中国氢能源发展迅猛,零排放的氢燃料汽车前景

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有市场观点认为,华培动力围绕“积极拥抱汽车智能化、电动化”的战略发展方向,完成了对盛迈克第2期18%的股权收购,以盛迈克为起点拓展公司智能传感业务。盛迈克近年来重点布局氢燃料电池系统、商用车尾气后处理系统等战略项目,随着新能源汽车动力的不断改进,氢燃料电池未来前景可期。

  01 零碳排放目标紧迫,加速布局汽车氢燃料

  中国气候变化事务特使解振华在近日召开的2021中国汽车产业发展(泰达)国际论坛上表示:“绿色低碳转型已成为世界潮流,我国将面临巨大的挑战,发展公共交通、智能交通、电动汽车、氢燃料汽车等零碳汽车是交通领域技术竞争的高地之一,也是实现碳达峰碳中和的核心举措。”

  华涧新能源是华培动力与控股股东华涧投资共同投资成立的一家致力于新能源汽车核心零部件开发与应用的现代高科技公司。为了应对能源安全,环境保护和全球变暖的挑战,依托集团公司在高端材料研发和材料成型方面的核心竞争力,华涧新能源正在开发一系列用于燃料电池系统的空气压缩机产品。

  燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置,技术门槛最高。近年来,在政策加持下,国内氢燃料电池技术发展已经“超出预期”,氢燃料电池系统部分零部件如催化剂、膜电极、双极板、密封材料等,已能够实现国产化。

  “二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。”这一减排目标是我国对世界的承诺。在“双碳”目标的驱动下,汽车产业迎来了前所未有的变革。华培动力通过此番抢先布局,将为公司接下来把握行业升级机遇,跨入燃料电池产业链新赛道打下稳固基础。

  02 零排放的氢燃料汽车,实现双碳目标的“终极能源”

  目前,新能源车动力使用锂电池虽然是最佳选择,在大多数适用场景中,锂电池车的开发和应用也更加成熟,但由于电池重量、续航里程问题,依然受到能量密度的限制,已经达到瓶颈,国内的三元锂电池能量密度约为 240Wh/kg,磷酸铁锂电池能量密度约为180Wh/kg。氢能源汽车,由于能效高在里程和载荷方面拥有先天优势。与纯电动车和插电式混合动车相比,氢燃料电池汽车的最大优势是加氢通常只需3分钟,而续航里程能轻松达到600公里以上。

  同时,氢气直接燃烧或通过燃料电池发电的产物为水,能够实现真正的零碳排放,对环境不造成任何污染,故而被誉为终极能源。纯电动车的电池,使用了大量锂、钴、镍等金属材料,金属材料的挖掘、生产加工等过程均有大量能量消耗及碳排放。相较于纯电动车,氢燃料电池车在制造过程中的碳排放也较低。同时燃料电池车的报废回收阶段,也比电纯动车回收,更容易且更有经济吸引力。

  由于具备“零排放、零污染、无噪音、补充燃料快、续航能力强”等五大优势,氢燃料电池汽车被认为更加有助于实现脱碳,更有助于实现“碳达峰,碳中和”目标。事实上,自我国提出“碳达峰、碳中和”目标以来,氢能产业再次乘风而起,尤其是下游的氢燃料电池汽车,市场热度显著升温。

  不过,燃料电池汽车要想实现规模化发展,首要的问题就是降成本。而构建氢能生态圈,也需要克服基础设施不够完善的问题,氢燃料电池商用车有望在公共交通、物流以及城市出行等领域中率先落地,并围绕加氢站进行运营。根据目前的测算结果,只要在四五百公里的间隔有一座加氢站,就可以支持氢能社会的加速落地。

  03 纯电汽车业已成熟,氢燃料路线前景如何?

  围绕氢燃料电池汽车与纯电动车的争论已经存在数十年,且随着全球各大整车厂商将电动化发展重心转向纯电动汽车,是否应该发展氢燃料电池汽车的质疑声也越来越大。

  相比较纯电动汽车而言,氢燃料电池汽车购车成本远高于纯电动汽车,是纯电动汽车 1.5-2 倍;初始加氢成本高,当前加氢站加氢成本在 50-80 元/kg;加氢站等基础设施匮乏。与密集的加油站及充电桩相比,现有加氢站数量明显不足。

  为使氢燃料电池汽车具备与燃油车相近的燃油经济性,其终端加氢成本需至少降到 40 元/kg 以内,假设以当前储运及加注成本计算(25 元/kg),制氢成本至少需降到 15 元/kg以下。由于锂电池本身的电能充放特点,纯电动汽车适合于较短距离行驶的小型和轻型车辆。但锂电池相对氢燃料电池能量密度较低,在商用车领域采用锂电设备,将提高车辆自重,降低重卡等重型商用车长途运输的经济适用性。

  以49吨重的锂电重卡和氢能重卡对比,需要锂电池重量为17.86KG,氢燃料仅需要12KG,显然车辆自重层面燃料电池优势突出,有效载荷优于锂电车型。氢燃料电池车更适用于重型商用车领域。一方面可以补齐锂电池的不足,另一方面可以实现深度脱碳。

  商用车排放占比高,是交运领域重要的减排对象。在碳排放(CO、HC)以及污染物排放(NOx、PM)中,由于发动机结构与燃烧方式的不同,商用车(绝大多数搭载柴油机)的碳排放水平明显高于乘用车,合计占比达到 77.3%,是交运领域碳排放首要减排对象。

