文/趙學(xué)良 中國石油化工集團(tuán)有限公司發(fā)展計劃部，當(dāng)代石油石化
國家對于新能源汽車的發(fā)展投入了巨大的政策和資金支持，國際能源網(wǎng)根據(jù)財政部及工信部公布的國家財政補(bǔ)貼數(shù)據(jù)及國補(bǔ)地補(bǔ)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(bǔ)貼了大約1600億元。在逐步調(diào)低純電動汽車補(bǔ)貼的同時，并未調(diào)低燃料電池汽車的補(bǔ)貼力度。2016年 12 月 19 日國務(wù)院印發(fā)的“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中明確提出“完善動力電池研發(fā)體系；開展燃料電池、全固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池等領(lǐng)域新技術(shù)研究開發(fā)；到2020年，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)模化示范應(yīng)用。”2018 年 1 月，科技部部長萬鋼提出氫燃料電池研發(fā)投入將超50億元。2月11日中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)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(jī)動車污染、提高城市空氣質(zhì)量的重要路徑。目前發(fā)展FCEV 存在制造成本過高和缺乏加氫基礎(chǔ)設(shè)施兩大難題，從美國能源部、世界氫能理事會、德國聯(lián)邦運(yùn)輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)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。
1 FCEV 的制造成本會大幅下降，2025 年可與混合動力車價格相當(dāng)
1838 年，德國化學(xué)家克里斯提安·弗里德里?！ど邪嗵岢隽巳剂想姵氐脑?。1966 年 1 月，通用汽車研發(fā)出了世界上第一輛 FCEV Electrovan，僅有5 kW的輸出功率，但卻能提供113 km/h的最高時速，原料是液氫和液氧，充滿氫燃料后的單次續(xù)航能力可達(dá)193 km。20 世紀(jì) 90 年代初，基于質(zhì)子交換膜燃料電池高速進(jìn)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(zhì)功率21 kg/kW；1996年，奔馳推出NECAR2，質(zhì)功率提升至6 kg/kW；1997年，奔馳推出NECAR3，續(xù)航達(dá)到400 km；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GLC F-cell。
豐田汽車于 1992 年開始進(jìn)行FCEV 相關(guān)研 發(fā)；1996年，搭載燃料電池和貯氫合金燃料罐的豐田FCEV實(shí)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1.4 kW/L；2014年底，豐田推出世界首輛量產(chǎn)版燃料電池車Mirai，能量密度提高到3.1 kW/L、0.5 kg/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(shù)量；②采用混合動力車用馬達(dá)等低價位量產(chǎn)部件；③簡化燃料電池組和高壓氫燃料罐構(gòu)造；④提高燃料電池組的輸出密度以實(shí)現(xiàn)小型化和高性能化，從而削減材料費(fèi)；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(zhì)的方法，去掉了燃料電池系統(tǒng)的加濕器等。
麥肯錫咨詢公司代表德國聯(lián)邦運(yùn)輸和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部對氫能和燃料電池技術(shù)國家創(chuàng)新計劃NIP（2006–2016）進(jìn)行了項目評估?？偨Y(jié)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(yè)成本下降了 85%。質(zhì)子交換膜燃料電池的壽命相比2011年延長了1倍，達(dá)到25 000小時，業(yè)界領(lǐng)先的日本產(chǎn)品達(dá)到 70 000小時。
從 20 世紀(jì) 90 年代初各車企介入 FCEV 的研發(fā)，不到30年的時間取得了長足的進(jìn)步，而且這種進(jìn)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(jù)了 30% ~ 50%的市場份額的發(fā)展史，氫燃料汽車還很幼小、發(fā)展還不成熟，技術(shù)進(jìn)步及規(guī)?；a(chǎn)都存在使成本下降的巨大空間。
