氫能交通研究：氫油平衡最早有望在2026年實(shí)現(xiàn)

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(shí)現(xiàn)深度脫碳，改變現(xiàn)有對(duì)傳統(tǒng)化石能源高度依賴(lài)的局面，在我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)背景下具有深刻意義。氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要是氫燃料電池汽車(chē)，其具有零排放、長(zhǎng)續(xù)航、補(bǔ)能快、耐低溫等特點(diǎn)，可在特定場(chǎng)景下彌補(bǔ)現(xiàn)有燃油車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的諸多不足。

我國(guó)從“十五”開(kāi)始就把氫燃料電池汽車(chē)作為新能源汽車(chē)“三縱三橫”發(fā)展路徑之一。2020年9月，國(guó)家五部委共同發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用的通知》，提出對(duì)燃料電池汽車(chē)示范采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的鼓勵(lì)措施。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(gè)示范城市群已陸續(xù)啟動(dòng)。隨著國(guó)家獎(jiǎng)勵(lì)政策的出臺(tái)，各地紛紛發(fā)布了一系列燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及支持政策 。2022 年 3 月，國(guó)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(zhǎng)期規(guī)劃(2021–2035年)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)劃》)，這是氫能產(chǎn)業(yè)的國(guó)家頂層設(shè)計(jì)?！兑?guī)劃》定位氫能是未來(lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分，是用能終端實(shí)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(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向，并提出到2025年氫燃料電池車(chē)保有量達(dá)到5萬(wàn)輛的發(fā)展目標(biāo)。

氫能交通發(fā)展概況

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(chē)保有量約50000輛。其中，韓國(guó)由于政府對(duì)車(chē)輛購(gòu)置的高額補(bǔ)貼和生產(chǎn)企業(yè)的積極推進(jìn)，燃料電池汽車(chē)保有量超過(guò)18 289輛，僅2021年就新增超8 000輛;美國(guó)保有量為12 272輛;中國(guó)保有量8 938輛，位居全球第三。

截至 2021 年底，全球累計(jì)建成加氫站約 700座。其中，中國(guó)已累計(jì)建成220座，累計(jì)投入運(yùn)營(yíng)178座，位居全球第一;日本已投營(yíng)加氫站154座，緊隨其后;德國(guó)累計(jì)投營(yíng)加氫站也超過(guò)了 100 座。我國(guó)加氫站以服務(wù)氫燃料電池商用車(chē)為主;其他國(guó)家加氫站則主要服務(wù)于氫燃料電池乘用車(chē)。

2、國(guó)內(nèi)氫能交通應(yīng)用前景

近幾年我國(guó)氫燃料電池車(chē)輛推廣及加氫站建設(shè)呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)。已推廣的氫燃料電池車(chē)中，物流車(chē)占比約60%，公交車(chē)占比約25%，其余主要為市政環(huán)衛(wèi)、渣土車(chē)等特種作業(yè)車(chē)以及氫能重卡。在加氫站建設(shè)方面，當(dāng)前我國(guó)投營(yíng)的加氫站主要為35 MPa氣氫加氫站，設(shè)計(jì)加氫能力多為500 kg/天;部分企業(yè)開(kāi)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(guó)石化為冬奧會(huì)服務(wù)的北京延慶慶園街站、王泉營(yíng)站以及河北西灣子加氫站等。

由于氫燃料電池車(chē)輛能量密度更大、自重更低，在中遠(yuǎn)程、中重型商用車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)重卡保有量已突破800萬(wàn)輛，隨著國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)重卡的加速淘汰及部分地區(qū)對(duì)國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)柴油車(chē)采取限行措施，未來(lái)5 ～10 年有望釋放高達(dá) 600 萬(wàn)輛的重卡替換市場(chǎng)。與電動(dòng)重卡相比，氫燃料電池重卡有諸多優(yōu)勢(shì)，相信氫燃料電池重卡有望成為氫能交通應(yīng)用場(chǎng)景的重要組成部分。

氫燃料電池車(chē)全生命周期成本分析

1、基本假設(shè)

汽車(chē)全生命周期擁有成本(total cost of ownership，TCO)主要考慮車(chē)輛的購(gòu)置成本、運(yùn)營(yíng)成本(含燃料、保險(xiǎn)、維修及人工等)以及報(bào)廢殘值，計(jì)算公式可定義為：TCO =購(gòu)車(chē)成本+能源費(fèi)用+維保費(fèi)用+人工成本-報(bào)廢殘值。在購(gòu)車(chē)成本一定的情況下，TCO 主要受燃料價(jià)格波動(dòng)影響。假設(shè)氫氣價(jià)格 35 元 /kg(不考慮加氫補(bǔ)貼)，柴油價(jià)格9元/L(參照當(dāng)前市場(chǎng)價(jià))，充電價(jià)格1.2元/kW·h(含電價(jià)和服務(wù)費(fèi));柴油車(chē)尿素消耗量為柴油的5%(v)，尿素價(jià)格4元/L，柴油車(chē)尿素費(fèi)用計(jì)入能源費(fèi)用，其它運(yùn)營(yíng)費(fèi)用參照市場(chǎng)價(jià)估算;假設(shè)同一用途、不同燃料類(lèi)型的車(chē)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(chē)在“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策期內(nèi)享受購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)按照中央和地方1:1的比例配套，并以第一年獎(jiǎng)勵(lì)額度作為基準(zhǔn)。

