氨能重卡的經濟性分析

摘 要： 氨能作為一種零碳排放的燃料，對于推動重卡行業向低碳、環保轉型具有重要意義。文章旨在分析和比較氨能重卡與電動、氫能、甲醇以及傳統柴油和天然氣重卡的總擁有成本（TCO）表現，通過綜合考慮購車成本、燃料消耗、運營維護成本以及預期殘值等因素，開展了針對未來中長期的各種重卡的經濟性表現預測。研究結果表明，2021年以來，氨能、氫能和綠色甲醇等大多數替代燃料內燃機重卡的經濟性都遠遠不如傳統柴油和天然氣重卡，其中燃料電池重卡表現較弱、電動重卡具有一定競爭力；長期發展趨勢顯示，各種技術路線都在逐步改善其經濟性，但改進的速度各不相同，到2030年和2035年，氨能重卡技術路線表現出明顯的成本降低趨勢，但還不足以和傳統柴油車技術競爭。隨著技術的發展和成熟，綠氨氫重卡技術路線的TCO下降明顯，在2060年具有明顯的經濟優勢；長期來看綠氨氫重卡技術路線可能成為一種經濟競爭力強的氨能技術，具有巨大的潛力，值得關注。

關鍵詞： 氨能重卡；總擁有成本；綠氨

中圖分類號：F426.2" " " "文獻標識碼：A " " "DOI：10.13677/j.cnki.cn65-1285/c.2025.02.08

*基金項目：本文系國家自然科學基金項目“基于模式、技術和管理系統分析的中國交通能源消費與碳排放研究方法與建模”（72174103）的階段性研究成果。

收稿日期：2024-04-21

作者簡介：劉建喆，清華大學碩士研究生，研究方向：能源系統分析；凌波，國家能源集團技術經濟研究院工程師，研究方向：氫能及能源系統發展戰略；楊一方，清華大學碩士研究生，研究方向：能源系統分析；王明華，國家能源集團技術經濟研究院高級工程師，研究方向：氫能及能源系統發展戰略；歐訓民（通信作者），博士，清華大學教授，中國車用能源研究中心副主任，研究方向：低碳技術戰略、儲能與氫能系統分析、全生命周期分析和交通能源戰略。

一、引言

隨著全球對于減少溫室氣體排放的重視程度日益增強，重卡領域正在經歷一場燃料和動力技術的變革12。氨能重卡利用液態氨作為主要燃料驅動發動機；已有企業研發的氨發動機技術使得氨燃燒后只釋放氮氣和水，這意味著幾乎沒有有害排放。相較于傳統燃料，氨的熱效率和能量密度都展現出顯著優勢。短期內氨能重卡技術面臨著綠氨制造成本較高和技術成熟度不足的挑戰；中長期下，隨著技術進步和產業鏈的完善，該技術路線有巨大的發展潛力。

氫能重卡基于氫燃料電池技術，將氫氣轉化為電能來驅動電動機；其最大優勢是零排放，因為燃燒氫氣僅產生水1。然而，存儲和傳輸氫氣的技術和經濟問題是主要挑戰。隨著技術的進步，預計綠氫的制造成本將降低，使氫能重卡在未來更為經濟實用。

甲醇是一種替代燃料，已在我國某些地區獲得市場份額。由于甲醇來源多樣且TCO相對較低，它成為了一個有吸引力的選擇。然而，甲醇燃燒會產生二氧化碳，盡管其碳排放低于柴油，但與氫或氨相比，清潔度較低。

電動重卡依賴大容量電池為其提供動力。隨著電池技術的進步和規模化生產，電動重卡的運行成本已經大大降低，電池的續航和充電基礎設施的完善仍是當前面臨的主要挑戰。但在城市物流和短途運輸中，電動重卡已展現出巨大潛力23。

柴油和天然氣重卡是我國目前最為普及的重卡類型。柴油重卡因其成熟的技術和完善的加油網絡而被廣泛應用；但由于全球油價的波動和碳排放限制4，柴油重卡的運營成本預計會上升。與此同時，天然氣重卡作為一種中間解決方案，雖然它的碳排放較柴油少，但仍然存在碳排放，因此從長遠考慮，它可能會被更加環保的替代品所取代。

研究表明，氨作為儲氫載體及零碳燃料的技術難題有待解決，未來發展空間存在一定的不確定性5。目前，綠氨的生產成本較高，技術尚未成熟，大規模商業化項目較少。我國正在探索多種綠色制氨方法，包括固氮酶合成氨、光催化合成氨、電催化合成氨等。這些方法都面臨技術難題，如低效率、催化劑不穩定及其回收利用等問題。

