氢能在交通领域的应用及燃料电池汽车成本分析

 

 

氢能是一种清洁、高效的二次能源，能够在石化，冶金、交通等领域替代传统能源从而实现深度脱碳，改变现有对传统化石能源高度依赖的局面，在我国实现“碳达峰、碳中和”目标背景下具有深刻意义。氢能在交通领域的应用主要是氢燃料电池汽车，其具有零排放、长续航、补能快、耐低温等特点，可在特定场景下弥补现有燃油车和纯电动汽车的诸多不足。

 

我国从“十五”开始就把氢燃料电池汽车作为新能源汽车“三纵三横”发展路径之一。2020年9月，国家五部委共同发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，提出对燃料电池汽车示范采取“以奖代补”的鼓励措施[1]。近期，第一批公布的京津冀、上海和广东以及第二批公布的河南及河北5个示范城市群已陆续启动。随着国家奖励政策的出台，各地纷纷发布了一系列燃料电池汽车产业规划及支持政策 [2-4]。2022 年 3 月，国家发展改革委、能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划（2021–2035年）》（以下简称《规划》），这是氢能产业的国家顶层设计[5]。《规划》定位氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向，并提出到2025年氢燃料电池车保有量达到5万辆的发展目标。

 

该文综述了现阶段氢能交通发展现状及前景，测算了不同用途氢燃料电池车的全生命周期成本，以具代表性的4.5吨物流车及49吨重卡为例，将氢能车与柴油车、纯电动车的全生命周期成本进行了比较。（关注氢电邦公众号带你了解更多干货资讯）在此基础上分析了燃料电池成本下降趋势，并预测了未来氢油平衡及氢电平衡的氢气价格及最早时间。

 

截至2021年底，全球氢燃料电池汽车保有量约50 000辆[6]。其中，韩国由于政府对车辆购置的高额补贴和生产企业的积极推进，燃料电池汽车保有量超过18 289辆，仅2021年就新增超8 000辆；美国保有量为12 272辆；中国保有量8 938辆，位居全球第三，详见图1。

 

 

截至 2021 年底，全球累计建成加氢站约 700座。其中，中国已累计建成220座，累计投入运营178座，位居全球第一；日本已投营加氢站154座，紧随其后；德国累计投营加氢站也超过了 100 座。我国加氢站以服务氢燃料电池商用车为主；其他国家加氢站则主要服务于氢燃料电池乘用车。

 

 

近几年我国氢燃料电池车辆推广及加氢站建设呈现较快增长。已推广的氢燃料电池车中，物流车占比约60%，公交车占比约25%，其余主要为市政环卫、渣土车等特种作业车以及氢能重卡。在加氢站建设方面，当前我国投营的加氢站主要为35 MPa气氢加氢站，设计加氢能力多为500 kg/天；部分企业开始示范加注压力70 MPa、加氢能力1 000 kg/天以上的加氢站，例如中国石化为冬奥会服务的北京延庆庆园街站、王泉营站以及河北西湾子加氢站等。

 

由于氢燃料电池车辆能量密度更大、自重更低，在中远程、中重型商用车领域应用前景广阔。根据中国汽车工程学会统计[7]，当前我国重卡保有量已突破800万辆，随着国三标准重卡的加速淘汰及部分地区对国四标准柴油车采取限行措施，未来5 ——10 年有望释放高达 600 万辆的重卡替换市场。与电动重卡相比，氢燃料电池重卡有诸多优势，相信氢燃料电池重卡有望成为氢能交通应用场景的重要组成部分。

 

 

汽车全生命周期拥有成本（total cost of ownership，TCO）主要考虑车辆的购置成本、运营成本（含燃料、保险、维修及人工等）以及报废残值[8-10]，计算公式可定义为：TCO ＝购车成本＋能源费用＋维保费用＋人工成本——报废残值。在购车成本一定的情况下，TCO 主要受燃料价格波动影响。假设氢气价格 35 元 /kg（不考虑加氢补贴），柴油价格9元/L（参照当前市场价），充电价格1.2元/kW·h（含电价和服务费）；柴油车尿素消耗量为柴油的5%（v），尿素价格4元/L，柴油车尿素费用计入能源费用，其它运营费用参照市场价估算；假设同一用途、不同燃料类型的车辆在全生命周期内行驶里程完全一样，使用寿命统一按照5年，年行驶天数350天，日行驶里程150 km；氢燃料电池车在“以奖代补”政策期内享受购车补贴，补贴标准按照中央和地方1:1的比例配套，并以第一年奖励额度作为基准。

 

 

分别计算4.5吨物流车、冷链车、13吨物流车、49吨重卡以及城市公交车分别采用氢能、柴油和电作为驱动能源情况下的TCO，如表1所示。不考虑购车补贴，同等配置的柴油车购车成本最低，氢燃料电池车购车成本最高。例如，同样是4.5吨厢式物流车，柴油版为10万元，电动版为18万元，氢燃料电池版高达60万元。运营成本上，在满足氢气价格不高于35元/kg前提下，中小型车辆（13吨以下物流车和冷链车）采用氢能源的运营成本已经低于柴油车，49吨重卡和公交车由于百公里氢耗较大，导致运营成本仍然高于柴油车和电动车。比较补贴前各类车辆的单位TCO（每公里TCO）发现，氢燃料电池车是同类型柴油车的1.5——1.6倍，是纯电动车的1.7——1.8倍。

 

