王明華，王 雯，陳澤宇，劉建喆，歐訓(xùn)民，任 磊

（1. 國(guó)家能源集團(tuán) 技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京102211，中國(guó)； 2. 清華大學(xué) 能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所，北京100084，中國(guó)；3. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300，中國(guó)）

道路交通的碳減排是中國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要任務(wù)。作為道路交通碳排放和污染物排放的重要來源，總質(zhì)量14 t 以上的載貨汽車，即重型卡車(重卡)，是中國(guó)道路交通部門碳減排的重點(diǎn)和難點(diǎn)。2020年底，中國(guó)大陸商用車保有量約為3 400 萬輛，在汽車保有量中占比約為12%，但碳排放占道路交通排放的62%[1]；其中，重型卡車保有量約為1 000 萬輛，占商用車的27.4%、汽車保有量的3.3%，數(shù)量上占比并不高。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)的研究表明：重型卡車碳排放占到商用車總量的約60%、道路交通碳排放的37%[2-3]。隨著近年來中國(guó)大陸機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷升級(jí)，排放物限值水平不斷趨嚴(yán)，重型卡車的清潔低碳轉(zhuǎn)型正成為愈發(fā)重要的問題。

由此，新能源重卡逐漸受到關(guān)注，主要包括純電動(dòng) (battery electric vehicle，BEV) 重型卡車和氫燃料電池(fuel cell vehicle，F(xiàn)CV)重型卡車2 種技術(shù)路線。與乘用車、輕型商用車電動(dòng)化普及較為容易的現(xiàn)實(shí)不同，重型卡車有運(yùn)距遠(yuǎn)、時(shí)間長(zhǎng)和載荷重的特點(diǎn)，而目前BEV 在重型卡車領(lǐng)域的應(yīng)用存在電池技術(shù)性能不足、規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限、電功率范圍不足和充電設(shè)施配套不完善等困難[3-4]。因此FCV 重型卡車成為了重要的技術(shù)選擇，但目前該技術(shù)也在氫能成本、氫能供應(yīng)鏈建設(shè)等方面仍存在瓶頸，大規(guī)模推廣可能會(huì)帶來用能的高成本問題，有必要從成本維度對(duì)FCV 重卡及其他技術(shù)路線進(jìn)行分析。

雖然重型卡車領(lǐng)域可能是FCV 的潛在優(yōu)勢(shì)競(jìng)爭(zhēng)區(qū)間，但是目前對(duì)各類車型的總擁有成本、溫室氣體排放的研究還有待進(jìn)一步深入。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的LEE Dong-Yeon 等人基于仿真模型得到的FCV 重型卡車燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)FCV 重卡推廣的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：天然氣制氫技術(shù)路線相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)卡車(internal combustion engine vehicles，ICEV)的化石能源使用量減少了98%以上，其他各類FCV 重型卡車技術(shù)路線的減排潛力為20%～45%[5]。LIU Feiqi 等人通過設(shè)計(jì)FCV 滲透率的不同情景，評(píng)估了FCV 推廣對(duì)中國(guó)重型卡車車隊(duì)溫室氣體排放量的綜合影響，發(fā)現(xiàn)：在2050年FCV 市場(chǎng)份額達(dá)到50%的情景假設(shè)下，重型卡車溫室氣體排放量有望減少50%[6]。LAO Junming 等人以中國(guó)華北地區(qū)的重型卡車運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合簡(jiǎn)要估計(jì)的FCV 重型卡車能耗參數(shù)，發(fā)現(xiàn)：FCV 有潛力將該地區(qū)的重型卡車排放減少1/3[7]。

目前，對(duì)于FCV 重型卡車的研究，特別是中國(guó)背景下的相關(guān)研究，主要關(guān)注于所設(shè)計(jì)的情景下FCV 規(guī)?；宫F(xiàn)有重型卡車車隊(duì)實(shí)現(xiàn)的理想減排效益，而對(duì)于FCV 的總擁有成本等因素的刻畫還有進(jìn)一步拓展的空間，對(duì)FCV 和BEV 等技術(shù)路線的成本對(duì)比問題也有待進(jìn)一步研究。

本研究建立起包含氫能全產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)成本分析模塊的中國(guó)氫燃料電池重型卡車總擁有成本模型，對(duì)中國(guó)情境下柴油、電動(dòng)化、氫能化重型卡車的總擁有成本進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上，探討購車、用能環(huán)節(jié)的現(xiàn)有補(bǔ)貼和未來變動(dòng)對(duì)于氫能汽車的競(jìng)爭(zhēng)力的影響。

