罗兰贝格公司探讨了中重型车辆电气化对基础设施的影响
作者：Walter Rentzsch 博士、Giovanni Schelfi 和 Wilfried Aulbur 博士
应对温室气体排放的必要性不容置疑，限制气温上升对地球和经济造成的负面影响也同样迫切。交通运输业占美国温室气体排放量的29%。中型和重型车辆占交通运输业的23%，商用车行业的参与者深知，他们必须成为推动行业脱碳解决方案的一部分。
（照片：查德·埃尔莫尔）电动汽车技术稳步发展，电池价格不断下降，更多专用平台涌入市场，车辆整体性能（例如续航里程）也得到提升。这些进步是在相对较短的时间内取得的。柴油发动机的发展历程已有约130年，而汽车行业大规模研发电池和纯电动汽车的历史还不到10年。
然而，随着商用车行业的发展方向逐渐明朗，二阶和三阶挑战也随之出现。
与柴油车相比，电动汽车的购置价格仍然过高，这对那些总拥有成本为正的应用场景产生了负面影响。运营限制使得目前电动汽车可部署的路线数量有限，或者需要比柴油车更多的电动汽车才能将货物从A点运送到B点。此外，充电时间仍然很长，这降低了资产利用率，并对现有的驾驶员薪酬模式提出了挑战。
调整运营策略
车队运营模式需要调整，并需要新的能力。停车位等基础设施限制了电气化方案的选择。车辆和基础设施的资金需求巨大，给车队的财务状况带来了压力，尤其是那些车辆较少的车队。与公用事业公司合作充满挑战，基础设施安装的周期通常是行业资产购置周期的数倍。
这些挑战，加上当前围绕电动汽车的激烈讨论，导致车队在考虑从柴油动力转向电动动力时，对技术风险的感知程度更高。在某种程度上，许多车队感到进退两难：一方面是尚不成熟的技术和商业模式，另一方面是监管和公众舆论的压力。
尤其值得注意的是，车队讨论的重点已经从车辆可用性（或者至少有所减少）转移到基础设施和电网可用性上。
为了更好地理解这种情况，并希望从中获得一些相关的启示和见解，我们决定模拟美国 3 级至 8 级商用车辆车队 100% 电气化的情况。
本研究旨在确定为支持中重型商用车车队100%实现纯电动汽车（BEV）普及，所需车辆充电基础设施、配电网基础设施以及发电和输电基础设施的总投资额。需要明确的是，本分析并非对纯电动汽车普及率随时间推移的发展趋势进行情景预测，而是基于合理的保守假设，尝试确定从燃油车向电动车过渡所需的投资额。
三个充电站
我们的模型区分三种基本充电地点类型：现场充电、本地沿途充电和长途车辆高速公路沿途充电。
现场充电涵盖车队自有场所的私人充电桩以及专为车队客户提供的共享充电站。本地途中充电适用于高里程的本地应用，并提供公共直流快速充电 (DCFC) 充电桩——这与现场充电混合使用的 2 级、3 级充电桩以及少数情况下使用的 DCFC 充电桩形成对比。高速公路途中充电则使用 DCFC 充电桩以及 2 级/3 级充电桩，用于为停放的卡车进行夜间充电。
为了进行本地充电网络模拟，我们利用了美国国家可再生能源图书馆 (NREL) 的车队远程信息处理数据，以确定 3 级至 8 级车辆在白天（不包括长途运输）的运行情况。里程分布和工况周期决定了夜间在车辆段充电和沿途“补电”充电的需求分配。基于这些信息，我们确定了需要在车辆段和沿途地点安装的充电基础设施。我们计算了每类车辆的平均负荷曲线，并结合各重量级别车辆的区域分布，从而能够模拟县级充电桩的安装情况和负荷曲线。
对于长途货车，我们分析了高速公路沿线加油站的现有分布情况，根据各路线的货车交通量确定了每个加油站需要充电的长途货车数量，并区分了快速充电和过夜充电的需求。这反过来又指导了各加油站的充电基础设施投资。此外，我们还生成了汇总的平均负荷曲线，从而能够模拟县级层面的充电桩安装和负荷曲线。
