貨運(yùn)交通電氣化技術(shù)的電氣化公路方案與氫能方案對比研究

李紅標(biāo)，鄭澤東，李永東

（清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

0 引言

交通運(yùn)輸是我國化石能源消耗和溫室氣體排放的主要領(lǐng)域之一，在“碳達(dá)峰”、“碳中和”的時代背景下，持續(xù)推進(jìn)交通領(lǐng)域低碳化、清潔化轉(zhuǎn)型，降低化石能源在其終端能源中的消耗占比已成為必然趨勢。目前，公路運(yùn)輸?shù)幕茉聪牧空颊麄€交通領(lǐng)域化石能源消耗量的80%以上，其中重型貨運(yùn)車輛是公路運(yùn)輸化石能源消耗與溫室氣體排放的主體［1］。推動重型卡車（簡稱“重卡”）貨運(yùn)清潔化轉(zhuǎn)型是優(yōu)化交通運(yùn)輸領(lǐng)域能源結(jié)構(gòu)，構(gòu)建綠色、清潔、高效的交通運(yùn)輸體系的重要方面，其中，將公路貨運(yùn)進(jìn)行電氣化改造是重卡貨運(yùn)清潔化轉(zhuǎn)型的有效措施之一。

公路電氣化方案主要有4種，即充電方案、換電方案、氫能重卡方案以及電氣化公路方案。每種方案都有各自適用的場景，但均存在一定的局限性，尚未得到大規(guī)模的推廣。應(yīng)用充電方案的充電等待時間較長，運(yùn)輸效率較低，比較適合市內(nèi)短途運(yùn)輸，例如市政車輛、配送車等。其可以在夜間進(jìn)行充電，能保證車輛白天的正常使用。換電方案可以在一定程度上彌補(bǔ)充電方案使用效率低的缺陷，在一些短途或者固定線路的運(yùn)輸場景中具有一定的優(yōu)勢。重型貨車功率大、需要長時間連續(xù)運(yùn)行，采用充電或者換電方案需要配置大容量電池，存在成本及安全性等方面問題，蓄電池方案的具體介紹和成本分析已在文獻(xiàn)［2］中給出。在國家購車補(bǔ)貼和加氫優(yōu)惠政策的推動下，一些地方政府紛紛建立了相應(yīng)的氫燃料電池汽車示范項(xiàng)目，但目前仍存在購車成本和使用成本較高的問題。未來，隨著加氫成本的降低及相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)的完善，氫燃料電池汽車將會取得較快的發(fā)展［3］。電氣化公路方案的線路建設(shè)成本較高，但用能成本低于前幾種方案的，在固定線路的大運(yùn)量場景下具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。目前國內(nèi)外已經(jīng)建立了電氣化公路的示范線路，但尚未進(jìn)行推廣。

為了進(jìn)一步探索我國重型貨運(yùn)交通公路電氣化技術(shù)改革方向，本文介紹了氫能重卡和電氣化公路技術(shù)方案，并結(jié)合具體的應(yīng)用場景對二者的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析，給出了具體的應(yīng)用建議。

1 我國重型貨車能源消耗現(xiàn)狀

《中國統(tǒng)計(jì)年鑒（2021）》［1］顯示，2019年，我國交通運(yùn)輸、倉儲和郵政行業(yè)的化石能源消費(fèi)量占我國化石能源消費(fèi)總量的10.56%，柴油消費(fèi)量占我國柴油消費(fèi)總量的66.14%，其中重型貨車為柴油的重要終端消耗者［2］。我國貨運(yùn)車輛總噸位數(shù)近幾年的變化情況如圖1所示［4］?？梢钥闯?，至2021年底，我國貨運(yùn)車輛總噸位數(shù)達(dá)到了17 099萬噸，重型貨車需求逐漸增大。我國交通領(lǐng)域2019 年的CO2排放占比如圖2 所示，其中公路運(yùn)輸碳排放量占交通運(yùn)輸碳排放總量的86.76%；在公路運(yùn)輸中，重型貨車又為主要的碳排放來源，其碳排放量占比為54.00%（圖3）［5］。除CO2之外，重型貨車也是一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）等污染物的主要排放來源。2021年，我國重型貨車的這4 項(xiàng)污染物的排放量分別為73.5 萬噸、32.2 萬噸、432.5 萬噸和3.3 萬噸，占各類型汽車CO、HC、NOx、PM年排放總量的比例分別為10.6%、17.7%、76.1%、51.5%［6］。重型貨車也已成為我國交通運(yùn)輸行業(yè)的高耗能設(shè)備和主要空氣污染物和CO2來源。

