鉅大LARGE | 點擊量：857次 | 2019年03月03日
氫能汽車加速 FCEV 制造成本將大幅下降
國家對于新能源汽車的發展投入了巨大的政策和資金支持，國際能源網根據財政部及工信部公布的國家財政補貼數據及國補地補比例，測算在2009–2017年的9年間，中央財政和地方財政總計為新能源汽車補貼了大約1600億元。在逐步調低純電動汽車補貼的同時，并未調低燃料電池汽車的補貼力度。2016年12月19日國務院印發的“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃中明確提出“完善動力電池研發體系；開展燃料電池、全固態鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池等領域新技術研究開發；到2020年，實現燃料電池汽車批量生產和規模化示范應用。”2018年1月，科技部部長萬鋼提出氫燃料電池研發投入將超50億元。2月11日中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟成立。
氫燃料電池汽車（以下簡稱FCEV）是國家未來新能源汽車的重要選項，是提高能源自給率、保障國家能源安全的重要手段，是降低機動車污染、提高城市空氣質量的重要路徑。目前發展FCEV存在制造成本過高和缺乏加氫基礎設施兩大難題，從美國能源部、世界氫能理事會、德國聯邦運輸和數字基礎設施部、豐田公司公布的資料分析，這兩個問題的解決都是可期的。
1FCEV的制造成本會大幅下降，2025年可與混合動力車價格相當
1838年，德國化學家克里斯提安·弗里德里希·尚班提出了燃料電池的原理。1966年1月，通用汽車研發出了世界上第一輛FCEVElectrovan，僅有5kW的輸出功率，但卻能提供113km/h的最高時速，原料是液氫和液氧，充滿氫燃料后的單次續航能力可達193km。20世紀90年代初，基于質子交換膜燃料電池高速進步，各種以其為動力的電動汽車相繼問世。
1994年，奔馳燃料電池樣車NECAR1問世，質功率21kg/kW；1996年，奔馳推出NECAR2，質功率提升至6kg/kW；1997年，奔馳推出NECAR3，續航達到400km；2016年6月奔馳公布了世界首款插電式混合動力燃料電池車GLCF-cell。
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豐田汽車于1992年開始進行FCEV相關研發；1996年，搭載燃料電池和貯氫合金燃料罐的豐田FCEV實驗車首次對外展示；2008年，豐田公司推出燃料電池車FCHV-adv，成本1億日元以上，燃料電池能量密度1.4kW/L；2014年底，豐田推出世界首輛量產版燃料電池車Mirai，能量密度提高到3.1kW/L、0.5kg/kW，售價降為723.6萬日元，不到2008年的5%。豐田為降低成本，采取了多方面的措施：①減少填充氫燃料的高壓氫燃料罐的數量；②采用混合動力車用馬達等低價位量產部件；③簡化燃料電池組和高壓氫燃料罐構造；④提高燃料電池組的輸出密度以實現小型化和高性能化，從而削減材料費；⑤減少燃料電池組的鉑催化劑用量；⑥研究出不使用加濕器也能加濕電解質的方法，去掉了燃料電池系統的加濕器等。
麥肯錫咨詢公司代表德國聯邦運輸和數字基礎設施部對氫能和燃料電池技術國家創新計劃NIP（2006–2016）進行了項目評估。總結中提到，2016年氫燃料電池的成本相比2006年下降60%~80%，同期日本企業成本下降了85%。質子交換膜燃料電池的壽命相比2011年延長了1倍，達到25000小時，業界領先的日本產品達到70000小時。
