抢救燃油车只能靠 “点水成油”魔法（文科生慎入）
2023年3月，欧盟关于“到 2035年淘汰内燃机汽车”的法案正式生效。作为政治上的推进手段，欧盟特许可继续销售使用电力合成燃料（e-Fuels）的汽车，电力合成燃料e-Fuels被欧洲认为是燃油车的救命稻草。e-Fuels是什么，能否为燃油车续命，我尝试为大家解答。
燃气轮机、蒸汽机、喷气发动机和内燃机等统称为热机，与原始畜力一样，它们也需要吃“饲料”，然后才能出力。
不同热机的食谱广度不一样。燃气轮机可吃多种“饲料”——汽油、柴油、煤油、花生油、威士忌甚至香水，只要喂以能烧的液体都能出力。而蒸汽机更不挑食，不管是液体还是固体，能烧的就行。
相比于燃气轮机和蒸汽机，内燃机是十分挑食的，其食谱相当窄，内燃机只“吃”汽油、柴油、天然气、液化石油气等几种精炼“饲料”，且特定机型吃特定“饲料”。
而石油相对贫瘠的工业国家不只有我国，德国也是富煤贫油的国家，要是内燃机能吃煤蛋子，那该多好啊。有志者事竟成，100年前，两位德国科学家的重大发现就让这一想法成为现实。
1923 年， 德国科学家，Franz Fischer和 Hans Tropsch 发现一氧化碳CO 和氢气 H2 在 钴Co 基或 铁Fe 基催化剂作用下可以生成烃类混合物，这是石油的主要成分。
在此之前，人们已经知道，煤炭和水在高温下经过一系列化学反应可制取H2，而煤炭和氧气在高温下可制取CO。
结合这两个反应，就完成了干爆煤蛋子炼油（煤炭→CO和H2→石油），这可是个惊人的大发现，当时轰动并改变了全世界的进程。在第二次世界大战期间，纳粹德国先后建成了九个煤炼油工厂，年总产量达70万吨，据估计，这些工厂为当时的战争机器和汽车分别提供了9%和25%的燃料。
为了纪念Franz Fischer和 Hans Tropsch这两位博士做出的贡献，该发现被称为费托合成（F-T合成），其化学反应式为：
费托合成反应是一个强放热、多反应、多产物的复杂反应体系，形成烃类混合物成分复杂，达百种以上，堪比中药成分，因此就需要对其进行精练才能获得商品化的燃料：汽油、柴油、航空燃料、重油等。
由于煤蛋子是化石能源，因此干爆煤蛋子炼的油也属于不可再生资源，从碳排放角度上看，比起直接烧煤蛋子，烧这种干爆油产生的碳排放更多，因为其能源利用效率更低，之所以要做，完全由于你家的孩子挑食（石油短缺）。
如今我们要碳中和，自然也不能拿煤蛋子去干爆榨油。在经典国民喜剧《我爱我家》第17集“不速之客”中，葛优扮演的纪春生提出了“点水成油”的畅想，这成了解题思路。
回顾一下，干爆煤蛋子炼油（煤制油）的核心反应是费托合成，反应的原料是CO和H2，都是可燃气体、具有化学能，是合成燃料的能量来源。传统制取CO和H2的方法是以煤炭为原料和能量来源。
“电解水能制H2，如果把全球的碳排放（CO2）当原料拿来电解成CO和O2，那点水成油不就妥妥成了。” 这纪春生这样想着。他还线年代，为了火星探测任务，美国NASA提出并开发固体氧化电解池技术，通过电解CO2来制取O2，为宇航员提供氧气，副产物为CO，可惜由于项目中断而停止了研究。
到2003年，丹麦国家实验室提出更牛X的技术，一种固体氧化电解池SOEC(solid oxide electrolysis cell)共电解技术，固态氧化电解池能将CO2和H2O的混合气体共电解从而制取CO和H2，直接一步到位，获得费托合成的原料，随后，该技术迅速成为能源和环境领域的研究热点。
固体氧化电解池SOEC是利用电能和热能将CO2和H2O共电解为H2和CO，反应方程式为：
板式固体氧化电解池的电子移动如下图，不严谨的话，能想象成一个锂电池的充电过程，只是在固体氧化电解池中，化学能是存储在CO和H2中。
最近几年，固体氧化电解池技术发展得很快。在国外，Sunfire公司开发的共电解装置由12套250kW级模块组成，可提供750Nm3/h的合成气，电效率达到82%；在国内，中科院上海应用物理研究所的共电解装置的电效率达80%。然而，当前固体氧化电解池技术存在的基础电性能、电解池部件和密封材料的稳定性问题，同时电池长时间运行的话性能会出现非常明显衰减，这制约着固态氧化电解池技术的应用。
随着机理研究和电池本体开发，固体氧化电解池技术的问题有望解决、能耗水平有望进一步改善（这话好像在哪里听过）。