  从我国汽柴油表观消费量以及 CO2 排放情况来看,我国的交运行业减排工作已取得明显进展,但碳排放水平依然处于较高位置,仅靠节能减排或者尾气回收显然无法完成碳中和目标。此外,续航和充电时长方面也会限制重型商用车的运输效率。

  相比之下,燃料电池车能量密度高,加注燃料便捷、续航里程较高,低温环境表现优异,更加适用于长途、大型、商用车领域。这也正是氢能源车这几年的落地,更多在客车和重卡,而非乘用车的原因。从目前的技术态势和认知上看,氢燃料电池和锂电池在未来三到五年的时间内,将持续互补关系:商用车是氢能源的根据地,乘用车是锂电池的主舞台。

  目前世界上氢能源汽车保有量过万辆的市场主要集中在日本和韩国,这些国家基本采取了基础设施先行的模式。而除了现代、丰田等氢燃料电池汽车“老玩家”,上汽集团、长城汽车等国内整车企业也以全方位的视角布局氢燃料电池汽车产业,随着“碳中和”目标的确立,汽车行业在加速推动氢能源的使用。

  04 需求与补贴撬动成本,氢能源之路逐渐明朗

  氢能源产业链可以分为上游:氢生产与供应;中游:燃料电池及核心零部件;下游:燃料电池应用。在氢气制取上,目前成熟的制氢手段主要包括化石能源重整制氢、工业副产制氢以及电解水制氢三种。其中,化石能源制氢通过裂解煤炭或者天然气获得氢气,俗称“蓝氢”。工业副产制氢则是对焦炭、纯碱等行业的副产物进行提纯获取氢气,俗称“灰氢”。

  本质上两者的氢气来源仍为传统的化石燃料。虽然通过碳捕捉与封存技术(CCS)可有效降低化石能源制氢过程中产生的碳排放,但长期来看只有可再生能源电解水制备的“绿氢”才能实现真正的零碳排放。目前可再生能源制氢占比较小,化石能源制氢仍是主要的氢气来源。根据 IRENA 的测算,全球仅有 4%的氢气来自电解水制氢,其余均来自煤炭、天然气以及石油炼化领域。

  根据规划,到 2035 年我国氢燃料电池车保有量将达100万辆。根据《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》规划,我国将发展氢燃料电池商用车作为整个氢能燃料电池行业的突破口。

  以客车和城市物流车为切入领域,重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广中大型客车、物流车,逐步推广至载重量大、长距离的中重卡、牵引车、港口拖车及乘用车等。到 2035 年,实现氢燃料电池汽车的大规模推广应用,燃料电池汽车保有量达到100万辆左右,完全掌握燃料电池核心关键技术,建立完备的燃料电池材料、部件、系统的制造与生产产业链。

  在需求和补贴的共同推动下,商用燃料电池系统与储氢系统价格较去年已经有了较大幅度的下降,目前行业水准不到1万元/KW,车用储氢系统价格不到5000元/KG,未来随着氢燃料电池应用范围与规模扩大,商用燃料电池价格至2025/2035/2050有望降至3500/1000/500元KW。商用储氢系统价格有望降至3500/2000/1200元/KG。

  成本的下降带来下游需求的爆发,预计21/25/35/50年燃料电池汽车空间规模将达到165/869/3850/9900亿元。而在“富煤、贫油、少气”的能源结构下,目前国内煤制氢的占比超过 60%,电解水制氢的比例则不到 2%。可再生能源制氢仍然任重道远,未来的发展空间巨大。

  05 中国氢能源发展迅猛 从初具雏形到全产业链

  根据全球氢能权威组织国际氢能委员会的预测,到2050年,氢能将占全球能源需求的18%,市场规模将达到2.5万亿美元,氢能的普及将助力每年减少60亿吨以上的二氧化碳排放。

  全球主要国家都开始大力发展氢能。中国氢能产业从初具雏形,迅速发展出全产业链。继国家的一系列宏观政策之后,各省市区陆续发布了氢能规划和指导意见,自主技术研发体系不断发展,产业链日益健全,氢能产业不断走向规模化发展。国内建立了多个真正聚集国内外行内头部企业的氢能产业城市集群。

  氢能技术发展迅速。首套自主知识产权的基于氦膨胀制冷循环的氢液化系统调试成功并产出液氢,包括核心设备在内的90%以上的设备完全采用国产,填补了我国自主知识产权的液氢规模化生产方面的空白。各地可再生能源电解制氢项目纷纷投产,全球最大电解水制绿氢项目投产。加氢站投入运营。氢燃料电池汽车产业加快布局,燃料电池成本大幅度下降。

  已经有100多家企业发布了碳中和路线图,氢能产业链已经逐渐铺开,越来越多的企业进军氢能,超过三分之一的央企已经在进行包括制氢、储氢、运氢、用氢等环节的全产业链布局,并取得了一批技术研发和示范应用成果,民企和外企也在加速进入氢能产业的各个环节。

  产业链上的各个企业发挥各自优势,找到资源结合点,形成全产业链上下游有机合作,形成中国氢能全产业发展的格局。中国已成为全球第一大氢能生产和消费国,氢能全产业链正在迅速而稳健地发展。

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