CO₂变汽油，电动车终结者？

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撰文 / 钱亚光
编辑 / 张 南
设计 / 师玉超

进入2022年，国内油价已经实现六连涨了，95号汽油迈入“9元时代”。

国家发改委通知，3月31日24时起，每吨汽油上调110元，每吨柴油上调110元。自年初以来，汽油批发价格已经上涨1985元/吨，柴油批发价格上调1915元/吨。此次上调以后，北京汽油零售价格为8.74元/升，95号汽油9.3元/升，0号柴油8.49元/升。

俄乌战争爆发后欧美对俄采取进一步制裁措施，让能源市场供应持续受阻，原油价格一路飙升，突破100美元/桶大关。截止到3月30日，全球基准布伦特原油(北大西洋北海布伦特地区)油价为111.00美元/桶，WTI原油(美国西得克萨斯州中质石油)价格为107.46美元/桶。原油价格的上涨，自然会带动下游的价格波动。

不光是油涨价，人们寄予减排重望的电动汽车，也因为电池原材料以及汽车芯片供应受到影响，价格集体上涨，一部分人以电动汽车取代燃油汽车的积极性也被削弱。

全球温室气体排放逐年增加，让地球温度不断升高，对生命系统形成威胁。世界各国以全球协约的方式减排温室气体，我国由此提出碳达峰和碳中和目标。

如果说以前大家寻找石油替代品是为了应付化石能源短缺，目前在石油储量日益增加的情况下，能源的转型更多是为了减少碳排放，改善地球的气候和环境。

3月15日，国际能源署（IEA）发布的《全球能源回顾：2021年二氧化碳排放》报告指出，2021年，全球能源领域二氧化碳排放量达到363亿吨，同比上涨6%，超过了新冠肺炎疫情暴发前的水平，创下历史最高纪录。

实现汽车行业的减碳、脱碳目标，电动化并不是唯一路线。即使电动汽车增长得再快，在道路上行驶的车辆中，也将有大量汽车由汽油机或柴油机驱动。只有这些车辆也将参与到降低二氧化碳排放的进程中，才能让双碳目标更快地达成。

燃油车节能减排的重要手段——新型的高热效、低排放的先进混动技术正在逐步推广，将甲醇、氢作为燃料直接用于内燃机的技术也在开发之中，而另一种直接中和二氧化碳的合成燃料技术，最近在科研人员和汽车供应链企业的努力下，也取得了突破性的进展。

早在2007年11月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出“绿色自由（Green Freedom）”概念，即用二氧化碳合成可燃的化学产品。

在前沿科学家研发基础上，汽车行业中的车企、零部件企业以及一些能源企业，都在尝试将二氧化碳与氢合成的新型燃料进行商业化。2009年，奥迪在欧洲最早开始研发以二氧化碳为原料的燃料，并将其命名为e-Fuel。随后保时捷、宝马、大陆、壳牌、Sunfire等汽车或能源相关的公司都参与了e-Fuel的研发，有的产品已经进入量产阶段。

今年2月，来自美国和中国的科研人员，通过化学反应中催化剂的改进，让二氧化碳转化为可燃产品的效率大大提升，将进一步推进二氧化碳转汽油技术的商业化进程。不过，由于目前合成燃料在制作过程中包括原料、设备、工艺等费用还居高不下，大规模量产尚需时日。

合成燃料新希望

2022年2月，来自《美国国家科学院院刊》（PNAS)的一项新研究指出，斯坦福大学的马泰奥·卡涅罗（Matteo Cargnello）团队通过基于钌的催化剂，将二氧化碳加氢制丁烷的转化效率提高了1000倍，让人们在合成燃料技术上看到了新的希望。

二氧化碳(黑色和红色)和氢分子(蓝色)在钌基催化剂的帮助下发生反应。在右边，没有涂层的催化剂产生最简单的碳氢化合物——甲烷。在左边，被涂层的催化剂可产生长链碳氢化合物，如丁烷、丙烷和乙烷▼

