ارزیابی قابلیت انتقال توان بی‌سیم پویا در حمل و نقل بار در مسافت‌های طولانی: تحلیل فنی-اقتصادی از دیدگاه اپراتورهای ناوگان

این مطالعه، ارزیابی فنی-اقتصادی انتقال توان بی‌سیم پویا برای حمل و نقل بار در مسافت‌های طولانی را با تمرکز بر دیدگاه اپراتور ناوگان ارائه می‌دهد. به طور خاص، ما سه فناوری مختلف سیستم انتقال قدرت را با هم مقایسه کردیم: یک سیستم انتقال قدرت معمولی و یک سیستم برقی-باتری با یا بدون شارژر پویا نصب شده. برای هر سه فناوری، ما یک مدل هزینه برای ارزیابی کل هزینه مالکیت برای یک اپراتور ناوگان با استفاده از سناریوهای مختلف توسعه دادیم.

نکته قابل توجه این است که مدل‌های هزینه اختصاصی برای تخمین هزینه‌های حامل‌های انرژی و هزینه‌های مربوط به اتلاف زمان توسط اپراتورهای ناوگان به دلیل زمان تحویل طولانی کامیون‌های برقی در مقایسه با کامیون‌های معمولی ابداع شده‌اند. نوآوری‌های مدل هزینه دوگانه هستند. اول، مدل‌های هزینه اختصاصی برای تخمین هزینه‌های مربوط به حامل‌های انرژی (از جمله هزینه زیرساخت) و اتلاف زمان توسط اپراتورهای ناوگان به دلیل زمان تحویل طولانی کامیون‌های برقی در مقایسه با کامیون‌های معمولی ابداع شده‌اند. دوم، مصرف انرژی بر اساس منبع و زمان سفر از یک رویکرد شبیه‌سازی توسعه‌یافته موردی استخراج شده است که دینامیک طولی مطالعه موردی و همچنین عملکرد سیستم انتقال قدرت را بر اساس جداول جستجوی تجربی ارائه شده توسط تولیدکنندگان و همچنین پروژه‌های تحقیقاتی قبلی مدل‌سازی می‌کند. نتایج شبیه‌سازی ارائه شده توسط این مدل برای مدل هزینه بهبود یافته ما مفید است زیرا ورودی‌های مورد نیاز را فراهم می‌کند و به ما اجازه می‌دهد نتایج را با یک ماموریت تحویل خاص تطبیق دهیم. نتایج ما بینش‌های ارزشمندی را برای اپراتورهای ناوگان که به دنبال پذیرش کامیون‌های بدون آلایندگی هستند و برای سیاست‌گذاران و سایر ذینفعان زیرساخت در مورد شرایط مورد نیاز برای مقرون‌به‌صرفه بودن سیستم‌های جاده‌ای برقی ارائه می‌دهد.

مقدمه

کامیون‌ها، اتوبوس‌ها و اتوبوس‌های شهری در مجموع بیش از یک چهارم انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) حاصل از حمل و نقل جاده‌ای در اتحادیه اروپا (EU) را تشکیل می‌دهند و بیش از 6٪ از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای اتحادیه اروپا را تشکیل می‌دهند. با وجود برخی پیشرفت‌های اخیر در بهره‌وری، انتشار گازهای گلخانه‌ای همچنان در حال افزایش است که در درجه اول به افزایش حجم ترافیک بار جاده‌ای نسبت داده می‌شود. بنابراین، در سال 2019، کمیسیون اروپا مقرراتی را با هدف کاهش قابل توجه انتشار دی اکسید کربن از کامیون‌ها و اتوبوس‌های سنگین اجرا کرد. این مقررات اهدافی را برای کاهش متوسط انتشار دی اکسید کربن (CO2) ناوگان تا سال 2025، در مقایسه با پایه 2019، 15٪ و تا سال 2030 تا 30٪ تعیین می‌کند [1]. در ابتدا، وسایل نقلیه‌ای که باید انتشار CO2 خود را تأیید کنند، متعلق به گروه‌های 4، 5، 9 و 10 هستند که مربوط به کامیون‌های صلب و کشنده با پیکربندی محور 6 × 2 یا پیکربندی 4 × 2 و حداکثر جرم مجاز فنی بیش از 16 تن است. این گروه‌ها تقریباً ۶۴ درصد از فروش خودروهای سنگین (HDV) را در سال ۲۰۱۹ پوشش دادند.

