作者：Jody Muelaner

　　公路貨運(yùn)是全球增長(zhǎng)最快的能源用戶，但重型卡車電氣化比乘用車電氣化更具挑戰(zhàn)性。長(zhǎng)途司機(jī)的完整工作日可能需要 8 到 12 個(gè)小時(shí)的道路時(shí)間——因此可能需要大約 950 公里到 1，050 公里(590 到 650 英里)的范圍才能進(jìn)行任何長(zhǎng)時(shí)間充電。當(dāng)車輛總重量為40噸或更多時(shí)，需要約1，250千瓦時(shí)的電池容量才能提供足以滿足一天旅行的續(xù)航里程。具有這種容量的電池組可能重達(dá)四噸以上，并顯著增加前期車輛成本。更重要的是，在偏遠(yuǎn)道路上行駛的卡車經(jīng)常駛?cè)霂缀鯖](méi)有充電站的地區(qū)......表示多天的不受支持的范圍。 這種情況使得電池電氣化完全不可行。

　　圖 1：長(zhǎng)途卡車運(yùn)輸是運(yùn)輸業(yè)的一個(gè)部門(mén)，它已準(zhǔn)備好通過(guò)顛覆性技術(shù)提高效率。(圖片來(lái)源：蓋蒂圖片社)

　　事實(shí)上，重型卡車脫碳的選擇包括電池電動(dòng)汽車(BEV)以及氫燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)、電子燃料汽車和生物燃料汽車。盡管過(guò)去幾十年大肆宣傳，但由于以下原因，生物燃料將在未來(lái)的運(yùn)輸中發(fā)揮很小的作用：

　　競(jìng)爭(zhēng)糧食生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)用地有限

　　非道路應(yīng)用、航空和生物能源對(duì)生物燃料的需求，以及碳捕獲和儲(chǔ)存

　　重型卡車的所有剩余選項(xiàng)都可以被視為可再生能源發(fā)電的能量載體。

　　考慮電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)如何也可以由電動(dòng)道路系統(tǒng)或ERS提供動(dòng)力，為特別繁忙路線上的車輛提供動(dòng)力。這種ERS在車輛行駛時(shí)直接從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供電力 - 就像電動(dòng)火車的供電方式一樣。

　　如果使用生物燃料或電子燃料作為燃料，混合動(dòng)力系統(tǒng)(包括內(nèi)燃機(jī)或ICE)可能是碳中和的。當(dāng)ICE只是偶爾用作到達(dá)偏遠(yuǎn)地區(qū)的增程器時(shí)，化石燃料甚至可以接受，并被能源系統(tǒng)其他部分的負(fù)排放所抵消。

　　有關(guān)電池電動(dòng)卡車的更多信息

　　圖2： 電動(dòng)汽車 (EV) 充電站 采用 AC/DC 電源以及非隔離和隔離的 DC/DC 電源。簡(jiǎn)單的交流電動(dòng)汽車充電器包括一個(gè) AC/DC 模塊(允許各種輸入電壓并保持良好的 EMC 性能和效率)以及多個(gè) DC/DC 低功耗模塊(用于控制、顯示和通信)。更復(fù)雜的直流電動(dòng)汽車充電器需要 150 至 480 W 封閉式或 DIN 導(dǎo)軌交流/直流主電源，以及一個(gè)非車載充電器以及 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電源。(圖片來(lái)源： 晨陽(yáng))

　　多年來(lái)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為BEV動(dòng)力總成無(wú)法提供長(zhǎng)途重型卡車所需的續(xù)航里程。然而，許多制造商現(xiàn)在正在挑戰(zhàn)這一觀點(diǎn)。例如，據(jù)稱特斯拉 Semi 在 800 公里的續(xù)航里程內(nèi)將具有 1.25 kWh/km 的功耗。在強(qiáng)制性的中午休息期間進(jìn)行一些快速充電，這輛重型卡車應(yīng)該能夠在單班次中行駛超過(guò) 1，000 公里。

　　圖3：除公路車輛外，工業(yè)運(yùn)輸還包括在船場(chǎng)、多式聯(lián)運(yùn)、倉(cāng)庫(kù)配送中心和廢物管理設(shè)施中使用的各種碼頭卡車。(圖片來(lái)源： 橙色電動(dòng)汽車)

