Тази статия разглежда икономическите последици от замяната на дизеловите камиони за превоз на дълги разстояния с батерийно електрически такива от страна на превозна компания. Също така се разглежда размерът на батериите на големите камиони, дали превозвачите следва да използват обществени бързи зарядни устройства, за да допълват своите собствени, и дали обществените бързи зарядни устройства имат потенциал да бъдат печеливши. Оценява се потенциалната допълнителна цена за загуба на товароносимост и се изследва дали оператор на зарядно устройство трябва да отговаря на върховото търсене за зареждане. Изследваният случай е проектиран да представлява типично обслужване на превоз между терминали в голяма логистична система, като се намира, че в този случай преходът към батерийно-електрически камиони изглежда ефективен по отношение на разходите за компанията. Освен това е препоръчително за компанията да използва обществени бързи зарядни устройства, които вероятно ще станат печеливши, тъй като факторът за утилизация на разгледаните обществени бързи зарядни устройства реалистично може да надвиши 20%.

1. Въведение

Използването на фосилни горива има сериозни недостатъци: времето за изчерпване на нефта е по-малко от 30 години, въздействието върху климатичната система на Земята е вероятно и отрицателните здравни последици се обсъждат в литературата. Част от решението е да се избягва движението на камиони с фосилни горива. Възможни алтернативи са водородни или батерийно-електрически камиони, но наскоро публикуваните изследвания предпочитат опцията за батерийно-електрически камиони.

Въпреки че финансовата изгода на батерийно-електрическите камиони изглежда обещаваща, горивните клетки може да са по-добри за тежки камиони за изключително дълги пътувания. Все пак, няма ясен отговор на въпроса кой тип преносно устройство би довел до най-ниски общи разходи за притежание, тъй като това ще зависи от начина, по който се използва превозното средство. Предишно изследване показа, че батерийно-електрическите камиони имат потенциал да бъдат конкурентоспособни с дизеловите камиони при подходящи обстоятелства. Настоящото изследване конкретизира работата, извършена в това отношение, като прилага теорията за конкретен случай на линейно превозно средство, включващо обществен вид транспорт. Изследването на този документ разглежда икономическите последици от замяната на камионите на превозваческа фирма с батерийно-електрически такива.

Докато предходното изследване се съсредоточаваше само върху перспективата на собственика на превозното средство, това изследване се фокусира също и върху оператора на зарядните устройства. Настоящото изследване също така разширява предишното, като оценява потенциалните разходи при загуба на товароспособност поради наличието на голяма батерия, което не беше разгледано в предишния доклад. Освен това настоящото изследване не предполага, че 80% от капацитета на батерията може да бъде използван. Вместо това, то варира полезния диапазон на зареждане, за да включи стареенето на батериите и безопасните маржове при размера на батерията. Други изследвания също показват конкурентоспособността на батерийно-електрическите камиони спрямо дизеловите камиони при подходящите условия.

При четенето на този документ е важно да се има предвид, че финансовата ефективност на батерийно-електрическите превозни средства е чувствителна към шаблоните на шофиране. Освен това, относително еднаквите шаблони на шофиране показват добър потенциал за електрификация. Следователно, резултатите от настоящото изследване биха могли да се различават, ако беше избран различен случай.

2. Транспортната задача на превозваческата компания

Представете си, че една превозваческа компания разполага със собствен парк от дизелови камиони и желае да ги замени всичките с батерийно-електрически камиони. Този документ разглежда икономическите последици от пълната електрификация, без да се правят промени в начина, по който камионите функционират.

