本文最初发布于 Knowable Magazine。
随着世界竞相实现从电网到工业的全面脱碳，交通运输面临着特殊的问题——交通运输本身就占我们星球能源相关温室气体排放量的约四分之一。交通运输的燃料不仅需要绿色、廉价、强劲，还需要足够轻便安全，便于携带。
化石燃料——主要是汽油和柴油——在为各种移动机器提供动力方面发挥了非凡的作用。自工业革命以来，人类已经掌握了开采、提炼、分销和在发动机中燃烧这些燃料的艺术，从而创造了一个庞大而难以撼动的产业。现在，我们必须摆脱化石燃料，而世界发现没有一种“一刀切”的替代方案。
每种运输方式都有其独特性——这也是为什么我们今天会有从汽油到柴油、船用燃料油和航空燃油等不同配方的碳氢化合物。汽车需要一种方便、轻便的动力源；集装箱船需要足够的动力来维持数月的航程；飞机则绝对需要可靠，并能在零度以下的温度下工作。随着化石燃料的逐步淘汰，交通燃料的格局“变得越来越多样化”，加州大学伯克利分校交通运输可持续性研究中心联合主任 Timothy Lipman 表示。
每种能源解决方案都有其优点和缺点。电池效率很高，但重量是个问题。氢气——宇宙中最轻的元素——能量密度非常高，但“绿色”制造成本昂贵，而且作为气体，它占用空间很大。携带氢气的液体燃料可能更容易运输或直接注入现有发动机，但氨有毒，生物燃料供应短缺，合成碳氢化合物难以生产。
这场能源转型的规模是巨大的，而且世界将需要大量的可再生能源来制造所需的电力和替代燃料，这“有点令人难以置信”，科罗拉多州国家可再生能源实验室燃料电池和氢能技术项目经理、机械工程师 Keith Wipke 说。从电网、建筑到工业，一切都对可再生能源的需求量很大：据估计，到 2050 年，全球总电力需求可能会翻一番以上。幸运的是，分析表明，可再生能源能够胜任这项任务。“我们需要百分之百地踩下可再生能源的油门，越快越好，而且所有的能源都会被利用，”Wipke 说。
为了将地球升温控制在 1.5 摄氏度以下并限制气候变化的一些最严重影响，政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议世界在 2050 年实现净零排放——这意味着无论我们排放多少温室气体，都要通过森林或碳捕获等其他方式将其去除。包括总部位于巴黎、分析全球能源行业的政府间组织国际能源署（IEA）在内的多个组织，已经规划了能够帮助世界实现净零排放的路径。
国际能源署的路径描述了整个世界范围内的、一项艰巨的、难以实施的转变，包括所有类型的交通运输。其目标是：用更可持续的能源，如绿色氢气或生物燃料（这些能源要么根本不产生温室气体，要么回收已存在于空气中的温室气体），来取代化石燃料（这些燃料会将已捕获的碳释放到空气中，对气候造成严重破坏）。
尽管一些交通运输部门仍在变化中，但我们现在已经可以相当清楚地看到，未来 Ships、飞机、火车和汽车可能会由什么来提供动力。以下是未来的一瞥。
汽车
公路客运车辆（包括出租车、公交车和摩托车）加起来占全球交通运输排放量的最大部分，约占 45%。
今天，电动电池显然是轻型交通运输的首选。 （当然，要减少排放，你需要一个绿色、可再生的电网来提供电力；这一转变独立于交通运输发生。）十多个国家已经宣布，所有新车必须在 2035 年或更早的时间实现电动化，我们正朝着这个目标前进：2023 年售出了约 1400 万辆电动汽车，占新车销量的约 18%。但这并非一帆风顺。“你从失败中获得的教训比从成功中获得的要多，”Wipke 说：“一路走来，有很多经验教训。”
令人惊讶的是，电动汽车可以追溯到 19 世纪 80 年代，当时它们很受欢迎，因为它们比汽油版汽车更简单、更安静、气味也更好。直到 20 世纪初亨利·福特（Henry Ford）的 Model T 发明，燃油汽车才脱颖而出；它们的价格不到当时电动跑车的一半，并且覆盖范围更广。它们大受欢迎：如今，马路上有超过十亿辆汽油驱动的汽车。
21 世纪初，氢燃料电池似乎将成为汽车脱碳的解决方案。这些化学电池装有氢气，然后像电池一样运行——将氢气与空气中的氧气结合产生电力和水。换用燃料电池将使驾驶员获得与他们习惯的类似的使用方式：能够在几分钟内加满燃料，续航里程可达数百英里。“想法是，让我们不要让人们牺牲或改变他们的行为。让我们给他们提供一种类似汽油的东西，只是燃料不同，”Wipke 说。