　　雖然電池的重量是同等數(shù)量的柴油燃料的許多倍，但這只是圖片的一半。這是因?yàn)殡妱?dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的其他部件比內(nèi)燃機(jī)和變速箱輕得多。雖然 1，000 kWh 電池組可能重 4，000 kg，但其余的傳動(dòng)系統(tǒng)組件(電動(dòng)機(jī)、逆變器和變速箱)可能只有 600 kg。與傳統(tǒng)的3，000公斤柴油動(dòng)力總成相比，增幅僅為1，600公斤左右。在歐盟，零排放車輛的額外車輛總重量限額為2，000公斤 - 這意味著B(niǎo)EV實(shí)際上將比ICE卡車具有略大的有效載荷能力。隨著結(jié)構(gòu)電池組和電池化學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步減輕重量，BEV將變得更具競(jìng)爭(zhēng)力。

　　乘用車采用BEV的一個(gè)主要障礙是電池組的高資本成本。普通汽車消費(fèi)者每天最多只駕駛一兩個(gè)小時(shí)。這樣的使用配置文件可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)的投資回報(bào)。相比之下，普通工業(yè)運(yùn)輸車輛的極大量使用方式產(chǎn)生了相對(duì)較快的電池購(gòu)買(mǎi)投資回報(bào)。BEV在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)是輕型城市送貨車輛的最佳選擇，并且可能很快在許多重型商用卡車運(yùn)營(yíng)中具有競(jìng)爭(zhēng)力。

　　需要注意的是，鋰、鈷和鎳等關(guān)鍵金屬的短缺最終可能會(huì)限制卡車制造向BEV過(guò)渡的速度。雖然目前未開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)量在陸地、海底和海水本身比比皆是，但委托新的采礦和精煉作業(yè)將需要很多年的時(shí)間。事實(shí)上，將新礦上線可能需要 10 到 20 年的時(shí)間，從最初的投資開(kāi)始。目前正在根據(jù)當(dāng)前和近期需求進(jìn)行投資，這不允許運(yùn)輸應(yīng)用的全面和快速電氣化。

　　氫燃料電池電動(dòng)汽車

　　氫氣通常被視為電動(dòng)卡車的理想能源儲(chǔ)存。它輕盈而豐富——它的氧化只產(chǎn)生水。它的比能量為 33 kWh/kg，每公斤柴油儲(chǔ)存的能量是其三倍。然而，它的密度也非常低，因此必須在非常高的壓力下儲(chǔ)存或液化并在低溫下儲(chǔ)存。這意味著裝滿氫氣的罐的實(shí)際尺寸和重量遠(yuǎn)大于等效的柴油罐。

　　圖 4：這是一個(gè) IV 型復(fù)合外包裝氫氣壓力容器。(圖片來(lái)源：Jody Muelaner)

　　例如，豐田 Mirai 是一款轎車，可將 5 公斤壓縮至 700 巴的氫氣儲(chǔ)存在重達(dá) 83 公斤的復(fù)合罐中。油箱的實(shí)際比能量為1.89千瓦時(shí)/千克，遠(yuǎn)低于柴油，但仍遠(yuǎn)高于電池組的0.25千瓦時(shí)/千克。然而，考慮到燃料電池、輔助電池和其他動(dòng)力總成組件的額外重量，氫燃料汽車的續(xù)航里程和重量與電池供電的電動(dòng)汽車相似，即使運(yùn)營(yíng)成本要高得多。這就是為什么汽車行業(yè)現(xiàn)在廣泛致力于純電動(dòng)汽車乘用車，很少有制造商仍在積極開(kāi)發(fā)氫動(dòng)力公路汽車。

　　圖5： PGS1000 系列 MEMS熱導(dǎo)率氫傳感器幫助氫動(dòng)力系統(tǒng)保持安全運(yùn)行。氫氣傳感器包括采用差分配置的雙導(dǎo)熱芯片。通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)熱導(dǎo)率變化來(lái)檢測(cè)氫濃度。(圖片來(lái)源： 波西發(fā)科技)

　　對(duì)于大型車輛，氫氣作為動(dòng)力源仍有一定的潛力。隨著壓力容器尺寸的增加，體積增加三的冪，而表面積增加二的冪。對(duì)于相當(dāng)于1，000千瓦時(shí)的電池組，大約需要60公斤的氫氣，占用約1.50米3 加壓時(shí)。使用圓柱形罐，比能量增加到約4 kWh / kg，使用球形罐可能超過(guò)7 kWh / kg。

