探索氢在重型卡车运输中的作用

KatarinaNehrkorn,BeiaSpiller,andAlanKrupnick 关于作者 KatarinaNehrkorn是未来资源(RFF)的高级研究分析师。她于2020年毕业于密歇根大学，获得经济学学士学位。毕业后，她在德勤的风险和财务咨询部门工作了两年。2023年，Nehror从伦敦经济学院完成了环境经济学和气候变化硕士学位，她的论文主要集中在《降低通货膨胀法案》中的能源社区。 BeiaSpillerisafellowandthedirectorforRFF’sTransportationProgram.BeforetojoinRFF,shewasLeadSeniorEconomistatEnvironmentalDefenseFund,wheresheworkedfornearlyadecade.SheisalsoaBoardmemberfortheAssociation Spiller是一位能源经济学家，在电力和交通问题上有丰富的工作经验。 AlanKrupnick是RFF的高级研究员，其工业和燃料计划的主管，也是石油和天然气行业的专家，减少该行业和工业部门的温室气体排放以及成本效益分析。特别是，Krpic最近的研究重点是绿色公共采购，脱碳氢和税收抵免以及开发绿色天然气市场。他的投资组合还包括指导我们与NASA的VALUABLES计划所涵盖的信息议程的价值，降低哮喘风险的评估，估计统计寿命的价值以及监管改革的问题。 关于RFF 未来资源(RFF)是华盛顿特区一家独立的非营利性研究机构。其使命是通过公正的经济研究和政策参与来改善环境、能源和自然资源决策。 这里表达的观点是作者个人的观点，可能与其他RFF专家、官员或董事的观点不同。 分享我们的工作 我们的工作可在归因-非商业- NoDerivatives 4.0国际（CC BY - NC - ND 4.0）许可证下进行共享和改编。您可以以任何媒介或格式复制和重新分发我们的材料；您必须给予适当的信用，提供许可证的链接，并指出是否进行了更改，并且您可能不会应用其他限制。您可以以任何合理的方式这样做，但不得以任何方式暗示许可方认可您或您的使用。 您不得将材料用于商业目的。如果在材料上重新混合、变换或构建，则不得分发修改后的材料。有关更多信息，请访问https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. Contents 1.2.3.4.4.1.4.2.4.3.4.4. 5.5.1.5.2.5.3. 7. 1.Introduction 清洁氢气(H2）燃料可以在重型运输部门的脱碳中发挥作用。运输是人为CO的最大来源2美国国内的排放量以及中型和重型车辆占运输排放量的23%。重型运输部门被定义为车辆总重超过26,001磅的商用车，通常包括干式卡车，短途和区域性日间出租车以及长途8级卡车。2该部门特别难以脱碳，因为这些卡车通常需要长距离行驶并携带重型有效载荷。本报告概述了H.2卡车技术，其在美国的现状，与柴油和电池电动卡车的比较，部署面临的挑战以及政策问题。 2.它是如何工作的 H2可通过两种主要技术用于重型运输：燃料电池电动汽车(FCEV)或H2内燃机(H2ICE)。本报告侧重于FCEV，因为这是今天的主要用途，也是未来的设想。在这两种情况下，加油过程看起来与常规柴油相似，H2作为液体或气体直接放入罐中。 但是，燃料电池的工作方式与电池相似，车载电池和燃料电池较小，只要H就产生电力2燃料电池包括围绕电解质的一个正电极(阴极)和一个负电极(阳极)。阳极接收H2，阴极接收空气。H2然后被分离成质子和电子；电子穿过外部电路，产生电。质子迁移到阴极，与氧气和电子一起点燃，作为唯一的尾管排放物排放水和热量（DOE2024）。 