世界各地的人们都依靠卡车运送他们需要的货物，而所谓的长途卡车在这些供应链中发挥着关键作用。在美国，长途卡车在2022年运送了全部货物的71%。但这些长途卡车是严重的污染者，尤其是威胁全球气候的碳排放。根据美国环境保护署的估计，到2022年，超过3%的二氧化碳排放量来自长途卡车。
问题是，长途卡车几乎完全使用柴油，燃烧柴油会释放出大量的二氧化碳和其他碳排放。预计到2050年，全球货运需求将增加一倍，因此找到另一种能源，既能满足长途卡车的需求，又能减少它们的碳排放，这一点至关重要。而且转换为新燃料的成本一定不会太高。“卡车是现代供应链中不可或缺的一部分，卡车运输成本的任何增加都会被普遍感受到，”霍伊特酒店化学工程教授、麻省理工学院能源倡议主任威廉·h·格林(William H. Green)指出。
在过去的一年里，格林和他的研究团队一直在寻找一种低成本、更清洁的柴油替代品。寻找替代品是很困难的，因为柴油很好地满足了卡车运输业的需求。首先，柴油具有高能量密度，即每磅燃料的能量含量。法律对卡车的总重量和货物有限制，所以使用重量较轻的能源可以让卡车携带更多的有效载荷——考虑到货运行业的低利润率，这是一个重要的考虑因素。此外，柴油在全国各地的零售加油站都很容易买到，这对司机来说是一个重要的资源，他们可能一天行驶600英里，睡在他们的卡车里，而不是回到他们的家。最后，柴油是一种液体，所以很容易分发到加油站，然后泵入卡车。
过去的研究已经研究了许多为长途卡车提供动力的替代技术方案，但没有出现明显的赢家。现在，格林和他的团队基于对所涉及的技术和长途卡车的典型操作的一致和现实的假设，并假设没有补贴来改变成本平衡，对可用的选择进行了评估。他们对将长途卡车转换为电池供电的深入分析(总结如下)发现，在短期内成本高，排放收益微不足道。从生物质中提取甲醇和其他液体燃料的研究正在进行中，但一个主要的问题是，世界能否在不破坏生态系统的情况下种植和收获足够的生物质来生产生物燃料。对氢的分析——也总结在下面——强调了使用这种清洁燃烧燃料的具体挑战，它在常温下是气体。
最后，该团队确定了一种方法，可以使氢燃料成为长途卡车的一种有前途的低成本选择。而且，格林说，“这可能是大多数人都没有意识到的一个选择。”它涉及到一种使用材料的新方法，这种材料可以收集氢，储存它，然后在需要的时候和地方释放它，作为清洁燃烧的燃料。
定义挑战:一个现实的驾驶周期，加上柴油值击败
麻省理工学院的研究人员认为，对于清理长途卡车运输的最佳方式缺乏共识，可能有一个简单的解释:不同的分析是基于对长途卡车驾驶行为的不同假设。事实上，其中一些并不能准确地代表实际的长途飞行。因此，麻省理工学院团队的第一个任务是为美国实际的长途卡车操作定义一个具有代表性的、现实的“驾驶循环”。然后，麻省理工学院的研究人员——以及其他地方的研究人员——可以根据建模和模拟分析中的一组一致的假设，评估潜在的替代燃料和发动机。
为了确定长途操作的驾驶周期，麻省理工学院的团队使用了一种系统的方法来分析长达58000英里的实际驾驶数据。他们研究了10个特征，并确定了对能源需求、燃料消耗和碳排放影响最大的三个特征:每日行驶里程、车速和道路坡度。出现的代表性驾驶循环涵盖了600英里的距离，平均车速为每小时55英里，道路等级从负6%到正6%不等。