目前，F(xiàn)CEV成本最高的是燃料電池和儲氫罐，據(jù)測算燃料電池占整車成本超過 50%，儲氫罐占14%。以國內(nèi)企業(yè)主要向美國杜邦公司采購的Nafion質(zhì)子交換膜為例，每平方米質(zhì)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(zhì)子交換膜成本就需要5萬元。十年前1 kW燃料電池要負(fù)載至少0.8 ~ 1g Pt，一輛車就要100gPt，僅貴金屬的費(fèi)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(jù)DOE預(yù)測，通過規(guī)?；a(chǎn)及技術(shù)改進(jìn)，燃料電池的成本2020年能達(dá)到40美元/kW，最終能達(dá)到 30 美元 /kW。即使在 2016 年的技術(shù)水平下，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到50萬臺，燃料電池的成本也能達(dá)到53美元/kW的水平（當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模為1 000臺時，成本為215美元/kW）。
DOE 把 FCEV 系統(tǒng)各項拆分后，根據(jù)規(guī)模化生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步分別預(yù)測了其成本下降的空間：
1）通過規(guī)?；a(chǎn)，當(dāng)燃料電池生產(chǎn)系統(tǒng)從1000 套 / 年擴(kuò)大到 50 萬套 / 年，系統(tǒng)成本下降可達(dá)75%以上。燃料電池堆成本下降 82%，其中雙極板成本下降 62%，質(zhì)子交換膜成本下降 93%，催化劑成本下降60%，氣體擴(kuò)散層成本下降95%。
輔助部件成本下降 60%，其中空氣環(huán)路成本下降 50%，加濕和水環(huán)路成本下降 92%，高溫冷卻環(huán)路成本下降 31%，燃?xì)猸h(huán)路成本下降 31%，傳感器成本下降74%。
2）通過規(guī)?；a(chǎn)，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到 50 萬套 / 年，儲氫系統(tǒng)成本降幅超過50%。
3）通過技術(shù)進(jìn)步，催化劑 Pt 用量由十年前0.8 ~ 1.0 g/kW 降低到 0.3 ~ 0.5 g/kW（豐田 Mirai 已經(jīng)達(dá)到0.17 g/kW），近期目標(biāo)是0.1 g/kW，長期達(dá)到內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器用量水平（＜0.05 g/kW）。
從目前的科研進(jìn)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(xiàn)出了良好的性能，其他非貴金屬替代研究也取得相應(yīng)進(jìn)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，F(xiàn)CEV成本下降是可期的。豐田預(yù)估 2020 年其燃料電池系統(tǒng)（包含儲氫罐）成本從2015年的50 000美元降到13000~17000美元，到2025年燃料電池系統(tǒng)與混合動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平價。
2 當(dāng) FCEV 擁有量達(dá)到一定規(guī)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(jīng)調(diào)研國內(nèi)某加氫站氫氣價格為56元/kg，其中制氫＋運(yùn)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(yùn)輸車輛及加氫站的設(shè)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(jīng)營狀態(tài)。
2.1 氫氣的制造成本
煤制氫在煤價為160 ~ 1 000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(yè)的副產(chǎn)氫氣如鋼廠企業(yè)、氯堿工業(yè)，及可再生能源發(fā)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(nèi)燃機(jī)技術(shù)路線和煤制氫 - 燃料電池技術(shù)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(yōu)勢明顯，同時擁有環(huán)保優(yōu)勢。