圖2 2019 年我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域 CO2 排放占比Fig.2 Proportion of CO2 emissions in China's transportation industry (2019)

圖3 2019 年我國公路運(yùn)輸各類車型 CO2 排放占比Fig.3 Proportion of CO2 emissions from various types of road transport vehicles in China（2019）

將公路貨運(yùn)進(jìn)行電氣化改革，這樣既能減少大氣污染，甚至實(shí)現(xiàn)零排放，又能降低其對化石能源的依賴，并能提高運(yùn)輸效率，是改善我國重型貨車能源消耗現(xiàn)狀的重要方向。

2 貨運(yùn)交通氫能重卡方案

隨著全球氣候變化和溫室效應(yīng)氣體減排問題的日益突出，靈活高效、來源廣泛、“零排放”的氫能源受到廣泛關(guān)注，氫能重卡應(yīng)運(yùn)而生且規(guī)模逐漸增大?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》提出，到2025年，我國燃料電池車輛保有量要達(dá)到5萬輛［7］。氫氣的能量密度為33.6 kW·h/kg，約為柴油的2.7倍。49噸級的氫能重卡續(xù)航1 000 km僅需要80 kg的氫，而同級別的燃油車需要消耗約300 kg的柴油。相比充電或換電方案，氫能重卡具有加氫速度快、耐高寒等優(yōu)點(diǎn)。目前戴姆勒、上汽紅巖等公司都發(fā)布了相應(yīng)的產(chǎn)品。圖4為戴姆勒公司的GenH2氫能重卡［8］，該車配置了80 kg液態(tài)儲氣罐，其額定輸出功率為460 kW，續(xù)航里程達(dá)1 000 km。

圖4 戴姆勒 GenH2 氫燃料電池重卡Fig.4 Daimler's GenH2 hydrogen fuel cell heavy truck

氫能重卡的主要電氣結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其包括電機(jī)、燃料電池系統(tǒng)、儲氫罐、DC/DC 變換器、DC/AC 逆變器和部分容量的動力電池等。

圖5 氫燃料電池重卡電氣結(jié)構(gòu)Fig.5 Electrical structure of hydrogen fuel cell heavy truck

目前，燃料電池電堆的轉(zhuǎn)換效率在45%～60%左右，成本約為4 000元/kW。儲氫罐是氫能重卡的儲能設(shè)備，目前國內(nèi)采用的車載儲氫罐壓力一般小于35 MPa。在35 MPa 壓力下，氫氣的密度大約為23 kg/m3，80 kg 氫氣的體積約3 500 L；同等體積的儲氫罐的質(zhì)量在2 t以上，遠(yuǎn)超氫氣本身的質(zhì)量。未來車載儲氫壓力可提升到70 MPa，同等質(zhì)量氫氣需要的儲氫罐體積將下降一半；但即使采用液氫罐，也需要1 000 L以上的容量?？梢姡瑑涔掭^大的體積和質(zhì)量是影響氫能重卡續(xù)航能力的重要因素。