從20世紀90年代初各車企介入FCEV的研發，不到30年的時間取得了長足的進步，而且這種進步的速度并沒有慢下來的跡象。但相比電動汽車1830年推出世界首輛電動車，1895–1905年的10年間電動汽車的銷量一度占據了30%~50%的市場份額的發展史，氫燃料汽車還很幼小、發展還不成熟，技術進步及規模化生產都存在使成本下降的巨大空間。
目前，FCEV成本最高的是燃料電池和儲氫罐，據測算燃料電池占整車成本超過50%，儲氫罐占14%。以國內企業主要向美國杜邦公司采購的Nafion質子交換膜為例，每平方米質子交換膜成本約為400美元以上，一般每輛FCEV需要20平方米以上，光質子交換膜成本就需要5萬元。十年前1kW燃料電池要負載至少0.8~1gPt，一輛車就要100gPt，僅貴金屬的費用就要2萬元。儲氫罐成本最高的碳纖維過去要幾十萬元1噸。
據DOE預測，通過規模化生產及技術改進，燃料電池的成本2020年能達到40美元/kW，最終能達到30美元/kW。即使在2016年的技術水平下，當生產規模擴大到50萬臺，燃料電池的成本也能達到53美元/kW的水平（當生產規模為1000臺時，成本為215美元/kW）。
DOE把FCEV系統各項拆分后，根據規模化生產和技術進步分別預測了其成本下降的空間：
1）通過規模化生產，當燃料電池生產系統從1000套/年擴大到50萬套/年，系統成本下降可達75%以上。燃料電池堆成本下降82%，其中雙極板成本下降62%，質子交換膜成本下降93%，催化劑成本下降60%，氣體擴散層成本下降95%。
輔助部件成本下降60%，其中空氣環路成本下降50%，加濕和水環路成本下降92%，高溫冷卻環路成本下降31%，燃氣環路成本下降31%，傳感器成本下降74%。
2）通過規模化生產，當產量達到50萬套/年，儲氫系統成本降幅超過50%。
3）通過技術進步，催化劑Pt用量由十年前0.8~1.0g/kW降低到0.3~0.5g/kW（豐田Mirai已經達到0.17g/kW），近期目標是0.1g/kW，長期達到內燃機尾氣凈化器用量水平（＜0.05g/kW）。
從目前的科研進展情況看，研究人員在研究用Pd替代Pt，Pd3Fe/C、Pd-Ti/C等鈀基催化劑表現出了良好的性能，其他非貴金屬替代研究也取得相應進展。碳纖維通過大絲束、快速氧化等手段有望使成本降低到8萬元/噸以下。
從以上因素分析，FCEV成本下降是可期的。豐田預估2020年其燃料電池系統（包含儲氫罐）成本從2015年的50000美元降到13000~17000美元，到2025年燃料電池系統與混合動力系統實現平價。
2當FCEV擁有量達到一定規模后，使用成本會與電動車持平
FCEV的使用成本即氫氣的價格，目前的加氫站的氫氣價格普遍偏高，經調研國內某加氫站氫氣價格為56元/kg，其中制氫＋運輸成本為33元/kg，加氫成本22元/kg。目前日本的加氫站的氫氣售價為1000日元/kg，約合人民幣57元/kg。因目前的加氫車輛過少，氫氣運輸車輛及加氫站的設備攤銷成本過高，致使在氫氣價格如此高的情況下加氫站還處于虧損經營狀態。
2.1氫氣的制造成本
煤制氫在煤價為160~1000元/t時，氫氣的成本為6.7~13元/kg；天然氣制氫在天然氣價格為1.5~3.5元/Nm3時，氫氣成本為8.9~19.5元/kg；電解水制氫在電價為0.6元/kW·h時，氫氣成本為33~44.5元/kg；而用谷電制氫時，氫氣的成本可下降到20元/kg。
工業的副產氫氣如鋼廠企業、氯堿工業，及可再生能源發電電解水制氫，成本也在11~16元/kg。天然氣和氫氣都可以通過煤來制取，張玉卓院士比較過煤制天然氣-內燃機技術路線和煤制氫-燃料電池技術路線，WTW綜合能效分別為9.56%，24.67%。同樣是煤制氣-氣通過管道傳輸-汽車背氣瓶，煤制氫-燃料電池路線綜合能效優勢明顯，同時擁有環保優勢。
