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美国能源部(DOE)发布燃料电池长途卡车技术发展路线图(二)

时间:  2020-02-13 15:42  来源:  氢智会编译   作者:  编辑部

电动动力总成系统逐渐成为先进卡车技术产品组合的重要组成部分,美国能源部(DOE)正在为氢燃料电池卡车和动力电池卡车设定详细的技术目标。2019年12月12日,美国能源部燃料电池8级卡车发展目标获得批准。

以下为技术目标的具体的内容,氢智会分六次进行推送,今天为第二篇。

美国能源部先进卡车技术 电动动力总成路线图氢燃料长途卡车的技术目标

4、目标原理

燃料电池系统寿命

燃料电池系统寿命的目标源于以英里为单位的车辆寿命耐久性(基于车辆的总使用寿命),以及车辆全生命周期内的平均行驶速度估算。下面的假设章节将讨论车辆寿命假设。

8级卡车燃料电池系统的寿命目标为30,000小时,即假设8级卡车按40 英里/小时的平均行驶速度行驶1,200,000英里的全使用寿命(请参阅下面的假设部分)。选择40 英里/小时作为平均速度是基于以下假设:通常8级卡车有半数时间都用于长途运行(通常在高速公路上行驶),随着车辆可靠性降低,余下的寿命则更多用于区域内运输(速度较低)。美国联邦公路管理局对主要的卡车通道上的500,000辆卡车的交通量和流量进行了研究9,州际高速公路上卡车的平均速度在50英里/小时-60英里/小时之间。卡车在区域使用中的平均速度为30英里/小时。

这些目标并未考虑燃料电池夜间的储备待用,如果加上就会在500,000英里的行程中增加多达10,000小时的运行时间。直接使用燃料电池满足储备待用所需,将要求燃料电池在这10,000小时内以低功率/高电池电压运行,这种使用状态会加速电池的性能衰减。由于燃料电池系统是装了电池的混合动力系统,因此根据设想,电池将提供储备待用,而燃料电池将在断电之前进行间歇性充电或再充电,使得燃料电池能以更有利/低衰减功率水平运行,从而降低储备待用对电池耐用性的影响。

中期燃料电池寿命目标是远期燃料电池寿命目标的80%。

定义寿命终止

为了定义寿命终止,美国能源部燃料电池卡车动力总成研讨会讨论了可接受的衰减程度。尽管车辆还可满足其他用途,但性能衰减会降低效率、燃料经济性、装载量和爬坡速度。为了衡量燃料电池技术的进步,在额定功率下将电压调低10%进行基准测试(这也与美国DRIVE燃料电池技术团队目标一致)。

4.1燃料电池系统成本

通过参考带有后处理技术的高级柴油机的制造成本,确定了燃料电池系统的成本目标,目前燃料电池技术的工艺水平预计能达到每年100,000单位的生产量,而简单拥有成本,即为卡车的资本成本加上燃料成本。卡车的燃料电池成本目标高于轻型车辆(LDV)的燃料电池成本目标,主要是因为卡车与乘用车相比需要更高的耐用性(即卡车的寿命是25,000-30,000小时,而乘用车是8,000小时),此外与汽车系统相比,公路卡车的固定荷重更高,因而需要更大的燃料电池堆。长途卡车的燃料成本比卡车的资本成本高得多,因此为效率提升投资可降低整体拥有成本。

阿贡国家实验室(Argonne)估算了带后处理技术的柴油发动机的成本,这样的发动机可满足8级卡车的加速度、爬坡速度和巡航速度要求。成本估算考虑了后处理技术中的柴油机氧化催化剂、柴油机微粒过滤器和使用柴油机尾气(尿素溶液)的选择性催化还原系统。柴油发动机和后处理的制造成本约为25,000美元(对440马力的发动机而言)。阿贡国家实验室指定了一种可满足同样的车辆需求的燃料电池系统,即390 kW的燃料电池系统。燃料电池系统的远期成本目标的设定与25,000美元柴油机的成本加上后处理的成本大致相同,即燃料电池系统成本目标为60美元/千瓦。这与美国DRIVE技术小组的假设一致,燃料电池系统估算不包含电驱动和电力电子组件)。

中期和远期燃料电池系统成本目标预计可达每年100,000个单位的生产率。相关资料表明,8级卡车的市场需求每年约为200,000辆10。战略分析有限公司(SA)估算了现阶段(2019年的技术)、中期(2030年)和远期( 2050年)的8级卡车燃料电池系统成本。2019年燃料电池的生产成本预计为283美元/千瓦(年生产量为200台)11。根据美国能源部的目标要提高效率和耐用性,提高性能降低成本,因此可通过2019年的技术分析扩展到2030年和2050年的技术分析。

在此分析中,以每平方厘米有效电池面积的瓦数为单位,系统中预计的总体性能提高可归因于催化剂填充和运行压力降低。尽管还有其他几种途径可降低成本,但这些推断为年生产量为100,000单位的情况下中期目标80美元/千瓦、远期目标60美元/千瓦的设定提供了依据。在维持功率密度的同时,还能成功减少催化剂填充降低运行压力,是将成本降低至目标水平的一条可行途径。

