مسیر توسعه کامیون‌های سنگین پیل سوختی هیدروژنی در چین: رویکرد ارزیابی چرخه عمر انرژی-محیط زیست-اقتصاد

کامیون‌های سنگین (HDTs)، که به شدت به سوخت دیزل وابسته هستند، چالش‌های قابل توجهی را برای کربن‌زدایی حمل و نقل ایجاد می‌کنند. با این حال، کامیون‌های سنگین پیل سوختی هیدروژنی (HFC-HDTs) پتانسیل کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای را ارائه می‌دهند. این مطالعه یک چارچوب تحلیل انرژی-محیط-اقتصاد (3E) را بر اساس ارزیابی چرخه عمر (LCA) توسعه می‌دهد و یک مدل بهینه‌سازی از پایین به بالا پیشنهاد می‌دهد. این مقاله انتشار کربن، مصرف انرژی، هزینه‌ها و ساختارهای مصرف سوخت هیدروژن را در پنج سناریو ارزیابی کرده و یک مسیر توسعه برای بخش HDT چین پیشنهاد داده است. یافته‌ها نشان می‌دهد که دستیابی به سهم 100 درصدی HFC-HDT می‌تواند مصرف انرژی را در تمام مناطق 116 میلیون تن کاهش دهد، و انتشار کربن تا سال 2030 بین 68.7 تا 247 میلیون تن خواهد بود. تجزیه و تحلیل اقتصادی نشان می‌دهد که وقتی نرخ جایگزینی خودروهای هیدروژنی از 36 درصد فراتر رود، مزایای اقتصادی آن از مزایای بهبود بهره‌وری سوخت دیزل بیشتر خواهد بود. پیش‌بینی می‌شود شرق چین بالاترین تقاضای تجمعی هیدروژن را داشته باشد و به 414 میلیون تن برسد. شمال، مرکز، شرق و جنوب چین باید تا سال ۲۰۳۵ بر بهبود بهره‌وری کامیون‌های دیزلی تمرکز کنند تا هزینه‌ها و انتشار گازهای گلخانه‌ای را کنترل کنند. پس از سال ۲۰۴۰، مناطق جنوب غربی، شمال شرقی و شمال غربی باید از منابع فراوان هیدروژن سبز برای گذار تدریجی به سمت سهم بالایی از HFC-HDTها استفاده کنند. این مطالعه کاهش تدریجی انتشار گازهای گلخانه‌ای را بر اساس مواهب منابع منطقه‌ای، با ترکیب ارتقاء بهره‌وری کامیون‌های دیزلی با استقرار HFC-HDT توصیه می‌کند.

مقدمه

بخش حمل و نقل چین، به عنوان بزرگترین تولیدکننده کربن در جهان، نقشی محوری در مصرف انرژی و انتشار کربن ایفا می‌کند و 10 درصد از کل انتشار کربن در سطح ملی را به خود اختصاص می‌دهد. طبق گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، حمل و نقل جاده‌ای به تنهایی 80 درصد از کل انتشار کربن مرتبط با حمل و نقل چین را تشکیل می‌دهد [1]. با رشد سریع اقتصاد، تقاضا برای لجستیک و حمل و نقل افزایش یافته است که باعث افزایش مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای در این بخش شده است. طبق گزارش انتشار کربن داده‌های کلان حمل و نقل جاده‌ای چین، کامیون‌های سنگین (HDT) 70 درصد از حجم حمل و نقل جاده‌ای را تشکیل می‌دهند و 40 درصد از کل دی اکسید کربن مرتبط با حمل و نقل را منتشر می‌کنند [2].

استراتژی اصلی برای کاهش انتشار کربن در حمل و نقل جاده‌ای امروزی، ادغام تولید انرژی تجدیدپذیر با برق‌رسانی به خودروها است [3]. با این حال، خودروهای پیل سوختی به دلیل تقاضای بالای انرژی و برق، چالش‌های منحصر به فردی را ایجاد می‌کنند که خودروهای الکتریکی به دلیل محدودیت در ظرفیت باتری و ظرفیت بار نمی‌توانند به طور کامل آن را برآورده کنند [4،5]. از سوی دیگر، خودروهای الکتریکی پیل سوختی (FCEV) جایگزین مناسب‌تری برای خودروهای احتراق داخلی (ICEV) ارائه می‌دهند، زیرا در مقایسه با خودروهای الکتریکی، برد طولانی‌تری (بیش از 500 کیلومتر)، زمان سوخت‌گیری سریع‌تر و عملکرد بهتری در مناطق سردسیر دارند [6]. گاز طبیعی مایع (LNG) کربن کمتری نسبت به دیزل منتشر می‌کند و آن را به یک سوخت انتقالی تبدیل می‌کند، اما همچنان به منابع فسیلی وابسته است [7]. بیودیزل یک جایگزین تجدیدپذیر است، اما چالش‌های فنی، پذیرش گسترده آن را محدود می‌کند [8]. هیدروژن، به عنوان سوخت این پیل‌های سوختی، یک راه حل ایده‌آل است که راندمان تبدیل انرژی بالایی را، به ویژه در شرایط دمای پایین، ارائه می‌دهد [9].