現有天然氣資源，利用成熟的天然氣管網＋特種車配送到相應的加氣站，不用新建轉化裝置，CNG車平均效率為18.9%，與甲烷制氫-燃料電池路線總效率相差不大。CNG車比普通燃油車成本增加不多，CNG的售價稍低于汽油售價就具有市場競爭力，不需要將天然氣轉換成氫氣，既有較大的盈利空間，同時較高的天然氣價格將使氫氣的成本過高。在未禁售內燃機車時，可不考慮用天然氣制氫供FCEV使用。除部分副產氫氣以外，未來FCEV大部分氫氣還是需要通過煤制氫供給，輔助少量棄電制氫。氫氣的制造成本控制在13元/kg左右。
2.2氫氣的運輸成本
目前，成熟的氫氣運輸方式有特種車運輸壓縮氫氣、液氫運輸和管道輸氫。衣寶廉院士測算用特種車運氫，在200千米以內，每天運輸10噸氫，包括壓縮，存儲設備的折舊費用，每千克氫的運費僅2.02元。但特種車不適用于長距離、大規模運輸。
制造液氫投資大、能耗高，FCEV不需要使用99.9999%純度的氫氣，加氫站需氣化裝置，并把常壓氫氣壓縮到70MPa，優點是液氫適合長距離運輸，并且運輸量大，加氫站液氫存儲量大。但整體經濟、能耗指標都不太合算。
管道輸氫初始投資高，但輸量大、后期能耗低、運行費用低，管輸氫價格比照管輸天然氣價格。天然氣管輸價格國家發改委2017年9月重新核準后在0.12~0.45元/千立方米·千米，氫氣密度為0.089kg/m3，氫氣的管輸價格為（1.3~4.8）×10-3元/千克·千米。未來大規模普及FCEV車，最合理的氫氣運輸方式是管網＋特種車運氫相結合的模式，成本應低于3元/kg。
2.3氫氣的加注成本
加氫站的建設成本1000~1500萬元，主要成本為壓縮機及碳纖維儲氫罐，不含土地費用。加油站的建設成本中設備、建筑費用約200萬元，最主要的費用是土地，而土地的費用目前1000萬~1億元。相比土地的價格，設備費用的差距對收益影響較低，最主要影響收益的因素是車流量。
如果車流量相同，加油站噸油毛利200~400元，每輛車加油按50L計，即一輛車賺取8~16元利潤。一輛FCEV可儲氫5kg，則需要每千克氫氣賺取1.6~3.2元利潤即可與加油站的收益持平。考慮初期FCEV車流量較低，加氫站負荷率較低，初期需要較高毛利率彌補投資折舊，保障加氫站利潤率。
按上述計算，以煤制氫為例，在FCEV車擁有量達到一定程度，氫氣的價格為13＋3＋12＝28元/kg，即可以保證生產、運輸、銷售環節都有合理的利潤。目前豐田Mirai百千米耗氫0.8kg，百千米運行費用為22.4元。
純電動車百千米運行費用為21.4元左右。以特斯拉ModelS85D和比亞迪e6為例。ModelS85D在充滿了85kW·h的電量后，最高行駛里程可達434km，百千米耗電19.6kW·h。新款比亞迪e6充滿82kW·h的電量后，最高續航里程達到400km，百千米耗電20.5kW·h。在充電費用方面，截至2015年8月，我國已有17個省市出臺了電動汽車充電服務費標準，充電服務費在0.65~2.36元/kW·h不等，取平均值為1.07元/kW·h，約合百千米運行費用為21.4元。如果電動汽車在家充電，電費為0.5元/kW·h，百千米運行費用為10元。當FCEV保有量達到一定規模，有配套的氫氣輸送管線，加氫站客流量與普通加油站持平，FCEV的使用成本可與純電動車基本持平。
3FCEV的購車成本及使用成本具備大規模推廣的可能
汽油車百千米油耗按7L計算，百千米運行費用約為50元。按2025年豐田FCEV估算價格，比普通車型貴3000~4000美元，氫氣售價按28元/kg計算，家用FCEV大約要行駛12~16萬千米可賺回差價。普通家用客戶存在一定疑慮，但對于動輒行駛幾十萬千米、百千米油耗高的出租車、公交車、商用車輛、載重貨車、高負荷工程車等商用車輛，低廉的使用成本將很快彌補車價的價差，即使沒有政府的各種鼓勵政策也具備快速市場推廣的可能。與上述用途燃油車相比，FCEV除經濟優勢外還具備環保、行駛噪音小、舒適度高等優勢。