علاوه بر این، در سال 2024، اهداف جدیدی برای کاهش انتشار CO2 برای کامیون‌های بزرگ، اتوبوس‌های بین شهری و اتوبوس‌های بین شهری تعیین شده است، یعنی 45٪ برای دوره 2030-2034، 65٪ برای 2035-2039 و 90٪ تا سال 2040. تا سال 2030، اتوبوس‌های شهری جدید باید انتشار CO2 خود را 90٪ کاهش دهند و تا سال 2035 به وسایل نقلیه بدون انتشار تبدیل شوند [2].

تولیدکنندگان موظفند داده‌های مربوط به میزان انتشار CO2 و مصرف سوخت هر وسیله نقلیه جدیدی که برای بازار اتحادیه اروپا در نظر گرفته شده است را رصد و به کمیسیون اروپا گزارش دهند. این نتیجه طبق مقررات صدور گواهینامه ارزیابی و با استفاده از ابزار محاسبه مصرف انرژی خودرو (VECTO) محاسبه می‌شود. عدم دستیابی به اهداف CO2 ممکن است منجر به جریمه‌های مالی اعمال شده توسط کمیسیون شود که در سال 2025 به میزان 4250 یورو به ازای هر گرم CO2 در هر تن کیلومتر و در سال 2030 به میزان 6800 یورو به ازای هر گرم CO2 در هر تن کیلومتر تعیین شده است. در نتیجه، معرفی خودروهای بدون کربن به بازار در سال‌های آینده اهمیت فزاینده‌ای پیدا خواهد کرد.

در مورد خودروهای بدون کربن، از آنجایی که مقررات مصوب فقط انتشار دی اکسید کربن از لوله اگزوز را در نظر می‌گیرند، تنها گزینه‌های مناسب برای دستیابی به هدف بلندپروازانه، معرفی خودروهای الکتریکی باتری‌دار (BEV) و خودروهای الکتریکی پیل سوختی (FCEV) هستند. در واقع، این دو فناوری تنها گزینه‌هایی هستند که انتشار گازهای گلخانه‌ای آنها از طریق لوله اگزوز صفر است. در نتیجه، در سال‌های اخیر، خودروهای الکتریکی افزایش فروش را تجربه کرده‌اند و در سال 2021 دو برابر شده‌اند و به رکورد بیش از دو میلیون دستگاه فروخته شده در یک سال رسیده‌اند. علاوه بر این، در سال 2021، چندین خودروساز بزرگ برنامه‌هایی را برای حرکت به سمت آینده‌ای کاملاً الکتریکی با خطوط تولید جدید و همچنین تبدیل ظرفیت تولید موجود اعلام کردند. از سوی دیگر، امروزه خودروی الکتریکی پیل سوختی به دلیل هزینه بالاتر در مقایسه با خودروی الکتریکی باتری‌دار، درصد قابل توجهی از فروش را نشان نمی‌دهد [3] و در مورد مقرون به صرفه بودن و قابلیت دوام آنها تردیدهای زیادی وجود دارد. یکی دیگر از ملاحظات مهم، زیرساخت‌های مورد نیاز است. از آنجایی که تولیدکنندگان به طور فزاینده‌ای بر برقی‌سازی کامل با خودروهای برقی (BEV) در بازار خودروهای سواری تمرکز می‌کنند، زیرساخت‌های BEVها می‌تواند با حمل و نقل بار، با توجه به سازگاری آنها، به اشتراک گذاشته شود. با این حال، FCEVها به زیرساخت‌های جداگانه‌ای نیاز دارند. در طول چند سال گذشته، مطالعات متعددی پتانسیل BEVها را در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) در مقایسه با خودروهای معمولی و همچنین در مقایسه با FCEVها بررسی کرده‌اند [4]، [5]، [6]. هر مطالعه نشان داد که یک BEV می‌تواند به طور معقول معادل دی اکسید کربن منتشر شده را کاهش دهد، حتی اگر کل چرخه عمر را در نظر بگیریم، حتی زمانی که یک BEV با FCEV مقایسه می‌شود. بنابراین، از دیدگاه زیست‌محیطی، BEV ممکن است کلید کاهش تأثیر تغییرات اقلیمی بر بخش حمل و نقل، به ویژه در بخش جاده‌ای با خودروهای سواری و وسایل نقلیه سنگین باشد. با این حال، علیرغم مزایای زیست‌محیطی، موانع اقتصادی و فناوری متعددی در حال حاضر مانع از امکان‌سنجی پذیرش گسترده BEVها، به ویژه برای حمل و نقل طولانی مدت، می‌شود. برای تحقق کامل پتانسیل BEVها در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مبارزه با تغییرات اقلیمی به طور مؤثر، باید به این موانع رسیدگی شود.