現(xiàn)有天然氣資源，利用成熟的天然氣管網(wǎng)＋魚雷車配送到相應(yīng)的加氣站，不用新建轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)燃機(jī)車時，可不考慮用天然氣制氫供FCEV使用。除部分副產(chǎn)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(yùn)輸成本
目前，成熟的氫氣運(yùn)輸方式有魚雷車運(yùn)輸壓縮氫氣、液氫運(yùn)輸和管道輸氫。衣寶廉院士測算用魚雷車運(yùn)氫，在200千米以內(nèi)，每天運(yùn)輸10噸氫，包括壓縮，存儲設(shè)備的折舊費(fèi)用，每千克氫的運(yùn)費(fèi)僅 2.02 元。但魚雷車不適用于長距離、大規(guī)模運(yùn)輸。
制造液氫投資大、能耗高，F(xiàn)CEV 不需要使用99.999 9%純度的氫氣，加氫站需氣化裝置，并把常壓氫氣壓縮到70MPa，優(yōu)點(diǎn)是液氫適合長距離運(yùn)輸，并且運(yùn)輸量大，加氫站液氫存儲量大。但整體經(jīng)濟(jì)、能耗指標(biāo)都不太合算。
管道輸氫初始投資高，但輸量大、后期能耗低、運(yùn)行費(fèi)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(fā)改委 2017 年 9 月重新核準(zhǔn)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(guī)模普及FCEV車，最合理的氫氣運(yùn)輸方式是管網(wǎng)＋魚雷車運(yùn)氫相結(jié)合的模式，成本應(yīng)低于3元/kg。
2.3 氫氣的加注成本
加氫站的建設(shè)成本1 000 ~ 1 500萬元，主要成本為壓縮機(jī)及碳纖維儲氫罐，不含土地費(fèi)用。加油站的建設(shè)成本中設(shè)備、建筑費(fèi)用約200萬元，最主要的費(fèi)用是土地，而土地的費(fèi)用目前1 000萬 ~ 1 億元。相比土地的價格，設(shè)備費(fèi)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 50 L 計，即一輛車賺取 8 ~ 16元利潤。一輛 FCEV 可儲氫 5 kg，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?？紤]初期 FCEV 車流量較低，加氫站負(fù)荷率較低，初期需要較高毛利率彌補(bǔ)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(dá)到一定程度，氫氣的價格為13＋3＋12＝28 元 /kg，即可以保證生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售環(huán)節(jié)都有合理的利潤。目前豐田 Mirai 百千米耗氫 0.8 kg，百千米運(yùn)行費(fèi)用為22.4元。
純電動車百千米運(yùn)行費(fèi)用為 21.4 元左右。以特斯拉Model S 85D和比亞迪e6為例。Model S 85 D 在充滿了 85 kW·h的電量后，最高行駛里程可達(dá) 434 km，百千米耗電 19.6 kW·h。新款比亞迪 e6 充滿82 kW·h的電量后，最高續(xù)航里程達(dá)到400 km，百千米耗電 20.5 kW·h。在充電費(fèi)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(wù)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，充電服務(wù)費(fèi)在0.65 ~ 2.36元/k W·h不等，取平均值為1.07元/k W·h，約合百千米運(yùn)行費(fèi)用為 21.4 元。如果電動汽車在家充電，電費(fèi)為0.5 元 /k W·h，百千米運(yùn)行費(fèi)用為 10 元。當(dāng) FCEV 保有量達(dá)到一定規(guī)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，F(xiàn)CEV的使用成本可與純電動車基本持平。
3 FCEV 的購車成本及使用成本具備大規(guī)模推廣的可能
汽油車百千米油耗按7L計算，百千米運(yùn)行費(fèi)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(fù)荷工程車等商用車輛，低廉的使用成本將很快彌補(bǔ)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，F(xiàn)CEV除經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢外還具備環(huán)保、行駛噪音小、舒適度高等優(yōu)勢。
