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我國氫能燃料電池汽車產業發展概況

2020-05-18 來源:重塑科技

  氫能是當前全球能源革命的重要方向,也是各國能源戰略的重要組成。近年來,隨著相關技術加快成熟,日、美、德、法、澳等國相繼發布國家氫能路線圖或行動計劃,韓國甚至將氫能產業定為三大戰略投資領域之一,并于2019年1月發布《氫能經濟路線圖》。氫能經濟開始全面進入產業化導入期,成為全球經濟新的重要增長點。

  中國加大重視氫能和燃料電池汽車產業的發展。2019年的《政府工作報告》首次提出“推動充電、加氫等設施建設”。10月,國家能源委員會召開了第四次全體會議,要求加快探索氫能商業化路徑。2020年4月,國家能源局發布了關于《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》,氫能首次納入能源定義。

  中國多個地方政府將氫能和燃料電池汽車作為當地重大戰略。截至2020年一季度,中國10個省份、4個直轄市、30多個地級市先后出臺促進氫能產業發展的補貼辦法、規劃或意見,積極搶抓燃料電池汽車戰略性新興產業培育和發展的機遇,以實現跨越式發展和產業引領。從幾年前的寥寥數輛試制、試運行,到多個地方大規模示范運行,中國氫能及燃料電池汽車產業發展正在邁上一個新臺階。

  一、燃料電池汽車推廣進展

  2019年全球燃料電池汽車市場發展趨勢整體向上。據中國汽車動力電池產業創新聯盟統計,2019年全球燃料電池汽車市場總保有量10600輛,較2018年全年總量5523輛增長91.9%。韓國市場增長較快,從2018年銷量700多輛,增長至4194輛,超過美國和日本,位居世界首位。2019年中國燃料電池汽車產銷完成3022輛,較2018年增長86.7%,占全球市場總量28.5%。

  從細分市場來看,全球燃料電池汽車發展方向差異明顯。從國際上看,燃料電池汽車主要發力在乘用車市場。近兩年,外國也開始推動燃料電池商用車的應用?;谌剂想姵卦谥虚L途載重運輸領域的優勢,中重型商用車應用加大。從2019年開始,現代汽車將在未來五年,向H2 Energy公司提供1000臺氫燃料電池重卡,車型包括冷藏車及一般箱體車;美國初創公司尼古拉汽車公司收到800輛燃料電池重卡的租賃訂單,計劃在2020年啟動量產;豐田原計劃在2020年東京奧運會期間推出550輛燃料電池巴士服務觀眾和大會人員,在2022年北京冬奧會上增加至2000輛。

  中國則以客車、貨車等商用車型為先導,30多個城市出臺了氫能規劃及燃料電池汽車示范推廣方案,總量超過了3000輛。同時,中國也成為了全球商用車最大的市場。2019年燃料電池貨車產量呈較快增長,1~12月總產量達到1682輛,較2018年增長85%,占總量的55.7%,反映出燃料電池貨車在中長途、重載領域的優勢日益凸顯,隨著城市貨運、冷鏈物流、港口碼頭等應用領域的需求增加,燃料電池貨車前景廣闊。

  二、氫能供應體系建設情況

  據國際能源署的報告,2019年,全球制氫年產量突破7000萬噸,中國每年產氫約2500萬噸,占世界氫產量的三分之一,是世界第一產氫大國。其中,煤制氫、工業副產氫是我國主要的產氫方式,當前中國工業副產氫主要集中在華東和中部化工大省。

  1)制氫:目前,用化工原料大規模制取氫氣主要以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫;商業化外供氫制取方式主要有甲醇制氫、天然氣制氫、焦爐煤氣、氯堿尾氣提純、電解水制氫等幾種形式。沼氣制氫開始應用,生物制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術仍處于實驗和開發階段,產收率較差,尚未達到工業化規模制氫要求。其中,以煤、天然氣為原料重整是目前最主要的制氫方法,全球占比約95%。中國主要以煤制氫為主,技術路線成熟高效,可大規模制備,是最經濟的制氫方式(6~10元/千克),年供氫能力在千萬噸級至億噸級。外國以天然氣制氫為主,天然氣原料占制氫成本的比重達70%以上??紤]到中國“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦,天然氣制氫僅適合少數地區探索開展。綜合考慮經濟性、技術成熟度、產業體制機制等因素,按照目前發展趨勢,中國近期將以工業副產氫為主,中長期以可再生能源電力制氫為發展方向。