حمل و نقل بار در مسافت‌های طولانی چالش‌های منحصر به فردی را به همراه دارد، از جمله الزام به مسافت‌های طولانی سفر روزانه و پیشرانه‌های پرقدرت برای تطبیق با اندازه و وزن قابل توجه کامیون‌ها. مقررات اروپایی که به ایمنی راننده می‌پردازند، محدودیت‌هایی را بر مسافت پیموده شده روزانه کامیون‌های مسافت طولانی اعمال می‌کنند. این مقررات حداکثر زمان رانندگی روزانه 9 ساعت را تعیین می‌کنند [7] که تقریباً به حداکثر 600 کیلومتر در روز برای حمل و نقل بار در مسافت‌های طولانی تبدیل می‌شود. در نتیجه، برد و زمان شارژ چالش‌های قابل توجهی را ایجاد می‌کنند و برق‌رسانی گسترده در این بخش را تقریباً غیرممکن می‌سازند. نکته قابل توجه این است که بخش حمل و نقل سنگین با دو مسئله اصلی دست و پنجه نرم می‌کند: تقاضا برای قابلیت‌های برد طولانی و ظرفیت بار بالا، که هر دو در مورد خودروهای برقی (BEV) اهداف پیچیده و متناقضی هستند. دنبال کردن برد طولانی مستلزم استفاده از بسته‌های باتری بزرگ است که ممکن است ظرفیت بار و سودآوری را کاهش دهد. علاوه بر این، بسته‌های باتری بزرگ به طور قابل توجهی بر قیمت خرده فروشی کامیون‌ها تأثیر می‌گذارند.

علاوه بر این، زیرساخت شارژ فعلی توسط فناوری سطح نمونه اولیه ایستگاه‌های شارژ، مانند سیستم‌های شارژ مگاواتی (MCS) محدود شده است. یک راه حل بالقوه برای رفع این چالش‌ها در سیستم‌های جاده‌ای الکتریکی (ERS) که با نام eRoads نیز شناخته می‌شوند، نهفته است. ERS شامل فناوری‌های مختلفی است که امکان شارژ مجدد باتری‌های خودرو را در حین رانندگی فراهم می‌کند و در نتیجه برد را بدون افزایش بیش از حد اندازه باتری افزایش می‌دهد.

در نتیجه، اپراتورهای ناوگان به کاهش توقف در ایستگاه‌های شارژ و غلبه بر اضطراب برد مسافتی علاقه‌مند هستند که هر دو از طریق اجرای ERS قابل دستیابی هستند. مزایای ERS را می‌توان به دو صورت مشاهده کرد: کاهش توقف‌های شارژ، افزایش برد مسافتی و امکان تنظیم اندازه مناسب باتری که منجر به کاهش وزن می‌شود. کاهش وزن باتری منجر به افزایش ظرفیت بار مفید و کاهش هزینه‌های خرید برای اپراتورهای ناوگان می‌شود. از آنجایی که باتری سهم قابل توجهی در کل هزینه خرید یک BEV دارد، کوچک‌سازی آن در یک سناریوی مجهز به ERS هزینه‌های تعویض باتری را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، کاهش وزن باتری، از دست دادن ظرفیت بار مفید را در مقایسه با کامیون‌های معمولی به حداقل می‌رساند و در نتیجه شکاف رقابتی برای وسایل نقلیه الکتریکی باتری‌دار در حمل و نقل بار در مسافت‌های طولانی را از بین می‌برد.

