氢能源及燃料电池交通解决方案-德勤

未来移动出行的动力源泉 氢能源及燃料电池交通解决方案 白皮书系列 系列一 德勤中国 每日免费获取报告 1、每日微信群内分享 7最新重磅报告； 2、每日分享当日 华尔街日报 、金融时报； 3、每周分享 经济学人 4、 行研 报告均为公开 版，权利 归原作者 所有 ， 起点财经仅分发 做 内部学习 。 扫一扫二维码 关注公号 回复 研究报告 加入“起点财经”微信 群 未来移动出行的动力源泉 | 执行摘要 1 执行摘要 本白皮书由德勤与巴拉德动力系统有限公 司联合撰写并发表 ， 旨在介绍燃料电池汽 车的奇妙技术及其商业应用 。 通过深入的 研究和分析 ， 本白皮书回答了行业高管和 外界人士最关心的问题 燃料电池汽 车的商业可行性如何 ， 以及它们对环境的 影响如何 氢是宇宙中最丰富的物质之一 。 或许正因 为氢的大量存在 ， 我们有时会忘记了氢的 价值 。 从最初作为初代内燃机的燃料 ， 到 现在氢气已经可以为空中旅行提供动力 ， 并正在以燃料电池这一应用形式 ， 又一次 成为全人类能源革命中的焦点 。 我们将陆续推出 3卷白皮书对氢能进行介 绍 ， 并将全面解析氢能在未来将如何驱动 移动出行领域的发展 。 本卷为白皮书系列 的第一卷 ， 将主要对氢能及燃料电池进 行介绍 ， 并通过总拥有成本分析对燃料电 池车 、 纯电动车及燃油车进行深入对比 。 我们采取了自下而上的总拥有成本分析法 （“ TCO”）， 对美国 、 中国及欧洲的氢能 源车进行了跨度长达 13年的深入分析 。 通 过对燃料电池车的购买成本进行拆分 ， 我 们对燃料电池车的燃料电池系统 、 电机等 组件的价格均进行了测算 ； 此外我们也对 燃料费用 、 基础设施成本 、 维修费用等运 营成本也分别进行了测算 。 我们相信通过 这种分析方法 ， 不仅对当前行业的研究成 果进行了补充 ， 也可以帮助我们的读者将 这个 TCO模型应用到各种类别的燃料电 池车辆运营 TCO测算中 。 事实上 ， 我们在 搭建了基础的 TCO模型后 ， 将其应用到了 三个实际的燃料电池车辆运营使用案例 中 上海的氢燃料物流车运营 、 加利福尼 亚的氢燃料港口重卡运营及伦敦的氢燃 料公交车运营 。 我们的 TCO分析展示了燃料电池车的良好 发展前景 。 即使不考虑氢能的非定量优势 （ 如零污染性排放等 ）， 仅就定量成本而 言 ， 在美国 、 中国及欧洲三个地区及各个 实际应用案例中 ， 燃料电池车的 TCO均预 计会在 2029年之前低于纯电动车及燃油 车的 TCO。 这一方面是由于技术进步及大 规模生产带来的制造成本下降导致的 ， 另 一方面也受益于氢气价格 、 加氢站等运营 相关的成本持续下降 。 因此各国政府开始 投入越来越多的精力发展氢能相关技术 及推动氢能的应用 。 通过我们的 TCO模型测算 ， 2019年燃料 电池车的每百公里总拥有成本约比纯电 动车及燃料车分别高 40及 90左右 。 从 购买成本看 ， 较高的燃料电池系统价格及 因为缺乏规模效应导致的零部件成本加 价是购买成本较高的主要原因 ； 从运营成 本来看 ， 较高的氢气价格是当前运营成本 高昂的主要原因 。 然而 ， 预计到 2026年 ， 燃料电池车的 TCO 将会开始低于纯电动车 ， 到 2027年 ， 燃料 电池车 TCO将会开始低于燃油车 。 总体来 看 ， 我们预计未来 10年内燃料电池车 TCO 将会降低 50， 燃料电池系统及氢气价格 下降是主要驱动因素 。 其中燃料系统成本 预计到 2029年将下降超过 50。 