  2)儲運:外國高壓氣態和低溫液態儲運已成功應用。中國高壓氣態儲運已得到廣泛應用。分析氫氣運輸的多種方法發現,管道運輸和液氫運輸的規模效益明顯,而高壓運輸靈活性較強。未來大規模的氫氣應用場景下,氫氣管道、液氫儲運、高壓儲運等相互支撐與互補,形成多元化的配送使用方式。液態儲氫具有儲氫密度高等優勢,是未來極具競爭力的儲運方式。但接下來很長時間,高壓氣態和液態儲氫形式并存。

  3)加氫站:根據H2stations統計,2019年全球加氫站累計432座,相比2018年新增83座,其中,有330座加氫站對外開放,其余的站點則為封閉用戶群提供服務,比如公共汽車或車隊用戶。其中,歐洲加氫站已占到全球的41%,亞洲追趕速度加快,占比與歐洲持平。從國家來看,日本、德國和美國位居前三位,中國排名第四。中國近兩年來,加氫站建設明顯提速,建設加氫站50多座,已經投入運營的有41座,2019年增加20座,有6個省份的加氫站首次投入運營。隨著國家政策的指向及地方的加大投入,我國建設加氫站會提速。預計2020年超過100座,2025年超過300座,2030年超過1000座。

  三、技術、模式與產業化進程

  1)技術:日、韓、德氫能和燃料電池技術全球領先,中國近兩年技術進步加快。乘用車方面,中國與外國整車的技術路線不同。外國以“大電堆加小電池的電電混合技術路線”為主,德國與中國以“中等功率電堆加較大電池技術路線”為主,主要體現在燃料電池功率、車輛冷啟動溫度、系統耐久性三個指標。據統計,外國燃料電池乘用車所搭載的燃料電池電堆功率分布在85~114千瓦之間,中國大多集中在36~55千瓦之間。

  車輛冷啟動溫度方面,外國普遍達到-30℃,中國目前為-15~-20℃;車輛耐久性/質保指標上,外國燃料電池乘用車型在16萬公里以上,中國大多為9萬公里,差距較大。

  國際上燃料電池商用車技術路線對比與乘用車類似。外國車型所搭載的燃料電池系統功率等級集中在100千瓦以上,中國集中在30~60千瓦;外國車型的冷啟動溫度集中在-30℃,中國集中在-15℃;外國車輛耐久性/質保最高18000小時,中國最高12000小時。

  從燃料電池發動機領域來看,中國車用燃料電池發動機與外國相比,在輸出功率方面差距明顯。目前,中國功率等級集中在30~60千瓦,外國自2014年開始就基本達到了60千瓦以上;電堆功率密度、最低啟動溫度等方面也有不小的差距??傮w而言,部分關鍵技術與國外相比,存在了5~10年的差距,高端產品依賴外國。

  2)模式:除政策驅動以外,實現燃料電池汽車規?;茝V,離不開商業運營模式的突破。目前,國際上,多通過銷售、租賃、政府采購等多種模式相結合,開拓燃料電池汽車的市場。

  中國燃料電池汽車集中應用在公交、物流領域,其中,燃料電池公交車一般由政府集中采購,具有示范效應,佛山、張家口、鄭州、北京、濟南、大同、成都、蘇州、云浮、上海等城市有不同規模的燃料電池公交車投入運營。燃料電池貨車主要應用于物流領域,適合發揮燃料電池長續航的特征,京東物流、申通物流等物流公司近幾年加快了采購運營燃料電池物流車的步伐。電商平臺的青睞催生了更多新能源企業和汽車企業在氫能物流上的投入與重視。

  3)產業化:近三年來,中國超過100家企業加入到該產業中,技術快速進步,產業鏈逐漸完善。從整體來看,2019年我國燃料電池系統功率的國產化和批量應用規模明顯提升,目前,國內還有企業已開發出功率在60~100千瓦之間的燃料電池系統樣品。核心部件方面,中國自主開發的空壓機、DC/DC基本實現量產,逐漸取代進口;增濕器和氫循環泵批量供應仍依賴國外。以地域分布來看,中國燃料電池系統及核心部件企業現已形成京津冀、長三角、珠三角產業集聚區。其中,京津冀地區約14家企業,長三角地區約40家企業,珠三角地區約23家企業。

