目前，约有 700 万辆中型和重型货运卡车在美国行驶，而且几乎所有卡车都由传统的内燃机（ICE）驱动。这些车辆产生的温室气体排放量（GHGs）占交通部门温室气体排放总量的 25% 以上，其中包括二氧化碳和氮氧化物，这些污染物威胁着人们的呼吸系统和心血管健康。
随着卡车运输的持续增长--预计到 2050 年，约 65% 的货运吨位将由卡车运输--排放量也将随之增长。美国面临着一个过渡点，必须向可再生能源和零排放汽车 (ZEV) 转型。与内燃机车不同，零排放（ZE）卡车，如电池电动车（BEV）或以氢为动力的燃料电池电动车（FCEV），不会产生直接的尾气排放。
2022 年 11 月，美国承诺到 2040 年全国 ZE 卡车销量将达到 100%。因此，我们预计在所有中型和重型卡车中，ZE 卡车的运营比例将从目前的不到 1% 增长到 2050 年的 75%以上。考虑到运输行业的温室气体排放量巨大，转向使用纯电动卡车可推动国家向更清洁、更环保的方向发展，并为车队运营商带来更高的总体拥有成本。
货运卡车行业现在就可以实现脱碳，从而对经济和排放产生巨大影响；但是，大规模推广混合动力卡车需要适当的基础设施来支持商业货运行程，就像内燃机汽车需要沿途加油站一样。因此，我们面临着一个先有鸡还是先有蛋的问题。是先有 ZE 卡车，还是先有支持 ZE 卡车的加油站和充电站？电池电动卡车和燃料电池卡车需要一个最基本的充电和加油网络才能运行，但在当前没有维持（甚至使用）需求的情况下，大量投资基础设施是否合理？
本文探讨了如何利用最关键的货运线路来规划最基本的可行基础设施网络，以支持零排放卡车的过渡，并概述了该网络在 2050 年需要达到的目标。奠定这一基础可以为车队运营商和卡车原始设备制造商（OEM）注入信心，使其加快向 ZEV 过渡的步伐，同时也表明公共部门对此的承诺。
麦肯锡分析了当今美国的货运量，并预测了未来几十年的变化情况。通过分析行程特征和动力总成需求，我们能够绘制出内燃机车、纯电动车或电动汽车的卡车流向图，从而绘制出各州加油站或充电站的最佳分布图，以保证每辆卡车的正常运行。
现在正是公共部门实体、私人利益相关者和车队所有者开始认真为未来的零排放货运奠定基础的时候。实现过渡目标可能需要 10 到 20 年的基础设施建设，因此从一开始就需要协调努力。我们希望，将所有这些利益相关者的跨行业见解汇总起来，让私营和公共实体了解未来可能的发展方向，从而帮助加快去碳化进程。
随着公共和私营部门制定过渡目标，ZE 卡车的采用速度正在加快
零排放卡车很可能成为美国未来货运的主流。联邦政府和州政府已经出台了相关法规和激励措施，以促进这一过渡。联邦层面的行动包括针对零排放车辆、零部件和基础设施的激励计划和税收减免，收紧车队排放标准，以及调整对净零排放车队可用性的预期。例如，《2021 年两党基础设施投资与就业法案》为美国的充电基础设施拨款 75 亿美元。同时，《2022 年通货膨胀削减法案》为购买商用纯电动卡车和安装充电基础设施提供税收减免，并为现有汽车制造商提供补助金，使其能够用纯电动汽车制造设备改装其设施。
各州政府为这些措施制定了配套措施，为在其道路上行驶的零排放卡车数量设定了目标，并禁止内燃机汽车在未来进入。在私营部门，通用汽车等汽车制造商宣布了逐步淘汰内燃机汽车生产的计划，沃尔玛和联合利华等公司也宣布了其车队的减排计划。
绘制美国卡车货运流图
货运路线是美国经济的重要通道。通过了解货运的目的，我们可以将货物流与 2050 年的路线和交通要求联系起来，从而为维持这些未来路线所需的动力系统组合提供信息。这种动力系统组合可用于计算支持这些 ZEV 卡车所需的基础设施。
为了直观地展示当前的货运流量，我们使用麦肯锡未来交通中心的货运预测，将商品流和起点-终点城市对映射到各州的车辆流量上。不出所料，重型卡车（HDT）目前主要集中在中西部和横贯大陆的走廊上，而中型卡车（MDT）则主要在大城市之间的区域走廊上运行。
在这一可视化的基础上，商品增长预测被用来描绘未来加长型运输工具（HDT）和多式联运工具（MDT）的分布和数量可能会如何演变，从而完善到 2050 年货运流的形象。随着向零排放卡车过渡的速度加快，货运流可视化显示了零排放基础设施可能需要提供的覆盖范围。
将货运行程与车辆动力系统相匹配
通过对行程特征进行更深入的研究，我们可以进一步了解预计未来将在既定货运路线上行驶的 ZE 动力系统类型（BEV 或 FCEV），以及支持这些动力系统所需的基础设施--无论是针对 BEV 卡车的电动汽车充电基础设施 (EVCI) 还是针对 FCEV 卡车的加氢站 (HRS)。
通过本文的分析，我们可以根据距离、续航里程、充电时间和卡车特性，并基于今天对未来技术能力的假设，确定最佳的 ZE 卡车动力系统。让我们来看两个路线示例： 旧金山至洛杉矶和旧金山至纽约。
在旧金山到洛杉矶的典型行程中，BEV 将是最佳的动力系统选择。在这条经常有 MDT 行驶的较短路线上，电力供应的增加可能会使燃料成本与内燃机车和 FCEV 相比更具竞争力。电池的续航能力也可以让车辆在不停车的情况下完成整个行程，这一点非常重要，因为 BEV 的充电时间较慢。