Компанията разполага с два терминала, А и Б, които са свързани с магистрала. Терминал А се намира в Хелзингборг, на западния бряг на Швеция, а терминал Б се намира в Стокхолм, столицата на Швеция, разположена на източния бряг (вижте Фигура 1). От картата става ясно, че този тип транспортно разстояние е достатъчно, за да се достигнат много градове в Европа от най-близкия пристанищен град. Пет пъти седмично се повтаря следната процедура. Половината от камионите пристигат в Терминал А, а половината в Терминал Б през следобеда, след като са извършили някои местни разпределителни задачи през деня. След това камионите стоят на покой за определено време, 𝑇1. В 18:00 часа първият камион напуска терминала и се движи към другия терминал. След това другите камиони напускат терминала един по един на определен интервал, 𝑇𝑔𝑎𝑝. На средата на пътя между терминалите, шофьорите правят почивка, 𝑇𝑏𝑟𝑒𝑎𝑘, на пътна спирка. Тази почивка е задължителна според правилата за време за шофиране и почивка и трябва да е поне 45 минути. След почивката, шофьорът от Терминал А разменя камиона си с шофьора от Терминал Б и след това шофьорите се връщат на своите първоначални терминали. След като пристигнат на своите дестинационни терминали, камионите стоят на покой за определен период от време, 𝑇2. Нека се прилагат и следните стойности: разстоянието между Терминалите А и Б—S; средната скорост на камионите—𝑣̲; средната консумация на енергия на камионите за единица разстояние, Δ𝐸Δ𝑥; и броят на камионите, които напускат всеки терминал—𝑁𝑡𝑟𝑢𝑐𝑘𝑠. За яснота, загубите при зареждането не се моделират явно в този документ, но техните разходи могат да бъдат включени в цената на електрозахранването. Загубите при разреждането на батерията и ефективността на приводната система също не се моделират явно, но се включват в консумацията на енергия на камионите. По време на местните разпределителни задачи, които се извършват през дневните часове, всеки камион е изминал разстояние, 𝑆/2. Обозначението на този документ за параметрите и техните стойности е изброено в Таблица 1. Освен шофирането всеки работен ден през годината, всеки камион извършва, в средно, 50 допълнителни нощни курсове през годината по уикендите. На пътна спирка има обществена зареждаща станция за бързо зареждане на камиони. Така, освен частните зарядни устройства на компанията на всеки терминал, камионите могат да бъдат зареждани и на пътната спирка с обществени бързозареждащи устройства.

  1. Фигура 1. Предположеният транспортен маршрут от 550 км е изобразен на карта на Европа за справка.
  2. Таблица 1. Обозначения за различните параметри и техните стойности, използвани в този документ.

Този документ разглежда дали е икономически изгодно да се използват батерийно-електрически камиони за изучения вид на линейния транспорт и, ако да, как трябва да бъде проектирана системата. По-конкретно, този документ се опитва да отговори на следните въпроси:

  1. Какви са икономическите последици за компанията при преминаване от дизелови камиони към батерийно-електрически?
  2. Каква мощност трябва да имат частните зарядни устройства на компанията?
  3. Какъв е максималният допълнителен разход за намален капацитет на товара поради тежките батерии?
  4. Колко публични бързозарядни станции трябва да бъдат инсталирани на мястото за почивка от оператора на зарядни устройства и каква трябва да бъде тяхната мощност, за да отговорят на търсенето от страна на транспортната компания?
  5. Може ли операторът на зарядните устройства на мястото за почивка да очаква печалба от зарядните устройства, ако споменатата компания е техният единствен потребител?
  6. Трябва ли операторът на зарядните устройства в мястото за почивка винаги да отговаря на изискванията на своите потребители? Ако не, как трябва да бъде избрана общата мощност?

3. Икономическите последици за транспортната компания

При електрификацията биха включвали много от основните разходи на камионите, които биха останали приблизително същите, ако компанията замени дизеловите си камиони с батерийно-електрически. Това включва разходите за поддръжка и застраховка, както и разходите за превозното средство (изключително батерията в случая на електрическите камиони). Заплатите на шофьорите също биха останали същите, ако зареждането се извършва по време на планираните почивки.

Освен това се предполага, че вторичната стойност на камионите би била сравнима. Основните разлики биха били в разходите за дизелово гориво в сравнение с разходите за електроенергия, както и в разходите за батерията, връзката с мрежата и зарядното устройство. В този документ разходите са нормализирани и изразени в евро за всяка киловат-часова тягова енергия. Разходите, които биха останали същите след прехода към батерийно-електрически камиони, се пренебрегват, тъй като компанията е интересувана от това как се променя разходът. В неотдавнашно публикувано изследване [8] се представя функция за разходите, 𝑓𝐵𝐸𝑉 , за батерийно-електрически камион по следния начин: 𝑓𝐵𝐸𝑉=𝑟𝑐ℎ·𝐶𝑒+(1−𝑟𝑐ℎ)·𝐶𝑒𝑝𝑢𝑏+𝐶𝑏Γ𝑏+𝑟𝑐ℎ·𝐶𝑐ℎΓ𝑐ℎ, (1)където Γ𝑏 е факторът на ползване на батерията, а Γ𝑐ℎ е факторът на ползване на зарядното устройство. Параметрите за разходите в горното уравнение са определени в Таблица 2. Показателът 𝑟𝑐ℎ е съотношението на енергията от частното зареждане към общото количество енергия, консумирано от камиона през неговия живот. Таблицата показва стойностите на параметрите, използвани в този документ. Тези стойности са същите като тези, използвани в предишно изследване [8].

