行的可能性很小。" 因爲電池對飛機來說仍然太重了，飛機很可能需要主要依靠替代燃料才能以污染較小的方式起飛。他認爲，e-fuel 的最佳用途是在航空。
7 月 11 日，據 Seattle Times 報道，矽谷初創公司 Twelve 在美國 Moses Lake 附近開始建造一家生産低碳航空燃料的工廠。
美國華盛頓州州長 Jay Inslee ( 左二 ) 與 Twelve 聯合創始人在 Moses Lake 的奠基儀式上發表講話，從左起是 CSO（首席科學官）Etosha Cave，CEO Nicholas Flanders 和 CTO Kendra Kuhl ▼
圖片來源：Twelve
Twelve 開發了一種使用可再生電力、水和廢棄生物質二氧化碳制造航空燃料的工藝。這種工藝用電将水和二氧化碳分開，以産生氫氣和一氧化碳，然後将其組合起來，制造能加工成航空燃料的碳氫化合物。而這種新型的航空燃料被稱爲 SAF（可持續航空燃料），是航空業推動脫碳的關鍵焦點。
SAF 是通過更可持續的方式由可替代、可再生能源合成而來，也可以算是一種 e-fuel。SAF 的原材料包括植物油、藻類、油脂、動物脂肪、廢水、酒精、糖衍生物和二氧化碳，但最終将轉化成相同的烴類混合物。
SAF 燃燒時産生的碳排放量與傳統航空燃料相同，其優勢在于生産過程中可以吸收二氧化碳，因而能将整個生命周期的碳排放量減少 70% 至 100%。
目前，SAF 在供應和需求方面都面臨挑戰。阿拉斯加航空公司負責戰略采購和供應鏈管理的副總裁 Ann Ardizzone 表示，"Twelve 将推廣的技術可能是最重要的杠杆之一 "，以使阿拉斯加航空實現其到 2030 年其噴氣式飛機 10% 的燃料成爲 SAF 的最初目标。
航空業每年使用約 757 億升的航空燃料，去年隻生産了約 3785 萬升的 SAF，約占總量的 0.05%。預計到 2025 年，SAF 可能取代約 2% 的傳統航空燃料。
全球各地的态度
歐洲
歐盟歐盟撥款 778 萬歐元，成立了創新基金，針對二氧化碳和水，高溫共電解制備綠色合成氣這樣一個工藝，來降低電解槽的成本，并且提高電解槽的耐用性。
今年 2 月份，歐盟通過了《2035 年歐洲禁售燃油轎車和小貨車零排放協議》。按照協議，到 2030 年，所有新上市的乘用車和輕型商用車碳排放水平須比 2021 年分别減少 55% 和 50%，到 2035 年均減至零。該協議遭到了汽車工業大國的強烈反對，歐盟最終 " 做出妥協 "，修改了協議的内容，允許歐盟國家在 2035 年後銷售添加 e-fuel 合成燃料的新車。
在歐洲，保時捷、Stellantis、法拉利、寶馬和其他汽車制造商都在認真研究 e-fuel，以取代汽油和柴油。
Stellantis 全球推進系統主管 Micky Bly 在今年 4 月的 SAE 國際會議上表示 :" 我們将爲發動機提供 e-fuel 燃料，而不是爲 e-fuel 提供發動機，這意味着我們不會改變硬件來适應它們。"
北美
美國《國家清潔氫能戰略和路線圖》以及《氫能攻關計劃》（2021 年 6 月）的目标是到 2030 年将清潔氫能的成本降低 80%，至 1 美元 /kgH2。加拿大的氫能戰略（2020 年 12 月）目标是到 2050 年實現清潔供應的全球領導地位，且氫在終端能源中的占比達到 30%。
在 2022 年的财務預算中，美國能源局撥款 5.3 億美元用于二氧化碳的捕集、存儲和利用等方面的研究，并且其中有 1 億美元在加州建設了人工光合作用的研究中心，集中攻堅光電催化和二氧化碳固定等方面的基礎。
美國有 80 億美元的氫能中心計劃，10 億美元的研發和 5 億美元的氫供應鏈計劃。加拿大擁有 15 億加元的聯邦低碳和零排放燃料基金，其中包括用于氫的資金，以及 27.5 億加元的車輛和加油站領域的零排放轉型基金。
日本
2022 年日本宣布成立了清潔基金，在未來的 10 年将投資 1 萬億日元用于氫能和碳循環方面的研究。最新的一個報道，日本的新能源産業綜合開發機構也撥款 1145 億日元，啓動以二氧化碳爲原料的燃料制造技術開發的項目研究。
2023 年日本政府修改了 " 氫基本戰略 "，關于氫的供應鏈建設和強化、以氫爲原料生成的 e-fuel 的研究開發推進、供給強化、需求創造等相關讨論。
在 2023 年内閣府的 " 經濟财政運營和改革的基本方針 " 中，明确的目标是在 2030 年代前半期之前将包括 e-fuel 在内的合成燃料商業化。
中國