2、全生命周期成本分析

分別計(jì)算4.5噸物流車(chē)、冷鏈車(chē)、13噸物流車(chē)、49噸重卡以及城市公交車(chē)分別采用氫能、柴油和電作為驅(qū)動(dòng)能源情況下的TCO，如表1所示。不考慮購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼，同等配置的柴油車(chē)購(gòu)車(chē)成本最低，氫燃料電池車(chē)購(gòu)車(chē)成本最高。例如，同樣是4.5噸廂式物流車(chē)，柴油版為10萬(wàn)元，電動(dòng)版為18萬(wàn)元，氫燃料電池版高達(dá)60萬(wàn)元。運(yùn)營(yíng)成本上，在滿(mǎn)足氫氣價(jià)格不高于35元/kg前提下，中小型車(chē)輛(13噸以下物流車(chē)和冷鏈車(chē))采用氫能源的運(yùn)營(yíng)成本已經(jīng)低于柴油車(chē)，49噸重卡和公交車(chē)由于百公里氫耗較大，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本仍然高于柴油車(chē)和電動(dòng)車(chē)。比較補(bǔ)貼前各類(lèi)車(chē)輛的單位TCO(每公里TCO)發(fā)現(xiàn)，氫燃料電池車(chē)是同類(lèi)型柴油車(chē)的1.5～1.6倍，是純電動(dòng)車(chē)的1.7～1.8倍。

在考慮購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼的情況下，4.5噸氫燃料電池物流車(chē)購(gòu)買(mǎi)成本與純電動(dòng)車(chē)接近，單位TCO降至3.08元，僅比柴油車(chē)高0.05元;氫燃料電池冷鏈車(chē)的單位 TCO 已低于柴油車(chē);49 噸氫燃料電池重卡購(gòu)買(mǎi)成本僅30萬(wàn)元左右，顯著低于柴油車(chē)和電動(dòng)車(chē)，且單位TCO也降至6.02元，僅為同等柴油車(chē)的1.1倍、純電動(dòng)車(chē)的1.2倍。

到 2025 年，我國(guó)將陸續(xù)建成一批可再生能源制氫項(xiàng)目，如中國(guó)石化新疆庫(kù)車(chē)2萬(wàn)噸/年光伏制氫項(xiàng)目、鄂爾多斯 3 萬(wàn)噸 / 年風(fēng)光制氫項(xiàng)目等;屆時(shí)低價(jià)綠氫將成為交通領(lǐng)域重要的能源供應(yīng)，氫氣價(jià)格有望降至30元/kg。另一方面，預(yù)計(jì)未來(lái)油價(jià)仍維持高位，充電價(jià)格將小幅下降(服務(wù)費(fèi)隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇會(huì)逐漸下降，但電動(dòng)車(chē)對(duì)充電需求增大會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷加劇，用電高峰期電價(jià)可能更高)。預(yù)計(jì)2025年柴油價(jià)格8元/L，充電價(jià)格1.1元/kW·h，則4.5噸氫燃料電池物流車(chē)單位TCO降至2.98元，同等柴油車(chē)單位TCO為2.91元，電動(dòng)車(chē)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(chē)單位TCO為5.33元，電動(dòng)車(chē)4.83元，均有不同程度的下降。

3、氫燃料電池車(chē)競(jìng)爭(zhēng)力分析

氫燃料電池車(chē)與柴油車(chē)和純電車(chē)相比具有諸多優(yōu)勢(shì)：(1)從經(jīng)濟(jì)性上看，在國(guó)家示范城市群政策期內(nèi)，補(bǔ)貼后氫燃料電池車(chē)的購(gòu)車(chē)成本已經(jīng)接近甚至低于柴油車(chē)和純電車(chē)，且單位TCO與柴油車(chē)和純電動(dòng)車(chē)相比也具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。今后隨著電堆系統(tǒng)規(guī)?；a(chǎn)、技術(shù)進(jìn)步以及加氫成本的降低，氫燃料電池車(chē)的經(jīng)濟(jì)性有望進(jìn)一步凸顯，迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng);(2)從使用便利性上看，氫燃料電池車(chē)具有與柴油車(chē)類(lèi)似的便捷性，加氫時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于充電時(shí)間，單次續(xù)駛里程比電動(dòng)車(chē)更長(zhǎng)，且同款車(chē)型載重量要高于電動(dòng)車(chē)，同時(shí)還能滿(mǎn)足重載、低溫環(huán)境啟動(dòng)等苛刻條件的要求，在中長(zhǎng)途運(yùn)輸方面更具有優(yōu)勢(shì);(3)從環(huán)保角度看，氫燃料電池車(chē)與電動(dòng)車(chē)一樣具有零排放優(yōu)勢(shì)，每使用1 kg氫氣替代汽柴油可減排10～15 kg二氧化碳，且無(wú)NOx及顆粒物排放，對(duì)于在交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)具有重要推動(dòng)作用。

