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可持续交通白皮书

工业车辆、交通运输和船舶的电动化动力系统

全球能源消耗的25%以上和CO₂排放的近30%来自人员和货物的运输。虽然乘用车的排放因其数量庞大而常被首先考虑，但公交车、渡轮和工业车辆等非铁路运输工具也有重大影响。例如在欧盟，卡车、公交车和长途客车虽然只占交通量的不到5%，却贡献了约25%的车辆CO₂排放。此外，柴油发动机还会排放大量有害健康的颗粒物污染。

鉴于减少对地球影响的紧迫性，以及燃料价格和供应的持续波动，企业转向可持续交通方式以减少排放和能源消耗至关重要。政府间气候变化专门委员会(IPCC)计算，为防止不可逆转的气候变化，到2030年我们必须将目前的碳排放水平降低43%。世界卫生组织也建议政府采取包括实施更严格的车辆排放标准和现代化公共交通等措施来改善空气质量。

公交车等公共交通车辆的电动化已被证明能有效减少排放，相关技术已经成熟并日益普及。本白皮书探讨了持续使用化石燃料对社会的影响，以及工业车辆、交通运输和船舶动力系统电动化转型如何提供可行的解决方案。

据估计，挖掘机、起重机和推土机等柴油动力工程车辆每年共排放约400兆吨CO₂，约占全球CO₂排放量的1.1%。其中10吨以上的挖掘机排放量惊人地占到46%。除CO₂外，柴油动力车辆还排放其他有害气体和颗粒物。例如在美国，工程机械贡献了约32%的移动源氮氧化物(NOx)排放，这些物质会形成烟雾并加剧哮喘等健康问题。在英国建筑业，约8%的职业癌症病例被认为与柴油机尾气排放直接相关。

在地下采矿中，车辆通常在狭窄封闭的空间工作，CO₂和NOx等废气的积聚会迅速对工人造成危险。因此，使用柴油动力车辆的地下矿山需要大量通风系统来排出柴油废气，使工作区域的空气安全可呼吸。尽管这些通风系统是电力驱动的，但它们仍会增加矿山的总体能耗。

鉴于这些环境和健康问题，包括海洋、物料搬运和采矿在内的许多行业已经做出重大努力来减少车辆排放。国际采矿与金属理事会(ICMM)承诺到2050年或更早实现温室气体净零排放的目标，电动化将是实现这一目标的主要贡献者。虽然作业车辆的电动化在许多行业相对较新，但它可以成为一个有效且现实的解决方案。

人员和货物的运输约占世界能源消耗的25%。陆路运输主要通过公路和铁路车辆提供，我们也关注渡轮等中小型船舶。本白皮书不涉及航空运输。

虽然汽车占公路运输排放的大部分，但公交车和重型卡车也占很大比例。例如在欧盟，重型卡车和公交车占排放量的27%。与工业车辆和机械一样，运输车辆的柴油排放对气候和健康都有负面影响。根据WHO的数据，全球空气质量处于不令人满意的水平，约99%的全球人口目前呼吸的空气超过了该组织建议的限值。

由于大多数公共交通路线在人口密集的繁忙城市地区运行，柴油排放对空气质量和公共健康的影响也是许多城市的显著问题。此外，柴油发动机还会产生大量噪音和振动，影响健康和福祉，并可能导致心血管疾病和睡眠困难等问题。

铁路运输比公路运输效率高得多。虽然铁路占全球客运的9%和货运的7%，但仅占运输能源使用的3%。即使使用柴油等化石燃料的火车，平均每乘客公里的能源效率也比汽车高近12倍，每吨货物的效率比卡车高8倍。然而，由于在偏远地区提供电力基础设施的困难，世界上许多路线仍由柴油机车提供服务。

海上人员和货物运输也是温室气体排放和能源消耗的重要来源。欧盟的国际和国内航运约占运输总排放量的3.6%，过去20年排放量增加了32%，是运输部门(与航空一起)增长最快的。预计到2050年，航运排放量将增加50%至250%，可能占全球温室气体排放的17%。这主要是由于这些船舶普遍使用柴油发动机。由于这种预期增长，提高海洋作业的能源效率和可持续性至关重要。

然而，海运货物仍比公路或空运更高效，产生的CO₂排放更低。虽然85%的国际货运由船舶承担，但仅占全球CO₂排放的2-3%。相比之下，公路运输产生了所有与贸易相关的货运排放的50%以上。

随着柴油排放的低效率和风险被更广泛认知，寻找更高效、更可持续替代方案的压力越来越大。许多促进运输脱碳的倡议正在进行中，包括欧盟委员会的"可持续和智能交通战略"，旨在到2050年将运输部门排放降低90%。

