美國政府的能源信息署 (EIA)年度報告預測，美國交通運輸產(chǎn)生的 CO 2排放量在未來 30 年內(nèi)將大致保持不變，如下文紅色部分所示。換言之，根據(jù)美國政府的說法，美國并未將交通運輸中的 CO 2排放量降至零。

圖 1：按行業(yè)和燃料來源劃分的能源相關 CO 2排放量

下面的NREL 圖解釋了這個預測。綜上所述，汽油車每英里 0.30 美元，300 英里范圍的電動車每英里 0.47 美元，預計電動車不會比汽油車便宜，人們更喜歡便宜的便利車。

圖 2：30 年 CO 2排放量預測

可以做很多事情來減少 CO 2；然而，在大多數(shù)情況下，它們的成本高于基于碳的選擇，因此不可擴展。換句話說，少數(shù)有錢人可能會購買昂貴的物品；然而，由于公眾不想支付更多費用，大規(guī)模部署是不可行的。EIA 觀察這種消費者和政治行為，并將其納入他們的模型中。

1B 美元的交通研發(fā)計劃會是什么樣子？

全球道路上大約有15 億輛汽車，例如，如果在 15 年內(nèi)用價值 2 萬美元的綠色汽車替換這些汽車，那么總成本將是 30 噸，或每年 2 噸（1.5e9 輛汽車 * 2 萬美元） / 15年）。

例如，如果政府或基金會在 5 年內(nèi)每年花費 2 億美元（1B 美元）來開發(fā)比天然氣更便宜的綠色交通系統(tǒng)，那么他們將實現(xiàn)交通脫碳，并降低 30 噸的部署成本，超過 $1B 的工程成本，因為它只是 30,000 的一部分（$30e12 / $1e9）。

或者，可以依賴現(xiàn)有的交通研發(fā)項目；然而，正如上述 EIA 圖表所指出的，美國政府經(jīng)濟學家認為這不會奏效。

本文著眼于在 1B 美元的研發(fā)預算下，如果工程師負責開發(fā)多個比碳成本更低的城市交通系統(tǒng)，他們可能會做什么。我們專注于幾種可能的方法，包括氫、氨和可更換電池。我們首先回顧了挑戰(zhàn)，包括稀土短缺、昂貴的電網(wǎng)擴建、氫儲存和氨處理。

稀土挑戰(zhàn)

世界每年生產(chǎn) 1 億輛汽車，其中約 200 萬輛是電動汽車 (EV)?；蛘?，可以將電動汽車產(chǎn)量提高 50 倍，每年生產(chǎn) 1 億輛電動汽車，持續(xù) 15 年，例如 (100M / 2M)。然而，電動汽車通常使用稀有的鋰、鈷和鎳；如果大幅增加消費，這些材料的成本會發(fā)生什么變化，目前尚不清楚。

電網(wǎng)擴展挑戰(zhàn)

現(xiàn)有的電網(wǎng)可以為住宅街道上的幾輛電動汽車充電。但是，如本視頻所述，一次為多輛電動汽車充電需要更多的電網(wǎng)。

具有多個快速充電站的商業(yè)充電站通常在 20 分鐘內(nèi)為 50kWh 電動汽車電池充電。每個托架約 5 萬美元的電子設備消耗約 150kW，這與120 個家庭平均消耗的電量相同。隨后，一個有 5 個托架的快速充電站需要為 600 個家庭提供相同的電力。

綠色化學101

碳氫化合物是一種僅包含氫 (H) 和碳 (C) 原子的燃料。例如石油、汽油和天然氣。當它們?nèi)紵龝r，它們的碳原子與大氣中的氧 (O) 結合并形成 CO 2，一種溫室氣體。因此，如果想要一種不排放 CO 2的燃料，就需要一種不含碳的化合物；例如氫氣（H 2）或液氨（NH 3）。