氫能交通成本下降趨勢(shì)及預(yù)測(cè)

1、電堆系統(tǒng)成本下降趨勢(shì)

美國(guó)能源部(DOE)曾預(yù)測(cè)，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)量產(chǎn)規(guī)模達(dá)到1000套/年時(shí)，系統(tǒng)成本有望降至200美元/kW;當(dāng)量產(chǎn)規(guī)模達(dá)到1萬(wàn)套/年時(shí)，系統(tǒng)成本有望降至120美元/kW左右。2021年，我國(guó)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(lài)進(jìn)口，導(dǎo)致電堆系統(tǒng)成本在5 000元/kW左右。隨著第一批國(guó)家示范城市群正式啟動(dòng)運(yùn)行，燃料電池系統(tǒng)出貨量勢(shì)必迎來(lái)快速增大，有望帶來(lái)成本的大幅下降。到2025年，我國(guó)燃料電池車(chē)輛累計(jì)推廣將超過(guò)5萬(wàn)輛，主流系統(tǒng)制造企業(yè)量產(chǎn)規(guī)模有望達(dá)到1臺(tái)套/年，預(yù)測(cè)系統(tǒng)成本下降40%～50%至2 500元/kW甚至更低詳見(jiàn)圖2;預(yù)測(cè)到2030年將降至740～1 200元/kW，若政策強(qiáng)力推動(dòng)將降至400～800元/kW。即使在國(guó)家補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)逐年退坡的情況下，系統(tǒng)成本仍將保持快速下降趨勢(shì)

2、整車(chē)成本組成及下降趨勢(shì)

當(dāng)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(jìn)口等原因，氫燃料電池車(chē)的整車(chē)成本仍然較高。以49噸氫燃料電池重卡為例，整車(chē)成本約140萬(wàn)元。其中燃料電池系統(tǒng)功率130 kW，成本約65萬(wàn)元，占比46%;車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)(約40 kgH2)成本約25萬(wàn)元，占比18%;需配備動(dòng)力電池120kW·h，成本占比9%;此外電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占比約13%;車(chē)身及其他部分占比 14%，詳見(jiàn)圖 3。由于大量關(guān)鍵零部件尚未國(guó)產(chǎn)化，依賴(lài)進(jìn)口，燃料電池和儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本合計(jì)占比達(dá)64%，是現(xiàn)階段燃料電池車(chē)輛成本高昂的主要原因。

根據(jù)上文預(yù)測(cè)，到2025年電堆系統(tǒng)成本將下降40%～50%，車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本也有望按同等水平下降。因此，預(yù)計(jì)政策期結(jié)束后，49噸燃料電池重卡的整車(chē)成本將降至90～100萬(wàn)元，與純電動(dòng)重卡基本一致。

3、能源成本下降趨勢(shì)及平衡點(diǎn)預(yù)測(cè)

當(dāng)氫燃料電池車(chē)的TCO成本降到和燃油車(chē)及純電車(chē)相等水平時(shí)，即實(shí)現(xiàn)氫油平衡和氫電平衡。預(yù)計(jì)部分示范城市群四年政策期后補(bǔ)貼仍然存在，且燃料電池車(chē)整車(chē)成本有望下降50%以上。綜合考慮補(bǔ)貼及成本下降趨勢(shì)，未來(lái)燃料電池車(chē)購(gòu)車(chē)成本仍將維持在較低水平?；诖?，假設(shè)用戶(hù)端購(gòu)車(chē)成本保持不變，氫燃料電池車(chē)TCO主要受氫氣價(jià)格變化影響。以49噸氫燃料電池重卡為例，不考慮油價(jià)及充電價(jià)格變化，當(dāng)氫氣價(jià)格下降至33元/kg時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)氫油平衡;當(dāng)氫氣價(jià)格下降至 27 元 /kg 時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)氫電平衡。未來(lái)幾年內(nèi)，氫氣價(jià)格將保持快速下降趨勢(shì)，而油價(jià)和電價(jià)也在動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)前文對(duì)2025年氫價(jià)、油價(jià)及電價(jià)的預(yù)測(cè)，氫油平衡的時(shí)間點(diǎn)最快在2026年左右到來(lái)，而氫電平衡最快在2029年實(shí)現(xiàn)，詳見(jiàn)圖4。

結(jié)論

在國(guó)家燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用政策期內(nèi)，氫能在交通行業(yè)尤其是中遠(yuǎn)途、中重型商用車(chē)領(lǐng)域逐漸具備與傳統(tǒng)燃油車(chē)和純電動(dòng)車(chē)相媲美的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著技術(shù)進(jìn)步及規(guī)?；a(chǎn)，氫油平衡最早有望在2026年實(shí)現(xiàn)，氫電平衡有望在2029年左右實(shí)現(xiàn)。展望未來(lái)，隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)及燃料電池汽車(chē)示范政策的推動(dòng)，氫能在交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)⒌玫酱笠?guī)模應(yīng)用，助力我國(guó)交通能源行業(yè)順利實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”。