关于重型长途运输中燃料电池卡车的全生命周期成本（TCO）的研究以及电动涡轮增压器的影响

《International Journal of Human-Computer Studies》：Investigation on total cost of ownership for fuel cell truck in heavy duty long haul application and the influence of electric turbocharger

氢燃料电池卡车在长途运输中的总拥有成本（TCO）受空气输送系统（ADS）设计影响显著，采用涡轮式ADS虽增加初始成本但通过提高空气效率降低运营成本5%，整体TCO可减少约1%。

　　随着社会向无排放能源系统的转型，氢气和燃料电池被视为实现这一目标的关键要素。在交通领域，电池技术的迅速发展使得人们普遍认为，燃料电池在未来需要高续航里程、连续运行以及快速加注的场景中将发挥重要作用。其中，重型卡车的长途运输任务是一个典型的应用领域。尽管燃料电池在环保方面具有优势，但其市场普及的关键在于成本效益。因此，为了提供决策工具和分析依据，并识别优化潜力，对燃料电池电动重型卡车（FCET）在长途运输任务中的性能和成本进行了详细研究。研究特别关注了燃料电池空气供应系统（ADS）对整体系统性能和成本的影响，因为该外围组件是燃料电池系统的主要寄生负载，其性能对于燃料电池系统的效率和寿命至关重要。

在长途运输应用中，FCET的关键性能指标是生命周期成本（总成本拥有——TCO），包括初始投资成本（资本支出——CAPEX）和运营成本（运营支出——OPEX）。因此，本文介绍了这项研究的模型化方法，并深入讨论了研究结果，涵盖了性能和TCO方面的发现。虽然大规模但更高效的驱动系统设计可能带来更高的初始成本，但这些成本将在车辆的使用寿命内通过燃料节省得到补偿。根据所选配置，TCO通常由约60%的OPEX和40%的CAPEX组成。研究结果表明，使用涡轮机在空气供应系统中会略微增加CAPEX，但预计通过提高空气供应效率，OPEX将减少约5%，从而显著补偿这一增加。进一步提高空气涡轮增压系统的效率，例如再提升5个百分点，可以带来整体TCO的约1%的降低。

在交通领域，移动部门的排放是社会进步和繁荣的基础，同时也对有害的二氧化碳排放贡献巨大。根据来源不同，交通运输部门产生了超过20%的全球二氧化碳排放，而道路运输则占全球排放的11%。在欧洲联盟，这一比例甚至超过了27%。尽管不到8%的车辆是卡车和公交车，但它们却贡献了超过35%的全球道路运输二氧化碳排放。因此，向可持续交通的转变既紧迫又必要。为了实现无排放运输，人们探讨了多种方法，包括纯电池电动卡车（BET）、配备架空接触网的电动卡车、燃料电池电动卡车（FCET）以及使用可持续燃料（如氢气或氢衍生燃料）的内燃机卡车（ICET）。尽管许多知名制造商已经提供BET，但它们在充电时间、重量和续航里程方面存在局限性。因此，长途运输的重型车辆市场预计将采用燃料电池电动推进系统。高里程、低重量、快速加注以及对环境条件的较低敏感性使长途运输的重型卡车成为燃料电池应用的典范。

