摘 要

 

該文論述了當前氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及主要應用場景，詳細分析了氫燃料電池車輛的購車成本及運營成本，全面比較了氫燃料電池車與燃油車、純電動車的全生命周期成本，最后對氫能交通各方面成本進行預測。在國家燃料電池汽車示范運營政策推動下，氫燃料電池車在中遠途、中重型交通運輸領(lǐng)域具備一定競爭力，補貼后氫燃料電池車的購車成本已經(jīng)接近甚至低于柴油車和純電車。隨著整車及氫氣終端銷售價格持續(xù)下降，有望最早在2026年實現(xiàn)氫油平衡；2029年實現(xiàn)氫電平衡。

 

引 言

 

氫能是一種清潔、高效的二次能源，能夠在石化，冶金、交通等領(lǐng)域替代傳統(tǒng)能源從而實現(xiàn)深度脫碳，改變現(xiàn)有對傳統(tǒng)化石能源高度依賴的局面，在我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標背景下具有深刻意義。氫能在交通領(lǐng)域的應用主要是氫燃料電池汽車，其具有零排放、長續(xù)航、補能快、耐低溫等特點，可在特定場景下彌補現(xiàn)有燃油車和純電動汽車的諸多不足。

 

我國從“十五”開始就把氫燃料電池汽車作為新能源汽車“三縱三橫”發(fā)展路徑之一。2020年9月，國家五部委共同發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，提出對燃料電池汽車示范采取“以獎代補”的鼓勵措施[1]。近期，第一批公布的京津冀、上海和廣東以及第二批公布的河南及河北5個示范城市群已陸續(xù)啟動。隨著國家獎勵政策的出臺，各地紛紛發(fā)布了一系列燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及支持政策 [2-4]。2022 年 3 月，國家發(fā)展改革委、能源局聯(lián)合發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021–2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》），這是氫能產(chǎn)業(yè)的國家頂層設(shè)計[5]。《規(guī)劃》定位氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向，并提出到2025年氫燃料電池車保有量達到5萬輛的發(fā)展目標。

 

該文綜述了現(xiàn)階段氫能交通發(fā)展現(xiàn)狀及前景，測算了不同用途氫燃料電池車的全生命周期成本，以具代表性的4.5噸物流車及49噸重卡為例，將氫能車與柴油車、純電動車的全生命周期成本進行了比較。（關(guān)注氫電邦公眾號帶你了解更多干貨資訊）在此基礎(chǔ)上分析了燃料電池成本下降趨勢，并預測了未來氫油平衡及氫電平衡的氫氣價格及最早時間。

 

1、氫能交通發(fā)展概況

 

1.1、全球氫能交通發(fā)展現(xiàn)狀

 

截至2021年底，全球氫燃料電池汽車保有量約50 000輛[6]。其中，韓國由于政府對車輛購置的高額補貼和生產(chǎn)企業(yè)的積極推進，燃料電池汽車保有量超過18 289輛，僅2021年就新增超8 000輛；美國保有量為12 272輛；中國保有量8 938輛，位居全球第三，詳見圖1。

 

 

截至 2021 年底，全球累計建成加氫站約 700座。其中，中國已累計建成220座，累計投入運營178座，位居全球第一；日本已投營加氫站154座，緊隨其后；德國累計投營加氫站也超過了 100 座。我國加氫站以服務(wù)氫燃料電池商用車為主；其他國家加氫站則主要服務(wù)于氫燃料電池乘用車。

 

1.2、國內(nèi)氫能交通應用前景

 

近幾年我國氫燃料電池車輛推廣及加氫站建設(shè)呈現(xiàn)較快增長。已推廣的氫燃料電池車中，物流車占比約60%，公交車占比約25%，其余主要為市政環(huán)衛(wèi)、渣土車等特種作業(yè)車以及氫能重卡。在加氫站建設(shè)方面，當前我國投營的加氫站主要為35 MPa氣氫加氫站，設(shè)計加氫能力多為500 kg/天；部分企業(yè)開始示范加注壓力70 MPa、加氫能力1 000 kg/天以上的加氫站，例如中國石化為冬奧會服務(wù)的北京延慶慶園街站、王泉營站以及河北西灣子加氫站等。

 

由于氫燃料電池車輛能量密度更大、自重更低，在中遠程、中重型商用車領(lǐng)域應用前景廣闊。根據(jù)中國汽車工程學會統(tǒng)計[7]，當前我國重卡保有量已突破800萬輛，隨著國三標準重卡的加速淘汰及部分地區(qū)對國四標準柴油車采取限行措施，未來5 ——10 年有望釋放高達 600 萬輛的重卡替換市場。與電動重卡相比，氫燃料電池重卡有諸多優(yōu)勢，相信氫燃料電池重卡有望成為氫能交通應用場景的重要組成部分。