整體來看，氨可以作為比較理想的儲氫載體及零碳燃料6，但在綠氨制取及燃燒技術方面仍面臨重大技術難題有待攻克，發展空間存在一定的不確定性。

氫氣既是氨能生產重要的中間原料，也是作為終端利用的重要能源品種，其生產和輸配成本直接影響著氨能和氫能應用的經濟性。中國氫能全產業鏈平準化成本研究7表明中國2020年綠氫生產的成本大約為63元/千克左右，根據學習曲線模擬以及綜合判斷，2025/2030年的綠氫價格分別為53/43元/千克，2030年之后綠氫成本將進一步下降，到2035年達到36元/千克，2040/2050/2060年的價格分別將為30/25/20元/千克。在當前的交通運輸領域，重型卡車是貨物運輸的主力，對經濟活動和能源消耗有重要影響。近年來，隨著環境保護法規的加強和清潔能源技術的進步，氨能重卡作為新興綠色運輸工具，其經濟性成為關注焦點。本文旨在通過比較氨能重卡與其他燃料技術路線（如柴油、電力和氫能）重卡的經濟性表現，探討其現有和未來的發展競爭力。

隨著氨生產技術的進步和可再生能源成本的降低，氨能重卡的經濟性有望得到進一步提升。此外，政府政策的支持和環境法規的加強將進一步提高氨能重卡的市場競爭力。在全球范圍內尋求減少溫室氣體排放和提高能源效率的大背景下，氨能重卡作為一種清潔、高效的運輸方式，其在現有和未來的運輸市場中具有重要的發展潛力和競爭力。

二、研究方法

本研究采用總擁有成本分析方法進行重卡的經濟性分析。重卡TCO由三部分組成（如圖1所示）。

購車成本，由整車價格和購置稅費兩部分組成：整車價格，未來各時間節點下的整車價格已在技術成熟度分析環節中進行預測；購置稅費，本研究僅考慮車輛購置稅，稅率為車輛價格的10%。

N年用車成本，由燃料成本和其他兩部分組成：燃料成本，即車輛在使用過程中產生的燃料和尿素成本（計算參見公式1）；其他，主要包括維修保養保險和車船稅。

N年后的車輛殘值，即成本回收期后，銷售二手車時的車輛價格，該費用為車主的獲利，在計算TCO時會扣除該值。對于甲醇車輛，當前由于甲醇車輛的應用范圍較小，建議殘值率按柴油車輛的0.75倍考慮，但未來隨著綠色甲醇的批量應用，其殘值率能與當前的柴油車輛相近，達到柴油車輛的0.95倍。

最終N年TCO的計算可使用公式1進行。

[TCO=PriceCar×（1+10%）+Fuelcost+PriceCar×PricePRemain]" （1）

公式1中，[PriceCar]為車輛價格，10%表示購置稅；[PricePRemain]為車輛殘值率。

公式2為燃料使用費用[Fuelcost]的計算方法：

[Fuelcost=（FC20xx×PriceF+AC20xx×PriceA）?（S100）]" " （2）

公式2中，[FC20xx]和[AC20xx]表示未來整車百千米燃料消耗量（升/100千米）和百公里尿素消耗量（升/100千米）；[PriceF]和[PriceA]分別表示燃料價格（元/升）和尿素價格（元/升）；S表示該工況典型車輛的行駛里程。

三、數據與假設

（一）重卡所用的能源價格數據

表1為氨能重卡及對比車型的能源價格數據，可以看出綠氨能源表現出相對低廉的價格，具有在氨能重卡領域成為經濟性較高的能源選擇潛力，而其他能源的價格在這些年份也有不同程度的波動，因此在制定氨能重卡的能源策略時，需要充分考慮這些成本變化的影響1。

具體來看，柴油和汽油的價格在整個時間段內逐年上漲。從2021年到2060年，柴油價格從6.51元/升增長到8.00元/升，汽油價格從6.83元/升增長到8.50元/升。

天然氣價格在2030年之前下降，最低為4.68元/千克，隨后保持穩定，直到2040年后再次上升。

甲醇有兩種類型：綠醇和灰醇。綠醇價格從2021年的8.21元/升下降到2060年的2.56元/升，呈現明顯下降趨勢。相比之下，灰醇價格在整個時間段內保持穩定，為2.78元/升。生物柴油的價格走勢與柴油類似，從6.51元/升增長到2060年的8.00元/升。