下一步是为传统柴油“动力系统”的性能生成关键值，即在发动机中产生动力并将其传递给地面车轮的所有部件。基于他们定义的驱动循环，研究人员模拟了传统柴油卡车的性能，生成了燃料消耗、二氧化碳排放、成本和其他性能参数的“基准”。
现在，他们可以基于相同的驱动循环假设，对可能的替代燃料和动力系统进行并行模拟，以了解成本、碳排放和其他性能参数与柴油基准相比如何。
电池供电的选择
当考虑如何使长途卡车脱碳时，首先想到的自然是电池。毕竟，电动汽车和皮卡已经证明是非常成功的。为什么不改用电池供电的长途卡车呢?化学工程研究生萨扬迪普·比斯瓦斯(Sayandeep Biswas)说:“再一次，文献分歧很大，一些研究说这是有史以来最好的主意，而另一些研究说这毫无意义。”
为了评估电池电力的选择，麻省理工学院的研究人员使用了一个基于物理的车辆模型，加上对电池组、发电机、电机等关键部件效率的充分记录估计。假设前面描述的驱动循环，他们确定了操作参数，包括电池-电力系统需要多少电力。从那里，他们可以计算出电池的尺寸和重量，以满足电池电动卡车的电力需求。
结果令人沮丧。在不充电的情况下提供足够的能量行驶600英里需要一个2兆瓦时的电池。化学工程专业的研究生Kariana Moreno Sader说:“这很多。”“这相当于两个美国家庭平均每月的消费。”这种电池的重量将大大减少可携带的有效载荷。一辆空的柴油卡车通常重2万磅。法定重量上限是8万磅，可容纳6万磅的有效载荷。2兆瓦时的电池将重约2.7万磅——大大降低了携带有效载荷的允许容量。
考虑到这种“有效载荷损失”，研究人员计算出，大约需要四辆电动卡车来取代目前每三辆柴油动力卡车。此外，每增加一辆卡车就需要增加一名司机。这对运营费用的影响将是巨大的。
分析转向纯电动长途卡车可能带来的减排，也带来了令人失望的结果。有人可能会认为用电会消除二氧化碳的排放。但当研究人员把与发电有关的排放也计算在内时，情况就不一样了。
“纯电动卡车的清洁程度取决于为其充电的电力，”莫雷诺?萨德尔指出。大多数时候，长途卡车司机将从国家电网充电，而不是专门的可再生能源工厂。根据能源信息署的统计数据，化石燃料占目前美国电网的60%以上，因此电动卡车仍然要对大量的碳排放负责。为卡车生产电池将产生额外的二氧化碳排放。
建设充电基础设施将需要大量的前期资本投资，升级现有电网以可靠地满足长途运输部门的额外能源需求也是如此。实现这些改变将是昂贵和耗时的，这进一步引发了人们对电气化作为长途货运脱碳手段的担忧。
简而言之，将今天的长途柴油卡车转换为电池电力将大大增加货运行业的成本，并且在短期内可以忽略碳排放的好处。假设不同类型的电池以及其他驱动循环的分析得出了类似的结果。
然而，研究人员对电网的未来发展持乐观态度。“从长远来看，比如到2050年左右，电网的排放量预计将不到现在的一半，”莫雷诺·萨德尔说。“当我们根据这一预测进行计算时，我们发现纯电动卡车的排放量将比我们根据今天的电网计算的排放量低40%左右。”
对于Moreno Sader来说，麻省理工学院研究的目标是帮助“引导行业做出最佳选择”。带着这个目标，她和她的同事们现在正在研究不同情况下的电池电动选择——例如，假设电池交换(耗尽的电池不充电，而是用充满电的电池代替)，短途卡车运输，以及其他可能产生更具成本竞争力的结果的应用，即使是在短期内。
一个很有前途的选择:氢
随着全世界都在寻求摆脱对化石燃料的依赖，很多注意力都集中在氢上。氢燃料是否能替代目前使用柴油的长途卡车?
