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氢燃料商用车应用场景分析及发展建议
作者:尊龙用现金旧版    发布日期:2020-11-13 03:28


  2015年5月,国务院印发的《中国制造 2025》明确提出燃料电池汽车发展规划,将氢燃料电池纳入重点领域技术。2016 年 10 月,中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》对我国氢燃料电池汽车的发展愿景与目标、技术路线月,财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委发布《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》(财建〔2020〕86号),明确提出将原有的中央财政对燃料电池购置补贴调整为对示范城市的奖励,本着“以奖代补、择优支持”的原则,重点支持符合要求的地区氢燃料电池汽车技术攻关和产业化应用示范。

  虽然我国氢燃料电池方面规划起步较早,但燃料电池汽车目前还处于产业化初期,产品相关性能与传统车有差距。近年来,戴姆勒等国际氢燃料汽车先行者,打算暂时放弃氢燃料在乘用车上的发展,转向以氢燃料电池替代大马力柴油机的商用车领域。优先发展商用车的原因在于:一方面,公共领域平均成本低,能够起到良好社会推广效果,形成规模后可以带动燃料电池成本和氢气成本下降;另一方面,商用车行驶在固定线路上且车辆集中,建设配套加氢站可行性强。当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时,又能支撑更多燃料电池汽车应用。目前各地已先后在公交、城市物流车、城市管理服务用车等区域性应用场景进行示范运营。

  以12米公交车实际运行的数据为例,加注/充电时间和续航性能对比如表1所示。

  为了加大续航里程,纯电动汽车需要携带更多的锂电池,导致汽车的成本、自重上升。此外,汽车运行过程中容易出现电量骤降等现象,严重影响续航里程。氢燃料电池汽车增加续航里程只需增加氢气的携带量,汽车的自重影响很小,续航里程能够得到保证。

  氢燃料电池的基本原理就是通过电解水的逆反应,把氢原子和氧原子分别释放给电池的正极和负极,氢原子负极与电解质发生反应后,放出电子抵达正极,与氧原子重新结合,产生水。就其基本原理来看,氢燃料电池就是一个发电装置,它发电时除了产生热量与水,没有其他废弃物和污染物。

  氢燃料电池车相对纯电动车具有加注时间短、续驶里程长、低温环境适应性强等特点,但受制于当前储氢、加氢基础设施及燃料电池发动机水平不足以支持长途、大功率需求场景。综合分析适用于当前氢燃料电池车型的应用场景,主要有以下六个应用场景。

  1.城市客车、城郊及旅游客车应用场景:城市客车主要以市内各支、干线公交应用场景为主。其线路固定,路况较好,一般市内公交车单程运行距离约20km左右,一天总运行里程在200km以下,而行驶速度,高峰时约10km/h,平峰15~20km/h,自由流状态下25~30km/h;城郊客车应用场景主要以城市主城区与城市郊区及短途城际线路为主。相比城市客车,城郊客车运营距离更长,路况更加复杂。旅游客车相较城郊客车,其运营距离更长,对道路、气候环境的适应性要求更高,要求其既可以在高速路面行驶,也可以在偏远地区和乡村道路上运行。针对上述城市、城郊及旅游客车应用场景特点,燃料电池城市客车匹配50~120kW燃料电池发动机即可满足运行需求。

  2.市政环卫应用场景:从功能上主要分为运输型和作业型两类,其中运输型车以压缩式垃圾车/车厢可卸式垃圾车等为主,现有纯电动产品可满足运输型车辆绝大部分使用需求,而作业型车以洗扫、湿扫、高压清洗、低压清洗、抑尘等应用场景为主。日运营里程短,但载重大,作业车速低于10km/h,作业时间较长,上装功率需求30~40kW,需要持续大功率输出,氢燃料环卫车可满足需要。

