货运交通电气化技术的电气化公路方案与氢能方案对比研究

李红标，郑泽东，李永东

（清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084）

0 引言

交通运输是我国化石能源消耗和温室气体排放的主要领域之一，在“碳达峰”、“碳中和”的时代背景下，持续推进交通领域低碳化、清洁化转型，降低化石能源在其终端能源中的消耗占比已成为必然趋势。目前，公路运输的化石能源消耗量占整个交通领域化石能源消耗量的80%以上，其中重型货运车辆是公路运输化石能源消耗与温室气体排放的主体［1］。推动重型卡车（简称“重卡”）货运清洁化转型是优化交通运输领域能源结构，构建绿色、清洁、高效的交通运输体系的重要方面，其中，将公路货运进行电气化改造是重卡货运清洁化转型的有效措施之一。

公路电气化方案主要有4种，即充电方案、换电方案、氢能重卡方案以及电气化公路方案。每种方案都有各自适用的场景，但均存在一定的局限性，尚未得到大规模的推广。应用充电方案的充电等待时间较长，运输效率较低，比较适合市内短途运输，例如市政车辆、配送车等。其可以在夜间进行充电，能保证车辆白天的正常使用。换电方案可以在一定程度上弥补充电方案使用效率低的缺陷，在一些短途或者固定线路的运输场景中具有一定的优势。重型货车功率大、需要长时间连续运行，采用充电或者换电方案需要配置大容量电池，存在成本及安全性等方面问题，蓄电池方案的具体介绍和成本分析已在文献［2］中给出。在国家购车补贴和加氢优惠政策的推动下，一些地方政府纷纷建立了相应的氢燃料电池汽车示范项目，但目前仍存在购车成本和使用成本较高的问题。未来，随着加氢成本的降低及相关产品技术的完善，氢燃料电池汽车将会取得较快的发展［3］。电气化公路方案的线路建设成本较高，但用能成本低于前几种方案的，在固定线路的大运量场景下具有一定的经济优势。目前国内外已经建立了电气化公路的示范线路，但尚未进行推广。

为了进一步探索我国重型货运交通公路电气化技术改革方向，本文介绍了氢能重卡和电气化公路技术方案，并结合具体的应用场景对二者的经济性进行了对比分析，给出了具体的应用建议。

1 我国重型货车能源消耗现状

《中国统计年鉴（2021）》［1］显示，2019年，我国交通运输、仓储和邮政行业的化石能源消费量占我国化石能源消费总量的10.56%，柴油消费量占我国柴油消费总量的66.14%，其中重型货车为柴油的重要终端消耗者［2］。我国货运车辆总吨位数近几年的变化情况如图1所示［4］。可以看出，至2021年底，我国货运车辆总吨位数达到了17 099万吨，重型货车需求逐渐增大。我国交通领域2019 年的CO2排放占比如图2 所示，其中公路运输碳排放量占交通运输碳排放总量的86.76%；在公路运输中，重型货车又为主要的碳排放来源，其碳排放量占比为54.00%（图3）［5］。除CO2之外，重型货车也是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）等污染物的主要排放来源。2021年，我国重型货车的这4 项污染物的排放量分别为73.5 万吨、32.2 万吨、432.5 万吨和3.3 万吨，占各类型汽车CO、HC、NOx、PM年排放总量的比例分别为10.6%、17.7%、76.1%、51.5%［6］。重型货车也已成为我国交通运输行业的高耗能设备和主要空气污染物和CO2来源。

图2 2019 年我国交通运输领域 CO2 排放占比Fig.2 Proportion of CO2 emissions in China's transportation industry (2019)

图3 2019 年我国公路运输各类车型 CO2 排放占比Fig.3 Proportion of CO2 emissions from various types of road transport vehicles in China（2019）

将公路货运进行电气化改革，这样既能减少大气污染，甚至实现零排放，又能降低其对化石能源的依赖，并能提高运输效率，是改善我国重型货车能源消耗现状的重要方向。

2 货运交通氢能重卡方案

随着全球气候变化和温室效应气体减排问题的日益突出，灵活高效、来源广泛、“零排放”的氢能源受到广泛关注，氢能重卡应运而生且规模逐渐增大。《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》提出，到2025年，我国燃料电池车辆保有量要达到5万辆［7］。氢气的能量密度为33.6 kW·h/kg，约为柴油的2.7倍。49吨级的氢能重卡续航1 000 km仅需要80 kg的氢，而同级别的燃油车需要消耗约300 kg的柴油。相比充电或换电方案，氢能重卡具有加氢速度快、耐高寒等优点。目前戴姆勒、上汽红岩等公司都发布了相应的产品。图4为戴姆勒公司的GenH2氢能重卡［8］，该车配置了80 kg液态储气罐，其额定输出功率为460 kW，续航里程达1 000 km。