H2可以作为液体或气体存储，气体存储需要350-700bar的极高压罐来增加密度和液化H2需要制冷-253°C.H2在任何燃料中，每质量的能量最高；然而，它每单位体积的能量较低，给储存和运输带来了挑战。液化H2increasesenergyperunitvolume,thereforeallowingmoretobetransportandstoredand increasingtruckrange.Nevertheless,mostattentionisfocusedongasH2由于保持液化H的成本和复杂性2在如此低的温度下，以及安全问题，因为任何高于-253°C的温度都会导致它变成气体并在罐中建立压力，这可能导致爆炸。 2Drayage卡车是一种短途重型卡车运输形式，可在不同的运输方式之间运输集装箱和货物。短期和区域性日间出租车是没有卧铺舱的重型卡车。长途8级卡车通常包括拖拉机和带有卧铺舱的牵引车。 3.氢燃料重型车辆的现状 虽然H2轻型FCEV已经在公共使用（尤其是在加利福尼亚州），重型运输应用程序刚刚达到商业部署。几家公司正在投资H2燃料电池卡车，值得注意的例子是尼古拉、海松、戴姆勒、沃尔沃和现代。这些公司中的大多数都处于早期示范阶段；然而，尼古拉刚刚在2023年交付了它的第一次生产运行，有42辆卡车，预计在2024年将再交付350辆。作为比较，266,752辆新型重型卡车于2023年在美国出售；大约1200是电池电，其余大部分是柴油。 H2在美国，加油基础设施也处于起步阶段。目前只有56个开放式零售站，除一个人在加利福尼亚州外，几乎所有人都在轻型车辆上。仅六个加油站为重型或中型车辆提供服务，有三辆卡车和其余的公共汽车运输车队。 然而，这种情况将有所改善，尼古拉计划在未来几年内开设60个重型加油站，其中9个在2024年中期运行. 燃料电池公交车比卡车走得更远，加利福尼亚州运营着66辆这样的公交车。截至2020年，美国国家可再生能源实验室（NREL）认为燃料电池客车的技术准备水平为7-8，这表明它们正在相关环境中进行全面验证（Edy和2021年后）。值得注意的例子存在于该国的其他地区，例如俄亥俄州的斯塔克地区区域运输管理局，该管理局运营着18H。2公共汽车和加油站。 4.环境，环境正义，成本和运营考虑 本节探讨了FCEV的环境，环境正义，成本和运营考虑因素，并将其与柴油车辆，现任选择和电池电动汽车（BEV）进行比较，后者是广泛接受的低排放替代方案。3 4.1.Environmental 评估H的环境影响2FCEV可能具有挑战性，因为上游排放将对生命周期排放产生最大影响。燃料电池发动机仅直接排放热量和水；然而，上游排放来自H2生产途径可以显著增加排放。目前，95%的H2在美国是“灰色”，由天然气生产，排放7-10kgCO2/kgH2.“绿色”H2由零碳电力(如太阳能、风能、水电和核能)组成 不到美国产量的1%，不排放任何CO2在生产过程中。然而，绿色H的环境效益2如果清洁电力不是“额外的”，就会减少，因为清洁能源用于H2生产可能以其他地方脱碳的机会成本为代价。虽然美国区域清洁氢集线器旨在增加两个“蓝色”H的数量2(由天然气生产，采用捕集CO的技术2排放并永久储存)和绿色H2在美国境内生产，生产(和分销系统达到demandcenters)willtakeyearstocometofruition.BecauseFCEVarebeingdeploymentnow,they willbefueledmostbygrayH2直到干净的H2(和加油基础设施)以有竞争力的(或补贴的)价格广泛可用。 大多数研究发现H2与柴油卡车相比，卡车会减少生命周期温室气体(GHG)排放，但程度因研究、车辆类型和H而异2Pathway.Onestudy(O'Connelletal.2023)conductedalife-cycleevaluationinEuropeandfoundthatgasH2使用天然气生产只会减少温室气体 3生物柴油,可再生柴油,and电子燃料是重型卡车运输行业的额外替代品。