綠色能源通常由風能、太陽能、水力或核能制成。

綠色能源通常通過以下方式輸送：電線中的電力、管道中的氫氣、管道中的熱量（例如 500°C 蒸汽）、管道中的液氨或船舶或車輛罐中的液氨。

如何用氫氣或氨氣移動車輛

可以通過以下方法使用氫氣轉(zhuǎn)動車輪：

燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，從而驅(qū)動電動機。

在活塞式內(nèi)燃機或燃氣輪機中燃燒氫氣，通過廢熱回收提高效率。

或者，可以使用液氨通過以下技術轉(zhuǎn)動車輪：

燃料電池將氨（不是氫）直接轉(zhuǎn)化為電能，從而驅(qū)動電動機。

將氨與更易燃的物質(zhì)（如氫氣）混合，然后在活塞式內(nèi)燃機或燃氣輪機中燃燒，通過廢熱回收提高效率。人們可以裂解氨來生產(chǎn)氫氣。

與燃料電池一起工作時，電池可用于：(a) 支持變化的負載，同時燃料電池的功率更恒定；(b) 支持初始駕駛，同時燃料電池加熱到所需溫度；(c) 支持制動時的能量回收.

由于效率更高，人們可能更喜歡燃料電池而不是內(nèi)燃機。然而，燃料電池通常成本高昂，可以通過廢熱回收提高燃燒效率；因此，這兩種途徑都值得探索。

有關詳細信息，請參閱：

燃料電池汽車

氫能汽車

氫內(nèi)燃機汽車

燃料電池汽車清單

氫內(nèi)燃機汽車清單

氫挑戰(zhàn)

如果有管道，氫氣 (H 2 ) 很容易在管道中移動。但是，由于液體時的溫度為 -253°C，而在罐中壓縮為氣體時的壓力為 700 大氣壓 (10,000 psi)，因此它不容易在車輛中運輸或儲存。

要了解壓縮氫氣為何令人沮喪，可以查看一個示例。一個內(nèi)徑為 0.7 米的球體體積為48 加侖，內(nèi)表面積為2,400 平方英寸。如果在每平方英寸上施加 10K psi 的壓力，則內(nèi)表面會產(chǎn)生 2400 萬磅的總壓力（1090 萬公斤）；這意味著坦克需要堅固、沉重且昂貴。

可以考慮用 10K psi 的高氣壓換取 -253°C 的低溫液體；然而，冷凍的 H 2液體通常更昂貴。

NREL預計未來 30 年氫燃料電池汽車的成本將超過汽油汽車；因此，如果想朝這個方向發(fā)展，他們需要成本改進以超出預期。

有關氫的詳細信息，請參閱：

移動性儲氫：綜述，Rivard 等人，2019 年

氨挑戰(zhàn)

液氨 (NH 3 ) 是具有一個氮原子 (N) 的氫 (H 2 )，將其用于運輸也面臨著多重挑戰(zhàn)，其中一些挑戰(zhàn)如下所示。

添加和減去一個氮原子需要花錢。

罐中的液氨需要在 1 個大氣壓（即無壓力）下冷卻至 -33°C，或在室溫下加壓至 10 個大氣壓（150 psi），因此很麻煩。我們在這方面有很多經(jīng)驗，因為我們使用氨來制造肥料。

氨的單位能量消耗量是汽油的三倍；但是，如果可以提高油箱到車輪的效率，那么可以使用更少的氨水。

氨蒸氣對人有毒。

如果不小心，氨可能會產(chǎn)生一氧化二氮污染物 (NO x )。

氨不愿燃燒（氨挑戰(zhàn)..，Erdemir 和 Dincer，2020 年）

當一個人從氫氣轉(zhuǎn)移到氨氣時，他們以 10K psi 壓力或 -253°C 低溫的不便為代價；由于加減氮原子不便。

有毒的挑戰(zhàn)

為了維持城市中的有毒氨，氨動力車輛需要與中央當局進行溝通。如果氨罐發(fā)生故障或檢測到氨蒸汽，服務車輛將前往維修或去除氨。帶有端口的標準化油箱將使自動化服務更容易。全市范圍內(nèi)的氨監(jiān)測和維護系統(tǒng)最終會增加總擁有成本。

