中国氢燃料电池重型卡车的总拥有成本分析

王明华，王 雯，陈泽宇，刘建喆，欧训民，任 磊

（1. 国家能源集团 技术经济研究院，北京102211，中国； 2. 清华大学 能源环境经济研究所，北京100084，中国；3. 中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300，中国）

道路交通的碳减排是中国实现双碳目标的重要任务。作为道路交通碳排放和污染物排放的重要来源，总质量14 t 以上的载货汽车，即重型卡车(重卡)，是中国道路交通部门碳减排的重点和难点。2020年底，中国大陆商用车保有量约为3 400 万辆，在汽车保有量中占比约为12%，但碳排放占道路交通排放的62%[1]；其中，重型卡车保有量约为1 000 万辆，占商用车的27.4%、汽车保有量的3.3%，数量上占比并不高。中国汽车工程学会的研究表明：重型卡车碳排放占到商用车总量的约60%、道路交通碳排放的37%[2-3]。随着近年来中国大陆机动车排放标准不断升级，排放物限值水平不断趋严，重型卡车的清洁低碳转型正成为愈发重要的问题。

由此，新能源重卡逐渐受到关注，主要包括纯电动 (battery electric vehicle，BEV) 重型卡车和氢燃料电池(fuel cell vehicle，FCV)重型卡车2 种技术路线。与乘用车、轻型商用车电动化普及较为容易的现实不同，重型卡车有运距远、时间长和载荷重的特点，而目前BEV 在重型卡车领域的应用存在电池技术性能不足、规模经济发展受限、电功率范围不足和充电设施配套不完善等困难[3-4]。因此FCV 重型卡车成为了重要的技术选择，但目前该技术也在氢能成本、氢能供应链建设等方面仍存在瓶颈，大规模推广可能会带来用能的高成本问题，有必要从成本维度对FCV 重卡及其他技术路线进行分析。

虽然重型卡车领域可能是FCV 的潜在优势竞争区间，但是目前对各类车型的总拥有成本、温室气体排放的研究还有待进一步深入。美国阿贡实验室的LEE Dong-Yeon 等人基于仿真模型得到的FCV 重型卡车燃油经济性对FCV 重卡推广的影响，结果发现：天然气制氢技术路线相比于传统内燃机卡车(internal combustion engine vehicles，ICEV)的化石能源使用量减少了98%以上，其他各类FCV 重型卡车技术路线的减排潜力为20%～45%[5]。LIU Feiqi 等人通过设计FCV 渗透率的不同情景，评估了FCV 推广对中国重型卡车车队温室气体排放量的综合影响，发现：在2050年FCV 市场份额达到50%的情景假设下，重型卡车温室气体排放量有望减少50%[6]。LAO Junming 等人以中国华北地区的重型卡车运行数据为基础，结合简要估计的FCV 重型卡车能耗参数，发现：FCV 有潜力将该地区的重型卡车排放减少1/3[7]。

目前，对于FCV 重型卡车的研究，特别是中国背景下的相关研究，主要关注于所设计的情景下FCV 规模化使现有重型卡车车队实现的理想减排效益，而对于FCV 的总拥有成本等因素的刻画还有进一步拓展的空间，对FCV 和BEV 等技术路线的成本对比问题也有待进一步研究。

本研究建立起包含氢能全产业链经济成本分析模块的中国氢燃料电池重型卡车总拥有成本模型，对中国情境下柴油、电动化、氢能化重型卡车的总拥有成本进行分析，并在此基础上，探讨购车、用能环节的现有补贴和未来变动对于氢能汽车的竞争力的影响。

