《eTransportation》：Breakeven Levelized Cost of Hydrogen for the Zero-Emission Freight Transition
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氢燃料电池卡车成本平价研究：基于IMPACT模型的氢气全生命周期成本与基础设施协同分析，揭示2040-2045年LCOH达4.9-5.85美元/千克实现TCO平价，需配套516座高吞吐加氢站支撑14.5万辆重卡车队，成本收敛主要依赖基础设施利用率提升而非单纯生产成本下降。
Jingyuan Zhao|Rui Zhou|Andrew F. Burke|Lewis M. Fulton
加州大学戴维斯分校交通研究所，美国加利福尼亚州戴维斯市95616
摘要
加州空气资源委员会（CARB）的“先进清洁车队”（ACF）法规要求到2042年实现零排放车辆（ZEV）销售的全面转型，这对重型卡车运输行业提出了重大挑战。燃料电池电动汽车（FCEV）由于具有较长的续航里程和快速的加注速度，在长途货运方面具有巨大潜力。本研究基于“整合市场渗透与成本技术”（IMPACT）这一闭环仿真框架，该框架用于评估氢气的平准化成本（LCOH），并确定FCEV在总拥有成本（TCO）方面与柴油卡车达到平衡的条件。该模型整合了车辆成本演变、市场采纳动态以及2025至2050年间的氢基础设施部署情况，预测了车队规模、氢需求和加氢站利用率。在成熟网络基准下（UR = 1.0，即按额定设计吞吐量运行），LCOH从2025年的11.51美元/千克下降到2050年的4.26美元/千克。5年TCO平衡的临界阈值在4.90至5.85美元/千克之间，预计在2040至2045年左右适用于重型燃料电池卡车。到2050年，在高采纳率情景下，全州氢需求将达到每天3,200公吨，需要516个高吞吐量加氢站为145,000辆重型FCEV提供加注服务。这些结果表明，氢成本的趋同主要受到车辆-基础设施协同动态中的利用规模效应驱动，而不仅仅是生产成本降低的结果。通过量化随时间变化的LCOH平衡阈值，本研究将氢的竞争力重新定义为零排放货运转型中的系统级规模挑战。
引言
加州设定了实现碳中和的雄心勃勃的目标，并通过两项关键法规措施来支持这一目标（图1），这两项措施均针对零排放卡车（ZET）：一是“先进清洁卡车”（ACT）法规[1]，要求制造商从2024年开始增加ZET的销量；二是“先进清洁车队”（ACF）法规[2]，要求车队运营商在2035至2042年间将采购的车辆100%转换为ZET。这两项政策共同为卡车行业的脱碳之路指明了方向。在重型运输的零排放技术中，燃料电池电动汽车（FCEV）因其快速加注能力和较长驾驶里程而展现出巨大潜力[3]。然而，大规模部署FCEV取决于对氢加注基础设施建设的严格评估、资本投资需求以及具有成本竞争力的氢供应所需的经济条件。
本研究开发了一个系统建模框架，用于分析市场采纳动态、估算基础设施投资需求，并确定能够实现FCEV大规模部署的关键成本节点。分析包括三个关键部分：（1）预测FCEV的市场渗透率；（2）确定满足日常和年度氢需求的加氢站（HRS）的单位成本；（3）评估氢的平准化成本（LCOH），并将其分解为资本支出、运营支出、氢生产、运输、液化及分配损失。通过在一个统一的框架内关联采纳情况、基础设施利用率和成本形成过程，该分析得出了不同市场路径下的动态氢成本平衡阈值。这一分析基于“整合市场渗透与成本技术”（IMPACT）模型[4]、[5]、[6]，该模型将车辆经济学、车队选择行为和加氢基础设施投资之间的相互作用内生化。该模型包含三个相互连接的模块：一个车辆成本模块，用于估算购车价格、每英里的燃料成本和总拥有成本（TCO）；一个动态离散选择模块，用于模拟车队运营商在不断变化的成本和基础设施条件下的采纳决策；以及一个基础设施模块，用于计算HRS的容量需求和相关资本强度。通过采纳、需求、利用率和投资之间的时间反馈，该框架生成了内部一致的LCOH预测及相应的成本平衡阈值。这些结果明确了氢燃料系统在实现成本竞争力的同时满足CARB长期电气化目标所需的经济条件。
部分摘录
氢成本和LCOH框架
LCOH表示氢生产和交付的净现成本，按总氢产量进行标准化（美元/千克），被广泛用作技术经济指标[7]、[8]。LCOH的构成要素通常包括与氢生产（如蒸汽甲烷重整、电解或生物质气化）、液化（如适用）、分配和运输（通过管道、卡车或船舶）以及在加氢站加注相关的成本[9]、[10]、[11]。
方法论
本研究开发了一个基于情景的建模框架（图2），用于评估氢作为加州重型电动卡车（MHDV）零排放燃料的长期成本竞争力。该方法论包括两个主要模块：（1）使用IMPACT模型进行车辆采纳和车队预测；（2）对氢基础设施和燃料成本进行建模，以推导出随时间变化的LCOH。
结果
使用IMPACT模型模拟了一个高采纳率情景，以评估快速部署条件下的系统动态。该情景考虑了技术学习、氢基础设施扩展以及持续激励机制（如HVIP和税收抵免）的影响。预测了多个卡车类别中的FCEV采纳情况，以量化未来的氢需求。随后根据预测的需求，推导出基础设施规模和加氢站容量。
政策意义
实现LCOH平衡为FCEV在重型货运应用中的经济可行性设定了一个结构性阈值。在成熟且规划良好的基准情景下，预计LCOH从2025年的11.51美元/千克下降到2050年的4.26美元/千克（UR = 1.0），到2040年代初，8类重型卡车和7类轻型卡车的TCO将趋于平衡。这些结果表明，成本趋同不仅取决于技术学习，还依赖于协同效应。
结论
本研究量化了在加州ACF法规下实现燃料电池电动汽车与柴油车辆成本平衡所需的LCOH。通过一个综合框架，该框架将车辆采纳、基础设施部署、氢需求汇总和加氢站级利用动态联系起来，我们模拟了2025至2050年氢成本的演变过程，并将LCOH分解为生产、液化、运输、能量损失、站内资本支出和运营成本等组成部分。
展望
向氢动力货运运输的转型不应仅仅被视为技术成本挑战，而应理解为一个涉及资本分配、基础设施时机安排和风险分配的协调问题。早期阶段的氢系统面临较低的利用率，这加剧了资本回收成本并延迟了竞争力提升。克服这一利用率差距需要采取机制，在网络扩张的形成阶段降低投资风险。随着氢能的发展
作者贡献声明
Rui Zhou：撰写——初稿、调查、正式分析。Andrew F. Burke：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、调查、正式分析。Jingyuan Zhao：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念构建。Lewis M. Fulton：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、调查、资金支持
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢加州大学戴维斯分校交通研究所内的“可持续交通能源路径计划”（STEPS+）提供的支持。