为了找到答案，麻省理工学院的研究小组对氢的选择进行了详细的分析。比斯瓦斯说:“我们认为氢可以解决电池电力带来的许多问题。”它没有相关的二氧化碳排放。它的能量密度要高得多，因此不会产生沉重电池带来的重量问题。此外，现有的压缩技术可以将足够的氢燃料放入一个常规尺寸的油箱中，以覆盖所需的距离和范围。他表示:“实际上，你可以给司机提供他们想要的续航里程。”“‘里程焦虑’不是问题。”
但是，尽管在长途卡车运输中使用氢可以减少碳排放，但它的成本远远高于柴油。根据对氢气的详细分析，研究人员得出结论，产生成本的主要来源是运输成本。氢气可以在化学设施中制造，但随后需要将其分发到全国各地的加氢站。传统上，氢的运输主要有两种方式:压缩气体和低温液体。正如比斯瓦斯所指出的，前者是“超高压”，后者是“超低温”。研究人员的计算表明，运送氢气的成本中有多达80%是由于运输和加油，此外，还需要建立专门的加氢站，以满足新的环境和安全标准，以处理氢气作为压缩气体或低温液体。
在摒弃了传统的氢运输方式后，他们转向了一种不太常见的方法:使用“液态有机氢载体”(lohc)运输氢，这是一种特殊的有机(含碳)化合物，可以在某些条件下吸收氢原子，在其他条件下释放氢原子。
lohc目前用于输送少量氢气用于商业用途。这个过程是这样的:在化工厂里，载体化合物在催化剂的作用下，在高温高压下与氢接触，化合物吸收氢。这种“载氢”化合物——仍然是液体——然后在大气条件下运输。当需要氢气时，将化合物再次暴露于温度升高和不同的催化剂中，氢气就会被释放出来。
因此，lohc似乎是长途卡车运输的理想氢载体。它们是液体，因此可以很容易地运送到现有的加氢站，在那里氢将被释放;它们每加仑所含的能量至少与低温液体或压缩气体形式的氢一样多。然而，对使用氢载体的详细分析表明，这种方法可以减少排放，但成本相当高。
问题始于零售加油站的“脱氢”步骤。从化学载体中释放氢需要热量，热量是通过燃烧LOHC携带的一些氢来产生的。研究人员计算出，获得所需的热量需要36%的氢气。(理论上，这个过程只需要27%——但实际上，这种效率是无法实现的。)所以在开始的100单位氢中，36单位消失了。
但这还不是全部。氢释放出来的压强接近环境压强。因此，分配氢气的设备将需要压缩氢气——该团队计算出，这一过程将消耗20- 30%的初始氢气。
由于所需的热量和压缩，现在只有不到一半的氢气可以被运送到卡车上，结果，氢燃料的价格翻了一番。最重要的是，技术是可行的，但“当真正击败柴油时，经济就行不通了。比斯瓦斯说:“这相当贵。”此外，加气站还需要昂贵的压缩机和冷却系统等辅助装置。资本投资和运营维护成本意味着加氢站的市场渗透将是缓慢的。
一个更好的策略是:从lohc中释放氢
考虑到使用lohc的潜在好处，研究人员专注于如何处理释放氢所需的热量和压缩氢所需的能量。比斯瓦斯说:“那就是我们产生这个想法的时候。“与其在加气站进行脱氢(氢气释放)，然后把氢气装上卡车，我们为什么不直接把LOHC装上卡车呢?”和柴油一样，LOHC是一种液体，所以很容易运输，并在现有的加油站泵入卡车。比斯瓦斯说:“然后，我们将根据卡车的动力需求制造氢气，我们可以从发动机尾气中捕获废热，并利用它为脱氢过程提供动力。”
在他们提出的计划中，满载氢的LOHC在化学“氢化”工厂制造，然后被运送到零售加油站，在那里被泵入长途卡车。在卡车上，装载的LOHC倒入燃料储存罐。从那里，它移动到“脱氢单元”——在反应器中，热量和催化剂共同促进化学反应，将氢从LOHC中分离出来。氢气被送到动力系统，在那里燃烧，产生能量推动卡车前进。
从动力系统排出的热废气进入“热集成单元”，在那里，它的废热能量被捕获并返回到反应堆，以帮助促进从负载的LOHC中释放氢的反应。未装载的LOHC被泵回燃料储存罐，在那里它被保存在一个单独的隔间里，以防止它与装载的LOHC混合。从那里，它被泵回零售加油站，然后被运送回加氢厂，以装载更多的氢气。
