氫燃料發動機/汽車未來發展趨勢

換句話說,對汽車而言目前氫能源在汽車上的應用暫時無法破局(因為當前突破性技術缺乏及場景暫不支持,即便是當前光伏制氫的成本也在18元/kg;

問題:氫燃料動力汽車還有未來嗎?

按照中汽協最新的公布數據看,我們不得不提出一個嚴肅的問題:氫燃料動力汽車還有未來嗎?


(相關資料圖)

2022年1-10月,新能源汽車產銷分別完成548.5萬輛和528萬輛,同比均增長1.1倍,市場占有率達到24%。其中純電動汽車產銷分別完成426.8萬輛和411.9萬輛,同比分別增長97.5%和93.1%;插電式混合動力汽車產銷分別完成121.5萬輛和115.9萬輛,同比分別增長1.8倍和1.7倍;燃料電池汽車產銷分別完成0.27萬輛和0.24萬輛(同比分別增長1.8倍和1.5倍。)

即便是全球氫燃料電池汽車2022年1-10月總銷量為1.61萬輛,同比增加8.8%。與龐大的物理電池新能源電動車數量而言,燃料電池汽車數量實在很小,所以,我們不得不提問文章開始時候的這個問題。

新能源汽車動力(源)技術路線之爭

根據《節能與新能源汽車技術路線圖2.O》規劃:到2025年,氫燃料電池汽車保有量達到10萬輛左右,加氫站數量達到1000座以上;到2035年,氫燃料電池汽車保有量達到100萬輛左右,加氫站數量達到5000座以上。氫能源升級為國家戰略。

2021年底,中國氫燃料電池汽車保有量約8938輛。2022年截止目前保有量為11338輛。

由于氫燃料汽車的基數數量小、發展緩慢、價格貴、應用場景少、使用成本高,電池電動車與氫燃料電動車的動力(源)技術路線之爭又一次擺在了大家面前。

技術路線之爭主要集中在成本、技術、便捷補能三個方面,基本上都是出于成本在考慮技術路線之爭。換句話說路線之爭是從經濟利益的角度在評判哪一個技術路線更具備經濟價值。

而我們知道,從能源戰略安全的角度講,氫能源是不二的未來選擇。因此,所謂的爭論在于所處的立場不同而不是技術本身。

因此,我們可以根據立場進行判斷,長期是氫能源戰略,所以長期布局選擇氫能源汽車,短期是電池戰略,所以現階段肯定布局電池汽車。對于技術而言,本身并不存在爭論的分歧基礎。

在了解了路線之爭的基本意義后,我來看一下氫能源汽車發展遇到的問題及機遇是哪些,會在什么時間出現拐點或者發展機會。

前面我們說了當前氫能源汽車基數數量小、發展緩慢、價格貴、應用場景少、使用成本高是遇到的主要問題。這些問題是表面上都可以發現的基本面,如果我們僅僅從這幾個方面分析,可能答案不一定比常見的回復更具備說服性。所以,我們將問題往更深的層面進行挖掘一下。

氫能源汽車發展緩慢遇到的是什么問題

氫能源汽車發展緩慢遇到的主要問題是“一短、三貴、一少”。

一短:如同10年前國家支持車企做電動車吃螃蟹一樣,目前氫能源汽車正在吃螃蟹階段,所以在試驗市場階段,其發展不可能很快,這也是一個正常的規律。

隨著2022年新能源政策補貼的結束,純電車將不再補貼,而對于氫能源汽車各個地方會給與持續的補貼。如上海支持政策規定(試行):每公斤氫氣補貼15元,總質量31噸貨車每年補貼(獎勵)0.5萬元,31噸以上貨車每年補貼(9獎勵)2萬元,通勤大客車每年獎勵1萬元。氫燃料發動機制造企業可獲得補貼3000萬元。這個也給氫能源汽車爭取了機會。但是,問題是這個補貼與售價昂貴的車輛相比,并不能起到積極的促進作用,只是從一定程度上減少TCO的幅度,還無法刺激氫能源汽車大幅進入使用階段。這是第一個制約氫能源汽車快速發展的第一個問題。

