面向高速場景的燃料電池汽車運營成本研究

中圖分類號：TK91 文獻標志碼：A DOI：10.19822/j.cnki.1671-6329.20240203

0引言

交通運輸排放約占我國碳排放總量的 10% ，推廣低碳高效的運輸裝備、探索綠色運輸方式，是我國交通領域從“能耗雙控\"轉向“碳排放雙控”的重要舉措。高速公路干線運輸是公路運輸的重要組成部分。

目前，我國高速公路運輸仍以傳統燃油車為主，新能源化程度較低，成為交通領域節能降碳的重難點領域[1。純電動重型載貨車受里程限制，在高速場景應用相對較少，燃料電池汽車則憑借能量密度高、加注迅速、零碳排放等優勢，被視為實現綠色高速運輸的理想載體2。近年來，我國氫能和燃料電池汽車產業迅速發展[34，通過建設氫能高速綜合示范線，推動燃料電池汽車在高速公路運輸領域替代燃油車，并逐步實現規模化應用，對于形成綠色低碳交通運輸方式、推動交通運輸低碳轉型具有顯著意義[5.6]。

成本是制約燃料電池汽車規模化推廣的關鍵因素，因此對燃料電池汽車全生命周期運營成本的研究至關重要。2020年9月，財政部等五部門聯合印發了《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，對燃料電池汽車產業發展給予支持，在一定程度上優化了燃料電池汽車的購置和使用成本。隨著示范政策落地，我國燃料電池汽車產業鏈逐步完善，市場規模快速擴大，車輛生產成本也隨之下降。近年來，燃料電池汽車運營成本分析受到廣泛關注，于丹等基于典型城市示范運行場景進行了燃料電池汽車經濟性測算和提升路徑研究，主要選取了佛山市搭載不同動力系統的公交客車運營場景，對各類車輛經濟性進行了對比分析，但尚未對燃料電池貨車這一主要車型開展具體分析。張磊等對不同類型的燃料電池汽車、燃油車、純電動汽車運營成本進行了對比研究，并分析了燃料電池汽車未來競爭力，但尚未考慮高速費用、補能時長等貨運用戶關注的關鍵影響因素。

伴隨燃料電池汽車示范應用不斷推進，其優勢應用場景已逐步明確。從技術角度看，燃料電池汽車補能快、運營里程長、載質量大，更適合長途干線物流應用，尤其是在高速公路場景下，較純電動汽車具有顯著優勢。然而，現有研究尚未聚焦高速場景下的燃料電池汽車運營成本研究，高速通行費作為占據運營成本近三分之一的重要因素，尚未被研究者考慮在內。因此，本文針對高速公路干線運輸場景，構建燃料電池汽車運營成本評價模型，引入補能時長與載貨量兩項關鍵變量，在現有全生命周期成本框架下提出“單位運輸成本”概念，并對該成本的影響因素進行敏感度分析，從用戶角度為提升燃料電池汽車競爭力提供決策參考。

1燃料電池汽車單位運輸成本模型

1.1燃料電池汽車單位運輸成本分析框架

燃料電池汽車的單位運輸成本基于全生命周期成本進行計算。燃料電池汽車全生命周期成本具有多種分析角度，按照主體可分為企業成本、用戶成本和社會成本等，不同主體對應的測算標準和測算邊界均有所差異。本文旨在為高速場景推廣燃料電池汽車規模化應用提供經濟性分析參考，因此聚焦于燃料電池汽車用戶角度，以低成本交通運輸作為自標，以燃料電池汽車從購置到報廢的期限為邊界，并通過全生命周期成本核算燃料電池汽車單位運輸成本。

本文所采用的燃料電池汽車單位運輸成本框架如圖1所示，框架基于高速運輸場景，涵蓋了燃料電池汽車從購置、使用、日常維護到最終報廢回收的全生命周期，并基于高速運輸場景的特殊性，考慮了高速費用、補能時長、實際運輸效率等現實因素，綜合計算得出燃料電池汽車單位運輸成本。