燃料电 池系统成本下降空间较大 ， 主要是因为当 前燃料电池系统价格高企是由于高技术 门槛和高制造成本导致的 ， 而不是由于原 材料成本较高导致的 。 当前有很多观点认 为燃料电池价格较高的原因是使用了铂 金作为催化剂 ， 但实际上 ， 铂金的成本在 燃料电池系统总体成本中占比不到 1。 与 之相反 ， 锂电池的金属材料成本如锂和钴 则在电池总体成本中占据了很大比例 。 因 此 ， 技术进步及大规模生产可以驱动燃料 电池系统价格显著下降 。 运营成本方面 ， 其下降的主要驱动因素是氢气价格 ， 受益 于更多的可再生能源将用于氢气生产 （ 目 前由可再生能源生产的氢气占比还不到 5） 及相关运输及存储技术的提升 ， 预计 氢气价格将在美国 、 中国 、 欧洲等国家和 地区均明显下降 。 未来移动出行的动力源泉 | 执行摘要 2 我们的 TCO预测采取了非常保守的假 设 。 实际上历史经验表明 ， 随着新兴技 术的出现 ， 生产成本的下降往往会比预 测值要大的多 ； 此外 ， 我们也没有将任 何政府补贴 （ 车辆购买补贴 、 加氢站建 设补贴 、 加氢站运营补贴等 ） 或政府激 励纳入到 TCO模型中 。 从上海 、 加利福 尼亚及伦敦的案例分析来看 ， 由于政府 补贴或对燃油车的额外路税将使得燃料 电池车的 TCO更快地与纯电动车及燃料 车的 TCO实现交叉 。 此外 ， 我们仍假设 燃油车成本变动较为稳定 ， 但实际上 ， 燃油车成本可能由于油价上涨 、 更严格 的排放标准出台 、 市区准入限制 、 燃油 车禁令等无法量化的原因而大幅上升 。 因此 ， 考虑到其他因素 ， 燃料电池车的 TCO有可能会在 2025年之前就低于电动 车及燃油车的 TCO。 最后 ， 本文还对燃料电池车的能量转换 效率 、 氢气生产 、 和温室气体排放等燃 料电池技术相关的环境影响进行了现状 分析及未来展望 。 事实上这并不是本白 皮书的研究重点 ， 我们将会在第 3卷 * 白皮书中进行更为详细的讨论 ， 但是我 们相信在本白皮书中引入关于氢产业链 的基础分析 ， 将有助于我们的读者更好 的理解氢能相关价值链及未来发展趋 势 。 当前燃料电池车的能量转换效率是 高于燃油车 ， 但低于纯电动车的 ， 这主 要是由于氢气生产过程的低效及能量损 失 。 而在未来 ， 风力及光伏等可再生能 源将会在制氢过程中发挥更大作用 ， 提 升燃料电池车的能量转换效率 。 因为当 前可再生能源受到季节 、 高峰低谷使用 周期等因素的影响较大 ， 产生了大量被 浪费的过剩电力 。 可再生能源的边际成 本接近于零 ， 使得其定价低于其他当时 生产的电力 ， 而因为过剩电力浪费情况 的存在 ， 新能源电力在欧洲某些国家甚 至有负电价情况出现 。 而氢能恰好可以 利用这些可再生能源 ， 将过剩的电力以 氢气的形式储存起来 。 从环境影响的角度来看 ， 燃料电池车是 最清洁的 ， 相较于的电动车及燃油车 ， 燃料电池车的全生命周期碳排放是最少 的 。 而随着可再生能源更多的应用于氢 气制取 ， 及氢气运输技术的提升 ， 预计 燃料电池车的碳排放还将继续降低 。 同 时 ， 相较于纯电动车 ， 燃料电池车在制 造过程中的碳排放也较低 。 因为电池生 产过程中使用了大量金属材料如锂和钴 等 ， 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 。 同时燃料 电池车回收在报废阶段也比电动车回收 更容易且更有经济吸引力 。 正如比尔盖茨的名言 “ 我们总是高估 未来两年将发生的变化 ， 低估未来十年 将发生的变化 。 不要让自己陷入无所作 为的状态 。” 