工业运输的碳减排动力方案

作者：Jody Muelaner

公路货运是全球增长最快的能源消耗大户，但重型卡车电气化比乘用车电气化面临更大的挑战。对于一名长途司机，工作一整天意味着有 8 至 12 小时都在公路上，因此可能需要行驶 950 到 1,050 公里（590 至 650 英里）才能长时间给车辆充电。如果车辆总重量达到 40 吨或以上，则需要大约 1,250 kWh 的电池容量，续航里程才能满足一天的需求。具有这种容量的电池组可能重达 4 吨以上，大大增加了前期的车辆成本。另外，卡车行驶在偏远道路时，经常进入很少甚至没有充电站的区域，这意味着有很多天无法充电。这些情况下，电池电气化完全不可行。

图 1：长途卡车运输是运输业的一个领域，已经为颠覆性技术带来的效率提升做好了准备。（图片来源：Getty Images）

事实上，重型卡车的碳减排方案包括纯电动车 (BEV)、氢燃料电池电动车 (FCEV)、电燃料车和生物燃料车。尽管过去几十年大肆宣传，但生物燃料在未来的交通运输中只扮演一个小角色，原因是：

· 与粮食生产争夺有限的农业用地
· 非公路应用和航空领域以及具有碳捕获和储存功能的生物能源对生物燃料有需求

其余针对重型卡车的方案都可视为可再生电力的能源载体。

考虑一下电力传动系统如何也能由电力道路系统 (ERS) 来供电，该系统能布设在特别繁忙的路线上为车辆供电。这种 ERS 在车辆行驶时直接从当地电网供电——很像电动火车的供电方式。

混合动力系统（包括内燃机或 ICE）如果使用生物燃料或电燃料，可以实现碳中和。只是偶尔将 ICE 用作到达偏远地区的增程器时，甚至可以接受化石燃料，并且能源系统其他部分的负排放可抵消化石燃料的排放。

关于纯电动卡车的更多信息

图 2：电动汽车 (EV) 充电站采用 AC/DC 电源以及非隔离和隔离式 DC/DC 电源。简单的 AC EV 充电站包括一个 AC/DC 模块（允许各种输入电压并保持良好的 EMC 性能和能效），以及几个 DC/DC 低功耗模块（用于控制、显示和通信）。更复杂的 DC EV 充电站需要 150 至 480 W 封闭式或 DIN 导轨式 AC/DC 主电源，以及搭载 SiC MOSFET 驱动电源的非车载充电器。（图片来源：Mornsun）

多年来，传统观点认为 BEV 动力系统无法提供长途重型卡车所需的续航能力。然而，一些制造商现在正在挑战这种观点。例如，据称特斯拉 Semi 每公里耗电 1.25 kWh，续航里程可达 800 公里。在强制午休时间进行快速充电，这种重型卡车应该能在一个班次内行驶超过 1,000 公里。

图 3：除了公路车辆，工业运输还包括在运输堆场、多式联运、仓库配送中心和废品管理设施中使用的各种终端卡车。（图片来源：Orange EV）

虽然电池的重量是等量柴油的很多倍，但这只是片面理解。这是因为电力传动系统的其他部件比内燃机和变速箱要轻得多。虽然 1,000 kWh 的电池组可能重达 4,000 kg，但其余传动系统部件（电机、逆变器和齿轮箱）可能只有 600 kg。与传统 3,000 kg 柴油动力系统相比，只增加了约 1,600 kg。在欧盟，零排放车辆的车辆总重限额要多 2,000 kg——这意味着 BEV 的有效载荷能力实际上比 ICE 卡车略高。随着结构性电池组和电池化学技术的发展进一步减轻重量，BEV 将变得更有竞争力。

乘用车采用 BEV 的一个主要障碍是电池组的资本成本很高。普通的汽车消费者每天最多只开车一两个小时。这样的使用情况使得投资回报周期特别长。相比之下，一般工业运输车辆的极重度使用情况，使购买电池的投资回报相对较快。从经济上看，BEV 已经是城市轻型运输车辆的最佳选择，而且可能很快就会在许多重型商用卡车业务中突显竞争力。