总的来说，该技术尚处于产业化初期。如果产业化成功，那么内燃机的食谱上就多了一条，斋肉，噢不，e-Fuels。斋肉是假肉，e-Fuels是真油，因为e-Fuels是人工合成的，其中杂质少，完全不含硫，尾气排放可以直接达到传说中的Euro VII标准，比真油还真。
如上图所示，同样是③合成燃料，e-Fuels（假设基于绿电）是以CO2为原料之一，生产的全部过程属于负的碳排放，这抵消了终端燃烧时产生的碳排放，整个生命周期的碳排放是不增不减，因此e-Fuels也被称为“碳中和燃料”。
总结一下e-Fuels的四大制造工艺，如下图所示，CO2是看不见的无色无味的气体，所以看得见的原料只有水，在外行人看起来，这还真像是点水成油的骗局。
▲图中：原材料生产：水、二氧化碳和电力，其中，二氧化碳从工业废气（如火电、水泥厂等）或者大气等中回收。
共电解：水和二氧化碳在固体氧化物电解池中发生化学反应，形成氢气和一氧化碳，这个环节会消耗大量的电力。
费托合成：以氢气和一氧化碳在为原料在催化剂和适当条件下合成液态的烃类混合物。
精炼和商品化：烃类混合物通过精炼可分离出各种燃料制品，比如，汽油、柴油、航空燃料、重油等产品。
e-Fuels最大优势是经济价值。有了e-Fuels，现有的所有基础设施都可通过起来，包括燃油使用端的汽车、飞机、轮船和坦克等，还有燃油生产端的石油生产链、运输燃油的车辆轮船、加油站设施等。保持原有基础设施是可以产生很大的经济价值。
e-Fuels另外一个优势是战略价值。飞机、轮船和坦克等只能吃石油燃料、不接受电动化。从下图可以清楚地看到，汽柴油的质量单位体积内的包含的能量和体积单位体积内的包含的能量是电池的几十上百倍。飞机肯定不能电动化，跨洋轮船续航需求高也是不行，坦克更是不行的，关键时刻没电了可是要误国。
除此以外，与电力相比，e-Fuels具有易于储存、运送过程可靠（电网有时候并不是那么可靠）等优点。与石油相比，e-Fuels是碳中和的可再次生产的能源。与生物质燃料相比，具有可大规模生产、不与民抢食等优点。
能源利用率低是e-Fuels最大的挑战，使用e-Fuels的车的能源利用率只有新能源车的三分之一。
到底有多低，我们试着在乘用车领域估算一下。如下图，这是从能源端到车轮端的能量流，我们将估算起点电网的电能中有多少比例能流到终点成为车轮的动能。其中红色路线是e-Fuels所走的能量路线%，蓝色路线是新能源车所走的能量路线%。
惊人的两倍多的差异！新能源车以压倒性优势胜出。原因主要在于e-Fuels能量路线中出现了热能这一能量品质较差的能量，电能是高品质能量，大规模地把高品质的电能转成低品质的热能，从效率角度讲，不划算。
e-Fuels能源利用率低主要带来使用的过程中经济性差，简单说就是合成汽油太贵，用户加不起，这成为当前合成汽油应用的关键障碍。经济性的定量研究比能源利用率的定量研究更复杂，不能一概而论，我们将在下篇中讨论。
有兴趣的小伙伴可以了解一下以下估算过程（这里对e-Fuels路线估算较为乐观）：
e-Fuels合成时，共电解反应和费托合成是能量损失的大头，以当前技术水平，共电解的能量利用率为80%，这是指电能到CO和H2化学能的能量转化效率，共电解反应是最近几年兴起的技术，预计未来会进步，假设提升到90%；而费托合成的效率为60%~80%之间，取最好的值80%。因此，PtL效率为90%×80%=72%，精炼环节损失能量较少，忽略不计。
以表现较好的HEV为研究对象，混动专用内燃机最佳热效率点为40%~50%之间，虽然有混动变速器加成，内燃机也不可能一直运行在最佳工况，而且电传动也有能量损失，综合看来，我拍一个，取40%。
众所周知，电动车的能量利用效率是相当高的，电池充电和放电的总效率为90%左右，电机的效率为90%左右。由于电动车用电距离电厂远且要求供电品质好，所以此路线还要算上电网传输、变电站和电网侧储能的损失，这部分按10%计算。
以上介绍了“点水成油”e-Fuels的四大制造工艺和优劣势，其中，经济价值和战略价值是e-Fuels的最大优势，能源利用率低是其最大的劣势。
据此，初步判断e-Fuels由于能源利用率低难以大规模应用，但是由于其战略价值突出，未来e-Fuels的关键技术——固体氧化电解池技术和费托合成技术——将会加快速度进行发展，配合着风光电，能较好地规避其劣势、发挥其长处。
下篇文章计划定量研究e-Fuels的经济性，分析e-Fuels的应用条件以及适用场合，也希望能以此作为依据来判断其是否能为燃油车续命。
