![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
نگاهی به استقرار گسترده وسایل نقلیه با سوخت هیدروژن برای حمل و نقل زمینی بار با مقایسه با وسایل نقلیه الکتریکی
چالش جهانیِ مبرمِ تغییرات اقلیمی، تلاشی هماهنگ برای محدود کردن انتشار گازهای گلخانهای، بهویژه دیاکسید کربن، را ضروری میسازد. یک مسیر حیاتی، جایگزینی منابع سوخت فسیلی با برقرسانی، از جمله حملونقل، است. در حالی که برقرسانی به خودروهای سبک به سرعت در حال گسترش است، بخش خودروهای سنگین با چالشهایی، بهویژه اشکالات لجستیکیِ اندازه و وزن باتریهای با ظرفیت بالا مورد نیاز برای پیمایش، و همچنین زمان شارژ باتری، مواجه است. این چشمانداز، پتانسیل خودروهای پیل سوختی هیدروژنی را به عنوان جایگزینی مناسب برای حملونقل جادهای سنگین برجسته میکند. ما پیامدهای ادغام هیدروژن در اقتصاد حملونقل، پویایی انرژی و کاهش CO2 را ارزیابی میکنیم و نقشه راهی برای گذار جامع به انرژی ترسیم میکنیم. نظر انتقادی ما که در این چشمانداز ارائه شده است این است که مشوقهای فدرال برای تولید هیدروژن میتواند رشد اقتصاد نوپای هیدروژن را تقویت کند. مسیری که ما پیشنهاد میکنیم تمرکز اولیه بر اپراتورهای ناوگانهای بزرگ است که میتوانند زیرساختهای سوخترسانی خود را کنترل کنند. این نظر از بحثهای خصوصی با ذینفعان متعدد در طول تشکیل یکی از مراکز هیدروژن اعطا شده شکل گرفته است، اگر آنها بر پذیرندگان اولیهای تمرکز کنند که میتوانند از زنجیره تأمین هیدروژن بهره ببرند.
کامیونهای پیل سوختی هیدروژنی پتانسیل کاهش انتشار کربن از بخش حمل و نقل جادهای بسیار بزرگ اما دشوار برای کربنزدایی را ارائه میدهند. گذار انرژی نشاندهنده یک مشکل سهگانه است که در آن ذینفعان باید به موجودی سوخت، زیرساخت سوخت و در دسترس بودن وسیله نقلیه رسیدگی کنند. ما پیشنهاد میکنیم که مشوقهای فدرال ایالات متحده برای تولید هیدروژن به «مشکل اول» بپردازد، در حالی که اپراتورهای ناوگانهای بزرگ نقطه به نقطه از مزیت رقابتی برای رسیدگی به «مشکل دوم» برخوردار هستند و این امر بخش نوپای خودرو را قادر میسازد تا تولید را آغاز کند.
مقدمه
ابتکارات برای کاهش و در نهایت حذف انتشار گازهای گلخانهای (GHG) به طور کلی، و انتشار دی اکسید کربن به طور خاص، ناشی از نیاز جهانی به کاهش تغییرات اقلیمی است. همانطور که ما این چشمانداز را در پاییز 2023 مینویسیم و در پاییز 2024 آن را اصلاح میکنیم، ما تازه از گرمترین سال ثبت شده در دو هزاره گذشته عبور کردهایم [1]. هدف از کاهش انتشار دی اکسید کربن، یا به طور ساده انتشار کربن، کربنزدایی از تمام فعالیتهای انسانی است. ایالات متحده و اروپا از کربنزدایی برای دستیابی به “صفر کربن خالص” تا سال 2050 حمایت کردهاند [2]. چین، بزرگترین منتشرکننده کربن، صفر کربن خالص یا “خنثیسازی کربن” را تا سال 2060 هدف قرار داده است.
در اکوسیستم هیدروژن سبز، وسایل نقلیه باری زمینی پاک با هیدروژن نیرو میگیرند و تنها بخار آب را به عنوان محصول جانبی منتشر میکنند. این هیدروژن از ایستگاههای هیدروژن تأمین میشود که به نوبه خود توسط مراکز هیدروژن دوباره پر میشوند. این مراکز از طریق الکترولیز آب و با استفاده از برق حاصل از نیروگاههای هستهای، هیدروژن تولید میکنند. نیروگاههای هستهای، مراکز هیدروژن، ایستگاههای هیدروژن و وسایل نقلیه با سوخت هیدروژن، در کنار هم، یک شبکه یکپارچه و پایدار را تشکیل میدهند.
