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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jody Muelaner 公路貨運是全球增長(cháng)最快的能源消耗大戶(hù)，但重型卡車(chē)電氣化比乘用車(chē)電氣化面臨更大的挑戰。對于一名長(cháng)途司機，工作一整天意味著(zhù)有 8 至 12 小時(shí)都在公路上，因此可能需要行駛 950 到 1,050 公里（590 至 650 英里）才能長(cháng)時(shí)間給車(chē)輛充電。如果車(chē)輛總重量達到 40 噸或以上，則需要大約 1,250 kWh 的電池容量，續航里程才能滿(mǎn)足一天的需求。具有這種容量的電池組可能重達 4 噸以上，大大增加了前期的車(chē)輛成本。另外，卡車(chē)行駛在偏遠道路時(shí)，經(jīng)常進(jìn)入很少甚至沒(méi)有充電站的區域，這意味著(zhù)有很多天無(wú)法充電。這些情況下，電池電氣化完全不可行。 
圖 1：長(cháng)途卡車(chē)運輸是運輸業(yè)的一個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)為顛覆性技術(shù)帶來(lái)的效率提升做好了準備。（圖片來(lái)源：Getty Images） 事實(shí)上，重型卡車(chē)的碳減排方案包括純電動(dòng)車(chē) (BEV)、氫燃料電池電動(dòng)車(chē) (FCEV)、電燃料車(chē)和生物燃料車(chē)。盡管過(guò)去幾十年大肆宣傳，但生物燃料在未來(lái)的交通運輸中只扮演一個(gè)小角色，原因是： · 與糧食生產(chǎn)爭奪有限的農業(yè)用地 · 非公路應用和航空領(lǐng)域以及具有碳捕獲和儲存功能的生物能源對生物燃料有需求 其余針對重型卡車(chē)的方案都可視為可再生電力的能源載體。 考慮一下電力傳動(dòng)系統如何也能由電力道路系統 (ERS) 來(lái)供電，該系統能布設在特別繁忙的路線(xiàn)上為車(chē)輛供電。這種 ERS 在車(chē)輛行駛時(shí)直接從當地電網(wǎng)供電——很像電動(dòng)火車(chē)的供電方式。 混合動(dòng)力系統（包括內燃機或 ICE）如果使用生物燃料或電燃料，可以實(shí)現碳中和。只是偶爾將 ICE 用作到達偏遠地區的增程器時(shí)，甚至可以接受化石燃料，并且能源系統其他部分的負排放可抵消化石燃料的排放。 關(guān)于純電動(dòng)卡車(chē)的更多信息
圖 2：電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電站采用 AC/DC 電源以及非隔離和隔離式 DC/DC 電源。簡(jiǎn)單的 AC EV 充電站包括一個(gè) AC/DC 模塊（允許各種輸入電壓并保持良好的 EMC 性能和能效），以及幾個(gè) DC/DC 低功耗模塊（用于控制、顯示和通信）。更復雜的 DC EV 充電站需要 150 至 480 W 封閉式或 DIN 導軌式 AC/DC 主電源，以及搭載 SiC MOSFET 驅動(dòng)電源的非車(chē)載充電器。（圖片來(lái)源：Mornsun） 多年來(lái)，傳統觀(guān)點(diǎn)認為 BEV 動(dòng)力系統無(wú)法提供長(cháng)途重型卡車(chē)所需的續航能力。然而，一些制造商現在正在挑戰這種觀(guān)點(diǎn)。例如，據稱(chēng)特斯拉 Semi 每公里耗電 1.25 kWh，續航里程可達 800 公里。在強制午休時(shí)間進(jìn)行快速充電，這種重型卡車(chē)應該能在一個(gè)班次內行駛超過(guò) 1,000 公里。