1 研究方法与数据处理

1.1 研究方法

1.1.1 重卡总拥有成本分析方法

车辆总拥有成本(total cost of ownership，TCO)，包括购置成本、能耗成本、维护成本、残值扣减4 个部分。

1) 购置成本：Cpr,n，角标pr 表示“price”，n表示所研究的2020—2030年中的某一年份。以各类内燃机卡车ICEV 车型的市场价为基准值，对应的BEV、FCV 车型由基准车型价格减去内燃机系统的成本。据估算，柴油动力传动系统(例如发动机、排气、油箱和变速箱)约占柴油货车总价格的51.7%[8]，也即约等于底盘、车身和电器设备成本，再加上BEV 车型、FCV车型的专用设备(电动机、电源管理系统、动力电池、氢燃料电池、储氢瓶等)的直接、间接成本。值得注意的是，随着未来车用燃料经济性标准的进一步加严，作为基准的ICEV 车型需要采用技术升级来减少能耗，这会使ICEV 的整体成本小幅增加，进而影响BEV、FCV 的购置成本结果，该增加值由 D. Meszier开发的成本曲线进行估算[9]。假设2025年乘用车第6 阶段、卡车第4 阶段的油耗标准将步入实用。除了车辆价格之外，购置成本还包括购置税、购置补贴、车牌费用等。

2) 能耗成本：FE，表示车用燃料的经济性(fuel economy，FE)，也就是行驶每km 里程所消耗燃料所对应的热量。AMy表示车辆使用期中的第y年(从车辆购入开始，到使用周期的第5年)各类车型的年行驶里程(annual mileage，AM)。FPn表示2020—2030年间第n年的车用燃料价格(fuel price，FP)。汽油、柴油以2020年的平均价格为基准，假设未来汽油、柴油价格不变。电力、氢气价格以2020年部分地区的市场价格为基准，分为带补贴、不带补贴2 类。

3) 维护成本：Cm，表示车辆维护(maintenance)成本，与购置成本类似，以ICEV 车型的维护成本为基础，通过分析BEV 车型、FCV 车型与ICEV 车型的维护项目差异得出。Cothers表示车辆在使用过程中产生的税、费。本研究主要考虑不同车型的过路费、年检和保险费用。

4) 残值：Crv，表示车辆在使用期之后的剩余价值(residual value, rv)，Y表示车辆使用期的总年份(本研究中为5年)。残值包括白车身、内燃机动力系统、纯电动车动力系统设备、燃料电池车动力系统设备4 个部分，5年使用期期末的车辆各部分残值比例参考D.Meszier 的研究成果[9]。本研究中折现率(r)取4%。

综上所述，车辆总拥有成本(TCO)为

对于车辆分析而言，研究对象的选择非常重要，道路运输车辆种类繁多，且由于车辆附属设备、使用场景等因素的不同，同一类车辆具有众多衍生车型，车型之间的燃料经济性存在一定差距，因此，本研究选取部分车型作为代表进行分析。道路运输车辆主要包括客运车辆和货运车辆两类，客运车辆参考以往研究的选取原则以及中国主流的FCV 车型款式，选取私人乘用车(A0 级车)以及大型客车(10.5 m 级)作为客运车辆的代表。

货运车辆的情况则较为复杂，重型货车的车辆尺寸、整备质量、设计方式、附属设备、使用场景等要素都会对车辆的各类要素造成影响。因此，本研究综合考虑目前中国重卡新能源示范项目的情况，选取49 t 级重载卡车的3 类主要工况-车型(城间运输-半挂车、矿山及港口运输-自卸车、城内运输-半挂车)为代表，将之与客运车辆的总拥有成本分析结果相比较。

此外，由于目前中国还没有实际使用的BEV 重卡和FCV 重卡进入淘汰和回收阶段，主要设备的更换、退役与回收参数存在较大的不确定性，因此本研究选取“5年+首位用户”的使用周期作为总拥有成本分析的时间边界。本研究考虑的技术进步的时间范围为2020—2030年。

1.1.2 氢能全产业链平准化成本分析方法

为分析FCV 的成本效益，本研究构建起氢能全产业链技术经济分析模型及其数据库，对不同工艺路径下制、储、运、加环节的氢能供应全过程技术经济分析测算。制氢方面，本研究考虑目前主流的灰氢(煤制氢、天然气制氢)、蓝氢(煤制氢+碳捕集与封存(carbon capture and storage，CCS)、天然气制氢+CCS、工业副产氢)和绿氢(风电光伏制氢)等主流制氢方式的平准化成本。制氢阶段的研究方法、主要数据使用本研究团队先前的研究成果，见文献[10]。

考虑目前储氢、运氢、加氢方面的技术发展情况，选取气氢作为氢能储运过程的主要形式，选取长管拖车 (tube trailers)、管道输送作为主要的运输工具，重点考虑加氢站加注车用氢气成本的影响。平准化氢能成本(levelized cost of hydrogen，LCOH)为

