探索氢在重型卡车运输中的作用（英）

探索氢在重型卡车运输中的作用 KatarinaNehrkorn,BeiaSpiller,andAlanKrupnick 报告24-112024年7月 关于作者 KatarinaNehrkorn是未来资源(RFF)的高级研究分析师。她于2020年毕业于密歇根大学，获得经济学学士学位。毕业后，她在德勤的风险和财务咨询部门工作了两年。2023年，Nehror从伦敦经济学院完成了环境经济学和气候变化硕士学位，她的论文主要集中在《降低通货膨胀法案》中的能源社区。 BeiaSpillerisafellowandthedirectorforRFF’sTransportationProgram.BeforetojoinRFF,shewasLeadSeniorEconomistatEnvironmentalDefenseFund,wheresheworkedfornearlyadecade.SheisalsoaBoardmemberfortheAssociation Spiller是一位能源经济学家，在电力和交通问题上有丰富的工作经验。 AlanKrupnick是RFF的高级研究员，其工业和燃料计划的主管，也是石油和天然气行业的专家，减少该行业和工业部门的温室气体排放以及成本效益分析。特别是，Krpic最近的研究重点是绿色公共采购，脱碳氢和税收抵免以及开发绿色天然气市场。他的投资组合还包括指导我们与NASA的VALUABLES计划所涵盖的信息议程的价值，降低哮喘风险的评估，估计统计寿命的价值以及监管改革的问题。 关于RFF 未来资源(RFF)是华盛顿特区一家独立的非营利性研究机构。其使命是通过公正的经济研究和政策参与来改善环境、能源和自然资源决策。 这里表达的观点是作者个人的观点，可能与其他RFF专家、官员或董事的观点不同。 分享我们的工作 我们的工作可在归因-非商业-NoDerivatives4.0国际（CCBY-NC-ND4.0）许可证下进行共享和改编。您可以以任何媒介或格式复制和重新分发我们的材料；您必须给予适当的信用，提供许可证的链接，并指出是否进行了更改，并且您可能不会应用其他限制。您可以以任何合理的方式这样做，但不得以任何方式暗示许可方认可您或您的使用。 您不得将材料用于商业目的。如果在材料上重新混合、变换或构建，则不得分发修改后的材料。有关更多信息，请访问https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. Contents 1. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 5. 5.1. 5.2. 5.3. 6. 6.1. 6.2. 7. 1.Introduction 2 22 清洁氢气(H）燃料可以在重型运输部门的脱碳中发挥作用。运输是人为CO的最大来源美国国内的排放量以及中型和重型车辆占运输排放量的23%。重型运输部门被定义为车辆总重超过26,001磅的商用车，通常包括干式卡车，短途和区域性日间出租车以及长途8级卡车。2该部门特别难以脱碳，因为这些卡车通常需要长距离行驶并携带重型有效载荷。本报告概述了H.卡车技术，其在美国的现状，与柴油和电池电动卡车的比较，部署面临的挑战以及政策问题。 2.它是如何工作的 H 22 H可通过两种主要技术用于重型运输：燃料电池电动汽车(FCEV)或H2内燃机(HICE)。本报告侧重于FCEV，因为这是今天的主要用途，也是未来的设想。在这两种情况下，加油过程看起来与常规柴油相似，作为液体或气体直接放入罐中。 2 H 但是，燃料电池的工作方式与电池相似，车载电池和燃料电池较小，只要就产生电力燃 2 2 料电池包括围绕电解质的一个正电极(阴极)和一个负电极(阳极)。阳极接收H，阴极接收 H 空气。然后被分离成质子和电子；电子穿过外部电路，产生 2 电。