需要注意的是，锂、钴和镍等关键金属的短缺最终可能会限制卡车制造业向 BEV 过渡的速度。虽然目前在陆地、海底和海水中都有大量未开发的储量，但新的开采和提炼业务需要很多年才能投产。事实上，从最初投资起算，一个新矿投产可能需要 10 到 20 年。目前的投资都是基于当前和近期的需求，这并不允许交通运输应用的全面和快速电气化。

氢燃料电池电动车

氢气通常被视为电气化卡车的理想能量储备。它很轻，含量丰富，而且氧化后只产生水。氢气的比能量为 33 kWh/kg，是每公斤柴油储能的 3 倍。然而，它的密度也非常低，所以必须在非常高的压力下储存，或在低温下液化和储存。这意味着，装满氢气的储罐的实际尺寸和重量要比同等的柴油油箱大得多。

图 4：这是一个 IV 型复合材料包覆的氢气压力容器。（图片来源：Jody Muelaner）

例如，丰田 Mirai 是一款房车，将 5 kg 的氢气压缩到 700 bar，储存在重 83 kg 的复合罐中。储罐的实际比能量为 1.89 kWh/kg，远低于柴油，但仍远远高于电池组的 0.25 kWh/kg。然而，考虑到燃料电池、辅助电池和其他动力系统部件的额外重量，氢气车辆的续航能力和重量与电池供电的电动汽车相似——但在运营成本上要高很多。这就是为什么汽车行业现在普遍致力于打造 BEV 乘用车，而很少有生产商仍在积极开发氢气公路车辆。

图 5：PGS1000 系列 MEMS 热导式氢气传感器帮助氢动力系统保持安全运行。这种氢气传感器包括差分配置的双热导模。通过持续监测热导率变化来检测氢气浓度。（图片来源：Posifa Technologies）

对于大型车辆来说，氢气仍有一定的潜力成为动力源。随着压力容器尺寸的增加，体积按三次幂增加，而表面积按二次幂增加。对于相当于 1,000 kWh 的电池组，需要大约 60 kg 的氢气，加压后约占 1.50 m3。使用圆柱形储罐，比能量增加到约 4 kWh/kg，使用球形储罐，比能量可能超过 7 kWh/kg。

用氢气储能的效率远远低于用电池储能。车辆通常使用质子交换膜燃料电池将氢气转化为电能，能效为 60% 左右。然而，氢气必须首先由电力产生，电解器的效率介于 50% 到 80% 之间。电解器效率越高越昂贵，而进行调节以利用低成本剩余电力的能力越弱——因此商业运营通常只达到这一效率范围的低端。

氢气压缩和运输时也会产生巨大的能量损失。例如，加气时需将氢气压缩到 70 MPa，大约消耗 3 kWh/kg——能效为 91%。虽然电力传输和电池充电也会耗散一些能量，但远远低于氢气系统的损失。目前，BEV 的典型“井到轮”效率约为 80%，而最好的氢燃料电池电动车只能达到约 40% 的效率...30% 更为常见。

有人认为，氢能源运输的能效较低并不重要，因为生产氢气消耗的是目前浪费的剩余（或削减）电力。然而，收回电解器的资本成本要求利用率至少达到 32% 至 57%。这类似于海上风力涡轮机的容量系数...所以事实上，经济的氢气生产需要专门发电。

目前每年生产的 7,000 万吨纯氢几乎全部用于制造硝酸盐肥料，没有这些肥料，就无法养活全球 80 亿人。几乎所有这些氢气都来自于化石碳氢化合物（天然气、煤和石油）的蒸汽转化，而这一过程会向大气中释放 CO2。只有大约 40,000 吨属于通过电解生产的绿色氢气——有悖于实现环境友好型运输替代方案的目标。

未来几年，航运和航空领域的碳减排也会消耗大量的氢气，在这些领域，氢气和氢衍生的电燃料是唯一可行的可再生发电能源载体。扩大电解器和燃料电池的生产以满足这些基本应用的需求，可能会被证明极具挑战性，并可能受到诸如铂等关键材料供应的制约。