氨分為綠氨和灰氨。綠氨的價格從2021年的3.85元/升下降到2060年的1.05元/升，而灰氨的價格在整個時間段內保持穩定，為2.40元/升。

電分為充電、換電、用電價格和充電、換電服務費。自2021年到2060年，充電和換電的價格逐漸下降，從1.1元/千瓦時下降到0.9元/千瓦時。其中，用電價格從0.60元/千瓦時增長到0.70元/千瓦時，而充電和換電服務費在這期間都略有波動。

氫分為灰氫和綠氫。灰氫的價格從2021年的31.0元/千克下降到2060年的22.0元/千克。與此同時，綠氫的價格更為顯著地從63元/千克下降到20元/千克。

綜上，大部分能源的價格在未來幾十年都呈現下降趨勢，但柴油、汽油和生物柴油的價格則持續上漲。其中，綠醇、綠氨和綠氫的價格下降最為明顯，預示著未來可能會有更多的綠色能源替代傳統能源。

（二）氨能重卡的能耗水平數據

在過去的幾十年里，隨著技術進步和持續的研發，重卡的各類車型的能耗普遍呈現出下降的趨勢，本研究通過文獻數據整理和專家訪談形式確定了氨能重卡及各種對比車型的能耗水平數據1（如表2所示）。以柴油車型為例，其百千米油耗從2021年的32.5升逐漸降低至2060年的21.8升，這表明柴油車型的效率正在逐年提高；天然氣車型也有相似的表現，尤其在2030年之前，這種車型經歷了顯著的能耗下降23，從2021年的31.0千克/100千米降到了22.5千克，并在未來的30年中進一步減少到2060年的15.3千克。這可能意味著天然氣技術在2030年左右取得了某種顯著的突破。甲醇車型在這段期間內，其百公里油耗從97.0升減少到67.9升。柴氨車型的百公里氨耗從38.9升減少到29.7升，同時其柴油油耗也從19.5升減至14.9升。這兩種車型的數據都顯示了能源利用的明顯優化。純電動車型和插電混合車型在整個期間都展現出百千米電耗的持續下降，但增程混合車型的百千米電耗卻呈上升趨勢，可能與其特定的技術或應用場景有關。氫氨車型和純氫車型也表現出穩定的能耗下降，尤其是純氫車型，其百千米氫耗從2021年的10.8千克下降到2060年的8.3千克。

柴氨車型在百千米氨耗上表現尤為出色。從2021年的38.9升降至2060年的29.7升，同時柴油耗也從19.5升降至14.9升。這種雙重的能耗減少反映了柴氨技術在效率和環保方面的雙重突破，預示著它在未來可能會成為主要的燃料選擇之一。

氫氨車型也表現出了不俗的進步。盡管其起始的百千米氨耗在2021年為107.2升，高于其他車型，但到2060年已經降到了78.3升，這種減少的幅度是非常顯著的。這種大幅度的改善意味著氫氨技術在這段時間里取得了巨大的進步，并且有潛力在未來成為一種主流燃料。

比較所有的車型，柴氨和氫氨在能耗降低方面顯現出了明顯的領先地位。這種技術的快速進步和其帶來的能耗減少優勢，不僅為消費者提供了更為經濟的運營成本，還為全球環境提供了更為綠色和可持續的解決方案。預計隨著技術的進一步完善和市場的擴大，柴氨和氫氨車型將在未來的交通領域中占據更為重要的地位。

四、結果與討論

（一）多路線比較的總體結果

2021年大多數替代燃料內燃機重卡的經濟性都遠遠不如傳統柴油和天然氣重卡，燃料電池重卡表現較弱，只有電動重卡具有一定競爭力12；從長期發展趨勢來看，各種技術路線都在改善重卡經濟性表現，但是改善速度快慢不一（未來的氨能重卡經濟性表現如圖2所示）。

首先，在2030年，灰氨氫重卡技術路線以“10年+首位用戶” TCO成本為621萬元，遠高于天然氣重卡技術路線（其總成本為370萬元）。而在2035年，灰氨氫重卡技術路線的TCO進一步降至595萬元，但仍然高于其他技術路線。與此相比，綠氨氫重卡技術路線在2030年的TCO為1 144萬元，在2035年降至924萬元，相對高于灰氨氫重卡技術路線。

此外，其他內燃機技術路線和燃料電池技術路線在相應年份也呈現各自的經濟性表現；然而總體趨勢顯示，灰氨氫重卡技術路線在2030年和2035年依然保持相對較低的總體成本，相對于其他技術路線，具備更高的經濟競爭力34。