其中：Cfuel表示投入的原料和电力等成本，Copex为运营维护成本，H为每a 氢能储运或加注量。

氢能储运或加注设备的资本成本为

其中：V为初始项目投资；CRF 为资本回收系数 (capital recovery factor) ，即：

其中：i为折现率；T为项目寿命。

1.2 主要数据来源与处理

1.2.1 中国重卡车型的技术经济性参数

基于广泛调研和数据整理，选取研究对象各类车型的基本信息以及燃油经济性，如表1 所示。由于很难获取与ICEV、FCV 条件完全一致的BEV 重卡的分析结果，本研究对此进行一定简化，基于以往对各类动力系统能量转化效率的研究结果，假设纯电动重卡的燃料消耗率是传统卡车的60%[11-12]。考虑未来发展的影响，本研究对各类车型未来燃油经济性的变化进行了假设。依据中美的统计数据与法规设计，在2013—2014年和2015—2019年期间，货车的燃料消耗率的年下降率分别为6%和3%，参考《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》 所设计的能耗发展目标，本研究假设在2020—2030年间，汽柴油车的燃料消耗率的改善率为每年2%，FCV 重型货车燃油经济性的改善设为每年1%，BEV 燃油经济性的技术改善空间较少，本研究假设保持不变[3,13-14]。

表1 各种车辆类型及燃油经济性

基于选取车型的基本参数，进一步获得分析总拥有成本的相关参数，数据来源于调研结果，以城间运输-半挂车为例，成本计算的主要输入参数如表2 所示。

表2 49 t 级卡车总拥有成本基本参数

各类车型的主要设备容量、单位成本、残值比例等参数，参考本研究团队OUYANG Danhua 等和REN Lei 等公开发表的文章，以及国际清洁交通委员会的相关研究进行取值[14-16]，包括各类车型的关键设备容量、关键设备成本变化假设、使用强度与残值比例。如非特殊声明，本研究假设2020—2030年间各类参数均呈线性变化。

关键设备参数如表3 所示，包括FCV 储氢量、BEV储电量、电动机功率、燃料电池功率、动力电池功率。这些参数由各类车型的实际运行工况要求得到，影响各类BEV、FCV 和对应的ICEV 的成本差额。此外，参考《节能与新能源汽车路线图2.0》，本研究中的电池组成本从1 000 元/kWh 逐渐减少到530 元/kWh，燃料电池组成本则将经历较快下降，从2020年的约5 000元/kW，到2025年下降到2 000 元/kW，再到2030年下降到600 元/kW[3]。关键设备参数的未来变化趋势如表4 所示，参考国际清洁交通委员会[16]成果。

表3 TCO 成本分析中各类车辆2020年的关键设备参数

表4 2030年各类车辆技术相比于2020年的改进

关键设备的直接制造成本与间接成本乘数如表5所示。直接制造成本表示各类元器件从工厂当中生产的总成本。间接成本表示不与生产过程直接发生关系但服务于生产过程的各项费用，包括各个子供应商的利润等，直接成本加上间接成本就是与特定技术相关的预计零售价格。

表5 关键设备的直接制造成本与间接成本乘数

间接成本乘数即为间接成本与直接成本的比值，用以估算间接成本，间接成本乘数因相关技术的复杂性而异,粗略估计在直接制造成本的15%～75%。本研究中使用的间接成本乘数使用美国环保局的研究成果，这些成果经过严格的开发与审查流程且被广泛应用[18]。

年行驶里程及车身残值曲线如图1、图2 所示，根据中国交通部门的使用强度研究得到[17]，表现了3 类车型的使用强度以及使用强度对车辆残值的影响，假设车身10年使用期后价值接近为0。

图1 重卡车型历年行驶里程

图2 重卡车型历年残值比例

补贴方面，需要特别指出的是，中国在2020年暂停了对燃料电池货车的财政补贴，但正在实施“以奖代补”政策，不同车辆、不同年份补贴价款不一。另外，对于燃料电池汽车的国补和地补也不一样。同时未来补贴的退坡时间点与退坡快慢存在较强的不确定性，为减少额外的不确定性，本研究以目前广州市的补贴政策为代表进行分析，单车每kWh 氢燃料电池汽车补贴额度为3 000 元(不超过110 kWh，即不超过33 万元)，BEV 单车补贴上限为5万元，每kg 加氢补贴为20 元，并假设2020—2030年补贴不变[20]。