圖 3：除了公路車(chē)輛，工業(yè)運輸還包括在運輸堆場(chǎng)、多式聯(lián)運、倉庫配送中心和廢品管理設施中使用的各種終端卡車(chē)。（圖片來(lái)源：Orange EV） 雖然電池的重量是等量柴油的很多倍，但這只是片面理解。這是因為電力傳動(dòng)系統的其他部件比內燃機和變速箱要輕得多。雖然 1,000 kWh 的電池組可能重達 4,000 kg，但其余傳動(dòng)系統部件（電機、逆變器和齒輪箱）可能只有 600 kg。與傳統 3,000 kg 柴油動(dòng)力系統相比，只增加了約 1,600 kg。在歐盟，零排放車(chē)輛的車(chē)輛總重限額要多 2,000 kg——這意味著(zhù) BEV 的有效載荷能力實(shí)際上比 ICE 卡車(chē)略高。隨著(zhù)結構性電池組和電池化學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步減輕重量，BEV 將變得更有競爭力。 乘用車(chē)采用 BEV 的一個(gè)主要障礙是電池組的資本成本很高。普通的汽車(chē)消費者每天最多只開(kāi)車(chē)一兩個(gè)小時(shí)。這樣的使用情況使得投資回報周期特別長(cháng)。相比之下，一般工業(yè)運輸車(chē)輛的極重度使用情況，使購買(mǎi)電池的投資回報相對較快。從經(jīng)濟上看，BEV 已經(jīng)是城市輕型運輸車(chē)輛的最佳選擇，而且可能很快就會(huì )在許多重型商用卡車(chē)業(yè)務(wù)中突顯競爭力。 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(chē)制造業(yè)向 BEV 過(guò)渡的速度。雖然目前在陸地、海底和海水中都有大量未開(kāi)發(fā)的儲量，但新的開(kāi)采和提煉業(yè)務(wù)需要很多年才能投產(chǎn)。事實(shí)上，從最初投資起算，一個(gè)新礦投產(chǎn)可能需要 10 到 20 年。目前的投資都是基于當前和近期的需求，這并不允許交通運輸應用的全面和快速電氣化。 氫燃料電池電動(dòng)車(chē) 氫氣通常被視為電氣化卡車(chē)的理想能量?jì)�。它很輕，含量豐富，而且氧化后只產(chǎn)生水。氫氣的比能量為 33 kWh/kg，是每公斤柴油儲能的 3 倍。然而，它的密度也非常低，所以必須在非常高的壓力下儲存，或在低溫下液化和儲存。這意味著(zhù)，裝滿(mǎn)氫氣的儲罐的實(shí)際尺寸和重量要比同等的柴油油箱大得多。
圖 4：這是一個(gè) IV 型復合材料包覆的氫氣壓力容器。（圖片來(lái)源：Jody Muelaner） 例如，豐田 Mirai 是一款房車(chē)，將 5 kg 的氫氣壓縮到 700 bar，儲存在重 83 kg 的復合罐中。儲罐的實(shí)際比能量為 1.89 kWh/kg，遠低于柴油，但仍遠遠高于電池組的 0.25 kWh/kg。然而，考慮到燃料電池、輔助電池和其他動(dòng)力系統部件的額外重量，氫氣車(chē)輛的續航能力和重量與電池供電的電動(dòng)汽車(chē)相似——但在運營(yíng)成本上要高很多。這就是為什么汽車(chē)行業(yè)現在普遍致力于打造 BEV 乘用車(chē)，而很少有生產(chǎn)商仍在積極開(kāi)發(fā)氫氣公路車(chē)輛。