中國的核反應堆如何使全球交通脫碳

根據(jù)我們的計算，中國的高溫四代核反應堆在不久的將來應該能夠以大約 1.26 美元/公斤的價格生產(chǎn)氫氣。隨后，在中國，5 公斤管道氫氣的批發(fā)成本為 6.30 美元，這是推動燃料電池汽車行駛 300 英里所需的費用?；蛘?，可以在中國將氫轉(zhuǎn)化為氨（例如通過帶有熱回收的 Haber-Bosch），放置在船上，然后轉(zhuǎn)化回氫。在這種情況下，5 公斤氫氣在中國以外的批發(fā)價可能約為 13 美元。

這些燃料成本與汽油和柴油燃料相比具有競爭力，尤其是考慮到燃料電池通常比內(nèi)燃機更有效時。然而，如上所述，人們?nèi)匀槐仨殤獙Ω鞣N挑戰(zhàn)。

對于那些不想在你的后院建造核反應堆的人來說，你很可能會如愿以償。但是，如果接受核能的國家使用其反應堆通過向您出售廉價的綠色氨來獲取財富，請不要感到驚訝，如如何以 100B 美元的價格解決氣候變化問題中所述。

中國可能會領先，因為他們是唯一擁有商業(yè)運行的高溫第四代核反應堆的國家。此外，他們可以利用美國/歐洲對核能的抵抗力作為競爭優(yōu)勢，因為利用太陽能、風能和水力生產(chǎn)綠色氫或氨的成本很高。中國的核電成本是美國/歐洲核電的三倍（2000 美元對 6000 美元/千瓦時）。

中國核電經(jīng)濟學

下表顯示了現(xiàn)有碳基能源的單位能源批發(fā)成本 ($/GJ)，以及由中國核反應堆直接加熱制成的氫氣和氨的成本。后一種方法仍在開發(fā)中；因此，他們的成本是估計的。此外，如果建造了許多核反應堆，這些成本將會降低，可能會降低 2 倍。如果想解決氣候變化問題，請考慮關注這里。

總而言之，中國的核反應堆可以為中國制造創(chuàng)造廉價的熱量，為中國制造廉價的管道氫氣，并為出口制造廉價的氨。氨出口后，可以轉(zhuǎn)化為氫氣，也可以推入氨燃料電池發(fā)電。

圖 4：現(xiàn)有碳基能源的單位能源批發(fā)成本 ($/GJ)

根據(jù)我們的計算，用中國制造的氨為世界汽車提供動力大約需要 2,000 個 1GWe/2.6GWt 規(guī)模的核反應堆。如果中國的核/加工設備成本為 $3.2K/kWe，那么總成本為 $6.4T，如果分攤 30 年，則為 $220B/yr。但是，如果中國以簡化的流程建造數(shù)千座反應堆，它們的成本可能會降低，可能會降低 2 倍。在這種情況下，人們會考慮 30 年內(nèi)每年 110 美元的設備成本，美國/歐洲的氫氣批發(fā)價格約為 1.29 美元/公斤。

綜上所述，中國的核電可能成為世界脫碳的引擎。

氣候變化是一個自動化問題

如上所述，EIA 經(jīng)濟學家預測美國交通不會脫碳。樂觀主義者可能會認為經(jīng)濟學家是悲觀的，而忽略他們。然而，他們是對的。安裝氫氣、氨氣和/或電動汽車基礎設施非常困難且昂貴。

在從頭開始構建這兩個系統(tǒng)時，報告經(jīng)常將綠色技術與碳技術的成本進行比較。但是，這并不能反映情況。碳系統(tǒng)已經(jīng)建成并支付了費用。我們正在考慮添加一個新系統(tǒng)，并且該成本低于保持舊的碳基系統(tǒng)運行的增量成本。在大多數(shù)情況下，新的綠色在經(jīng)濟上無法對抗現(xiàn)有的碳。這就是經(jīng)濟學家的預測如此悲觀的原因。