然而，为了实现盈利，这些驱动系统必须根据其任务进行合理设计。考虑到总成本拥有（TCO），这不仅包括初始投资成本（CAPEX），还包括整个车辆生命周期内的运营成本（OPEX）。这些成本与燃料费用直接相关，因此取决于推进系统的燃料效率。TCO是企业（如货运公司）购买决策的重要标准，因此对于成功进入市场具有决定性作用。许多研究人员对重型车辆进行了TCO相关研究，例如[18]提供了涵盖中国、美国、欧盟和英国地区特性的TCO研究的全面概述。结论显示，TCO的差异主要由当地的氢气限制条件驱动，例如氢气价格、化石燃料税和购车补贴等。根据[19]的研究，假设相对乐观的氢气成本为每千克4欧元，到2035年，BET和FCET的成本可能与内燃机卡车（ICE）相当，即使没有政策干预。在[20]中，较高的氢气成本为每千克7欧元被考虑，并指出BET可能在2025年达到与内燃机卡车的TCO平衡，而FCET则可能在2030年实现这一目标。[21]认为，随着氢气成本的增加，到2030年，长途运输的BET的TCO将更有利，而FCET可能在2040年之前无法达到与传统卡车的成本平衡。[22]指出，在欧盟，BET已经借助政策支持（包括通行费减免和购车补贴）实现了与内燃机卡车的TCO平衡。相反，假设氢气成本为每千克10欧元，[23]认为BET将在欧洲成为最经济的脱碳路线，很可能在2030年与柴油卡车达到成本平衡。同一研究小组指出，在欧洲，长途运输的FCET的TCO可以在2030年与柴油卡车匹配，前提是绿色氢气价格降至每千克4欧元左右。

[25]认为，非财务成本，如载货能力的降低和充电时间的延长，也应该被考虑，因为它们可能影响运营模式并降低车辆和车队的生产效率。FCET不会受到这些缺点的影响，而这些非财务影响可能对车辆所有者造成更大的影响，比氢气车辆的额外成本更为严重。这一点得到了[18]的证实，他们指出，FCET和BET之间的TCO平衡是由可再生能源电价的降低和使用案例中延长的运营里程所促进的。这突显了能源成本和效率在缩小FCET与BET成本差距中的关键作用。此外，[26]的比较研究也展示了燃料成本对TCO的影响，并指出了燃料电池驱动系统在长途重型应用中实现经济优势的条件。

虽然讨论主要集中在运营成本上，但所有作者都一致认为，FC技术成本的显著降低同样至关重要。多项研究，无论其地理来源，都旨在到2050年实现三倍成本降低。这种成本降低可以通过发展用于大规模生产燃料电池系统（FCS）的技术，以利用规模经济效应来实现。这不仅适用于燃料电池堆本身，还适用于所有外围组件（平衡系统——BOP）。在成本和对FCS效率影响方面，最重要的组件是空气压缩机。在高功率系统中，通常会结合涡轮机使用，以利用回收潜力。压缩机使燃料电池能够在加压条件下运行，从而提高燃料电池的效率和功率密度，这对移动燃料电池应用至关重要。此外，使用涡轮机进行回收有助于减少对电动压缩机的电能需求或寄生损耗。当然，其可靠和优化的系统集成需要工程技能和经验，管道设计需要考虑安装空间的限制，而涡轮机在潮湿空气中的运行也必须掌握。目前尚未找到评估BOP组件成本和效率对整个车辆TCO影响的文献，尽管这一信息对组件供应商来说对于在组件效率和成本之间的权衡非常重要。因此，本文尝试比较燃料电池空气供应系统（ADS）设计的影响与整个车辆系统设计对FCET TCO的影响。

[32]采用了类似的方法，研究了专用混合燃烧发动机的运行情况，以确保涡轮机的验证和校验过程的正确假设。在此过程中，混合系统的一些重要参数，如动力系统结构和布局、任务剖面、电池容量以及涡轮机的空气动力学规格等，被调整以理解涡轮机在新型推进系统中的运行情况（详情参见第3节）。基于这些研究，本文的研究提供了“带电动驱动和回收的空气充电系统”（AC+eR）设计和开发目标的重要输入，该研究由德国联邦议会决定的联邦经济事务和气候行动部（BMWK）资助的项目19/21046A提供支持。产品成本和效率，换句话说，性能是关键，但需要与足够的质量和可靠性相结合。最终，应用需求与车辆任务的充分满足，以及可靠性和技术能力，是任何技术选择中最有力的因素。