FCEV車相較純電動車同樣更適用于高頻度、長里程和重負(fù)荷等工作場景。用2030年的成本估算，例如，一個擁有 30 kW·h的電池（2016年尼桑 leaf 的電池大?。┑挠⒉﹦恿偝桑瑢⒈染哂蓄愃苾Υ婺芰Φ?FCEV 便宜約 35%。然而隨著容量的增加，F(xiàn)CEV 會變得更便宜，因為氫的儲存成本比電的要小的多。在約55 kW·h的情況下，2種動力系統(tǒng)的成本是一樣的，相當(dāng)于300千米的范圍。除此之外，F(xiàn)CEV 的價格可能要低于純電動車。當(dāng)續(xù)航里程達(dá)到1000千米時，F(xiàn)CEV的成本要低 55%?？ㄜ嚲哂虚L運(yùn)距和高負(fù)載的需求，F(xiàn)CEV 具有更大的優(yōu)勢。
由法液空、奧迪、寶馬、奔馳、通用、本田、現(xiàn)代、巖谷、川崎重工、Shell、挪威石油、林德、道達(dá)爾、豐田等18 家企業(yè)組成Hydrogen Council（氫能理事會）出版的《Hydrogen Scaling up》中預(yù)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(qū)動，超過35萬輛氫卡車可以運(yùn)輸貨物。
燃料電池叉車方面Plug Power公司已與亞馬遜達(dá)成協(xié)議，為亞馬遜已有的倉儲網(wǎng)絡(luò)提供 Plug Power 燃料電池和氫氣技術(shù)。亞馬遜將在選定的倉儲中心開始使用GenKey技術(shù)為其工業(yè)設(shè)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(yè)協(xié)議的金額將有望達(dá)到約 7 000 萬美元。此外，亞馬遜將收購其23%的股權(quán)。據(jù)美國能源部2016 年 5 月統(tǒng)計顯示，2008 年美國氫燃料電池叉車數(shù)量在500輛左右，到了2016年美國26個州的氫燃料電池叉車數(shù)量已經(jīng)超過了11 000輛，年復(fù)合增速高達(dá) 56%。如今沃爾瑪、寶潔和可口可樂等大零售商都有采購應(yīng)用氫燃料電池叉車。
4 發(fā)展氫能對石化企業(yè)的戰(zhàn)略意義
1） 石化企業(yè)的煉化企業(yè)轉(zhuǎn)型成制氫廠＋化工廠可實(shí)現(xiàn)存量資產(chǎn)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(yè)，煉油工藝裝置大概只占總投資的 30%?？梢约僭O(shè)在電動車成主體的時代，化工裝置還會正常運(yùn)轉(zhuǎn)，航煤繼續(xù)生產(chǎn)，但部分煉油及剩余配套裝置的負(fù)荷都將下降，如何發(fā)揮其他剩余資產(chǎn)包括制氫、空分、儲運(yùn)、給排水、消防、環(huán)保設(shè)施、供電、熱工、碼頭、土地的價值尤為關(guān)鍵，這些資產(chǎn)占總投資的45%。相比電動車帶來的影響，轉(zhuǎn)產(chǎn)氫氣后，能有效利用這些資產(chǎn)，挖掘存量資產(chǎn)的價值。
2）原油及成品油管道資產(chǎn)在氫能時代可為石化企業(yè)帶來競爭優(yōu)勢
石化企業(yè)擁有大量的成品油管道和原油管道，應(yīng)研究這些管道輸送氫氣的技術(shù)可行性。這些管道把煉廠和消費(fèi)端緊密地聯(lián)系在一起，可最大限度地降低配送成本，也是石化企業(yè)在氫能領(lǐng)域形成競爭優(yōu)勢的優(yōu)質(zhì)資產(chǎn)。
3）石化企業(yè)擁有的數(shù)萬座加油站在氫能時代將成為戰(zhàn)略資源，能夠維系石化企業(yè)在石油時代就形成的車用燃料主要供應(yīng)商地位
加氫站的建設(shè)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(shè)必須依托現(xiàn)有加油站。加油站轉(zhuǎn)換成加氫站經(jīng)上述計算，在 FCEV 保有量達(dá)到一定規(guī)模下是能盈利的。充分發(fā)揮這些存量加油站土地資源價值是石化企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，轉(zhuǎn)換成加氫站就是一種可供選擇的路徑。
FCEV 對氫氣的質(zhì)量要求苛刻，比汽油還要苛刻的多，我們有理由相信消費(fèi)者對石化企業(yè)品牌的信賴到氫能時代不但不會變?nèi)?，而會加?qiáng)。石化企業(yè)在氫能時代同樣會扮演石油時代車用燃料主要供應(yīng)商的角色，實(shí)現(xiàn)石化企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
4）我國現(xiàn)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(chǎn)累計起來價值3萬億元。如何用好這些巨量存量資產(chǎn)，不要造成社會財富浪費(fèi)既是石化企業(yè)層面應(yīng)該考慮的事情，也是國家層面應(yīng)該考慮的事情。
