از دیزل به الکتریکی: پتانسیل گذار کامیون‌های باربری در جنوب کالیفرنیا

کامیون‌های باربری برقی باتری‌دار (BEDT) فرصتی برای کربن‌زدایی ناوگان‌های باربری ارائه می‌دهند. این مقاله پتانسیل BEDTها را با استفاده از داده‌های مربوط به ۱۰۵۱ کامیون باربری در جنوب کالیفرنیا تجزیه و تحلیل می‌کند. روشی برای ارزیابی نیازهای انرژی و شارژر در ناوگان‌های تک‌نفره، کوچک و بزرگ توسعه داده شده است. این مطالعه کسری از کامیون‌هایی را که می‌توانند با استفاده از اندازه باتری از ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلووات ساعت برقی شوند، ارزیابی می‌کند. تجزیه و تحلیل ما نشان می‌دهد که با افزایش اندازه باتری و شارژ خارج از محل، عدم قطعیت‌های کمتری برای برقی‌سازی ناوگان وجود دارد. با ترکیب یک باتری ۸۰۰ کیلووات ساعتی با شارژ انبار و خارج از محل با استفاده از شارژرهای ۳۵۰ کیلوواتی، تقریباً ۹۵٪ از کامیون‌های باربری دیزلی را می‌توان برقی کرد. با این حال، ناوگان‌های تک‌نفره کمترین عملکرد را نشان می‌دهند و از طریق شارژ خارج از محل، پیشرفت‌های قابل توجهی را تجربه می‌کنند. مکان‌های ترجیحی برای شارژرهای انبار و خارج از محل در نزدیکی بنادر لانگ بیچ و لس‌آنجلس و شهر انتاریو شناسایی شده‌اند. این نتایج راهنمایی‌های ضروری برای برقی‌سازی کامیون‌های باربری ارائه می‌دهند.

مقدمه

کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) در بخش حمل و نقل برای کاهش اثرات تغییرات اقلیمی قابل توجه است. حمل و نقل بزرگترین منبع (28٪) انتشار گازهای گلخانه‌ای انسانی ایالات متحده در سال 2022 بود. در حالی که کامیون‌های متوسط و سنگین تنها 5٪ از وسایل نقلیه ایالات متحده را تشکیل می‌دهند، تقریباً 24٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با حمل و نقل را تولید می‌کنند. بخش حمل و نقل بزرگترین منبع (40.1٪) انتشار گازهای گلخانه‌ای در کالیفرنیا است، جایی که کامیون‌های سنگین 8.4٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای را تشکیل می‌دهند. کالیفرنیا اهداف اقلیمی بلندپروازانه‌ای را برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای تا 40٪ تا سال 2030 و 80٪ تا سال 2050 تعیین کرده است. برقی کردن کامیون‌های سنگین گامی مهم برای دستیابی به این اهداف است. برای این منظور، هیئت منابع هوایی کالیفرنیا (CARB) در ژوئن 2020 قانون حمل و نقل پاک پیشرفته (ACT) را تدوین کرد که ناوگان‌های تجاری سنگین را موظف می‌کرد تا سال 2045 به خودروهای بدون آلایندگی (ZEV) تبدیل شوند و جدول زمانی برای رسیدن به آستانه‌های بازار خودروهای سنگین ZEV تعیین کرد. پس از مقررات اخیر ، 14 ایالت دیگر و ناحیه کلمبیا تفاهم‌نامه‌ای را امضا کردند که هدف آن تعیین 30 درصد از فروش خودروهای جدید متوسط و سنگین تا سال 2030 به خودروهای ZEV و هدف نهایی 100 درصد تا سال 2050 بود. این حمایت سیاسی و کاهش هزینه‌های باتری، مطالعات اخیر را بر آن داشته است تا فرصت‌های کاربرد کامیون‌های برقی سنگین (HDETs) را بررسی کنند.

با توجه به اینکه کالیفرنیا از منابع انرژی تجدیدپذیر بیشتری برای تولید برق استفاده خواهد کرد و هدفی را برای اطمینان از تجدیدپذیر بودن حداقل ۶۰٪ برق تا سال ۲۰۳۰ و دستیابی به برق بدون کربن تا سال ۲۰۴۵ تعیین کرده است، فرصت استقرار HDETها در عملیات سنگین، گزینه جذابی برای دستیابی به اهداف کاهش گازهای گلخانه‌ای کالیفرنیا است. تلاش‌های اولیه برق‌رسانی بر ناوگان‌های با اولویت بالا که برای این گذار مناسب‌تر هستند، متمرکز خواهد بود. ناوگان کامیون‌های باربری که کالاها را بین بنادر و تأسیسات حمل و نقل، انبارداری و سایر نقاط سیستم توزیع جابجا می‌کنند، یکی از اولین مشاغل سنگین است که شاهد استقرار آزمایشی ZEV بوده و پتانسیل قابل توجهی برای کاهش گازهای گلخانه‌ای در کالیفرنیا ارائه می‌دهد.

