氢能、生物燃料和合成燃料在公共交通脱碳中的应用：全面综述与文献计量分析

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Hydrogen, Biofuels, and synthetic fuels for decarbonizing public transportation: A comprehensive review and bibliometric analysis

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摘要

实现公交和铁路系统的脱碳对于实现可持续发展目标（SDGs）3、7、9、11和13至关重要。本文结合了对Scopus、Web of Science和IEEE Xplore中2000至2025年间616篇独特论文的文献计量分析，以及通过PRISMA方法筛选出的20项重点研究的系统总结，将先进生物燃料、氢燃料和合成燃料（e-燃料）置于一个共同的证据基础上，并以电池电动公交车作为基准。文献中主要讨论的是氢燃料，而合成燃料在公交和铁路系统中的直接应用尚未得到验证。基于废物的生物甲烷和加氢处理的植物油相比化石燃料可减少约71%至88%的温室气体（GHG）排放（在都灵，车队排放量从每乘客公里85.5克二氧化碳下降到63.4克二氧化碳）；而基于作物的途径在考虑间接土地使用变化后仍能减少约33%至58%的排放。在欧洲电网中，电池电动公交车的生命周期温室气体排放量比柴油公交车低63%至76%，若使用可再生能源发电，这一比例可高达92%（在意大利的一个案例中，每公里成本为0.58至0.91欧元，而燃料电池公交车的成本为1.75至2.15欧元）。燃料电池公交车使用化石氢燃料时可减少15%至33%的排放，使用可再生氢燃料时可减少高达89%的排放，但其每公里能耗是电池公交车的大约三倍。合成燃料在混合动力重型发动机中可实现50%至70%的减排效果，但所需电力是直接电气化的2至14倍。我们将这些证据转化为一个基于触发条件的决策框架：默认选择电池电动公交；在需要长续航里程或非电气化铁路系统的情况下采用氢燃料；生物燃料作为过渡选项；对于传统领域则使用e-燃料。这种顺序安排（2030年前采用生物燃料，2030至2040年间扩大氢燃料规模，2040年后选择性使用e-燃料）取决于这些触发条件。然而，研究覆盖存在明显缺口：没有研究涉及撒哈拉以南非洲和南亚地区。

章节摘录

1 引言

在大多数国家，交通运输部门占国内总排放量的20%至30%，其中公共交通网络占了很大一部分，因此有效的脱碳策略至关重要[1]、[2]。减少公交和铁路系统的排放同时还能通过改善城市空气质量来提升社会和环境效益[3]、[4]。然而，进展受到燃料生产技术和车辆集成等方面的限制。

2 背景与框架

公共交通必须提供方便可靠的服务，同时减少对环境的损害[28]。2030年议程通过SDG 3（健康）、SDG 7（清洁能源）、SDG 9（基础设施与创新）、SDG 11（可持续城市）和SDG 13（气候行动）来阐述这一目标[29]，联合国跨机构工作将可持续交通确定为实现这些目标的关键推动因素[30]。由于投资成本低，公交车是最广泛使用的公共交通方式。

3.1 搜索策略与数据收集

2025年7月15日对Scopus和Web of Science Core Collection进行了搜索，2025年7月16日对IEEE Xplore进行了搜索。每个数据库都应用了相同的三个条件块：块A（燃料术语：替代燃料、生物燃料、氢燃料、合成燃料、e-燃料和电燃料、低碳和零排放燃料）AND 块B（交通背景：公共交通、公交和铁路系统、城市交通、电动公交车）AND 块C（脱碳、净零排放、低碳、减排、温室气体排放、气候变化、清洁）

4.1 转换路径与技术特性

有三种生物燃料适用于公交车。生物柴油（脂肪酸甲酯）是通过将植物油或废弃脂肪与甲醇进行酯交换反应制成的，副产品为甘油；它在符合发动机兼容性的范围内与柴油混合使用。HVO是通过将相同脂质原料加氢处理制成石蜡柴油，可以直接替代柴油使用。生物甲烷则是通过厌氧消化粪便、污泥或有机废物产生的沼气得到的。

5.1 生产、存储与供应链

氢燃料的气候效益取决于生产方式。低排放生产需要使用低碳电力进行电解或采用高碳捕获率的化石燃料生产[32]；对蓝色氢燃料（blue hydrogen）、集中式和分布式绿色氢燃料供应以及核能氢燃料项目的技术经济性和生命周期分析[60]、[61]、[49]表明，生产路径和规模决定了成本和排放量。移动性相关的供应链评估[62]以及加注基础设施的研究[6]、[7]、[63]也对此有所说明。

6.1 生产路径与工业现状

合成燃料（e-燃料、Power-to-X）通过电解氢与捕获的二氧化碳结合，通过甲醇合成、甲醇至汽油合成或费托合成[25]、[37]、[55]产生；基于生物质的费托燃料提供了另一种合成途径[58]。核能氢已被提议作为大规模供应选项[49]。相关工业经验仍处于试点阶段：例如智利的Haru Oni工厂，这是一个风能至汽油的综合试点项目，于2022年12月投产。

7 路径的协调比较

由于系统边界（从储罐到车轮、从源头到尾端）、参考年份、电力构成和成本基础的不同，直接对比各研究的数值是不合理的。因此，表4在来源允许的情况下，以统一的功能单位报告各项指标及其边界和背景，以便在不影响精度的前提下进行比较。每车辆公里的排放量通过公式转换为每乘客公里的排放量。

8.1 基于触发条件的决策框架

图5将比较结果转化为每个采购周期针对特定路径或车队子段的系列问题，表5将每项建议与其证据和可测量的触发条件挂钩。时间表的制定依据是这些触发条件可能实现的日期，而非固定日期。基于废物的生物燃料现已可用，并适用于已在运营的车辆，因此在2030年前占据主导地位。氢燃料的规模化生产计划安排在2030至2040年期间。

9 结论

本文将616篇文献记录的文献计量分析结果与20项重点研究的评估结果结合起来，并对生物燃料、氢燃料和合成燃料与电池电动公交车进行了协调比较。文献中主要讨论的是氢燃料，而关于合成燃料在公共交通中的应用证据较少，撒哈拉以南非洲和南亚的相关研究也缺失。根据现有数据，无论使用何种使用周期，电池电动公交车都是成本最低、排放量最低的选择。

CRediT作者贡献声明

Huthaifa I. Ashqar：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论制定、研究设计、数据分析、概念构思。Ahmed Jaber：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、资源管理、方法论制定、数据分析、概念构思。Taqwa Alhadidi：撰写——审稿与编辑、研究设计、数据分析、概念构思。Mohammed Elhenawy：初稿撰写。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

Huthaifa I. Ashqar|Ahmed Jaber|Taqwa Alhadidi|Mohammed Elhenawy|Basheer Shaheen

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