近年来,受置换高峰已过和全球经济下行压力的双重影响,重型卡车市场呈现低迷状态。在该形势下,一方面新能源车型的商品化为行业发展提供了新希望,纯电动重卡和燃料电池重卡相继步入大众视野, 并以其独特优势开始逐步与传统柴油车正面对抗。两者的主要动力均是由电池供给,纯电动重卡常使用锂离子电池,而燃料电池重卡使用的是以氢气为燃料的燃料电池,并且相较于燃油重卡均有着自己独特的优势。
1. 纯电动重卡:
纯电动车是指以车载电源为动力、电机驱动行驶的汽车。其相较于燃油车而言差别主要体现在驱动电机、电控、动力电池和充电器等方面。我国在纯电动汽车领域布局起步较早,在 1995 年北京理工大学就研发出了中国首台纯电动客车,到2015年中国已经成为了全球最大的新能源汽车市场。
政策的扶持是纯电动汽车迅速发展的重要原因。国家从技术研发、充电基础设施、安全管理、财政补贴等多个角度出台了许多政策保障行业发展。2020年 3 月 31 日,国务院提出延长新能源汽车补贴至 2022 年,为行业从“补贴时代”到“市场化时代”的过渡提供了更长的缓冲期,同时也尽可能减少了补贴退出对于市场可能造成的冲击。
纯电动汽车具有环保、清洁等优点,但续航方面仍存在不足。将燃油车与电动汽车对比来看,纯电动车使用的能源为电力,较汽柴油而言更加环保,行驶时噪音显著更低,同时还具有系统效率高的优点。但是由于目前技术局限,纯电动车的续航里程和补能时间仍不理想,这限制了其在长途运输重卡领域的应用。
国内外主要车型的续航极限能够达到 500公里左右,但是大多数车型仍集中在 300 公里,加之每次充电时长一般在 1小时左右,这使得其单日行驶距离有了很大的局限性,对于需要进行长途运输的重卡而言,纯电动重卡目前并不具有很大吸引力。目前电动重卡主要应用在环卫、建筑等活动范围集中、路线相对固定的中、近程运输中,而这能充分发挥其环保、能耗较低的优点,同时运用夜间电力波谷充电也能一定程度上降低其运行成本。
2. 燃料电池重卡:
国内的燃料电池汽车从 2001 年起步,至今发展了近 20 年,而 2016 年之前大多还是进行试验和示范运营,到 2019 年,已有 124 个车型进入工信部产品名录。
燃料电池汽车同时具有燃油车和纯电动汽车的优势。一方面,它的燃料为氢气,能够实现零排放、对环境友好,并且氢气来源非常广泛;另一方面,由于氢气燃料电池的高转换效率和较快的加氢速度,燃料电池重卡有着优异的电力设备,对于在长途运输中的应用来说前景广阔。但是由于氢气成本高、基础设施少,导致燃料电池在实际应用中在成本和维护方面优势并不明显,依然还有很长的路要走。
目前,国家相继出台了一系列政策来扶持产业发展。2018 年以来全国已经有 40 余家整车企业和发动机企业布局燃料电池车市场。根据中国氢能联盟的估计,到 2030 年中国氢气需求量将达到 3500 万吨,占能源体系的 5%,而到 2050 年则在终端能源体系中至少占比达到 10%。
2019 年中国燃料电池汽车销量为 2737 辆,同比增长 79.2%,表现出迅猛发展的势头。但是相较于其他国家而言,中国在燃料电池汽车领域无论是技术还是市场都还有较大差别。此外,在耐久性、低温性能、储氢系统等关键技术上,中国与国际一流水平仍存在较大差距。
燃料电池重卡对比纯电动重卡,前者在长距离运输应用上具有一定优势。从动力来源来看,目前纯电动乘用车通常采用的是较为经济且能量密度较高的三元锂电池,可以保障较高的续航里程;但对于商用车或重卡车,通常采用磷酸铁锂,其相对较低的能量密度限制其续航历程;在此方面由于氢能量密度较高,燃料电池能够满足绝大多数重卡的日常运输需求。目前,纯电动重卡续航能力大多集中在 200-300 公里,而燃料电池重卡续航普遍能够达到 400 公里以上。
若提高续航能力,纯电动重卡须牺牲重量进行对冲。在 150 公里续航下,纯电动重卡的电池系统重量达到 1.66 吨,而使得达到 400 公里续航,预计其电池系统质量为 4.43 吨左右;而同续航能力下燃料电池重卡动力系统质量仅为 0.8 吨,远低于纯电动重卡。燃料电池重卡的燃料为氢气,通过提升气瓶大小或储气压力即可提升续航里程;而纯电动重卡所使用的磷酸铁锂电池能量密度较低,为了提高续航里程,只能采取牺牲车体重量或体积等方式进行对冲。