مجتمع بنادر خلیج سن پدرو (SPBP) بزرگترین سیستم بندری در کالیفرنیا و ایالات متحده است که شامل بندر لس‌آنجلس (POLA) و بندر لانگ بیچ (POLB) می‌شود و حدود ۴۰٪ از واردات کانتینرهای حمل و نقل ایالات متحده و به ترتیب ۳۱٪ و ۷۴٪ از سهم بازار در ایالات متحده و ساحل غربی را به خود اختصاص می‌دهد. این دو بندر در کنار هم بزرگترین تولیدکننده آلودگی ثابت در جنوب کالیفرنیا هستند. کامیون‌های باربری سنگین نقش مهمی ایفا می‌کنند، به طوری که هر بندر بیش از ۱۷۰۰۰ کامیون باربری سنگین را برای حمل اکثر محموله‌ها بین بنادر، راه‌آهن‌ها و انبارها ثبت کرده است. این فعالیت‌های باربری بیشترین سهم را در انتشار گازهای گلخانه‌ای مرتبط با بندر دارند و طبق موجودی‌های POLA و POLB تقریباً ۴۰٪ از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای در سراسر SPBP را تشکیل می‌دهند.

در نتیجه، ایالت کالیفرنیا، انتقال کامیون‌های باربری به فناوری ZEV را به عنوان هدف اصلی سیاست‌گذاری برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای تعیین کرده و تا سال ۲۰۳۵، یعنی ۱۰ سال زودتر از سایر ناوگان‌های تجاری سنگین، استفاده از ۱۰۰٪ ZEVها را در باربری اجباری کرده است. نتایج یک نظرسنجی در سال ۲۰۲۰ توسط SPBP به عنوان بخشی از طرح اقدام هوای پاک آنها نشان داد که BEVها در بین فناوری‌های مختلف ZEV، ارجح‌ترین گزینه فناوری هستند و در صورت وجود پیشرانه‌های هیبریدی، به عنوان انتخاب برتر برای ۳۵٪ از ناوگان‌ها شناخته می‌شوند. کامیون‌های باربری برقی باتری‌دار (BEDT) به دلیل چرخه‌های کاری روزانه معمولاً منظم خود که در یک محل انبار مستقر هستند و با الگوهای روزانه مسافت پیموده شده توسط وسیله نقلیه (VMT) که اغلب با بردهای ارائه شده توسط باتری‌ها سازگار است، به عنوان بالقوه قابل دوام شناخته شدند.

مطالعات اخیر که عوامل مؤثر بر پذیرش خودروهای سوخت جایگزین (AFV) را در اندازه‌های طبقه‌بندی‌شده ناوگان کامیون بررسی می‌کنند، عمدتاً بر ناوگان‌های سنگین عمومی متمرکز بوده‌اند و عمدتاً بر تحلیل‌های کیفی مبتنی بر داده‌های نظرسنجی متکی بوده‌اند. با این حال، این مطالعات به طور خاص به ناوگان‌های باربری نپرداخته‌اند و همچنین پتانسیل عملیات مشاهده‌شده را به طور کامل بررسی نکرده‌اند. با توجه به اهمیت ZEV برای ناوگان‌های باربری و تحقیقات محدود در این زمینه، این مقاله با هدف تعیین کمیت پتانسیل BEDTها برای ناوگان‌های باربری و بررسی چگونگی تغییر آن در دسته‌های مختلف اندازه ناوگان انجام شده است. سوالات تحقیقاتی زیر در این مطالعه بررسی خواهد شد.

