从源头捕获半挂卡车的废气
新装置大幅减少卡车的二氧化碳排放
你在家里看到的大部分东西都是通过半挂卡车运送来的。在美国，有 200 万辆这样的卡车行驶在路上。虽然它们有助于保持经济正常运转，但其运输方式并不环保。每年，半挂卡车产生的二氧化碳量约达 3.4 亿吨，占全国碳排放总量的 5%，这无疑使基础设施绿色化充满了挑战。所幸的是，初创公司 Remora 的出现，让这一难题迎刃而解。
你可能会惊讶地发现，解决办法并不是电气化。
Remora 联合创始人兼联合首席执行官 Paul Gross 表示，“虽然电池能够为消费级汽车有效供电，但出于种种原因，它们并不适用于 18 轮卡车。电池本身很重，而且电池堆得足够大，才能为大卡车提供动力，这势必会大大减少卡车的载货量。此外，卡车的续航里程有限，并且充电速度很慢。这给一天中大部分时间都在路上行驶的卡车带来了不便，从而招致了高昂的成本。”
Remora 的解决方案安装在一辆 18 轮卡车的驾驶室上。（图片所有权：Remora）
Remora 的解决方案则是依赖于碳捕获。一些创业公司正在研究如何利用大风扇和过滤器从大气中吸附碳的方法。然而，更高效的方法可能是从源头捕获碳。Remora 计划将硬件安装在牵引车（卡车上牵引挂车的那部分）上，用于从排气管中收集废气，从而让尾气排放更环保。为了使这种方法可行，Remora 必须解决一系列经济和技术难题。多年以来，人们一直认为移动碳捕获不可能实现，这是有其原因的。
绕过电气化方法
2020 年，Gross 还是耶鲁大学数据科学专业的一名大四学生。当时他就纳闷为什么没有人研究移动碳捕获。经过一番深入调查之后，他找到了一篇题为“货运脱碳”的环境工程专题论文。这篇论文是由密歇根大学 Christina Reynolds 博士于 2019 年撰写的。在文中，她评估了不同物质的碳吸附能力，并提出了在真实卡车运输条件下提高其性能的方法。此外，根据她的经济模型，移动碳捕获可能具有成本效益。
Gross 看到了一条创业之路。许多像沃尔玛这样依赖货运的公司，都做出了碳减排的承诺，但苦于没有切实可行的办法。Gross 找到了当时在美国环境保护署工作负责推进这项研究的 Reynolds，并力邀她加入了自己的行列。他们与拥有卡车机械背景的第三位联合创始人 Eric Harding 一起创办了这家公司。
该公司制定了一项商业计划，那就是将硬件出售给卡车运输公司，然后再由他们将其安装在现有的一队卡车上。卡车每行驶 500 英里左右，其中储存的二氧化碳便被卸到 Remora 在卡车停靠站或加油站安设的罐体中，这个过程大约需要 15 分钟。Remora 再将这些二氧化碳出售给其他公司，用于混凝土或废水处理等用途。全球二氧化碳市场体量约为 80 亿美元。Remora 随后将与卡车运输公司分摊所得的收入。几年之后，硬件便能收回成本。
“对我们来说，最大的挑战是让人们了解低排放车辆的好处和成本，而不是认为电动汽车将会拯救我们所有人。”
二氧化碳卸载罐。（图片所有权：Remora）
最终，这些装置可以在卡车上发挥作用，让它们能够使用通过从大气中捕获的碳所制成的生物燃料来替代柴油，从而使整个过程优于碳中和。而且，Remora 还可以扩大装置规模。其他公司正在研究用于工厂和船舶的碳捕获技术，可能最终会将关注点缩小到卡车。与此同时，Remora 可能会在半路与他们会合，将这项技术先后应用于火车和货船。
Harding 表示：“对我们来说，最大的挑战是让人们了解低排放车辆的好处和成本，而不是认为电动汽车会拯救我们所有人。我们第一个原型的推出，将会让人们看到我们的装置所带来的价值。”
碳捕获
碳捕获面临的技术挑战不容低估。目前，Remora 设计的碳捕获器是一个大箱子加一组罐体。这些罐体都从牵引车驾驶室背面伸出约 3 英尺。该装置的工作原理是，废气先进入一套调节系统，然后进入一个装有矿筛（也称沸石分子筛）的腔室。当剩余废气通过沸石分子筛时，其孔隙会吸收二氧化碳。沸石过滤器已经十分完善；潜艇和宇宙飞船都在使用它们来回收空气供乘客呼吸之用。
当沸石不能再吸附更多的二氧化碳时，从废气和发动机中捕获的能量会将其加热，从而扩大其孔隙并释放二氧化碳，然后由系统将其储存在罐体中。当一个沸石腔室释放二氧化碳时，另一个沸石腔室将接管并吸收废气中的更多二氧化碳。两者轮流工作。
Harding 说道，“碳捕获技术已经存在一段时间了。但是，当你制造出用于车辆的碳捕获系统时，情况会变得大不相同，简直令人难以置信。从根本上讲，该系统的每个部分都必须接受彻底改造。”制造商提供的部件既不轻量化，也不抗振，而且不符合电压和通信协议要求。Harding 的团队必须将它们拆解并重新组装，这使得他们深谙每个子系统。
“在 Remora 开始研究这项碳捕获技术前，最类似的技术就是用于工业建筑的碳捕获。时至今日，还没有人做过这样重复的事情。”
Remora 的团队成员正在搭建碳捕获装置。（图片所有权：Remora）
其中，两个最重要的组件是压缩机和真空泵。Harding 表示，“制造商认为，我们无法把它们安装在卡车上，让它们相互配合协同工作。事实上，我们现在正在做这件事，并向他们证明这事儿做成了，这真是令人难以置信。”制造商们自此改变了主意，提出可以按照 Remora 的任何要求生产这些组件。