政府干預可以提供幫助；然而，由于各種原因，它很少能產(chǎn)生重大影響。

解決這個問題的唯一方法是積極降低綠色選項的成本。而不僅僅是汽車。人們需要降低整個井到輪系統(tǒng)的成本，其中“井”是指一種綠色能源。這需要工廠和現(xiàn)場的自動化。

歸根結底，氣候變化是一個自動化問題。

鑒于大型交通研發(fā)計劃，我們現(xiàn)在將討論工程師可以開發(fā)的一些東西。

自動加油

工程師可以通過使用一種以上的化學品（例如催化劑）來降低每英里成本；給定自動加油系統(tǒng)，機械工程師可以處理任意數(shù)量的化學品。

在這個概念中，駕駛員將兩個車輪放在凹槽（紫色）中，然后將汽車向上移動到標志處（綠松石色）。站臺計算機告訴車載計算機關閉發(fā)動機并置于空檔，以便滾輪（橙色）可以根據(jù)需要移動汽車。加油站和汽車上的艙口（紅色）打開，露出用于傳輸任意數(shù)量化學品的端口和機制；例如氫氣或氨氣，以及催化劑。此外，可以根據(jù)需要去除廢棄化學品。金屬護罩（紫色）可以延伸并覆蓋加油管，以在發(fā)生故障時保護和容納化學品。

例如，如果腔室占用 2 個停車位，尺寸為 3 x 3 x 12 米，那么位于 66% 下方的大型氨罐（綠色）可容納 10K 加侖，并裝滿 330 個汽車油箱，每個 30 加侖大小，如下圖所示。如果這些艙室每 10 天加油一次，那么美國的 2.75 億輛汽車將需要 96.6 萬個艙室。例如，如果安裝每個腔室的零件和人工成本為 50 萬美元，那么 30 年內(nèi)美國的總安裝成本將是 15 億美元/年。

該系統(tǒng)還可以傳輸電力為電動汽車充電。換句話說，它可以是通用的，并且支持不同的技術。然而，并不是每個站點都具備支持每輛車的能力。因此，汽車和系統(tǒng)之間的通信需要將汽車引導至兼容且功能齊全的站點?？傊九_計算機、車載計算機和車輛中的用戶界面控制臺需要協(xié)調(diào)。

自動加油可縮短加油時間、提高安全性、減少與有毒化學品的接觸，并通過支持多種化學品來降低成本。減少占地面積將使人們能夠在高速公路上/下坡道旁以及擁擠街道的停車位加油。這一點很重要，因為在現(xiàn)有擁擠的城市中增加基礎設施需要以最小的干擾來降低成本。

加油硬件的自動安裝

為了降低在全球范圍內(nèi)安裝數(shù)百萬個水下加油裝置的成本，工程師可以開發(fā)一種用于安裝水下燃料室的自動化系統(tǒng)。

安裝需要多輛卡車。例如，一輛卡車可能會切割瀝青、挖掘和移除材料。另一輛卡車可能會將一個腔室放入新挖的空腔中。另一個可能會為一個大型地下油箱加油。

氫燃料電池行業(yè)報告說他們存在先有雞還是先有蛋的問題。在上述概念中，工程師同時控制雞（汽車）和蛋（室），這有助于他們開發(fā)一個與汽油運輸相競爭的系統(tǒng)。

地下管道和電纜的自動化安裝

綠色交通可能由電力、氫氣或氨氣提供動力；由于上面討論的各種挑戰(zhàn)，目前尚不清楚其中哪些將導致。此外，美國政府經(jīng)濟學家預測現(xiàn)有的天然氣/柴油基礎設施將擊敗綠色交通，因為成本更低、更方便，而且已經(jīng)建成。為了應對“已經(jīng)建成”，需要能夠以低成本安裝綠色基礎設施，這包括燃料輸送。