电力道路系统 (ERS)

当车辆行驶在设有专用设备的公路车道上时，电力道路系统或 ERS 可直接从当地电力设施为电池充电。车辆电池充电可以采用 3 种不同的方式：

· 通过埋在路面下的线圈进行无线传输——采用的技术不同于传统电子设计的技术
· 通过与路面上的导电轨道直接机械接触——类似于自动仓库中用于为自动导引车 (AGV) 充电的轨道
· 通过架空电缆，车顶上的接触器与电缆进行直接的机械接触

用于重型卡车的最成熟技术是使用悬挂在称为“接触网”的挂架上的架空电缆，并搭配卡车顶上的受电弓系统。这与铁路和有轨电车电气化非常相似，可使用已成熟的安装和部件制造供应链。自 2016 年以来，西门子 eHighway 系统一直在瑞典一段 2 公里长的高速公路上运行，并在德国众多更长的公共高速公路上运行，德国政府计划在 2023 年前覆盖 200 公里，2030 年前覆盖 4,000 公里。

图 6：ERS 的一个优点是，它们只需要安装在某些路段上...无需铺满系统中的每条公路。（图片来源：Siemens Mobility）


图 7：Continental 的工程师正在与 Siemens Mobility 合作，研究动态充电的受电弓设计——换句话说，在商用卡车行驶过程中，由架空线提供电力，为其电池充电。（图片来源：Continental AG）

在几个欧洲国家的研究发现，这是最具成本效益的公路运输碳减排方式。例如在英国，第一阶段 ERS 安装耗资 56 亿英镑，可以在两年内实现 3,261 公里电气化。车辆运营商将在 18 个月内收回对受电弓电动车的投资，而电气化基础设施将在 15 年内通过电力销售收回投资。ERS 将使电池容量减少约 80%，为远离 ERS 网络行驶保留 200 公里的续航。没有长电池续航里程的混合动力车辆也可以通过主要在 ERS 网络上行驶来实现非常低的排放。减少电池需求将大幅降低电气化的资本成本以及关键金属制约的影响。

普华永道的一项研究发现，ERS 的成本比氢能源系统要高，但却错误地假设所有接触网卡车都采用小型电池（所以不适合长距离接触网使用）。这种限制将在 ERS 网络广泛普及之前阻碍其采用——并预测接触网的使用率只有新的快速充电和加氢基础设施假设使用率的 1/3。然而，第一批 ERS 技术（包括西门子和 Scania 的技术）是基于混合动力卡车的设计——而且计划只有在 ERS 网络完善后才会转向纯电动卡车设计。基于正确假设的研究表明，设有新型 ERS 的繁忙交通走廊将实现高使用率。为德国政府进行的一项研究发现，到 2030 年，德国 4,000 公里的 ERS 网络可以为 85% 的新式重型卡车提供服务。

总结

虽然纯电动卡车和氢气卡车受到很多关注，但对于大部分商业公路货运交通来说，电力道路系统或 ERS 可能是更好的解决方案。ERS 是一种技术上成熟且具有成本效益的方案，它避免了严重依赖电池或燃料电池的设计所存在的供应链问题和关键金属制约。实施特定 ERS 面临的主要挑战是，在运输市场有机会证明可行之前，ERS 需要大规模的基础设施投资——所以很可能需要激励措施或政府直接投资。

在优化的基础设施中，BEV 卡车可以补充 ERS，以实现本地运送以及经过不常用道路的超长途运送。本文认为，具有某种形式化学储能的卡车将在可预见的未来成为主要选择——无论是采取 FCEV 的形式，还是使用电燃料或生物燃料的混合卡车。

如果全球社会认真对待碳减排问题，现有的氢气产业必须碳减排。氢气适用于没有其他可行替代方案的应用。在交通运输等领域开辟出新市场之前，这些领域有能效更高的替代方案，如电池电气化和电力道路系统。这些观点也同样适用于在重型卡车中使用电燃料——但有时会在增程器中有限地使用，并结合 ERS 来解决车辆的大部分能源消耗。