圖 5：PGS1000 系列 MEMS 熱導式氫氣傳感器幫助氫動(dòng)力系統保持安全運行。這種氫氣傳感器包括差分配置的雙熱導模。通過(guò)持續監測熱導率變化來(lái)檢測氫氣濃度。（圖片來(lái)源：Posifa Technologies） 對于大型車(chē)輛來(lái)說(shuō)，氫氣仍有一定的潛力成為動(dòng)力源。隨著(zhù)壓力容器尺寸的增加，體積按三次冪增加，而表面積按二次冪增加。對于相當于 1,000 kWh 的電池組，需要大約 60 kg 的氫氣，加壓后約占 1.50 m3。使用圓柱形儲罐，比能量增加到約 4 kWh/kg，使用球形儲罐，比能量可能超過(guò) 7 kWh/kg。 用氫氣儲能的效率遠遠低于用電池儲能。車(chē)輛通常使用質(zhì)子交換膜燃料電池將氫氣轉化為電能，能效為 60% 左右。然而，氫氣必須首先由電力產(chǎn)生，電解器的效率介于 50% 到 80% 之間。電解器效率越高越昂貴，而進(jìn)行調節以利用低成本剩余電力的能力越弱——因此商業(yè)運營(yíng)通常只達到這一效率范圍的低端。 氫氣壓縮和運輸時(shí)也會(huì )產(chǎn)生巨大的能量損失。例如，加氣時(shí)需將氫氣壓縮到 70 MPa，大約消耗 3 kWh/kg——能效為 91%。雖然電力傳輸和電池充電也會(huì )耗散一些能量，但遠遠低于氫氣系統的損失。目前，BEV 的典型“井到輪”效率約為 80%，而最好的氫燃料電池電動(dòng)車(chē)只能達到約 40% 的效率...30% 更為常見(jiàn)。 有人認為，氫能源運輸的能效較低并不重要，因為生產(chǎn)氫氣消耗的是目前浪費的剩余（或削減）電力。然而，收回電解器的資本成本要求利用率至少達到 32% 至 57%。這類(lèi)似于海上風(fēng)力渦輪機的容量系數...所以事實(shí)上，經(jīng)濟的氫氣生產(chǎn)需要專(zhuān)門(mén)發(fā)電。 目前每年生產(chǎn)的 7,000 萬(wàn)噸純氫幾乎全部用于制造硝酸鹽肥料，沒(méi)有這些肥料，就無(wú)法養活全球 80 億人。幾乎所有這些氫氣都來(lái)自于化石碳氫化合物（天然氣、煤和石油）的蒸汽轉化，而這一過(guò)程會(huì )向大氣中釋放 CO2。只有大約 40,000 噸屬于通過(guò)電解生產(chǎn)的綠色氫氣——有悖于實(shí)現環(huán)境友好型運輸替代方案的目標。 未來(lái)幾年，航運和航空領(lǐng)域的碳減排也會(huì )消耗大量的氫氣，在這些領(lǐng)域，氫氣和氫衍生的電燃料是唯一可行的可再生發(fā)電能源載體。擴大電解器和燃料電池的生產(chǎn)以滿(mǎn)足這些基本應用的需求，可能會(huì )被證明極具挑戰性，并可能受到諸如鉑等關(guān)鍵材料供應的制約。 電力道路系統 (ERS) 當車(chē)輛行駛在設有專(zhuān)用設備的公路車(chē)道上時(shí)，電力道路系統或 ERS 可直接從當地電力設施為電池充電。車(chē)輛電池充電可以采用 3 種不同的方式： · 通過(guò)埋在路面下的線(xiàn)圈進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸——采用的技術(shù)不同于傳統電子設計的技術(shù) · 通過(guò)與路面上的導電軌道直接機械接觸——類(lèi)似于自動(dòng)倉庫中用于為自動(dòng)導引車(chē) (AGV) 充電的軌道 · 通過(guò)架空電纜，車(chē)頂上的接觸器與電纜進(jìn)行直接的機械接觸 用于重型卡車(chē)的最成熟技術(shù)是使用懸掛在稱(chēng)為“接觸網(wǎng)”的掛架上的架空電纜，并搭配卡車(chē)頂上的受電弓系統。這與鐵路和有軌電車(chē)電氣化非常相似，可使用已成熟的安裝和部件制造供應鏈。自 2016 年以來(lái)，西門(mén)子 eHighway 系統一直在瑞典一段 2 公里長(cháng)的高速公路上運行，并在德國眾多更長(cháng)的公共高速公路上運行，德國政府計劃在 2023 年前覆蓋 200 公里，2030 年前覆蓋 4,000 公里。
圖 6：ERS 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們只需要安裝在某些路段上...無(wú)需鋪滿(mǎn)系統中的每條公路。（圖片來(lái)源：Siemens Mobility）
