新能源重型卡車應用研究*

冉德欽, 陳帥, 劉文君, 劉佳, 徐向志, 冉德影

(1.山東省交通科學研究院, 山東 濟南 250102;2.臨沂商貿物流科技產業研究院, 山東 臨沂 276000;3.山東岳建建設集團有限公司, 山東 菏澤 274000)

國務院于2021年10月24日 印發《2030年前碳達峰行動方案》,出臺了一系列針對道路交通領域應對氣候變化、減少溫室氣體排放的措施,涉及運輸工具和裝備低碳轉型、運輸結構調整、綠色交通基礎設施建設等方面。2021年12月30日山東省交通運輸廳印發《山東省交通運輸節能環保“十四五”發展規劃》,提出要加快新能源清潔能源應用,積極推廣新能源和清潔能源車船裝備應用。從全球范圍看,中型和重型車輛是交通排放的第二大貢獻者(21%)[1]。在綠色低碳發展理念被廣泛倡導的今天,新能源重型卡車大有可為[2]。在“雙碳”目標背景下,重型卡車實現新能源化是發展趨勢。

1 應用路徑

新能源重型卡車主要包括電動重型卡車和天然氣重型卡車,電動重型卡車分為充電式、換電式和燃料電池式電動重型卡車[3],天然氣重型卡車分為LNG(液化天然氣)、CNG(壓縮天然氣)重型卡車。

充電式車輛通過裝載動力電池、外界充電樁進行電力補充[4],目前充電式電動重型卡車快充時間大多在 1 h 左右,慢充需要 6 h 左右。近年來汽車主機廠家、電池企業、金融機構等逐漸意識到換電重型卡車的發展潛力,紛紛加碼發展重型卡車換電技術,換電重型卡車或將迎來快速增長階段。同時,國家在逐步完善充換電基礎設施搭建,通過充電、換電模式進行動能互補。

財建〔2020〕86號《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》明確支持發展車電分離等新型商業模式,說明政府相關部門已經看到換電模式在部分應用場景中的特殊優勢,并開始考慮相關的鼓勵支持政策。采用換電模式可以彌補部分充電模式的短板,在部分場景可以有效促進重型卡車的電動化發展。在成本方面,換電模式可以通過車電分離的方式降低購置成本,在目前推出的商業化方案中,換電重型卡車的價格(不包括電池成本)只比傳統車貴5萬元左右。在運營效率方面,可以換電能降低車輛載電量,整車整備質量只比傳統車大1 t左右,能極大地降低電池質量大對電動重型卡車載重的影響;換電過程可以在5 min內完成,和傳統車加油時間相當,可以實現車輛的連續運營,消除充電對重型卡車運營效率的影響。在占地方面,換電站占地面積較小,配電容量利用系數較高,可節約土地和電力資源。

燃料電池式重型卡車可以補充燃料,一般情況下是補充氫氣,燃料電池可以在幾分鐘內注滿燃料,相比于充電式車輛停運幾個小時來充電,燃料電池快捷得多[5]。燃料電池重型卡車具有續航里程長、載重大等優勢,可以用來替代當前的柴油重型卡車,主要應用在干線運輸等運營場景[6]。但燃料電池式重型卡車存在諸多劣勢,主要表現在:目前絕大部分城市沒有足夠的加氫站,用車過程中無法及時補給;購車成本高,當前氫燃料電池卡車的價格超過100萬元的并不少見,用戶主要還是政府單位,企業及個人購買較少。

天然氣重型卡車以天然氣為燃料(替代燃油),其燃料分為LNG和CNG兩種。一般情況下,天然氣的價格比柴油便宜,在當前燃油價格不斷上漲的情況下,光燃料這一項,天然氣重型卡車就能比傳統燃油車節省不少。不過中國的加氣站覆蓋率遠比不上加油站,一旦車主跑的線路長,就要時刻計算好燃料里程,規劃好路線。

相比較而言,天然氣重型卡車的生產技術比較成熟,目前已廣泛應用于不同場景的中短途運輸和部分長途運輸;電動重型卡車目前更多地應用于城市配送、港口運輸和其他封閉的運輸場景[7]。

現在已經具備了規模推廣LNG汽車的條件,為了全面地在物流領域推廣這一“燃料革命”,需要以LNG汽車為依托,以建設LNG加氣站為突破口,通過在物流金融、供應鏈管理等方面進行創新,建立基于LNG的專線物流模式,從而較大幅度地降低物流運輸成本、碳排放、PM2.5排放等,提高以價格驅動為主的核心競爭力。