　　使用氫氣來(lái)儲(chǔ)存能量遠(yuǎn)不如使用電池來(lái)儲(chǔ)存能量。車輛通常使用質(zhì)子交換膜燃料電池以60%左右的效率將氫氣轉(zhuǎn)化為電能。然而，氫氣必須首先從電力中產(chǎn)生，電解槽的效率在50%到80%之間。更高的效率需要更昂貴的電解槽，并且能夠降低上升和下降以利用低成本剩余電力的能力 - 因此商業(yè)運(yùn)營(yíng)通常實(shí)現(xiàn)該范圍的低端的效率。

　　壓縮和運(yùn)輸氫氣時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的能量損失。例如，加油涉及 壓縮至 70 MPa，消耗大約 3 kWh/kg — 效率達(dá)到 91%。雖然電力傳輸和電池充電也會(huì)消耗一些能量，但它遠(yuǎn)小于氫氣系統(tǒng)中的損耗。BEV的典型“油井到車輪”效率目前約為80%，而最好的氫燃料電池電動(dòng)汽車只能實(shí)現(xiàn)約40%的效率......30%更常見(jiàn)。

　　一些人認(rèn)為，氫基運(yùn)輸?shù)妮^低效率并不重要，因?yàn)樗纳a(chǎn)消耗了目前浪費(fèi)的剩余(或削減)電力。然而，回收電解槽的資本成本至少需要利用率 32% 自 57%.這類似于海上風(fēng)力渦輪機(jī)的容量因素......因此，事實(shí)上，經(jīng)濟(jì)的制氫需要專用發(fā)電。

　　目前每年生產(chǎn)的7000萬(wàn)噸純氫幾乎全部用于制造硝酸鹽肥料，沒(méi)有硝酸鹽肥料，世界就無(wú)法養(yǎng)活80億人。幾乎所有這些氫氣都來(lái)自化石碳?xì)浠衔?天然氣、煤炭和石油)的蒸汽重整，這些碳?xì)浠衔飼?huì)釋放出一氧化碳。2 進(jìn)入大氣層。只有大約 40，000 噸符合電解產(chǎn)生的綠色氫氣的條件——否定了實(shí)現(xiàn)環(huán)保運(yùn)輸替代方案的目標(biāo)。

　　未來(lái)幾年還將看到航運(yùn)和航空脫碳的大量氫消耗，其中氫和氫衍生的電燃料是可再生能源發(fā)電的唯一可行的能源載體。提高電解槽和燃料電池的生產(chǎn)以滿足這些基本應(yīng)用的需求可能會(huì)被證明是極具挑戰(zhàn)性的，并且可能受到鉑等關(guān)鍵材料可用性的限制。

　　電動(dòng)道路系統(tǒng)

　　電動(dòng)道路系統(tǒng)或 電子技術(shù)服務(wù)體系 直接從當(dāng)?shù)仉娏緸殡妱?dòng)汽車的電池充電 當(dāng)車輛行駛時(shí)，車輛會(huì)行駛專門(mén)配備的道路車道.車輛電池的充電可以通過(guò)三種不同的方式進(jìn)行：

　　通過(guò)埋在路面下方的線圈進(jìn)行無(wú)線連接 — 采用的技術(shù)與 用于傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的那些

　　通過(guò)與路面上的導(dǎo)電軌直接機(jī)械接觸 - 類似于用于 在自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)中為自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 充電

　　通過(guò)車頂接觸器直接機(jī)械接觸的架空電纜

　　重型卡車最成熟的技術(shù)是使用懸掛在稱為接觸網(wǎng)的塔架上的架空電纜，并與卡車車頂上的受電弓系統(tǒng)相結(jié)合。這與鐵路和有軌電車電氣化非常相似，使用已建立的供應(yīng)鏈進(jìn)行安裝和部件制造。自2016年以來(lái)，西門(mén)子eHighway系統(tǒng)一直在瑞典兩公里長(zhǎng)的高速公路上運(yùn)行，在德國(guó)的多條更長(zhǎng)的公共高速公路上運(yùn)行，政府計(jì)劃到2023年覆蓋200公里，到2030年覆蓋4，000公里。

　　圖 6：ERS 的一個(gè)好處是它們只需要安裝在某些高速公路上......不是系統(tǒng)中每條高速公路的完整長(zhǎng)度。(圖片來(lái)源： 西門(mén)子交通)