燃料电池系统成本分析中使用的关键配置和成本参数如表2所示。随着采用的超级卡车项目相关车辆的改进,所需动力有望下降。由于电堆确定了燃料电池系统的实际尺寸(和成本),因而表2也呈现了峰值功率下电堆的状态。成本估算基于非专利的代表性的设计。提高耐用性的设计方法包括足量的催化剂填充和石墨双极板、适中的工作温度和较厚的膜。尽管这些设计与巴拉德40英尺巴士中使用的电堆设计相似(已证明运行超过25,000小时),但仍需在卡车应用的适当条件下对电堆进行评估。另外,选用大型燃料电池电堆可通过降低电流密度来提高负载效率。这些选择降低了燃料消耗和散热要求,但导致燃料电池系统的尺寸更大、成本更高昂。《美国能源部氢和燃料电池项目记录17007:燃料电池系统成本2017》12和《汽车应用中的直接氢质子交换膜燃料电池系统批量生产成本估算:2017年更新版》13,14记录了成本分析方法和当前成本状况的详细信息。重卡的成本估算与轻型车辆成本目标一致。

表2. 用来指导成本目标的燃料电池系统参数

支撑实际的拥有成本估算需要更严谨的分析,但可运用简单拥有成本(SCO)估算对高级柴油技术和氢燃料电池动力系统的总成本进行粗略比较。简单拥有成本是通过将卡车的初始资本成本除以总的寿命里程,加上每英里的燃料成本和每英里的维护成本而得到的。尽管高级柴油机尚未在标准占空比下进行广泛测试,但现代柴油卡车的燃油消耗功率已能在平均车速54 英里/小时和平均总重55,498磅15的条件下达到10.1英里/加仑(mpgd)。根据对EPA 55行驶周期模拟的2020年保守测算模型,并按36,000磅载货量计算,燃料电池卡车技术目前可达到9.4 mpkg(10.7 mpdge)16。

表3总结了根据简单拥有成本分析得到的燃油经济性。简单拥有成本分析假设使用废热回收设备(驱动循环效率达54%)将柴油机峰值效率提高到59%(远期目标),并在空气动力学、滚动阻力、摩擦损失和附件系统效率方面进行改进,从而使得柴油卡车的燃油经济性达到15.6 mpgd。如对车辆的空气动力学、滚动阻力、摩擦损失和附件系统效率(假设前提是载货36,000磅和EPA 55的驱动循环)进行相同的改进,预计高级(远期目标)燃料电池卡车的效率将比柴油发动机提高16%(即66%燃料电池×95%电动机= 62.7%燃料电池驱动循环效率vs. 54%柴油驱动循环效率),达到17 mpkg(19.4 mpgde)。根据阿贡国家实验室的分析可知,电池和燃料电池共同供电的氢卡车由于进行了再生制动和动力总成效率提高了约16%,因此总体燃料经济性的提高比柴油卡车多24%。请注意,柴油卡车也可以从混合动力中受益,燃料电池和其他先进技术需要进步得更多,才能与现有技术的进一步发展相匹敌。下面的“燃料经济性假设”部分给出了燃油经济性假设基本原理的更多详细信息。

表3.简单拥有成本分析的燃料经济性

其中,燃料电池驱动循环效率包括95%的电动机效率。

根据美国能源部对远期输氢成本的目标(4美元/公斤),再加上2015年调整后的通货膨胀率和0.50美元的税费,因而氢的成本定为5美元/公斤。根据2018年美国能源信息署年度能源展望2050年预测,柴油成本预计为4.09美元17。

根据燃料经济性和燃料成本,对比17.0 mpkg的燃料电池卡车与15.6 mpgd的柴油卡车,在1,200,000英里寿命中使用燃料电池卡车能比使用高级柴油卡车节省约33,000美元的寿命全部燃料成本。

燃料电池卡车的成本要比带有废热回收的高级柴油卡车低约2500美元,原因是:

1)实现60美元/千瓦的燃料电池系统成本目标

2) 氢气存储成本为266美元/公斤18

3) 根据2025年电动牵引驱动系统的6美元/千瓦轻型车辆成本目标19,乘以系数2以适用于重型卡车应用,故电动牵引电机和电力电子产品成本为12美元/千瓦。

由于供应链和服务网络尚未完全成熟,燃料电池卡车动力总成的维护成本未知,不过行业反馈表明,燃料电池动力总成的维护成本最终将介于较低的电池电力动力总成维护成本和较高的柴油动力总成维护成本之间。尽管巴士的维护可能与卡车不同,但仍有一些数据可用于具有相似动力总成的巴士20。图4呈现了多种巴士动力总成技术的维护比较。表4显示了此数据集中包含的运输公司和巴士。燃料电池巴士驱动系统的维护成本似乎在曲线下降,但在使用了四年后仍比成熟的柴油技术要高。劳动力、技能、零件数量和供应商竞争这些要素可能还需要至少十年的时间才能成熟。美国运输研究所发布了《卡车运营成本分析:2018年更新版》。报告称,2017年的维修及维护成本为0.167美元/英里,在2009年的0.123美元/英里的基础上稳定增长(轮胎成本是单独的,不包含在此数据中)。

就简单拥有成本而言,我们假设柴油和氢远期应用的维护成本为0.17美元/英里。我们将氢中期应用的维护成本提高了25%(至0.21美元/英里),目前氢应用的维护成本比柴油车贵了50%(至0.25美元/英里)。

表4:维护数据中的项目概述
 



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