但存在问题，主要是建立氢气加气站网络的后勤挑战，以及以绿色方式生产所有所需氢气的经济性。“最大的问题不是车辆——车辆很棒。是基础设施，”Lipman 说。
面对这些问题，电池汽车在市场上超越了燃料电池，尽管电动汽车的早期版本在续航里程和充电时间上都面临挑战，有时需要数小时甚至数十小时才能充满电。能够直接插入现有电力基础设施这一点是一个巨大的优势。而且电池的整体效率很高——你不会通过先制造燃料再为汽车供电的多个步骤来损失能量。此外，研发有望带来更好、更便宜的电池。
挑战在于实现高能量密度（更轻的电池意味着更轻的汽车，每英里消耗的能量更少，因此一次充电可以行驶更远），同时保持电池的廉价、安全、快速充电、能够提供爆发性加速，并在宽温度范围内运行。如今，大多数电动汽车由锂离子电池供电，这些电池取得了长足的进步并且仍在改进。自 1991 年首次商业化以来，其平均重量能量密度翻了一番多，价格下降了一个数量级。但它们的性能有极限，并且在电池需求飙升的情况下，锂金属容易出现价格波动。因此，研究人员和公司正在追求电池技术的两项重大变革。
截至 2023 年，一些中国公司已开始批量生产钠离子电池。钠含量丰富——它是地球上第六大最常见的元素——因此比锂便宜得多，是经济型电动汽车的绝佳选择。缺点是钠比锂重——每个原子重 3.3 倍——这限制了任何给定电池重量中可以储存的能量。换句话说，这些电池很重。预计中国钠电池汽车的售价约为 10,000 美元，但续航里程仅为 150 英里左右。相比之下，例如特斯拉 Model 3（配备现代锂离子电池），售价是前者的四倍多，但续航里程是前者的两倍多。
汽车公司还开始承诺在未来五年内推出固态电池。固态电池之所以得名，是因为它们用一层薄薄的陶瓷或聚合物固体取代了锂离子电池中通常的液体。这个看似微小的变化提供了安全优势，并为电池的电极末端提供了更好的选择。因此，固态电池有望实现更高的能量密度，尽管它们尚未进入汽车市场。到 2027-28 年，丰田计划推出一款配备固态电池的汽车，一次充电续航里程超过 600 英里。
总体而言，专家预计到 2050 年道路上将充满电动汽车，但这些汽车将采用各种不同类型的电池，以满足不同用户群体的需求：价格或性能。我们将需要大量的电池。根据国际能源署到 2050 年实现净零排放的路径，到 2030 年，60% 的新车销量将是电动汽车，这需要每年启动近 20 座吉瓦级电池工厂。这是一项艰巨但可行的任务。
卡车
公路货运车辆——包括大型半挂卡车——占交通运输排放量的第二大份额，占近 30%。对于这些重型公路车辆，尤其是长途运输车辆，目前一种首选的解决方案可以追溯到汽车脱碳的最初计划：燃料电池。
假设你有一辆 18 轮的卡车，载重 80,000 磅，需要行驶 500 到 600 英里。“在电池中储存如此大的能量可能需要高达 10,000 磅的电池，”Wipke 说，“而 1,000 到 2,000 磅的氢气储存（包括燃料电池）就足够了。”而且氢气罐可以在几分钟内加满。这使得卡车运输公司更容易处理，而且重量减轻意味着所需的能量更少。
与电池一样，燃料电池自发明以来也得到了改进。“在过去 20 年里，氢气在技术上取得了很大进步，”Wipke 说。例如，汽车中氢气可以储存的压力翻了一番，因此在给定空间内可以装载更多的燃料。设计师们已经克服了燃料电池内部水结冰并导致其损坏的问题。
尽管 1937 年兴登堡飞艇灾难的熊熊大火给氢气燃料留下了持久的坏名声，但专家指出，所有燃料都是易燃的。研究人员通常认为，一辆制造良好的氢气汽车的风险与汽油汽车大致相同——例如，氢气非常轻，如果发生碰撞或泄漏，它会迅速向上漂浮。Wipke 指出，氢气加气站还有故障安全技术，可以防止任何人随意喷洒——而汽油加气站则没有。但氢气加气站很难做到可靠。“有压缩机，有流量阀。结果，会有更多东西会坏掉，”Wipke 说。
随着燃料电池使用量的增加，这些问题应该会得到解决。今年 5 月，总部位于亚特兰大的非营利组织交通与环境中心（Center for Transportation and the Environment）启动了迄今为止世界上最大的氢气加气站。该加气站位于加利福尼亚州伯克利附近，旨在为 30 辆将集装箱和汽车从奥克兰港运往下一站的卡车提供动力。Lipman 参与其中，他的团队正在对该加气站的可靠性和使用情况进行所有计算，并监督卡车本身。他说，如果一切顺利，它将扩展。“我们希望在 10 年内拥有数千辆卡车。”