对于陆地车辆，电动动力系统提供了一种有效且经过验证的方法来减少排放并提高运输效率。在海洋工业中，全电动推进系统也能提高效率，并且已经可用于中小型船舶。对于大型船舶，完全电动化更为困难，但正在研究新型更可持续的燃料，如生物乙醇等生物燃料，以及使用可再生原料和可再生能源生产的电子燃料合成碳氢化合物。此外，ABB等技术公司提供提高效率和减少燃料消耗的技术。

电动车辆是指以电力而非液体燃料或气体为主要能源的车辆。运行电动车辆需要支持它们的基础设施，无论是直接供电还是为车载电池充电。

虽然铁路运输的基础设施已经很完善，但公路运输和船舶应用的基础设施仍在开发中，尽管进展迅速。工业情况则更为分散。在一些行业，公司已经开始采用电动重型工作机械和相关基础设施，而在其他行业，这一概念仍处于相对初级阶段。

工业车辆、交通运输和船舶可以通过几种不同的方式供电，包括架空接触网、可充电电池、接触网和电池的组合，以及柴油-电力混合动力。

接触网是为行驶在其正下方的车辆供电的架空电力线。车辆通过车顶的受电弓装置连接到线路。虽然这种电动车辆的行驶范围仅限于架空电力线覆盖的路线，但接触网供电的车辆如火车和无轨电车在公共和货物运输领域已经得到充分验证。例如，接触网供电的火车在许多国家都很常见——它们已经使用了100多年——并且可以非常高效地运输大量货物。

接触网的一大优势是它们可以提供操作非常重型车辆(如机车甚至采矿卡车)所需的大量电力。近年来，接触网已在露天采矿场试用，为重型卡车供电。

注意：接触网一词用于铁路车辆、电车、无轨电车和公交车，而对于重型工作车辆通常使用电气拖缆系统一词。

近年来，随着充电基础设施和技术的快速发展，使用可充电电池的运输车辆在许多城市变得越来越普遍。然而，值得注意的是，工业和运输车辆及船舶应用所需的电池与电动和混合动力乘用车使用的电池类型不同。这些大型车辆使用的电池需要提供更多的电力，并能承受连续使用和更多的充电周期。例如，公交车等平均公共交通车辆每天使用16至18小时，而普通乘用车每天使用不到2或3小时。使用强大的新型锂离子电池技术的能量存储系统已经开发出来，以满足重型车辆的需求。

电池动力车辆需要自己的基础设施来实现充电。已经使用了几种不同类型的电池充电技术，包括插入式充电桩、接触网充电站、行驶中接触网充电以及在混合动力系统中使用柴油发动机产生的电力。一些车辆还使用可在维修站更换和充电的可拆卸电池。

能够同时使用接触网和电池的火车、电车和无轨电车也越来越普遍。这些车辆在有架空电力线的路线上使用接触网供电，在其他路线上切换到电池供电。使用两种电源的能力使交通网络能够将其车队的行驶范围扩展到架空线路的限制之外。它还使城市公交路线能够扩展，以满足不断增长的城市人口需求，在没有铁路网络的地方使电动公交车成为比汽车更好的选择。

现代系统，如ABB用于无轨电车的Bordline® ESS系统，利用接触网电力在车辆行驶时为电池充电。平均而言，1公里的接触网供电行驶可实现1公里的无接触网行驶，将车辆的无接触网行驶范围扩大50%。

混合动力柴油-电动车辆可以同时使用柴油发动机和电动机运行。根据车辆类型，电力可由接触网或电池提供，或由柴油发动机发电产生。

柴油-电力混合动力对铁路运输特别重要，因为在没有接触网网络的地区，仍有很大比例的火车依赖柴油发动机。例如，在欧盟，虽然几乎100%的城市铁路网络已经电气化，但只有60%的主线网络电气化。这是因为许多长途运输路线交通密度低，使电气化在经济上不可行。柴油-电力混合动力还使通勤列车能够在城市地区以电力运行，在城市范围外恢复使用柴油动力。

混合动力系统也是船舶的有吸引力的选择。对于中小型船舶，柴油-电动传动系统已经在使用，而对于大型船舶，正在开发新型混合动力系统。例如，正在研究超级电容器以及几种不同类型的燃料电池，它们可以与电力推进系统一起使用。这些包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池以及氢燃料电池。

电动动力系统包括几个关键组件，包括将电能转化为运动的电动机，以及调节供给电动机的电压和频率的牵引变流器/逆变器。根据电源不同，还需要其他组件。电池动力车辆需要电池和充电插座，而接触网供电车辆需要DC/DC转换器。