图4 戴姆勒 GenH2 氢燃料电池重卡Fig.4 Daimler's GenH2 hydrogen fuel cell heavy truck

氢能重卡的主要电气结构如图5 所示，其包括电机、燃料电池系统、储氢罐、DC/DC 变换器、DC/AC 逆变器和部分容量的动力电池等。

图5 氢燃料电池重卡电气结构Fig.5 Electrical structure of hydrogen fuel cell heavy truck

目前，燃料电池电堆的转换效率在45%～60%左右，成本约为4 000元/kW。储氢罐是氢能重卡的储能设备，目前国内采用的车载储氢罐压力一般小于35 MPa。在35 MPa 压力下，氢气的密度大约为23 kg/m3，80 kg 氢气的体积约3 500 L；同等体积的储氢罐的质量在2 t以上，远超氢气本身的质量。未来车载储氢压力可提升到70 MPa，同等质量氢气需要的储氢罐体积将下降一半；但即使采用液氢罐，也需要1 000 L以上的容量。可见，储氢罐较大的体积和质量是影响氢能重卡续航能力的重要因素。

用氢成本高是制约氢能重卡发展的另一个关键因素。用氢成本主要受制氢、运氢和加氢3 个环节影响。当前我国制氢的主要方式有天然气制氢、煤制氢、电解水制氢以及工业副产氢。由天然气和煤制取的灰氢价格约14 元/kg，工业副产氢的成本约为9～22 元/kg，电解水获得的绿氢价格约为31元/kg［9-11］。在“双碳”目标的背景下，我国在大力发展电解水制氢；但由于绿氢的价格较高，从电制氢到运氢、加氢，再到燃料电池把氢气转化为电能，整个过程的能源利用率仅在30%左右，因此我国还主要依赖低成本的灰氢资源。高压气氢是现在最主流的运氢方式，其将高压氢气（通常 20 MPa）储存在压力容器中，并由长管拖车运输。拖车所运氢气的质量只占总运输质量的 1%～2%，国内常见的单车运氢量约为 260～460 kg，运输效率较低。20 MPa 气压下不同距离的运氢成本如图6所示。目前，国际上推出了50 MPa的长管运氢车，储运压力增加，相同体积下可以运输更多氢气，运输成本会相应降低。未来中短期，高压气氢仍会是主要的运氢方式。加氢站是氢气供应链的终端，典型的加氢站由压缩系统、储存系统、加注系统以及控制系统等组成，加氢成本在19元/kg左右［9］。

图6 20 MPa 气压下不同距离的单位运氢成本Fig.6 Unit hydrogen transport cost of different distances under 20 MPa

目前49吨级别氢能重卡购车成本在150万元左右（同等级别的燃油车成本为30～40万元）；同时，加氢价格为55元/kg左右，国家补贴后的价格仍在30元/kg左右。可见，现阶段仅从经济价值角度而言，氢能重卡相比燃油重卡还不具备竞争力［11］。

3 货运交通电气化公路方案

电气化公路是在公路车道上方架设双极牵引网，车辆通过牵引网和受电弓接触受流，车辆上仅配备少量电池用于超车或者短暂离开线路时的供电［12］。目前国内的中国中车、三一集团、大运集团和清华大学等单位已经发布了该技术的系统解决方案，交通运输部公路科学研究院正在组织相关专家组进行系统标准的制定并推动示范项目的实施。国外的企业，如西门子公司，分别在瑞典、德国、英国和美国等国开展了该技术的试验研究。由三一集团有限公司、中车株洲电力机车研究所有限公司和清华大学共同打造的中国首条电气化公路示范线路外观如图7 所示［13-14］，其牵引供电网采用1 500 V直流电对车辆供电，车辆采用双受电弓方式与牵引网接触受流。牵引供电网每隔一段距离（此距离可根据线路负载进行调整）设置一个供电站，把电网35 kV交流电变为1 500 V直流电。车辆上配置了两个受电弓，在牵引网供电区域，车辆升弓受流；在道路起伏、车辆超车等工况下，受电弓短暂离开牵引网，由车辆上所配置的小容量电池供电。受电弓受流后，车辆配置隔离DC/DC变换器，把1 500 V直流电降为650 V直流电供车辆驱动使用；同时实现电气隔离，以保证司乘人员的安全。车辆可以依据运行场景不同，分别采用纯电动（蓄电池+受电弓）、燃油混合动力（发动机+受电弓）、燃料电池混合动力（燃料电池+受电弓）等方案。车辆主要电气结构如图8所示。

图7 中国首条电气化公路示范线路Fig.7 The first electrified highway demonstration project in China

图8 电气化公路车辆电气结构Fig.8 Electrical structure of the electrified highway vehicle

电气化公路的车辆直接使用电网电能，效率可以超过85%，相比燃油车40%左右的效率，能源利用率得到较大提高。但是，电气化公路方案需要沿线铺设接触网，基础建设成本相对较高，包括交流电网的接入和配电网、直流变电站和牵引网的建设在内，每公里造价约500万元（由于不同地方的政策不同，成本有所变化）。采用纯电动车辆时，相比传统燃油车，其主要增加了受电弓、隔离DC/DC变换器和小容量的电池，车辆目前的成本约70～80 万元/台。虽然电气化公路的购车成本和基础建设成本较高，但是车辆用能成本较低，基本为电网电能成本。以49吨燃油重卡为例，其百公里油耗约为34 L，按照柴油7元/L价格计算，成本约为238元；而采用电气化公路方案，百公里耗电约170 kW·h，按照新能源发电丰富地区电价0.3元/（kW·h）计算，成本为51元左右。可以看出，电气化公路方案的用能成本远低于传统燃油重卡的。考虑基建成本，在矿山、港口等固定线路及大运量运输场景下，电气化公路方案更具经济优势。