除了上述兩種氨能技術路線，內燃機技術路線中，天然氣和甲醇重卡技術路線在2030年的TCO分別為370萬元和728萬元，而到2035年分別為372萬元和731萬元；柴油和柴氨重卡技術路線在相應年份也有所下降，分別為585萬元和621萬元（2030年）以及577萬元和595萬元（2035年）。

另一方面，灰氫燃料電池重卡技術路線在2030年的TCO為626萬元，2035年降至566萬元；綠氫燃料電池重卡技術路線在2030年的TCO為495萬元，2035年降至370萬元，這顯示出燃料電池技術路線在2035年的明顯優勢。

另外，到2060年，灰氨氫重卡技術路線的TCO為577萬元，比2030年的621萬元略有下降;相比之下，綠氨氫重卡技術路線在2060年的TCO為305萬元，遠低于2030年的1 144萬元。這表明，隨著技術的發展和成熟，綠氨氫重卡技術路線在2060年具有顯著的經濟優勢，相對于灰氨氫重卡技術路線，具備更低的總體成本，顯示出明顯的競爭力。

因此，在2060年的情況下，綠氨氫重卡技術路線顯示出明顯的經濟優勢、具備更低的總體成本，將成為一種具有巨大潛力的氨能技術路線。

（二）氨能重卡經濟性結果

在2021年到2060年期間，柴氨重卡的經濟性因素經歷了一些變化。首先，關于車輛購置成本，盡管柴油和氨燃料供給系統的價格有所波動，但車輛的總購置成本在這段時間里基本保持穩定。特別是，內燃機的價格始終為13萬元，表明這部分的技術和生產成本相對穩定（區分灰氨、綠氨在未來重要年份的重卡10年TCO成本情況如圖3所示）。

在用車成本方面，不同的燃料組合帶來了不同的經濟效益。灰氨和柴油的年燃料費用在2035年達到相對低點，為49.84萬元/年；而使用綠氨和柴油的組合在2050年達到最低，為40.45萬元/年。這表明，盡管綠氨初始成本較高，但隨著時間的推移，它逐漸成為更為經濟的選擇。

再考慮到其他費用，如維修、保險和車船稅后，灰氨組合的10年總擁有成本（TCO）預測在2060年稍微增加，而綠氨組合的10年TCO預測則在2060年達到了最低點。

總體上，雖然柴氨重卡的購置成本在這期間相對穩定1，但其運營成本受到燃料價格和選擇的明顯影響。隨著技術的進步和綠色燃料成本的降低，綠氨和柴油的組合在長期可能會為車主帶來更多的經濟效益。

在2021年至2060年間，氨氫重卡的經濟性顯示出明確趨勢。購置成本方面，車輛基礎價格保持穩定，而動力源價格下降；燃料供給系統和附件的價格顯著下降，從2021年的4.30萬元降至2060年的1.50萬元；這可能反映了生產規模擴大和技術進步，相關部件生產成本逐漸降低。

在用車成本中，氨氫重卡的年燃料費用顯示了使用綠氫相較于使用灰氫更具經濟性的趨勢。特別是，從2021年到2060年，使用綠氫的年燃料費用從104.32萬元減少到20.79萬元，使用灰氫的費用從65.04萬元減少到47.72萬元。這強烈地揭示了隨著綠色能源技術的進步和綠氫生產成本的下降，綠氫正逐漸成為更為經濟和環保的選擇。

考慮到維修、保險和其他費用，使用綠氫的10年總擁有成本（TCO）預測在2060年降至304.57萬元，而使用灰氫的則為573.86萬元。這進一步證明了，盡管綠氫的初步費用較高，但在長期，其經濟效益明顯超過灰氫。

總的來說，氨氫重卡的經濟性在未來幾十年持續提高，尤其是選擇使用綠氫作為燃料時。隨著技術進步和綠氫生產成本的降低，預計綠氫將在未來成為氨氫重卡的主流燃料選擇，為車主帶來更大的經濟效益。

（三）甲醇重卡經濟性結果

首先，從單車購置成本來看，車輛的基礎價格在2021—2060年間保持穩定，而與動力源相關的價格略有變化。內燃機價格在2030年達到峰值后，逐漸呈現下降趨勢。與此同時，燃料供給系統和附件的價格也顯示了從2021—2060年逐漸下降趨勢（區分灰醇、綠醇在未來重要年份的重卡10年TCO成本如圖4所示）。