我们希望本白皮书可以对 我们的读者理解氢能及氢能如何应用在 交通领域提供一些帮助 ， 尽管我们的努 力可能微不足道 ， 我们也希望竭尽所能 的为创造更加经济合理的商业模式及更 加绿色的世界而做出一些微小贡献 。 注释 *三卷白皮书系列包括 1.交通出行中的氢燃料电池解决方案 ； 2.氢和燃料电池的应用现状和未来 ； 3.氢供应链的演进与未来 3 目录 3 燃料电池简介 5 燃料电池车应用概述 22 总拥有成本分析 35 能源效率与环境影响的比较 67 总结与展望 89 参考文献 91 联系我们 101 目录 4 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 5 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 燃料电池简介 1.1 什么是燃料电池 广义上来讲 ， 燃料电池是通过化学反 应 ， 将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转 换为电能的装置 1 。 最近 ， 燃料电池这个 词几乎被专门用来形容以氢作为燃料的 反应堆 2 。 氢气作为汽车燃料已经有很长的历史 了 。 在 200年前 ， 氢气就被用在第一代 内燃机中作为燃料 ， 与现在内燃机里汽 油等燃料工作原理类似 3 。 但是因为安 全性及能量密度较低 ， 氢气作为内燃机 燃料并没有表现出优越性 7 。 然而 ， 在如 今的燃料电池技术中 ， 氢气并不直接燃 烧 ， 而是和氧气反应转换为电能 4 。 氢气和氧气的化学反应是非常简单的 ， 可 以用如下公式表示 2H 2 O 2 2H 2 O 5 。 在 燃料电池中 ， 氢气和氧气分别进入到电池 的阳极和阴极 （ 图 1）。 电池两极之间通过 电解液隔离 ， 一方面可以阻止电池两极的 反应物相互接触 ， 一方面为阳极产生的离 子提供到达阴极的通道 。 如图1 所示 ， 燃料电池反应原理如下 氢 气首先进入燃料电池的氢电极 （ 称为阳 极 ）（ 步骤1 ）， 然后氢气与覆盖在阳极 上的催化剂反应 ， 释放电子形成带正电 荷的氢离子 （ 步骤2 ）， 氢离子穿过电解 液到达阴极 （ 步骤3 ）。 然而 ， 电子不能 通过电解液 ， 相反 ， 电子流入电路 ， 形 成电流 ， 产生电能 （ 步骤4 ）。 在阴极 ， 催化剂使氢离子与空气中的氧结合形成 水 ， 水是燃料电池反应中的唯一副产品 （ 步骤5 ） 6 。 图1 燃料电池反应堆工作原理 阳极 阴极 氢气入口H 2 水 H 2 O 电流 e 催化剂涂层 1 2 5 3 4 e 氧气入口 O 2 电解液 离子 离子 离子 6 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 燃料电池可以简单的根据电解液的 不同分为几种不同的类别 ， 主要的 燃料电池类型包括 质子交换膜 燃料电池 （“ PEM”）， 碱性燃料 电池 （“ AFC”）， 磷酸燃料电池 （“ PAFC”）， 固体氧化物燃料电池 （“ SOFC”） 以及熔融碳酸盐燃料电 池 （“ MCFC”）。 图2对不同燃料电 池进行了对比 。 PEM目前是处于商业 化最前沿的燃料电池 ， 因为PEM 可以在 50-100摄氏度下运行 ， 启动时间较短 ， 同时对氧化剂要求较低 ， 空气就可以作 为其氧化剂来源 8 。 这些特性使得PEM 成为汽车能源的理想解决方案 ， 并且使 得PEM 从20世纪90年代开始得到了快速 发展 10 。 