電力可以通過地上或地下電纜輸送，氫氣可以通過地下管道輸送，液氨可以通過地下管道或卡車罐體輸送。

安裝地下電纜和管道通常涉及挖掘街道，這既昂貴又具有破壞性。因此，需要一種用于安裝地下管道和電纜的自動化系統(tǒng)。

我們目前有隧道掘進機，可以為汽車和火車建造隧道。我們需要類似的東西，但對于在 0.2m 到 2m 直徑的隧道中布線的管道和電纜。下圖顯示了這可能如何工作的示例。在這個概念中，隧道內(nèi)襯有一個外護套（灰色），由三個粘合在一起的 PVC 段制成。一個機器人（藍色）既挖掘隧道，又安裝夾克。管道和電纜將主要安裝在道路下，以保護并避開私人土地。

圖 8：汽車和火車隧道

外護套安裝完成后，安裝機器人（綠色）安裝管道和電纜，如上右圖。隧道引導機器人頂部的導軌（紅色），還將電力從地面維護卡車傳輸?shù)綑C器人。在正常操作期間，機器人被移除，并且導軌被斷電。

瀝青港口允許支持卡車進入，如下圖所示。港口可能用鋼板（金）覆蓋，類似于人孔蓋，但呈矩形，大約 5m 長按隧道寬度計算?？ㄜ噷⒁瞥匦紊w板，將機器人（綠色）放入隧道，為軌道通電（紅色），然后向機器人輸送材料。

安裝護套后，通過機器人添加額外的管道或電纜將花費很少。因此，人們希望通過該系統(tǒng)安裝新的天然氣或水管的成本低于傳統(tǒng)的街道開挖成本。換句話說，人們希望對地下水和天然氣管道的需求能夠推動這一進程，以降低安裝額外的氫/氨管道、運輸和一般脫碳的成本。

可更換汽車電池

如上所述，氨和氫的運輸具有多重挑戰(zhàn)?；蛘撸梢钥紤]使用降低成本的電動汽車進行脫碳。

目前，每輛電動汽車都安裝了專有電池，并定期充電?；蛘?，可以使用標準的插入式電池，所有汽車都使用相同的形式，并在不到 1 分鐘的時間內(nèi)更換為新電池。車主將為電動汽車電池消耗的能量和磨損付費。將在關鍵位置挖出空腔，并通過起重機將充電、存儲和交換機制投入使用。汽車將自己定位在機制之上，并且交換將自動發(fā)生。

以更低的成本交易更小的范圍

如上所述，EIA 預計未來 30 年美國交通運輸?shù)?CO 2排放量將保持不變，這主要是由于電動汽車的成本高于天然氣。隨著消耗量急劇增加，稀有材料的成本是否會合作尚不清楚。

由于這些原因，應考慮可更換電池，因為快速簡便的更換使短距離電池更容易被接受。較短的射程有助于避免難以獲得的材料，例如鈷。例如，低檔磷酸鐵鋰 (LFP) 電池比鎳錳鈷 (NMC) 電池便宜，因為 LFP 避免使用鈷（Battle of Batteries.., 2020）。鈉離子電池還通過避免使用稀有材料來換取成本范圍（Sodium-ion Batteries.., 2020）。

如下所示，NREL 預測未來 30 年的每英里成本；用于汽油車、200 英里 EV、300 英里 EV 和 400 英里 EV。正如人們所看到的，較小的范圍與較低的每英里成本相關。不幸的是，由于更多的充電不便，較小的范圍也不太受歡迎。但是，這可以通過交換來解決。

圖 10：NREL 項目未來 30 年的每英里成本

開發(fā)可更換的汽車電池標準成本很低

目前，世界上有定義電池的機械和電氣標準，如下圖所示，這些標準使人們能夠以低成本為小型電器供電。

從理論上講，一個人可以擁有一種看起來類似于特斯拉電池的標準化汽車電池，但所有汽車都在使用它。該標準將定義機械（例如高度、長度和寬度）、電氣連接以及電池和汽車之間的通信。