改用车载脱氢技术可以减少额外的氢气压缩，并利用发动机排气中的废热来驱动氢气释放过程，从而降低成本。那么，与柴油相比，他们提出的战略看起来如何?根据详细的分析，研究人员确定，使用他们的策略将比使用柴油贵18%，排放量将下降71%。
但这些结果需要一些澄清。使用LOHC和车载氢气释放的18%的成本溢价是基于2020年柴油燃料的价格。在2023年春季，价格上涨了约30%。假设2023年的柴油价格，LOHC选项实际上比使用柴油更便宜。
成本和排放结果都受到另一个假设的影响:使用“蓝氢”，即从天然气中产生的氢，并进行碳捕获和储存。另一种选择是假设使用“绿色氢”，即利用风能和太阳能等可再生能源发电产生的氢。绿色氢比蓝色氢贵得多，所以成本会急剧增加。
如果未来绿色氢的价格下降，研究人员提出的计划将转向绿色氢——然后排放量的下降将不再是71%，而是接近100%。研究人员提出的使用带有机载氢释放的lhoc的计划几乎不会产生任何排放。
比较成本和排放的选择
为了比较这些选择，Moreno Sader准备了柱状图，显示了在美国用卡车运输每英里的成本，以及使用上述每种燃料和方法所产生的二氧化碳排放量:柴油燃料、电池电力、作为低温液体或压缩气体的氢，以及带有车载氢释放的LOHC。在成本和排放图表上，带有机载脱氢的LOHC策略看起来都很有希望。除了这些量化措施，研究人员认为，他们的策略解决了另外两个不太明显的挑战，即为长途卡车寻找污染更少的燃料。
首先，新燃料的引入和使用新燃料的卡车不能破坏目前的货运模式。格林指出:“在引进新卡车的同时，你必须保持旧卡车的运转。”“你不能有一天卡车停了，因为那就像是经济的末日。你的超市货架会空无一物;你的工厂将无法运转。”研究人员的计划将与现有的柴油供应基础设施完全兼容，并且只需要对今天的长途卡车进行相对较小的改造，因此，在引入新燃料和改装卡车时，现有的供应链将继续运行。
第二，该战略具有在全球推广的潜力。长途卡车运输在世界其他地区也很重要，莫雷诺·萨德尔认为，“使这种方法成为现实将产生很大的影响，不仅在美国，而且在其他国家，”包括她自己的祖国哥伦比亚。“这是我一直在想的事情。”该方法与现有的柴油基础设施兼容，因此采用该方法的唯一要求是建立化学加氢厂。萨德尔说:“我认为，与此相关的资本支出将低于在全国各地建设新的燃料供应基础设施的成本。”
实验室测试
“我们已经做了大量的模拟和计算，以证明这是一个伟大的想法，”比斯瓦斯指出。“但要让人们信服，数学也只能走这么远了。”下一步是在实验室中演示他们的概念。
为此，研究人员正在组装机载氢释放反应堆的所有核心部件，以及热集成单元，这是将发动机排气中的热量传递到氢释放反应堆的关键。他们估计，今年春天，他们将准备好展示他们释放氢的能力，并确认氢的形成速度。在建模工作的指导下，他们将能够对关键组件进行微调，以实现最高效率和最佳性能。
下一步将是添加一个合适的发动机，专门配备传感器，以提供他们需要的关键读数，以优化所有核心部件的性能。到2024年底，研究人员希望实现他们的目标:首次实验展示一个功率密集、强大的机载氢释放系统，该系统具有高效的热集成。
与此同时，他们认为，他们迄今为止的工作成果应该有助于传播这个词，使他们的新方法引起卡车运输业其他研究人员和专家的注意，他们现在正在寻找使长途卡车运输脱碳的方法。
麻省理工学院能源倡议的麻省理工学院移动系统中心为开发具有代表性的驱动循环和柴油基准以及电池电动选择的分析提供了财政支持。麻省理工学院气候与可持续发展联盟支持对装载脱氢装置的lohc动力卡车进行分析。萨扬迪普·比斯was得到了马丁家庭可持续发展研究员协会的奖学金支持，卡里亚娜·莫雷诺·萨德尔通过麻省理工学院的科学学院获得了MathWorks的奖学金资助。