钌（Ru）是一种与铂同族的稀有贵金属，熔点为2310℃，在地壳中含量仅为十亿分之一。钌即使在极强的放热性环境下也非常稳定，而且能耐住硝酸、硫酸、盐酸的腐蚀，对氢氟酸和磷酸也有抗御力。

早在2016年，诺贝尔奖得主乔治·欧拉的团队，首次采用了基于金属钌的催化剂，将从空气中捕获的二氧化碳直接转化为甲醇，转化率高达79%。

在用作催化剂时，钌比其他稀有金属如铂和钯更便宜，但用其来转化二氧化碳时，生成的产物却大多是甲烷，更长链的碳氢化合物产量并不高。

《美国国家科学院院刊》相关论文的第一作者、马泰奥·卡尔涅洛实验室博士生周成双（Chengshuang Zhou）（左）和斯坦福大学的化学工程助理教授马泰奥·卡尔涅洛▼

为了解决这一问题，卡涅罗团队在钌的表面涂上了一层多孔塑料层，成功地延长了转化产物的碳链长度，使丁烷的产量大大提高，转化效率达到了标准催化剂的1000倍，将进一步推进二氧化碳转汽油技术的商业化进程。

无独有偶，2022年3月4日，中国科学院大连化学物理研究所主导的“二氧化碳制汽油”科研项目，通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价。

与此同时，该研究所还联合珠海某公司共同建成全球首套1000吨/年二氧化碳加氢制汽油中试装置，也已经试车成功，生产出符合国VI标准的清洁汽油产品，二氧化碳转化率 85.1%，汽油选择性 76.1%，二氧化碳单耗 4.3 吨，氢气单耗 0.59 吨，汽油产品辛烷值、异构烷烃和芳烃含量达到国 VI 标准。

在合成燃料的实际操作过程中，当使用催化剂将这两者结合后，却更容易生成甲烷，而不是汽油。在室温下，汽油是液态的，更容易处理，而甲烷、乙烷和丙烷等短链气体很难储存。

为了提高汽油比例，中科院大连化物所另辟蹊径，没有像美国采用钌这样的稀有金属作为催化剂，而是用四氧化三铁、钠和沸石组成了一种全新的多功能催化剂（Na-Fe3O4/HZSM-5）。

这种新型多功能复合催化剂具有三大独特优势：一是转化生产条件要求不高，不需要实验室那种严苛的条件，为工业化大规模生产奠定基础；二是这种方法生产的汽油辛烷值超过90，尾气排放及其他各类污染物完全符合国家法规要求；三是这种催化剂稳定性较好，可以连续稳定使用超过1000小时，具有非常广阔的应用前景和发展空间。

大连化物所孙剑研究员介绍二氧化碳加氢制汽油中试技术的研发历程▼

中科院大连化物所的这项研究已经历经了多年磨砺，2017年孙剑、葛庆杰和位健等人组成的研究团队就开始了这个项目的研发，研究成果发表在《自然-通讯》（NatureCommunications）上，并被《自然》（Nature）杂志选为研究亮点。

之后先后经过实验室试验、百克级单管试验、催化剂吨级放大制备及中试工艺包设计等过程，并且将相关过程等申请了专利，实现了二氧化碳加氢制汽油的高效转化。

合成燃料的开发历程

2007年11月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的杰弗里·马丁（F. Jeffrey Martin）和威廉·库比茨（William L. Kubic）提出了一个轰动全世界的“绿色自由（Green Freedom）”概念，即用二氧化碳合成可燃的化学产品。

该概念首先利用浓碳酸钾溶液吸收空气中的二氧化碳；其次，采用电解法把二氧化碳从溶液中提取出来，同时将水分解成氢气和氧气；最后，将氢气和二氧化碳转化为合成燃料或有机化学品。