در ایالات متحده و بسیاری از کشورهای توسعهیافته، حمل و نقل زمینی بزرگترین عامل انتشار کربن است [2]. در سطح جهانی، رشد قابل توجهی در برقیسازی ناوگان سبک شامل خودروها، خودروهای شاسیبلند (SUV)، وانتها و ونهای تحویل با استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی (EV) وجود دارد. ناوگانهای سنگین (به عنوان مثال کامیونهای کلاس 8 یا “18 چرخ”) به دلیل وزن و اندازه باتریهای با ظرفیت بالا که برای یک برد اقتصادی مورد نیاز هستند، ظرفیت بار وسیله نقلیه را محدود میکنند [3]. علاوه بر این، زمان لازم برای شارژ باتری، برنامهریزی حمل و نقل را مختل کرده و این بخش را غیرقابل استفاده میکند. بنابراین، علاقه زیادی به کربنزدایی ناوگان سنگین زمینی با وسایل نقلیه پیل سوختی هیدروژنی وجود دارد. در سراسر جهان، گذار به هیدروژن به دلیل سناریوی مرغ و تخممرغ، برقیسازی را به تأخیر انداخته است. اپراتورهای ناوگان به دلیل عدم اطمینان در دسترس بودن سوخت هیدروژن، در سرمایهگذاری در یک فناوری کمتر بالغ و گرانتر مردد بودهاند. تولیدکنندگان تجهیزات اصلی کامیون (OEM) پایگاه مشتری برای گسترش تولید ندارند و بنابراین، نتوانستهاند هزینهها را از طریق منحنی تجربه و افزایش مقیاس تولید کاهش دهند. از سوی دیگر، به عنوان بخشی از قانون زیرساخت دو حزبی (BIL) سال 2021، وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) اعلام کرد که قصد دارد تا 7 میلیارد دلار (USD) برای حمایت از استقرار هفت قطب هیدروژن پاک منطقهای پیشگام سرمایهگذاری کند [4]. با دستیابی به مقیاس تجاری پیشگام در بازه زمانی 2025-2030، انتظار میرود قطبهای هیدروژن روزانه حدود یک میلیون کیلوگرم هیدروژن پاک تولید کنند [5]. BIL به طور مؤثر به عنوان یک اعتبار مالیاتی سرمایهگذاری (ITC) تا 50٪ عمل میکند [6]. علاوه بر این، قانون کاهش تورم (IRA) سال 2022، اعتبار مالیاتی تولید (PTC) را برای هیدروژن پاک ارائه میدهد که میتواند هزینهها را به کمتر از هیدروژن معمولی برساند و با سوختهای مایع مبتنی بر نفت رقابت کند [7]. روی هم رفته، این مشوقها در ایجاد بخش حمل و نقل زمینی با سوخت هیدروژنی، سناریوی مرغ و تخم مرغ را مطرح میکنند. در این چشمانداز، ما وضعیت بخش حمل و نقل ایالات متحده، ناوگان هیدروژن و مراکز هیدروژن را برجسته میکنیم. ما تأثیر بالقوه هیدروژن را بر اقتصاد حمل و نقل، بخش انرژی و انتشار کربن تخمین میزنیم. ما مسیری را برای گذار موفق به انرژی پیشنهاد میکنیم. توجه داشته باشید که این مراکز وظیفه گستردهای برای ایجاد یک صنعت نوپا در چارچوب دستورالعملهای یک سرمایهگذاری با بودجه فدرال دارند.
ما این گزارش را به طور خاص به عنوان یک چشمانداز به موقع تهیه کردهایم، زیرا تصمیمات مربوط به مسیرهای استقرار، قبل از بهرهبرداری کامل از مراکز هیدروژن در حال بررسی هستند. بنابراین، ما دیدگاههای خود را بر اساس تخصص حاصل از بحث با ذینفعان و نه یافتههای منتشر شده، بنا نهادهایم.