چین بزرگترین تولیدکننده هیدروژن در جهان است و 30 درصد از تولید سالانه جهانی را به خود اختصاص می‌دهد [10]. با این حال، تولید فعلی هیدروژن این کشور در درجه اول به سوخت‌های فسیلی وابسته است، به طوری که 64 درصد از زغال سنگ، 15 درصد از گاز طبیعی، 21 درصد از محصولات جانبی صنعتی و کمتر از 1 درصد از منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین می‌شود [11]. “برنامه میان‌مدت و بلندمدت برای توسعه صنعت انرژی هیدروژن (2021-2035)” اهداف بلندپروازانه‌ای را ترسیم می‌کند، از جمله استقرار تقریباً 50،000 وسیله نقلیه پیل سوختی هیدروژنی (HFCV) تا سال 2025 و ایجاد یک سیستم جامع‌تر تأمین انرژی هیدروژن تا سال 2030 [12]. تولید هیدروژن در شمال غربی، شمال و جنوب غربی چین متمرکز است، جایی که هیدروژن خاکستری، که در درجه اول از زغال سنگ مشتق شده است، به دلیل منابع فراوان زغال سنگ منطقه غالب است [14،15]. در مقابل، منطقه شرق به عنوان بزرگترین مصرف کننده هیدروژن در حمل و نقل، بیش از 30 درصد از کل تقاضای کشور را تشکیل می‌دهد. با توجه به انتشار بالای کربن مرتبط با تولید هیدروژن از سوخت‌های فسیلی، انتظار می‌رود تولید هیدروژن از طریق الکترولیز آب با انرژی تجدیدپذیر در آینده به روش غالب تبدیل شود [14]. منابع متنوع در سراسر مناطق چین فرصت‌های متمایزی را برای توسعه انرژی هیدروژن منطقه‌ای ارائه می‌دهد. شمال غربی چین، با منابع فراوان باد و خورشید، موقعیت مناسبی برای ایفای نقش به عنوان یک قطب کلیدی برای تولید هیدروژن سبز دارد. جنوب غربی و مرکزی چین، با منابع فراوان برق آبی، از مزیت طبیعی در تولید هیدروژن تجدیدپذیر برخوردارند. جنوب و شرق چین پتانسیل تولید هیدروژن مبتنی بر انرژی هسته‌ای را دارند، در حالی که شمال و شمال شرقی چین در درجه اول برای تولید هیدروژن به انرژی باد متکی هستند [13،17].

خودروهای هیدروژنی (HDT) به دلیل وابستگی شدید به دیزل، مدت‌هاست که به عنوان یک چالش برای کربن‌زدایی بخش حمل و نقل مطرح بوده‌اند. کامیون‌های سنگین پیل سوختی هیدروژنی (HFC-HDTs)، به عنوان یک راه حل کلیدی برای دستیابی به خنثی‌سازی کربن، پتانسیل کاهش قابل توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای ارائه می‌دهند. با این حال، هزینه بالای سوخت هیدروژن همچنان مانع قابل توجهی برای استقرار گسترده آنها است [5]. این مسئله نه تنها مانع استقرار وسایل نقلیه می‌شود، بلکه فشار قابل توجهی را بر زنجیره تأمین هیدروژن وارد می‌کند و نیاز به کنترل هزینه و کارایی بهبود یافته را ضروری می‌سازد [18،19]. در زنجیره تأمین، ناکارآمدی‌های مرتبط با حمل و نقل در مسافت‌های طولانی و تلفات بالای انرژی در تحویل هیدروژن، اصل “مصرف نزدیک” را به یک استراتژی حیاتی برای کاهش هزینه‌های هیدروژن تبدیل می‌کند [20]. با توجه به این موضوع، این مقاله مسیرهای جایگزین برای HFC-HDTها را با در نظر گرفتن مواهب منابع منطقه‌ای، برای بهینه‌سازی ساختارهای مصرف هیدروژن و به حداقل رساندن هزینه‌ها در عین رعایت محدودیت‌های انتشار کربن بررسی می‌کند. هدف، ارائه مبنای علمی و پشتیبانی تصمیم‌گیری برای توسعه سیستم‌های انرژی هیدروژن کم‌کربن منطقه‌ای است.