三貴:購買價格貴、氫燃料貴、使用費用貴是氫能源汽車的“硬傷”,導致缺乏商用化場景使用的基本吸引力。加之補貼、支持政策力度遠小于預期,無法形成有效使用欲望。這是氫能源汽車發展緩慢面臨的第二個問題。

氫能源汽車售價是同款燃油車、電動車售價的2-3倍(長安深藍SL03氫電版的上市定價69.99萬元,值3輛其它版本的SL03;第二代的Mirai售價50萬人民幣是其它豐田車輛近2倍的價格;就算應用場景較好的重卡,氫版重卡是油卡3倍價格,是電動版的1.33倍);就算售價接近的大通MIFA氫版和電動版本(氫版價格在29.98-39.98萬元),按照一年行駛2萬公里計算,MIFA氫版在氫燃料費用上的開支約為7080元,平均每月590元;而同期的純電動MPV MIFA 9,一年電費2143元,每月不足200元電費;加上保養、保費及其它使用費用,我們默認基本相當,三組費用加下來,氫能源汽車的確貴。這樣因為不符合商業經濟規則,無法形成大規模商業化應用也就不奇怪了。

一少:投資不足是氫能源汽車面臨的第三個問題也是一個大的痛點。2022年1-10月中國氫能領域完成35起投融資,總金額63億元,與汽車動力電池規劃動則萬億元的規劃投資規模相比,實在有些微不足道。離高盛預計全球綠氫發電的潛在市場在2030年翻一番達2500億美元的理想相差更遠。

面對氫能源汽車發展緩慢的問題是否有解?

針對一個產業問題,當前我們只能遺憾地說短期內確實沒有解決的可能性。除了提議一些建議之外,在短期之內沒有好的解決之路。這是系統問題,不是一個單一環節可以解決的。

這個問題看起來很無奈但并不是此路不通。純電汽車用了10年的強大政策支持才達到當前這個情景,回想當年起來,純電動BEV也是從氫能源當前遇到的窘況開始的。

換句話說,對汽車而言目前氫能源在汽車上的應用暫時無法破局(因為當前突破性技術缺乏及場景暫不支持,即便是當前光伏制氫的成本也在18元/kg;寶豐能源說的光伏制氫的成本是1.3元/千克,2025年,有望低于1元每/千克,這個不太可信)。但對于整個氫能源行業而言卻不存在著破局一說。

即便是按照氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》三步走的規劃,氫能源汽車與BEV價格相當也得在2035年;韓國的該目標略微激進在2030年實現氫能源 汽車價格與BEV價格相當。

也就是說,在未來10年左右的時間里面,氫能源在汽車上的應用如果沒有突破性技術的實現,基本上依舊是緩慢發展的長期局面。

那么未來的氫能源汽車究竟該怎么走呢?

氫能源汽車的發展重點與途徑

氫能源汽車按照當前專業的說法是在商用車領域進行首先推廣。這也許是一個正確的選擇也是一個無奈的選擇。私人用車領域更關注的是經濟性,對于成本的考慮更加重要。但是,從商用車領域來看,采購、使用成本并沒有顯著的優勢。從2014年豐田發布第一款氫能源汽車到現在已經8年,豐田開放5000多項氫能源汽車專利也有7年,大家依舊沒有看到氫能源汽車像BEV/混動電動車那樣的欣欣向榮。在這種尷尬的局面下,究竟該如何走好氫能源汽車之路是一個值得廣泛探討的問題。

氫作為未來能源戰略,長期的可行性是無可置疑的,也是技術迭代必然要經歷和達到的目標。這就需要一個一個目標組成去實現。我們認為可以將整個目標分為三個分目標去實現:一是氫能源發動機/電池技術突破;二是制氫突破;三是電-氣與整車協調。