图 2 燃料电池的5 种类型对比 9 燃料电池类型 电解液 运行温度 /C 催化剂 主要优势 主要劣势 应用领域 PEM 质子交换膜 50-100 铂金 启动快 室内温度较低 可以将空气作为 氧化剂 对CO敏感 需要将反应物 加湿 汽车 便携式电源 AFC 碱性电解液 90-100 镍/银 启动快 工作温度较低 需要纯氧作为催 化剂 航空航天 军事 PAFC 磷酸 150-200 铂金 对CO 2 不敏感 对CO敏感 启动较慢 分布式发电 1 SOFC 固体氧化物 650-1,000 LaMnO3/LaCoO3 可以将空气作为 氧化剂 较高的能量效率 2 运行温度较高 大型分布式发电 便携式电源 MCFC 熔融碳酸盐 600-700 镍 可以将空气作为 氧化剂 较高的能量效率 2 运行温度较高 大型分布式发电 注释 1.用多种小型 ， 连接电网的设备发电和储能 ； 2. 热电转换效率可以达到 85， 纯电转换效率约为 60 7 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 种类 主要应用 示例 交通 乘用车 卡车 叉车 公交 物流车 航空器 船只 电动自行车 固定电源 热电联产系统 （“ CHP”） 不间断供电系统 （“ UPS”） 1 分布式发电 其他应用 便携式电源 无人机 （“ UAVs”） 图 3 氢燃料电池的主要应用及示例 氢燃料电池可以被广泛的应用于各个场景中 ， 主要的应用可以被分为3类 交通 、 固定电源及 （ 如便携式电源 ） （ 图3 ） 11 注释 1. 不间断供电系统可以在主输入电源故障时对外供电 8 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 1.2 燃料电池及燃料电池车发展历史 燃料电池并不是一个新产物 ， 最早的燃 料电池可以追溯到1839 年 ， 是由威尔士 科学家威廉格罗夫 （ William Grove发 明出的原型 12 。 然而燃料电池车首次成 为焦点是在20世纪70年代 石油危机 推动了氢燃料电池在汽车上的应用 14 。 在接下来的几十年 ， 不同国家和地区的 科学家为了推动燃料电池车的发展做了 不懈的努力 14 。 在多年的研发投入下 ， 丰田在2014 年推出了全球第一辆商业化 的燃料电池车 。 在此之后 ， 燃料电池车 在公众眼中不再是一个只存在于实验室 中的车型 ， 而是驱动未来汽车变化的主 要技术之一 。 从2014 年开始至今 ， 中 国 、 美国 、 日本及欧洲的一些国家开始 着力于推动氢燃料电池技术的发展 14 。 图 4列举了关于燃料电池及燃料电池车的发 展简史 。 通过政府政策鼓励 、 技术进步 及产业参与度提升等多方面的投入 ， 燃料 电池的应用已经进入了一个黄金时代 。 9 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 20 世纪70 年代的石 油危机促使全球发 展替代能源 ， 如燃 料电池等 14 威廉 格罗夫发明了 第一个燃料电池 14 PAFC 是20 世纪70 年代至90 年代的 主流燃料电池技术 ， 主要用于分布 式发电 14 20 世纪60 年代 ， 美国宇航局首次 使用碱性燃料电池为双子座和阿波 罗号宇宙飞船发电 14 2 0 世纪 90 年代 ， 在巴 拉德等 电池 生产商的 领导 下 ， 质子 交换膜燃料 电池取 得了 重大技术 突破 ， 使得燃 料电池 可以 被应用于 汽车 领域 19 1966 年 ， 通用汽车公司开 发了世界上第一辆燃料电池 车 15 20 世纪90 年代 ， 固定式燃料电 池被应用于商业和工业生产 16 2003 年 ， 美国能源部资助了一项12 亿美元 的计划 ， 