از دیدگاه زیست‌محیطی، کاهش وزن باتری منجر به کاهش تقاضا برای مواد و کانی‌های حیاتی مورد استفاده در تولید باتری می‌شود. سیستم‌های جاده‌ای الکتریکی (ERS) شامل چندین فناوری مانند انتقال توان رسانا از طریق خطوط برق هوایی (پانتوگراف و کاتنری)، انتقال رسانا از طریق ریل‌های درون جاده‌ای و انتقال القایی با استفاده از کویل‌های القایی هستند [8]. در میان این گزینه‌ها، فناوری القایی، که به عنوان انتقال توان بی‌سیم پویا (DWPT) شناخته می‌شود، به دلیل راندمان بالقوه شبکه به بار تا 90٪ توجه زیادی را به خود جلب کرده است [9]. در یک مطالعه موردی [10] برای خودروهای سواری با در نظر گرفتن چرخه رانندگی تست مصرف سوخت بزرگراه (HWFET2)، افزایش برد 10 تا 20 درصد با پوشش 20 درصدی جاده الکترونیکی و توان شارژ 10 کیلووات پیش‌بینی شد. با افزایش پوشش جاده الکترونیکی و توان شارژ، مزایای بیشتری نیز حاصل می‌شود. محیط‌های آزمایشی دنیای واقعی شاهد استقرار سیستم‌های مختلف DWPT بوده‌اند، از جمله پروژه خودروی الکتریکی آنلاین (OLEV) در کره [11]، تجزیه و تحلیل امکان‌سنجی و توسعه راه‌حل‌های شارژ جاده‌ای برای خودروهای الکتریکی آینده، پروژه FABRIC در ایتالیا [12]، [13]، و پروژه PRIMOVE در آلمان [14].

تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که با یک استراتژی استقرار مناسب، زیرساخت ERS حتی می‌تواند در مقایسه با پیشرانه‌های دیزلی معمولی، برای اپراتورهای ناوگان به برابری هزینه دست یابد [15]. ERSها بیشترین مزایا را در بزرگراه‌های پرترافیک ارائه می‌دهند، جایی که رانندگی مداوم با سرعت نسبتاً ثابت امکان‌پذیر و مطلوب است. این سناریو همچنین جایی است که ERSها به احتمال زیاد یک مدل تجاری مناسب دارند. مطالعه‌ای که بر سوئد و نروژ [8] متمرکز بود، ارتباطات شلوغ شهر به شهر و مسیرهای محلی با بار زیاد را به عنوان مناسب‌ترین جاده‌ها برای اجرای ERS از دیدگاه فنی-اقتصادی شناسایی کرد. با این وجود، تجزیه و تحلیل جامعی که جنبه‌های اقتصادی و فناوری اجرای زیرساخت ERS در حمل و نقل بار، به ویژه از دیدگاه اپراتورهای ناوگان، را در کنار هم قرار دهد، در ادبیات موجود یافت نشده است. مطالعه [15] فرضیات خاصی در مورد تأثیر ERS بر SOC خودروهای برقی ارائه می‌دهد. با این حال، شامل شبیه‌سازی‌های واقعی برای بررسی مصرف انرژی خودرو در جاده‌های برقی نیست. در مقابل، مطالعه ما یک مدل شبیه‌سازی قوی را توسعه می‌دهد که مستقیماً با یک مدل هزینه مرتبط است و امکان ارزیابی جامع از سه فناوری ERS را فراهم می‌کند. [8] تحلیل عمیقی از جنبه‌های اقتصادی ساخت زیرساخت‌های جاده‌ای برقی در سوئد ارائه می‌دهد. با این حال، این مطالعه عوامل فنی مانند برد موجود و زمان تحویل را در تحلیل اقتصادی ادغام نمی‌کند. علاوه بر این، [8] بر روی یک دسته خاص از وسایل نقلیه تمرکز نمی‌کند، بلکه به طور کلی به وسایل نقلیه سبک و سنگین اشاره دارد. در مقابل، مطالعه ما یک وسیله نقلیه سنگین خاص را با استفاده از چرخه رانندگی طولانی VECTO شبیه‌سازی می‌کند و بینش‌های خاص‌تر و کاربردی‌تری ارائه می‌دهد. [16]، [17] قابلیت اقتصادی یک سیستم DWPT را از طریق مشارکت دولتی-خصوصی ارزیابی می‌کنند، بنابراین این مطالعه از دیدگاه اپراتور ناوگان متمرکز نیست. علاوه بر این، هیچ ارتباطی با شبیه‌سازی سیستم انتقال قدرت وجود ندارد. در نهایت، [18] یک مدل شبیه‌سازی را در ارزیابی اقتصادی گنجانده است، اما شامل ارزش برای وسایل نقلیه سبک است و تأثیر شیب جاده را، همانطور که ما در مطالعه خود انجام دادیم، در نظر نمی‌گیرد.