在许多情况下，燃料电池系统的组件已经被单独优化以实现高动态性能和满足峰值负载需求，旨在用燃料电池替代动力系统中的内燃机。为了实现高效和经济，这些系统的最佳尺寸和运行方式一直是研究的重点。燃料电池和电池系统的尺寸影响混合策略的设计，反之亦然；它们强烈依赖于任务剖面和定义的优化目标。系统理解和考虑燃料电池的特殊性是必要的。仅从内燃机驱动系统的一对一替换中推导出的需求，无法实现最佳的TCO。本文仅介绍了TCO研究的结果。上述研究项目的涡轮机设计研究结果可在[34]中找到。

研究的核心在于对燃料电池空气供应系统（ADS）设计的影响进行分析，并将其与整个车辆系统设计对TCO的影响进行比较。ADS的优化不仅能够提高燃料电池的运行效率，还可能降低整体的运营成本。在某些情况下，ADS的设计参数，如空气压缩机的效率和回收系统的配置，可能对TCO产生显著影响。例如，使用涡轮机提高空气供应效率，虽然会略微增加初始投资成本，但预计能带来运营成本的显著降低，从而改善整体的TCO。此外，进一步提高空气涡轮增压系统的效率，例如再提升5个百分点，可以带来整体TCO的进一步优化。这些结果表明，通过合理设计和优化ADS，可以显著提升燃料电池电动重型卡车的经济性和可行性。

在实际应用中，ADS的设计需要综合考虑多个因素，包括系统效率、成本效益以及对车辆整体性能的影响。例如，空气压缩机的效率直接影响燃料电池的运行状态和能源消耗，因此在系统设计中需要特别关注。同时，涡轮机的回收功能有助于减少对电动压缩机的电能需求，从而降低运营成本。然而，这些外围组件的集成和优化需要较高的工程技能和经验，包括管道设计、安装空间的限制以及涡轮机在潮湿空气中的运行控制。因此，对于组件供应商来说，了解ADS的成本和效率对整个车辆TCO的影响至关重要。本文的研究结果为组件供应商提供了重要的参考，帮助他们在效率和成本之间找到最佳平衡点。

此外，研究还指出，燃料电池系统的成本和效率不仅受ADS的影响，还与其他系统参数密切相关。例如，燃料电池的尺寸、电池容量以及混合策略的选择都会对TCO产生影响。因此，在系统设计中，需要综合考虑这些因素，以实现最佳的经济性和性能。同时，研究还强调了非财务成本在技术选择中的重要性，如载货能力的降低和充电时间的延长。这些成本可能对运营模式和车辆生产效率产生负面影响，因此在设计和优化过程中需要充分考虑。通过合理设计和优化ADS，可以有效降低燃料电池电动重型卡车的TCO，同时提高其整体性能和市场竞争力。

在研究中，采用了多种方法和模型来评估燃料电池电动重型卡车的性能和成本。例如，使用仿真模型对不同配置的系统进行了模拟，并分析了其对TCO的影响。这些模型考虑了各种参数，如空气压缩机的效率、涡轮机的回收功能以及电池系统的容量等。通过比较不同配置的系统，可以识别出最优的设计方案，并为未来的研发提供指导。同时，研究还强调了数据驱动的方法在评估TCO中的重要性，例如通过分析不同配置的OPEX和CAPEX，以及它们对TCO的影响，可以找到最佳的经济平衡点。

总之，本文的研究为燃料电池电动重型卡车的设计和优化提供了重要的理论和实践支持。通过深入分析ADS的设计对TCO的影响，以及与其他系统参数的比较，可以为未来的研发和市场推广提供依据。同时，研究还强调了非财务成本在技术选择中的重要性，以及如何通过合理的设计和优化来提高燃料电池系统的经济性和可行性。这些发现对于推动可持续交通的发展具有重要意义，也为燃料电池技术的广泛应用提供了基础。