1 研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究方法

1.1.1 重卡總擁有成本分析方法

車輛總擁有成本(total cost of ownership，TCO)，包括購置成本、能耗成本、維護(hù)成本、殘值扣減4 個(gè)部分。

1) 購置成本：Cpr,n，角標(biāo)pr 表示“price”，n表示所研究的2020—2030年中的某一年份。以各類內(nèi)燃機(jī)卡車ICEV 車型的市場(chǎng)價(jià)為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)的BEV、FCV 車型由基準(zhǔn)車型價(jià)格減去內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的成本。據(jù)估算，柴油動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)(例如發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣、油箱和變速箱)約占柴油貨車總價(jià)格的51.7%[8]，也即約等于底盤、車身和電器設(shè)備成本，再加上BEV 車型、FCV車型的專用設(shè)備(電動(dòng)機(jī)、電源管理系統(tǒng)、動(dòng)力電池、氫燃料電池、儲(chǔ)氫瓶等)的直接、間接成本。值得注意的是，隨著未來車用燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步加嚴(yán)，作為基準(zhǔn)的ICEV 車型需要采用技術(shù)升級(jí)來減少能耗，這會(huì)使ICEV 的整體成本小幅增加，進(jìn)而影響B(tài)EV、FCV 的購置成本結(jié)果，該增加值由 D. Meszier開發(fā)的成本曲線進(jìn)行估算[9]。假設(shè)2025年乘用車第6 階段、卡車第4 階段的油耗標(biāo)準(zhǔn)將步入實(shí)用。除了車輛價(jià)格之外，購置成本還包括購置稅、購置補(bǔ)貼、車牌費(fèi)用等。

2) 能耗成本：FE，表示車用燃料的經(jīng)濟(jì)性(fuel economy，F(xiàn)E)，也就是行駛每km 里程所消耗燃料所對(duì)應(yīng)的熱量。AMy表示車輛使用期中的第y年(從車輛購入開始，到使用周期的第5年)各類車型的年行駛里程(annual mileage，AM)。FPn表示2020—2030年間第n年的車用燃料價(jià)格(fuel price，F(xiàn)P)。汽油、柴油以2020年的平均價(jià)格為基準(zhǔn)，假設(shè)未來汽油、柴油價(jià)格不變。電力、氫氣價(jià)格以2020年部分地區(qū)的市場(chǎng)價(jià)格為基準(zhǔn)，分為帶補(bǔ)貼、不帶補(bǔ)貼2 類。

3) 維護(hù)成本：Cm，表示車輛維護(hù)(maintenance)成本，與購置成本類似，以ICEV 車型的維護(hù)成本為基礎(chǔ)，通過分析BEV 車型、FCV 車型與ICEV 車型的維護(hù)項(xiàng)目差異得出。Cothers表示車輛在使用過程中產(chǎn)生的稅、費(fèi)。本研究主要考慮不同車型的過路費(fèi)、年檢和保險(xiǎn)費(fèi)用。

4) 殘值：Crv，表示車輛在使用期之后的剩余價(jià)值(residual value, rv)，Y表示車輛使用期的總年份(本研究中為5年)。殘值包括白車身、內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、純電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備、燃料電池車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備4 個(gè)部分，5年使用期期末的車輛各部分殘值比例參考D.Meszier 的研究成果[9]。本研究中折現(xiàn)率(r)取4%。

綜上所述，車輛總擁有成本(TCO)為

對(duì)于車輛分析而言，研究對(duì)象的選擇非常重要，道路運(yùn)輸車輛種類繁多，且由于車輛附屬設(shè)備、使用場(chǎng)景等因素的不同，同一類車輛具有眾多衍生車型，車型之間的燃料經(jīng)濟(jì)性存在一定差距，因此，本研究選取部分車型作為代表進(jìn)行分析。道路運(yùn)輸車輛主要包括客運(yùn)車輛和貨運(yùn)車輛兩類，客運(yùn)車輛參考以往研究的選取原則以及中國(guó)主流的FCV 車型款式，選取私人乘用車(A0 級(jí)車)以及大型客車(10.5 m 級(jí))作為客運(yùn)車輛的代表。