این کار، ارزیابی فنی-اقتصادی یک مطالعه موردی واقعی را با در نظر گرفتن یک کامیون حمل بار طولانی 4 × 2 (گروه VECTO 5-LH) که در یک سناریوی بزرگراه رانندگی می‌کند، ارائه می‌دهد. انتخاب بر روی کامیونی متعلق به گروه VECTO گروه 5 افتاد زیرا اکثریت قریب به اتفاق کامیون‌های فروخته شده در اروپا را تشکیل می‌دهد [19]. علاوه بر این، گروه VECTO 5 بیشتر (90٪ از وسایل نقلیه فروخته شده) برای ماموریت‌های حمل بار طولانی استفاده می‌شود و آن را به پرکاربردترین برای این اهداف خاص تبدیل می‌کند. هدف از این مطالعه، مقایسه دو فناوری نیروی محرکه جایگزین (BEV و DWPT-BEV) از طریق تجزیه و تحلیل فنی-اقتصادی و همچنین در نظر گرفتن یک وسیله نقلیه معمولی به عنوان پایه مرجع است. بنابراین، ابتدا، یک مدل شبیه‌سازی برای منعکس کردن ویژگی‌های خاص وسیله نقلیه مورد نظر توسعه داده می‌شود. برای اینکه یک کامیون باتری‌دار، در صورت فعال بودن شارژ بی‌سیم، بتواند بسته‌های باتری خود را در حین حرکت شارژ کند، چرخه رانندگی طولانی VECTO اصلاح شده است تا بخش‌های ERS را نیز شامل شود. تأثیر طول بخش ERS، سرعت خودرو هنگام رانندگی در بخش ERS و قدرت اسمی شارژر دینامیکی بر برد خودرو مورد بحث قرار گرفته است. جزئیات مدل شبیه‌سازی توسعه‌یافته نیز ارائه شده است. نتایج شبیه‌سازی دو سناریوی برتر را ارائه می‌دهد که ERS را از نظر فنی در مقایسه با BEV و فناوری موتور احتراق داخلی معمولی (ICEV) با توجه به برد و زمان تحویل، امکان‌پذیر می‌سازد. هزینه کل مالکیت با در نظر گرفتن هر هزینه‌ای که در طول عمر کامیون رخ داده است، به چندین دسته هزینه تقسیم شده است. مقایسه‌ای با زیرساخت شارژ سریع، از دیدگاه فنی-اقتصادی، با در نظر گرفتن عوارض مختلف و تغییر در زمان تحویل ناشی از استفاده از دو فناوری در مقایسه با یک کامیون معمولی نیز توسعه داده شد. زیرساخت شارژ سریع و تعرفه DWPT از طریق داده‌های مربوط به هزینه ساخت از ادبیات و داده‌های واقعی در مورد برق در اروپا تخمین زده شدند. علاوه بر این، یک تحلیل حساسیت از نسبت اشغال انجام شد که تغییرات احتمالی تعرفه را به عنوان تابعی از تعداد وسایل نقلیه‌ای که از فناوری شارژ خاص استفاده می‌کنند، سرمایه‌گذاری اولیه توسط مالک زیرساخت و هزینه برق (یعنی ایستگاه شارژ سریع، خط انتقال توان بی‌سیم پویا) توضیح می‌دهد. در نهایت، یک تحلیل اقتصادی جامع به ما این امکان را داد که BEVها را با DWPT eRoads، BEVها با شارژ سریع و کامیون‌های ICE از دیدگاه اپراتور ناوگان مقایسه کنیم.

