氢燃料发动机/汽车未来发展趋势

换句话说,对汽车而言目前氢能源在汽车上的应用暂时无法破局(因为当前突破性技术缺乏及场景暂不支持,即便是当前光伏制氢的成本也在18元/kg;

问题:氢燃料动力汽车还有未来吗?

按照中汽协最新的公布数据看,我们不得不提出一个严肃的问题:氢燃料动力汽车还有未来吗?


(相关资料图)

2022年1-10月,新能源汽车产销分别完成548.5万辆和528万辆,同比均增长1.1倍,市场占有率达到24%。其中纯电动汽车产销分别完成426.8万辆和411.9万辆,同比分别增长97.5%和93.1%;插电式混合动力汽车产销分别完成121.5万辆和115.9万辆,同比分别增长1.8倍和1.7倍;燃料电池汽车产销分别完成0.27万辆和0.24万辆(同比分别增长1.8倍和1.5倍。)

即便是全球氢燃料电池汽车2022年1-10月总销量为1.61万辆,同比增加8.8%。与庞大的物理电池新能源电动车数量而言,燃料电池汽车数量实在很小,所以,我们不得不提问文章开始时候的这个问题。

新能源汽车动力(源)技术路线之争

根据《节能与新能源汽车技术路线图2.O》规划:到2025年,氢燃料电池汽车保有量达到10万辆左右,加氢站数量达到1000座以上;到2035年,氢燃料电池汽车保有量达到100万辆左右,加氢站数量达到5000座以上。氢能源升级为国家战略。

2021年底,中国氢燃料电池汽车保有量约8938辆。2022年截止目前保有量为11338辆。

由于氢燃料汽车的基数数量小、发展缓慢、价格贵、应用场景少、使用成本高,电池电动车与氢燃料电动车的动力(源)技术路线之争又一次摆在了大家面前。

技术路线之争主要集中在成本、技术、便捷补能三个方面,基本上都是出于成本在考虑技术路线之争。换句话说路线之争是从经济利益的角度在评判哪一个技术路线更具备经济价值。

而我们知道,从能源战略安全的角度讲,氢能源是不二的未来选择。因此,所谓的争论在于所处的立场不同而不是技术本身。

因此,我们可以根据立场进行判断,长期是氢能源战略,所以长期布局选择氢能源汽车,短期是电池战略,所以现阶段肯定布局电池汽车。对于技术而言,本身并不存在争论的分歧基础。

在了解了路线之争的基本意义后,我来看一下氢能源汽车发展遇到的问题及机遇是哪些,会在什么时间出现拐点或者发展机会。

前面我们说了当前氢能源汽车基数数量小、发展缓慢、价格贵、应用场景少、使用成本高是遇到的主要问题。这些问题是表面上都可以发现的基本面,如果我们仅仅从这几个方面分析,可能答案不一定比常见的回复更具备说服性。所以,我们将问题往更深的层面进行挖掘一下。

氢能源汽车发展缓慢遇到的是什么问题

氢能源汽车发展缓慢遇到的主要问题是“一短、三贵、一少”。

一短:如同10年前国家支持车企做电动车吃螃蟹一样,目前氢能源汽车正在吃螃蟹阶段,所以在试验市场阶段,其发展不可能很快,这也是一个正常的规律。

随着2022年新能源政策补贴的结束,纯电车将不再补贴,而对于氢能源汽车各个地方会给与持续的补贴。如上海支持政策规定(试行):每公斤氢气补贴15元,总质量31吨货车每年补贴(奖励)0.5万元,31吨以上货车每年补贴(9奖励)2万元,通勤大客车每年奖励1万元。氢燃料发动机制造企业可获得补贴3000万元。这个也给氢能源汽车争取了机会。但是,问题是这个补贴与售价昂贵的车辆相比,并不能起到积极的促进作用,只是从一定程度上减少TCO的幅度,还无法刺激氢能源汽车大幅进入使用阶段。这是第一个制约氢能源汽车快速发展的第一个问题。