برای درک انتشار کربن از حمل و نقل زمینی، باید عوامل کلیدی مؤثر در این فرآیند را کمّی کنیم. حمل و نقل زمینی بخشی از یک سیستم توزیع چندوجهی جهانی است که تولیدکنندگان را به مصرفکنندگان متصل میکند و شامل کشتیهای کانتینری اقیانوسپیما، راهآهن، کامیونهای باری مسافت طولانی (سنگین)، وسایل نقلیه توزیع منطقهای با وزن متوسط و سبک و سیستمهای تحویل در آخرین مایل میشود. علاوه بر این، برخی از کالاهای با ارزش بالا و/یا فاسدشدنی از طریق هوا حمل میشوند. محصولات مایع و گازی مانند سوختها و مواد شیمیایی اغلب از طریق خط لوله منتقل میشوند. کربنزدایی مستلزم رسیدگی به انواع کالاها و انواع حمل و نقل و توزیع است.
ناوگان حمل و نقل سبک و متوسط، از جمله تحویل محلی، به سرعت در حال برقی شدن است. تحویل محلی، به عنوان مثال، تحویل بسته در آخرین مایل، به دلیل حالتهای تجاری عملیاتی، مستعد برقی شدن است. وسایل نقلیه از یک مسیر ثابت با تغییرپذیری کم و مسافت کوتاهتر به صورت روزانه یا هفتگی استفاده میکنند. وسایل نقلیه معمولاً در طول شب در یک گاراژ متمرکز پارک میشوند. این حالت برای شارژ وسایل نقلیه در طول شب با تعداد کمی پرسنل و حداقل فشار بر شبکه برق مناسب است. این امر از تأخیر رانندگان در طول برنامه حمل و نقل فعال جلوگیری میکند و از هزینههای انرژی ارزانتر بهره میبرد و اغلب انتشار کربن از منابع برق در طول شب را کاهش میدهد. این مدل دو مزیت دیگر نیز دارد: با ارائه بیش از 12 ساعت زمان برای شارژ وسایل نقلیه، فشار بر شبکه را کاهش میدهد و نیاز به نرخ شارژ سریع را کاهش میدهد. نرخ شارژ پایینتر، هزینههای انرژی را کاهش میدهد، فشار بر شبکه را کاهش میدهد و عمر باتری وسیله نقلیه را افزایش میدهد. یک مزیت قابل توجه برای ساکنان شهر، که “عدالت زیستمحیطی” نامیده میشود، از برقی شدن در مناطق شهری ناشی میشود. احتراق سوخت یکی از عوامل آلودگی شهری از جمله ذرات معلق، مه دود، NOx و SOx است [8]. خودروهای برقی آلایندههای غیرنقطهای ضروری در جادهها و مراکز پرجمعیت هستند و کیفیت هوا را بهبود میبخشند.
برقرسانی مستقیم (EV) برای حمل و نقل زمینی بینوجهی مناسب نیست زیرا رانندگان باید زمان قابل توجهی را برای شارژ در طول سفرهای طولانی صرف کنند و وزن باتری ظرفیت حمل بار کامیون را کاهش میدهد. بنابراین، هیدروژن مناسبترین گزینه برای کربنزدایی از بخش حمل و نقل زمینی سنگین در نظر گرفته میشود. برای دستیابی به این هدف، توسعه هماهنگ سه بخش ضروری است:
۱. تولید خودروهایی که مقرون به صرفه و در یک بازه زمانی معقول در دسترس باشند.
۲. تولید هیدروژن بدون کربن در مقیاس، مکان و هزینههای رقابتی کافی.
۳. زیرساخت توزیع برای اطمینان از اینکه خودروها میتوانند با استفاده از یک مدل عملیاتی مناسب سوختگیری شوند. ما این را یک “مشکل سهگانه” میدانیم که در آن سرمایهگذاریها توسط ذینفعان خارج از کنترل هر فرد مورد نیاز است. این امر منجر به تردید همه طرفها میشود که پیشرفت را محدود میکند. با حذف یک چالش، طرفی که میتواند به چالش دوم بپردازد، میتواند طرف دیگری را در بخش سوم به حرکت به جلو ترغیب کند. دیدگاه ما این است که مشوقهای عمومی برای تولید هیدروژن میتواند چنین محرکی باشد.
