آیا کامیون‌های برقی می‌توانند یک راه‌حل لجستیک و حمل و نقل سبز مناسب باشند؟ مدل‌سازی یک مسئله طراحی شبکه مشترک لجستیک و زیرساخت شارژ

آیا کامیون‌های برقی می‌توانند یک راه‌حل لجستیک و حمل و نقل سبز مناسب باشند؟ مدل‌سازی یک مسئله طراحی شبکه مشترک لجستیک و زیرساخت شارژ

به عنوان یکی از مهمترین عوامل افزایش سریع انتشار کربن، کربن‌زدایی بخش‌های حمل و نقل و لجستیک ضروری است. در این زمینه، کامیون‌های برقی (کامیون‌های برقی) به دلیل پتانسیل خود در کاهش قابل توجه انتشار گازهای خروجی از اگزوز در بخش حمل و نقل بار، توجه جهانی را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، زیرساخت شارژ ناکافی مانع قابل توجهی برای پذیرش گسترده کامیون‌های برقی است. این مقاله به بررسی یک مدل توسعه زیرساخت شارژ به رهبری یک خوشه صنعتی می‌پردازد تا هدف انتشار گازهای گلخانه‌ای را بهتر برآورده کند. برای این منظور، یک مدل بهینه‌سازی جدید برای یک مسئله طراحی شبکه مشترک زیرساخت لجستیک و شارژ فرموله شده است. هدف این مدل به حداقل رساندن هزینه کل بهره‌برداری از سیستم لجستیک و شبکه زیرساخت شارژ و در عین حال تضمین دسترسی به ایستگاه‌های شارژ است. آزمایش‌های عددی بر اساس یک مطالعه موردی در نپال برای اعتبارسنجی مدل بهینه‌سازی پیشنهادی انجام شد. نتایج نشان دهنده کاهش بالقوه تا 33.3٪ در کل هزینه‌های لجستیک و 55.9٪ در انتشار گازهای گلخانه‌ای مربوط به حمل و نقل از طریق گذار به انرژی الکتریکی است. این تحلیل، توجیه اقتصادی و مزایای زیست‌محیطی به‌کارگیری کامیون‌های برقی در لجستیک و حمل‌ونقل سبز را برجسته می‌کند که توسط یک مدل کسب‌وکار پیشرو در صنعت برای توسعه زیرساخت‌های شارژ پشتیبانی می‌شود.

مقدمه

حمل و نقل به عنوان بخشی با بیشترین سهم در انتشار جهانی کربن [1] و مصرف انرژی از سوخت‌های فسیلی [2] برجسته است، در حالی که حمل و نقل جاده‌ای، عمدتاً از کامیون‌های متوسط و سنگین، تقریباً 40٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای در این بخش را تشکیل می‌دهد [3]. اقدامات قانونی برای کاهش انتشار بیش از حد کربن به منظور تسهیل کربن‌زدایی از حمل و نقل بار وضع شده است. به عنوان مثال، اتحادیه اروپا اهداف و قوانین مربوطه را تعیین کرده است که کاهش 30 درصدی انتشار کربن از کامیون‌های سنگین جدید را تا سال 2030 الزامی می‌کند [4]. برای دستیابی به این هدف، جایگزینی ناوگان دیزلی فعلی در حمل و نقل بار با کامیون‌های بدون انتشار، به عنوان مثال، کامیون‌های برقی (E-trucks)، به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین راه‌حل‌ها ظاهر می‌شود. علاوه بر این، برقی‌سازی حمل و نقل نه تنها انتشار کربن را کاهش می‌دهد، بلکه باعث صرفه‌جویی در هزینه و سوخت نیز می‌شود [5].

دو نوع اصلی کامیون‌های برقی وجود دارد: کامیون‌های برقی باتری‌دار (BE-trucks) و کامیون‌های برقی پیل سوختی (FCE-trucks) [6]. کامیون‌های برقی پیل سوختی از باتری‌های قابل شارژ داخلی برای ذخیره انرژی و تأمین انرژی موتور الکتریکی استفاده می‌کنند [7]. یکی از مزایای اصلی فناوری باتری-الکتریکی، بلوغ آن و شبکه‌ها و زیرساخت‌های ایجاد شده برای شارژ الکتریکی است. با این حال، یک اشکال قابل توجه، نیاز به سلول‌های باتری حجیم برای تأمین انرژی وسایل نقلیه سنگین است که می‌تواند بر ظرفیت بار، وزن خودرو و هزینه‌های کلی تأثیر بگذارد [8]. از سوی دیگر، کامیون‌های FCE از سلول‌های سوخت هیدروژنی برای تولید برق داخلی برای به حرکت درآوردن موتور الکتریکی استفاده می‌کنند و بخار آب تنها محصول جانبی آن است. یکی از مزایای اصلی کامیون‌های FCE، برد رانندگی طولانی‌تر و زمان سوخت‌گیری کوتاه‌تر آنهاست [9] که با کامیون‌های دیزلی قابل مقایسه است. با این حال، کامیون‌های FCE با چالش‌های قابل توجهی در رابطه با در دسترس بودن زیرساخت‌های هیدروژن، ملاحظات ایمنی و هزینه بالای تولید و توزیع هیدروژن روبرو هستند [10]. هر دو نوع کامیون‌های برقی پتانسیل قابل توجهی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) نشان داده‌اند. یک مطالعه اخیر نشان می‌دهد که کامیون‌های BE در طول عمر خود، در صورت کار تحت ترکیب انرژی فعلی در اتحادیه اروپا، ممکن است 63٪ انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری نسبت به همتایان دیزلی خود داشته باشند [11]. با افزایش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، می‌توان انتشار گازهای گلخانه‌ای را بیشتر کاهش داد و در صورت استفاده از برق کاملاً تجدیدپذیر، به کاهش تا 84٪ دست یافت [11]. برای کامیون‌های FCE، انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌تواند 15٪ – 33٪ با هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی (هیدروژن آبی) و تا 89٪ با هیدروژن تولید شده از انرژی‌های تجدیدپذیر (هیدروژن سبز) – کاهش یابد [11].

