![[09127409082]](https://barast.com/wp-content/uploads/2021/01/newlogo.png){kind=small}
تحلیل فنی-اقتصادی ایستگاههای سوختگیری هیدروژن و شارژ سریع الکتریکی: تأثیر بر رقابتپذیری هزینهای کامیونهای بدون آلایندگی
کامیونهای برقی پیل سوختی هیدروژنی و کامیونهای برقی باتریدار میتوانند به طور قابل توجهی به کربنزدایی بخش حمل و نقل وسایل نقلیه سنگین کمک کنند. با این وجود، کمبود ایستگاههای سوختگیری هیدروژن و شارژ سریع میتواند مانعی برای توسعه وسایل نقلیه با انتشار صفر باشد. هدف این کار ارائه یک تحلیل فنی-اقتصادی با هدف مقایسه هزینههای سوختگیری هیدروژن و شارژ الکتریکی و ارزیابی تأثیرات آنها بر کل هزینه مالکیت کامیونهای با انتشار صفر است. بنابراین، یک تحلیل جامع بر روی ایستگاههای سوختگیری هیدروژن فشرده (C-H2)، فشردهسازی برودتی و زیرسرد خارج از سایت، همراه با یک ایستگاه شارژ سریع انجام شده است. هزینههای تراز شده حاصل از هیدروژن و شارژ در تحلیل کل هزینه مالکیت گنجانده شده است. بنابراین، نشان داده شده است که کامیونهای برقی باتریدار نسبت به کامیونهای برقی پیل سوختی هیدروژنی مقرون به صرفهتر هستند. یافتههای این مطالعه نشان میدهد که هزینههای مرتبط با شارژ الکتریکی و سوختگیری هیدروژن قابل مقایسه هستند و سودآوری اقتصادی به تعدادی از متغیرهای فنی-اقتصادی بستگی دارد. بنابراین، نمیتوان از قبل تعیین کرد که آیا یک راهحل از نظر اقتصادی رقابتیتر از دیگری است یا خیر. یک زیرساخت ترکیبی میتواند فرصتی برای کربنزدایی بخش حمل و نقل باشد، به طوری که شارژ الکتریکی و سوختگیری هیدروژن متقابلاً منحصر به فرد نباشند.
مقدمه
با هدف کاهش وابستگی انرژی اتحادیه اروپا و دستیابی به بیطرفی اقلیمی تا سال 2050، اتحادیه اروپا طرح REPowerEU و بسته “Fit for 55” را راهاندازی کرده است. هر دو طرح، اهدافی را برای کربنزدایی سیستمهای اتحادیه اروپا تعیین کردهاند. کربنزدایی بخش حمل و نقل برای دستیابی به اهداف بلندپروازانه کربنزدایی بسیار مهم است. در واقع، حمل و نقل جادهای مسئول بیش از دو سوم کل انتشار NOx در اتحادیه اروپا و حدود 10 درصد از سایر آلایندههای اصلی به استثنای SOx است. به ویژه، وسایل نقلیه سنگین (HDV)، از جمله کامیونها، اتوبوسهای شهری و اتوبوسهای بین شهری، بیش از یک چهارم کل آلودگی بخش حمل و نقل را تشکیل میدهند. به دلیل وابستگی شدید آنها به سوختهای فسیلی و به دلیل افزایش مداوم فعالیت حمل و نقل جادهای، کامیونهای حمل و نقل طولانی از جمله چالش برانگیزترین HDVها برای کربنزدایی هستند. واضح است که کاهش انتشار گازهای خروجی از اگزوز خودروهای سنگین برای دستیابی به کاهش انتشار گازهای گلخانهای کافی نیست. علیرغم استانداردهای جدید CO2 اتحادیه اروپا که برای کامیونهای احتراق داخلی فعلی (ICE-T) تنظیم شده است، سبز شدن بخش حمل و نقل را میتوان با کامیونهای بدون انتشار (ZETs)، مانند کامیونهای برقی باتریدار (BETs) و کامیونهای برقی پیل سوختی هیدروژنی (HFCETs) انجام داد. این فناوریها بسیار شناخته شده هستند و علاوه بر انتشار گازهای گلخانهای، مزایای متعددی نسبت به خودروهای احتراق داخلی با سوخت دیزل دارند. در واقع، سیستم انتقال قدرت BEVها به لطف کاهش تلفات حرارتی، از راندمان انرژی بالاتری نسبت به موتورهای احتراق داخلی برخوردارند. علاوه بر این، ماهیت برگشتپذیر منبع تغذیه و راندمان باتریهای لیتیوم-یون، همراه با بازیابی انرژی ترمز، امکان کاهش مصرف کلی انرژی BEVها را در مقایسه با کامیونهای دیزلی معمولی فراهم میکند. با این حال، کامیونهای مسافت طولانی برای تضمین برد رانندگی کافی به ذخیرهسازی انرژی بالایی نیاز دارند که این امر باعث افزایش جرم باتری و کاهش حجم بار موجود در خودرو میشود و هزینههای BETها و سطح مصرف انرژی آنها را افزایش میدهد.