هدف این مطالعه ارائه یک مرور کلی جامع از جنبه‌های فنی و اقتصادی یک فناوری خاص ERS، یعنی انتقال توان بی‌سیم پویا (یعنی جاده برقی از طریق شارژ القایی) از دیدگاه اپراتور ناوگان است. در نتیجه، این مطالعه با بررسی جنبه‌های فنی، مانند ارزیابی قابلیت‌های برد خودروهای برقی و کامیون‌های مجهز به فناوری DWPT، آغاز می‌شود و بهترین سناریوی فنی برای یک کامیون با فناوری DWPT برای مأموریت خاص اتخاذ شده انتخاب می‌شود. متعاقباً، تجزیه و تحلیل به حوزه اقتصادی می‌رود و به ارزیابی جامعی از کل هزینه مالکیت در طول چرخه عمر عملیاتی کامیون می‌پردازد. نتایج در درجه اول بر مقایسه این دو فناوری، با یک کامیون ICE معمولی که به عنوان پایه در نظر گرفته شده است، متمرکز است که نشان دهنده وضعیت فعلی هنر در حمل و نقل بار است. سهم اصلی این مقاله را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

• ادغام ERS در تحلیل TCO: ما روشی را برای گنجاندن هزینه‌های مرتبط با ERS در کل هزینه مالکیت یک کامیون ابداع کردیم. رویکرد ما شامل یک مدل هزینه جامع است که به طور خاص برای تخمین تعرفه‌های DWPT-ERS طراحی شده است و سرمایه‌گذاری را برای یک سرمایه‌گذار خصوصی امکان‌پذیر می‌کند، و همچنین مدل‌های جداگانه‌ای برای تخمین تعرفه‌های نقاط شارژ آهسته خصوصی در انبار اپراتور ناوگان و نقاط شارژ سریع عمومی ارائه می‌دهد.

• روشی برای هزینه اتلاف زمان و تقسیم حامل انرژی بین فناوری‌ها: برای تعیین کمیت هزینه‌های اضافی متحمل شده توسط اپراتورهای ناوگان هنگام انتخاب کامیون‌های بدون آلایندگی به جای کامیون‌های معمولی به دلیل زمان تحویل طولانی، ما یک مدل هزینه اختصاصی با پشتیبانی یک مدل شبیه‌سازی سیستم انتقال قدرت ایجاد کردیم. بدون این مدل شبیه‌سازی، ارزیابی اتلاف زمان برای ناوگان یا ارزیابی دقیق هزینه واقعی حامل‌های انرژی تقسیم شده بین سه فناوری: ایستگاه‌های شارژ آهسته، ایستگاه‌های شارژ سریع و DWPT غیرممکن است. این ممکن است توضیح دهد که چرا این هزینه‌ها اغلب در مقالات حذف شده‌اند.

• گنجاندن شبیه‌سازی‌های خودرو شبیه VECTO در مدل TCO: ادبیات موجود اغلب جنبه‌های فنی عملکرد کامیون را در ارزیابی‌های اقتصادی نادیده می‌گیرد. در عوض، ما یک تحلیل جامع TCO ابداع کردیم که از نتایج یک مدل شبیه‌سازی دقیق خودرو برای ارزیابی مصرف انرژی و زمان تحویل استفاده می‌کند. این مدل یکپارچه، دیدگاهی جامع در مورد هزینه‌های مرتبط با عملکرد کامیون به اپراتورهای ناوگان ارائه می‌دهد. خود مدل شبیه‌سازی از روشی مشابه ابزار شبیه‌سازی VECTO که توسط اتحادیه اروپا توسعه داده شده است، استفاده می‌کند.(منبع)