貨運(yùn)車輛的情況則較為復(fù)雜，重型貨車的車輛尺寸、整備質(zhì)量、設(shè)計(jì)方式、附屬設(shè)備、使用場(chǎng)景等要素都會(huì)對(duì)車輛的各類要素造成影響。因此，本研究綜合考慮目前中國(guó)重卡新能源示范項(xiàng)目的情況，選取49 t 級(jí)重載卡車的3 類主要工況-車型(城間運(yùn)輸-半掛車、礦山及港口運(yùn)輸-自卸車、城內(nèi)運(yùn)輸-半掛車)為代表，將之與客運(yùn)車輛的總擁有成本分析結(jié)果相比較。

此外，由于目前中國(guó)還沒有實(shí)際使用的BEV 重卡和FCV 重卡進(jìn)入淘汰和回收階段，主要設(shè)備的更換、退役與回收參數(shù)存在較大的不確定性，因此本研究選取“5年+首位用戶”的使用周期作為總擁有成本分析的時(shí)間邊界。本研究考慮的技術(shù)進(jìn)步的時(shí)間范圍為2020—2030年。

1.1.2 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本分析方法

為分析FCV 的成本效益，本研究構(gòu)建起氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型及其數(shù)據(jù)庫，對(duì)不同工藝路徑下制、儲(chǔ)、運(yùn)、加環(huán)節(jié)的氫能供應(yīng)全過程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析測(cè)算。制氫方面，本研究考慮目前主流的灰氫(煤制氫、天然氣制氫)、藍(lán)氫(煤制氫+碳捕集與封存(carbon capture and storage，CCS)、天然氣制氫+CCS、工業(yè)副產(chǎn)氫)和綠氫(風(fēng)電光伏制氫)等主流制氫方式的平準(zhǔn)化成本。制氫階段的研究方法、主要數(shù)據(jù)使用本研究團(tuán)隊(duì)先前的研究成果，見文獻(xiàn)[10]。

考慮目前儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫方面的技術(shù)發(fā)展情況，選取氣氫作為氫能儲(chǔ)運(yùn)過程的主要形式，選取長(zhǎng)管拖車 (tube trailers)、管道輸送作為主要的運(yùn)輸工具，重點(diǎn)考慮加氫站加注車用氫氣成本的影響。平準(zhǔn)化氫能成本(levelized cost of hydrogen，LCOH)為

其中：Cfuel表示投入的原料和電力等成本，Copex為運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，H為每a 氫能儲(chǔ)運(yùn)或加注量。

氫能儲(chǔ)運(yùn)或加注設(shè)備的資本成本為

其中：V為初始項(xiàng)目投資；CRF 為資本回收系數(shù) (capital recovery factor) ，即：

其中：i為折現(xiàn)率；T為項(xiàng)目壽命。

1.2 主要數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 中國(guó)重卡車型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)

基于廣泛調(diào)研和數(shù)據(jù)整理，選取研究對(duì)象各類車型的基本信息以及燃油經(jīng)濟(jì)性，如表1 所示。由于很難獲取與ICEV、FCV 條件完全一致的BEV 重卡的分析結(jié)果，本研究對(duì)此進(jìn)行一定簡(jiǎn)化，基于以往對(duì)各類動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率的研究結(jié)果，假設(shè)純電動(dòng)重卡的燃料消耗率是傳統(tǒng)卡車的60%[11-12]。考慮未來發(fā)展的影響，本研究對(duì)各類車型未來燃油經(jīng)濟(jì)性的變化進(jìn)行了假設(shè)。依據(jù)中美的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與法規(guī)設(shè)計(jì)，在2013—2014年和2015—2019年期間，貨車的燃料消耗率的年下降率分別為6%和3%，參考《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖 2.0》 所設(shè)計(jì)的能耗發(fā)展目標(biāo)，本研究假設(shè)在2020—2030年間，汽柴油車的燃料消耗率的改善率為每年2%，F(xiàn)CV 重型貨車燃油經(jīng)濟(jì)性的改善設(shè)為每年1%，BEV 燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)改善空間較少，本研究假設(shè)保持不變[3,13-14]。

表1 各種車輛類型及燃油經(jīng)濟(jì)性

基于選取車型的基本參數(shù)，進(jìn)一步獲得分析總擁有成本的相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)來源于調(diào)研結(jié)果，以城間運(yùn)輸-半掛車為例，成本計(jì)算的主要輸入?yún)?shù)如表2 所示。