چگالی انرژی ویژه بالا و راندمان انرژی مطلوب پیلهای سوختی، آنها را به یک بازیگر مهم در کربنزدایی حمل و نقل جادهای طولانی تبدیل میکند. با این وجود، به دلیل چگالی حجمی پایین، هیدروژن گازی ذخیره شده در سیلندرهای خودرو باید به ترتیب برای وسایل نقلیه سنگین و سبک تا 35 مگاپاسکال (مخازن نوع III) و 70 مگاپاسکال (مخازن نوع IV) فشرده شود . علاوه بر هیدروژن گازی فشرده، FCEVها میتوانند در شرایط برودتی با H2 مایع نیز سوختگیری شوند . به دلیل چگالی حجمی بالاتر آن نسبت به H2 گازی، هیدروژن مایع را میتوان با فشار کمتری تأمین کرد که مصرف انرژی کمتری را در طول فرآیندهای پمپاژ و توزیع تضمین میکند . با این وجود، فرآیند مایعسازی با شدت انرژی بالا مشخص میشود . بنابراین، کامیونهای هیدروژنی به لطف مخازن سیلندر خودروها، از برد رانندگی وسیع در فضای کمتر و وزن کمتری بهرهمند میشوند. حروف به همراه هیدریدهای فلزی، گزینههای ذخیرهسازی مورد بررسی برای FCEVها هستند .
تفاوت اصلی بین HRS های مستقر در محل و دور از دسترس در منبع تأمین هیدروژن نهفته است. در واقع، نوع HRS قبلی شامل یک الکترولیزور است که با انرژی تجدیدپذیر یا انرژی شبکه برای تولید هیدروژن یا اصلاح متان بخار تغذیه میشود. از سوی دیگر، HRS های خارج از محل شامل یک دریچه دریافت برای تأمین H2 از طریق خطوط لوله و تریلرهای لولهای هستند. در نتیجه پیکربندیهای متفاوت، دو نوع ایستگاه از نظر ابعاد با هم متفاوت هستند. ظرفیتهای HRS مستقر در محل توسط فناوریهای تولید هیدروژن محدود میشوند. اندازه HRS مستقر در محل به تقاضای سوختگیری پیشبینیشده همراه با متغیرهای ترموفیزیکی بستگی دارد. تفاوتهای بیشتری نیز بین HRS های خارج از محل مشهود است. تمایزات اصلی را میتوان به خواص ترموفیزیکی متفاوت هیدروژن تأمینشده و سوختگیریشده نسبت داد که در نتیجه بر پیکربندی ایستگاه، مساحت آن، مصرف انرژی و هزینههای مرتبط تأثیر میگذارد. بنابراین، یک تحلیل جامع بر روی سه ایستگاه سوختگیری هیدروژن خارج از سایت مجزا انجام شده است: ایستگاههای سوختگیری هیدروژن فشرده، فشرده در حالت انجماد و زیرسرد.
تحلیلی که در مطالعهی مرجع انجام شد، تحلیل اقتصادی HRSها را تحت چهار حالت عملیاتی پیشبینی میکرد: تولید هیدروژن در محل، تولید خارج از محل با حمل و نقل خط لوله، تولید خارج از محل با تریلر لولهای و تولید خارج از محل با تانکر هیدروژن مایع، که ثابت میکند ایستگاه خارج از محل که با خط لوله تغذیه میشود، اقتصادیترین حالت عملیاتی است. با این حال، پیکربندی ایستگاه سوختگیری هیدروژن فشرده کرایو و همچنین تأثیر نرخ استفاده از HRS بر هزینههای سوختگیری هیدروژن حاصل، در نظر گرفته نشده است. علاوه بر این، مورد دوم در تحلیل هزینه کل مالکیت لحاظ نشده است.