三贵:购买价格贵、氢燃料贵、使用费用贵是氢能源汽车的“硬伤”,导致缺乏商用化场景使用的基本吸引力。加之补贴、支持政策力度远小于预期,无法形成有效使用欲望。这是氢能源汽车发展缓慢面临的第二个问题。

氢能源汽车售价是同款燃油车、电动车售价的2-3倍(长安深蓝SL03氢电版的上市定价69.99万元,值3辆其它版本的SL03;第二代的Mirai售价50万人民币是其它丰田车辆近2倍的价格;就算应用场景较好的重卡,氢版重卡是油卡3倍价格,是电动版的1.33倍);就算售价接近的大通MIFA氢版和电动版本(氢版价格在29.98-39.98万元),按照一年行驶2万公里计算,MIFA氢版在氢燃料费用上的开支约为7080元,平均每月590元;而同期的纯电动MPV MIFA 9,一年电费2143元,每月不足200元电费;加上保养、保费及其它使用费用,我们默认基本相当,三组费用加下来,氢能源汽车的确贵。这样因为不符合商业经济规则,无法形成大规模商业化应用也就不奇怪了。

一少:投资不足是氢能源汽车面临的第三个问题也是一个大的痛点。2022年1-10月中国氢能领域完成35起投融资,总金额63亿元,与汽车动力电池规划动则万亿元的规划投资规模相比,实在有些微不足道。离高盛预计全球绿氢发电的潜在市场在2030年翻一番达2500亿美元的理想相差更远。

面对氢能源汽车发展缓慢的问题是否有解?

针对一个产业问题,当前我们只能遗憾地说短期内确实没有解决的可能性。除了提议一些建议之外,在短期之内没有好的解决之路。这是系统问题,不是一个单一环节可以解决的。

这个问题看起来很无奈但并不是此路不通。纯电汽车用了10年的强大政策支持才达到当前这个情景,回想当年起来,纯电动BEV也是从氢能源当前遇到的窘况开始的。

换句话说,对汽车而言目前氢能源在汽车上的应用暂时无法破局(因为当前突破性技术缺乏及场景暂不支持,即便是当前光伏制氢的成本也在18元/kg;宝丰能源说的光伏制氢的成本是1.3元/千克,2025年,有望低于1元每/千克,这个不太可信)。但对于整个氢能源行业而言却不存在着破局一说。

即便是按照氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》三步走的规划,氢能源汽车与BEV价格相当也得在2035年;韩国的该目标略微激进在2030年实现氢能源 汽车价格与BEV价格相当。

也就是说,在未来10年左右的时间里面,氢能源在汽车上的应用如果没有突破性技术的实现,基本上依旧是缓慢发展的长期局面。

那么未来的氢能源汽车究竟该怎么走呢?

氢能源汽车的发展重点与途径

氢能源汽车按照当前专业的说法是在商用车领域进行首先推广。这也许是一个正确的选择也是一个无奈的选择。私人用车领域更关注的是经济性,对于成本的考虑更加重要。但是,从商用车领域来看,采购、使用成本并没有显著的优势。从2014年丰田发布第一款氢能源汽车到现在已经8年,丰田开放5000多项氢能源汽车专利也有7年,大家依旧没有看到氢能源汽车像BEV/混动电动车那样的欣欣向荣。在这种尴尬的局面下,究竟该如何走好氢能源汽车之路是一个值得广泛探讨的问题。

氢作为未来能源战略,长期的可行性是无可置疑的,也是技术迭代必然要经历和达到的目标。这就需要一个一个目标组成去实现。我们认为可以将整个目标分为三个分目标去实现:一是氢能源发动机/电池技术突破;二是制氢突破;三是电-气与整车协调。