表2 49 t 級(jí)卡車總擁有成本基本參數(shù)

各類車型的主要設(shè)備容量、單位成本、殘值比例等參數(shù)，參考本研究團(tuán)隊(duì)OUYANG Danhua 等和REN Lei 等公開發(fā)表的文章，以及國(guó)際清潔交通委員會(huì)的相關(guān)研究進(jìn)行取值[14-16]，包括各類車型的關(guān)鍵設(shè)備容量、關(guān)鍵設(shè)備成本變化假設(shè)、使用強(qiáng)度與殘值比例。如非特殊聲明，本研究假設(shè)2020—2030年間各類參數(shù)均呈線性變化。

關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)如表3 所示，包括FCV 儲(chǔ)氫量、BEV儲(chǔ)電量、電動(dòng)機(jī)功率、燃料電池功率、動(dòng)力電池功率。這些參數(shù)由各類車型的實(shí)際運(yùn)行工況要求得到，影響各類BEV、FCV 和對(duì)應(yīng)的ICEV 的成本差額。此外，參考《節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》，本研究中的電池組成本從1 000 元/kWh 逐漸減少到530 元/kWh，燃料電池組成本則將經(jīng)歷較快下降，從2020年的約5 000元/kW，到2025年下降到2 000 元/kW，再到2030年下降到600 元/kW[3]。關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)的未來變化趨勢(shì)如表4 所示，參考國(guó)際清潔交通委員會(huì)[16]成果。

表3 TCO 成本分析中各類車輛2020年的關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)

表4 2030年各類車輛技術(shù)相比于2020年的改進(jìn)

關(guān)鍵設(shè)備的直接制造成本與間接成本乘數(shù)如表5所示。直接制造成本表示各類元器件從工廠當(dāng)中生產(chǎn)的總成本。間接成本表示不與生產(chǎn)過程直接發(fā)生關(guān)系但服務(wù)于生產(chǎn)過程的各項(xiàng)費(fèi)用，包括各個(gè)子供應(yīng)商的利潤(rùn)等，直接成本加上間接成本就是與特定技術(shù)相關(guān)的預(yù)計(jì)零售價(jià)格。

表5 關(guān)鍵設(shè)備的直接制造成本與間接成本乘數(shù)

間接成本乘數(shù)即為間接成本與直接成本的比值，用以估算間接成本，間接成本乘數(shù)因相關(guān)技術(shù)的復(fù)雜性而異,粗略估計(jì)在直接制造成本的15%～75%。本研究中使用的間接成本乘數(shù)使用美國(guó)環(huán)保局的研究成果，這些成果經(jīng)過嚴(yán)格的開發(fā)與審查流程且被廣泛應(yīng)用[18]。

年行駛里程及車身殘值曲線如圖1、圖2 所示，根據(jù)中國(guó)交通部門的使用強(qiáng)度研究得到[17]，表現(xiàn)了3 類車型的使用強(qiáng)度以及使用強(qiáng)度對(duì)車輛殘值的影響，假設(shè)車身10年使用期后價(jià)值接近為0。

圖1 重卡車型歷年行駛里程

圖2 重卡車型歷年殘值比例

補(bǔ)貼方面，需要特別指出的是，中國(guó)在2020年暫停了對(duì)燃料電池貨車的財(cái)政補(bǔ)貼，但正在實(shí)施“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策，不同車輛、不同年份補(bǔ)貼價(jià)款不一。另外，對(duì)于燃料電池汽車的國(guó)補(bǔ)和地補(bǔ)也不一樣。同時(shí)未來補(bǔ)貼的退坡時(shí)間點(diǎn)與退坡快慢存在較強(qiáng)的不確定性，為減少額外的不確定性，本研究以目前廣州市的補(bǔ)貼政策為代表進(jìn)行分析，單車每kWh 氫燃料電池汽車補(bǔ)貼額度為3 000 元(不超過110 kWh，即不超過33 萬元)，BEV 單車補(bǔ)貼上限為5萬元，每kg 加氫補(bǔ)貼為20 元，并假設(shè)2020—2030年補(bǔ)貼不變[20]。

1.2.2 儲(chǔ)氫、用氫關(guān)鍵參數(shù)

氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要參數(shù)如表6、表7 所示。

表6 每掛長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫的主要參數(shù)

表7 管道輸送氫能的主要參數(shù)