Първият член описва разходите за електроенергия при зареждане с частно зарядно устройство; вторият член дава разходите за публично бързо зареждане; третият член изразява разходите за батерията; а последният член дава комбинираните разходи за зарядното устройство и връзката с мрежата. Факторът на ползване на батерията е определен като общо консумираната от батерията енергия през нейния живот, разделена на капацитета на батерията. Факторът на ползване на батерията използва безразмерната единица за еквивалентен пълен цикъл (EFC). Факторът на ползване на зарядното устройство е определен като общо доставената от зарядното устройство енергия през неговия живот, разделена на максималната енергия, която то може да достави през неговия живот. Следователно факторът на ползване на зарядното устройство е безразмерно скаларно число от 0% до 100%.

Функцията за разходите изразява разходите за един камион с едно частно зарядно устройство. Въпреки това, дори ако компанията има много камиони, горепосоченият израз все още може да се използва, тъй като се предполага, че има толкова много частни зарядни устройства, колкото и камиони. Цената на електрическия пропулсивен разход (𝑓𝐵𝐸𝑉) трябва да се сравни с разходите за дизелово гориво, 𝐶𝑑, които се приемат за 0.30 EUR/kWh, както в горепосоченото изследване [8]. Това съответства на цена на дизела само 1.2 EUR/литър (без ДДС) и висока ефективност на превозното средство от 40%. Стойността на цената на дизела е несигурна и вероятно е малко твърде ниска, особено с последния възход на цените на дизела. Въпреки това е възможно, че текущата цена на дизела е само временна. Освен това е необходимо да се осигури, че референтната стойност за дизела не е твърде висока. Ако може да се покаже, че електрическите камиони са конкурентни при посочената цена на дизела, тогава има по-голяма сигурност за заключенията на този документ. За изчисляване на стойността на функцията за разходите е необходимо да се намерят стойностите на 𝑟𝑐ℎ и факторите за ползване. Тези параметри зависят от стратегията за зареждане, както е показано по-долу. В този случай за проучване се предполага, че превозното средство ще има същия разход на енергия през целия си живот. Това позволява батерията да бъде избрана само за този конкретен тип употреба. Поради стареенето на батерията и безопасността, се предполага, че само част от капацитета на батерията ще бъде използван. Нека тази част бъде 𝑟𝑆𝑜𝐶 и полезният капацитет 𝐵𝑐𝑢. Това може да се изрази като: 𝐵𝑐𝑢=𝑟𝑆𝑜𝐶·𝐵𝑐, (2)където 𝐵𝑐 е капацитетът на батерията. Броят на възможните зареждащи цикли за съвременна литиева батерия се приема да зависи от 𝑟𝑆𝑜𝐶 според таблицата във Фигура 2а. Точният брой на животните цикли варира за различните видове Li-ion клетки, но общите тенденции са същите, т.е. броят на циклите нараства по-бързо, отколкото намалява дълбочината на цикъла, което дава обща енергийна продуктивност. Това може да се види в изследвания като [20]. Числата, използвани тук, са избрани въз основа на тестове и данни за няколко различни Li-ion клетки. Животът на батерията зависи от много фактори, например температурата. Предполага се, че системата за управление на батерията ще поддържа температурата в разрешения температурен обхват.

Фигура 2. (а) Броят на възможните зареждащи цикли за съвременна литиева батерия в зависимост от параметъра 𝑟𝑆𝑜𝐶. (б) Функция на мощността 𝑔(𝑟𝑆𝑜𝐶) е приложена към стойностите от таблицата и е показана със сини точки.

