作者：Jody Muelaner

　　公路货运是全球增长最快的能源用户，但重型卡车电气化比乘用车电气化更具挑战性。长途司机的完整工作日可能需要 8 到 12 个小时的道路时间——因此可能需要大约 950 公里到 1，050 公里(590 到 650 英里)的范围才能进行任何长时间充电。当车辆总重量为40吨或更多时，需要约1，250千瓦时的电池容量才能提供足以满足一天旅行的续航里程。具有这种容量的电池组可能重达四吨以上，并显着增加前期车辆成本。更重要的是，在偏远道路上行驶的卡车经常驶入几乎没有充电站的地区......表示多天的不受支持的范围。 这种情况使得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部门，它已准备好通过颠覆性技术提高效率。(图片来源：盖蒂图片社)

　　事实上，重型卡车脱碳的选择包括电池电动汽车(BEV)以及氢燃料电池电动汽车(FCEV)、电子燃料汽车和生物燃料汽车。尽管过去几十年大肆宣传，但由于以下原因，生物燃料将在未来的运输中发挥很小的作用：

　　竞争粮食生产的农业用地有限

　　非道路应用、航空和生物能源对生物燃料的需求，以及碳捕获和储存

　　重型卡车的所有剩余选项都可以被视为可再生能源发电的能量载体。

　　考虑电动传动系统如何也可以由电动道路系统或ERS提供动力，为特别繁忙路线上的车辆提供动力。这种ERS在车辆行驶时直接从当地电网提供电力 - 就像电动火车的供电方式一样。

　　如果使用生物燃料或电子燃料作为燃料，混合动力系统(包括内燃机或ICE)可能是碳中和的。当ICE只是偶尔用作到达偏远地区的增程器时，化石燃料甚至可以接受，并被能源系统其他部分的负排放所抵消。

　　有关电池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的 DC/DC 电源。简单的交流电动汽车充电器包括一个 AC/DC 模块(允许各种输入电压并保持良好的 EMC 性能和效率)以及多个 DC/DC 低功耗模块(用于控制、显示和通信)。更复杂的直流电动汽车充电器需要 150 至 480 W 封闭式或 DIN 导轨交流/直流主电源，以及一个非车载充电器以及 SiC MOSFET 驱动电源。(图片来源： 晨阳)

　　多年来，传统观点认为BEV动力总成无法提供长途重型卡车所需的续航里程。然而，许多制造商现在正在挑战这一观点。例如，据称特斯拉 Semi 在 800 公里的续航里程内将具有 1.25 kWh/km 的功耗。在强制性的中午休息期间进行一些快速充电，这辆重型卡车应该能够在单班次中行驶超过 1，000 公里。

　　图3：除公路车辆外，工业运输还包括在船场、多式联运、仓库配送中心和废物管理设施中使用的各种码头卡车。(图片来源： 橙色电动汽车)

　　虽然电池的重量是同等数量的柴油燃料的许多倍，但这只是图片的一半。这是因为电动传动系统的其他部件比内燃机和变速箱轻得多。虽然 1，000 kWh 电池组可能重 4，000 kg，但其余的传动系统组件(电动机、逆变器和变速箱)可能只有 600 kg。与传统的3，000公斤柴油动力总成相比，增幅仅为1，600公斤左右。在欧盟，零排放车辆的额外车辆总重量限额为2，000公斤 - 这意味着BEV实际上将比ICE卡车具有略大的有效载荷能力。随着结构电池组和电池化学的发展进一步减轻重量，BEV将变得更具竞争力。

　　乘用车采用BEV的一个主要障碍是电池组的高资本成本。普通汽车消费者每天最多只驾驶一两个小时。这样的使用配置文件可实现超长的投资回报。相比之下，普通工业运输车辆的极大量使用方式产生了相对较快的电池购买投资回报。BEV在经济上已经是轻型城市送货车辆的最佳选择，并且可能很快在许多重型商用卡车运营中具有竞争力。