研究數(shù)據(jù)基于對(duì)各國(guó)相關(guān)文獻(xiàn)、相關(guān)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備生產(chǎn)銷售廠商調(diào)研收集、對(duì)相關(guān)行業(yè)專家進(jìn)行的訪談，并根據(jù)當(dāng)前中國(guó)氫能儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行綜合研判。

表6、7總結(jié)了運(yùn)氫設(shè)備的主要參數(shù)，包括投資成本、能耗、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用等參數(shù)，長(zhǎng)管拖車是目前中國(guó)氫氣儲(chǔ)運(yùn)的主要方式，市場(chǎng)發(fā)展較為成熟，根據(jù)中國(guó)當(dāng)前氫能運(yùn)輸實(shí)際情況收集、調(diào)研部分儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備生產(chǎn)銷售廠商獲得，部分?jǐn)?shù)據(jù)參考《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》[21]《中國(guó)氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)手冊(cè)2020》[22]及張軒等[23]研究成果。由于中國(guó)管道輸氫建成項(xiàng)目較少，管道輸送數(shù)據(jù)以中國(guó)濟(jì)源—洛陽 25 km 管道輸氫典型項(xiàng)目具體投資成本及輸送量數(shù)據(jù)。

加氫站方面，目前，中國(guó)加氫站主要是高壓氣氫加氫站，尚無液氫加氫站建設(shè)使用。研究選取日加注水平為500 kg 氫氣的外供氣氫加氫站作為典型，數(shù)據(jù)見表8，主要參考《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》[21]及《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)政策研究》[24]，其余數(shù)據(jù)參考汪抒亞[25]及周莎[26]的研究。此外，根據(jù)中國(guó)氫能應(yīng)用實(shí)際情況假設(shè)制氫廠到加氫站的距離為130 km。

表8 外供氣氫加氫站主要參數(shù)

1.2.3 制氫環(huán)節(jié)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

基于截至目前的中國(guó)氫能生產(chǎn)實(shí)際情況，通過文獻(xiàn)調(diào)研、搜集、廠商調(diào)研等方法，整理得到各種氫能生產(chǎn)技術(shù)關(guān)鍵參數(shù)取值，如表9 所示，表中特別關(guān)注了2 種主流電解槽的成本差異，包括堿性電解槽(alkaline electrolyzer，AE)和質(zhì)子交換膜電解槽(proton exchange membrane，PEM)。公共參數(shù)部分通過查閱相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒及調(diào)研中國(guó)市場(chǎng)交易平均價(jià)格水平并結(jié)合中國(guó)氫能生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

表9 中國(guó)氫能生產(chǎn)關(guān)鍵參數(shù)

研究選用的主要?dú)淠苌a(chǎn)參數(shù)取值參考本研究團(tuán)隊(duì)以往研究成果[10]，各種發(fā)電技術(shù)單位投資、每年運(yùn)行小時(shí)數(shù)等參考國(guó)家能源局[27]、國(guó)網(wǎng)能源研究有限公司[28]等權(quán)威研究成果，電解槽投資成本及相關(guān)性能參考張軒等人的文獻(xiàn)[23]，部分電解水制氫成本計(jì)算參考郭秀盈等人的文獻(xiàn)[29]。其中，各種發(fā)電技術(shù)投資成本、每年運(yùn)行小時(shí)數(shù)均取自全面平均值，CCS成本按每噸CO2投資350 元。

表10 為中國(guó)氫能生產(chǎn)公共參數(shù)，各種燃料價(jià)格參考2020年中國(guó)市場(chǎng)平均價(jià)格進(jìn)行設(shè)定。

表10 中國(guó)氫能生產(chǎn)公共參數(shù)