不过，这种技术不仅投资巨大、运行成本高，而且当时浓碳酸钾溶液捕集二氧化碳和电解提取二氧化碳的技术还停留在理论阶段，具体运行情况还没有进行核实。

后来，在前沿科学家研发基础上，汽车行业中的车企、零部件企业以及一些能源企业，都在尝试将二氧化碳与氢合成的新型燃料进行商业化。在欧洲，人们把这种合成燃料称为e-Fuel（电合成燃料），实际上是用可再生能源发电制合成燃料。

e-Fuel是利用可再生能源（太阳能和风能等）发电，由氢气和二氧化碳通过催化反应合成的液体燃料。所需的氢气是从电解水中提取的，二氧化碳则通过直接空气捕集技术从空气中获取。

研究人员将氢气、二氧化碳与绿色氢气混合形成合成e-甲醇（e-methanol）；然后，在炼油厂对使用MTG（甲醇转换汽油）技术对甲醇进行进一步的加工，再以甲醇为中间产物合成二甲醚等，通过费托工艺制造合成燃料，包括汽油（e-petrol）、柴油（e-diesel）等。

假如各生产阶段所需的大量能量都来自零碳能源，整条生产链几乎就能实现碳中和，即在生产这些燃料后，大气中的二氧化碳没有增加。

e-Fuel合成燃料符合现有燃料的规格和标准，辛烷值和现有的化石燃料相比没有区别，也就是说98号e-Fuel的抗爆震性和动力性与传统98号汽油一样，但有害物质排放和污染更低了。e-Fuels 可用于所有传统燃油发动机，也不会让现有车辆的燃油传输系统、喷注系统、燃烧等方面受到影响。

德国奥迪品牌是欧洲最早开始研发以二氧化碳为原料的燃料的车企。2011年，奥迪在汉堡发布了e-gas项目。奥迪还与法国全球生物能源公司共同研发奥迪e-gas；携手美国Joule公司，利用微生物来生产合成燃油——奥迪e-diesel和奥迪e-ethanol。

奥迪e-diesel项目是与德累斯顿能源技术公司Sunfire合作运营的，遵循PtL（Power-to-Liquid）原则，使用可再生能源发电来生产液态燃油，其二氧化碳取自于沼气工厂和空气捕捉。

生产过程首先是通过高温电解技术在水中分解出氧和氢。然后在高温高压的环境下，将氢与二氧化碳在合成反应器中进行反应，从而生成名为“蓝色原油（blue crude）”的液态长链碳氢化合物，最终提炼生成奥迪e-diesel 。奥迪测试表明：该燃料非常适合与柴油混合，亦或可单独做作为燃料使用。

Sunfire项目始于2012年5月，工厂于2013年7月正式投入建设，2014年11月14日交付运营，生产出“e-diesel”乙醇柴油燃料，并率先在当时德国联邦教育及研究部部长Johanna Wanka教授的公务车奥迪A8 3.0 TDI quattro上使用。

与奥迪同门的保时捷也在做合成燃料，它把e-Fuel看做是电动化的辅助工具。

保时捷参与了世界上第一个大型商业用合成燃料的计划Haru Oni项目，西门子能源公司是该计划的共同开发者。保时捷的目标是使用风力涡轮机产生的电力将水分解成氢气和氧气来生产燃料。然后，氢气与大气中的二氧化碳相结合，形成合成甲醇，合成汽油、柴油和煤油可以从中提炼。

Haru Oni试点项目在智利南部靠进南极的地区建立了世界上第一个生产合成燃料的规模化的生产工厂，预计在2022年能生产出约13万升e-Fuel，到2024年产能将会增加到5500万升。现在保时捷的混合燃料很贵，每升10美元，但大范围普及后有可能降到每升2美元左右。

宝马在2020年投资了一家名为Prometheus Fuels的能源公司，其研发的e-Fuel是一种能提供高辛烷值，燃烧起来很干净的优质汽油，并且没有重金属或芳烃，低一氧化二氮和二氧化硫。规模化生产后价格可能和无铅汽油相同或更低。

