摘要

該文論述了當前氫能在交通領(lǐng)域的發(fā)展現狀及主要應用場(chǎng)景，詳細分析了氫燃料電池車(chē)輛的購車(chē)成本及運營(yíng)成本，全面比較了氫燃料電池車(chē)與燃油車(chē)、純電動(dòng)車(chē)的全生命周期成本，最后對氫能交通各方面成本進(jìn)行預測。在國家燃料電池汽車(chē)示范運營(yíng)政策推動(dòng)下，氫燃料電池車(chē)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(chē)的購車(chē)成本已經(jīng)接近甚至低于柴油車(chē)和純電車(chē)。隨著(zhù)整車(chē)及氫氣終端銷(xiāo)售價(jià)格持續下降，有望最早在2026年實(shí)現氫油平衡；2029年實(shí)現氫電平衡。

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)域替代傳統能源從而實(shí)現深度脫碳，改變現有對傳統化石能源高度依賴(lài)的局面，在我國實(shí)現“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(chē)，其具有零排放、長(cháng)續航、補能快、耐低溫等特點(diǎn)，可在特定場(chǎng)景下彌補現有燃油車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的諸多不足。

我國從“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)示范應用的通知》，提出對燃料電池汽車(chē)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(gè)示范城市群已陸續啟動(dòng)。隨著(zhù)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(chē)產(chǎn)業(yè)規劃及支持政策 [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(cháng)期規劃（2021–2035年）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規劃》），這是氫能產(chǎn)業(yè)的國家頂層設計[5]?！兑巹潯范ㄎ粴淠苁俏磥?lái)國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實(shí)現綠色低碳轉型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)是戰略性新興產(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)保有量達到5萬(wàn)輛的發(fā)展目標。

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

1 氫能交通發(fā)展概況

1.1

全球氫能交通發(fā)展現狀

截至2021年底，全球氫燃料電池汽車(chē)保有量約50 000輛[6]。其中，韓國由于政府對車(chē)輛購置的高額補貼和生產(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；美國保有量為12 272輛；中國保有量8 938輛，位居全球第三，詳見(jiàn)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(yíng)178座，位居全球第一；日本已投營(yíng)加氫站154座，緊隨其后；德國累計投營(yíng)加氫站也超過(guò)了 100 座。我國加氫站以服務(wù)氫燃料電池商用車(chē)為主；其他國家加氫站則主要服務(wù)于氫燃料電池乘用車(chē)。

1.2

國內氫能交通應用前景

近幾年我國氫燃料電池車(chē)輛推廣及加氫站建設呈現較快增長(cháng)。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、渣土車(chē)等特種作業(yè)車(chē)以及氫能重卡。在加氫站建設方面，當前我國投營(yíng)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(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，在中遠程、中重型商用車(chē)領(lǐng)域應用前景廣闊。根據中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )統計[7]，當前我國重卡保有量已突破800萬(wàn)輛，隨著(zhù)國三標準重卡的加速淘汰及部分地區對國四標準柴油車(chē)采取限行措施，未來(lái)5 ～10 年有望釋放高達 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，相信氫燃料電池重卡有望成為氫能交通應用場(chǎng)景的重要組成部分。

2 氫燃料電池車(chē)全生命周期成本分析

2.1

基本假設

汽車(chē)全生命周期擁有成本（total cost of ownership，TCO）主要考慮車(chē)輛的購置成本、運營(yíng)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(chē)成本＋能源費用＋維保費用＋人工成本－報廢殘值。在購車(chē)成本一定的情況下，TCO 主要受燃料價(jià)格波動(dòng)影響。假設氫氣價(jià)格 35 元 /kg（不考慮加氫補貼），柴油價(jià)格9元/L（參照當前市場(chǎng)價(jià)），充電價(jià)格1.2元/kW·h（含電價(jià)和服務(wù)費）；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)尿素費用計入能源費用，其它運營(yíng)費用參照市場(chǎng)價(jià)估算；假設同一用途、不同燃料類(lèi)型的車(chē)輛在全生命周期內行駛里程完全一樣，使用壽命統一按照5年，年行駛天數350天，日行駛里程150 km；氫燃料電池車(chē)在“以獎代補”政策期內享受購車(chē)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(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、柴油和電作為驅動(dòng)能源情況下的TCO，如表1所示。不考慮購車(chē)補貼，同等配置的柴油車(chē)購車(chē)成本最低，氫燃料電池車(chē)購車(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60萬(wàn)元。運營(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，導致運營(yíng)成本仍然高于柴油車(chē)和電動(dòng)車(chē)。比較補貼前各類(lèi)車(chē)輛的單位TCO（每公里TCO）發(fā)現，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。