加利福尼亚并非唯一一个致力于氢气的州。截至 2023 年，美国能源部已向区域清洁氢中心计划投资 80 亿美元，建立了多达 10 个可以生产和分发氢燃料的中心。在全球范围内，2022 年道路运输中的氢气使用量比 2021 年增加了约 45%（尽管这仍然只是全球数万辆卡车和公交车）。
然而，一个巨大的挑战是以绿色方式生产所有所需的氢气。尽管氢气储量丰富（它是宇宙中最丰富的元素），而且有一些天然的地质矿藏可以开采，但生产纯净、浓缩的供应需要能源。生产氢气最便宜的方法是蒸汽重整化石燃料，但这会产生二氧化碳。最清洁的方法是利用可再生电力将水分解成氢气和氧气，但制造这种“绿色氢气”的成本要高得多。
截至 2022 年，氢气需求量接近 1 亿公吨，但其中不到 1% 是以低排放方式生产的。根据国际能源署的净零排放路径，到 2030 年，世界将需要两倍于此量的氢气作为燃料，其中包括 1100 万公吨用于交通运输的纯氢能源。国际能源署记录了对绿色氢气的大量政治支持，以及低排放氢气生产项目公告率的急剧增加，这些都是好消息。但该机构指出，实际的、现实世界的部署“并未起飞”，需要更多的政策支持才能使其步入正轨。
火车
根据国际能源署的数据，铁路已经是电气化程度最高的交通运输子行业，仅占交通运输排放量的 1%，是这几类中最小、问题也最容易解决的。
与卡车一样，火车也是需要大量动力的“重型野兽”。但许多火车已经通过电线或轨道运行。其他火车使用燃料，通常是柴油，但会在车上将其转化为电力，以驱动电动机（其扭矩优于燃油发动机）。将柴油替换为其他东西（如氢气或电池）来为已有的电动机提供动力，这是一个相对简单的步骤。“火车很容易实现电气化，”分析非营利组织落基山研究所（Rocky Mountain Institute）脱碳工作的化学工程师 Hartej Singh 说。
国际能源署表示，扩大电气化铁路是一个好主意——特别是如果它能取代航空旅行的话。如今，乘客在火车上旅行的每英里排放量平均是飞机旅行相同距离的五分之一。但是，国际能源署指出，铺设新的电气化铁路线是一项昂贵的投资。
轮船
航运——占交通运输排放量的约 10%——在加燃料之前需要长距离航行和长时间运行：跨越大洋需要长达数周、数千英里的航程。
目前，航运主要使用燃料油——一种高硫的化石燃料变体，通常被描述为石油桶底部剩余的渣滓。但这种情况正在迅速改变，这要归功于国际海事组织（IMO）在 2023 年通过的到 2050 年实现净零排放的目标。“这基本上意味着整个全球船队都需要从化石燃料转型，”研究航运的伦敦大学学院工程师 Tristan Smith 说。目前，全球船队中只有 1.2% 的船只使用低排放燃料，但 21% 的新船订单设计成使用这些替代燃料。Smith 认为，航运业要达到目标，道路清晰可见。
目前，一种流行的低排放替代品是生物甲醇（由植物制成）。但 Smith 认为，这只是一个短期干扰：没有足够的土地来种植足够的生物燃料原料来满足全球船队的需求。从长远来看，他押注氨——NH3——是最佳解决方案。
这是一种富含氢气的液体燃料，能量巨大。此外，我们已经知道如何生产和运输它；全球每年生产约 1.5 亿公吨，主要用于化肥。Smith 指出，尽管氨含有氢气作为成分，但与纯氢气相比，氨实际上更便宜，因为纯氢气需要额外的能源和成本来加压和冷藏储存。相比之下，氨相对容易保持液态。而且，尽管氨比化石燃料需要更多的储存空间，但这对船只来说比对汽车等更不重要。
不过，你必须重新设计发动机才能使用氨。氨不易点燃，发动机需要催化剂来去除其他污染物，例如温室气体氧化亚氮。所有这些都在被攻克：由澳大利亚矿业和绿色能源公司 Fortescue 运营的 Green Pioneer 是第一艘试验氨燃烧发动机（混合少量柴油）的船只，还包括加气策略和安全规程。Smith 说，氨的主要问题在于它有毒，所以泄漏会很糟糕。总而言之，Smith 认为氨的前景一片光明。“我们可以预见到，从明年年中开始，（氨发动机船只的）订单将会爆发，”他说。
