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政策推動能源結構轉型,氫能源電池汽車發展正當時

能源結構轉型升級,氫能源電池是氫能應用的重要場景

作為一種綠色、高效的二次能源,氫能還具有熱值高、儲量豐富、來源廣泛等特點,是各領域進行深度脫碳及實現碳中和目標的絕佳能源。2019年國家首次將氫能源概念寫入《政府工作報告》中,明確開展推動加氫站等氫能基礎設施建設工作,年底的《能源統計報表制度》中,氫氣也首次被納入能源統計范圍內。2020年發改委、司法部及能源局先后發布《關于加快建立綠色生產和消費法規政策體系的意見》及《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》,將氫能納入能源范疇并對其發展制定標準規范和支持政策。同年氫能先后被寫入《2020年國民經濟和社會發展計劃》、《2020年能源工作指導意見》。

根據觀研報告網發布的《中國氫能源電池汽車行業現狀深度研究與發展前景預測報告(2023-2030年)》顯示,氫能產業鏈較長,包括氫氣制備、氫能儲運、氫能加注及氫能利用等多方面,一般按上中下游對氫能產業鏈進行劃分,制氫為上游產業,主要方式包括化石燃料制氫、工業副產制氫、可再生能源制氫、高溫分解制氫及新興制氫方式(如生物制氫等),儲運氫為中游產業,儲氫方式主要包括高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、有機液體儲氫固態儲氫,氫能運輸主要為車船運輸機管道運輸方式,氫能應用及加注為下游產業,主要包括了加氫站建設、氫燃料電池和氫內燃機。我國氫能產業鏈整體雖然發展較快,但多個環節仍然存在問題,一些關鍵材料和部件依賴進口,關鍵技術未取得實質性突破,基礎設施建設不足,這些都會對我國整體氫能產業的發展起到負面的作用。

氫能產業鏈構成

數據來源:觀研天下數據中心整理

全球來看,目前氫能制備的主要途徑還是依靠傳統能源的化學重整,其中天然氣重整占比約48%,真正綠色途徑的電解水制氫僅占4%。而日本在電解水制氫方面腳步較快,其鹽水電解制氫的產能占總產能的63%。我國制氫則主要依賴煤氣化制氫及工業副產氫的方式,電解水制氫上我國應用的很少,僅約1%。

數據來源:觀研天下數據中心整理

數據來源:觀研天下數據中心整理

氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體,全球多國制定綠色轉型計劃,并制定中長期碳排放目標,到2030年全球碳減排50%已成各國共識。主要國際能源組織針對2050年氫能在全球能源總需求中的占比進行了預測,數據顯示主要能源組織預測到2050年氫能在總能源中的占比將達22%,其余幾家機構的預測值在12%-18%間不等。以國際可再生能源機構12%的占比預測為例,綠氫產量將提升到2050年的6.11億噸。

數據來源:觀研天下數據中心整理

可再生氫將在交通、鋼鐵、化工等領域成為主要的零碳原料,氫燃料電池汽車的燃料為氫氣,氫電轉化的生成物只有水,因此氫燃料電池汽車的運行可實現零排放,即不會生成CO、CO2或硫化物等污染物。根據碳中和專業委員會數據,1升汽油燃燒會釋放2.30kgCO2、0.627kg碳、1升柴油燃燒會釋放2.63kgCO2、0.717kg碳,使用氫燃料電池汽車可實現交通減碳。使用可再生能源制氫可進一步降低燃料汽車全生命周期碳排放。

汽油柴油碳排放系數

CO排放系數KgCO2/升 COz排放系數KgCO2/kg 碳排放系數KgC/升 碳排放系數KgC/kg
汽油 2.30 3.15 0.627 0.86
柴油 2.63 3.06 0.717 0.834

數據來源:碳中和專業委員會

2020-2060年通過使用綠氫有望實現超過200億噸的碳減排量,其中交通行業累計減排量最大,約為156億噸,減排占比70%以上,在碳達峰、碳中和的目標指引下,氫燃料汽車需求有望快速增長。根據中國氫能聯盟預測,2050年我國燃料電池汽車保有量有望超過300萬輛,加氫站數量有望達到1萬座,氫能消耗占比將達到10%。

氫燃料電池不同于傳統熱機,能量轉換效率不受到卡諾循環的限制,可達到40%~60%,且具有震動小、無噪聲、無污染等優點。氫燃料電池應用范圍廣泛,小至便攜式電源、可移動電源,大到氫燃料電池動力船舶、氫燃料電池發電站。當前氫燃料電池應用最多的領域是小型無人機和氫燃料電池汽車,在實船應用上還沒有達到相當成熟的階段,多個國家都在開展氫燃料電池在大型船舶上的應用工作。氫燃料電池汽車是當前國內氫燃料電池的主要應用領域,但在車用燃料電池技術上,仍是國外較為領先,以日本為代表,本田和豐田均有較為成熟的氫燃料電池汽車產品。

目前國內電堆供應商主要為捷氫、新源動力、廣東國鴻、濰柴動力等,捷氫于2020年發布的金屬板電堆,功率密度達3.8kW/L,實現雙極板和膜電極100%自主化與國產化、-30℃低溫啟動和6000h耐久測試。大同氫雄研發的130kW大功率燃料電池發動機已經進入量產程序。