罗兰贝格的研究表明，电气化可能并非中重型公路车辆脱碳的唯一途径。（图片：查德·埃尔莫尔）价格是……
假设6级至8级卡车的可用续航里程为250英里，本地路边充电采用500千瓦直流快速充电桩，高速公路充电采用1千瓦直流快速充电桩，我们的模型显示，充电桩、站点基础设施和公用设施服务方面的投资需求高达6200亿美元。其中，2级和3级现场充电桩的投资额占绝大部分，达5000亿美元。路边充电投资则几乎平均分配在本地500千瓦充电桩和高速公路1兆瓦充电桩上（分别为690亿美元和570亿美元）。
本地充电成本主要受重型车辆的影响，这些车辆需要在车库所在地进行3级甚至直流快速充电。按每辆车计算，重型车辆所需的充电基础设施投资为14.5万美元，而中型车辆则为5.4万美元。
除了这些投资之外，公用事业公司还需要花费约3700亿美元用于配电网升级和新建，才能满足中型和重型车辆的本地充电需求。基础设施建设面临的挑战在于，需要提前建设基础设施以避免瓶颈和延误，这需要更精细的电网规划和监管支持——而这两方面目前都比较有限。此外，公用事业投资的整体步伐还将受到控制电价上涨和维持价格可承受性的制约。
根据我们的模型，发电和输电方面需要额外投资，总额达440亿美元。然而，这些投资已经纳入了电力系统运营商的长期规划。
近1万亿美元的总投资表明，物流行业从内燃机汽车 (ICE) 向纯电动汽车 (BEV) 转型具有变革性意义，同时也面临着巨大挑战。除了这笔投资之外，纯电动汽车价格显著更高，运营限制也进一步推高了其总拥有成本。
一辆梅赛德斯纯电动厢式货车在2024年商用卡车周上展出。（照片：查德·埃尔莫尔）诸多影响
这对商用车行业的电气化进程意味着什么？
该研究的主要意义如下：
■ 投资需要不断优化。例如，目前的研究假设纯电动汽车的运行方式与柴油卡车相同。但这一假设需要进行调整，以考虑纯电动汽车的局限性，例如通过优化路线规划和充电管理。原始设备制造商 (OEM)、车队、公用事业公司和监管机构需要携手合作，确定合适的应用场景，并加快所需基础设施的建设。如果技术性能的提升速度超过目前的预期，也将对投资需求产生积极影响。
■ 投资需要分阶段进行。中重型车辆电气化分阶段推广的基础必须是财务可行性——也就是说，我们应该重点关注那些总拥有成本（TCO）最接近传统燃油车的应用场景。我们认为，这些应用场景包括沿明确划分的高速公路走廊分布的若干中型和重型车辆应用场景。
■ 电气化可能并非脱碳的唯一途径。某些特定应用或路线可能采用更具成本效益的替代方案，例如可再生柴油。我们需要以技术中立的方式，关注具有成本效益的解决方案。
■ 鉴于美国物流业年收入约为8000亿美元，但利润率仅为个位数，指望仅靠运输运营商的现金流来资助这一转型是不现实的。虽然利用私人资本开发充电基础设施是首选，但在技术和商业模式的改进使电动汽车相对于燃油车的总体拥有成本优势得到广泛体现之前，政府可能需要提供有针对性的激励措施和监管支持。
物流行业将不负众望，为货物和人员提供安全、经济、环保的运输服务。
我们认为，就目前而言，电气化是最有希望被广泛采用的技术。考虑到行业转型（例如从内燃机汽车向纯电动汽车转型）所面临的一些挑战，这已不再是“是否会发生”的问题，而是“何时会发生”的问题。在制定预期目标和政策时，必须充分考虑车队和其他利益相关者的关切，从而制定既雄心勃勃又切实可行的目标和时间表。
作者简介：沃尔特·伦茨施博士是罗兰贝格咨询公司的董事，威尔弗里德·G·奥尔布尔博士是高级合伙人，乔瓦尼·谢尔菲是合伙人。罗兰贝格是一家全球战略咨询公司，定期为客户提供有关建筑、农业及相关行业的调研报告。其客户包括移动设备制造商以及发动机和发电供应商。
本文最初发表于 2024 年 5 月的《电力进展》杂志。