质子迁移到阴极，与氧气和电子一起点燃，作为唯一的尾管排放物排放水和热量（DOE 2024）。 H可以作为液体或气体存储，气体存储需要350-700bar的极高压罐来增加密度和液化H 22 2 需要制冷-253°C.H在任何燃料中，每质量的能量最高；然而，它每单位体积的能量较低，给储存和运输带来了挑战。 2 2 2 液化Hincreasesenergyperunitvolume,thereforeallowingmoretobetransportandstoredandincreasingtruckrange.Nevertheless,mostattentionisfocusedongasH由于保持液化H的成本和复杂性在如此低的温度下，以及安全问题，因为任何高于-253°C的温度都会导致它变成气体并在罐中建立压力，这可能导致爆炸。 1车辆总重额定值是包括车辆、乘客、燃料和有效载荷的最大操作重量。 2Drayage卡车是一种短途重型卡车运输形式，可在不同的运输方式之间运输集装箱和货物。短期和区域性日间出租车是没有卧铺舱的重型卡车。长途8级卡车通常包括拖拉机和带有卧铺舱的牵引车。 3.氢燃料重型车辆的现状 2 H 虽然H轻型FCEV已经在公共使用（尤其是在加利福尼亚州），重型运输应用程序刚刚达到商业部署。几家公司正在投资燃料电池卡车，值得注意的例子是尼古拉、海松、戴 2 姆勒、沃尔沃和现代。这些公司中的大多数都处于早期示范阶段；然而，尼古拉刚刚在 2023年交付了它的第一次生产运行，有42辆卡车，预计在2024年将再交付350辆。作为比较，266,752辆新型重型卡车于2023年在美国出售；大约1200是电池电，其余大部分是柴油。 2 H在美国，加油基础设施也处于起步阶段。目前只有56个开放式零售站，除一个人在加利福尼亚州外，几乎所有人都在轻型车辆上。仅六个加油站为重型或中型车辆提供服务，有三辆卡车和其余的公共汽车运输车队。 然而，这种情况将有所改善，尼古拉计划在未来几年内开设60个重型加油站，其中9个在2024年中期运行. 燃料电池公交车比卡车走得更远，加利福尼亚州运营着66辆这样的公交车。截至2020年 2 ，美国国家可再生能源实验室（NREL）认为燃料电池客车的技术准备水平为7-8，这表明它们正在相关环境中进行全面验证（Edy和2021年后）。值得注意的例子存在于该国的其他地区，例如俄亥俄州的斯塔克地区区域运输管理局，该管理局运营着18H。公共汽 车和加油站。 4.环境，环境正义，成本和运营考虑 本节探讨了FCEV的环境，环境正义，成本和运营考虑因素，并将其与柴油车辆，现任选择和电池电动汽车（BEV）进行比较，后者是广泛接受的低排放替代方案。3 4.1.Environmental 2 评估H的环境影响FCEV可能具有挑战性，因为上游排放将对生命周期排放产生最大影响 H 。燃料电池发动机仅直接排放热量和水；然而，上游排放来自生产途径可以显著增加排 2 22 放。目前，95%的H在美国是“灰色”，由天然气生产，排放7-10kgCO2/kgH2.“绿色”H 由零碳电力(如太阳能、风能、水电和核能)组成 2 22 不到美国产量的1%，不排放任何CO在生产过程中。然而，绿色H的环境效益如果清洁电力不是“额外的”，就会减少，因为清洁能源用于H生产可能以其他地方脱碳的机会成本为 2 代价。虽然美国区域清洁氢集线器旨在增加两个“蓝色”H的数量(由天然气生产，采用捕集 22 CO的技术排放并永久储存)和绿色H在美国境内生产，生产(和分销系统达到 22 demandcenters)willtakeyearstocometofruition.BecauseFCEVarebeingdeploymentnow,theywillbefueledmostbygrayH直到干净的H(和加油基础设施)以有竞争力的(或补贴的)价格广泛可用。 