工业和运输车辆的电动机需要比乘用车使用的小型电动机更坚固、更强大且使用寿命更长。通常，它们将移动10吨或更重的车辆，并在长时间的工作时间内连续运行。这意味着它们必须能够提供高扭矩，并在各种负载下高效运行。此外，它们必须设计成能够承受各种天气、广泛的周围温度、极端工作条件以及冲击和振动。它们预计具有长且高效的工作寿命。

这些重型电机长期用于铁路运输，因此所需的技术已经成熟并经过验证，可以轻松有效地应用于工业车辆。例如，ABB AMXE®电机系列是紧凑型永磁同步电机，用于高效推进和辅助用途，允许配置特定长度、绕组和电压以实现所需性能。

牵引逆变器将电源的电力供应转换为可变电压和可变频率输出，以匹配车辆的需求。由于这一过程影响动力系统中的所有其他组件，因此选择高效运行的牵引变流器非常重要。

例如，对于无轨电车和火车等运输车辆，ABB的BORDLINE®紧凑型变流器是市场上最高效的产品之一。它们允许对牵引变压器和电机进行全面优化，显著减少牵引链中的损耗。实际上，这意味着典型的通勤列车可以将其能耗和成本降低高达20%。

另一个例子是ABB HES880移动驱动器，它为重型工作机器提供类似的效率优势，同时也能承受恶劣的工作条件和繁重的操作。

虽然电动机通常用于将电能转化为运动，但当与适当类型的牵引变流器/逆变器结合使用时，它们也可用于再生制动系统以发电。这些系统在制动过程中回收车辆的动能。

移动的车辆具有动能，对于相同的速度，车辆越重，其能量就越多。要驱动电动车，电能形式的能量被发送到电动机，然后电动机旋转并移动车轮。在再生制动中，系统反向工作：车轮的运动用于旋转电动机，然后电动机发电。回收的电能可以存储在车载电池中，或者如果车辆是接触网供电的，则可以反馈到网络电源中供存储或其他车辆使用。

需要注意的是，再生制动利用电动机中的磁场提供阻力并减慢车辆速度，同时产生有用的电能。相比之下，机械制动依靠制动盘或制动片产生的摩擦，然后以热量的形式损失和浪费能量。这就是为什么再生制动可以使车辆更节能。

再生系统已经在公路和铁路车辆中广泛使用，可以降低能耗和成本。它们在电动工业车辆中也越来越普遍。

当企业着手减少能源消耗和成本时，一个好的起点是全面审视其运营，识别运输、怠速、物流和现场工作等各个使用阶段的低效率。这将帮助他们确定哪些车辆、船舶和机器最适合使用电动动力系统或其他方法运行。ABB等公司拥有专业知识，可以就实施电气化项目向公司提供建议——无论是从一辆作业车辆开始还是整个车队。

值得注意的是，有时可以通过相对简单的方式提高能源效率，例如培训操作员如何高效完成任务和经济地操作机器。这种方法既适用于工作现场的操作员，也适用于董事会中的董事——公司必须选择节能。

现代电动动力系统使这一选择更加容易。使用电力而非化石燃料为车辆提供动力可以显著提高能源效率并大幅减少排放。例如，在最佳负载范围内运行时，柴油和汽油发动机的效率分别可达45%和33%。相比之下，电动机的效率通常可达约95%。牵引变流器/逆变器还可以直接控制电动机的速度和扭矩，而不是内燃机所需的通过摩擦和热量损失能量的离合器和齿轮。此外，除了效率提高外，电气化还为企业和环境带来额外好处。

电动车辆或船舶的节能和效率提升因使用技术和应用而异。然而，无论车辆是否完全电动，工业车辆、交通运输和船舶的改进都可能是巨大的。

例如，当再生制动与配备车载电池的混合动力柴油-电动压路机一起使用时，制动能量被捕获并存储。然后，电动机可以使用该能量来平衡电力需求的高峰，这反过来意味着需要更小的柴油发动机，从而将燃料消耗减少高达30%。

培训操作员高效使用机器可节省高达30%的燃料。

或者，如果柴油发动机用于发电，则可以以最有效范围的稳定状态运行，而变流器/逆变器和电动机处理可变负载。对于具有这种系统的大型工程机械，已确定的燃料节省高达20%。如果在同一类型的机器中使用电力传动系统而不是机械传动系统，再加上车载能量存储系统，据计算燃料节省可达30%。

对于具有液压系统的重型工作车辆，可以使用电动泵为区域液压系统提供动力。区域液压系统将液压分离到不同的工作区域，例如驱动系统、动臂和铲斗的液压系统。这意味着泵不需要一直为所有系统提供动力，从而节省能源，因为液压泵的工作量减少。