采用电气化公路方案，沿线架设接触网，可以就地消纳风电、光伏等新能源装备发出的电能。由于公路旁边一般较为空旷，路侧光伏的装机容量可达1 MW/km，加上风力发电，基本可以满足货车的牵引供电需求，实现零碳公路目标。并且，从理论上来讲，在用电高峰时，车辆动力电池也可以向电网回馈能量，但目前由于商业模式没有形成，这个构思不一定能实现。如果牵引网配备地面储能系统，则其可以作为新能源强制配置储能的一部分。按照国家规定的新能源发电配备10%的储能要求，以120辆车的线路计算，每辆车制动放电功率按100 kW计算，整条线路可以满足120 MW新能源发电的储能配备需求［15］。

4 氢能重卡方案与电气化公路方案成本对比

在线路不固定的中长途运输场景下，氢能重卡具有广阔的应用场景；而在固定线路的大运量场景下，电气化公路方案显然更有优势。下面基于某运煤专线场景，对两种方案的经济性做详细的对比分析。

该运煤专线全长42 km，属于矿用公路，为非铺装路面，日运量约4～5万吨，由矿区完成煤炭的开采与装车，通过半挂牵引车运输至煤化工园区。目前有126辆车用于该线路倒短运输，平均换车周期为5年左右。本文以 49吨柴油车油耗34 L/百公里为基准，按日运量5万吨进行测算。

采用49 吨标准车辆，每车载重40 t，根据运输量5 万吨计算，每天往返1 250 车次；满载限速60 km/h，空载限速80 km/h，单车往返运行时间约70 min。

燃油车往返一趟耗油22.8 L（空载油耗为满载的0.6 倍），柴油价格7 元/L，则往返一趟的燃油成本约为160元，每天燃油费用20.00万元。购车成本约30万元。

氢能重卡往返一趟用氢 6.2 kg，按照氢气补贴后价格30 元/kg 计算，则往返一趟的燃料成本186 元，每天氢能费用总计23.25 万元。49 吨氢能重卡购车成本在150万元左右。

在电气化公路方案中，电动车辆往返一趟耗电约 116 kW·h，则每天耗电约145 000 kW·h，以电网电价0.3 元/（kW·h）计算，每天电费约为4.35 万元。49 吨电动车辆购车成本约70 万元。42 km 往返线路的建设成本约2.1亿元。

每年运量按1 500 万吨计算，每天运量5 万吨，每年运行300 天，则3 种方式下的用能成本及总成本如表1所示。

表1 不同方案下成本对比分析Table 1 Comparative analysis of cost among different options

从表1 可以看出，在年运量1 500 万吨的情况下，氢能重卡的总成本约为21.51亿元，电气化公路的运输总成本为8.23亿元，电气化公路经济优势明显。两种方案下的车辆成本和能耗成本均与货物周转量成正比。货物周转量u（万吨·千米）等于货物运量q（万吨）与运输距离l（千米）的乘积。这里假设车辆生命周期内的运营里程是固定的，则电气化公路方案的基建成本与运输距离l成正比。因此，在单位货物周转量下，氢能重卡的车辆成本和能耗成本之和m1=（13.95+7.56）/20/1500/42=0.170 71万元/（万吨·千米）；电气化公路的车辆成本和能耗成本之和m2=（2.61+3.52）/20/1500/42=0.048 65 万元/（万吨·千米）。设年运量为q1时，氢能重卡方案和电气化公路方案成本相同，即m1×q1×42×20=m2×q1×42×20+21000，则q1等于204.83 万吨。也就是说，当年运量大于204.83万吨时，采用电气化公路的方案更具有经济性；当年运量小于204.83万吨时，采用氢能重卡方案的成本更低。

通过经济对比分析可以看出，电气化公路方案适用于固定线路的大运量场景，而氢能重卡方案适合中小运量、长距离的灵活运输。

5 结束语

针对重型货运公路的电气化改革，本文基于某运煤专线，对氢能重卡方案和电气化公路方案的成本进行对比分析。分析结果表明，在该场景下，当年运量大于204.83万吨时，采用电气化公路更具有经济性，并且运量越大，电气化公路方案的经济优势愈加明显；当年运量较小，低于204.83 万吨时，采用氢能方案成本更低。在目前“双碳”目标的大背景下，公路货运的电气化转型已成为必然趋势，电气化重卡虽然经历了近几年的发展，但总占比仍较低，其中一个重要因素就是，相比传统燃油车，新能源重卡的购车成本仍然比较高。因此，进一步推动相关技术的进步，降低新能源重卡的购车成本，针对不同的场景选择合适的方案，这样才能更快地实现公路货运的电气化转型。