《Energy》：Techno-Economic Assessment of Battery-Electric and Power-to-X Pathways for Long-Haul Heavy-Duty Trucks in China
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碳中和背景下，中国重型卡车（HDTs）脱碳技术路径研究。通过统一 techno-economic 框架对比 10 种路径（4种可再生能源载体与3种动力系统耦合），发现直接电路线（BETs）在短时储能条件下具有最低成本（0.10 CNY/t·km），合成燃料（PtX）路径需在长时储能、电价下降及超长续航条件下才具竞争力。创新提出 payload 效率指标和 LMDI 分解方法量化全链条效率损失。
刘宗伟|李建新|白凡龙|徐志豪|孙明|赵富全|郝涵
清华大学智能绿色车辆与移动性国家重点实验室，北京100084，中国
摘要
在中国承诺实现碳中和的目标下，重型卡车（HDTs）的脱碳是一个战略重点，但目前没有一种单一的路径占据主导地位。包括电池电动卡车（BETs）和Power-to-X（PtX）合成燃料（氢气、氨、甲醇）在内的多种选项在技术上都是可行的，这些合成燃料可用于燃料电池电动卡车（FCETs）或内燃机卡车（ICETs）。然而，从能源生产到车辆使用的整体效率（WtW效率）和每吨公里成本（t·km成本）的综合评估仍然有限。本研究开发了一个统一的技术经济框架，将可再生能源供应链与重型卡车动力系统相结合，以便能够对十种路径的WtW效率和成本进行一致性的比较。引入了一个有效载荷效率指标来衡量有效载荷带来的损失，并应用了对数平均迪维西亚指数（LMDI）来分解能量转换链中的能量损失。结果表明，WtW效率的差异主要决定了相对成本水平。基于本研究中的基准可再生能源系统假设（短期储能和长距离传输），直接电气化路径能够完全抵消电池电动卡车的有效载荷损失，并实现最低的成本（0.10元/吨公里）。对于PtX路径，仅靠效率提升不足以实现与电池电动卡车的成本持平。即使在燃料和车辆效率提升方面持乐观假设的情况下，大多数PtX选项的成本竞争力仍然较低。敏感性分析表明，随着储能需求从小时级别转变为多天级别，电价下降，重型卡车的行驶里程扩展到超长距离范围，PtX路径在WtW成本上逐渐具有优势。
引言
中国的碳中和承诺取决于可再生能源转化为可用能源服务的效率，尤其是在重型卡车运输等难以减排的领域[1]。中国承诺在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和[2]，这一时间表比大多数发达经济体面临的时间表要紧凑得多[3]。作为回应，可再生能源迅速发展：到2024年底，可再生能源发电装机容量达到了1.9太瓦，超过了全国发电能力的50%[4][5]。然而，进一步扩大规模引发了两个系统层面的问题：如何提供足够的储能能力来管理风能和太阳能的不确定性[6]，以及如何高效地将能源从资源丰富的西部地区传输到东部需求中心[7]。这些挑战意味着，高比例的可再生能源发电不能仅从发电侧进行规划，而必须在整个生产、储存、传输和最终使用的全链条中进行评估。
重型卡车（HDTs）是中国交通运输部门脱碳的关键切入点。尽管它们仅占中国车辆总数的12%，但由于其长年行驶里程和高强度使用，HDTs却占道路二氧化碳排放量的超过一半[8]。然而，对于HDTs的最佳脱碳技术尚未达成共识。电池电动卡车（BETs）得益于电池技术的快速进步，但仍面临电池成本、充电基础设施可用性和长距离应用中的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长距离运输选项，但受到高燃料成本、堆栈和工厂资本密集度以及氢能供应链发展缓慢的制约[10]。合成燃料（也称为E燃料），通过Power-to-X（PtX）转换技术制得，如氢气、氨和甲醇，具有更高的体积能量密度，并且可以与现有的化学供应系统兼容，可以为内燃机卡车（ICETs）或燃料电池电动卡车（FCETs）提供动力[11]。然而，合成燃料仍处于示范阶段，其成本和转换效率存在重大不确定性[12]。鉴于HDTs作为高效率敏感性和成本敏感性的生产资产，需要从从能源生产到车辆使用的整个链条角度对其技术和经济可行性进行全面评估。