在用車成本方面，與灰醇相關的年燃料費用在所列時間段內呈現一定的下降趨勢。相較于此，使用綠醇的年燃料費用在2021年相對較高，但到2060年有了明顯下降。這可能是因為隨著技術進步和綠醇生產效率的提高，其價格逐漸變得更加親民。此外，從2035年開始，尿素的使用成本也被納入考慮因素，其中尿素費用從2035年的3.71萬元逐漸降到2060年的3.05萬元。

考慮到維修、保險及其他費用后，灰醇重卡的10年總擁有成本（TCO）預測在2060年達到621.32萬元，而使用綠醇的重卡則降至583.81萬元。這進一步證實了在長期時段下，盡管綠醇的初期費用較高，但其經濟效益優勢會隨時間逐漸凸顯。

總結來說，甲醇重卡在未來幾十年的經濟性表現出了明顯的優勢，尤其是選擇使用綠醇作為燃料的車輛。隨著綠色能源技術的不斷進步和生產成本的降低，預計綠醇將成為甲醇重卡的主流燃料選擇，從而為車主帶來更大的經濟效益。

（四）關于碳足跡水平比較的討論

就現有各種重卡車型的碳足跡水平而言，純電動車型擁有最低的碳足跡，為1 105克/千米，明顯低于其他技術路線。其次是柴氨車型，碳足跡為1 749克/千米。而氫氨、純氫和燃料電池車型的碳足跡則分別為2 941克/千米、2 916克/千米和2 700克/千米，這三者之間的差異相對較小，但都高于柴氨和純電動車型（如圖6所示）。

當考慮灰氨、灰氫或者網電驅動汽車與柴油車的比值時，純電動車型與柴油車的碳足跡幾乎相等，比值為0.97。柴氨、純氫和燃料電池車型的比值均為2.57或稍微低一些，意味著它們的碳足跡都比柴油車高出約2.57倍；而氫氨車型則更高，為2.59倍。

然而，在考慮使用綠電、綠氫或者綠氨驅動汽車與柴油車之比時，純電動重卡車型表現出色，其碳足跡只有柴油車的0.01倍，遠低于其他所有車型。氫氨、純氫和燃料電池三者的比值分別為0.36、0.40和0.40，也都遠低于1，表示在采用綠色能源驅動時，它們的碳足跡均明顯低于柴油車；柴氨車型在這方面的表現也相對不錯，其碳足跡為柴油車的0.73倍。

綜上所述，純電動重卡車型在兩種場景下均表現最好，尤其是在使用綠色能源驅動時，其碳足跡遠遠低于其他車型；氫氨、純氫和燃料電池重卡車型在采用綠色能源驅動時碳足跡明顯低于柴油車，但在灰氨、灰氫和網電驅動情境下，其碳足跡卻較高；柴氨重卡車型則在兩種場景下都表現相對中等，但都優于氫氨、純氫和燃料電池車型。

五、研究結論

氨能作為一種零碳排放燃料，對于推動重卡行業向低碳、環保轉型具有重要意義。通過氨能重卡及其對比路線的經濟性對比分析，可以發現，現狀（2021年）下，大多數替代燃料內燃機重卡的經濟性遠不如傳統柴油和天然氣重卡；燃料電池重卡表現較弱，只有電動重卡具有一定的競爭力。從長期趨勢看，各種技術路線的重卡經濟性都在改善，但速度不同。

到2030年和2035年，各種氨能重卡技術路線表現出明顯的成本降低趨勢，但還不足以和傳統柴油車技術路線競爭。比如在2030年，灰氨氫重卡技術路線的10年總擁有成本為621萬元，遠遠高于天然氣氨能重卡技術路線，后者的總成本為370萬元；綠氨氫重卡技術路線在2030年的TCO為1 144萬元，在2035年降至924萬元，但仍相對較高。

隨著技術的發展和成熟，綠氨氫重卡技術路線在2060年具有明顯的經濟優勢，TCO為305萬元，遠低于2030年的1 144萬元。這表明，隨著時間的推移，綠氨氫重卡技術路線具有巨大的潛力，成為一種經濟競爭力強的氨能技術路線。

對于甲醇重卡，以長途牽引場景為例進行了技術經濟性分析。分析結果顯示，隨著時間的推移，甲醇重卡的TCO有所下降，主要得益于綠色甲醇的生產成本降低以及熱效率的提升。另外，各種重卡技術路線的碳足跡水平表現不一，值得進一步研究和關注。

總體而言，氨能重卡和甲醇重卡都在技術和經濟性方面面臨不同的機遇和挑戰。隨著技術的不斷進步和成熟，這些替代能源在未來可能成為各種重卡可行的選擇，但也需要繼續投入研究和發展以解決技術難題并提高經濟競爭力。