圖1燃料電池汽車單位運輸成本框架

1.2燃料電池汽車單位運輸成本成本模型

燃料電池汽車單位運輸成本計算公式為：

式中： UTC 為單位運輸成本， C_LC 為全生命周期成本，L_?LC 為全生命周期運輸距離， W_LC 為全生命周期貨物重量/人數。

C_LC 計算公式為：

C_LC=（C_P+C_U+C_M-C_RV）×（1+λ）

式中： C_P 為購置成本， C_U 為使用成本， C_M 為維護成本，C_RV 為殘值， λ 為補能時長影響系數。

1.2.1 購置成本

燃料電池汽車購置成本綜合考慮了車輛價格、政府補貼和車輛購置稅情況，從用戶角度出發，衡量用戶出資購置車輛的實際成本。具體公式為：

C_P=p-s_c-s_p+t

式中： p 為車輛購買價格， s_c 為中央政府補貼， s_p 為地方政府補貼 ，t 為車輛購置稅。

1.2.2 使用成本

燃料電池汽車使用成本主要考慮3個方面，分別為車輛能源消耗費用、高速通行費用和司機人力費用，車輛每年產生的使用成本按照年度折現。車輛能耗費用主要與車輛行駛里程、百公里能耗和能源價格有關；車輛高速通行成本主要與行駛里程和高速收費標準有關。計算公式如下：

C_U=c_f+c_e+c_l

式中： C_U 為車輛的使用成本， c_f 為能耗成本， c_e 為高速通行成本， c_l 為人力成本， L_i 為第 i 年行駛里程， P_i 為第 i 年能源價格， S_i 為第 i 年高速費標準， W_i 為第 i 年人力費用， R 為能耗， ，r 為折現率。

1.2.3 維護成本

燃料電池汽車維護成本主要考慮車輛的維修、保養、檢驗和保險費用，通過對每年車輛維護費用進行累加和折算，可以得到車輛維護成本。具體公式為：

式中： M_i 為第 i 年檢測保養成本， ，I_i 為第 i 年保險成本。

1.2.4 回收殘值

將車輛殘值視為成本的部分抵消，具體公式為：

式中： C_RV 為車輛殘值， RV 為車輛剩余殘值。

1.2.5 補能影響系數

在馬菁等的研究中，采用增加系數的方式，對車輛補能時長影響加以量化，從而將其折算人全生命周期成本。本文采用了該影響系數計算公式，具體為：

式中： L 為年運行里程， D_TE 為續駛里程， B_n 為補能時能量剩余比例， t_n 為單次補能時長， T_y 為年運行時長， p^′ 為利潤率。

1.3車型選取與數據來源

在車型選取方面，本文選擇了目前在高速場景已取得一定示范運營經驗的3類場景，分別為長途客運、短倒冷鏈物流和城際大宗貨物運輸，對應3類典型車型分別為 12m 大型客車、4.5t輕型冷藏車和49t牽引重型載貨車。

在數據方面，本文主要參考了國家氫能及燃料電池汽車示范評價平臺監測的燃料電池汽車實際運行數據，并結合大量企業調研數據進行成本測算。其中，車輛售價、能耗、補能時長、年運行時長、續駛里程等運營參數主要參考了國家氫能及燃料電池汽車示范評價平臺數據，高速通行費用標準、檢測保養成本、保險成本、人力成本等經驗數據，主要來源于企業調研和公開資料搜索。政府補貼和購置稅數據，主要參考了2023年國家和地方政策情況，燃料電池汽車按照國家與地方1：1的補貼標準進行測算。需要注明的是，本文預測了未來5年氫氣價格將會逐年下降，由目前的35元/kg線性下降至25元 /kg^[11-13] ；車輛殘值采用初始價格 5% 的比例進行測算，折現率取 5% ，車輛使用期限均為6年，物流利潤率方面，客運和大宗貨運取10% ，冷鏈物流取 8% 。

2燃料電池汽車使用成本測算

根據上述測算公式和數據來源，本文選取了3類車輛的高速場景進行成本測算，根據行業企業實際調研數據，其中 12m 客車 ?4.5t 冷鏈車、49t牽引車高速運行里程分別按照總運行里程的 50%，20%，80% 進行計算。根據表1顯示的計算結果，全部3類車型的單位運輸成本和單位距離成本均為燃油車lt;純電動汽車（BEV） ∣lt; 燃料電池汽車（FCEV）。

2.1 成本結構分析

對3類典型車型的全生命周期成本構成進行分析，購置、運營、維護、殘值等各環節占全生命周期成本的比例結果見圖2。從車輛類型看，3類車型成本占比最多的均為運營成本，其中49t牽引車運營成本占比最高，燃油車、純電動汽車、燃料電池汽車占比分別為 75.0%.70.9%.81.2% 12m 客車運營成本占比相對最低。4.5t冷藏車和49t牽引車成本占比第二高的是運維成本， 12m 客車成本占比第二高的是購置成本。車輛殘值對整體成本影響均較小。從燃料類型看，燃油車運營成本占比、維護成本占比均整體高于純電動汽車和燃料電池汽車，純電動汽車購置成本占比高于其他兩類車型。燃料電池汽車回收殘值整體高于其他兩類車型。