　　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向BEV过渡的速度。虽然目前未开发的储量在陆地、海底和海水本身比比皆是，但委托新的采矿和精炼作业将需要很多年的时间。事实上，将新矿上线可能需要 10 到 20 年的时间，从最初的投资开始。目前正在根据当前和近期需求进行投资，这不允许运输应用的全面和快速电气化。

　　氢燃料电池电动汽车

　　氢气通常被视为电动卡车的理想能源储存。它轻盈而丰富——它的氧化只产生水。它的比能量为 33 kWh/kg，每公斤柴油储存的能量是其三倍。然而，它的密度也非常低，因此必须在非常高的压力下储存或液化并在低温下储存。这意味着装满氢气的罐的实际尺寸和重量远大于等效的柴油罐。

　　图 4：这是一个 IV 型复合外包装氢气压力容器。(图片来源：Jody Muelaner)

　　例如，丰田 Mirai 是一款轿车，可将 5 公斤压缩至 700 巴的氢气储存在重达 83 公斤的复合罐中。油箱的实际比能量为1.89千瓦时/千克，远低于柴油，但仍远高于电池组的0.25千瓦时/千克。然而，考虑到燃料电池、辅助电池和其他动力总成组件的额外重量，氢燃料汽车的续航里程和重量与电池供电的电动汽车相似，即使运营成本要高得多。这就是为什么汽车行业现在广泛致力于纯电动汽车乘用车，很少有制造商仍在积极开发氢动力公路汽车。

　　图5： PGS1000 系列 MEMS热导率氢传感器帮助氢动力系统保持安全运行。氢气传感器包括采用差分配置的双导热芯片。通过持续监测热导率变化来检测氢浓度。(图片来源： 波西发科技)

　　对于大型车辆，氢气作为动力源仍有一定的潜力。随着压力容器尺寸的增加，体积增加三的幂，而表面积增加二的幂。对于相当于1，000千瓦时的电池组，大约需要60公斤的氢气，占用约1.50米3 加压时。使用圆柱形罐，比能量增加到约4 kWh / kg，使用球形罐可能超过7 kWh / kg。

　　使用氢气来储存能量远不如使用电池来储存能量。车辆通常使用质子交换膜燃料电池以60%左右的效率将氢气转化为电能。然而，氢气必须首先从电力中产生，电解槽的效率在50%到80%之间。更高的效率需要更昂贵的电解槽，并且能够降低上升和下降以利用低成本剩余电力的能力 - 因此商业运营通常实现该范围的低端的效率。

　　压缩和运输氢气时也会产生大量的能量损失。例如，加油涉及 压缩至 70 MPa，消耗大约 3 kWh/kg — 效率达到 91%。虽然电力传输和电池充电也会消耗一些能量，但它远小于氢气系统中的损耗。BEV的典型“油井到车轮”效率目前约为80%，而最好的氢燃料电池电动汽车只能实现约40%的效率......30%更常见。

　　一些人认为，氢基运输的较低效率并不重要，因为它的生产消耗了目前浪费的剩余(或削减)电力。然而，回收电解槽的资本成本至少需要利用率 32% 自 57%.这类似于海上风力涡轮机的容量因素......因此，事实上，经济的制氢需要专用发电。

　　目前每年生产的7000万吨纯氢几乎全部用于制造硝酸盐肥料，没有硝酸盐肥料，世界就无法养活80亿人。几乎所有这些氢气都来自化石碳氢化合物(天然气、煤炭和石油)的蒸汽重整，这些碳氢化合物会释放出一氧化碳。2 进入大气层。只有大约 40，000 吨符合电解产生的绿色氢气的条件——否定了实现环保运输替代方案的目标。

　　未来几年还将看到航运和航空脱碳的大量氢消耗，其中氢和氢衍生的电燃料是可再生能源发电的唯一可行的能源载体。提高电解槽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是极具挑战性的，并且可能受到铂等关键材料可用性的限制。