Колко цикъла са необходими по време на работния живот на батерията? Батерията трябва да може да покрие разстоянието 𝑆/2 без зареждане. Въпреки това, ако батерията е твърде тежка, съществува риск от загуба на товароподемност. Затова основната цел на компанията е да определи размера на батерията така, че точно да може да се справи с разстоянието 𝑆/2 без зареждане. Това означава, че целият полезен капацитет трябва да бъде зареждан на почивка на отдиха всеки ден, в който камионът работи. Така, всеки камион извършва три зареждащи цикъла всеки делник през седем години (стойността за продължителност на живота на батерията според Таблица 2), плюс два допълнителни зареждащи цикъла през уикендите 50 пъти годишно. Така че, броят на зареждащите цикли в работния живот на батерията, 𝑁𝑐𝑐, може да се определи по следния начин: 𝑁𝑐𝑐=3цикъла/ден·5дни/седмица·52седмици/година·7години+2цикъла/ден·50дни/година·7години=6160цикъла. (3) Тъй като стойността не съвпадна с табличните стойности във Фигура 2а, функция на мощността 𝑔(𝑟𝑆𝑜𝐶)= 𝑎·𝑟𝑆𝑜𝐶𝑏 е приложена към табличните стойности с резултат 𝑎=1957.4 и 𝑏=−1.85127 (вижте червената крива във Фигура 2б). Чрез решаване на уравнението 𝑔(𝑟𝑆𝑜𝑐)=6160 получаваме корена: 𝑟𝑆𝑜𝑐=0.5383. (4) Необходимият полезен капацитет на батерията се определя от: 𝐵𝑐𝑢=Δ𝐸Δ𝑆·𝑆2=412.5kWh. (5) Това дава капацитет на батерията от: 𝐵𝑐=𝐵𝑐𝑢𝑟𝑆𝑜𝑐=766.3kWh. (6) Сега може да се изчисли факторът за използване на батерията: Γ𝑏=𝑁𝑐𝑐·𝐵𝑐𝑢𝐵𝑐=3316EFC, (7)което е висока стойност и дава ниски разходи за батерия. Причината за тази висока стойност е, че камионът се движи в две смени и често извършва три зареждащи и разреждащи цикъла на ден. Тъй като цената на зарядните устройства и мрежата се увеличава с мощността на зарядното устройство, 𝑃𝑐ℎ , частните зарядни устройства трябва да са с най-ниска мощност. Въпреки това зарядното устройство все пак трябва да може да зарежда полезния капацитет във времето 𝑇1 и 𝑇2 и, следователно: 𝑃𝑐ℎ=𝐵𝑐𝑢min(𝑇1,𝑇2)=206.3kW. (8) В реалния живот може да има причини за надмерно допълване на зарядните устройства, но това не се разглежда тук. От дефиницията на фактора за използване на зарядното устройство, се получава Γ𝑐ℎ=𝐸𝑐ℎ𝑃𝑐ℎ·𝑇, (9)където 𝐸𝑐ℎ е общото количество доставена енергия от частното зарядно устройство през неговия работен живот. За работните дни частното зарядно устройство трябва да достави достатъчно енергия за два цикъла всеки ден. За всеки от уикендовите пътувания частното зарядно устройство трябва да достави достатъчно енергия за един цикъл. Това е така, защото целият полезен капацитет на батерията ще бъде зареден на отдиха всеки ден, в който камионът работи. Всяко зареждане изисква енергия от 412.5 kWh. Така че, енергията, доставена от частното зарядно устройство, е дадена от: 𝐸𝑐ℎ=2цикъла/ден·5дни/седмица·52седмици/година·7години·412.5kWh/цикъл+50цикъла/година·7години·412.5kWh/цикъл=1.646·106kWh. (10)което дава: Γ𝑐ℎ=13.01%. (11) Досега са определени факторите за използване на частните зарядни устройства и батериите. Сега е необходимо да се определи стойността на 𝑟𝑐ℎ , за да се намери разходът за електрически пропулс, използвайки уравнение (1). През работния си живот камионът извършва едно дневно пътуване и едно нощно пътуване всеки делник за седем години. Така че, всеки делник включва зареждане на целия полезен капацитет три пъти. Камионът също извършва 50 допълнителни нощни пътувания годишно, като всеки нощен път води до зареждане на целия полезен капацитет на батерията два пъти.