در حالی که وسایل نقلیه الکتریکی (EV) در سراسر جهان، به ویژه در مناطقی مانند اتحادیه اروپا و چین [12]، به طور گسترده مورد استقبال قرار گرفته‌اند، برقی‌سازی کامیون‌های سنگین هنوز در مراحل اولیه خود است. اگرچه مطالعات متعدد نشان می‌دهد که به‌کارگیری کامیون‌های الکتریکی در حمل و نقل جاده‌ای و لجستیک می‌تواند در درازمدت هم از نظر فناوری امکان‌پذیر و هم از نظر اقتصادی جذاب باشد [13]، چالش‌های متعددی همچنان باقی است. این چالش‌ها شامل سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر در مقایسه با همتایان دیزلی آنها [14]، زمان شارژ طولانی [15]، تأثیر بر شبکه‌های برق محلی و مصرف برق [16]، در دسترس بودن محصول و پذیرش کاربر [17] و زیرساخت‌های ناکافی شارژ [13] می‌شود. چنگ و لین [14] اخیراً فاش کرده‌اند که استفاده از کامیون‌های الکتریکی ممکن است تا یک چهارم زمان بدون درآمد را به همراه داشته باشد و سفرها در حمل و نقل طولانی مدت به دلیل زیرساخت‌های محدود شارژ، ممکن است تا 32 درصد طولانی‌تر شود. اگرچه تحقیقات اخیر اسپت و پلوتز [18] نشان داد که بیشتر نیازهای شارژ کامیون‌های برقی در آلمان را می‌توان با شارژ آهسته در محل شرکت یا محل اخراج برآورده کرد، اما ایجاد یک شبکه زیرساختی با دسترسی بالا برای شارژ سریع در مسیر، هنوز برای امکان‌پذیر کردن حمل و نقل بار بین شهری در مسافت‌های طولانی ضروری است.

با این حال، ایجاد یک شبکه زیرساخت شارژ با دسترسی بالا برای پذیرش کامیون‌های برقی یک مشکل برنامه‌ریزی پیچیده است. به عنوان مثال، اسپت و همکاران [4] نشان داده‌اند که برای دستیابی به مسافت پوشش 100 کیلومتر در اروپا، باید 660 ایستگاه شارژ ایجاد شود. اگر مسافت پوشش به 50 کیلومتر کاهش یابد، تعداد ایستگاه‌های شارژ مورد نیاز به 1468 افزایش می‌یابد که نشان دهنده سرمایه‌گذاری اولیه قابل توجهی است. با توجه به اینکه جایگزینی ناوگان دیزلی یک فرآیند تدریجی است که احتمالاً سال‌های زیادی طول می‌کشد، توسعه زیرساخت‌های شارژ باید با سرعت مشابهی پیش برود. در نتیجه، ممکن است راه‌حل‌های بهتری برای توسعه زیرساخت‌های شارژ کامیون‌های برقی نسبت به چنین طرح کلی وجود داشته باشد. بنابراین، در این مقاله، ما یک مدل تجاری جایگزین را بررسی می‌کنیم که در آن توسعه زیرساخت‌های شارژ برای کامیون‌های برقی توسط شرکت‌ها، چه به طور مستقل و چه از طریق تلاش‌های مشترک بین دولت و صنعت، هدایت می‌شود. این رویکرد به ویژه در چندین خوشه صنعتی مرتبط است که در آنها پذیرش کامیون‌های برقی می‌تواند به دستیابی به اهداف انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند و مزایای اقتصادی به همراه داشته باشد. در این راستا، زیرساخت‌های شارژ می‌تواند از طریق مشارکت‌های دولتی-خصوصی یا مشارکت‌های خصوصی-خصوصی توسعه یابد تا از حمایت دولتی و سرمایه‌گذاری خصوصی به طور مؤثر استفاده شود [1].

بنابراین، مقاله ما با مدل‌سازی یک مسئله طراحی شبکه لجستیک و زیرساخت شارژ مشترک، قصد دارد به دو سؤال پژوهشی زیر پاسخ دهد:

سوال تحقیق ۱: آیا کامیون‌های برقی می‌توانند راه‌حل مناسبی برای دستیابی به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در لجستیک و حمل و نقل سبز باشند؟

سوال تحقیق ۲: آیا یک مدل کسب‌وکار پیشرو در صنعت می‌تواند جایگزین مناسبی برای توسعه زیرساخت شارژ برای تسهیل پذیرش کامیون‌های برقی باشد؟ (منبع)