  3.城市物流应用场景:主要以快递快运、日用百货、家具配送、搬家、五金建材、果蔬肉奶、酒水饮料等应用场景为主,其中快递快运、日用百货、家具配送等计划性物流用户每日运距150~200km以内,一般载重2吨左右,现有的纯电动轻卡产品可满足用户绝大部分使用需求。而搬家、五金建材为代表的非计划性物流、酒水饮料为代表的重载运输、果蔬肉奶为代表的冷藏运输,用户日运距需求大于200km,一般载重3~4吨及以上,适合于氢燃料电池轻卡产品。

  4.城际物流应用场景:主要集中在京津冀/长三角/珠三角/成渝等城市群,客户典型工况特点:主要运行于高速公路和国道、省道上,具有单边运距长、时效性高等特点,以快递快运、大件运输、绿通运输、工业原材料运输为主,常用载质量9~14吨、日均运营里程300~500km,氢燃料中重卡可较好满足。

  5.城市渣土自卸车应用场景:主要运输城市基建、房地产开槽、河道修建、道路修建所需原料及产生的废料,运输品以渣土、建筑垃圾、砂石料为主。渣土运输场景线km,平均运行车速30~50km/h。针对上述特点,氢燃料电池自卸车搭载100kW及以上的燃料电池发动机即可满足整车功率需求,日加氢一次可满足车辆全天运营需求。

  6.倒短牵引车应用场景:车辆主要运输商品车成品及半成品、煤炭、钢材、生活必需品、建筑材料等大宗货物,载质量约25~35吨,短距离往返于物流园和大型企业之间及火车站、码头等,日均运营里程100~200km,平均车速30~60km/h。运行路线相对固定方便加氢,根据应用场景特点,氢燃料电池牵引车搭载100kW及以上的燃料电池发动机即可满足整车功率需求。

  总之,相比纯电动车型,氢燃料电池车克服了能源补充时间长、低温环境适应性的问题,提高了营运效率,与纯电动车型应用场景形成互补;氢燃料电池车型更适用于路线相对固定、加氢便利等区域性应用场景。

  按照“氢电互补、宜氢则氢、宜电则电”的原则,同时结合各场景的应用潜力,依据是否有应用车型,同时确定投资意愿的主体,以北京市为例,建议将氢燃料电池车辆推广应用分为两个个阶段:

  首先以公交专线、环卫等公共领域及园区物流、企业班车等场景率先进行示范,以2022年北京冬奥会为关键时间节点,实现需求驱动和科技驱动的双引领,实现氢能产业的跃升式发展。氢燃料电池车辆产品推广8~12米公交车、11米旅游车、城市物流、8吨/12吨/18吨环卫车等;在此基础上,围绕冬奥场景开展9米/9.5米/12米系列旅游客车规模应用。同步开展围绕城市场景的重型燃料电池渣土车、牵引车等开发及应用示范工作。例如,北京384路公交已投入运营5辆12米氢燃料电池城市客车,有比较成熟的运营经验,未来该线路车辆可全部替换,打造成为为氢燃料电池客车专线。

  随着典型领域示范阶段的培育,不断提高产品技术水平,车辆购置及燃料成本进一步下降,在政府给予一定支持的基础上,基本具备规模化推广的可行性。在第一阶段的基础上,以京津冀协同发展为引领,结合公共领域的车辆更新周期进度,实现规模化推广。加大城建渣土车、牵引车等重型商用车市场进行氢燃料电池汽车示范运营。应用于城市物流、冷链配送、城市内砂石骨料、渣土运输及混凝土搅拌等场景。到2025年底,初步形成氢燃料电池车辆关键零部件和装备制造产业集群。

  车辆推广应用离不开产业链的支撑,需要通过打造氢燃料商用车商业化运营平台,把制氢、储氢、运氢、加氢和整车生产企业和运营企业联合起来,实现商业化运营。在这方面,北京市具备良好的产业基础。座落在北京的燕山石化的工业副产氢产能未来将达到15万吨/年,能够满足2~3万辆氢燃料商用车的使用需求;北京天海公司正在加快推进IV型瓶的研发验证和生产准备工作;亿华通已经推出100kW的氢燃料电池发动机产品。