用氫成本高是制約氫能重卡發(fā)展的另一個關(guān)鍵因素。用氫成本主要受制氫、運(yùn)氫和加氫3 個環(huán)節(jié)影響。當(dāng)前我國制氫的主要方式有天然氣制氫、煤制氫、電解水制氫以及工業(yè)副產(chǎn)氫。由天然氣和煤制取的灰氫價格約14 元/kg，工業(yè)副產(chǎn)氫的成本約為9～22 元/kg，電解水獲得的綠氫價格約為31元/kg［9-11］。在“雙碳”目標(biāo)的背景下，我國在大力發(fā)展電解水制氫；但由于綠氫的價格較高，從電制氫到運(yùn)氫、加氫，再到燃料電池把氫氣轉(zhuǎn)化為電能，整個過程的能源利用率僅在30%左右，因此我國還主要依賴低成本的灰氫資源。高壓氣氫是現(xiàn)在最主流的運(yùn)氫方式，其將高壓氫氣（通常 20 MPa）儲存在壓力容器中，并由長管拖車運(yùn)輸。拖車所運(yùn)氫氣的質(zhì)量只占總運(yùn)輸質(zhì)量的 1%～2%，國內(nèi)常見的單車運(yùn)氫量約為 260～460 kg，運(yùn)輸效率較低。20 MPa 氣壓下不同距離的運(yùn)氫成本如圖6所示。目前，國際上推出了50 MPa的長管運(yùn)氫車，儲運(yùn)壓力增加，相同體積下可以運(yùn)輸更多氫氣，運(yùn)輸成本會相應(yīng)降低。未來中短期，高壓氣氫仍會是主要的運(yùn)氫方式。加氫站是氫氣供應(yīng)鏈的終端，典型的加氫站由壓縮系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、加注系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成，加氫成本在19元/kg左右［9］。

圖6 20 MPa 氣壓下不同距離的單位運(yùn)氫成本Fig.6 Unit hydrogen transport cost of different distances under 20 MPa

目前49噸級別氫能重卡購車成本在150萬元左右（同等級別的燃油車成本為30～40萬元）；同時，加氫價格為55元/kg左右，國家補(bǔ)貼后的價格仍在30元/kg左右?？梢?，現(xiàn)階段僅從經(jīng)濟(jì)價值角度而言，氫能重卡相比燃油重卡還不具備競爭力［11］。

3 貨運(yùn)交通電氣化公路方案

電氣化公路是在公路車道上方架設(shè)雙極牽引網(wǎng)，車輛通過牽引網(wǎng)和受電弓接觸受流，車輛上僅配備少量電池用于超車或者短暫離開線路時的供電［12］。目前國內(nèi)的中國中車、三一集團(tuán)、大運(yùn)集團(tuán)和清華大學(xué)等單位已經(jīng)發(fā)布了該技術(shù)的系統(tǒng)解決方案，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院正在組織相關(guān)專家組進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定并推動示范項(xiàng)目的實(shí)施。國外的企業(yè)，如西門子公司，分別在瑞典、德國、英國和美國等國開展了該技術(shù)的試驗(yàn)研究。由三一集團(tuán)有限公司、中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司和清華大學(xué)共同打造的中國首條電氣化公路示范線路外觀如圖7 所示［13-14］，其牽引供電網(wǎng)采用1 500 V直流電對車輛供電，車輛采用雙受電弓方式與牽引網(wǎng)接觸受流。牽引供電網(wǎng)每隔一段距離（此距離可根據(jù)線路負(fù)載進(jìn)行調(diào)整）設(shè)置一個供電站，把電網(wǎng)35 kV交流電變?yōu)? 500 V直流電。車輛上配置了兩個受電弓，在牽引網(wǎng)供電區(qū)域，車輛升弓受流；在道路起伏、車輛超車等工況下，受電弓短暫離開牽引網(wǎng)，由車輛上所配置的小容量電池供電。受電弓受流后，車輛配置隔離DC/DC變換器，把1 500 V直流電降為650 V直流電供車輛驅(qū)動使用；同時實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證司乘人員的安全。車輛可以依據(jù)運(yùn)行場景不同，分別采用純電動（蓄電池+受電弓）、燃油混合動力（發(fā)動機(jī)+受電弓）、燃料電池混合動力（燃料電池+受電弓）等方案。車輛主要電氣結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 中國首條電氣化公路示范線路Fig.7 The first electrified highway demonstration project in China