 

2、氫燃料電池車全生命周期成本分析

 

2.1、基本假設(shè)

 

汽車全生命周期擁有成本（total cost of ownership，TCO）主要考慮車輛的購置成本、運營成本（含燃料、保險、維修及人工等）以及報廢殘值[8-10]，計算公式可定義為：TCO ＝購車成本＋能源費用＋維保費用＋人工成本——報廢殘值。在購車成本一定的情況下，TCO 主要受燃料價格波動影響。假設(shè)氫氣價格 35 元 /kg（不考慮加氫補貼），柴油價格9元/L（參照當前市場價），充電價格1.2元/kW·h（含電價和服務(wù)費）；柴油車尿素消耗量為柴油的5%（v），尿素價格4元/L，柴油車尿素費用計入能源費用，其它運營費用參照市場價估算；假設(shè)同一用途、不同燃料類型的車輛在全生命周期內(nèi)行駛里程完全一樣，使用壽命統(tǒng)一按照5年，年行駛天數(shù)350天，日行駛里程150 km；氫燃料電池車在“以獎代補”政策期內(nèi)享受購車補貼，補貼標準按照中央和地方1:1的比例配套，并以第一年獎勵額度作為基準。

 

2.2、全生命周期成本分析

 

分別計算4.5噸物流車、冷鏈車、13噸物流車、49噸重卡以及城市公交車分別采用氫能、柴油和電作為驅(qū)動能源情況下的TCO，如表1所示。不考慮購車補貼，同等配置的柴油車購車成本最低，氫燃料電池車購車成本最高。例如，同樣是4.5噸廂式物流車，柴油版為10萬元，電動版為18萬元，氫燃料電池版高達60萬元。運營成本上，在滿足氫氣價格不高于35元/kg前提下，中小型車輛（13噸以下物流車和冷鏈車）采用氫能源的運營成本已經(jīng)低于柴油車，49噸重卡和公交車由于百公里氫耗較大，導致運營成本仍然高于柴油車和電動車。比較補貼前各類車輛的單位TCO（每公里TCO）發(fā)現(xiàn)，氫燃料電池車是同類型柴油車的1.5——1.6倍，是純電動車的1.7——1.8倍。

 

在考慮購車補貼的情況下，4.5噸氫燃料電池物流車購買成本與純電動車接近，單位TCO降至3.08元，僅比柴油車高0.05元；氫燃料電池冷鏈車的單位 TCO 已低于柴油車；49 噸氫燃料電池重卡購買成本僅30萬元左右，顯著低于柴油車和電動車，且單位TCO也降至6.02元，僅為同等柴油車的1.1倍、純電動車的1.2倍。

 

到 2025 年，我國將陸續(xù)建成一批可再生能源制氫項目，如中國石化新疆庫車2萬噸/年光伏制氫項目、鄂爾多斯 3 萬噸 / 年風光制氫項目等；屆時低價綠氫將成為交通領(lǐng)域重要的能源供應，氫氣價格有望降至30元/kg。另一方面，預計未來油價仍維持高位，充電價格將小幅下降（服務(wù)費隨著競爭加劇會逐漸下降，但電動車對充電需求增大會導致電網(wǎng)負荷加劇，用電高峰期電價可能更高）。預計2025年柴油價格8元/L，充電價格1.1元/kW·h，則4.5噸氫燃料電池物流車單位TCO降至2.98元，同等柴油車單位TCO為2.91元，電動車2.57元；49噸氫燃料電池重卡單位TCO降至5.42元，同等柴油車單位TCO為5.33元，電動車4.83元，均有不同程度的下降。

 

 

2.3、氫燃料電池車競爭力分析

 

氫燃料電池車與柴油車和純電車相比具有諸多優(yōu)勢：1）從經(jīng)濟性上看，在國家示范城市群政策期內(nèi)，補貼后氫燃料電池車的購車成本已經(jīng)接近甚至低于柴油車和純電車，且單位TCO與柴油車和純電動車相比也具有一定競爭力。今后隨著電堆系統(tǒng)規(guī)模化生產(chǎn)、技術(shù)進步以及加氫成本的降低，氫燃料電池車的經(jīng)濟性有望進一步凸顯，迎來爆發(fā)式增長；2）從使用便利性上看，氫燃料電池車具有與柴油車類似的便捷性，加氫時間遠遠短于充電時間，單次續(xù)駛里程比電動車更長，且同款車型載重量要高于電動車，同時還能滿足重載、低溫環(huán)境啟動等苛刻條件的要求，在中長途運輸方面更具有優(yōu)勢；3）從環(huán)保角度看，氫燃料電池車與電動車一樣具有零排放優(yōu)勢，每使用1 kg氫氣替代汽柴油可減排10——15 kg二氧化碳，且無NOx及顆粒物排放，對于在交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標具有重要推動作用。