氨将进一步加剧对绿色氢气的需求。到 2030 年，国际能源署预计，除了 1100 万公吨用于交通运输的纯氢气外，还需要额外 800 万公吨氢气用于氨基运输燃料。Smith 说，已有数十亿美元的投资被投入到绿色氨中。“我们需要大量的资金。”
还有其他减少船舶排放的方法——包括从一开始就少运输货物，改进物流以缩短航程，设计更光滑的船体，甚至安装现代化的风帆。这包括奇怪的旋转柱，称为 Flettner 转子，它们可以帮助船舶像旋转的棒球在空中横向移动一样推进。所有这些都有助于减轻航运业的碳负担。
飞机
航空可能是最难脱碳的行业，约占交通运输排放量的 12%。飞机必须克服重力，所以它不能携带太重的燃料。燃料不能占用太多空间，需要在高空遇到的零度以下温度下工作，最重要的是，它必须可靠。“如果卡车或汽车失去动力而滑到路边，那是一回事。如果你在空中失去动力，那情况就大不相同了，”Wipke 说。
2022 年，联合国国际民用航空组织（ICAO）承诺该行业到 2050 年实现碳中和，因此，用更清洁的燃料——可持续航空燃料——来替代目前的煤油的竞赛已经开始。这些燃料大多数仍然会从尾气中排放二氧化碳，但由于许多是由从空气中吸收二氧化碳的物质（如植物）制成的，因此净效应可以将排放量至少减少一半，甚至几乎完全消除。截至 2022 年，航空业使用了约 3 亿至 4.5 亿升“可持续燃料”——但这不到总市场的 0.15%。
目前，可持续燃料最具成本效益的选择是由脂肪、油和油脂（如废食用油）制成的生物燃料，这些物质经过化学转化制成煤油。RMI 专注于航空燃料的工程师 Singh 表示，这是一项成熟的、已实现商业化的技术。**但从长远来看，这种原料根本不够。“到 2050 年，我们可能只能满足约 6% 的需求，”Singh 说。**
下一个选择是由林业残余物（如枯枝落叶或坚果壳）制成的生物燃料。这种原料可以提供与废油相似的燃料量，但化学转化更为复杂；Singh 所知一家试图将其商业化的公司最近关闭了其最大的工厂。
可持续航空燃料的一个长期选择是从回收的空气中制造碳氢化合物。这些合成燃料（有时称为动力转液体燃料，或 e-fuels）从空气中捕获二氧化碳，并将其碳与低排放氢气（是的，又一种低排放氢气）结合。所谓的直接空气捕获装置是工业设施，它们使用液体或固体像海绵一样从周围空气中吸收二氧化碳。这些装置目前才开始大规模商业化运营：地球上第一个兆吨级装置——每年从空气中吸收约 50 万公吨二氧化碳——应于 2025 年在德克萨斯州启用。
直接燃烧氢气也是一个可能的长期选择，无论是通过发动机燃烧（NASA 发射火箭的方式）还是通过燃料电池运行。但这需要特殊的油箱来在高压和低温下储存氢气，以便将其装载到飞机上。“你需要重新配置我们对飞机设计的整个思考方式，”Singh 说。几家公司正在非常认真地考虑氢动力飞行的可能性，包括 Joby Aviation 的子公司 H2FLY，该公司于 2023 年 9 月进行了小型演示氢动力飞机的试飞。空中客车（Airbus）及其合作伙伴目前正致力于在法国图卢兹建造一个液氢机场加油设施。
“我认为我们低估了工程师的这项技能，”Smith 说，他认为氨动力船舶发动机和氢燃料电池动力飞机所面临的困难是可以克服的障碍。“你只需要让一些优秀的工程师来负责一个项目，他们就会系统地解决所有问题。”
电池也是一种可能性，特别是对于较短、较小的飞行，例如电动垂直起降飞行器（eVTOLs）——本质上是飞行出租车。现在正在进行许多关于难以实现的电池的研究，但它们具有惊人的潜力。例如，锂空气电池可以将空气中的氧气作为一种重要的电极成分带入，这使得它们非常轻便，非常适合航空。
“我们需要将此视为一个拼图，”Singh 说，不同的碎片填补了问题的不同部分。电池可能最终会为短途飞行提供动力，而燃料电池则负责区域交通，可持续燃料则用于那些难以电气化的长途飞行。
事实上，整个交通运输领域就像一个拼图，需要许多碎片才能拼凑出一幅尚未完全清晰的画面。“我无法比其他人更好地预见未来，否则我可能现在就已经退休了，”Wipke 说。“但我真的很喜欢看着事物不断发展。发展的速度是巨大的。”
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