旨在促进氢和燃料电池技术在交 通运输中的应用 22 1993 年 ， 巴拉德研制出 世界上第一辆使用质子 交换膜燃料电池的9.7 米 公交巴士 15 2013 年 ， 几家汽车 制造商成立了联盟 （ H2USA ） 以促进燃 料电池车商业化和及氢 气相关基础设施开发 ； 合作伙伴包括福特 、 日 产 、 戴姆勒 、 通用和 本田 17 2 0 0 2 年 ， 丰田 在美国 和日 本推出 了世 界 上 第一个 燃料电 池混 合 动力 汽车 （ F CH V ） 的 租赁 1 5 2 0 18 年 ， 德国试 运 行了由 法国 阿尔 斯 通公 司制 造的世 界 上第一 列氢燃料 火车 20 1994 年 ， 戴姆勒推出了第一代现代燃料电 池车-NECAR 1 ， 此车型由巴拉德提供燃料 电池堆 12 2014 年 ， 丰田推出了Mirai ， 这是第一 款商用燃料电池车 ， 2015 年 ， 现代紧 随其后推出了商用燃料电池车 15 2003 年 ， 欧盟25 个 国家启动了欧洲研究 区项目 （“ ERA “） ， 其中包括建立欧洲 氢燃料电池技术研发 平台 13 2011 年以来 ， 中 国政府先后出台 了鼓励和引导氢燃 料电池技术研发的 计划 21 2014 年 ， 日本通过了 第四个战略能源计划 ， 该计划明确指出要使用 氢作为能源 ， 并为氢气 的生产 、 储存 、 运输 和应用制定了战略路 线图 18 政府政策 技术及相关企业的 发展 1839 1960s 1980s 1970s 1990s 2010 2000 2020 图4 燃料电池及燃料电池车的发展简史 10 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 1.3 不同国家及地区的氢燃料及燃料电 池发展情况 与大多数先进技术一样 ， 燃料电池技术 在初始研发时对政府的政策依赖较高 。 中国 、 美国 、 欧州 、 日本等国家政府出 于不同的原因 ， 都不同程度出台了相关 政策及鼓励措施 ， 促进了燃料电池产业 的发展 ， 并在燃料电池核心技术研究上 进行了大量投资 。 上述国家对燃料电池 的发展制定了补贴政策和中长期战略规 划 ， 通过对各国政府政策及产业发展的 分析 ， 可以获得各国氢燃料及燃料电池 的政策端启示 。 图5对每个国家的氢燃 料相关政策重点进行了概括 ， 我们将在 后续的文章中进一步详细讨论 。 图5 主要国家的氢燃料相关政策概览 1 美国 中国 欧洲 日本 国家战略 早在1990年 ， 美国 政府就颁布了 氢能 研究 、 发展及示范法 案 ， 制定了氢能研 发 5年计划 13 通过在氢能方面的长 时间持续投入 ， 美国 已经形成了一套系统 的促进氢能发展的法 律 、 政策和科研方案 30 尽管与其他国家相比 ， 中国 的氢能发展相对较晚 ， 但中 国目前正在大力发展氢能 2016年 ， 氢能被列为 能源 技术革命创新行动计划 中 的 15个关键领域之一 25 2019年两会期间 ， 氢能首次 写入政府工作报告 26 2003年 ， 欧盟 25个国家 启动了欧洲研究区项目 （“ ERA”）， 其中包括建 立欧洲氢燃料电池技术研 发平台 13 2019年 ， 燃料电池和氢 能联合会 （ FCHJU） 发布 了 欧洲氢能路线图 ， 提出了到2030年及2050 年氢能发展的路线图 34 氢能被列为日本的 “ 国家能 源 ”， 日本政府致力于使日本 成为氢能社会 30 31 32 2014年 ， 日本通过了第四个战 略能源计划 ， 并公布了氢气及 燃料电池战略路线图 ， 为氢气 的生产 、 储存 、 运输和应用指出 