1. چه نسبتی از عملیات کامیون‌های باربری دیزلی و کامیون‌ها را می‌توان با BEDTها برای اندازه‌های مختلف باتری و دسته‌های مختلف اندازه ناوگان برآورده کرد؟

2. مکان‌های ترجیحی برای نصب شارژرها کدامند؟

3. شارژ خارج از سایت چگونه بر امکان‌سنجی BEDTها برای اندازه‌های مختلف ناوگان تأثیر می‌گذارد؟

برای پرداختن به این سؤالات، این مطالعه چندین سهم کلیدی در ادبیات فعلی دارد. اول، بر الزامات عملیاتی مشتق‌شده از رفتار مشاهده‌شده با استفاده از یک مجموعه داده بزرگ دنیای واقعی تمرکز می‌کند و یک رویکرد جدید برای تعیین کمیت امکان‌سنجی BEDTها اعمال می‌کند. این تجزیه و تحلیل از داده‌های تله‌متری توقف به دست آمده از ناوگان‌های دیزلی مرسوم فعال در جنوب کالیفرنیا برای شناسایی تورهای کامیون (به عنوان توالی توقف‌ها)، مکان‌های ایستگاه (به عنوان رایج‌ترین پایانه تورها برای یک کامیون) و ناوگان‌ها (به عنوان مجموعه‌ای از کامیون‌های فعال از یک ایستگاه) استفاده می‌کند. دوم، این مطالعه با تعیین پیکربندی‌های شارژ مورد نیاز که برای برآورده کردن برنامه‌های شارژ تعیین‌شده توسط یک استراتژی شارژ هوشمند مورد نیاز است، سه دسته اندازه ناوگان را بررسی می‌کند. این رویکرد درک دقیق‌تری از امکان‌سنجی BEDTها در اندازه‌های مختلف ناوگان ارائه می‌دهد. سوم، از یافته‌ها برای بررسی امکان‌سنجی دو سناریوی شارژ استفاده می‌شود: شارژ ایستگاه و شارژ خارج از سایت. این مطالعه همچنین به بررسی تقاضای انرژی، پیکربندی اندازه باتری و روشی برای فرموله کردن پیکربندی شارژرها برای ارزیابی پتانسیل BEDTها بر اساس دسته‌های مختلف اندازه ناوگان می‌پردازد. چارچوب پیشنهادی در این مطالعه همچنین می‌تواند برای سایر ناوگان‌ها و در سایر مناطق بندری تطبیق داده شود تا عملکرد BEDTها درک شود.

جای تعجب نیست که خودروهای برقی سبک تا به امروز شاهد استقرار سریع‌تری بوده‌اند و بیشتر تحقیقات بر مطالعه زیرساخت‌های شارژ و تقاضای انرژی خودرو برای بخش خودروهای سبک متمرکز بوده است. به طور کلی، استقرار خودروهای برقی برای خودروهای سنگین به دلیل محدودیت‌های برد فناوری باتری فعلی، چالش برانگیزتر از خودروهای سبک است. با این حال، پیشرفت‌های عملکردی در فناوری باتری ممکن است به این معنی باشد که خودروهای برقی به زودی می‌توانند برای بسیاری از کاربردهای سنگین مناسب باشند.

تعداد نسبتاً کمی از محققان، امکان‌سنجی خودروهای برقی سنگین (BEV) را از چندین منظر بررسی کرده‌اند، از جمله: ساده‌سازی سوخت‌گیری با استفاده از شارژ شبانه، محاسبه تقاضای انرژی مبتنی بر سفر، و تجزیه و تحلیل امکان‌سنجی عملیات BEV برای ناوگان‌های کوچک. به عنوان مثال، کابوکوگلو و همکارانش، امکان‌سنجی BEV را در ناوگان‌های سنگین سوئیس برای کاربردهای حمل و نقل در سراسر کشور کمّی کردند و دریافتند که تنها 6 تا 19 درصد از کامیون‌های سنگین را می‌توان با استفاده از شارژ مبتنی بر ایستگاه با قدرت شارژ شبانه 50 کیلووات، برقی کرد. تانگ و همکارانش، برقی‌سازی کامیون‌های مسافت طولانی در ایالات متحده را بر اساس مصرف انرژی مبتنی بر سفر مورد بحث قرار دادند، اما حرکات مبتنی بر تور کامیون را در نظر نگرفتند. فارست و همکارانش، امکان‌سنجی BEV را برای بخش‌های متوسط و سنگین کالیفرنیا بر اساس داده‌های نظرسنجی برای سفرها تخمین زدند، که فاقد اطلاعات دقیق در مورد حرکات و تورهای کامیون بود. برنان و همکارانش، پتانسیل HDET های مسافت کوتاه و تأثیرات آنها بر سیستم‌های توزیع برق را با سه ناوگان دنیای واقعی بررسی کردند، که فرض می‌کردند به هر کامیون یک پریز برق منحصر به فرد در ایستگاه آن اختصاص داده شده است. آلونسو-ویلار و همکارانش پتانسیل HDETها را در آب و هوای نامساعد ارزیابی کردند، اما تأثیر آنها را بر اندازه‌های مختلف ناوگان نادیده گرفتند.