世界可以用這樣的標準做什么？

為制造標準電動汽車電池的公司創(chuàng)造市場；通過競爭和商品化降低成本。

當消費者使用更便宜的低檔電池時，他們的收費會更少。隨后，許多司機會尋找便宜的低檔電池，除非是在沒有方便更換的長途旅行中。

家庭將在車道上安裝一個房間來容納標準電池。房主將使用多個電池，太陽能在白天充電，電池在晚上為房子供電，房子會根據(jù)需要與汽車交換。

為了推動這一進程，工程師需要開發(fā)以下標準化設備：

機械和電氣可更換電池系統(tǒng)。

電池和充電器之間的通信系統(tǒng)。

汽車與電池交換站之間的通信系統(tǒng)。

電網(wǎng)與汽車顯示面板之間的通信系統(tǒng)。

智能手機用戶界面。

支付系統(tǒng)接口。

不同大小的交換、存儲和充電機制。

開發(fā)一個完整的系統(tǒng)，達到簡單的原型，不會花費太多錢，并且會使世界更接近標準化系統(tǒng)。另一方面，全球部署將是一個龐大的項目，并涉及多重挑戰(zhàn)，包括：

可更換的電動汽車需要比汽油和柴油汽車成本更低，以促進全球接受。

一次為多個電動汽車電池充電需要更多的發(fā)電量和更多的電網(wǎng)。

安裝許多帶有配套電源線的交換室將是一項艱巨的任務。

通過研發(fā)實現(xiàn)交通脫碳

以下是大型交通研發(fā)計劃可以做的幾件事：

開發(fā)低成本氨和氫燃料電池，通過廢熱回收實現(xiàn)高效率。

開發(fā)燃燒氨和/或氫氣的活塞式內(nèi)燃機，通過廢熱回收實現(xiàn)高效率和低污染排放。

與上述相同，但燃氣輪機。

發(fā)展標準化氨、氫罐。

開發(fā)全市氨監(jiān)測和維護系統(tǒng)。

發(fā)展自動加油站。

開發(fā)安裝水下加油裝置的自動化機器。

開發(fā)安裝地下電纜和管道的自動化機器。

開發(fā)標準化的可更換電動汽車電池系統(tǒng)。

不要指望一家公司做上述開發(fā)。在他們獲得收入之前，有太多事情需要發(fā)生。他們會認為這些項目“太大”、“活動部件太多”、“風險太大”等。因此，要推動這一進程，政府或基金會需要支持工程，直到公司找到解決方法獲得投資回報。

信任頂級人物

為了加速研發(fā)，人們可以向在氫、氨、燃料電池等同行評審期刊上廣泛發(fā)表文章的科學家和工程師提供資金。傳統(tǒng)的撥款申請和研究生過程需要時間?；蛘撸藗兛赡軙苯又С猪敿壯芯咳藛T，并相信他們會雇用他們認為富有成效的經(jīng)驗豐富的人員。商學院教授教導說，大多數(shù)成就來自“卓越團隊”。創(chuàng)建這樣的團隊的一種方法是慷慨地支持世界上最多產(chǎn)的研究人員。

結論

工程師需要開發(fā)一種無碳且方便的井到輪系統(tǒng)，其成本低于繼續(xù)燃燒天然氣。如上所述，他們有幾件事對他們有用，也有幾件事對他們不利。有幾種途徑，包括電、氫和氨；所有這些都值得加速探索。

Electric 迫切需要可更換的電池標準，以幫助解決充電不便和昂貴的遠程電池。

基于氨和氫的運輸需要降低成本和支持多種化學品進出的自動加油系統(tǒng)。

分銷基礎設施需要降低成本，以保持較低的消費者成本。這包括開發(fā)安裝地下基礎設施的自動化機器。

研發(fā)費用相對較少；然而，為全球 15 億輛汽車部署完善的基礎設施是一項艱巨的任務。

審核編輯：郭婷