2.2 補能時長影響分析

對3類典型車型全生命周期成本進行對比分析，并考慮補能時長參數對成本的影響，結果見圖3。從全生命周期總成本看，4.5t冷鏈車成本最低，49t牽引車最高。補能時長對車輛運輸效率影響較大，尤其是純電動汽車，商用車電池容量較大，若充電時間過長則嚴重影響運輸效率。若不考慮補能時長參數影響，對于 12m 客車，燃油車全生命周期成本最低，燃料電池汽車最高；對于4.5t冷鏈車和49t牽引車，純電動汽車全生命周期成本最低，燃料電池汽車最高。考慮補能時長影響后，所有車型均為燃油車全生命周期成本最低，燃料電池汽車最高。對比來看，純電動汽車受補能時長參數影響較嚴重，主要由于充電時長遠長于加油、加氫時長，因此考慮補能時長后，純電動汽車全生命周期成本大幅增加，其中4.5t冷鏈車純電動汽車與燃料電池汽車成本已基本持平。

表1燃料電池汽車使用成本測算結果

圖23類典型車型全生命周期成本構成結果

2.3載重量影響分析

單位運輸成本是衡量車輛實際運輸效率的關鍵參數，由于各類車型單位運輸成本差異較大，本文以燃油車單位距離成本或單位運輸成本作為基準值，對數據進行歸一化處理，結果如圖4所示。對于3類典型車型，單位距離成本和單位運輸成本均為燃油車lt;純電動汽車 ∠ 燃料電池汽車。對于 12m 客車，由于不同能源類型的車型運輸人員均一致，因此是否考慮實際載人量，對成本對比無影響。對于4.5t冷鏈車，由于車輛總載質量較小，純電動汽車和燃料電池汽車自重提升明顯拉低了運輸效率，單位成本在考慮載質量后明顯提升。對于49t牽引車，車輛自重占比相對于4.5t冷鏈車較低，考慮載質量后單位成本提升幅度較小，且由于純電動汽車電池更重，燃料電池汽車單位運輸成本相較于純電動汽車差距變小。

3敏感度因素分析

政策因素和技術因素是影響燃料電池汽車經濟性水平的兩個重要方向，本文通過對與政策和技術強相關的4項指標：車輛成本、高速費用、氫耗和氫氣價格進行了敏感度分析，從而為研究出臺相關支持政策和謀劃技術研發方向提供參考。

圖33類典型車型全生命周期成本及補能時長影響

圖43類典型車型單位運輸成本對比情況

3.1 （20 12m 客車

針對 12m 客車從車輛成本、高速費用、氫耗和氫氣價格3個方面開展敏感度分析，結果如圖5所示。可以看出，車輛成本下降對于 12m 客車單位運輸成本影響最顯著，若在當前政策補貼的基礎上，通過技術進步等方式推動燃料電池汽車成本降低30% ，單位運輸成本可降低 10.53% 。降低氫耗或氫氣價格影響其次，若通過氫能端技術進步或政策補貼方式，使氫氣單價或 100km 氫耗降低 30% ，單位運輸成本可降低 8.27% 。高速費標準對 12m 客車影響相對較小，降低 30% 高速費僅能帶動 3.01% 的單位運輸成本下降。

圖5 12m 客車單位運輸成本敏感性分析結果

3.2 4.5t冷鏈車

針對4.5t冷鏈車從車輛成本、高速費用、氫耗和氫氣價格3個方面開展敏感度分析，結果如圖6所示。可以看出，降低氫耗或氫氣價格對于4.5t冷鏈車單位運輸成本影響最顯著，若使氫氣單價或 100km 氫耗降低 30%，4.5t 冷鏈車單位運輸成本可降低 7.51% 。車輛成本下降影響其次，若推動4.5t冷鏈車車輛成本降低 30% ，單位運輸成本可降低 6.33% 。高速費標準對4.5t冷鏈車影響最小，降低 30% 高速費可帶動 1.91% 的單位運輸成本下降。

圖64.5t冷鏈車單位運輸成本敏感性分析結果

3.3 49t牽引車

針對49t牽引車從車輛成本、高速費用、氫耗和氫氣價格3個方面開展敏感度分析，結果如圖7所示。可以看出，降低氫耗或氫氣價格對于 49t 牽引車單位運輸成本影響最顯著，若使氫氣單價或 100km 氫耗降低 30% ，49t牽引車單位運輸成本可降低 15.30% 。高速費標準影響其次，若推動49t牽引車高速費標準降低 30% ，單位運輸成本可降低 7.43% 。車輛成本下降對49t牽引車影響最小，降低 30% 高速費僅帶動1.98% 的單位運輸成本下降。