Така че, общото количество консумирана енергия през работния живот на камиона се дава от: 𝐸𝑡𝑜𝑡=3цикъла/ден·5дни/седмица·52седмици/година·7години·412.5kWh/цикъл+2цикъла/ден·50дни/година·7години·412.5kWh/цикъл=2.541·106kWh. (12) Тъй като 𝑟𝑐ℎ е енергията, заредена с частно зарядно устройство, разделена на общата консумирана енергия през работния живот на камиона, резултатът е: 𝑟𝑐ℎ=𝐸𝑐ℎ𝐸𝑡𝑜𝑡=0.6478. (13) Използвайки тази стойност, стойностите за факторите за използване и стойностите от Таблица 2 в Уравнение (1), се получава следната стойност на функцията за разходите: 𝑓𝐵𝐸𝑉=0.32EUR/kWh. (14) С оценяването на всяка част от Уравнение (1), цената на енергията от частното зареждане е 0.05 EUR/kWh, цената за публичното бързо зареждане е 0.14 EUR/kWh, цената на батерията е 0.06 EUR/kWh, а цената на частното зарядно устройство и мрежата е 0.07 EUR/kWh. Обърнете внимание, че тези отделни разходи сега са нормализирани спрямо общото количество енергия и не спрямо количество енергия от съответните зарядни устройства сами по себе си. Това означава, че бързото зареждане, което струва 0.4 EUR/kWh, ще струва 0.14 EUR/общо kWh, тъй като само 35% от общото количество енергия идва от бързото зареждане. Така тези конкретни електрически камиони се оказаха малко по-скъпи от дизеловите камиони. Икономиите ще бъдат отрицателни, а годишната стойност е: BEVsavings=(𝐶𝑑−𝑓𝐵𝐸𝑉)·𝑁𝑐𝑐·𝐵𝑐𝑢·2𝑁𝑡𝑟𝑢𝑐𝑘𝑠𝑇=−440,000EUR/year.

Тъй като гореспоменатите изчисления показват допълнителни разходи за компанията, трябва да се използва по-ефективна стратегия за зареждане. При разглеждането на отделните разходи, става ясно, че разходът за бързо обществено зареждане е най-големият. Може ли този разход да се намали? Да, ако камионите имат достатъчно големи батерии, за да се справят с дълги нощни пътувания с по-малка зависимост от бързото обществено зареждане. Въпреки това това ще увеличи други разходи, като разходите за голяма батерия. Ако всички дневни пътувания се разгледат като един вид пътувания, които консумират енергия 𝐵𝑐𝑢 , и всички нощни пътувания като друг вид пътувания, които консумират енергия 2·𝐵𝑐𝑢 , консумацията на енергия за пътуванията може да бъде представена в диаграма на разпределението на енергията, подобно на тази, представена в [8]. Има пет дневни пътувания всеки ден през седмицата за седем години, което дава 1820 дневни пътувания за един тир. Обратно, съществуват също толкова много нощни пътувания през седмицата. Въпреки това, допълнителните 50 нощни пътувания годишно равняват на 2170 нощни пътувания за периода на служба на тира. Диаграмата на разпределението на енергията за всеки тир е показана на Фигура 3 и е от тип „двустепенен правоъгълник“, подобно на този, представен в [8].

Фигура 3. Диаграмата за разпределение на енергията за всеки камион. Показано е в [8], че за диаграма за разпределение на енергията с два стъпаловидни стъпала, най-ниската стойност на функцията на разходите се получава или когато батерията може да се справи с енергийните нужди за пътувания с нисък разход на енергия, или когато батерията е достатъчно голяма, за да се справи с цялата енергия за всички пътувания, без да бъде зареждана. Трябва да се обърне определено внимание, тъй като предпоставките на този анализ не са напълно съгласувани с тези на това изследване. Въпреки това, специалният случай на батерия, която може да се справи с пътувания с висок разход на енергия, все още заслужава изследване. За голяма батерия полезният капацитет трябва да може да се справи с цялото нощно пътуване без да бъде зареждан. Така че, 𝐵𝑐𝑢=Δ𝐸Δ𝑆·𝑆=825.0kWh. За зарядното устройство трябва да се има предвид, че то трябва да отговаря на зареждането на целия полезен капацитет на батерията за време 𝑇2 и половината от този капацитет за време 𝑇1. Пак това дава мощност на зарядното устройство от: 𝑃𝑐ℎ=206.3kW. Така че, каква стойност е разумна за 𝑟𝑆𝑜𝐶? Както е видно от диаграмата за разпределение на енергията във Фигура 3, сега батерията трябва да извърши 3990 цикъла по време на своя период на служба. Освен това, 1820 от тези цикъла ще бъдат половинцикли. Така че 𝑟𝑆𝑜𝐶 може да бъде настроен, така че батерията може да издържи 3990 основни цикъла. Това също дава още по-голям резерв на сигурност в сравнение с малката батерия. Като се реши уравнението 𝑔(𝑟𝑆𝑜𝑐)=3990, се получава следният корен: 𝑟𝑆𝑜𝐶=0.6807. Това дава капацитет на батерията от: 𝐵𝑐=𝐵𝑐𝑢𝑟𝑆𝑜𝐶=1212kWh. Факторът за използване на батерията се дава от общата енергия, консумирана от един камион през неговия период на служба, разделена на капацитета на батерията. Общата консумирана енергия се получава от площта под кривата в диаграмата за разпределение на енергията във Фигура 3. Така че, Γ𝑏=(825.0kWh·2170+412.5kWh·(3990−2170))1212kWh=2097EFC. Както е очаквано, се получава по-ниска стойност за фактора за използване на батерията в сравнение с малката батерия. Резултатът е нарастващ разход за батерията. Факторът за използване на зарядното устройство се дефинира както следва: Γ𝑐ℎ=𝐸𝑐ℎ𝑃𝑐ℎ·𝑇=20.09%, В този случай 𝐸𝑐ℎ е цялата консумирана енергия от камиона през неговия период на служба, тъй като цялата енергия идва от частно зарядно устройство. Това също означава, че 𝑟𝑐ℎ=1. Факторът за използване на зарядното устройство се увеличава спрямо малката батерия. Това е разумно, тъй като зарядните устройства (които имат същата мощност) доставят повече енергия през своя период на служба. Като вмъкнем стойностите на факторите за използване 𝑟𝑐ℎ и стойностите от Таблица 2 в Уравнение (1), получаваме: 𝑓𝐵𝐸𝑉=0.24EUR/kWh. Най-големият разход е този за батерията, 0.10 EUR/kWh, следван от разходите за енергията от частното зарядно устройство, 0.08 EUR/kWh; разходите за частното зарядно устройство и мрежата, 0.07 EUR/kWh; и разходите за бързото обществено зареждане 0 EUR/kWh. Поради закръгляне, индивидуалните разходи изглежда, че се събират повече от общия разход.

