作者：Jody Muelaner

　　公路貨運是全球增長最快的能源用戶，但重型卡車電氣化比乘用車電氣化更具挑戰性。長途司機的完整工作日可能需要 8 到 12 個小時的道路時間——因此可能需要大約 950 公里到 1，050 公里(590 到 650 英里)的范圍才能進行任何長時間充電。當車輛總重量為40噸或更多時，需要約1，250千瓦時的電池容量才能提供足以滿足一天旅行的續航里程。具有這種容量的電池組可能重達四噸以上，并顯著增加前期車輛成本。更重要的是，在偏遠道路上行駛的卡車經常駛入幾乎沒有充電站的地區......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：長途卡車運輸是運輸業的一個部門，它已準備好通過顛覆性技術提高效率。(圖片來源：蓋蒂圖片社)

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

　　競爭糧食生產的農業用地有限

　　非道路應用、航空和生物能源對生物燃料的需求，以及碳捕獲和儲存

　　重型卡車的所有剩余選項都可以被視為可再生能源發電的能量載體。

　　考慮電動傳動系統如何也可以由電動道路系統或ERS提供動力，為特別繁忙路線上的車輛提供動力。這種ERS在車輛行駛時直接從當地電網提供電力 - 就像電動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，混合動力系統(包括內燃機或ICE)可能是碳中和的。當ICE只是偶爾用作到達偏遠地區的增程器時，化石燃料甚至可以接受，并被能源系統其他部分的負排放所抵消。

　　有關電池電動卡車的更多信息

　　圖2： 電動汽車 (EV) 充電站 采用 AC/DC 電源以及非隔離和隔離的 DC/DC 電源。簡單的交流電動汽車充電器包括一個 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 DC/DC 低功耗模塊(用于控制、顯示和通信)。更復雜的直流電動汽車充電器需要 150 至 480 W 封閉式或 DIN 導軌交流/直流主電源，以及一個非車載充電器以及 SiC MOSFET 驅動電源。(圖片來源： 晨陽)

　　多年來，傳統觀點認為BEV動力總成無法提供長途重型卡車所需的續航里程。然而，許多制造商現在正在挑戰這一觀點。例如，據稱特斯拉 Semi 在 800 公里的續航里程內將具有 1.25 kWh/km 的功耗。在強制性的中午休息期間進行一些快速充電，這輛重型卡車應該能夠在單班次中行駛超過 1，000 公里。

　　圖3：除公路車輛外，工業運輸還包括在船場、多式聯運、倉庫配送中心和廢物管理設施中使用的各種碼頭卡車。(圖片來源： 橙色電動汽車)

　　雖然電池的重量是同等數量的柴油燃料的許多倍，但這只是圖片的一半。這是因為電動傳動系統的其他部件比內燃機和變速箱輕得多。雖然 1，000 kWh 電池組可能重 4，000 kg，但其余的傳動系統組件(電動機、逆變器和變速箱)可能只有 600 kg。與傳統的3，000公斤柴油動力總成相比，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BEV實際上將比ICE卡車具有略大的有效載荷能力。隨著結構電池組和電池化學的發展進一步減輕重量，BEV將變得更具競爭力。

　　乘用車采用BEV的一個主要障礙是電池組的高資本成本。普通汽車消費者每天最多只駕駛一兩個小時。這樣的使用配置文件可實現超長的投資回報。相比之下，普通工業運輸車輛的極大量使用方式產生了相對較快的電池購買投資回報。BEV在經濟上已經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營中具有競爭力。

　　需要注意的是，鋰、鈷和鎳等關鍵金屬的短缺最終可能會限制卡車制造向BEV過渡的速度。雖然目前未開發的儲量在陸地、海底和海水本身比比皆是，但委托新的采礦和精煉作業將需要很多年的時間。事實上，將新礦上線可能需要 10 到 20 年的時間，從最初的投資開始。目前正在根據當前和近期需求進行投資，這不允許運輸應用的全面和快速電氣化。

　　氫燃料電池電動汽車

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

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

　　例如，豐田 Mirai 是一款轎車，可將 5 公斤壓縮至 700 巴的氫氣儲存在重達 83 公斤的復合罐中。油箱的實際比能量為1.89千瓦時/千克，遠低于柴油，但仍遠高于電池組的0.25千瓦時/千克。然而，考慮到燃料電池、輔助電池和其他動力總成組件的額外重量，氫燃料汽車的續航里程和重量與電池供電的電動汽車相似，即使運營成本要高得多。這就是為什么汽車行業現在廣泛致力于純電動汽車乘用車，很少有制造商仍在積極開發氫動力公路汽車。

　　圖5： PGS1000 系列 MEMS熱導率氫傳感器幫助氫動力系統保持安全運行。氫氣傳感器包括采用差分配置的雙導熱芯片。通過持續監測熱導率變化來檢測氫濃度。(圖片來源： 波西發科技)

　　對于大型車輛，氫氣作為動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。對于相當于1，000千瓦時的電池組，大約需要60公斤的氫氣，占用約1.50米3 加壓時。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7 kWh / kg。

　　使用氫氣來儲存能量遠不如使用電池來儲存能量。車輛通常使用質子交換膜燃料電池以60%左右的效率將氫氣轉化為電能。然而，氫氣必須首先從電力中產生，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 - 因此商業運營通常實現該范圍的低端的效率。