2 2 2 大多数研究发现H与柴油卡车相比，卡车会减少生命周期温室气体(GHG)排放，但程度因研究、车辆类型和H而异Pathway.Onestudy(O'Connelletal.2023)conductedalife-cycleevaluationinEuropeandfoundthatgasH使用天然气生产只会减少温室气体 3生物柴油,可再生柴油,and电子燃料是重型卡车运输行业的额外替代品。由于我们专注于零尾气排放选项，因此本报告中未详细介绍它们。然而，它们可以提供一种有吸引力的替代方案，因 为它们可以起到滴入燃料的作用，允许现有的内燃车辆继续使用。生物柴油由植物油和动物脂肪通过酯化过程制成。可再生柴油类似，但使用氢化工艺。 2 这使得它在化学上等同于石油柴油。可再生柴油是最合适的燃料，可以在现有的石油精炼厂中生产，但变化很小。电子燃料是通过合成捕获的CO制成的和氢，使它们 CO-中性，如任何CO以前已经释放了燃烧。这些选项 22 2 2 都会导致CO的相对减少与柴油相比，它们的排放量仍然会产生CO排气管排放和标准空气污 染物。 2 2 2 与常规柴油相比，排放量为15％。当添加能量以液化H时，排放量大于柴油。然而，他们发现绿色Hcouldreduceemissionsbyasmuchas84%fortractor-trailers,fallingshowsof100%becausethestudyincludingvehicleproductionemissionsaswell.Anotherlife-cyclecomparativestudybyLeeetal.(2018)foundsimilarresults,withFCEVsusingg根据车辆重量 和类型，天然气可将温室气体排放量减少20-45％。但是，这项研究发现，根据当前的发电组合，FCEV比柴油产生更多的SOx排放。 2 这些比较也参与了关于H的辩论税收抵免资格(见本文稍后部分)。 BEV的环境影响还将取决于上游生产途径-电网。像FCEV一样，BEV在其他地方使用可再生电力的机会成本；但是，在将可再生电力转换为移动服务方面，它们的效率是FCEV的两倍（Lige等人。2018)。O'Coell等人。(2023)和Lee等人。(2018)发现，与FCEV相比，BEV带来了更大的减排量。 H 最后，与柴油发动机相比，生产，燃料电池和电池组件需要更多的关键矿物，对锂，镍，铜 2 ，铂，铱和其他矿物的需求不断增加。电解槽需要增加镍和锆，燃料电池需要铜和铂族金属（IEA2021）。由于年产量低，已经用于内燃机车辆的后者尤其令人担忧。然而，美国能源部已经为FCEV设定了每千瓦铂需求的目标，IEA发现，在可持续发展情景中，内燃机对铂族金属的需求在2040年(IEA2021年)仍占燃料电池的主导地位。BEV需要比FCEV更大的电池（。8-16 倍大），增加了对关键矿物的需求。持续的创新对于将关键矿物需求保持在尽可能低的水 平将是必要的。如果进口这些物质，它们可能会增加能源安全问题；如果在国内生产， 它们的生产和精炼可能会导致严重的环境污染。 4.2.环境正义 环境司法界对H表达了重大关切生产，特别是关于蓝色H.SomeperceptH作为化石燃料 222 2 2 行业继续生产的战略，担心一旦H基础设施已经建立，那里将是生产者仍然使用化石燃料制造蓝色H的经济动机. CO蓝色H所需的捕获和存储技术产生额外的怀疑，因为它们不会自动捕获标准空气污染物 22 ，需要管道建设，对当地环境造成泄漏和爆炸风险 社区。JuanJhongChung密歇根州环境正义联盟描述了这些担忧：“碳捕获技术和氢气将增加当地的空气污染，污染干净的饮用水，威胁社区的安全 2 在新管道的道路上，并为全国家庭提高能源账单。“。一些团体提倡只绿色H尽管用于电解 的水使用和清洁电力的非额外性仍然令人担忧。 H 联邦政府强调指导蓝色的赠款为环境正义社区的项目提供资金的生产产生社区利益，在 2 经济发展和潜在的负外部性之间建立了潜在的权衡。一些环境正义和处境不利的