在考虑购车补贴的情况下，4.5吨氢燃料电池物流车购买成本与纯电动车接近，单位TCO降至3.08元，仅比柴油车高0.05元；氢燃料电池冷链车的单位 TCO 已低于柴油车；49 吨氢燃料电池重卡购买成本仅30万元左右，显著低于柴油车和电动车，且单位TCO也降至6.02元，仅为同等柴油车的1.1倍、纯电动车的1.2倍。

 

到 2025 年，我国将陆续建成一批可再生能源制氢项目，如中国石化新疆库车2万吨/年光伏制氢项目、鄂尔多斯 3 万吨 / 年风光制氢项目等；届时低价绿氢将成为交通领域重要的能源供应，氢气价格有望降至30元/kg。另一方面，预计未来油价仍维持高位，充电价格将小幅下降（服务费随着竞争加剧会逐渐下降，但电动车对充电需求增大会导致电网负荷加剧，用电高峰期电价可能更高）。预计2025年柴油价格8元/L，充电价格1.1元/kW·h，则4.5吨氢燃料电池物流车单位TCO降至2.98元，同等柴油车单位TCO为2.91元，电动车2.57元；49吨氢燃料电池重卡单位TCO降至5.42元，同等柴油车单位TCO为5.33元，电动车4.83元，均有不同程度的下降。

 

 

 

氢燃料电池车与柴油车和纯电车相比具有诸多优势：1）从经济性上看，在国家示范城市群政策期内，补贴后氢燃料电池车的购车成本已经接近甚至低于柴油车和纯电车，且单位TCO与柴油车和纯电动车相比也具有一定竞争力。今后随着电堆系统规模化生产、技术进步以及加氢成本的降低，氢燃料电池车的经济性有望进一步凸显，迎来爆发式增长；2）从使用便利性上看，氢燃料电池车具有与柴油车类似的便捷性，加氢时间远远短于充电时间，单次续驶里程比电动车更长，且同款车型载重量要高于电动车，同时还能满足重载、低温环境启动等苛刻条件的要求，在中长途运输方面更具有优势；3）从环保角度看，氢燃料电池车与电动车一样具有零排放优势，每使用1 kg氢气替代汽柴油可减排10——15 kg二氧化碳，且无NOx及颗粒物排放，对于在交通领域实现“碳达峰”和“碳中和”目标具有重要推动作用。

 

 

美国能源部（DOE）曾预测[11，12]，当燃料电池系统量产规模达到1 000套/年时，系统成本有望降至200美元/kW；当量产规模达到1万套/年时，系统成本有望降至120美元/kW左右。2021年，我国燃料电池系统企业订单规模尚不足1 000套/年，再加上部分零部件仍旧依赖进口，导致电堆系统成本在5 000元/kW左右。随着第一批国家示范城市群正式启动运行，燃料电池系统出货量势必迎来快速增大，有望带来成本的大幅下降。到2025年，我国燃料电池车辆累计推广将超过5万辆，主流系统制造企业量产规模有望达到1台套/年，预测系统成本下降40%——50%至2 500元/kW甚至更低[6]详见图2；预测到2030年将降至740——1 200元/kW，若政策强力推动将降至400——800元/kW。即使在国家补贴标准逐年退坡的情况下，系统成本仍将保持快速下降趋势

 

 

 

当前，受限于燃料电池出货量少、研发成本高、部分组件需要进口等原因，氢燃料电池车的整车成本仍然较高。以49吨氢燃料电池重卡为例，整车成本约140万元。其中燃料电池系统功率130 kW，成本约65万元，占比46%；车载储氢系统（约40 kgH2）成本约25万元，占比18%；需配备动力电池120kW·h，成本占比9%；此外电机及驱动系统占比约13%；车身及其他部分占比 14%，详见图 3。由于大量关键零部件尚未国产化，依赖进口，燃料电池和储氢系统的成本合计占比达64%，是现阶段燃料电池车辆成本高昂的主要原因。

 

 

根据上文预测，到2025年电堆系统成本将下降40%——50%，车载储氢系统成本也有望按同等水平下降。因此，预计政策期结束后，49吨燃料电池重卡的整车成本将降至90——100万元，与纯电动重卡基本一致。

 

 

当氢燃料电池车的TCO成本降到和燃油车及纯电车相等水平时，即实现氢油平衡和氢电平衡。预计部分示范城市群四年政策期后补贴仍然存在，且燃料电池车整车成本有望下降50%以上。综合考虑补贴及成本下降趋势，未来燃料电池车购车成本仍将维持在较低水平。基于此，假设用户端购车成本保持不变，氢燃料电池车TCO主要受氢气价格变化影响。以49吨氢燃料电池重卡为例，不考虑油价及充电价格变化，当氢气价格下降至33元/kg时，即可实现氢油平衡；当氢气价格下降至 27 元 /kg 时，即可实现氢电平衡。未来几年内，氢气价格将保持快速下降趋势，而油价和电价也在动态变化，根据前文对2025年氢价、油价及电价的预测，氢油平衡的时间点最快在2026年左右到来，而氢电平衡最快在2029年实现，详见图4。

 

 

 

在国家燃料电池汽车示范应用政策期内，氢能在交通行业尤其是中远途、中重型商用车领域逐渐具备与传统燃油车和纯电动车相媲美的竞争力。随着技术进步及规模化生产，氢油平衡最早有望在2026年实现，氢电平衡有望在2029年左右实现。展望未来，随着国家“双碳”战略的推进及燃料电池汽车示范政策的推动，氢能在交通运输领域将得到大规模应用，助力我国交通能源行业顺利实现“碳达峰”和“碳中和”。