氢动力重型卡车

氢燃料对公路货运的环境和经济影响综述 www. ucsusa. org / resources / 氢动力重型卡车 https: / / doi. org / 10.47923 / 2023.15274 山姆 · 威尔逊 2023 年 11 月 CONTENTS 燃料电池电动汽车卡车真的是零排放汽车吗 ？ 3Introduction 3氢燃料电池卡车如何工作 ？ 4制氢驱动 FCEV 污染4图 1. 按燃料类型划分的 2030 年拖拉机卡车的生命周期气候变暖排放5 氢燃烧技术正在污染和昂贵 6氢卡车如何影响我的社区 ？ 5燃料成本是氢卡车的主要限制经济因素6图 2. 加利福尼亚州行驶 400 英里货运路线的成本 ： 2030 年拖拉机卡车7 今天市场上有氢卡车和公共汽车吗 ？ 8燃料电池卡车的效率如何 ？ 8 经济学不适合大规模 FCEV 部署 9Figure 3. Comparing “Well - to - Wheel ” Energy Efficiency of FCEV and BEVs 9 比较氢气和 BEV 加油基础设施的可扩展性 11Figure 4. Comparing BEV and FCEV Life - Cycle Energy Efficiencies 10 汽车制造商和商业车队正在投资氢动力卡车，以解决重型车辆产生的气候排放和其他空气污染物问题。然而，氢动力卡车面临着成为经济实惠、零排放解决方案的若干障碍。 本解释者旨在解答关于氢动力卡车潜在利益和挑战的常见问题。 Introduction 重型卡车和公共汽车在道路上和高速公路上造成了不成比例的车辆污染。尽管它们仅占美国2b-8)车辆的10%，但这些车辆却排放了超过四分之一的全球温室气体。道路、重型卡车和公共汽车 (类别排放 ， 约一半的烟雾形成氮氧化物 (NOx) ， 以及超过一半的细颗粒物 (PM2.5) 来自公路车辆 (O ‘ Dea 2019) 。 减少卡车和公共汽车产生的污染对于创造可持续且公平的方式来说至关重要。电池-运输系统和电动重型车辆（BEVs）代表了当今最常用的零排放车辆（ZEV）技术，全球范围内部署了数以十万计的卡车和公交车，并且越来越多的型号正在涌现。然而，随着全球交通运输电气化的趋势，卡车和公交车正逐渐采用这一技术。氢也是 本说明将帮助决策者、研究人员和公众更好地理解重型氢能源车辆技术与经济状况，以及关键因素。当前对氢能源车辆、燃料及加注基础设施潜在益处与挑战的考虑状态。当前的氢能源生产为社区和环境带来了严重的健康问题，而真正零排放的氢能源卡车面临着包括能效较低和加注成本更高在内的多重障碍，相较于电池电动选项。然而，考虑到氢能源车辆市场和加注基础设施建设的新兴状态，以及近期联邦投资的推动，预计未来几年内某些卡车应用中将部署氢燃料电池卡车（McNamara, 2022）。这旨在要么持续加剧或减少导致气候变暖和空气质量问题的影响。氢能源车辆具有潜在的污染问题，其技术部署必须仅限于能够防止化石燃料现有危害继续发生，并带来 明确的公共健康和环境利益的方式。 燃料电池电动汽车卡车真的是零排放车辆吗 ？ 是的 - 他们可以 ， 但这取决于燃料电池电动汽车(FCEV) 的氢燃料是如何生产的。 当前市场上的零排放卡车和公交车分为两种类型：BEVs（电池电动车辆）和氢燃料电池车（Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicles，简称FCEVs）。这两种零排放车辆技术具有相似性与差异性。鉴于全球即将进行的向零排放卡车和公交车的必要过渡，理解这两种技术的运作方式至关重要，以便以最大化各自优势并减少潜在危害的方式应用它们。 如同BEVs（电池电动车辆），FCEVs（氢燃料电池车辆）在行驶过程中不产生尾气污染。然而，每种车辆动力来源的燃料生产——电力和氢气——可能会释放全球变暖气体。 排放和空气污染。