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氫能交通研究:氫油平衡最早有望在2026年實現(xiàn)

   2022-12-13 石油石化綠色低碳

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核心提示: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

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。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 。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)的國家頂層設計?!兑?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。

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保有量約50000輛。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。

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。我國加氫站以服務氫燃料電池商用車為主;其他國家加氫站則主要服務于氫燃料電池乘用車。

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。在加氫站建設方面,當前我國投營的加氫站主要為35 MPa氣氫加氫站,設計加氫能力多為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、中重型商用車領域應用前景廣闊。根據(jù)中國汽車工程學會統(tǒng)計,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。

氫燃料電池車全生命周期成本分析

1、基本假設

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,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、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。

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)?;a(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,對于在交通領域?qū)崿F(xiàn)“碳達峰”和“碳中和”目標具有重要推動作用。

氫能交通成本下降趨勢及預測

1、電堆系統(tǒng)成本下降趨勢

美國能源部(DOE)曾預測,當燃料電池系統(tǒng)量產(chǎn)規(guī)模達到1000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

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、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?;诖耍僭O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。

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)?;a(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”。



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