 

3、氫能交通成本下降趨勢及預測

 

3.1、電堆系統(tǒng)成本下降趨勢

 

美國能源部（DOE）曾預測[11，12]，當燃料電池系統(tǒng)量產(chǎn)規(guī)模達到1 000套/年時，系統(tǒng)成本有望降至200美元/kW；當量產(chǎn)規(guī)模達到1萬套/年時，系統(tǒng)成本有望降至120美元/kW左右。2021年，我國燃料電池系統(tǒng)企業(yè)訂單規(guī)模尚不足1 000套/年，再加上部分零部件仍舊依賴進口，導致電堆系統(tǒng)成本在5 000元/kW左右。隨著第一批國家示范城市群正式啟動運行，燃料電池系統(tǒng)出貨量勢必迎來快速增大，有望帶來成本的大幅下降。到2025年，我國燃料電池車輛累計推廣將超過5萬輛，主流系統(tǒng)制造企業(yè)量產(chǎn)規(guī)模有望達到1臺套/年，預測系統(tǒng)成本下降40%——50%至2 500元/kW甚至更低[6]詳見圖2；預測到2030年將降至740——1 200元/kW，若政策強力推動將降至400——800元/kW。即使在國家補貼標準逐年退坡的情況下，系統(tǒng)成本仍將保持快速下降趨勢

 

 

3.2、整車成本組成及下降趨勢

 

當前，受限于燃料電池出貨量少、研發(fā)成本高、部分組件需要進口等原因，氫燃料電池車的整車成本仍然較高。以49噸氫燃料電池重卡為例，整車成本約140萬元。其中燃料電池系統(tǒng)功率130 kW，成本約65萬元，占比46%；車載儲氫系統(tǒng)（約40 kgH2）成本約25萬元，占比18%；需配備動力電池120kW·h，成本占比9%；此外電機及驅(qū)動系統(tǒng)占比約13%；車身及其他部分占比 14%，詳見圖 3。由于大量關(guān)鍵零部件尚未國產(chǎn)化，依賴進口，燃料電池和儲氫系統(tǒng)的成本合計占比達64%，是現(xiàn)階段燃料電池車輛成本高昂的主要原因。

 

 

根據(jù)上文預測，到2025年電堆系統(tǒng)成本將下降40%——50%，車載儲氫系統(tǒng)成本也有望按同等水平下降。因此，預計政策期結(jié)束后，49噸燃料電池重卡的整車成本將降至90——100萬元，與純電動重卡基本一致。

 

3.3、能源成本下降趨勢及平衡點預測

 

當氫燃料電池車的TCO成本降到和燃油車及純電車相等水平時，即實現(xiàn)氫油平衡和氫電平衡。預計部分示范城市群四年政策期后補貼仍然存在，且燃料電池車整車成本有望下降50%以上。綜合考慮補貼及成本下降趨勢，未來燃料電池車購車成本仍將維持在較低水平。基于此，假設(shè)用戶端購車成本保持不變，氫燃料電池車TCO主要受氫氣價格變化影響。以49噸氫燃料電池重卡為例，不考慮油價及充電價格變化，當氫氣價格下降至33元/kg時，即可實現(xiàn)氫油平衡；當氫氣價格下降至 27 元 /kg 時，即可實現(xiàn)氫電平衡。未來幾年內(nèi)，氫氣價格將保持快速下降趨勢，而油價和電價也在動態(tài)變化，根據(jù)前文對2025年氫價、油價及電價的預測，氫油平衡的時間點最快在2026年左右到來，而氫電平衡最快在2029年實現(xiàn)，詳見圖4。

 

 

4、結(jié)論

 

在國家燃料電池汽車示范應用政策期內(nèi)，氫能在交通行業(yè)尤其是中遠途、中重型商用車領(lǐng)域逐漸具備與傳統(tǒng)燃油車和純電動車相媲美的競爭力。隨著技術(shù)進步及規(guī)模化生產(chǎn)，氫油平衡最早有望在2026年實現(xiàn)，氫電平衡有望在2029年左右實現(xiàn)。展望未來，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的推進及燃料電池汽車示范政策的推動，氫能在交通運輸領(lǐng)域?qū)⒌玫酱笠?guī)模應用，助力我國交通能源行業(yè)順利實現(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”。