FCEV車相較純電動車同樣更適用于高頻度、長里程和重負荷等工作場景。用2030年的成本估算，例如，一個擁有30kW·h的電池（2016年尼桑leaf的電池大小）的英博動力總成，將比具有類似儲存能力的FCEV便宜約35%。然而隨著容量的增加，FCEV會變得更便宜，因為氫的儲存成本比電的要小的多。在約55kW·h的情況下，2種動力系統的成本是一樣的，相當于300千米的范圍。除此之外，FCEV的價格可能要低于純電動車。當續航里程達到1000千米時，FCEV的成本要低55%。卡車具有長運距和高負載的需求，FCEV具有更大的優勢。
由法液空、奧迪、寶馬、奔馳、通用、本田、現代、巖谷、川崎重工、Shell、挪威石油、林德、道達爾、豐田等18家企業組成HydrogenCouncil（氫能理事會）出版的《HydrogenScalingup》中預測，到2030年，在美國加州、德國、日本和韓國銷售的每12輛汽車中，就有1輛可能由氫驅動，超過35萬輛氫卡車可以運輸貨物。
燃料電池叉車方面PlugPower公司已與亞馬遜達成協議，為亞馬遜已有的倉儲網絡提供PlugPower燃料電池和氫氣技術。亞馬遜將在選定的倉儲中心開始使用GenKey技術為其工業設備（例如叉車）供電，這一舉措將提供更快的充電時間，降低成本并且提高亞馬遜倉儲中心的效率。本次商業協議的金額將有望達到約7000萬美元。此外，亞馬遜將收購其23%的股權。據美國能源部2016年5月統計顯示，2008年美國氫燃料電池叉車數量在500輛左右，到了2016年美國26個州的氫燃料電池叉車數量已經超過了11000輛，年復合增速高達56%。如今沃爾瑪、寶潔和可口可樂等大零售商都有采購應用氫燃料電池叉車。
4發展氫能對石化企業的戰略意義
1）石化企業的煉化企業轉型成制氫廠＋化工廠可實現存量資產的最大價值利用
1個千萬噸煉油百萬噸乙烯的煉化一體企業，煉油工藝裝置大概只占總投資的30%。可以假設在電動車成主體的時代，化工裝置還會正常運轉，航煤繼續生產，但部分煉油及剩余配套裝置的負荷都將下降，如何發揮其他剩余資產包括制氫、空分、儲運、給排水、消防、環保設施、供電、熱工、碼頭、土地的價值尤為關鍵，這些資產占總投資的45%。相比電動車帶來的影響，轉產氫氣后，能有效利用這些資產，挖掘存量資產的價值。
2）原油及成品油管道資產在氫能時代可為石化企業帶來競爭優勢
石化企業擁有大量的成品油管道和原油管道，應研究這些管道輸送氫氣的技術可行性。這些管道把煉廠和消費端緊密地聯系在一起，可最大限度地降低配送成本，也是石化企業在氫能領域形成競爭優勢的優質資產。
3）石化企業擁有的數萬座加油站在氫能時代將成為戰略資源，能夠維系石化企業在石油時代就形成的車用燃料主要供應商地位
加氫站的建設與加油站同樣有安全距離的要求，在城市土地資源緊缺的情況下，新的加氫站建設必須依托現有加油站。加油站轉換成加氫站經上述計算，在FCEV保有量達到一定規模下是能盈利的。充分發揮這些存量加油站土地資源價值是石化企業實現可持續發展的必然選擇，轉換成加氫站就是一種可供選擇的路徑。
FCEV對氫氣的質量要求苛刻，比汽油還要苛刻的多，我們有理由相信消費者對石化企業品牌的信賴到氫能時代不但不會變弱，而會加強。石化企業在氫能時代同樣會扮演石油時代車用燃料主要供應商的角色，實現石化企業的可持續發展。
4）我國現有7.5億噸煉油能力、4萬多千米原油成品油管道、10萬座加油站，這些資產累計起來價值3萬億元。如何用好這些巨量存量資產，不要造成社會財富浪費既是石化企業層面應該考慮的事情，也是國家層面應該考慮的事情。
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