2 主要結(jié)果

2.1 車用氫能成本分析

圖3、圖4 為當(dāng)前技術(shù)條件下中國(guó)車用氫能供應(yīng)鏈的平準(zhǔn)化成本結(jié)果。整體來看，各項(xiàng)技術(shù)路線的平準(zhǔn)化成本在30.84～80.24 元/ kg 之間。其中，煤制氫—管道運(yùn)輸?shù)钠綔?zhǔn)化成本最低，為30.84 元/ kg，光伏電解水制氫—長(zhǎng)管拖車路線平準(zhǔn)化成本最高，為81.37 元/ kg。其余各種制取儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線的全產(chǎn)業(yè)鏈成本中，天然氣制氫—長(zhǎng)管拖車的平準(zhǔn)化成本為40.46 元/ kg，天然氣重整制氫—?dú)鈿洹艿垒斔吐肪€平準(zhǔn)化成本為33.84 元/ kg，工業(yè)副產(chǎn)氫—長(zhǎng)管拖車的平準(zhǔn)化成本為40.37 元/ kg，工業(yè)副產(chǎn)氫—管道運(yùn)輸平準(zhǔn)化成本為33.75 元/ kg，生物質(zhì)制氫—長(zhǎng)管拖車路線平準(zhǔn)化成本為54.99 元/ kg。值得注意的是，如果當(dāng)前風(fēng)電PEM、光伏PEM 的發(fā)電成本取值為0.20、0.25 元/ kWh，相應(yīng)的電解水制氫平準(zhǔn)化成本分別是33、45 元/ kg。

圖3 當(dāng)前技術(shù)條件下的平準(zhǔn)化成本(管道輸氫)

圖4 當(dāng)前技術(shù)條件下的平準(zhǔn)化成本(長(zhǎng)管拖車輸氫)

由于氫能技術(shù)正處于由小規(guī)模示范到市場(chǎng)化的快速發(fā)展階段，可以預(yù)見的是，未來短期內(nèi)車用氫能的成本將會(huì)有較大的下降可能性。因此，模型中包含了對(duì)未來氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本的預(yù)測(cè)模塊。制氫方面，基于研究團(tuán)隊(duì)此前的研究成果[10]，研究采用學(xué)習(xí)曲線模型，結(jié)果如圖5 所示。未來各種制氫技術(shù)平準(zhǔn)化制氫成本之間的差距較小，各種可再生能源電解水制氫平準(zhǔn)化成本降幅較大，約能減少到13～19 元/ kg，屆時(shí)水電、風(fēng)電、光電電解水制氫平準(zhǔn)化成本將顯著低于煤制氫、天然氣制氫平準(zhǔn)化成本。

圖5 中國(guó)氫能2020—2060年制氫平準(zhǔn)化成本趨勢(shì)

儲(chǔ)運(yùn)方面，主要考慮未來技術(shù)進(jìn)步所能實(shí)現(xiàn)的成本減少。由于當(dāng)前中國(guó)有關(guān)氫能技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈未來制儲(chǔ)運(yùn)用環(huán)節(jié)成本變化趨勢(shì)的研究分析較少，可借鑒的研究成果及相關(guān)數(shù)據(jù)較少，本研究根據(jù)現(xiàn)有部分學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的已有研究成果，結(jié)合中國(guó)氫能技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展實(shí)際情況和未來遠(yuǎn)期發(fā)展前景，做出合理評(píng)估預(yù)測(cè)。

表11 為研究設(shè)定的2020—2030年中國(guó)氫能技術(shù)儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)和假定。由此，得出2020—2030年氫能儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用環(huán)節(jié)平準(zhǔn)化成本，如圖6 所示。2類儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的成本下降幅度均為60%左右，其中，能耗成本下降幅度最大。

圖6 2020—2030年氫能儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用環(huán)節(jié)平準(zhǔn)化成本結(jié)構(gòu)

表11 2020—2030年氫能儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)和假定

2.2 氫能重卡總擁有成本分析結(jié)果

結(jié)合車用氫能成本與車輛擁有成本，可得出總擁有成本。由于中國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)可再生能源資源稟賦不同，將網(wǎng)電制氫作為本節(jié)的代表制氫技術(shù)。而由于氫能管道制造成本較高，技術(shù)也尚未成熟，2020—2030年間難以實(shí)現(xiàn)充分規(guī)?；?，因此長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫作為本節(jié)所選擇的代表運(yùn)氫技術(shù)。

2.2.1 不考慮現(xiàn)有補(bǔ)貼

在無補(bǔ)貼情況下所選各類車型和工況，在2020、2030年的總擁有成本如圖7、圖8 所示。由圖可知：從BEV 的角度看，在近10年來中國(guó)對(duì)BEV 技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等方面的大力支持下，各類BEV 車型的總擁有成本已與ICEV 相接近，且此時(shí)BEV 在能耗效率方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)反應(yīng)到總擁有成本上了，這表明中國(guó)目前的BEV 補(bǔ)貼退坡政策符合實(shí)際。

