绿色氢气可以为未来的客运和货运提供动力
密歇根大学的一项研究表明，绿色氢能正在成为实现交通脱碳的重要潜在解决方案，但新的能源效率研究结果表明，它应该在重型公路、铁路、航空和海上运输中战略性地使用。绿色氢能是通过可再生能源电解水分解成氢和氧而产生的。它可以直接使用，也可以用于合成燃料（也称为电子燃料），从而实现公路、铁路、海运和航空运输的脱碳。交通运输行业约占全球化石燃料二氧化碳排放量的 22%，占美国化石燃料二氧化碳排放量的 37%。
研究人员表示，为了缓解气候变化，交通运输（包括客运和货运）脱碳至关重要。他们计算了直接或间接使用绿色氢作为电子燃料为飞机、火车、汽车和轮船提供动力的整个系统能源效率。系统能源效率衡量的是地面模式下驱动车轮和飞机和轮船推力所用的能量与所投入的可再生电能总量之比。
密歇根大学的研究人员考虑了在发动机或燃料电池中直接使用氢气，以及以电子燃料（如电子汽油、电子柴油、电子喷气燃料、电子甲醇和电子氨）的形式间接使用氢气。将这些用途与电池电力选项进行比较，他们发现，氢气或电子燃料在生产、储存、运输、分配和使用过程中的系统效率低下导致初始电输入的能量损失约 80%-90%。
相比之下，电力运输的效率比直接使用氢气或电子燃料高出三到八倍。他们的研究结果将于 8 月 7 日在线发表，并于 8 月 21 日在《焦耳》杂志上印刷发表。
“鉴于气候变化带来的不利影响，我们迫切需要实现交通运输脱碳，而且这种影响只会加剧，”该论文的资深作者、密歇根大学 MI 氢能计划联席主任 Greg Keoleian 表示。“我们通过研究能量学来研究氢能可以发挥作用的地方，以帮助指导部署，同时考虑成本、加油时间、续航里程和安全性等其他因素。”
这项研究是密歇根大学 MI 氢能计划的一部分，该计划旨在促进密歇根大学研究人员、社区团体、政府和行业合作伙伴之间的合作，以创造加速清洁能源转型的氢能解决方案。研究团队包括可持续系统中心、密歇根工程学院航空航天工程系和船舶与海洋工程系的科学家。
“我们发现，美国的可再生电力不足以支持轻型车辆的氢气生产。绿色氢气应在重型公路、铁路、航空和海上运输中战略性地使用，因为这些运输方式的电力替代品受到负载和续航里程的限制，”该报告的第一作者、密歇根大学环境与可持续发展学院可持续系统中心的研究专家蒂姆·沃灵顿 (Tim Wallington) 表示。
然而，沃林顿表示，电池不适用于需要长途运输的重型运输车辆。电池太重太大，无法为超过 200 英里的飞行提供动力，无法将货轮送过海洋，也无法为穿越大陆的火车提供动力。
研究人员表示，对于这些重型运输应用来说，氢气或电子燃料更适合作为能源。使用氢气作为直接燃料来源需要对燃料和基础设施进行大规模改造。使用基于氢的电子燃料可以避免这些改变，但在大多数情况下，它们的能源效率比直接使用绿色氢气低约 20%-50%。
为了表征系统效率并可视化每条氢路径的能量输入和损失，研究团队开发了一组 25 个桑基图。这些图从可再生电力输入开始，跟踪氢气生产和输送过程中的能量流动，直至燃料电池、内燃机或飞机的涡轮风扇等最终用途。这些氢路径与另一组 6 张所有电动选项的图表进行了比较。
研究人员还测量了每条氢路径的能量强度，即所有主要交通方式运输每吨英里的货物或每客英里的人员所需的可再生能源量。
“我们发现，这里的趋势遵循石油基运输的能源强度趋势：使用氢气，铁路和航运效率最高，而飞机效率最低，因为你必须将重量保持在空中，”可持续系统教授 Keoleian 说。“从可持续交通的角度来看，你会希望使用最高效和能源密集程度最低的交通方式。可再生电力是一种稀缺资源，所以我们必须明智地使用它”
该研究的共同作者包括可持续系统中心的博士生马克斯韦尔·伍迪 (Maxwell Woody) 和研究专家杰弗里·刘易斯 (Geoffrey Lewis)、密歇根大学航空航天工程系的博士生埃坦·阿德勒 (Eytan Adler) 和教授若阿金·马丁斯 (Joaquim Martins) 以及船舶与海洋工程教授马修·科莱特 (Matthew Collette)。
更多信息： Timothy J. Wallington 等人，《绿色氢能路径、地面、空中和海上运输的能源效率和强度》，Joule (2024)。DOI ：10.1016/j.joule.2024.07.012
期刊信息： 焦耳
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