國內外氫燃料電池電堆產品及參數

參數 豐田 豐田 本田 現代 捷氫 新源動力
產品型號 Mirai一代 Mirai二代 Clarity第三代 NEXO PROMEM3H HYMOD-110
額定功率 92kW 80~90kW 75~85kW 115kw 110kW
峰值功率 114kW 128kW 103kW 95kw 130kW 120kW
體積功率密度 3.lkW/L 4.4kW/L 3.1 2.8 3.8 4.2
壽命 5000 5000 5000 10000 5000
雙極板 金屬 金屬 金屬 金屬 金屬 金屬

數據來源:觀研天下數據中心整理

政策積極推動,氫電池商用汽車高質量發展

2020年五部委聯合下發《關于開展燃料電池汽車示范應用通知》,設立五大城市群,針對燃料電池汽車關鍵核心技術、產業化應用進行突破:2020年9月財政部、工信部、科技部、發改委、能源局聯合發布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》(下稱《通知》),2021年8月,京津冀、上海、廣東三大城市群率先啟動燃料電池汽車示范應用推廣;2021年12月,河北、河南城市群入選第二批入選示范區。中央財政計劃通過對新技術示范應用以及關鍵核心技術產業化應用給予獎勵,加快帶動相關基礎材料、關鍵零部件和整車核心技術研發創新。爭取用4年左右時間,逐步實現關鍵核心技術突破,構建完整的燃料電池汽車產業鏈。

示范城市群及燃料電池汽車推廣目標

京津冀城市群 上海城巿群 廣東城市群 河北城市群 河南城市群
牽頭城市 北京 上海 佛山 張家口 鄭州
4年示范期覆蓋范圍 2021年8月-2025年8月 2021年8月-2025年8月 2021年8月-2025年8月 2022年1月-2025年12月 2022年1月-2025年12月
示范期內推廣燃料電池汽車目標(輛) 5300 5000 10000 7710 5000
截至2023年6月末,示范區推廣數量(輛) 2475 1774 691 410 787
截至2023年6月末,推廣目標完成比例(%) 47 35 7 5 16
截至2023年6月末,推廣時間已過(%) 48 48 48 40 40

數據來源:觀研天下數據中心整理

商用車碳排放占全部車輛碳排放比例約65%,重型貨車碳排放量占商用車的83.5%,重型貨車是碳減排的關鍵車型。重型貨車運行過程中其他污染物質的排放水平也較高,以柴油貨車為例,全國保有量雖然僅占汽車保有量的8%,但其氮氧化物和顆粒物排放量卻占整體排放的80%以上。目前我國貨運仍以公路運輸的方式為主,根據中國能源報數據,2022年我國貨物運輸總量506億噸,其中公路貨運量為371.2億噸,公路貨運占比高達73.3%,公路運輸整體減排需求龐大。2022年,生態環境部發布《減污降碳協同增效實施方案》,明確提出將探索開展中重型電動、燃料電池貨車示范應用和商業化運營。到2030年,大氣污染防治重點區域新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售量的50%左右。在減排需求推動下,氫燃料電池商用車應用場景逐漸豐富。目前氫燃料電池汽車已經演化出自卸車、牽引車、廂式運輸車等車型,在牽引運輸、城市貨運等場景上已有應用。

數據來源:觀研天下數據中心整理

目前,國內銷售的氫燃料汽車主要應用在商用車領域。2022年氫燃料電池汽車上險輛達5009輛,客車、重卡、其他貨車等商用車上險量達4782輛,占總上險量的95%,其中,重卡上險輛達2465輛,占比達49%。國內優先發展商用車的原因在于兩方面:1)商用車可實現批量示范,形成規模后可以推動燃料電池成本和氫氣成本下降;2)商用車行駛在固定線路上且車輛集中,對加氫基礎設施布局的要求也相對更低。因此在燃料電池產業發展的初期,發展燃料電池重型載貨車的戰略引導作用高于乘用車。

數據來源:觀研天下數據中心整理

由于公交車路線固定,對加氫站數量要求有限,故而氫燃料電池前期應用主要面向公交車領域。2003年3輛奔馳氫燃料電池公交車在北京進行了首次測試。2017年,國內首條商業化運營的燃料電池公交線路由飛馳巴士在佛山云浮運營。截至2022年末,我國氫燃料公交車保有量約5400輛,占我國氫燃料電池汽車保有量的40%。后期發展重點依托物流、重卡領域:2021年7月,河鋼集團在河鋼唐鋼新區投放30輛49噸氫能重卡,標志著我國首條氫能重卡運輸線正式商業運營。2023年7月,中石化氫能源滬甬城際物流干線首次示范運行,“上海-寧波”跨區域氫能物流干線常態化規模運輸具備成熟條件,氫能重卡往返半徑從200公里增加到400公里。截至2022年末,我國氫燃料卡車保有量約7000輛,占我國氫燃料電池汽車保有量的52%。

數據來源:觀研天下數據中心整理(zppeng)

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