　　电动道路系统

　　电动道路系统或 电子技术服务体系 直接从当地电力公司为电动汽车的电池充电 当车辆行驶时，车辆会行驶专门配备的道路车道.车辆电池的充电可以通过三种不同的方式进行：

　　通过埋在路面下方的线圈进行无线连接 — 采用的技术与 用于传统电子设计的那些

　　通过与路面上的导电轨直接机械接触 - 类似于用于 在自动化仓库中为自动导引车 (AGV) 充电

　　通过车顶接触器直接机械接触的架空电缆

　　重型卡车最成熟的技术是使用悬挂在称为接触网的塔架上的架空电缆，并与卡车车顶上的受电弓系统相结合。这与铁路和有轨电车电气化非常相似，使用已建立的供应链进行安装和部件制造。自2016年以来，西门子eHighway系统一直在瑞典两公里长的高速公路上运行，在德国的多条更长的公共高速公路上运行，政府计划到2023年覆盖200公里，到2030年覆盖4，000公里。

　　图 6：ERS 的一个好处是它们只需要安装在某些高速公路上......不是系统中每条高速公路的完整长度。(图片来源： 西门子交通)

　　图 7：大陆集团的工程师正在与西门子交通合作，进行动态充电的受电弓设计，换句话说，从架空线路供电，以便在商用卡车电池行驶时为其充电。(图片来源： 大陆集团)

　　对几个欧洲国家的研究发现，这是实现道路运输脱碳的最具成本效益的方法。以英国为例， 第一阶段的ERS装置可以在两年内电气化3，261公里，成本为5.6B英镑.汽车运营商将在18个月内偿还对受电弓电动汽车的投资，而电气化基础设施将在15年内通过电力销售收回。ERS将使电池容量减少约80%，保留200公里的续航里程，以便在远离ERS网络的地方运行。没有任何显着电池续航里程的混合动力汽车也可以通过主要在ERS网络上运行来实现非常低的排放。电池需求的降低将大大降低电气化的资本成本以及关键金属约束的影响。

　　一 普华永道研究发现ERS比氢基系统更昂贵 但错误地假设所有接触网卡车都有小电池(因此不适合远程接触网使用)。这种限制将阻碍ERS网络的采用，直到ERS网络广泛存在，并预测悬链线的使用量仅为新的快速充电和加氢基础设施所假设的三分之一。然而，第一批ERS技术(包括西门子和斯堪尼亚的技术)是基于混合动力卡车设计 - 并且计划仅在ERS网络建立良好后转向电池电动卡车设计。基于正确假设的研究表明，以新的ERS为特色的繁忙运输走廊将得到大量使用。德国政府的一项研究发现， 德国4，000公里的ERS网络可以为85%的新重型卡车提供服务 到2030年。

　　结论

　　虽然电池电动和氢能卡车受到很多关注，但电动道路系统或ERS可能是大部分商业公路货运的更好解决方案。ERS是一种技术成熟且具有成本效益的选择，可避免严重依赖电池或燃料电池的设计的供应链问题和关键金属限制。实施特定ERS的主要挑战是，在运输市场有机会证明自己之前，它需要大规模的基础设施投资，因此可能需要激励措施或直接政府投资。

　　在优化的基础设施中，BEV卡车可以补充ERS以执行本地交付以及那些在不经常使用的道路上涉及长途旅行的交付。在这里，具有某种形式的化学储能的卡车将成为可预见的未来的首选 - 无论是FCEV还是带有电燃料或生物燃料的混合动力卡车。

　　如果国际社会认真对待脱碳，现有的氢行业必须脱碳——而氢用于没有其他可行替代品的应用。在交通等领域创造新市场之前，那里有更高效的替代品，如电池电气化和电动道路系统。同样的论点也适用于重型卡车中使用电燃料 - 尽管在增程器与ERS结合使用的大部分车辆能耗方面可能存在有限使用的情况。