وان و همکارانش مسئله برنامهریزی شارژ کامیونهای مسافت طولانی را با در نظر گرفتن انعطافپذیری زمان و انرژی و با استفاده از سه فناوری شارژ: سرویس شارژ معمولی، شارژ با توان بالا و ایستگاههای شارژ مگاواتی، با استفاده از هزینههای فناوری شارژ به ترتیب: 0.123 یورو بر کیلووات ساعت، 0.192 یورو بر کیلووات ساعت و 0.475 یورو بر کیلووات ساعت، ارزیابی کردند. اشنایدر و همکارانش تأثیر استاندارد جدید سیستم شارژ مگاواتی را بر اندازه باتری مورد نیاز BETها بررسی کردند و ثابت کردند که توانهای شارژ بالاتر تنها در صورت استفاده از استراتژیهای چند مرحلهای از نظر کوچکسازی باتری مفید هستند و حداکثر توان شارژ 3.75 مگاوات در استاندارد MCS برای کاربرد کامیونهای مسافت طولانی بیش از حد بزرگ است.
در اینجا نویسندگان یک روش پیشبینی مبتنی بر شبکه عصبی فازی و الگوریتم بهینهسازی ازدحام ذرات بهبود یافته با متغیر با زمان ارائه دادهاند. چندین مطالعه دیگر مربوط به ایستگاههای شارژ سریع یا ایستگاههای شارژ مگاواتی مربوط به برنامهریزی مکانی و شبکه هستند. با این حال، هیچ یک از آنها هزینههای تراز شده حاصل از دریافت هزینه را تعریف نمیکنند. و همچنین، هیچ یک از آنها اثرات نرخ بهرهبرداری بر LCOC نهایی را در نظر نمیگیرند.
بنابراین، هم BET و هم FCET میتوانند برای سبزسازی بخش حمل و نقل محوری باشند، اما اجرای موفقیتآمیز ZEVها در بازار انبوه اروپا به گسترش سریع و پایدار زیرساختهای سوختگیری و شارژ مجدد، تأسیسات تولید کامیون و زنجیرههای تأمین مرتبط با آنها بستگی دارد.
هدف این کار ارائه یک مقایسه فنی-اقتصادی بین سه HRS مختلف خارج از سایت و یک استخر شارژ سریع برای نوسازی کامیونهای پیل سوختی و الکتریکی باتریدار است. علاوه بر این، هزینههای سوختگیری و شارژ مجدد برای ارزیابی و مقایسه کل هزینه مالکیت ZEVها و ICE-T با سوخت دیزل (ICE-DT) لحاظ شده است.
در سالهای اخیر، چندین کار تحقیقاتی به مسائل کلیدی پیرامون انتشار BETها و FCETها پرداختهاند، با تمرکز ویژه بر جنبههای مربوط به وسایل نقلیه، فرآیندهای سوختگیری و شارژ مجدد و زیرساختهای لازم. در تحقیق مرجع [35] وانگ و همکارانش، تأثیر تخریب باتری و مالیات کربن بر هزینه مالکیت کامیونهای دیزلی، BETها و FCETها را ارزیابی کردند. پس از حدس هزینه تراز شده هیدروژن (LCOH) 2.5 پوند بر کیلوگرم، نویسندگان اظهار داشتند که کل هزینه مالکیت (TCO) خودروهای برقی (BEV) و FCEVها به ترتیب 11 تا 33 درصد و 37 تا 78 درصد بیشتر از ICEVها است. فرارا و همکارانش، اثرات طراحی بهینه از نظر هزینه و مدیریت انرژی را بر TCO نهایی کامیونهای برقی پیل سوختی، با فرض LCOH 6 دلار بر کیلوگرم، تجزیه و تحلیل کردند.
میو و همکارانش مسیرهای تولید هیدروژن را در محاسبه هزینه کل مالکیت کامیونهای برقی پیل سوختی هیدروژنی لحاظ میکنند. یافتههای اصلی ثابت کرد که هیدروژن سبز، علاوه بر پایداری زیستمحیطی، عملکرد انرژی بسیار خوبی را نشان میدهد. دادههای مربوط به LCOH نشان میدهد که وقتی هیدروژن در سطح محلی تولید میشود، هیدروژن سبز در مقایسه با هیدروژن آبی از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه است.