在考慮購車(chē)補貼的情況下，4.5噸氫燃料電池物流車(chē)購買(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買(mǎi)成本僅30萬(wàn)元左右，顯著(zhù)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，我國將陸續建成一批可再生能源制氫項目，如中國石化新疆庫車(chē)2萬(wàn)噸/年光伏制氫項目、鄂爾多斯 3 萬(wàn)噸 / 年風(fēng)光制氫項目等；屆時(shí)低價(jià)綠氫將成為交通領(lǐng)域重要的能源供應，氫氣價(jià)格有望降至30元/kg。另一方面，預計未來(lái)油價(jià)仍維持高位，充電價(jià)格將小幅下降（服務(wù)費隨著(zhù)競爭加劇會(huì )逐漸下降，但電動(dòng)車(chē)對充電需求增大會(huì )導致電網(wǎng)負荷加劇，用電高峰期電價(jià)可能更高）。預計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。

2.3

氫燃料電池車(chē)競爭力分析

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：1）從經(jīng)濟性上看，在國家示范城市群政策期內，補貼后氫燃料電池車(chē)的購車(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)相比也具有一定競爭力。今后隨著(zhù)電堆系統規?；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)濟性有望進(jìn)一步凸顯，迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)；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)間遠遠短于充電時(shí)間，單次續駛里程比電動(dòng)車(chē)更長(cháng)，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(cháng)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(chē)與電動(dòng)車(chē)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(wú)NOx及顆粒物排放，對于在交通領(lǐng)域實(shí)現“碳達峰”和“碳中和”目標具有重要推動(dòng)作用。

3 氫能交通成本下降趨勢及預測

3.1

電堆系統成本下降趨勢

美國能源部（DOE）曾預測[11，12]，當燃料電池系統量產(chǎn)規模達到1 000套/年時(shí)，系統成本有望降至200美元/kW；當量產(chǎn)規模達到1萬(wàn)套/年時(shí)，系統成本有望降至120美元/kW左右。2021年，我國燃料電池系統企業(yè)訂單規模尚不足1 000套/年，再加上部分零部件仍舊依賴(lài)進(jìn)口，導致電堆系統成本在5 000元/kW左右。隨著(zhù)第一批國家示范城市群正式啟動(dòng)運行，燃料電池系統出貨量勢必迎來(lái)快速增大，有望帶來(lái)成本的大幅下降。到2025年，我國燃料電池車(chē)輛累計推廣將超過(guò)5萬(wàn)輛，主流系統制造企業(yè)量產(chǎn)規模有望達到1臺套/年，預測系統成本下降40%～50%至2 500元/kW甚至更低[6]詳見(jiàn)圖2；預測到2030年將降至740～1 200元/kW，若政策強力推動(dòng)將降至400～800元/kW。即使在國家補貼標準逐年退坡的情況下，系統成本仍將保持快速下降趨勢

3.2

整車(chē)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(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。其中燃料電池系統功率130 kW，成本約65萬(wàn)元，占比46%；車(chē)載儲氫系統（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%；此外電機及驅動(dòng)系統占比約13%；車(chē)身及其他部分占比 14%，詳見(jiàn)圖 3。由于大量關(guān)鍵零部件尚未國產(chǎn)化，依賴(lài)進(jìn)口，燃料電池和儲氫系統的成本合計占比達64%，是現階段燃料電池車(chē)輛成本高昂的主要原因。

根據上文預測，到2025年電堆系統成本將下降40%～50%，車(chē)載儲氫系統成本也有望按同等水平下降。因此，預計政策期結束后，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。

3.3

能源成本下降趨勢及平衡點(diǎn)預測

當氫燃料電池車(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(chē)整車(chē)成本有望下降50%以上。綜合考慮補貼及成本下降趨勢，未來(lái)燃料電池車(chē)購車(chē)成本仍將維持在較低水平?；诖?，假設用戶(hù)端購車(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，當氫氣價(jià)格下降至33元/kg時(shí)，即可實(shí)現氫油平衡；當氫氣價(jià)格下降至 27 元 /kg 時(shí)，即可實(shí)現氫電平衡。未來(lái)幾年內，氫氣價(jià)格將保持快速下降趨勢，而油價(jià)和電價(jià)也在動(dòng)態(tài)變化，根據前文對2025年氫價(jià)、油價(jià)及電價(jià)的預測，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，詳見(jiàn)圖4。

4 結論

在國家燃料電池汽車(chē)示范應用政策期內，氫能在交通行業(yè)尤其是中遠途、中重型商用車(chē)領(lǐng)域逐漸具備與傳統燃油車(chē)和純電動(dòng)車(chē)相媲美的競爭力。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步及規?；a(chǎn)，氫油平衡最早有望在2026年實(shí)現，氫電平衡有望在2029年左右實(shí)現。展望未來(lái)，隨著(zhù)國家“雙碳”戰略的推進(jìn)及燃料電池汽車(chē)示范政策的推動(dòng)，氫能在交通運輸領(lǐng)域將得到大規模應用，助力我國交通能源行業(yè)順利實(shí)現“碳達峰”和“碳中和”。