圖7 2020年無補(bǔ)貼情況下，各類車型總擁有成本

圖8 2030年無補(bǔ)貼情況下，各類車型總擁有成本

從FCV 的角度看，F(xiàn)CV 重型貨車目前的總擁有成本在200～357萬元，相比于ICEV 增加了38.4%～74.3%，其中礦山及港口貨運(yùn)場(chǎng)景—車型的經(jīng)濟(jì)成本表現(xiàn)相對(duì)來說最好，這一是表明中國(guó)目前推廣FCV 商用車還需要給予較高的補(bǔ)貼，二是表明在礦山及港口貨運(yùn)場(chǎng)景—車型進(jìn)行推廣的額外成本相對(duì)較低，具有優(yōu)先推廣的潛力。

同時(shí)，目前FCV-ICEV 貨車的總擁有成本增加率均低于FCV-ICEV 公共交通車輛的增加率，這表明FCV 貨車推廣的成本所帶來的額外成本比例低于FCV公共交通車輛，具有優(yōu)先推廣的可能性。

隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，各類FCV 車型都有望在2030年前后與ICEV 相平價(jià)乃至于更低價(jià)，綜合考慮FCV 的減碳效益，可以認(rèn)為2020—2030年是對(duì)FCV客運(yùn)、貨運(yùn)車輛進(jìn)行研發(fā)和推廣的合適時(shí)機(jī)。

進(jìn)一步考慮各類車型的使用強(qiáng)度(總運(yùn)行里程和每年運(yùn)行里程)，將總擁有成本均攤到車輛行駛每千米的成本，得到圖9、圖10。

圖9 2020年無補(bǔ)貼情況下各類車型單位里程總擁有成本

圖10 2030年無補(bǔ)貼情況下各類車型單位里程總擁有成本

由圖9、圖10 可知：礦山及港口貨運(yùn)場(chǎng)景的成本優(yōu)勢(shì)被小幅削弱，與城間貨運(yùn)相接近，此時(shí)城市貨運(yùn)反而具有了微弱優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 考慮現(xiàn)有補(bǔ)貼

根據(jù)FCV-ICEV、FCV-BEV 的總擁有成本差額，反推出使FCV 與這兩類車型平價(jià)所需要實(shí)現(xiàn)的氫價(jià)水平，如圖11 所示。

圖11 有無補(bǔ)貼情況下，使各類FCV 與ICEV、BEV 平價(jià)的氫價(jià)水平

由圖11可知：在無補(bǔ)貼情況下，在2028—2030年，私人乘用車、公共交通、礦山及港口貨運(yùn)等場(chǎng)景下的綠氫、藍(lán)氫有望使得FCV 與ICEV 平價(jià)。而在目前的補(bǔ)貼水平下，氫價(jià)需要在2025年降低到1 kg 氫18～30元才能使主要的FCV 車型與ICEV、BEV 平價(jià)，所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)貼水平在1 kg 氫10～38 元 之間，目前部分地區(qū)的 1 kg 氫氣補(bǔ)貼(20 元)還不足以完全彌補(bǔ)用戶所付出的額外經(jīng)濟(jì)成本。綜合考慮下，判斷2025年含補(bǔ)貼氫價(jià)的目標(biāo)定在1 kg 氫20～30 元較為合理。

2.2.3 關(guān)于關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量對(duì)有效載荷及成本影響的討論

私人乘用、公共交通車輛的儲(chǔ)氫罐、電池等關(guān)鍵設(shè)備往往選擇頂置或底置，對(duì)載客量的影響并不明顯。而對(duì)于本研究所考慮的3 類重卡來說，關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量將直接影響最大有效載荷從而影響運(yùn)貨效率，最終影響重卡的經(jīng)濟(jì)性。研究通過考慮關(guān)鍵設(shè)備(BEV 的電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池，F(xiàn)CV 的電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、燃料電池和儲(chǔ)氫罐)的質(zhì)量來對(duì)此進(jìn)行討論，所涉及的質(zhì)量參數(shù)如表12 所示。其中， FCV 和BEV 都具備動(dòng)力電池，與主流BEV 使用大容量磷酸鐵鋰電池稍有不同，F(xiàn)CV作為實(shí)質(zhì)上的混合動(dòng)力車型，傾向于選擇功率密度較高的電池，本研究考慮三元鋰電池[30-32]。氫儲(chǔ)罐方面，本研究考慮30、70 MPa下的Ⅲ型和Ⅳ型氣氫儲(chǔ)罐以及可預(yù)期的技術(shù)進(jìn)步情況[33-35]。同級(jí)別ICEV 重卡的內(nèi)燃機(jī)等被替代的設(shè)備質(zhì)量參考清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院歐陽明高等人[36]的研究，設(shè)為1.5 t。