正如BEV随电网清洁度的提高而变得更加环保一样，考虑FCV卡车在整个生命周期内的污染影响对于全面评估其减少全球变暖排放和货运操作中空气污染潜力至关重要（Reichmuth, 2023）。尾管零排放并不意味着零影响。以下部分将涵盖FCV卡车的关键上游影响，并探讨其创建更可持续货运系统能力的相关研究。 氢燃料电池卡车如何工作 ？ 燃料电池电动汽车（FCEV）可以被视为配备车载发电厂的电动汽车。FCEV中的氢燃料电池将存储在车辆高压储罐中的氢气转化为电能。与纯电动汽车（BEV）一样，FCEV也使用电池供电，但它们携带氢燃料和燃料电池来驱动车辆。由于这种设计，典型的FCEV所携带的电池大小远小于同等BEV中发现的电池，并且FCEV的重量要轻得多。例如，长途纯电动汽车牵引车可能拥有超过1兆瓦时的电池，可以在需要充电前行驶数百英里。而类似的FCEV电池则约为其十分之一大小，依赖于车载的燃料电池和氢燃料驱动车辆，在需要加氢之前提供动力。 制氢驱动 FCEV 污染 尽管氢燃料电池卡车仅从尾气排放水，但其生产过程可能产生显著的生活周期全球变暖排放和空气污染，具体取决于生产方式（Longden等，2022年；McNamara，2020年）。目前，大多数氢燃料是由天然气产生的，这伴随着重大的气候变化和空气质量问题（Hyunah等，2022年）。虽然燃料电池电动汽车与车辆生产相关的排放量通常较少，但即将由国际清洁运输理事会（ICCT）进行的一项研究的初步结果显示，使用可再生能源电力运行的电动拖车卡车在其生命周期内产生的全球变暖排放量比同类氢燃料从可再生能源电解（即“绿色”氢气）产生的燃料电池卡车少约13%（奥康奈尔等，未定）。然而，运行在天然气生产的氢气上的燃料电池电动汽车在其生命周期内的气候变暖影响规模与当前的柴油卡车相似。 电解过程中，通过使用电力将水中的氧原子和氢原子分离来生成氢燃料。如果使用可再生能源电力（如风能或太阳能）进行操作，这一过程可以实现零排放。不过，运行电解过程所需的大量电力是必要的（McNamara, 2023）。然而，根据美国能源部的数据，目前美国生产的氢燃料中只有1%通过电解方式产生，而95%则来自于天然气，剩余部分则来自煤炭气化（US DOE, 2020；US DOE, 2023a；US DOE,2023b）。真正的零排放解决方案必须在其燃料生产过程中不依赖化石燃料，并且要最小化从上游到下游的所有负面影响。 不同燃料类型的卡车之间，气候变暖的影响存在显著差异。无论是电能还是氢气生产的燃料，都对替代能源车辆的全生命周期排放贡献最大。 消息来源 ： O 'Connell 等人 ， n. d. 氢卡车如何影响我的社区 ？ 当前的氢气生产实践释放多种空气污染物，对人类和生态系统构成了严重的健康问题。目前可用的所有氢燃料均通过蒸汽重整从天然气生产，这一过程导致了包括PM在内的多种空气污染物的排放。2.5和 NOx因此，减少尾管污染带来的好处可能会因其他地方氢气生产排放增加而受损。（Sun 等人，2019年） 在氢燃料电池卡车的应用可能在一个地区减少了尾管污染的同时，对氢燃料需求和生产量的增加可能会在靠近燃料生产设施的区域加剧空气污染。然而，如以下讨论所示，一些制造商正在考虑生产燃烧氢燃料的车辆，而不是在燃料电池中将其转化为电能。这些车辆排放多种污染物，可能会对空气质量产生负面影响。 氢燃烧技术正在污染和昂贵 一些发动机和车辆制造商对氢燃烧技术的发展表示出兴趣，通常认为这种技术伴随着空气质量和气候方面的益处以及经济优势（Wolfe, 2022）。然而，尽管内部燃烧引擎中燃烧氢气可以消除尾气中的二氧化碳污染，但这些车辆仍然会产生大量的空气污染物，如形成臭氧的氮氧化物。最近的一项研究发现，氢燃烧引擎可能以甚至超过汽油车辆的速度释放损害肺部的细小颗粒物（Thawko & Tartakovsky, 2022）。 鉴于地面臭氧和颗粒物是许多城市地区，特别是靠近货运操作社区的主要污染物，氢燃料内燃机车辆并未提供与FCVs或BEVs相媲美的排放效益。 