Тази стратегия за зареждане изглежда обещаваща и спестяванията за компанията могат да бъдат изчислени сега: BEVsavings=(𝐶𝑑−𝑓𝐵𝐸𝑉)·𝐸𝑡𝑜𝑡·2𝑁𝑡𝑟𝑢𝑐𝑘𝑠𝑇=1,300,000EUR/year, където 𝐸𝑡𝑜𝑡 е общата консумирана енергия от един камион през неговия период на служба. Това се получава от площта под кривата в диаграмата за разпределение на енергията. Първо, изчисленията показват, че в тези обстоятелства, батерийно-електрическите камиони са конкурентни в сравнение с дизеловите камиони. Второ, те показват, че изборът на капацитет на батерията може да има значително влияние върху рентабилността на батерийно-електрическите камиони. Въпреки че разходите за батерията са големи, общите разходи за притежание могат да бъдат намалени, като се избере голяма батерия, тъй като цената на бързото обществено зареждане може също да е висока. Търговията между размера на батерията и дяла на бързото обществено зареждане може да бъде доста лесна за управление, ако са известни цената и възможностите за зареждане. Въпреки това има още компромиси, които трябва да се обмислят, като например компромисът между намалените разходи и всяко намаляване на товароподемността. Потенциалният разход за загуба на товароподемност се оценява в следващата секция.

4. Стойноста на загубите

Тъй като изчисленията показват, че голямата батерия е икономична, тази секция има за цел да оцени разходите при загуба на товароподемност. Имайте предвид, че максималният допълнителен разход, изчислен по-долу, е валиден само ако камионите винаги превозват максимално тегло. Въпреки това, за повечето камиони това не е така. Дори и с големите батерии рядко има допълнителни разходи. Често обемът на камиона ограничава товароподемността, и той може дори да не е напълно зареден.

За батерии с тегло до 1,5 тона се предполага, че няма загуба на товароподемност, докато за по-тежки батерии загубата на товароподемност е равна на теглото на батерията минус 1,5 тона (вижте Приложение А за повече подробности). За по-добра четливост и универсалност, нека 𝑚0=1,5 тона. Общият разход за експлоатация, 𝐶𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒, за камион с тегло 40 тона е около 0,9 EUR/кВтч (вижте Приложение Б за повече подробности), и той има товароподемност, 𝑚𝑝𝑙, от 27 тона (вижте Приложение А). Капацитетът на батерията на тон, 𝐵𝑐/𝑚, е 170 кВтч/тон (вижте Приложение С), което води до намалена товароподемност, 𝑚𝑟𝑝𝑙, от

𝑚𝑟𝑝𝑙=𝐵𝑐𝐵𝑐/𝑚−𝑚0.