　　壓縮和運輸氫氣時也會產生大量的能量損失。例如，加油涉及 壓縮至 70 MPa，消耗大約 3 kWh/kg — 效率達到 91%。雖然電力傳輸和電池充電也會消耗一些能量，但它遠小于氫氣系統中的損耗。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汽車只能實現約40%的效率......30%更常見。

　　一些人認為，氫基運輸的較低效率并不重要，因為它的生產消耗了目前浪費的剩余(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%.這類似于海上風力渦輪機的容量因素......因此，事實上，經濟的制氫需要專用發電。

　　目前每年生產的7000萬噸純氫幾乎全部用于制造硝酸鹽肥料，沒有硝酸鹽肥料，世界就無法養活80億人。幾乎所有這些氫氣都來自化石碳氫化合物(天然氣、煤炭和石油)的蒸汽重整，這些碳氫化合物會釋放出一氧化碳。2 進入大氣層。只有大約 40，000 噸符合電解產生的綠色氫氣的條件——否定了實現環保運輸替代方案的目標。

　　未來幾年還將看到航運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電的唯一可行的能源載體。提高電解槽和燃料電池的生產以滿足這些基本應用的需求可能會被證明是極具挑戰性的，并且可能受到鉑等關鍵材料可用性的限制。

　　電動道路系統

　　電動道路系統或 電子技術服務體系 直接從當地電力公司為電動汽車的電池充電 當車輛行駛時，車輛會行駛專門配備的道路車道.車輛電池的充電可以通過三種不同的方式進行：

　　通過埋在路面下方的線圈進行無線連接 — 采用的技術與 用于傳統電子設計的那些

　　通過與路面上的導電軌直接機械接觸 - 類似于用于 在自動化倉庫中為自動導引車 (AGV) 充電

　　通過車頂接觸器直接機械接觸的架空電纜

　　重型卡車最成熟的技術是使用懸掛在稱為接觸網的塔架上的架空電纜，并與卡車車頂上的受電弓系統相結合。這與鐵路和有軌電車電氣化非常相似，使用已建立的供應鏈進行安裝和部件制造。自2016年以來，西門子eHighway系統一直在瑞典兩公里長的高速公路上運行，在德國的多條更長的公共高速公路上運行，政府計劃到2023年覆蓋200公里，到2030年覆蓋4，000公里。

　　圖 6：ERS 的一個好處是它們只需要安裝在某些高速公路上......不是系統中每條高速公路的完整長度。(圖片來源： 西門子交通)

　　圖 7：大陸集團的工程師正在與西門子交通合作，進行動態充電的受電弓設計，換句話說，從架空線路供電，以便在商用卡車電池行駛時為其充電。(圖片來源： 大陸集團)

　　對幾個歐洲國家的研究發現，這是實現道路運輸脫碳的最具成本效益的方法。以英國為例， 第一階段的ERS裝置可以在兩年內電氣化3，261公里，成本為5.6B英鎊.汽車運營商將在18個月內償還對受電弓電動汽車的投資，而電氣化基礎設施將在15年內通過電力銷售收回。ERS將使電池容量減少約80%，保留200公里的續航里程，以便在遠離ERS網絡的地方運行。沒有任何顯著電池續航里程的混合動力汽車也可以通過主要在ERS網絡上運行來實現非常低的排放。電池需求的降低將大大降低電氣化的資本成本以及關鍵金屬約束的影響。

　　一 普華永道研究發現ERS比氫基系統更昂貴 但錯誤地假設所有接觸網卡車都有小電池(因此不適合遠程接觸網使用)。這種限制將阻礙ERS網絡的采用，直到ERS網絡廣泛存在，并預測懸鏈線的使用量僅為新的快速充電和加氫基礎設施所假設的三分之一。然而，第一批ERS技術(包括西門子和斯堪尼亞的技術)是基于混合動力卡車設計 - 并且計劃僅在ERS網絡建立良好后轉向電池電動卡車設計。基于正確假設的研究表明，以新的ERS為特色的繁忙運輸走廊將得到大量使用。德國政府的一項研究發現， 德國4，000公里的ERS網絡可以為85%的新重型卡車提供服務 到2030年。

　　結論

　　雖然電池電動和氫能卡車受到很多關注，但電動道路系統或ERS可能是大部分商業公路貨運的更好解決方案。ERS是一種技術成熟且具有成本效益的選擇，可避免嚴重依賴電池或燃料電池的設計的供應鏈問題和關鍵金屬限制。實施特定ERS的主要挑戰是，在運輸市場有機會證明自己之前，它需要大規模的基礎設施投資，因此可能需要激勵措施或直接政府投資。

　　在優化的基礎設施中，BEV卡車可以補充ERS以執行本地交付以及那些在不經常使用的道路上涉及長途旅行的交付。在這里，具有某種形式的化學儲能的卡車將成為可預見的未來的首選 - 無論是FCEV還是帶有電燃料或生物燃料的混合動力卡車。

　　如果國際社會認真對待脫碳，現有的氫行業必須脫碳——而氫用于沒有其他可行替代品的應用。在交通等領域創造新市場之前，那里有更高效的替代品，如電池電氣化和電動道路系統。同樣的論點也適用于重型卡車中使用電燃料 - 盡管在增程器與ERS結合使用的大部分車輛能耗方面可能存在有限使用的情況。