1.2.2 储氢、用氢关键参数

氢能储运技术主要参数如表6、表7 所示。

表6 每挂长管拖车运氢的主要参数

表7 管道输送氢能的主要参数

研究数据基于对各国相关文献、相关储运设备生产销售厂商调研收集、对相关行业专家进行的访谈，并根据当前中国氢能储运行业实际情况进行综合研判。

表6、7总结了运氢设备的主要参数，包括投资成本、能耗、运行时间、运营维护费用等参数，长管拖车是目前中国氢气储运的主要方式，市场发展较为成熟，根据中国当前氢能运输实际情况收集、调研部分储运设备生产销售厂商获得，部分数据参考《中国氢能产业发展报告2020》[21]《中国氢能及燃料电池产业手册2020》[22]及张轩等[23]研究成果。由于中国管道输氢建成项目较少，管道输送数据以中国济源—洛阳 25 km 管道输氢典型项目具体投资成本及输送量数据。

加氢站方面，目前，中国加氢站主要是高压气氢加氢站，尚无液氢加氢站建设使用。研究选取日加注水平为500 kg 氢气的外供气氢加氢站作为典型，数据见表8，主要参考《中国氢能产业发展报告2020》[21]及《中国氢能产业政策研究》[24]，其余数据参考汪抒亚[25]及周莎[26]的研究。此外，根据中国氢能应用实际情况假设制氢厂到加氢站的距离为130 km。

表8 外供气氢加氢站主要参数

1.2.3 制氢环节关键数据

基于截至目前的中国氢能生产实际情况，通过文献调研、搜集、厂商调研等方法，整理得到各种氢能生产技术关键参数取值，如表9 所示，表中特别关注了2 种主流电解槽的成本差异，包括碱性电解槽(alkaline electrolyzer，AE)和质子交换膜电解槽(proton exchange membrane，PEM)。公共参数部分通过查阅相关统计年鉴及调研中国市场交易平均价格水平并结合中国氢能生产实际情况进行调整。

表9 中国氢能生产关键参数

研究选用的主要氢能生产参数取值参考本研究团队以往研究成果[10]，各种发电技术单位投资、每年运行小时数等参考国家能源局[27]、国网能源研究有限公司[28]等权威研究成果，电解槽投资成本及相关性能参考张轩等人的文献[23]，部分电解水制氢成本计算参考郭秀盈等人的文献[29]。其中，各种发电技术投资成本、每年运行小时数均取自全面平均值，CCS成本按每吨CO2投资350 元。

表10 为中国氢能生产公共参数，各种燃料价格参考2020年中国市场平均价格进行设定。

表10 中国氢能生产公共参数

2 主要结果

2.1 车用氢能成本分析

图3、图4 为当前技术条件下中国车用氢能供应链的平准化成本结果。整体来看，各项技术路线的平准化成本在30.84～80.24 元/ kg 之间。其中，煤制氢—管道运输的平准化成本最低，为30.84 元/ kg，光伏电解水制氢—长管拖车路线平准化成本最高，为81.37 元/ kg。其余各种制取储运技术路线的全产业链成本中，天然气制氢—长管拖车的平准化成本为40.46 元/ kg，天然气重整制氢—气氢—管道输送路线平准化成本为33.84 元/ kg，工业副产氢—长管拖车的平准化成本为40.37 元/ kg，工业副产氢—管道运输平准化成本为33.75 元/ kg，生物质制氢—长管拖车路线平准化成本为54.99 元/ kg。值得注意的是，如果当前风电PEM、光伏PEM 的发电成本取值为0.20、0.25 元/ kWh，相应的电解水制氢平准化成本分别是33、45 元/ kg。

图3 当前技术条件下的平准化成本(管道输氢)

图4 当前技术条件下的平准化成本(长管拖车输氢)