圖 7：Continental 的工程師正在與 Siemens Mobility 合作，研究動(dòng)態(tài)充電的受電弓設計——換句話(huà)說(shuō)，在商用卡車(chē)行駛過(guò)程中，由架空線(xiàn)提供電力，為其電池充電。（圖片來(lái)源：Continental AG） 在幾個(gè)歐洲國家的研究發(fā)現，這是最具成本效益的公路運輸碳減排方式。例如在英國，第一階段 ERS 安裝耗資 56 億英鎊，可以在兩年內實(shí)現 3,261 公里電氣化。車(chē)輛運營(yíng)商將在 18 個(gè)月內收回對受電弓電動(dòng)車(chē)的投資，而電氣化基礎設施將在 15 年內通過(guò)電力銷(xiāo)售收回投資。ERS 將使電池容量減少約 80%，為遠離 ERS 網(wǎng)絡(luò )行駛保留 200 公里的續航。沒(méi)有長(cháng)電池續航里程的混合動(dòng)力車(chē)輛也可以通過(guò)主要在 ERS 網(wǎng)絡(luò )上行駛來(lái)實(shí)現非常低的排放。減少電池需求將大幅降低電氣化的資本成本以及關(guān)鍵金屬制約的影響。 普華永道的一項研究發(fā)現，ERS 的成本比氫能源系統要高，但卻錯誤地假設所有接觸網(wǎng)卡車(chē)都采用小型電池（所以不適合長(cháng)距離接觸網(wǎng)使用）。這種限制將在 ERS 網(wǎng)絡(luò )廣泛普及之前阻礙其采用——并預測接觸網(wǎng)的使用率只有新的快速充電和加氫基礎設施假設使用率的 1/3。然而，第一批 ERS 技術(shù)（包括西門(mén)子和 Scania 的技術(shù)）是基于混合動(dòng)力卡車(chē)的設計——而且計劃只有在 ERS 網(wǎng)絡(luò )完善后才會(huì )轉向純電動(dòng)卡車(chē)設計�；谡_假設的研究表明，設有新型 ERS 的繁忙交通走廊將實(shí)現高使用率。為德國政府進(jìn)行的一項研究發(fā)現，到 2030 年，德國 4,000 公里的 ERS 網(wǎng)絡(luò )可以為 85% 的新式重型卡車(chē)提供服務(wù)。 總結 雖然純電動(dòng)卡車(chē)和氫氣卡車(chē)受到很多關(guān)注，但對于大部分商業(yè)公路貨運交通來(lái)說(shuō)，電力道路系統或 ERS 可能是更好的解決方案。ERS 是一種技術(shù)上成熟且具有成本效益的方案，它避免了嚴重依賴(lài)電池或燃料電池的設計所存在的供應鏈問(wèn)題和關(guān)鍵金屬制約。實(shí)施特定 ERS 面臨的主要挑戰是，在運輸市場(chǎng)有機會(huì )證明可行之前，ERS 需要大規模的基礎設施投資——所以很可能需要激勵措施或政府直接投資。 在優(yōu)化的基礎設施中，BEV 卡車(chē)可以補充 ERS，以實(shí)現本地運送以及經(jīng)過(guò)不常用道路的超長(cháng)途運送。本文認為，具有某種形式化學(xué)儲能的卡車(chē)將在可預見(jiàn)的未來(lái)成為主要選擇——無(wú)論是采取 FCEV 的形式，還是使用電燃料或生物燃料的混合卡車(chē)。 如果全球社會(huì )認真對待碳減排問(wèn)題，現有的氫氣產(chǎn)業(yè)必須碳減排。氫氣適用于沒(méi)有其他可行替代方案的應用。在交通運輸等領(lǐng)域開(kāi)辟出新市場(chǎng)之前，這些領(lǐng)域有能效更高的替代方案，如電池電氣化和電力道路系統。這些觀(guān)點(diǎn)也同樣適用于在重型卡車(chē)中使用電燃料——但有時(shí)會(huì )在增程器中有限地使用，并結合 ERS 來(lái)解決車(chē)輛的大部分能源消耗。 |