对于氢能源汽车的第一个目标是氢能源电池的技术突破。这个需要战略性投资的加入而不是政府补贴和企业自身研发。这个是与动力电池不一样的目标设置与投资。用于氢能源发动机/电池的氢源当前仅占氢能使用的0.1%。从使用比例看还是因为当前的氢能源发动机/电池的基础技术没有突破而导致成本高和应用场景少。氢能源系统发电效率转换也仅在32.4%-40%左右,1kg氢气的电量产生大约在9.6度电-12.7度电之间。高成本催化剂使用、氢能源电池/发动机寿命与普通燃油机寿命差距较大(氢能源电池工作小时换算成年限为5-7年寿命,商用车领域勉强可以接受,但是乘用车领域较难接受),导致氢能源发动机/电池无明显优势。所以,集中突破氢能源电池/发动机这一技术才是重中之重。因为在车辆电动化方面,除了动力差别和储能方式差异外,其它技术上面本质的差别不大。

如果忽略这个重点去大而全的做氢能源汽车是不明智的。因此,氢能源汽车的重点突破一定是将氢能源发动机/电池技术作为首要目标。

如东风氢舟 H2·e百公里耗氢量仅为0.751千克/100km为燃油车的一半成本;基于金属薄膜的“氢-氨”转换技术可以推进车上制氢;催化剂替代、质子交换膜、碳纸、双极板、膜电极技术突破提升使用寿命。这些技术突破后,氢能源发动机/电池可应用的现实就会更加明显。这是一个长期过程也是一个需要在短期内突破的技术。

站内/站外制氢与车上制氢的选择是第二个需要分步实现的目标。站内/外/车上不是要三选一的问题而是齐头并进的选择。在制氢、储氢、加氢成本及便捷性没有完全解决前,我们都无法判断哪一种技术路线更接近目标。

站内/站外制氢大家已经较为熟悉,我们不作过多讨论。车载制氢技术尽管业内看法不一(有专家甚至认为10年前就证明车载制氢的不可能性),但其一些优势还是具备成本降低的可能性。甲醇、氨等车载制氢都有着较好的前景。站外制氢70%的成本都花在了储、运、储的环节。而运氨成本约0.001元/kg·km与运氢成本0.02~0.10元/kg·km相比,其成本降低非常可观。氨制氢-燃料电池发电成本为1元/kWh,在乘用车氢能源发动机上验证燃料成本为25元/100km(氨气制氢成本在0.8-1.5美金/kg;甲醇制氢成本在1.5-2美金/kg,相当于人民币5.6-9元和10.5-14元人民币),比终端售价每公斤氢气35-50元的现实情况有着降低成本的较大空间。即便是与制氢成本18元/kg相比也有着较大的成本优势。即便是站内/站外制氢有着较好的储存、运输的成本优势。

如果第一个目标突破,氢能源发动机/电池系统成本降到1200-2000元/kw,加之氨氢电没有储运氢的额外成本,那么,氢能源汽车就真正有了基础的大力发展的场景和初始使用条件。

前两个目标实现了,第三个目标就相对容易解决了。毕竟增加一个制氢模块还是有技术可行性的。

所以,我们认为氢能源汽车的真正发展或者突破就在于氢能源发动机/电池的技术突破。相对于第一个目标,第二个、三个目标更容易实现。

当然,甲醇及氨制氢是一个可期待的技术,但并不代表现在已经完全成熟了。在大型发电厂,甲醇及氨制氢不需要考虑体积、温度等问题,但用在车辆上这依旧需要解决一些技术挑战和技术难题。但是这个目标至少是有可期待可发展的可能性,也是被领域内专家所推荐和中意的。(如:福州大学创制出使氨高效分解的新型低温催化剂,使传统高温“氨分解制氢”的温度大幅下降。氨低温制氢加氢站装置和新型“氨-氢”燃料电池动力系统攻克了“氨-氢”能源循环的关键技术瓶颈。)

氢能源汽车,只要突破氢能源发动机/电池才有大力发展的可能性。不然,我们还得将其作为长期战略慢慢实现。而想要快速实现第一个目标,让技术快速突破就需要以国级战略投资进行快速的研究和迭代,不能只依靠地方和企业有限的投入去“赌”无限的应用时间。丰田在氢能源汽车上走过的弯路,大家不应该再去走一遍。

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