(24)

Намалението на максималната товароподемност е 3,0 тона за малка батерия и 5,6 тона за голяма батерия. Новата товароподемност, 𝑚𝑛𝑝𝑙, се дава от

𝑚𝑛𝑝𝑙=𝑚𝑝𝑙−𝑚𝑟𝑝𝑙.

(25)

Съотношението на новия необходим брой камиони към броя камиони, когато няма загуба на товароподемност, 𝑟𝑡, може да се изрази като

𝑟𝑡=𝑚𝑝𝑙𝑚𝑛𝑝𝑙.

(26)

Накрая, максималният допълнителен разход при загуба на товароподемност, 𝐶𝑚𝑎𝑥𝑝𝑙, става

𝐶𝑚𝑎𝑥𝑝𝑙=𝐶𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒·𝑟𝑡−𝐶𝑑𝑟𝑖𝑣𝑒.

(27)

и със стойностите за малката и голямата батерия се получава

Малка батерия: 𝐶𝑚𝑎𝑥𝑝𝑙=0,11 EUR/кВтч.

Голяма батерия: 𝐶𝑚𝑎𝑥𝑝𝑙=0,24 EUR/кВтч.

Поради тези потенциално високи косвени разходи за големи батерии, компанията вероятно би предпочела решението с малка батерия, при условие че цената на бързото зареждане е достатъчно ниска. Следователно разходите за намалена товароподемност ще бъдат високи, ако товарите, които се транспортират, са високоденсни, като например каменни плочи. Също така, те може да бъдат нула, ако товарите, които се транспортират, са с ниска плътност, като пъпки на лалета. Следователно може да се заключи, че поради само плътността на товара, размерът на батерията понякога може да варира сред камиони, които се движат по идентични маршрути.

5. Брой на зарядни и цена за заредане на бързо зареждащи се сстанции

Горепосочените изчисления предполагат, че фирмата за превоз на товари би искала батериите си да бъдат с размер, който да изключи необходимостта от публично бързо зареждане, ако цената на публичното бързо зареждане е 0,4 EUR/кВтч. Следователно би било интересно да се изследва дали операторът на зарядните станции, планиращ да инсталира зарядни станции на мястото за почивка, може да намали цените си. Разходите на собственика на зарядните станции включват разходите за електричество, зарядни устройства и връзка към мрежата. Както вече споменахме, разходите за зарядното устройство и мрежата се приемат за пропорционални на мощността на зареждане и разхода на киловат-час, 𝑓𝑐ℎ, и могат да се изразят като 𝑓𝑐ℎ=𝐶𝑒+𝐶𝑐ℎ·𝑃𝑐ℎ·𝑇𝐸𝑐ℎ=𝐶𝑒+𝐶𝑐ℎΓ𝑐ℎ. (30) Първоначално може да се предположи, че фирмата за превоз на товари ще зарежда напълно камионите си на мястото за почивка. Шофьорите имат 45-минутно почивно време, което е времето, което всеки камион има за зареждане. И така, колко зарядни станции ще са необходими? Тридесет камиона напускат всяка от терминалите на интервали от 𝑇𝑔𝑎𝑝=7 минути, тъй като персоналът на терминала и портите нямат капацитет да ги изпрати едновременно. Ако първите два камиона напуснат Терминали A и B в 18:00 часа и след това преминат 𝑆/2=275 км до мястото за почивка със средна скорост от 75 км/ч и зареждат за 45 минути при пристигане, броят на зареждащите камиони (като функция на времето) може да бъде определен чрез симулации. Резултатите се представят на Фигура 4.

6. Изборът на обща мощност за бързо зареждаща се станция

Предишният раздел показа, че за да се отговори на изискванията на фирмата за товарни превози, трябва да бъдат инсталирани 16 зарядни устройства на почивното място. Пълното задоволяване на тази нужда вероятно е даденост. Фирмата за товарни превози би била ключов клиент и би зареждала голямо количество енергия шест дни в седмицата. Все пак, търсенето, например по време на обяд, вероятно би било доста високо, тъй като много шофьори вероятно имат планирана почивка в този момент. Тогава става въпрос дали е рентабилно да се задоволи върховото търсене за зареждане. Ако не, колко от върховото търсене трябва да бъде задоволено? За да се изследва това, бе предположено, че времево променливото търсене за публично бързо зареждане може да бъде оценено за даден фиксиран ценови равнище. Иначе казано, избраният ценови равнище не варира с времето. Понеже има дискретен брой превозни средства, които трябва да се зареждат, е логично да се предположи, че мощността на търсенето за зареждане ще бъде стъпкова функция на времето, както във Фигура 7a. Ако мощностното търсене е наредено по големина през експлоатационния живот на зарядните устройства, резултатът е диаграма, която наричаме разпределение на мощностното търсене (вижте Фигура 7b), където 𝑃1>𝑃2>…>𝑃𝑁 представлява мощностните търсения на различни продължителности според фигурата и 𝑇1<𝑇2<…<𝑇𝑁. Вдясно на фигурата, червената, ивицеста област представлява енергията, която би била доставена от зарядните устройства през техния експлоатационен живот за избора 𝑃𝑐ℎ=𝑃𝑁−1.