此外，燃烧氢气的能效远低于在燃料电池中将其转化为电能，因此氢燃料内燃机卡车在其每英里运营成本上，相对于电池电动、柴油和氢燃料卡车而言是最高的（Basma等，2023年）。由于氢燃料内燃机卡车燃烧燃料而非直接在燃料电池中转换为电能，这些卡车预计的燃油效率甚至低于当前的柴油卡车（Basma等，2023年）。 燃料成本是氢卡车的主要限制经济因素 氢动力重型车辆的运营成本远高于其他类型的车辆，主要是由于氢燃料的高昂成本（参见图2）。研究表明，为了使燃料电池电动汽车（FCEVs）在经济上与电池电动汽车（BEVs）竞争，到2030年绿色氢燃料的价格需要控制在每千克3美元至6.50美元之间（Basma等，2023年）。截至2023年，加州零售绿色氢燃料价格约为每千克30美元。即使有联邦激励措施，预计加油站价格仍将保持在每千克8美元至10美元之间（Collins，2023年；S&P全球商品洞察，2023年；Slowik等，2023年）。尽管电解氢燃料的价格可能会随着生产效率的提高而下降，但由天然气产生的氢燃料始终会受到化石燃料波动的影响（Longden等，2022年）。高昂的燃料价格可能减缓加注基础设施的发展，这是影响卡车采用氢燃料的另一个关键限制因素。 预计到2030年，电池电动卡车将在各种燃料类型中拥有最低的运营成本。成本输入包括各州特定的车辆购买价格和税收、保险、劳动力、维护以及燃料等相关费用值。 资料来源 ： Basma 等人 ， 2023 年。 燃料电池卡车可能具有比类似BEV稍高的购买价格，但加油费用很可能是企业选择清洁卡车时的主要经济因素。随着车队选择清洁卡车，燃料消耗成本将成为主要考虑因素。最近ICCT的研究估计，到2030年，一款电池电动的8类拖车卡车每英里运行成本较其燃料电池等效车型低约25%，这一优势主要由燃料成本驱动（Basma等人，2023）。鉴于像百事可乐这样的公司使用电池电动拖车卡车进行400多英里的运输任务，且能装载满载货物穿越州际山脉，ICCT研究结果表明，当运营周期绝对需要燃料电池提供的扩展范围时，燃料电池卡车最有可能被采用。 即便有即将到来的《通胀削减法案》中对氢燃料补贴，绿色氢燃料的价格也需要大幅下降，才能在经济上合理地与BEV（美国联邦法典第26编§45V；Ragon等人，2023年）相竞争。尽管政府支持和私营部门的热情激增，零售氢燃料价格的下降速度存在不确定性，但在乐观的情景下，价格达到可竞争水平仍需数年时间。研究虽然探讨并对比了燃料电池和电池电动汽车的全生命周期成本，结果不尽相同，但多数研究一致认为，电池电动汽车将比燃料电池汽车更快达到总成本平衡（Basma等人，2023年；加州空气资源委员会，2021年；Rout等人，2022年；Slowik等人，2023年）。此外，依赖于更为实际和保守的分析的研究进一步表明这一点。 氢燃料成本倾向于显示在全国范围内对氢动力卡车的采用有限，即使是在长途运输领域（Basma等人，2023年；Ragon等人，2023年）。 燃料电池卡车的效率如何 ？ 加速 ， 政策制定者应该考虑随着向零排放汽车和卡车的转变，以及车辆整体燃料和能源效率的提升。最终，效率将成为推动交通运 输系统所需可再生能源电力量的主要驱动力。 在当前环境下，无论是电池电动卡车还是燃料电池卡车在能效方面都优于柴油卡车；然而，电池电动车辆（BEVs）相对于燃料电池车辆（FCEVs）具有显著优势，即它们可以直接将能量存储在电池中，无需任何中间步骤。这一被称为“直接电气化”的BEV特性，既具有环境方面的正面影响，也具有经济上的优势。利用电力从水中制氢然后再将氢转化为电能用于车辆，这一过程会带来显著的能量效率损失（见图3）。一项对欧洲替代燃料货运卡车的研究发现，使用相同数量的可再生能源，电池电动卡车的行驶距离是燃料电池卡车的三倍（见图4）（O’Connell等，2023）。这在一定