在旧金山到纽约的长途旅行中，FCEV 可能是最理想的动力系统匹配。FCEV 较高的续航里程意味着更少的停车次数，而且 FCEV 较快的加油时间预计可将行程时间缩短 25%。虽然燃料成本略高，但更快的交付时间和节省的人力表明，在这次旅行中，FCEV 比 BEV 更有效率。
有了这些信息，我们就可以开始规划既定货运路线沿线对充电和加气中心的需求，确保基础设施的建设能够支持未来几十年的 ZE 卡车类型和交通量。
需要多少充电站和加气站来支持这一转变？
转向 ZE 卡车可能需要对公共充电和加气基础设施进行大量投资。根据货运流量预测，并结合预期的动力总成采用情况和能源需求，我们估算了未来为保证 ZE 卡车运行而可能需要的公共 HRS 和 EVCI 站的数量。总体而言，为美国 HDT 和 MDT 投资这些站点可能会导致总计约 200 亿至 300 亿美元的资本支出（仅建筑成本）。
除上述估算外，电网升级、氢气压缩和分配投资等配套基础设施很可能也是必要的。
可能影响 ZE 卡车和基础设施预测的主要趋势
在未来几十年中，有四大干扰因素可能会显著改变 ZE 卡车市场的发展（因此也会改变这些预测）--对货运路线上预期的动力系统类型和数量以及对公共充电站和加气站的需求产生影响：
近岸化和区域化： 供应短缺、运输困难以及对可持续发展的关注等多重因素导致人们越来越关注近岸化和区域化。在未来几十年里，这可能会改变水港和陆港之间的货运量分配方式。与 FCEV 卡车相比，区域性运输的增加和长途运输的减少也可能导致 BEV 卡车的使用率提高。
自主卡车运输： 目前正在开发自动驾驶卡车，用于中途陆路运输，通常用于仓库之间的运输。由于不需要司机休息，长途运输变得更快、更经济。因此，与区域和城市运输相比，长途运输的频率可能会增加。利用 FCEV 技术将进一步提高效率，因为加氢速度明显快于 BEV。因此，自动驾驶技术可能有助于加速 FCEV 的采用。鉴于长途旅行时间的减少，长途旅行的频率可能会比城市和区域距离增加。
价值链的变化： 受益货主（BCO），如拥有自己配送车队的电子商务公司，以及拥有基于平台的数字商业模式的公司，可能会对传统价值链产生重大影响，因为BCO拥有大型车队，并倾向于依赖私人基础设施。随着 BCO 的发展，车队所有者可能会越来越多地使用自己的私人充电站或加油站，这可能会为现有的公共加油站腾出空间。
货运无人机： 使用商业无人驾驶飞行器（UAVs）进行最后一英里和远程配送，将需要一类新的基础设施，包括机场、无人驾驶飞行器充电站。这可能会从目前 MDT 的城市出行中获取运输量。
电子燃料： 电子燃料是用以前捕获的二氧化碳制造的合成燃料。电子燃料可用于为内燃机引擎提供动力，但其燃烧仍会导致尾气排放。不过，由于电子燃料在总体上不影响二氧化碳的平衡，目前某些欧洲国家正在推动扩大合成燃料的生产和使用。美国的可再生努力是否接受这种燃料--可能取决于使用电子燃料所产生的排放在多大程度上符合美国的监管标准--可能会在我们的预测中增加内燃机汽车的普及率，并减少对 EVCI 或 HRS 的需求。
推广 ZE 基础设施是一项共同的事业
在建立未来的零排放基础设施方面，公共部门和私营部门都可以发挥作用。公共部门可以重点关注配套基础设施、行业合作和社会发展，而私人利益相关者则可以考虑从产品开发、投资和运营等方面进行思考。
为了实现这一转变，公共部门需要做些什么？
政府可以考虑几个重要问题，以加强和支持零排放卡车的过渡，其中包括
电网能否持续以高速度提供大量电力，或者说，随着充电器规模的扩大和速度的加快，电网是否需要升级？
鉴于目前加氢站的使用有限，政府如何大规模启用加氢站的后端基础设施？
政府机构如何与私人利益相关者合作，既鼓励向 ZEV 过渡，又创建可自我维持的企业？
随着车辆特性与 ZEV 的发展（例如，重型电池的引入会影响道路维护和桥梁重量阈值），高速公路、道路和桥梁的规划与发展如何变化？
作为 ZEV 过渡和基础设施建设的一部分，各州如何鼓励在本地区创造就业机会？
为实现这一过渡，需要私营部门做些什么？
在监管和消费者压力的推动下，私营部门也可能在实现 ZEV 过渡方面发挥重要作用。私营部门在努力实现零排放卡车过渡时，可以考虑思考一些关键问题，包括
随着商品生产者货运量的增长，他们对技术的要求会如何发展，以满足产品运输需求的增长？
ZE 卡车制造商如何考虑其开发时间表和生产中的动力系统组合？
EVCI 和 HRS 运营商如何决定充电站的位置，以及如何与州政府和地方政府合作？
公共和私营部门已经在向零排放的未来迈进，但要振兴零排放货运网络，就必须立即采取协调一致的行动。建设和规划零排放基础设施需要大量的时间和投资，而美国到 2040 年停止销售内燃机卡车的目标也日益临近。了解挑战的范围应该是第一站，因为绘制当前路线图将清楚地说明未来货运车队需要哪些动力。密切关注技术发展也是必要的，以确保该行业避免任何盲点。从现在开始，一张清晰的地图、一份明智的工具清单以及一个坚定的集体的支持，将使美国在通往2050年无排放目标的道路上越走越远。