燃料电池亦在燃料补充速度、低温性能等方面具有优势。燃料电池重卡能够在 10 分钟左右完成燃料的补充,而纯电动重卡的一次充电往往需要一个小时以上的时间。而从低温性能来看,纯电动重卡受温度变化影响较大,燃料电池重卡目前能够实现-30℃的冷起动从而适应高纬度地区的恶劣气候条件。
未来燃料电池重卡电池系统寿命将达到 3 万小时,已满足消费者使用 10 年左右,总行驶里程 120 万的目标。根据美国能源部的预测,在单次续航方面,燃料电池重卡将在 2030 年实现单次近 1000 公里的续航,以满足 98%左右的客户需求;在 2050 年达到单次 1200 公里左右的续航目标,从而满足 99%的客户需求。在燃料补充方面,为了实现与柴油车燃料补充速度一致,在 2050年燃料电池重卡单次燃料补充时间需缩短至 6 分钟左右,而实现单次续航1200 公里需要存储 60kg 氢气,因而需要实现 10kg H2/min 的加氢速度。
额定载重在 15 吨左右的三种车型,其成本测算,发现目前燃料电池重卡成本仍高于柴油和纯电重卡。从购车成本来看,目前燃料电池系统单位成本为 283 美元/千瓦,车载气瓶成本为 36 美元/千瓦,这都使得其在购车成本上就达到了柴油重卡近两倍。而从燃料价格来看,单位距离氢燃料成本为 1.5 美元/英里,远超另外两种车型,而且燃料成本在总成本的占比高达 74%,可见氢燃料价格是限制燃料电池汽车商业化的重要因素。当前燃料电池重卡生态仍处于发展初期,关键技术并不成熟,配套设施并不完善,需求端大多持观望态度;破除当前困境,降本势在必行,而技术进步、规模效应等都是行之有效的降本途径。当前全球氢能产业规模小,固定成本高,规模化能够有效降低成本。我国的燃料电池车制造规模仅为 3000 辆左右,而加氢站仅有 50-60 座,可见目前我国的氢能产业规模较小。而由于燃料电池产业前期研发投入大、生产设备投入大,因而折旧或摊销成本高,故通过规模化能够有效降低固定成本并促使总成本的下降。作为燃料电池重卡的核心零部件,燃料电池系统和车载气瓶的成本对整车成本影响很大。根据美国能源部的测算,在发展初期规模效应尤为显著:(1)当燃料电池系统年产量为 200 台时,单位成本为 283 美元/千瓦,而当其产量上升至 1000 台时,成本将下降 36.40%。而随着年产量继续增加值 1 万台、5 万台时,成本分别下降 59.36%和 68.20%。
(2)当车载气瓶的年产量为 1000 个时,其单位成本为 36 美元/千瓦,而当年产量上升至 10000 个时,单位成本会下降至 21.3 美元/千瓦,而车载储氢系统总成本会下降 40.83%。而当年产量从 1 万个增长至 10 万个、50 万个时,总购车成本分别降低了 56.42%和 60.58%。
目前全球范围内的燃料电池重卡规模很低,规模化降本应该是目前最主要的降本路径。特别是在发展前期,规模效应效果尤为显著;但随着生产规模的不断扩大,技术和生产水平对成本的影响将会不断扩大。目前所常用的氢气储运方法是气态运输和液态运输,主要运输方式是使用拖车和槽罐车等,国内主要是高压气态储运法。而重卡领域具有运输路线相对固定的特点,据 Nikola数据表示全美 25%的重卡在固定线路上运输;而在中国,大型物流枢纽的建设和物流企业的迅速崛起,使得我们可以在很大程度上锁定重卡的运输路线,进而考虑产业链发展协同,可有效降低氢气的制取、运输成本,提高氢气加注的便利性;这是燃料电池应用于重卡领域相较于乘用车领域应用的优势。
加强产业链上下游合作,利用企业优势资源推动商业化进程和降本进程。目前在国内,山东、山西等省份已经相继提出并建立了省内的产业联盟,充分整合本省上下游资源,促进科研成果的迅速转化。燃料电池重卡在未来完全有潜力在重卡领域率先规模化应用;但目前,高昂的成本和产业的不完善也限制了其发展。因此,推动技术创新、规模经济以及产业协同发展来实现降本是当务之急。虽然氢能及燃料电池的产业化依然任重而道远,但是该领域符合国家能源安全及环保大方向,同时政策表明国家对氢能及燃料电池领域的支持是一贯的;而其在商用车应用尤其在重卡领域的应用具有独特优势,相对纯电动重卡、柴油重卡,燃料电池重卡有着续航能力强、低温性能优异等特点,可在下游应用端率先发力,推动氢能-燃料电池产业链同步发展。