圖8 電氣化公路車輛電氣結(jié)構(gòu)Fig.8 Electrical structure of the electrified highway vehicle

電氣化公路的車輛直接使用電網(wǎng)電能，效率可以超過85%，相比燃油車40%左右的效率，能源利用率得到較大提高。但是，電氣化公路方案需要沿線鋪設(shè)接觸網(wǎng)，基礎(chǔ)建設(shè)成本相對較高，包括交流電網(wǎng)的接入和配電網(wǎng)、直流變電站和牽引網(wǎng)的建設(shè)在內(nèi)，每公里造價約500萬元（由于不同地方的政策不同，成本有所變化）。采用純電動車輛時，相比傳統(tǒng)燃油車，其主要增加了受電弓、隔離DC/DC變換器和小容量的電池，車輛目前的成本約70～80 萬元/臺。雖然電氣化公路的購車成本和基礎(chǔ)建設(shè)成本較高，但是車輛用能成本較低，基本為電網(wǎng)電能成本。以49噸燃油重卡為例，其百公里油耗約為34 L，按照柴油7元/L價格計(jì)算，成本約為238元；而采用電氣化公路方案，百公里耗電約170 kW·h，按照新能源發(fā)電豐富地區(qū)電價0.3元/（kW·h）計(jì)算，成本為51元左右。可以看出，電氣化公路方案的用能成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃油重卡的?？紤]基建成本，在礦山、港口等固定線路及大運(yùn)量運(yùn)輸場景下，電氣化公路方案更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

采用電氣化公路方案，沿線架設(shè)接觸網(wǎng)，可以就地消納風(fēng)電、光伏等新能源裝備發(fā)出的電能。由于公路旁邊一般較為空曠，路側(cè)光伏的裝機(jī)容量可達(dá)1 MW/km，加上風(fēng)力發(fā)電，基本可以滿足貨車的牽引供電需求，實(shí)現(xiàn)零碳公路目標(biāo)。并且，從理論上來講，在用電高峰時，車輛動力電池也可以向電網(wǎng)回饋能量，但目前由于商業(yè)模式?jīng)]有形成，這個構(gòu)思不一定能實(shí)現(xiàn)。如果牽引網(wǎng)配備地面儲能系統(tǒng)，則其可以作為新能源強(qiáng)制配置儲能的一部分。按照國家規(guī)定的新能源發(fā)電配備10%的儲能要求，以120輛車的線路計(jì)算，每輛車制動放電功率按100 kW計(jì)算，整條線路可以滿足120 MW新能源發(fā)電的儲能配備需求［15］。

4 氫能重卡方案與電氣化公路方案成本對比

在線路不固定的中長途運(yùn)輸場景下，氫能重卡具有廣闊的應(yīng)用場景；而在固定線路的大運(yùn)量場景下，電氣化公路方案顯然更有優(yōu)勢。下面基于某運(yùn)煤專線場景，對兩種方案的經(jīng)濟(jì)性做詳細(xì)的對比分析。

該運(yùn)煤專線全長42 km，屬于礦用公路，為非鋪裝路面，日運(yùn)量約4～5萬噸，由礦區(qū)完成煤炭的開采與裝車，通過半掛牽引車運(yùn)輸至煤化工園區(qū)。目前有126輛車用于該線路倒短運(yùn)輸，平均換車周期為5年左右。本文以 49噸柴油車油耗34 L/百公里為基準(zhǔn)，按日運(yùn)量5萬噸進(jìn)行測算。

采用49 噸標(biāo)準(zhǔn)車輛，每車載重40 t，根據(jù)運(yùn)輸量5 萬噸計(jì)算，每天往返1 250 車次；滿載限速60 km/h，空載限速80 km/h，單車往返運(yùn)行時間約70 min。