هیدروژن به عنوان یک سوخت کلیدی کم کربن در صنعت هوانوردی، کشتیرانی و حمل و نقل جاده‌ای در حال ظهور است و پتانسیل قابل توجهی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دارد [21]. در صنعت کشتیرانی، آتیلهان و همکاران [22] روش‌های مختلف تولید هیدروژن را از دیدگاه‌های اقتصادی، فناوری و زیست‌محیطی ارزیابی کردند و دریافتند که هیدروژن سبز می‌تواند به کاهش 70 درصدی انتشار کربن تا سال 2050 کمک کند. تجزیه و تحلیل بیشتر توسط الخالدی و همکاران [23] نشان داد که علیرغم چالش‌های اقتصادی، تانکرهای هیدروژن مایع می‌توانند هزینه‌های سرمایه‌ای را ظرف شش سال بازیابی کنند و این امر امکان‌سنجی مالی آنها را برجسته می‌کند. در هوانوردی، میلر و همکاران [24] چرخه عمر انتشار کربن سوخت‌های هوایی مبتنی بر هیدروژن را ارزیابی کردند، در حالی که اسمیت و همکاران [25] یک مدل جامع برای مقایسه هواپیماهای هیدروژن مایع با سایر فناوری‌های هوانوردی کم انتشار توسعه دادند. حمل و نقل جاده‌ای تحقیقات گسترده‌تری در مورد کاربردهای هیدروژن، به ویژه در وسایل نقلیه مسافربری، اتوبوس‌ها، حمل و نقل ریلی و HDTها [26] داشته است. کریشنان و همکاران [27] یک مدل شبکه هیدروژنی برای بازار خودروهای سبک ایالات متحده ساختند. برای حمل و نقل عمومی، مونوز و همکاران [28] پیش‌بینی کردند که اتوبوس‌های پیل سوختی هیدروژنی می‌توانند تا سال 2027 به مقرون به صرفه‌ترین گزینه در شهرهای آرژانتین تبدیل شوند. برای حمل و نقل ریلی، هرناندز و همکاران [29] دریافتند که لوکوموتیوهای هیدروژنی از نظر پایداری و اقتصادی، به ویژه با در نظر گرفتن هزینه‌های تأخیر در شارژ، از جایگزین‌های باتری-الکتریکی بهتر عمل می‌کنند. در میان روش‌های حمل و نقل جاده‌ای، HDTها به دلیل انتشار بالای کربن و مصرف سوخت، تمرکز اصلی برای پذیرش سوخت هیدروژنی هستند. مطالعات نشان می‌دهد که استقرار گسترده HFC-HDTها برای دستیابی به کربن‌زدایی عمیق تا سال 2050 ضروری است [5،30]. یان و همکاران [31] از مدل GREET برای ارزیابی خودروهای تجاری پیل سوختی هیدروژنی در چین استفاده کردند و بر لزوم اولویت‌بندی استقرار HDT تأکید کردند. به طور مشابه، خانا و همکاران [30] استراتژی‌های کربن‌زدایی را برای HDTها مدل‌سازی کردند و نتیجه گرفتند که HFCVها برای دستیابی به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در درازمدت در بخش HDT ضروری هستند.

اگرچه HFC-HDTها به طور فزاینده‌ای به دلیل نقششان در کربن‌زدایی حمل و نقل شناخته می‌شوند، تحقیقات در مورد استقرار آنها همچنان محدود است و عمدتاً بر تجزیه و تحلیل در سطح ملی متمرکز است. ال هاناچ و همکارانش [32] از رویکرد ارزیابی چرخه عمر (LCA) برای ارزیابی اثرات زیست‌محیطی و اقتصادی جایگزینی HDTهای دیزلی با HFC-HDTها در کانادا استفاده کردند. به طور مشابه [5]، پذیرش HFC-HDT را از دیدگاه یارانه‌ها و مزایای زیست‌محیطی بررسی کردند و دوام و بهبود بهره‌وری سوخت را به عنوان عوامل کلیدی در کاهش هزینه برجسته کردند. با این حال، این مطالعات تفاوت‌های منطقه‌ای را که برای سیاست‌گذاری و اجرای مؤثر حیاتی هستند، نادیده می‌گیرند. در چین، تغییرات در منابع انرژی، توسعه اقتصادی و تقاضای بار، مسیرهای پذیرش متمایزی را برای HFC-HDTها در مناطق مختلف ایجاد می‌کند [33]. بنابراین، یک رویکرد منطقه‌ای برای ارزیابی دقیق امکان‌سنجی و اثربخشی استقرار HFC-HDT ضروری است و تضمین می‌کند که استراتژی‌ها متناسب با شرایط محلی هستند.