由于氢能技术正处于由小规模示范到市场化的快速发展阶段，可以预见的是，未来短期内车用氢能的成本将会有较大的下降可能性。因此，模型中包含了对未来氢能产业链成本的预测模块。制氢方面，基于研究团队此前的研究成果[10]，研究采用学习曲线模型，结果如图5 所示。未来各种制氢技术平准化制氢成本之间的差距较小，各种可再生能源电解水制氢平准化成本降幅较大，约能减少到13～19 元/ kg，届时水电、风电、光电电解水制氢平准化成本将显著低于煤制氢、天然气制氢平准化成本。

图5 中国氢能2020—2060年制氢平准化成本趋势

储运方面，主要考虑未来技术进步所能实现的成本减少。由于当前中国有关氢能技术全产业链未来制储运用环节成本变化趋势的研究分析较少，可借鉴的研究成果及相关数据较少，本研究根据现有部分学者和研究机构的已有研究成果，结合中国氢能技术全产业链发展实际情况和未来远期发展前景，做出合理评估预测。

表11 为研究设定的2020—2030年中国氢能技术储运应用环节的关键参数和假定。由此，得出2020—2030年氢能储运应用环节平准化成本，如图6 所示。2类储运技术的成本下降幅度均为60%左右，其中，能耗成本下降幅度最大。

图6 2020—2030年氢能储运应用环节平准化成本结构

表11 2020—2030年氢能储运和应用环节关键参数和假定

2.2 氢能重卡总拥有成本分析结果

结合车用氢能成本与车辆拥有成本，可得出总拥有成本。由于中国幅员辽阔，各地区可再生能源资源禀赋不同，将网电制氢作为本节的代表制氢技术。而由于氢能管道制造成本较高，技术也尚未成熟，2020—2030年间难以实现充分规模化，因此长管拖车运氢作为本节所选择的代表运氢技术。

2.2.1 不考虑现有补贴

在无补贴情况下所选各类车型和工况，在2020、2030年的总拥有成本如图7、图8 所示。由图可知：从BEV 的角度看，在近10年来中国对BEV 技术、经济、政策等方面的大力支持下，各类BEV 车型的总拥有成本已与ICEV 相接近，且此时BEV 在能耗效率方面的优势已经反应到总拥有成本上了，这表明中国目前的BEV 补贴退坡政策符合实际。

图7 2020年无补贴情况下，各类车型总拥有成本

图8 2030年无补贴情况下，各类车型总拥有成本

从FCV 的角度看，FCV 重型货车目前的总拥有成本在200～357万元，相比于ICEV 增加了38.4%～74.3%，其中矿山及港口货运场景—车型的经济成本表现相对来说最好，这一是表明中国目前推广FCV 商用车还需要给予较高的补贴，二是表明在矿山及港口货运场景—车型进行推广的额外成本相对较低，具有优先推广的潜力。

同时，目前FCV-ICEV 货车的总拥有成本增加率均低于FCV-ICEV 公共交通车辆的增加率，这表明FCV 货车推广的成本所带来的额外成本比例低于FCV公共交通车辆，具有优先推广的可能性。

随着技术进一步发展，各类FCV 车型都有望在2030年前后与ICEV 相平价乃至于更低价，综合考虑FCV 的减碳效益，可以认为2020—2030年是对FCV客运、货运车辆进行研发和推广的合适时机。

进一步考虑各类车型的使用强度(总运行里程和每年运行里程)，将总拥有成本均摊到车辆行驶每千米的成本，得到图9、图10。

图9 2020年无补贴情况下各类车型单位里程总拥有成本

图10 2030年无补贴情况下各类车型单位里程总拥有成本

由图9、图10 可知：矿山及港口货运场景的成本优势被小幅削弱，与城间货运相接近，此时城市货运反而具有了微弱优势。

2.2.2 考虑现有补贴

根据FCV-ICEV、FCV-BEV 的总拥有成本差额，反推出使FCV 与这两类车型平价所需要实现的氢价水平，如图11 所示。

图11 有无补贴情况下，使各类FCV 与ICEV、BEV 平价的氢价水平

由图11可知：在无补贴情况下，在2028—2030年，私人乘用车、公共交通、矿山及港口货运等场景下的绿氢、蓝氢有望使得FCV 与ICEV 平价。而在目前的补贴水平下，氢价需要在2025年降低到1 kg 氢18～30元才能使主要的FCV 车型与ICEV、BEV 平价，所对应的补贴水平在1 kg 氢10～38 元 之间，目前部分地区的 1 kg 氢气补贴(20 元)还不足以完全弥补用户所付出的额外经济成本。综合考虑下，判断2025年含补贴氢价的目标定在1 kg 氢20～30 元较为合理。