壳牌（Sheel）公司称其能通过天然气生产GTL（Gas To Liquids）合成柴油。相比其他大部分化石燃料，这种合成燃料能量密度更高，并且在从油井到车轮的转换过程中，二氧化碳排放量随之减少。

大陆公司（Continental）将通过电解水制取的氢与来自发电厂和炼钢厂的二氧化碳混合，形成全新的原料，再将其与15%的甲醛乙醚（OME）混合，形成合成燃料。该类燃料能使每百公里的二氧化碳排放量与传统燃油车相比约减少800克，不过发动机要使用它，燃油喷射系统和后处理系统需要进行大幅调整。

前面提到的与奥迪合作的Sunfire公司为挪威合成燃料（e-Fuel）联营企业的创始成员，其在挪威国内建造的PtL车间建造工作预计将在2023年启动，每年能生产约1000万升的合成燃料。Sunfire预测在未来的5年内，此类合成燃料的生产成本将降至1.67 美元/升。

之所以众多汽车行业相关企业努力开发新的替代化石能源的合成燃料，和当下的汽车、能源行业大环境也有密切的关系。

虽然现在汽车行业已经不可逆转地转向了电动化，但传统汽车制造商依旧不想放弃内燃机这项延续百年的成熟技术，一方面不能把未来全压在电动车上，毕竟电池技术没有革新性突破；另一方面，用二氧化碳合成燃料，在生产、使用过程中就可以实现碳中和，从而保持内燃机产业链的战斗力，解决燃油碳排放问题，继续战斗下去。

当然，二氧化碳加氢制造的合成燃料除了可以取代汽车的燃料，还有其他作用。

首先是这种合成燃料能起到固碳作用。随着碳排放法规日益严苛，将二氧化碳转变成合成燃料，显然为达到碳中和提供了有效缓冲。另外随着碳积分制度施行，二氧化碳制燃料也可以获得巨额碳积分，经济价值可观。

其次是用来储能。现在利用如风能、太阳能可再生能源来发电，是大势所趋，但它们所发的电量一是极不稳定，会给电网带来不利影响，二是受地域气候影响，并不是能在所有地区普及。

利用二氧化碳制造合成燃料的过程中，会使用很多的电，如果大量风力和太阳能发出的电通过电解水制备氢气，再与从空气中提取的二氧化碳结合，就地转化为合成燃料，再运输到其他地区使用，也就将风能和太阳能发的电变相存储了起来。而且这种方式比直接储存和运输氢更加安全和方便。

合成燃料目前的局限

其实，只用二氧化碳是变不出汽油的，必须在合成过程中加入氢，因为汽油的主要成分是碳氢化合物。

每合成1吨辛烷（汽油），需要3.09吨二氧化碳和0.44吨氢气。现阶段工业级二氧化碳的市场价格是500-600元/吨、工业级氢气是5万-6万元/吨，两种原料的成本按低价算是23545元/吨。

在最近一次涨价以后，北京92号汽油价格是8.65元/升，按92号汽油密度为0.755计算，每吨汽油的价格是11452元，也就是说，仅两种基本原料的成本价格就超过现在汽油价格的两倍。

据科学家表示，二氧化碳加氢气制汽油是放热过程，需要消耗的电能会远大于汽油燃烧产生的能量。如果再加上催化剂的成本、人力成本、财务成本、投资成本等，二氧化碳制造的汽油价格更是要远远高于普通汽油价格。

如果强调合成燃料的碳中和属性，那么就要使用从DAC（Direct air capture，空气中捕集）方式来制备二氧化碳，采取电解水制氢的方式来制备绿氢，那成本就更高了。

不可否认的是，合成燃料在实现碳中和的过程中，如果大规模运用，将会起到很好的作用，前景广阔，意义重大。不过，其商业化目前最大的问题在于成本，这种转换过程所涉及的材料、工艺、设备和催化剂等都需要昂贵的费用，即使使用了新的催化剂，提高了二氧化碳的转化效率，想大规模运用，现阶段还是不太现实，可以说是远水解不了近渴。

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