2 效益分析

據統計,國內重型卡車保有量約800萬輛,重型卡車排放的氮氧化合物和顆粒物分別占汽車排放總量的85%、65%,一輛排放超標重型卡車的尾氣排放量相當于200輛汽車[8]。

氫燃料重型卡車所用燃料氫氣的制造方式有化石原料制氫、電解水制氫和工業副產氫[9]。化石原料制氫中煤制氫的氫氣價格為10～15元/kg,天然氣制氫的氫氣價格為15～20元/kg;工業副產氫中焦爐煤氣制氫的氫氣價格一般不高于12元/kg,燒堿副產物制氫的氫氣價格一般不高于18元/kg;電解水制氫又分為堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫,是最綠色環保的氫氣制造方式,成本也最高,價格為30～40元/kg。氫氣運輸方面,雖然高壓拖車運輸存在泄漏風險,但仍是主流運輸方式。氫氣運輸壓強為20 MPa,運輸距離為100 km時,運輸成本為8.66元/kg;運輸距離為500 km時,運輸成本猛增到22.00元/kg。管道運輸成本只有1.20元/kg,但每千米管道投資約584萬元。儲氫方面,投入同樣不低,建一個加氫站的投資為1 200萬～1 800萬元,平均單座投資規模為1 500萬元,還不考慮土地成本及后期運維。

天然氣重型卡車與柴油重型卡車相比,油氣價差超過2元/L時,天然氣車輛可節省燃料費用約7 700元/月,9個月即可收回前期多投入的車輛購置成本,可節省25%～30%的燃料費。一輛LNG重型卡車平均每年比柴油重型卡車節省5萬～10萬元燃料費,每輛車每公里燃料費便宜1/4甚至1/3,其低成本成為吸引重型卡車業主的首要原因。據分析,一輛 LNG卡車平均100 km節約燃料成本66.61元,且環境效益顯著。充分燃燒1 L柴油會排放2.63 kg CO2,按照一輛燃油重型卡車百公里油耗30 L計算,一輛燃油重型卡車每月運營6 000 km將排放4 734 kg CO2[10]。根據《交通運輸節能減排項目節能減排量或投資額核算技術細則》[11],使用天然氣的施工機械與采用其他燃料的施工機械的能耗量之比按固定當量比(取1.2 m3/kg)進行核算,即1.2 m3天然氣相當于1 kg柴油(按燃料熱當量取值)。燃油重型卡車每月運營需消耗1.503 t柴油(柴油密度按0.835 g/mL計),天然氣重型卡車需消耗天然氣1 803.6 m3。柴油折標油系數取1.02 kgoe/kg,燃油重型卡車每月運營需消耗的柴油折算為替代燃料量為1.533 06 toe。LNG CO2排放量=總耗氣量×LNG CO2排放系數=1 803.6÷1.4×3.061 4=3 944 kg[1 kg LNG按氣化為1.4 m3(1個大氣壓下,20 ℃時)天然氣計算;根據國際能源署的統計數據,1 kg液化LNG燃燒產生3.061 4 kg CO2],天然氣重型卡車每月減少CO2排放量=4 734-3 944=790 kg。

電動重型卡車售價遠高于傳統燃油重型卡車。相比傳統燃油重型卡車,由于鋰電池成本高,電動重型卡車的價格并不親民,大范圍推廣新能源重型卡車在短期內難以實現。在一些短途的應用場景中有一些應用報道,如2022年1月5日上汽紅巖汽車有限公司生產的充換一體純電動牽引車進入連云港港口[12],這批新能源重型卡車不同于傳統重型卡車[13],它無須化石燃料驅動,可有效杜絕CO、CO2等尾氣排放,真正實現排放“零污染”,將助力連云港打造“零碳碼頭,綠色港口”,持續為綠色智能科技港口建設提供解決方案。由于其使用成本較低,長期使用下來,前期購車成本差距可被攤平。

3 結語

新能源重型卡車現階段仍然存在整車整備質量大、續航里程受限等亟待解決的技術問題,且購置成本高。但是節能減排、保護環境是國際大趨勢,不少區域已經紛紛出臺相關政策限制燃油重型卡車的數量及碳排放,重型卡車新能源化是大勢所趨,隨著相關技術的不斷攻克,其應用場景將越來越廣泛。在汽車排放標準不斷升級的推動下,電動重型卡車將繼續保持較高的市場增長,尤其是換電重型卡車將成為電動重型卡車技術領域不可小覷的發展區域,市場滲透率會持續擴大。隨著國家相關政策的不斷出臺,電動重型卡車未來可期。