ما پیشنهاد میکنیم که مسیر پیش رو برای کربنزدایی حمل و نقل زمینی بینوجهی، در حمایت وزارت انرژی آمریکا (USDOE) از قطبهای منطقهای هیدروژن نهفته است. برای ارزیابی کامل تأثیر بر انتشار کربن، به یک تحلیل چرخه عمر (LCA) دقیق بر اساس عملکرد عملیاتی نیاز است. برای دریافت اعتبارات مالیاتی هیدروژن IRA 45V، ذینفعان باید یک تحلیل GREET-45V انجام دهند تا تأثیر بر انتشار کربن به ازای هر کیلوگرم هیدروژن را تعیین کنند [9]. GREET (مدل گازهای گلخانهای، انتشار تنظیمشده و استفاده از انرژی در فناوریها) ابزاری است که توسط آزمایشگاه ملی آرگون توسعه داده شده است [10]. در حالی که ما میدانیم که ابزارهای LCA قوی دیگری نیز در دسترس هستند، الزام نظارتی، قطب هیدروژن را به استفاده از GREET-45V هدایت میکند و بنابراین ما بر روی آن تمرکز میکنیم. قطبهای هیدروژن پتانسیل پرداختن به دو مورد از سه عامل خطر در گذار انرژی، تولید هیدروژن پاک مقرونبهصرفه در مقیاس بزرگ و توزیع به بازار را دارند. همانطور که در ادامه بحث خواهیم کرد، معتقدیم که زیرساخت توزیع برای اپراتورهای بزرگ با مسیرهای تعریفشده بین گرهها مناسبتر خواهد بود. زیرساخت توزیع برای اپراتورهای مستقل با پراکندگی بالا، از ناوگانهای بزرگ عقب خواهد ماند. سهم هزینه فدرال که در IIJA [11] تخصیص داده شده است، تا 50٪ از هزینه ساخت زیرساخت تولید، توزیع و استفاده از هیدروژن [5] را به عنوان اعتبار مالیاتی سرمایهگذاری (ITC) تأمین میکند. در 2022 [12] یک اعتبار مالیاتی تولید (PTC) برای تولید هیدروژن بدون کربن تعبیه شده است. IIJA و IRA با ارائه ITC) و PTC) یکدیگر را تکمیل میکنند. با جدول زمانی 5 تا 15 ساله، آنها هم زمان کافی برای استقرار عملکردی و هم فوریت برای حرکت سریع به سمت حداکثر کردن مزایای اقتصادی را فراهم میکنند. بنابراین، انتظار داریم شاهد توسعه سریع اقتصاد هیدروژن بدون کربن باشیم. پرداختن به دو مورد از سه مانع برای استقرار گسترده حمل و نقل زمینی مبتنی بر هیدروژن، خطرات را به طور قابل توجهی کاهش میدهد. این میتواند و باید انگیزههایی را برای OEMها (تولیدکنندگان اصلی تجهیزات) برای توسعه و تولید وسایل نقلیه هیدروژنی فراهم کند. برای رشد بازارها، ایالات متحده و سایر کشورها از ITCها و/یا PTCها برای تشویق گذار انرژی استفاده کردهاند، اما به ندرت این کار را با هم انجام دادهاند.
نمونههای خاصی وجود دارد که گذار به هیدروژن بسیار موفق بوده است. در محیطهای انبار و صنعتی، لیفتراکها به طور گسترده برای جابجایی جعبهها و تجهیزات سنگین استفاده میشوند. لیفتراکهای برقی باتریدار بر بازار تسلط دارند. لیفتراکهایی که از گاز طبیعی استفاده میکنند، محدوده عملیاتی وسیعتری در محیط دارند. لیفتراکهای گاز طبیعی در طول دهه گذشته به هیدروژن روی آوردهاند. عامل اصلی، بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان برای ایمنی کارگران بود. در حالی که این بازار کمتر از ۱٪ از ناوگان بالقوه هیدروژن زمینی را تشکیل میدهد، مزیت کاهش انتشار گازهای گلخانهای اساساً مکمل بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان است. در ایالات متحده، راهآهن کمتر از ۱۰٪ از مصرف سوخت برای حمل و نقل بار را تشکیل میدهد. علاوه بر این، راهآهن در موقعیت بسیار بهتری برای ارائه زیرساختهای سوخترسانی اختصاصی قرار دارد، بنابراین با بلوغ اقتصاد هیدروژن، “مشکل سهگانه” را ایجاد نمیکند.(منبع).