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中国长途重型卡车Discover蓄电池-电动和动力-X路径的技术经济评估
在中国的碳中和承诺下，重型卡车（HDT）脱碳是战略重点，但没有单一路径是主导的。多种选项，包括用于燃料电池电动卡车（FCETs）或内燃机卡车（ICETs）的电池电动卡车（BET）和动力转X（PtX）合成燃料（氢气、氨气、甲醇），在技术上是可行的，但对井到车轮效率（WtW）和吨公里（t·km）成本的综合评估仍然有限。本研究构建了一个统一的技术经济框架，将可再生能源供应链与HDT动力系统整合，以实现十条路径中WtW效率和成本的一致比较。引入了有效载荷效率指标以捕捉有效载荷惩罚，并应用对数平均迪维西亚指数（LMDI）分解能量转换链上的能量损失。结果表明，WtW效率差异主要决定相对成本水平。基于本研究的基础可再生能源系统假设（短时储能和长距离输电），直接电气化路径不仅抵消了BET的有效载荷损失，并实现最低成本（0.10元/吨·公里）。对于PtX途径，仅靠效率提升不足以实现与BET的成本平价。即使在燃油和车辆侧效率提升的乐观假设下，大多数PtX选项的成本竞争力仍然较低。敏感度分析显示，随着储能需求从小时尺度转向多日周期，电价下降，HDT驱动范围延伸至超长程区间，PtX路径在WtW成本上相较BET的优势日益增强。
简介
中国的碳中和承诺依赖于如何高效地将可再生能源转化为可用能源服务，尤其是在重型卡车运输等难以减排的行业[1]。中国承诺在2030年前实现碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和[2]，这一时间表远比大多数发达经济体所面临的时间更为紧迫[3]。可再生能源迅速扩展：截至2024年底，装机可再生电力装机达到1.9太瓦，超过全国发电容量的50%[4,5]。进一步的规模化则引发了两个必须解决的系统层面问题：如何提供足够的储能容量以应对风能和太阳能的变异性[6]，以及如何高效地将能源从资源丰富的西部地区长距离传输到东部的需求中心[7]。这些挑战意味着，高可再生电力渗透率不能仅从发电端规划，必须在整个生产、储存、输电和终端使用链中进行评估。
重型卡车（HDT）是中国交通行业脱碳的关键杠杆点。虽然HDT仅占中国车辆库存的12%，但它们占路面一氧化碳的一半以上2由于其年行驶里程长和高强度运营，排放量也相应增加[8]。然而，HDT的最佳脱碳技术尚无共识。电池电动卡车（BET）受益于电池性能的快速改进，但在长途应用中仍面临电池成本、充电基础设施可用性和能量密度限制等挑战[9]。燃料电池电动卡车（FCETs）在文献中被广泛认为是有前景的远程选择，但由于燃料成本高昂、电厂资本集中度和堆叠能力不足，以及氢气供应链发展缓慢，受限于[10]。合成燃料，也称为电子燃料，源自动力转X（PtX）转换技术，如氢气、氨和甲醇，具有更高的体积能量密度和与现有化学品供应系统的兼容性，能够为内燃机卡车（ICET）或FCET供电[11]。然而，合成燃料仍处于示范早期阶段，成本和转换效率存在重大不确定性[12]。鉴于HDT作为生产资产，其对效率和成本高度敏感，需要从井到轮（Well-to-Wheel）视角全面评估各种脱碳技术的技术和经济可行性。
现有研究已开始探讨如何利用可再生能源作为HDTs，但仍存在重要空白。在燃料循环方面，大量研究评估了特定氢气供应链的平准成本和效率，并考察合成燃料作为道路运输能源载体的技术经济学[[13]， [14]， [15]]。在车辆方面，BET、FCET和ICET的比较评估通常侧重于车辆层面的效率、航程及选定测试周期下的总拥有成本[1,10,16,17]。近期的实验和数值研究进一步强调，驾驶条件会显著改变HDT动力系统中关键部件的能耗特性和损耗分布[18,19]。详细文献综述可见补充信息。总体而言，文献在可再生能源供应链和HDT动力系统方面提供了丰富但分段的证据基础。然而，这些研究方向很少被整合成一个统一的框架，涵盖从生产到储存、输电、终端使用和车辆使用的整个过程。此外，燃料供应链和车辆动力系统的评估常常孤立进行，且各路径的综合性能量化不足。这些研究空白限制了对各种技术路径技术和经济可行性的系统评估，以及未来技术选择的决策。
本研究通过提出三个相关问题来弥补这些空白：（1）在燃料供应层面，从可再生能源作为统一的一次能源开始，当生产、储存、输电和终端使用始终如一地建模时，电力及其他基于PtX的合成燃料在井到槽（WtT）能效和平准化成本方面如何比较？（2）在车辆层面，在统一的续航里程和车辆总重（GVW）假设及有效载荷惩罚下，BET、FCET和ICET在油箱到车轮（TtW）能效和每吨公里制造成本方面有何不同？（3）当不同的能源载体和HDT动力系统技术整合进完整的技术路径，并在当前中国可再生能源部署下进行评估时，哪种路径最小化了WtW成本？在何种条件下，基于PtX的路径能与直接电气化路径竞争？
通过解决这些研究问题，我们为在本研究定义的系统边界和假设下评估的通路的相对效率-成本表现提供了宝贵见解。本研究的主要贡献如下：（1）首次将四种可再生能源载体（电力、氢气、氨和甲醇）与三种HDT动力总成选项（BETs、FCET和ICETs）结合十条路径进行统一的技术经济比较，确保系统边界和性能指标的一致性。（2）引入了一种新颖的“有效载荷效率”指标，以明确考虑因不同动力总成配置引起的有效载荷惩罚，并采用对数平均分指数（LMDI）方法按能量链各阶段分解能量损失，从而提升效率与成本权衡的可解读性。（3）纳入中国特定条件，敏感性分析识别基于PtX的路径在与直接电气化具有成本竞争力的条件下，从而明确未来高可再生系统中何时PtX路线可以补充直接电气化。