環境學院張少君課題組、吳燁課題組合作評估全球重型車清潔轉型路徑的技術可行性及碳減排效益
清華新聞網12月3日電（通訊員 王放 張少君）重型車是交通領域減污降碳的重點。隨著電池技術迭代發展和成本快速下降，純電動車在中國商用車市場滲透率已達30%，氫燃料電池重型車和低碳燃料內燃機車的研發和推廣也取得了顯著進展。然而，從全球范圍來看，由于重型車使用場景復雜，現階段技術和成本可行性阻礙了新能源重型車快速普及；由于不同國家和地區的能源結構、用能成本存在差異，現有研究缺乏對國際不同地區未來重型車低碳轉型各類路徑的技術可行性、成本特征和減碳效益的全面、深刻認識。
近日，清華大學環境學院吳燁教授課題組、張少君副教授課題組與國際清潔交通委員會（International Council on Clean Transportation）、美國麻省理工學院、美國密歇根大學的研究人員合作，以中國、美國、歐洲三個全球最重要重型車市場為例，對純電動、氫燃料電池和低碳燃料（如生物柴油和電子合成柴油E-diesel）重型車低碳技術路徑在各類場景的技術可行性、總擁有成本與生命周期碳減排效益進行了系統綜述和分析，并以重型牽引車為重點，對2040年各類技術在不同地區的推廣競爭潛力進行了預測評估（圖1）。
圖1.（a）重型車使用場景異質性（b）重型車清潔化路徑及重要影響參數
研究通過對重型車技術路徑關鍵參數的深入調研，提出了“等效能量密度”評估指標，即在可實現日補能頻率的情況下各類技術路徑的單位總質量有效輸出能量；并分析了純電動和氫燃料電池重型車在日補能1次和2次情況下能實現的車輛替代率，作為其技術可行性的參考。研究以此為基礎，量化了2020-2040年不同重型車隊電動化使用各類清潔化技術路徑的可行性。以轉型難度最大的重型牽引車為例，研究發現，在日補能1次的情況下，現有純電動、氫燃料電池車型可滿足中美歐牽引車隊超過35%和67%的日常出行需求（圖2），而每日增加一次中途補能的機會可以使得這一比例超過88%。氫燃料電池車型比純電動車型具有更高的能量密度，但一次能量使用效率（綠電制氫）遠低于純電動車。研究預測，到2040年，隨著電池能量密度進一步提高，在日均充電一次的情況下，純電動牽引車型將滿足中國、美國、歐洲超過70%現有柴油牽引車的出行需求。
圖2.（a）中國、美國、歐洲典型重型車隊日出行里程分布（b）重型牽引車替代比例隨等效能量密度變化（c）2020-2040年重型車低碳路徑的等效能量密度區間
研究發現，盡管車輛生產和燃料生產及儲運環節產生碳排放，純電動、氫燃料電池重型牽引車生命周期CO2排放仍然比同類柴油車降低27%-58%（圖3），具有顯著的減排效益。隨著可再生電力使用比例的提高，氫燃料電池車輛必須使用綠氫才能實現生命周期CO2排放低于純電動重型車。在總擁有成本方面，研究發現，目前僅中國純電動重型牽引車可實現與柴油車平價（圖3）；美國和歐洲市場的純電動、氫燃料電池車型總擁有成本分別將在2030年、2040年與柴油車持平。純電動重型車比氫燃料電池重型車更早實現成本效益，在純電動重型車逐漸占領市場后，氫燃料電池重型車的潛在市場空間將縮小，其單車的基礎設施（如加氫站）建設成本將進一步提高。
圖3.重型牽引車隊生命周期排放及總擁有成本：（a）現狀年重型牽引車隊生命周期CO2排放（b）現狀年單車總擁有成本（c）2030年單車總擁有成本與2020年對比（d）中美歐2040年重型牽引車碳減排成本對比
研究成果以“重型公路運輸清潔路徑的可行性、成本和脫碳潛力”（Feasibility, cost and decarbonization potential of clean pathways for heavy-duty road transportation）為題，于11月25日發表于《自然綜述：清潔技術》（Nature Reviews Clean Technology）。
清華大學環境學院副教授張少君為論文第一作者，環境學院教授吳燁為論文通訊作者。論文合作者包括麻省理工學院博士后趙昢，清華大學環境學院博士后王放，國際清潔交通委員會研究員哈桑·巴斯瑪（Hussein Basma）博士、重型車項目主任菲利普·羅德里格茲（Felipe Rodriguez）博士，密歇根大學教授蒂姆·沃林頓（Timothy Wallington）、格里格·基奧萊恩（Gregory Keoleian）。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、能源基金會等的支持。
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