LCA به طور فزاینده‌ای برای ارزیابی زیست‌پذیری زیست‌محیطی و اقتصادی HFC-HDTها مورد استفاده قرار گرفته است و پایه و اساس جامعی را برای تصمیم‌گیری در گذار به حمل و نقل بار کم کربن فراهم می‌کند [34،35]. به عنوان مثال، ولف و همکاران [36] یک تجزیه و تحلیل مبتنی بر LCA از HFC-HDTها انجام دادند و دریافتند که آنها می‌توانند پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) را 66 تا 86 درصد کاهش دهند. ژانگ و همکاران [7] سوخت‌های جایگزین مختلفی را برای HDTها با استفاده از رویکرد LCA از چاه تا چرخ (WTW) همراه با تجزیه و تحلیل کل هزینه مالکیت (TCO) ارزیابی کردند. به طور مشابه، شو و همکاران [37] مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) HFC-HDTها را در چین بررسی کردند و نتیجه گرفتند که از سال 2030 تا 2050، HFC-HDTها مزایای کاهش کربن بیشتری نسبت به سایر سوخت‌های جایگزین ارائه خواهند داد. مطالعات ذکر شده در بالا محدود به ارزیابی دو بعدی هستند و هنوز HFC-HDT ها را از منظر جامع‌تری به طور کامل بررسی نمی‌کنند. در تحقیقات خودروهای با سوخت جایگزین، چارچوب 3E (مصرف انرژی، تأثیر زیست‌محیطی و اقتصاد) با ارزیابی همزمان بهره‌وری انرژی، انتشار کربن و ساختار هزینه، ارزیابی جامع‌تری را امکان‌پذیر می‌کند و بینش‌های ارزشمندی را برای سیاست‌گذاری و توسعه صنعت ارائه می‌دهد [38]. بنابراین، ادغام LCA با چارچوب 3E برای ارزیابی کامل HFC-HDT ها بسیار مهم است.

بر این اساس، این مقاله به طور سیستماتیک مزایای انرژی، زیست‌محیطی و اقتصادی مسیرهای نرخ جایگزین مختلف HFC-HDTs را در مناطق مختلف بر اساس LCA ارزیابی می‌کند. سهم اصلی این مطالعه به شرح زیر است.

(1). استراتژی کاهش انتشار منطقه‌ای برای جایگزین HFC-HDT: این مقاله تجزیه و تحلیل عمیقی از مسیرهای جایگزین HFC-HDTs از دیدگاه منطقه‌ای ارائه می‌دهد. این مقاله یک استراتژی توسعه اقتصادی کم کربن را پیشنهاد می‌کند که سطح اقتصادی، تقاضای حمل و نقل بار و منابع خاص هر منطقه را در نظر می‌گیرد.

(2). یک چارچوب 3E-LCA برای HDTs ایجاد کرد: بر اساس WTW، یک چارچوب تجزیه و تحلیل جامع برای انرژی، محیط زیست و اقتصاد HDTs ساخته شده است که از تولید سوخت تا کارکرد خودرو را پوشش می‌دهد.

(3). ساختار منطقه‌ای تولید هیدروژن و استراتژی ارتقاء فناوری سوخت: این مقاله یک تحلیل جامع هزینه-فایده ارائه می‌دهد و یک مسیر توسعه کم‌کربن را پیشنهاد می‌دهد که جایگزین HFCV را با بهبود بهره‌وری انرژی دیزل از سال ۲۰۲۲ تا ۲۰۶۰ ترکیب می‌کند. همچنین ساختار تقاضای منطقه‌ای بهینه را برای هر یک از ۱۰ روش تولید هیدروژن تعریف می‌کند و راه‌حل‌های متناسب با آن را برای ارتقاء فناوری سوخت ارائه می‌دهد. (منبع).