2021 年 8 月，中國内燃機工業協會發布了 《内燃機産業高質量發展規劃 （2021~2035）》，提出力争 2028 年前内燃機産業實現 " 碳達峰 "，2030 年實現 " 近零污染排放 "，2050 年實現 " 碳中和 "。其中提出加快代用燃料的研究和推廣，加速氫氣等碳中和燃料産品的研制，深化低碳燃料、生物質燃料等高效清潔燃燒技術研究，從排放源頭降低碳含量。
7 月 1 日，廣汽研究院推出全球首款乘用車氨發動機，主要以液态氨爲燃料，在精确控制氨燃料供給相變過程，平穩發動機運作的同時，利用超高能點火技術實現缸内氨燃料可靠點火。
7 月 11 日，吉利控股及雷諾訂立出資協議及合資企業協議，成立合資公司以從事動力總成業務，其中就包括合成燃料 e-fuel 解決方案和下一代氫動力關鍵技術的研發。
" 在 e-fuel 的技術儲備上，我們國家也有技術，但商業化程度低，國内企業從事這一領域的不多。中國燃料行業和汽車行業是兩個完全不同的行業。中國面臨碳的問題，更多是在發電上。" 上海交通大學汽車工程研究院院長許敏告訴汽車商業評論。
e-fuel 面臨的挑戰
盡管 e-fuel 易于使用，但制造并不簡單。由于它們的目标是碳中和，因此生産過程需要從大氣中去除的二氧化碳量應該與燃料排放的二氧化碳量相當。
挑戰一，價格昂貴。
爲了制造 e-fuel，要用可再生的電将水分解成氫和氧，從空氣中捕獲二氧化碳。然後，氫氣與二氧化碳結合，生成碳氫化合物。e-fuel 可以非常低碳，但它們不可能同時是低成本的。
它所依賴的碳捕獲設施和電解水制氫技術，仍然非常昂貴。保時捷稱，1 升 eFuels 合成燃料的氫是從 3 升淡化的海水中提取的，而二氧化碳是從 6000 立方米的空氣中提取的。
一些分析師認爲，電解槽價格将在未來幾十年跌至谷底，即使到 2030 年，大量可再生 e-fuel 的價格也不會低于每升 3-4 歐元。
據 ICCT（非營利性研究組織國際清潔運輸理事會）燃料計劃主任 Stephanie Searle 稱，現在以商業規模生産 e-fuel，可能要花費大約 7 美元 / 升。他指出，從長遠來看，使用 e-fuel 來減少汽車的溫室氣體排放，其成本是不符合歐洲乘用車燃油經濟性标準的罰款的 3 倍。
根據保時捷的資料顯示，e-fuel 現在的生産成本基本穩定在 10 美元 / 升。即使十年之後，e-fuel 的生産成本降到 2 美元 / 升，但再加上物流、利潤和稅收，2033 年 e-fuel 的零售價格至少也應該是普通汽油價格的兩倍以上。
挑戰二，e-fuel 的生産過程效率比較低。eFuel 的制造、使用過程中，要經過多次能量轉換，從太陽能 -> 光電 -> 電解水制氫 -> Fischer-Tropsch 反應合成 eFuel -> 精煉柴油 -> 内燃機燃燒 -> 汽車動能。
在此過程中，可再生電能中有 48% 的能量會損失掉。根據各種研究，當這些燃料在内燃機中燃燒時，70% 的能量會損失，而 e-fuel 的總效率僅爲 16%。
相比之下，電動汽車使用的大部分能量實際上都用于爲車輪提供動力，充電隻損失 10%，電機損失 20%，總效率爲 72%。
e-fuel 實際上是一種平衡行爲，但保時捷等一些汽車制造商認爲，爲了保持内燃機的活力，投資是值得的。
挑戰三，商業化還要解決原料、标準、運輸、車輛改造等一系列問題。普華永道日本網站指出，e-fuel 要實現商品化，還要解決以下課題：
首先，是原料采購。現在的 e-fuel 的生成成本估計爲 700 日元 / 升左右，其中約 90% 是氫的采購成本。如果利用可再生能源制氫，就需要進一步降低設備成本。
其次，是确保供給量和提高生産力。爲了大規模生産 e-fuel，就要保證的氫和二氧化碳原料供應充足穩定，不浪費、有效率地生産非常重要。
第三，是建立質量标準，目前市場流通的 e-fuel 質量标準還沒有定義，隻能采用汽車等燃料的規定。
第四，物流和儲存。運輸和儲存 e-fuel 時，預計會利用現有加油站等基礎設施，但需要制定與傳統汽車用燃料隔離的相關規則。
第五，是促進銷售和使用的措施。如果傳統燃料同時銷售，純電汽車價格降低，可能會限制 e-fuel 的普及。需要政府提供相關補助金和稅制優惠等措施，促進 e-fuel 的銷售和使用。
第六，車輛自身的改造。由于 e-fuel 的燃料性狀（熱容量、辛烷值等）與現有燃料不同，所以使用 e-fuel 時需要對駕駛性能、環境性能的影響程度和适用性進行驗證。
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