Harding 说道，“在 Remora 开始研究这项碳捕获技术前，最类似的技术就是用于工业建筑的碳捕获。”但这些碳捕获系统有足够能量，没有重量和容量限制。此外，建筑的规模、占地面积和蒸汽温度不尽相同：每个建筑都有独特的需求。没有多少人想要建立一种可以安装在许多地方的标准化系统。“时至今日，还没有人做过这样重复的事情。”
随着 Remora 团队不断改进装置，其性能也得到了提高。目前，它能捕获 60-80% 的二氧化碳。它自重 2.5 吨，满载重 4 吨。在车辆行驶 500 英里后，该装置需要清空。但是，由于增加了重量，再加上加热沸石需要能量，因此，它会使燃料效率大约降低 10%。它的目标是去除 95% 的二氧化碳，同时显著降低能耗和重量。Harding 认为，他们很快便会实现这个目标。
融合两种思维模式
要让这些组件协同工作，不仅需要对装置做出调整，而且还依赖于智能的算法。所幸的是，只需要考虑该过程的一个步骤，例如从沸石中获取二氧化碳，并将其储存到二氧化碳罐体中。真空泵和压缩机可通过软件控制。前者有助于从沸石分子筛的孔隙中吸出二氧化碳，后者则帮助储存二氧化碳。Harding 表示，“目前还没有办法预测何时释放二氧化碳。捕获动力学非常复杂，比如二氧化碳分子在孔隙中的深度，以及我们加热它的速度。而且，不同的沸石分子筛会经历不同的热曲线。因此，二氧化碳的释放非常混乱无序。要将二氧化碳排出，然后在不损坏任何组件的情况下将其压缩，需要投入大量的工作。” Harding 说道，“这时，智能软件就显得至关重要，因为这些旋钮是不可能由人去拨的。”
很显然，MATLAB 正是我们需要的工具，因为它帮我们实现了那些专门研究这些组件的人认为我们无法企及的目标。
控制算法还可以让系统从卡车的发动机中获取能量，调节排气，吸收二氧化碳，并在沸石腔室之间切换。Remora 的控制工程师 Chisom Emegoakor 表示，“我们正在一辆 8 级卡车上进行所有这些操作。”目前，控制系统使用 120 项数据输入和 70 项输出。他还说道，“我们现在仍处于原型设计阶段。这意味着，我们将使用很多传感器，让一切尽在我们的监控。”
Emegoakor 吸取的一个教训是，为 Remora 的系统设计监控时，必须从卡车上的许多控制模块获取数据。“控制器决策是基于从发动机控制模块、后处理控制模块、通用动力系统控制器和变速箱控制单元收到的数据做出的。”
为了设计碳捕获系统，控制团队在 Simulink® 中对硬件进行了软件仿真。该仿真基于 26 位客户在驾驶卡车时记录的发动机数据。有时，他们会将其仿真与 Gamma Technologies 的 GT-POWER 软件中内置的发动机仿真配合使用。该团队还购买了一辆卡车，以在车辆测功机上运行这辆卡车。该测功机基本上就是一台跑步机，用于给旋转的车轮施加阻力，并测量卡车的反应。而且，他们还使用发动机测功机，对独立发动机执行了同样的操作。为了获得最真实的数据，他们雇佣当地的卡车司机驾驶一辆安装有原型碳捕捉装置的卡车四处行驶。
他们正在使用 Stateflow® 来优化参数，如在沸石腔室之间切换的时间。如果设置不当，使两个腔室都释放二氧化碳，则它们可能只得绕过整个系统，将废气排放到大气中。为了减少效率低下的情况，他们正在研究在不同大气和驾驶条件下完成每个步骤所需的时长，比如炎寒天气以及挂车满载和空载时。Harding 表示，“有太多变量可能会改变发动机的性能。”
最终，Harding 的团队计划使用机器学习来优化一些控制参数，但在训练机器学习算法之前，他们需要更多的数据。Harding 说道，他们目前仍在进行第一轮迭代。“这项工作确实还在进行当中。”
Harding 称，之所以很容易就选择使用 MATLAB®，部分原因是他熟悉这款软件。在 Simulink 中，通过拖动连接的函数即可进行图形化编程。这种便捷的操作方式深受 Emegoakor 的喜爱。他表示，“我们每天都会测试不同的配置，但实际上可能只需移动一个模块。如果必须在手写代码中进行这项操作，那么为了做一项简单的修改，可能就需要更改很多行代码。”然而，该团队可以使用 Embedded Coder® 从他们的算法生成 C++。在使用 Polyspace® 验证运行时错误等问题后，这些代码将被部署到碳捕获设备中的控制器上。
最重要的是，MATLAB 实现了不同团队之间的协作，特别是机械工程师和软件工程师之间的协作。Harding 说道，“有趣的是，当机械工程师考虑如何编写软件时，我们正从物理参数着手解决这一问题。对我们来说，这将需要移动大量组件。而这时 Simulink 便大有用武之地了。”它可以简化用于执行物理动力学的控制系统的设计。“这样 Chisom 就可以交付该软件了。其他人也可以让它在控制器上顺畅运行。这款软件工具基本上融合了两种思维模式。”
他们仅凭几个人在较短的时间内取得如此大的成就便是有力的佐证。而且，Emegoakor 加入他们的行列几乎还不到一年。Harding 表示，“很显然，MATLAB 正是我们需要的工具，因为它帮我们实现了那些专门研究这些组件的人认为我们无法企及的目标。”