由于我们专注于零尾气排放选项，因此本报告中未详细介绍它们。然而，它们可以提供一种有吸引力的替代方案，因为它们可以起到滴入燃料的作用，允许现有的内燃车辆继续使用。生物柴油由植物油和动物脂肪通过酯化过程制成。可再生柴油类似，但使用氢化工艺。这使得它在化学上等同于石油柴油。可再生柴油是最合适的燃料，可以在现有的石油精炼厂中生产，但变化很小。电子燃料是通过合成捕获的CO制成的2和氢，使它们CO2-中性，如任何CO2以前已经释放了燃烧。这些选项都会导致CO的相对减少2与柴油相比，它们的排放量仍然会产生CO2排气管排放和标准空气污染物。 与常规柴油相比，排放量为15％。当添加能量以液化H时2，排放量大于柴油。然而，他们发现绿色H2couldreduceemissionsbyasmuchas84%fortractor-trailers,fallingshowsof100%becausethestudyincludingvehicleproductionemissionsaswell.Anotherlife-cyclecomparativestudybyLeeetal.(2018)foundsimilarresults,withFCEVsusingg2根据车辆重量和类型，天然气可将温室气体排放量减少20-45％。但是，这项研究发现，根据当前的发电组合，FCEV比柴油产生更多的SOx排放。这些比较也参与了关于H的辩论2税收抵免资格(见本文稍后部分)。 BEV的环境影响还将取决于上游生产途径-电网。像FCEV一样，BEV在其他地方使用可再生电力的机会成本；但是，在将可再生电力转换为移动服务方面，它们的效率是FCEV的两倍（Lige等人。2018)。O'Coell等人。(2023)和Lee等人。(2018)发现，与FCEV相比，BEV带来了更大的减排量。 最后，H2与柴油发动机相比，生产，燃料电池和电池组件需要更多的关键矿物，对锂，镍，铜，铂，铱和其他矿物的需求不断增加。电解槽需要增加镍和锆，燃料电池需要铜和铂族金属（IEA2021）。由于年产量低，已经用于内燃机车辆的后者尤其令人担忧。然而，美国能源部已经为FCEV设定了每千瓦铂需求的目标，IEA发现，在可持续发展情景中，内燃机对铂族金属的需求在2040年(IEA2021年)仍占燃料电池的主导地位。BEV需要比FCEV更大的电池（。8-16倍大），增加了对关键矿物的需求。持续的创新对于将关键矿物需求保持在尽可能低的水平将是必要的。如果进口这些物质，它们可能会增加能源安全问题；如果在国内生产，它们的生产和精炼可能会导致严重的环境污染。 4.2.环境正义 环境司法界对H表达了重大关切2生产，特别是关于蓝色H2.SomeperceptH2作为化石燃料行业继续生产的战略，担心一旦H2基础设施已经建立，那里将是生产者仍然使用化石燃料制造蓝色H的经济动机2.CO2蓝色H所需的捕获和存储技术2产生额外的怀疑，因为它们不会自动捕获标准空气污染物，需要管道建设，对当地环境造成泄漏和爆炸风险社区。JuanJhongChung密歇根州环境正义联盟描述了这些担忧：“碳捕获技术和氢气将增加当地的空气污染，污染干净的饮用水，威胁社区的安全在新管道的道路上，并为全国家庭提高能源账单。“。一些团体提倡只绿色H2尽管用于电解的水使用和清洁电力的非额外性仍然令人担忧。 联邦政府强调指导蓝色H的赠款2为环境正义社区的项目提供资金的生产产生社区利益，在经济发展和潜在的负外部性之间建立了潜在的权衡。一些环境正义和处境不利的社区认为，这种强调使环境不公正现象长期存在，并给社区带来与蓝色H.相关的安全和空气污染问题的不公平负担。2生产、管道和使用。 然而，对H存在一些积极的支持2使用重型卡车。许多社区团体认为电气化应该是运输脱碳的优先事项，但认识到BEV可能不适合长途卡车，EarthJustice说明，“氢很少是车辆污染的解决方案，除非可能在极端利基运输