علیرغم تمرکز فنی، مطالعات کمی به بررسی دیدگاه‌های تصمیم اپراتورهای ناوگان برای پذیرش کامیون‌های برقی پرداخته‌اند. بائه و همکاران و کانتیلو و همکاران، به ترتیب بر اساس نظرسنجی‌هایی در کالیفرنیا و کلمبیا، انگیزه‌ها و موانع پذیرش HDETها را بررسی کردند. آندرهافستاد و اسپینلر عواملی را که بر تصمیمات و تمایل ناوگان برای خرید و بهره‌برداری از کامیون‌های برقی در آلمان و چین تأثیر می‌گذارند، بررسی کردند. نوستانتینوس و گکریتزا قصد ناوگان کامیون‌ها برای برقی‌سازی را بررسی می‌کنند. سوگیهارا و همکاران از طریق مصاحبه‌های نیمه‌ساختاریافته با اپراتورهای ناوگان تعامل کردند تا موانع ادراک‌شده برای پذیرش کامیون‌های برقی در زمینه‌های سنگین در کالیفرنیا را شناسایی کنند. با این حال، این مطالعات فاقد تجزیه و تحلیل کمی از روابط بین الزامات عملیاتی رضایت‌بخش، اندازه باتری و پیکربندی زیرساخت بودند.

کامیون‌های باربری در مقالات توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. رامیرز-ایبارا و سافورس مزایای کامیون‌های باربری ZE را در جنوب کالیفرنیا برجسته کردند. با این حال، تجزیه و تحلیل امکان‌سنجی پیش‌نیاز تحقق این مزایا است. تنویر و همکارانش چهار سناریوی برقی‌سازی ناوگان کامیون با بیست کامیون را برای تجزیه و تحلیل امکان‌سنجی BEDTها و تأثیر ظرفیت باتری پیشنهاد کردند. بردلی هزینه شارژر و تقاضای برق شارژر را با VMT روزانه ثابت BEDTها با شارژ شبانه در سطح ناوگان برای کوتاه‌مدت و بلندمدت تخمین زد، که فرض می‌کند الگوهای حرکت روزانه را می‌توان با اندازه باتری خاص برآورده کرد. جولیانو و همکارانش پتانسیل جایگزینی کامیون‌های دیزلی با BEDTها را برای سال‌های 2020، 2025 و 2030 با این فرض که هر عملیات روزانه به 8 ساعت محدود می‌شود، ارزیابی کردند. وو و همکارانش هزینه کل و برنامه عملیاتی روزانه را برای برآورده کردن وظایف تحویل بندر با اندازه بهینه ناوگان کامیون به حداقل رساندند، اما به فاصله/زمان سفر کامیون ثابت تکیه کردند و نتوانستند شرایط دنیای واقعی را منعکس کنند. گاریدو و همکارانش امکان‌سنجی BEDTها را بر اساس شارژ خانگی برای وسایل نقلیه از همان ناوگان بررسی کردند. دسوکی و یائو امکان‌سنجی استفاده از BEDTها را در عملیات باربری بررسی کردند، اما مجموعه داده‌ها به صورت تصادفی برای شبیه‌سازی سیستم باربری تولید شدند. این مطالعات نشان می‌دهد که امکان‌سنجی جایگزینی BEDTها با کامیون‌های معمولی به توانایی آنها در برآورده کردن الزامات عملیاتی بستگی دارد که عموماً تابعی از تقاضای انرژی، مدت زمان مجاز شارژ، توان شارژر و تعداد شارژرهای موجود است. با این حال، یافته‌ها برای ناوگان‌های باربری یا فاقد رفتارهای عملیاتی بودند یا محدود به ناوگان کوچک بودند و فاقد تعمیم برای اندازه‌های مختلف ناوگان بودند که ممکن است بر عملیات تأثیر بگذارد. علاوه بر این، این مطالعات همچنین فاقد مقایسه بین دسته‌های مختلف اندازه ناوگان هستند.

این مقاله با ارزیابی رفتار واقعی یک نمونه نسبتاً بزرگ از کامیون‌های باربری، به این شکاف‌ها می‌پردازد تا زیرساخت شارژ لازم (تعداد شارژرها و توزیع جغرافیایی آنها) را برای برآوردن نیازهای انرژی ناشی از رفتار مشاهده‌شده تعیین کند. این تحقیق با ارائه یک تحلیل جامع از روابط بین الزامات عملیاتی، اندازه باتری و پیکربندی زیرساخت برای اندازه‌های مختلف ناوگان، به درک امکان‌سنجی و الزامات انتقال ناوگان‌های باربری به BEDTها کمک می‌کند. (منبع).