现有研究已经开始探索如何利用可再生能源为重型卡车服务，但仍存在重要空白。在燃料循环方面，大量工作评估了特定氢能供应链的平准化成本和效率，并研究了合成燃料作为道路运输能源载体的技术经济性[13][14][15]。在车辆方面，对电池电动卡车（BETs）、燃料电池电动卡车（FCETs）和内燃机卡车（ICETs）的比较评估通常集中在选定的测试周期下的车辆级效率、行驶里程和总拥有成本[1][10][16][17]。最近的实验和数值研究进一步表明，驾驶条件会显著影响重型卡车动力系统中的能量使用特性和能量损失分布[18][19]。详细的文献综述可以在补充信息中找到。总体而言，现有文献提供了关于可再生能源供应链和重型卡车动力系统的丰富但分散的证据基础。然而，这些研究很少在一个统一的框架内整合，无法完整追踪可再生能源从生产到储存、传输、最终使用的全过程。此外，对燃料供应链和车辆动力系统的评估通常是单独进行的，各路径的综合性能评估不够充分。这些研究空白限制了对各种技术路径的技术和经济可行性的系统评估，以及未来技术选择的决策过程。
本研究通过提出三个相互关联的问题来解决这些空白：（1）在燃料供应层面，以可再生能源作为统一的主要能源来源，当生产、储存、传输和最终使用都被一致建模时，电力和其他基于PtX的合成燃料在从能源生产到车辆使用的能量效率（WtT效率）和平准化成本方面有何差异？（2）在车辆层面，在统一的行驶里程和整车重量（GVW）假设下，考虑到有效载荷损失，电池电动卡车（BETs）、燃料电池电动卡车（FCETs）和内燃机卡车（ICETs）在从能源储存到车辆使用的能量效率（TtW效率）和每吨公里制造成本方面有何差异？（3）当不同的能源载体和重型卡车动力系统技术被整合到完整的技术路径中，并在当前中国的可再生能源部署条件下进行评估时，哪种路径可以最小化WtW成本？在什么条件下，基于PtX的路径能够与直接电气化路径竞争？
通过回答这些研究问题，本研究为在系统边界和假设下评估的各种路径的相对效率-成本表现提供了宝贵的见解。本研究的主要贡献如下：（1）首次对十种路径进行了统一的技术经济比较，将四种可再生能源载体（电力、氢气、氨和甲醇）与三种重型卡车动力系统选项（电池电动卡车、燃料电池电动卡车和内燃机卡车）相结合，确保了系统边界和性能指标的一致性。（2）引入了一个新的“有效载荷效率”指标，明确考虑了不同动力系统配置带来的有效载荷损失，并应用了对数平均迪维西亚指数（LMDI）方法按阶段分解能量损失，从而提高了效率-成本权衡的可解释性。（3）纳入了中国特定的条件，敏感性分析确定了基于PtX的路径在什么条件下能够与直接电气化竞争，从而明确了在未来高可再生能源系统中PtX路径可以补充直接电气化的时机。
章节片段
系统定义和概述
本研究评估了多种可再生能源路径在中国为49吨、600公里行驶里程的重型卡车提供牵引能量的WtW性能。如图1所示，每种路径分为两个相互关联的部分：WtT循环，其中可再生能源被转化为能源载体，储存、长距离传输、在终端处理，最终输送到车辆；TtW循环，其中特定的重型卡车技术将提供的能量转化为
WtT效率和平准化燃料成本
WtT结果显示，电力、氢气、氨和甲醇路径之间存在显著差异。图2展示了不同能源载体供应路径在不同阶段的WtT效率损失情况。
存储在BESS中并通过UHV线路直接传输的可再生能源电力在所有路径中获得了最高的WtT效率。其总WtT损失最小，整体效率接近80%。损失主要集中在电池
结论
为了实现一致的比较，本研究基于WtW效率和成本开发了一个统一的技术经济框架，并评估了十种技术路径，这些路径将四种可再生能源载体（电力、氢气、氨和甲醇）与三种重型卡车动力系统（内燃机卡车、燃料电池电动卡车和电池电动卡车）相结合。然后，我们研究了在WtT效率和TtW效率得到改进的情况下，基于PtX的路径与基于电池电动卡车的基准路径的比较。我们还分析了可再生能源部署条件和重型卡车特性
CRediT作者贡献声明
白凡龙：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件、方法论。李建新：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。刘宗伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。郝涵：监督、资源管理、概念化。赵富全：监督、资源管理、概念化。孙明：初稿撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金的资助，资助账号为52272371。