  中國燃料電池系統的核心企業包括致力于推動氫能在交通出行領域應用和燃料電池系統產業化的新型專業化企業、傳統汽車與發動機制造企業和電氣裝備企業等,汽車核心配套部件企業也在2019年開始加大對氫燃料電池的投入,預計未來將有更多領域的企業和資本以轉型升級、跨界等形式,進入燃料電池系統及核心部件產業,是車用燃料電池系統自主可控、可持續發展的基礎。

  四、中國氫能的發展建議與展望

  中國燃料電池汽車進入產業化導入期,未來3~5年將是產業培育壯大的重要窗口期。在全球不斷提速、競爭日益加劇的形勢下,建議從國家層面,建立完善燃料電池汽車產業相關的頂層設計、穩定或加強財政支持、制定符合產業發展需求的推廣政策、逐步完善相關標準法規,通過產業協同、政策引領、標準規范助推燃料電池汽車產業的發展與壯大。

  1.確立氫能發展頂層設計,建立統籌協調發展機制

  建議加快研究制定《中國氫能發展戰略》,確立“以汽車應用為先導、基礎設施為支撐”的發展路線。建立由中國國務院領導牽頭的工作小組,制定統籌協調機制,加強對戰略落地和部門協同的組織領導。分領域制定專項規劃和政策,進一步明確國家戰略導向,指導各地政府開展具體行動,給予氫能源產業發展穩定的政策預期。

  2.堅持“以穩為主”完善燃料電池汽車補貼政策

  柴油發動機的開發周期是6年以上,生命周期可以持續幾十年。而中國燃料電池發動機研發至少需要2年以上,但生命周期隨著補貼政策的調整可能大大縮短,影響企業和產業發展的連續性。建議2025年前補貼政策“以穩為主、微調退坡”,支持企業保持研發強度,加快完善開發驗證體系,提升全產業鏈成熟度。待完成2~3代產品迭代升級、形成平臺化開發能力后,再遵循2年一個周期的研發規律,適度加快退坡節奏,倒逼企業持續加強研發,形成國際競爭力。

  3.以公共領域為重點,推動擴大示范應用

  目前,普通大眾對氫能不夠了解,還有一些顧慮甚至是懼怕,有“談氫色變”之說。為消除認知差異,進而推動氫能產業商業化運行,推動擴大示范應用項目必不可少。燃料電池公交車和物流車技術門檻比較低,且在推廣應用宣傳方面更有優勢,是燃料電池車的突破口。

  中國自2003年起開始燃料電池汽車示范運行,截至目前已完成了兩期燃料電池示范運行項目,第三期正在進行中。下一步應繼續擴大示范區域,引入更加多元化示范車型,開創發展新的商業模式。

  4.積極扶持技術研發和自主創新

  面對氫能產業技術不成熟、產業發展不經濟等突出問題,中國應統籌規劃,強化車用氫能技術研發,加快車用氫能制氫、儲存、運輸、加注及安全方面技術研發。不斷完善氫能產業體系,對產業薄弱環節加強政策支持和引導,鼓勵自主創新,加大對企業氫能研究相關投入的補助,激發企業主體作用。

  通過技術合作、人才引進、設立產業基金等多途徑,大力支持燃料電池基礎材料、核心技術和關鍵部件的技術攻關,重點突破膜電極(包括膜、碳紙和催化劑)、氫循環泵、膜增濕器、空壓機、DC/DC的產業化,提升核心競爭力,降低成本。

  5.健全行業監管體系和標準體系

  結合行業發展形勢,從國家層面明確行業主管部門和協作部門。研究制定整個商用液氫供應鏈的標準和法規,解決運氫成本偏高問題;規范加氫站申請批準程序,促進氫能基礎設施建設,規范加氫站對公眾開放的標準;構建符合中國氫能技術發展趨勢的氫能技術標準體系,加強對氫能源利用管理規范技術要求和產品認證等綜合標準研究。

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