2.2.3 关于关键设备质量对有效载荷及成本影响的讨论

私人乘用、公共交通车辆的储氢罐、电池等关键设备往往选择顶置或底置，对载客量的影响并不明显。而对于本研究所考虑的3 类重卡来说，关键设备质量将直接影响最大有效载荷从而影响运货效率，最终影响重卡的经济性。研究通过考虑关键设备(BEV 的电动机和动力电池，FCV 的电动机、动力电池、燃料电池和储氢罐)的质量来对此进行讨论，所涉及的质量参数如表12 所示。其中， FCV 和BEV 都具备动力电池，与主流BEV 使用大容量磷酸铁锂电池稍有不同，FCV作为实质上的混合动力车型，倾向于选择功率密度较高的电池，本研究考虑三元锂电池[30-32]。氢储罐方面，本研究考虑30、70 MPa下的Ⅲ型和Ⅳ型气氢储罐以及可预期的技术进步情况[33-35]。同级别ICEV 重卡的内燃机等被替代的设备质量参考清华大学车辆与运载学院欧阳明高等人[36]的研究，设为1.5 t。

表12 2020—2030年关键设备质量密度参数

假设重卡尽可能趋近满载运行，再将表12 与表3的数据相结合，即可得出BEV、FCV 的关键设备质量变化及其对TCO 成本的影响，如图12、图13 所示。

图12 2020年无补贴情况下，各类车型单位载荷单位里程总拥有成本

图13 2030年无补贴情况下，各类车型单位载荷单位里程总拥有成本

与图7、图8 对比可知，在目前BEV 与ICEV 的总拥有成本接近的情况下，BEV 以电池为代表的关键设备质量使得BEV 的单位载荷成本高于ICEV 的5.7%～35.2%，削弱了BEV 的经济效益，矿山及港口货运的差距最小，如果与换电技术相结合，在该场景下则可能更早实现较优载货成本。随着未来各组件能量及功率密度的提升，FCV 和BEV 重卡的单位载货成本均有望大幅下降且低于ICEV，届时购置成本将成为影响FCV 和BEV 重卡成本相对优势的决定性因素。

3 结 论

本研究通过建立起中国氢能全产业链技术经济分析模型及其数据库，开展不同工艺路径下制、储、运、加的氢能全过程技术经济分析，由此对重卡的氢能路径与电动路径、油品路径的全生命周期成本进行了对比研究，分析了氢能在中国道路交通领域成本竞争力，主要结论如下：

1) 网电制氢—长管拖车运氢路线供氢时，氢能重型卡车车辆总拥有成本为200 万～357万元人民币，相比于内燃机卡车增加了38.4%～74.3%，其中矿山及港口货运场景的表现相对较好，具有优先推广的可能性。在无补贴情况下，各类燃料电池车辆需要在2027—2028年以后才能与内燃机卡车实现平价。而目前部分地区的综合补贴政策有望使中国在城间货运、矿山及港口货运等场景下使氢燃料电池重型卡车与传统汽车的平价时间提前到2023—2025年。

2) 现有阶段，氢能重型卡车相对传统汽车的成本竞争力都偏弱，需要从购车、用能2 个阶段进行补贴，才能促进氢能重型卡车发展。现有补贴水平尚且足以弥补氢能重型卡车的成本劣势。相关补贴需要延续，至少在2025年之前仅进行缓慢退坡。

3) 不同技术路线的车用氢能平准化成本差异较大，制氢阶段，化石能源制氢成本明显低于可再生能源制氢。储运阶段，管道输氢成本远低于长管拖车运氢，但需要在一定的规模基础上才具有经济效益。此外，加注过程的成本占比很高，是车用氢能的一大劣势。

4) 氢能重型卡车、电动重型卡车对载货量等因素的影响也是影响其竞争力的关键因素。建议在氢能车辆的推广过程中，因地制宜、细分场景考虑技术选择，在矿山、港口等场景下可以优先推广。