  当前我国已进入氢燃料商用车商业化初期,氢燃料电池车产业发展和市场推广应用目前存在四个发展瓶颈:一是质优价廉的氢能供应和加氢基础设施建设不足;二是商业化推广模式尚未建立;三是部分关键零部件尚未自主;四是标准体系尚未形成。建议从以下五个方面促进氢燃料电池汽车产业的发展。

  立足现有产业基础,制定并发布氢能及氢燃料电池产业发展规划,明确发展方向及目标,为各相关企业产业落地发展树立信心、提供支持。建立健全氢燃料电池相关政策法规体系,从产业规划出发,制定涵盖氢气制、储、运、加、燃料电池汽车推广扶持、车辆年检等全产业链,全生命周期的相关标准及管理办法,保障产业健康规范成长。

  通过汇聚优势研发资源,针对产业发展存在的关键共性问题,开展集中资源整合与技术创新攻关,全面提升氢能相关产业的技术能力及产业化水平,促进氢燃料电池商用车的健康发展。通过氢燃料电池汽车产业集聚,可以促进氢能燃料电池全产业链的快速发展,有效降低成本。

  我国燃料电池汽车发展路径基本明确,即通过商用车发展,规模化降低燃料电池和氢气成本;结合区域能源结构特点,发挥资源优势,挖掘本地区氢能保障潜力,前期以能源保障为主,灰氢、蓝氢、绿氢均可利用,随着可再生能源成本降低及碳捕捉技术的完善,逐步向蓝氢、绿氢转化;氢燃料电池商用车的规模应用带动加氢站配套设施建设。

  规模化是提质降本的关键。国际氢能委员会2017年发布的报告预测,到2030年氢燃料电池形成规模化生产后,燃料电池发动机成本有望降到40美元/kW(按额定功率计算约70-80美元/kW)。美国能源部也预测,当产量扩大十倍,整车成本还可下降 23%; 叠加系统成本的降幅,综合成本下降幅度将超过45%。根据国内相关机构和企业的研究分析,按照每辆车使用60kW(额定功率)的氢燃料电池发动机测算,当产量从1000套升至1万套时,氢燃料电池发动机将从9000元/kW降至 2200元/kW,降幅达75.6%,;提升至10万套时,氢燃料电池发动机成本将进一步降至600元/kW。

  政府引导加大氢燃料电池基础科研投入,突破核心材料和关键部件的技术瓶颈,促进产品国产化。提高工业副产气制氢、电解水制氢、化石燃料制氢、可再生能源制氢等制氢技术,降低氢气制备成本;创新高压气态及低温液态储、运氢方式,研发性能更加优异的储氢材料,提出更加完善的车载氢系统安全及检测标准;创新氢气拖车运输、管道运输及液氢运输方式和技术,不断提升氢气储运效率、降低储运成本;在整车平台产品方面,开展整车能量管理、能耗优化、动态响应、热平衡、故障诊断与容错控制等关键集成技术;在燃料电池发动机方面开展长寿命燃料电池发动机及其关键核心零部件、低成本燃料电池热电联供系统、电控系统、辅助系统等研究与开发,最终实现氢燃料电池整车及燃料电池系统在技术先进性、可靠性、成本优势、产品平台化等方面与国际先进水平同步;结合整车运营情况制定加氢站规划、建设意见,研发提升加氢站氢气压缩机、高压储氢罐及氢气加注机等核心设备技术,创新加氢站站控系统,提升氢气加注安全。

  2020年4月10日,国家能源局发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》中首次将氢能列为能源范畴。在氢气运输、储存、使用、管理等环节,应尽快提出可操作性的方案措施。国家法规需加强对氢气的存储与运输提出的监管要求,在执行层面明确责任主体、完善管理体系;减少标准体系建立的阻碍,尽快制定20MPa以上高压气氢、液氢、管道运输等相关标准和法律法规。同时,优化加氢站建设审批程序。

  随着氢能源保障体系健全、基础设施逐步到位,规模化应用牵引技术创新和产业升级,氢燃料电池商用车将从以围绕城市场景为主题的应用市场,向长途干线物流、跨区域的货运和客运市场延伸,是替代中重型柴油车的较好选择。

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