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氫能汽車加速,煉廠制氫、管輸、加氫均具優(yōu)勢
日期:2019-02-27   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:anni_hyp 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
編者按:氫燃料電池汽車是提高能源自給率、保障國家能源安全的重要手段,隨著成本的不斷降低和技術(shù)水平的不斷提升,氫能產(chǎn)業(yè)將得以大力發(fā)展趨勢。

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,根據(jù)財政部及工信部公布的國家財政補貼數(shù)據(jù)及國補地補比例,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貼了大約1600億元。在逐步調(diào)低純電動汽車補貼的同時,并未調(diào)低燃料電池汽車的補貼力度。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,實現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?;痉稇?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·弗里德里希·尚班提出了燃料電池的原理。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現(xiàn)小型化和高性能化,從而削減材料費;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)模化生產(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)?;a(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)模化生產(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 氫氣的運輸成本

目前,成熟的氫氣運輸方式有魚雷車運輸壓縮氫氣、液氫運輸和管道輸氫。衣寶廉院士測算用魚雷車運氫,在200千米以內(nèi),每天運輸10噸氫,包括壓縮,存儲設(shè)備的折舊費用,每千克氫的運費僅 2.02 元。但魚雷車不適用于長距離、大規(guī)模運輸。

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)點是液氫適合長距離運輸,并且運輸量大,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、運行費用低,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,最合理的氫氣運輸方式是管網(wǎng)+魚雷車運氫相結(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,不含土地費用。加油站的建設(shè)成本中設(shè)備、建筑費用約200萬元,最主要的費用是土地,而土地的費用目前1 000萬 ~ 1 億元。相比土地的價格,設(shè)備費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,百千米運行費用為22.4元。

純電動車百千米運行費用為 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)費標(biāo)準(zhǔn),充電服務(wù)費在0.65 ~ 2.36元/k W·h不等,取平均值為1.07元/k W·h,約合百千米運行費用為 21.4 元。如果電動汽車在家充電,電費為0.5 元 /k W·h,百千米運行費用為 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,百千米運行費用約為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%。卡車具有長運距和高負(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%。可以假設(shè)在電動車成主體的時代,化工裝置還會正常運轉(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、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者對石化企業(yè)品牌的信賴到氫能時代不但不會變?nèi)酰鴷訌?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。

原標(biāo)題:氫能汽車加速,煉廠制氫、管輸、加氫均具優(yōu)勢
 
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