對于氫能源汽車的第一個目標是氫能源電池的技術突破。這個需要戰略性投資的加入而不是政府補貼和企業自身研發。這個是與動力電池不一樣的目標設置與投資。用于氫能源發動機/電池的氫源當前僅占氫能使用的0.1%。從使用比例看還是因為當前的氫能源發動機/電池的基礎技術沒有突破而導致成本高和應用場景少。氫能源系統發電效率轉換也僅在32.4%-40%左右,1kg氫氣的電量產生大約在9.6度電-12.7度電之間。高成本催化劑使用、氫能源電池/發動機壽命與普通燃油機壽命差距較大(氫能源電池工作小時換算成年限為5-7年壽命,商用車領域勉強可以接受,但是乘用車領域較難接受),導致氫能源發動機/電池無明顯優勢。所以,集中突破氫能源電池/發動機這一技術才是重中之重。因為在車輛電動化方面,除了動力差別和儲能方式差異外,其它技術上面本質的差別不大。

如果忽略這個重點去大而全的做氫能源汽車是不明智的。因此,氫能源汽車的重點突破一定是將氫能源發動機/電池技術作為首要目標。

如東風氫舟 H2·e百公里耗氫量僅為0.751千克/100km為燃油車的一半成本;基于金屬薄膜的“氫-氨”轉換技術可以推進車上制氫;催化劑替代、質子交換膜、碳紙、雙極板、膜電極技術突破提升使用壽命。這些技術突破后,氫能源發動機/電池可應用的現實就會更加明顯。這是一個長期過程也是一個需要在短期內突破的技術。

站內/站外制氫與車上制氫的選擇是第二個需要分步實現的目標。站內/外/車上不是要三選一的問題而是齊頭并進的選擇。在制氫、儲氫、加氫成本及便捷性沒有完全解決前,我們都無法判斷哪一種技術路線更接近目標。

站內/站外制氫大家已經較為熟悉,我們不作過多討論。車載制氫技術盡管業內看法不一(有專家甚至認為10年前就證明車載制氫的不可能性),但其一些優勢還是具備成本降低的可能性。甲醇、氨等車載制氫都有著較好的前景。站外制氫70%的成本都花在了儲、運、儲的環節。而運氨成本約0.001元/kg·km與運氫成本0.02~0.10元/kg·km相比,其成本降低非常可觀。氨制氫-燃料電池發電成本為1元/kWh,在乘用車氫能源發動機上驗證燃料成本為25元/100km(氨氣制氫成本在0.8-1.5美金/kg;甲醇制氫成本在1.5-2美金/kg,相當于人民幣5.6-9元和10.5-14元人民幣),比終端售價每公斤氫氣35-50元的現實情況有著降低成本的較大空間。即便是與制氫成本18元/kg相比也有著較大的成本優勢。即便是站內/站外制氫有著較好的儲存、運輸的成本優勢。

如果第一個目標突破,氫能源發動機/電池系統成本降到1200-2000元/kw,加之氨氫電沒有儲運氫的額外成本,那么,氫能源汽車就真正有了基礎的大力發展的場景和初始使用條件。

前兩個目標實現了,第三個目標就相對容易解決了。畢竟增加一個制氫模塊還是有技術可行性的。

所以,我們認為氫能源汽車的真正發展或者突破就在于氫能源發動機/電池的技術突破。相對于第一個目標,第二個、三個目標更容易實現。

當然,甲醇及氨制氫是一個可期待的技術,但并不代表現在已經完全成熟了。在大型發電廠,甲醇及氨制氫不需要考慮體積、溫度等問題,但用在車輛上這依舊需要解決一些技術挑戰和技術難題。但是這個目標至少是有可期待可發展的可能性,也是被領域內專家所推薦和中意的。(如:福州大學創制出使氨高效分解的新型低溫催化劑,使傳統高溫“氨分解制氫”的溫度大幅下降。氨低溫制氫加氫站裝置和新型“氨-氫”燃料電池動力系統攻克了“氨-氫”能源循環的關鍵技術瓶頸。)

氫能源汽車,只要突破氫能源發動機/電池才有大力發展的可能性。不然,我們還得將其作為長期戰略慢慢實現。而想要快速實現第一個目標,讓技術快速突破就需要以國級戰略投資進行快速的研究和迭代,不能只依靠地方和企業有限的投入去“賭”無限的應用時間。豐田在氫能源汽車上走過的彎路,大家不應該再去走一遍。

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