氫能在交通領域的應用及燃料電池汽車成本分析

張磊，謝南宏，曹田田，胡銘全，江寧

（中國石化銷售股份有限公司，北京100728）

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能源從而實現深度脫碳，改變現有對傳統化石能源高度依賴的局面，在我國實現“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、長續航、補能快、耐低溫等特點，可在特定場景下彌補現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”發展路徑之一。2020年9月，國家五部委共同發布《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[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啟動。隨著國家獎勵政策的出臺，各地紛紛發布了一系列燃料電池汽車產業規劃及支持政策[2-4]。2022年3月，國家發展改革委、能源局聯合發布《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》（以下簡稱《規劃》），這是氫能產業的國家頂層設計[5]。《規劃》定位氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，氫能產業是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向，并提出到2025年氫燃料電池車保有量達到5萬輛的發展目標。

該文綜述了現階段氫能交通發展現狀及前景，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。在此基礎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 氫能交通發展概況

1.1 全球氫能交通發展現狀

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企業的積極推進，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。

圖1 全球燃料電池車推廣與加氫站投營數量

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。

1.2 國內氫能交通應用前景

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%，其余主要為市政環衛、渣土車等特種作業車以及氫能重卡。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。根據中國汽車工程學會統計[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

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；氫燃料電池車在“以獎代補”政策期內享受購車補貼，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）發現，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。

表1 不同類型車輛的全生命周期擁有成本

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勢：1）從經濟性上看，在國家示范城市群政策期內，補貼后氫燃料電池車的購車成本已經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。今后隨著電堆系統規模化生產、技術進步以及加氫成本的降低，氫燃料電池車的經濟性有望進一步凸顯，迎來爆發式增長；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、低溫環境啟動等苛刻條件的要求，在中長途運輸方面更具有優勢；3）從環保角度看，氫燃料電池車與電動車一樣具有零排放優勢，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，對于在交通領域實現“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規模達到1 000套/年時，系統成本有望降至200美元/kW；當量產規模達到1萬套/年時，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訂單規模尚不足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，主流系統制造企業量產規模有望達到1臺套/年，預測系統成本將下降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，系統成本仍將保持快速下降趨勢。

圖2 燃料電池系統成本及國家補貼額度變化趨勢

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。其中燃料電池系統功率130 kW，成本約65萬元，占比46%；車載儲氫系統（約40 kg H2）成本約25萬元，占比18%；需配備動力電池120 kW·h，成本占比9%；此外電機及驅動系統占比約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化，依賴進口，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輛成本高昂的主要原因。

圖3 氫燃料電池車整車成本組成及成本下降趨勢

根據上文預測，到2025年電堆系統成本將下降40%～50%，車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，即可實現氫油平衡；當氫氣價格下降至27元/kg時，即可實現氫電平衡。未來幾年內，氫氣價格將保持快速下降趨勢，而油價和電價也在動態變化，根據前文對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，詳見圖4。

圖4 氫油平衡與氫電平衡趨勢預測

4 結論

在國家燃料電池汽車示范應用政策期內，氫能在交通行業尤其是中遠途、中重型商用車領域逐漸具備與傳統燃油車和純電動車相媲美的競爭力。隨著技術進步及規模化生產，氫油平衡最早有望在2026年實現，氫電平衡有望在2029年左右實現。展望未來，隨著國家“雙碳”戰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將得到大規模應用，助力我國交通能源行業順利實現“碳達峰”和“碳中和”。