　　圖 7：大陸集團(tuán)的工程師正在與西門(mén)子交通合作，進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電的受電弓設(shè)計(jì)，換句話說(shuō)，從架空線路供電，以便在商用卡車電池行駛時(shí)為其充電。(圖片來(lái)源： 大陸集團(tuán))

　　對(duì)幾個(gè)歐洲國(guó)家的研究發(fā)現(xiàn)，這是實(shí)現(xiàn)道路運(yùn)輸脫碳的最具成本效益的方法。以英國(guó)為例， 第一階段的ERS裝置可以在兩年內(nèi)電氣化3，261公里，成本為5.6B英鎊.汽車運(yùn)營(yíng)商將在18個(gè)月內(nèi)償還對(duì)受電弓電動(dòng)汽車的投資，而電氣化基礎(chǔ)設(shè)施將在15年內(nèi)通過(guò)電力銷售收回。ERS將使電池容量減少約80%，保留200公里的續(xù)航里程，以便在遠(yuǎn)離ERS網(wǎng)絡(luò)的地方運(yùn)行。沒(méi)有任何顯著電池續(xù)航里程的混合動(dòng)力汽車也可以通過(guò)主要在ERS網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)非常低的排放。電池需求的降低將大大降低電氣化的資本成本以及關(guān)鍵金屬約束的影響。

　　一 普華永道研究發(fā)現(xiàn)ERS比氫基系統(tǒng)更昂貴 但錯(cuò)誤地假設(shè)所有接觸網(wǎng)卡車都有小電池(因此不適合遠(yuǎn)程接觸網(wǎng)使用)。這種限制將阻礙ERS網(wǎng)絡(luò)的采用，直到ERS網(wǎng)絡(luò)廣泛存在，并預(yù)測(cè)懸鏈線的使用量?jī)H為新的快速充電和加氫基礎(chǔ)設(shè)施所假設(shè)的三分之一。然而，第一批ERS技術(shù)(包括西門(mén)子和斯堪尼亞的技術(shù))是基于混合動(dòng)力卡車設(shè)計(jì) - 并且計(jì)劃僅在ERS網(wǎng)絡(luò)建立良好后轉(zhuǎn)向電池電動(dòng)卡車設(shè)計(jì)。基于正確假設(shè)的研究表明，以新的ERS為特色的繁忙運(yùn)輸走廊將得到大量使用。德國(guó)政府的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)， 德國(guó)4，000公里的ERS網(wǎng)絡(luò)可以為85%的新重型卡車提供服務(wù) 到2030年。

　　結(jié)論

　　雖然電池電動(dòng)和氫能卡車受到很多關(guān)注，但電動(dòng)道路系統(tǒng)或ERS可能是大部分商業(yè)公路貨運(yùn)的更好解決方案。ERS是一種技術(shù)成熟且具有成本效益的選擇，可避免嚴(yán)重依賴電池或燃料電池的設(shè)計(jì)的供應(yīng)鏈問(wèn)題和關(guān)鍵金屬限制。實(shí)施特定ERS的主要挑戰(zhàn)是，在運(yùn)輸市場(chǎng)有機(jī)會(huì)證明自己之前，它需要大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施投資，因此可能需要激勵(lì)措施或直接政府投資。

　　在優(yōu)化的基礎(chǔ)設(shè)施中，BEV卡車可以補(bǔ)充ERS以執(zhí)行本地交付以及那些在不經(jīng)常使用的道路上涉及長(zhǎng)途旅行的交付。在這里，具有某種形式的化學(xué)儲(chǔ)能的卡車將成為可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)的首選 - 無(wú)論是FCEV還是帶有電燃料或生物燃料的混合動(dòng)力卡車。

　　如果國(guó)際社會(huì)認(rèn)真對(duì)待脫碳，現(xiàn)有的氫行業(yè)必須脫碳——而氫用于沒(méi)有其他可行替代品的應(yīng)用。在交通等領(lǐng)域創(chuàng)造新市場(chǎng)之前，那里有更高效的替代品，如電池電氣化和電動(dòng)道路系統(tǒng)。同樣的論點(diǎn)也適用于重型卡車中使用電燃料 - 盡管在增程器與ERS結(jié)合使用的大部分車輛能耗方面可能存在有限使用的情況。