燃油車往返一趟耗油22.8 L（空載油耗為滿載的0.6 倍），柴油價格7 元/L，則往返一趟的燃油成本約為160元，每天燃油費(fèi)用20.00萬元。購車成本約30萬元。

氫能重卡往返一趟用氫 6.2 kg，按照氫氣補(bǔ)貼后價格30 元/kg 計(jì)算，則往返一趟的燃料成本186 元，每天氫能費(fèi)用總計(jì)23.25 萬元。49 噸氫能重卡購車成本在150萬元左右。

在電氣化公路方案中，電動車輛往返一趟耗電約 116 kW·h，則每天耗電約145 000 kW·h，以電網(wǎng)電價0.3 元/（kW·h）計(jì)算，每天電費(fèi)約為4.35 萬元。49 噸電動車輛購車成本約70 萬元。42 km 往返線路的建設(shè)成本約2.1億元。

每年運(yùn)量按1 500 萬噸計(jì)算，每天運(yùn)量5 萬噸，每年運(yùn)行300 天，則3 種方式下的用能成本及總成本如表1所示。

表1 不同方案下成本對比分析Table 1 Comparative analysis of cost among different options

從表1 可以看出，在年運(yùn)量1 500 萬噸的情況下，氫能重卡的總成本約為21.51億元，電氣化公路的運(yùn)輸總成本為8.23億元，電氣化公路經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。兩種方案下的車輛成本和能耗成本均與貨物周轉(zhuǎn)量成正比。貨物周轉(zhuǎn)量u（萬噸·千米）等于貨物運(yùn)量q（萬噸）與運(yùn)輸距離l（千米）的乘積。這里假設(shè)車輛生命周期內(nèi)的運(yùn)營里程是固定的，則電氣化公路方案的基建成本與運(yùn)輸距離l成正比。因此，在單位貨物周轉(zhuǎn)量下，氫能重卡的車輛成本和能耗成本之和m1=（13.95+7.56）/20/1500/42=0.170 71萬元/（萬噸·千米）；電氣化公路的車輛成本和能耗成本之和m2=（2.61+3.52）/20/1500/42=0.048 65 萬元/（萬噸·千米）。設(shè)年運(yùn)量為q1時，氫能重卡方案和電氣化公路方案成本相同，即m1×q1×42×20=m2×q1×42×20+21000，則q1等于204.83 萬噸。也就是說，當(dāng)年運(yùn)量大于204.83萬噸時，采用電氣化公路的方案更具有經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)年運(yùn)量小于204.83萬噸時，采用氫能重卡方案的成本更低。

通過經(jīng)濟(jì)對比分析可以看出，電氣化公路方案適用于固定線路的大運(yùn)量場景，而氫能重卡方案適合中小運(yùn)量、長距離的靈活運(yùn)輸。

5 結(jié)束語

針對重型貨運(yùn)公路的電氣化改革，本文基于某運(yùn)煤專線，對氫能重卡方案和電氣化公路方案的成本進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果表明，在該場景下，當(dāng)年運(yùn)量大于204.83萬噸時，采用電氣化公路更具有經(jīng)濟(jì)性，并且運(yùn)量越大，電氣化公路方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢愈加明顯；當(dāng)年運(yùn)量較小，低于204.83 萬噸時，采用氫能方案成本更低。在目前“雙碳”目標(biāo)的大背景下，公路貨運(yùn)的電氣化轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢，電氣化重卡雖然經(jīng)歷了近幾年的發(fā)展，但總占比仍較低，其中一個重要因素就是，相比傳統(tǒng)燃油車，新能源重卡的購車成本仍然比較高。因此，進(jìn)一步推動相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，降低新能源重卡的購車成本，針對不同的場景選擇合適的方案，這樣才能更快地實(shí)現(xiàn)公路貨運(yùn)的電氣化轉(zhuǎn)型。