圖749t牽引車單位運輸成本敏感性分析結果

4結束語

本文從燃料電池汽車全生命周期成本計算出發，綜合考慮了補能時長和載貨質量兩項關鍵因素，提出了單位運輸成本作為衡量高速商用車實際運輸效能的關鍵參數，并針對3類燃料電池汽車高速運營的典型車型，分析了車輛成本、高速費用、 100km 氫耗和氫氣單價等各項因素對單位運輸成本的的敏感度，得出如下結論：

（1）燃料電池汽車經濟性較傳統燃油車仍有較大的差距。在燃料電池汽車示范政策支持下，車輛目前可以獲得政府獎補資金支持，從而大幅降低了車輛的購置成本。目前，燃料電池汽車整車和零部件技術仍在快速升級迭代過程中，從經濟性測算結果看，在短期內對政府補貼資金依賴性仍較強，相關支持政策的延續性對產業鏈健康有序發展較為重要。

（2）綜合考慮補能時長和載質量影響，燃料電池經濟性與純電動差距較小。在高速場景下，充電時間長和載重量低是制約純電動商用車應用的重要因素，燃料電池汽車在一定程度上具備一定優勢。根據測算，燃料電池49t重型載貨車的單位運輸成本已和純電動車型基本相當，伴隨后續燃料電池系統功率增加、整車自重下降和氫耗優化等技術進步，燃料電池汽車在重型載貨車高速場景下，經濟性將率先超過純電動汽車。

（3）降低氫價或氫耗對于優化成本效果最佳，高速費減免對重型載貨車效果顯著。從敏感度分析可以看出，通過政策補貼、規模化發展降低氫氣單價，或通過技術進步優化整車氫耗，對于所有車型的單位運輸成本均有明顯拉降作用。而高速費用的降低對于49t重型載貨車成本優化效果遠高于其他兩類車型，高速費減免政策對推動重型載貨車高速場景應用將成效顯著。

綜合上述結論，本文提出以下建議：（1）國家層面應延續燃料電池汽車補貼支持政策，盡快研究出臺示范后的接續政策，為行業發展堅定信心。（2）在支持方向上，可向氫能供給端適當傾斜，通過降低氫氣加注價格，推動車輛規模化運營；同時建議可對高速通行費進行適當減免，加速我國商用車新能源化的進程。（3）是產業企業應聚焦降低車輛自重、優化整車氫耗，對燃料電池汽車競爭力提升將有顯著助力作用。

參考文獻

[1]宋佳麗，尚詩雨.新能源汽車物流運輸對“雙碳”目標的影響研究[J].中國儲運，2022（10）：166-167.

[2]劉安.淺談拓展氫能公路交通應用場景的措施及建議[J]石油石化綠色低碳，2023，8（4）：21-24.

[3]吳征，丁振森，王佳.地方燃料電池汽車示范應用支持政策分析[J].汽車工業研究，2023（2）：34-41.

[4]孟翔宇，顧阿倫，鄔新國，等.中國氫能產業高質量發展前景[J].科技導報，2020，38（14）：77-93.

[5]邢蕊，孫溪，孫偉珈，等.央地政策協同對我國燃料電池汽車行業發展的作用效果——多主體創新視角[J].科技管理研究，2023，43（18）：44-54.

[6]張真，史英哲.氫能產業金融財政支持體系建設[J].中國金融，2022（9）：92-93.

[7]財政部工業和信息化部科技部發展改革委國家能源局關于開展燃料電池汽車示范應用的通知[J].中華人民共和國財政部文告，2020（9）：9-18.

[8]于丹，滕欣余，胡辰樹，等.基于典型城市示范運行基礎的燃料電池汽車運行經濟性測算和提升路徑研究[C]//.中國環境科學學會2022年科學技術年會--環境工程技術創新與應用分會場，南昌，2022：5.

[9]張磊，謝南宏，曹田田，等.氫能在交通領域的應用及燃料電池汽車成本分析[J].石油石化綠色低碳，2022，7（4）：1-5.

[10]馬菁，郭鎮松，楊睿涵，等.不同類型氫燃料電池汽車全生命周期經濟性分析及預測研究[J].汽車工程學報，2023，13（4）： 506-516.

[11]張軒，樊昕曄，吳振宇，等.氫能供應鏈成本分析及建議[J].化工進展，2022，41（5）：2364-2371.

[12]張朋程，楊潔.氫氣價格的影響因素及對策研究[J].價格月刊，2022（12）：22-29.

[13]王明華，王雯，陳澤宇，等.中國氫燃料電池重型卡車的總擁有成本分析[J].汽車安全與節能學報，2023，14（6）：762-773.

（責任編輯明慧）