表12 2020—2030年關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量密度參數(shù)

假設(shè)重卡盡可能趨近滿載運(yùn)行，再將表12 與表3的數(shù)據(jù)相結(jié)合，即可得出BEV、FCV 的關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量變化及其對(duì)TCO 成本的影響，如圖12、圖13 所示。

圖12 2020年無補(bǔ)貼情況下，各類車型單位載荷單位里程總擁有成本

圖13 2030年無補(bǔ)貼情況下，各類車型單位載荷單位里程總擁有成本

與圖7、圖8 對(duì)比可知，在目前BEV 與ICEV 的總擁有成本接近的情況下，BEV 以電池為代表的關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量使得BEV 的單位載荷成本高于ICEV 的5.7%～35.2%，削弱了BEV 的經(jīng)濟(jì)效益，礦山及港口貨運(yùn)的差距最小，如果與換電技術(shù)相結(jié)合，在該場(chǎng)景下則可能更早實(shí)現(xiàn)較優(yōu)載貨成本。隨著未來各組件能量及功率密度的提升，F(xiàn)CV 和BEV 重卡的單位載貨成本均有望大幅下降且低于ICEV，屆時(shí)購置成本將成為影響FCV 和BEV 重卡成本相對(duì)優(yōu)勢(shì)的決定性因素。

3 結(jié) 論

本研究通過建立起中國(guó)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型及其數(shù)據(jù)庫，開展不同工藝路徑下制、儲(chǔ)、運(yùn)、加的氫能全過程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，由此對(duì)重卡的氫能路徑與電動(dòng)路徑、油品路徑的全生命周期成本進(jìn)行了對(duì)比研究，分析了氫能在中國(guó)道路交通領(lǐng)域成本競(jìng)爭(zhēng)力，主要結(jié)論如下：

1) 網(wǎng)電制氫—長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫路線供氫時(shí)，氫能重型卡車車輛總擁有成本為200 萬～357萬元人民幣，相比于內(nèi)燃機(jī)卡車增加了38.4%～74.3%，其中礦山及港口貨運(yùn)場(chǎng)景的表現(xiàn)相對(duì)較好，具有優(yōu)先推廣的可能性。在無補(bǔ)貼情況下，各類燃料電池車輛需要在2027—2028年以后才能與內(nèi)燃機(jī)卡車實(shí)現(xiàn)平價(jià)。而目前部分地區(qū)的綜合補(bǔ)貼政策有望使中國(guó)在城間貨運(yùn)、礦山及港口貨運(yùn)等場(chǎng)景下使氫燃料電池重型卡車與傳統(tǒng)汽車的平價(jià)時(shí)間提前到2023—2025年。

2) 現(xiàn)有階段，氫能重型卡車相對(duì)傳統(tǒng)汽車的成本競(jìng)爭(zhēng)力都偏弱，需要從購車、用能2 個(gè)階段進(jìn)行補(bǔ)貼，才能促進(jìn)氫能重型卡車發(fā)展?，F(xiàn)有補(bǔ)貼水平尚且足以彌補(bǔ)氫能重型卡車的成本劣勢(shì)。相關(guān)補(bǔ)貼需要延續(xù)，至少在2025年之前僅進(jìn)行緩慢退坡。

3) 不同技術(shù)路線的車用氫能平準(zhǔn)化成本差異較大，制氫階段，化石能源制氫成本明顯低于可再生能源制氫。儲(chǔ)運(yùn)階段，管道輸氫成本遠(yuǎn)低于長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，但需要在一定的規(guī)?；A(chǔ)上才具有經(jīng)濟(jì)效益。此外，加注過程的成本占比很高，是車用氫能的一大劣勢(shì)。

4) 氫能重型卡車、電動(dòng)重型卡車對(duì)載貨量等因素的影響也是影響其競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。建議在氫能車輛的推廣過程中，因地制宜、細(xì)分場(chǎng)景考慮技術(shù)選擇，在礦山、港口等場(chǎng)景下可以優(yōu)先推廣。