科创中国

道路交通是全球二氧化碳减排的重要部门，多元化清洁燃料供给与动力系统零碳化/低碳化协同发展被视为其实现深度减排以及净零排放的主要路径。汽车产业加速电动化转型背景下，受限于动力电池重量、低温性能、充电速度、安全性等因素，电动化并不适用于所有场景。生物质、氢基燃料等作为“绿色燃料”越来越受到各国的关注，成为交通低碳发展的可选路径，与此同时，内燃机也迎来转型升级的新机遇。

总体上看，传统内燃机的脱碳转型路径主要分为两条：

第一条是燃料碳中和，主要特征为燃料仍含碳，但可实现燃料生命周期的碳中和，且不用改变现有的燃料供给体系和内燃机制造产业链，主要包括以生物乙醇、生物柴油为代表的生物质燃料，和以合成甲醇、合成汽油、合成柴油为代表的电力合成燃料（e-fuel）；

第二条是下一代零碳内燃机，使用绿氢/绿氨作为燃料，主要特征为燃料不含碳，使用端和生命周期均可实现零碳排放，其发展依赖于氢/氨内燃机的技术开发和燃料成本的下降，同时将重塑现有的燃料供给体系和内燃机制造产业链。

路径一：燃料碳中和

01生物质燃料

制备技术正处于1代向2代、3代升级转换期，仍面临技术瓶颈、原料来源受限、成本较高等问题。作为汽油的替代燃料，生物乙醇多与汽油掺混使用，我国生物乙醇目前主要以玉米作为主要原料，掺混比例为10%，下一代纤维素生物乙醇的发展仍需突破乙醇用酶等关键技术。生物柴油作为柴油的替代燃料，目前以植物油脂（棕榈油、菜籽油等）、废弃动物油脂、废弃油脂（地沟油、工厂油等）为主要原料，存在原材料来源分散、回收难度大、短期内经济可行性差等问题。

02电力合成燃料

技术相对成熟但成本高昂，尚未大规模生产，且能量转化效率较低决定其应用场景受限。电力合成燃料（e-fuel）由水电解生成的氢气与直接从空气捕集的二氧化碳，通过催化反应得到甲醇、汽油和柴油等合成液体燃料。直接合成甲醇、甲醇制汽油（MTG）和F-T合成柴油是三种较为成熟的合成技术。但目前e-fuel的成本远高于市售汽油/柴油燃料，同时受e-fuel的合成工艺流程长、内燃机热效率天花板等因素影响，燃用e-fuel的内燃机整体能量转换效率（从可再生电力至车端使用）约15%，仅为纯电动车能量转换效率的1/5，能源消耗较大，应用场景受限，未来仍需进行大幅降本才能使其具备价格竞争力。

对于生物质燃料、电力合成燃料等碳中和燃料的推广应用建议立足我国的能源资源禀赋，采取更开放的态度，鼓励部分资源有优势、具备一定产业基础的区域有序推进，让市场选择兼顾能源效率和成本的燃料。

路径二：下一代零碳内燃机

下一代零碳内燃机以氢或氨作为燃料，可实现车辆终端运行零碳排放。相比乘用车，零碳内燃机在商用车的应用潜力会更大，在需要大马力、长续航的应用场景具有一定优势。与氨内燃机相比，氢内燃机的技术研发和产业基础更加成熟，会是率先发展的技术路线。

可再生能源+电解水制氢是零碳燃料发展的必然趋势，未来降本空间较大，氨可作为氢长距离运输的潜在载体之一。我国作为全球第一大产氢国，每年氢气产量超过3000万吨，但几乎全部为灰氢。随着碱性电解水制氢（AEC）、质子交换膜电解水制氢（PEMEC）、固体氧化物电解水制氢 （SOEC）等电解技术的进步，以及管道、液氢等大规模运输方式的应用，未来绿氢制备约有80%降本空间，预计到2030年绿氢的终端使用价格有望达到20元/kg，将在车辆应用端具备成本优势。氨作为氢储存的重要载体之一，在储氢密度、储运安全方面具备一定优势，可助力零碳燃料的发展。但中国作为氨的净进口国，并不具备很强的资源禀赋，同时需兼顾粮食安全问题（合成氨主要用于制造化肥），因此我国大规模推广氨能将面临一定挑战。

氢内燃机拥有更强的成本优势和产业链基础，长期来看，是可与燃料电池并存的车用动力方案。氢内燃机在动力性能方面不逊于传统内燃机，且具有更高的热效率。目前氢内燃机样机的有效热效率可以达到35%~45%，随着大流量喷嘴、点火系统、排放后处理、氢脆及氢损伤的抑制等关键技术环节的突破进步，氢内燃机的系统可靠性将进一步提升。与氢燃料电池相比，氢内燃机在制造成本、耐久性、空间要求等方面更具优势，对氢气纯度要求更低，且在效率、尾气、性能、补能等方面也没有显著劣势。同为零碳车用动力，是可与燃料电池长期并存的车用动力方案。

氢能供应体系需要兼顾氢内燃机汽车和氢燃料电池汽车补能需求。在当前的灰氢阶段，可以考虑高压（70MPa）气氢和液氢的技术路线，特别是液化过程可提高纯度、去除杂质，同时适应氢内燃机和燃料电池的使用；在未来绿氢阶段，氢气成品纯度很高，可同时满足燃料电池和氢内燃机使用要求，供应体系共享也可减少重复投资。

氨内燃机开发难度较大，作为单一燃料动力使用的难度较高，融合燃料、混合动力是可能的解决方案。氨的燃烧特性、喷雾特性、排放特性等与氢、汽油等有显著差异，其内燃机需要全新基础研究，着火难、燃烧慢是氨内燃机需要解决的关键科学问题，可采取与其他燃料掺烧或多点预混的创新燃烧方式改善氨的燃烧效果。基于以上原因，氨作为单一燃料动力使用的难度较高，氢氨融合是一个可以尝试的技术路线，但其工况范围仍会有局限性，部分应用需要混动系统支持。因此，采用热-电混合动力系统，将氢氨燃料内燃机与电驱动系统集成、优势互补，形成氢氨融合的增程式混合动力系统是氨内燃机的重要研发方向，以实现车载氨能/氢能的高效利用。

 

来源：汽车学会微信公众号