7. Дискусия

Тази статия показва, че дългосрочните батерийно-електрически товарни превозни средства могат да конкурират дизеловите камиони, дори ако цената на дизеловото гориво е само 1,2 EUR/литър (без ДДС), и още повече, ако цената на дизеловото гориво остане на текущото високо ниво от 1,8 EUR/литър. Въпреки това, това, което прави проблема сложен, е затруднението при определянето на капацитета на батерията и стратегията за зареждане, ако има значителна несигурност по отношение на цената на общественото бързо зареждане. В същото време е трудно да се определи цената на общественото бързо зареждане без да се знае колко често ще се използват зарядните устройства. Освен това, инвестицията, направена от едната страна, може да бъде рискована, ако другата страна промени стратегията си. Например, ако един превозвач започне да купува по-големи батерии, нуждата от обществено бързо зареждане може значително да намалее, което е зле за оператора на зарядни устройства. Подобно на това, ако превозвачът е избрал по-малки батерии, повишаването на цената на общественото бързо зареждане ще бъде проблематично. Въпреки това, това, което благоприятства прехода от дизелови камиони към батерийно-електрически камиони, е че тези проблеми вероятно ще намалеят с времето. Това е така, защото зареждането в дългосрочен план ще бъде много конкурентен бизнес с малко прагове за влизане. Въпреки това, по време на бърз преход, конкуренцията може да е по-слаба, тъй като има някои допълнителни прагове за влизане като високи инвестиционни рискове по време на бурен преход в индустрията, временно липсваща наличност на капацитет на мрежата и дълги времена за инсталиране. Въпреки това, колкото по-често се срещат батерийно-електрическите камиони и превозни средства, толкова по-лесно ще бъде постигането на високи фактори на употреба на зарядните устройства и следователно по-ниски цени на общественото бързо зареждане. Освен това, ценовата картина вероятно ще се промени в полза на батерийно-електрическите камиони поради увеличаването на производствения обем и технологичните напредъци. Фигура 8 сравнява разходите на основните алтернативи за изучаваната фирма за товарни превози. Във фигурата всички стойности са в EUR/кWh, а височината на бара представлява общата цена на дадена стратегия. Не е включен и косвеният разход за намаляване на товаропреносната способност, тъй като това зависи от вида стоки, които се транспортират. Това може да варира от нула до стойностите, оценени в тази статия. (Индивидуалните разходи за батерийно-електрически камион с голяма батерия изглежда се събират до повече от общия разход, но това се дължи на закръглянето.) Както вече бе казано, е вероятно, че превозвачът ще избере стратегията, представена от четвъртия бар. При осигуряване на ниска цена за бързо зареждане, това ще направи разходите за пропулсираща енергия по-ниски от разходите за настоящите дизелови камиони. Допълнително, ще има по-малко намаление в товаропреносната способност в сравнение със стратегията за голяма батерия.

9. Референции

Концепция, Й.К. и А.Г.; методология, Й.К.; софтуер, Й.К.; формален анализ, Й.К.; изследване, Й.К.; писане на първоначален чернови текст, Й.К.; преглед и редакция на текста, Й.К. и А.Г.; надзор, А.Г. Всички автори са прочели и са се съгласили с публикуваната версия на ръкописа. Финансиране Тази изследователска работа беше финансирана от Шведската администрация за транспорт, ТрипълФ, с номер на грант 2020.3.2.32. Декларация за наличие на данни Не е приложимо. Благодарности Финансовата подкрепа от Шведската администрация за транспорт беше получена с благодарност. Конфликт на интереси Авторите заявяват, че нямат конфликт на интереси. Финансовите поддръжници нямат роля в дизайна на изследването; в събирането, анализа или тълкуването на данните; в писането на ръкописа; или в решението да се публикуват резултатите.