同时，对于完全电动的运输车辆，如接触网供电的无轨电车，如果添加ABB BORDLINE® ESS等现代车载能量存储系统，可以提高再生制动的效率，与将能量反馈回电网的系统相比，可节省15%的能源。

平均而言，电动车辆的运营成本比同等内燃机动力车辆低40%至60%。这主要是由于油箱到车轮效率提高和燃料消耗减少，以及维护需求减少。虽然电动车辆的初始投资价格可能更高，但其整个使用寿命期间的总拥有成本可能更低。例如，计算表明，电池动力电动重型车辆的总拥有成本可能比内燃机动力设备低约20%。

当由太阳能或风能等可再生能源供电时，电动车辆不产生CO₂、NOx或其他排放物，也不排放任何颗粒物污染。即使它们使用化石燃料发电站提供的电力，总体排放量仍然较低，并且在车辆周围区域不产生排放或污染。

例如，如果用ABB电动动力系统(使用电池电力以及AMXE电机和HES880驱动器)替换24吨挖掘机中的柴油发动机，每年可消除48吨CO₂排放。

电动车辆可以提高某些应用的生产力。这是因为电动机效率更高，向车轮传递更多动力。当重型车辆(如矿用卡车)将负载拖上山时，这一点尤其有益——每单位能量每吨做更多有用功，并且车辆可以更快但同样安全地行驶。如果车辆还具有再生制动系统，则可以在下山途中回收大量能量，进一步降低每吨能耗。

电动动力系统还可以让操作员更好地控制重型机械。这是因为电动系统对操作员输入即时响应，使他们能够更准确地控制并更清楚地感受机器的工作状态，从而使操作更容易。相比之下，传统的由内燃机驱动的液压系统总是有少量滞后，这使得操作要求更高且精度稍低。

所有内燃机都会产生烟雾和热量。在渡轮等工作机器上，烟雾通过排气管排出，发动机的热量通过散热器和风扇管理和散发。然而，在地下矿井等封闭环境中，烟雾和热量也必须通过通风和冷却系统从工作区域排出。因此，地下矿井高达40%的能源成本来自为这种通风系统供电。

相比之下，电动车辆不排放烟雾，产生的热量也比柴油发动机少得多。这意味着它们可以减少冷却和通风需求，并降低能耗和相关成本。这也意味着需要更少的通风井，从而降低建设成本。

大型柴油发动机会产生大量噪音和振动。噪音意味着工人通常必须佩戴护耳设备，振动会导致疲劳。此外，噪音和振动会干扰旁观者，并且在建筑密集区域，工作时间可能会受到严格监管，以尽量减少对公众的干扰。电动机更安静，产生的振动也少得多，这使得操作不那么疲劳。而且，由于干扰小得多，电动动力机器通常可以在夜间运行，即使在人口稠密的地区也是如此。这也延长了它们的生产工作时间。

挪威Nasta AS公司分销、重新设计和重建日立柴油驱动工程机械。它将挖掘机等车辆转换为使用电池电力或直接电缆连接运行。转换程序包括安装ABB动力系统组件(如电动机和驱动器)以及能量管理系统、电池和充电解决方案，以及电源连接。

重型车辆电动化提供了明显的环境效益。柴油驱动的24吨挖掘机通常每年使用约18,000升燃料，产生约48吨二氧化碳排放。升级后，这些CO₂排放被消除，二氧化硫(SOx)排放也被消除，机器产生的噪音也小得多。这些因素改善了建筑工地工人和附近生活或工作的人们的环境。此外，操作员告诉Nasta，电动化机器在挖掘时反应更灵敏。

ABB的节能驱动解决方案和能量存储系统正在帮助市政公共交通公司实现零排放交通的目标。

配备ABB动力系统技术的电动公交车比传统柴油动力车辆可持续得多。这些公交车已经在欧洲多个城市上路，特别是苏黎世公共交通公司(VBZ)的83路公交车，该线路完全使用电力运行。

公交车通过现有接触网和电池电力的组合运行。安装在车顶的能量存储系统在公交车行驶在配备接触网的现有路段时充电。特别是能量存储器的动态充电为拥有广泛接触网基础设施的城市在扩展网络时提供了极大的灵活性。

尽管柴油仍为大多数工业车辆、交通运输和船舶提供动力，但电动化解决方案正在迅速发展。依赖接触网和电池电力以及柴油-电力混合动力的电动动力系统已经在电动公交车、无轨电车和火车等重型车辆中证明了其价值，并展示了明显的效率和成本优势。现在，从这些领域获得的技术和专业知识正越来越多地应用于工业车辆、交通运输和船舶。得益于电气化的进步，更高效、更低排放的工业车辆现在触手可及。