دانیلیس و همکارانش، مروری بر برآوردهای هزینه کل مالکیت HFCETها نسبت به معادلهای دیزلی آنها را انجام دادند و نتیجه گرفتند که هنوز عدم قطعیت زیادی در مورد قیمت خرید کامیونهای هیدروژنی و هزینه هیدروژن وجود دارد که قابلیت اطمینان نتایج را مختل میکند.
مطالعهای که توسط همکاری H2Accelerate [38] گزارش شده است، تحلیلی از TCO برای کامیونهای پیل سوختی و دیزلی در طول زمان را پیشبینی میکند. این ارزیابی با در نظر گرفتن ارزشهای فنی-اقتصادی کامیونها و در نظر گرفتن برخی فرضیات در مورد هزینههای سوخت انجام شده است. این مطالعه نشان میدهد که TCO کامیونهای پیل سوختی پیل سوختی (FCET) در مراحل اولیه و در فازهای کامل صنعتیسازی، به ترتیب بین 1.6 تا 0.8 یورو در هر کیلومتر متغیر است. TCO کامیونهای دیزلی میتواند در همان افق زمانی تا 30 درصد افزایش یابد. شورای بینالمللی حمل و نقل پاک، با حدس زدن هزینههای H2 و برق برای انجام تجزیه و تحلیل TCO، مقایسهای از TCO بین کامیونهای دیزلی، BETها و FCETها انجام داده است. TCO به شدت تحت تأثیر هزینههای سوخت قرار دارد و فرضیات سادهانگارانه میتوانند TCO حاصل را به طور قابل توجهی تغییر دهند.
در این کار، یک تحلیل دقیق با در نظر گرفتن یک FCS و ۳ HRS خارج از سایت با خواص ترموفیزیکی هیدروژن مختلف انجام شده است. اکثر مطالعات فقط فرضیات هزینههای H2 فشرده را در نظر میگیرند. تنها تعداد محدودی از مطالعات، HRS های گازی فشرده شده با کرایو را بررسی کردهاند و تعداد کمتری HRS های زیر خنک شده را بررسی کردهاند. هدف این مطالعه، پر کردن این شکاف در ادبیات با ارائه یک تحلیل جامع فنی-اقتصادی از ایستگاههای تکی است. به طور مشابه، هزینههای تراز شده شارژ نیز مورد بررسی قرار گرفته است. سپس، یک مقایسه دقیق TCO بین کامیونهای دیزلی معمولی و ZET ها انجام شده است.
این مطالعه چندین نوآوری در زمینه زیرساختهای انرژی برای حمل و نقل با انتشار صفر ارائه میدهد. بررسی جامعی از سه مفهوم متمایز ایستگاه سوختگیری هیدروژن خارج از سایت، با تمرکز ویژه بر فناوریهای هیدروژن فشرده کرایو و زیرسرد، انجام شده است. همزمان، اندازهگیری فنی-اقتصادی یک ایستگاه شارژ سریع معادل برای کامیونهای برقی باتریدار انجام میشود. این تحلیل همچنین بررسی میکند که چگونه نرخ استفاده از هر نوع ایستگاه بر هزینه تراز شده حاصل از هیدروژن و هزینه تراز شده شارژ تأثیر میگذارد. به منظور امکان مقایسه مستقیم بین سوختگیری هیدروژن و شارژ برقی، یک پارامتر جدید معرفی شده است: هزینه تراز شده کیلومتر، که امکان معیارگذاری اقتصادی سازگار را فراهم میکند. در نهایت، این تحقیق مقادیر تجربی LCOH و LCOC را در ارزیابی کل هزینه مالکیت برای HFCETها و BETها لحاظ میکند و در نتیجه واقعگرایی و ارتباط سیاستی تحلیل مقایسهای را افزایش میدهد.
هدف از این مطالعه، ارائه کمک به شرکت خصوصی در مرحله گذار است، با این هدف که آن را قادر سازد تا مقرون به صرفهترین تصمیم را در مورد پذیرش ناوگان کامیون جدید اتخاذ کند. تحلیل زیرساخت ارائه شده برای HRSها و FCSهای خارج از سایت در این کار با هدف ارائه بینشهایی در مورد چالشهای حل نشده، مانند مقیاسپذیری یا نابرابریهای زیرساخت منطقهای مربوط به ایستگاههای سوختگیری هیدروژن و شارژ سریع، انجام شده است. به منظور ارائه بینش به سیاستگذاران در این زمینه، بحث و تحلیلی در مورد نقطه سر به سر LCOkm و TCO بین ZETها و کامیونهای دیزلی ارائه شده است. (منبع).