了发展路径 33 氢气生产及运输 2019年美国能源 部发布公告 ， 将为 H2Scale2概念提 供最多 3100万美元 的资助 ， 这笔资金 将用于氢气生产方 式创新试验 ， 以及 一个综合的氢气生 产 、 存储及加气试 点系统 35 全国范围内没有明确的 氢气生产及加气的补贴 政策 27 氢气目前被列为危险化工 品 ， 是氢能发展的主要阻 力之一 27 对氢气的清洁生产较 为重视 欧洲氢能路线图指出要 在 2030年以极低的碳 排放实现约三分之一的 氢气生产 34 氢气及燃料电池战略路线 图 – 到 2020年中期建立一个 以商业为基础的氢气高 效分配系统 24 – 到 2040年实现零碳排 放氢气的制造 、 运输和 储存 24 注释 1. 哈维球表示了不同国家及地区政策的重要程度及完成度 ， 只是代表相对次序 ， 并不表示实际进度 ； 2. H2Scale是一个为了在美国多个行业实现价格合理 ， 可靠的大规 模氢气生产 ， 运输 ， 储存和应用的概念 ， 同时 ， 还整合了各种价值数十亿美元的国内产业 、 提高了国内竞争力 ， 并创造了就业机会 11 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 美国 中国 欧洲 日本 氢气基础设施 DOE启动了 H2USA-一 个和燃料电池车整车 厂商合作的 PPP项目 ， 来推动氢气基础设施 建设 36 加利福尼亚燃料电池 联盟 （“ CaFCP”） 提出要在 2030年达到 1,000个加氢站 37 没有明确的全国范围内的 氢基础设施补贴政策 27 佛山 、 中山等多个市级 政府正在制定地方补贴 政策 25 然而 ， 加氢站建设的审批 程序仍不清楚 27 2009年 ， 德国成立了 H2 Mobility， 投资建 设了世界上第一个全 国性的加氢站网络 39 欧洲氢路线图指出预 计到 2030年将建设 3,700个加氢站 34 2016-2018， 日本经济产 业部已经向加氢站的研 发投入了约 8,800万美 元 ， 向加氢站建设投入 了约 5.39亿美元的建设 补贴 23 乘用车支持政策 2014年 ， 美国政府在 作为经济可持续增长 路径的全面能源战略 明确了氢能在交通运 输转型中的主导作用 13 加利福尼亚燃料电池 联盟提出要在 2030年 达到 1,000,000辆氢燃 料电池车 37 2018年 ， 加利福尼 亚空气资源委员会 （“ CARB”） 已经为 “ 海岸到仓库 （ Shore to Store）” 项目拨款 4,100万美元 ， 以测试 10辆 8级氢燃料重卡在 港口的应用情况 38 面向燃料电池车购买者的 补贴将至少持续到 2025 年 28 与纯电动车类似 ， 政府将 首先推动燃料电池车在商 用车领域的应用 ， 因为商 用车更易监管及实现大规 模应用 28 ； 在商用车领域 率先实行并没有写入政策 中 ， 主要在执行阶段 ， 会 先从商用车入手 28 欧洲氢路线图指出 ， 预计到 2030年 ， 燃料 电池乘用车保有量达 370万辆 34 在以丰田为首的整车厂 商研发投入下 40 ， 日本的 氢燃料电池车以乘用车 为主 29 根据 2017氢能战 略 ， 2030年目标达到 800,000氢燃料乘用 车 23 商用车支持政策 欧洲氢路线图指出 ， 预计到 2030年 ， 燃 料电池轻型商用车达 50万辆 、 燃料电池卡 车及公交车保有量达 4.5万辆 34 根据 2017氢能战 略 ， 2030年计划达到 1,200辆氢燃料公交车 和 10,000辆叉车的保 有量 23 注释 1. 哈维球表示了不同国家及地区政策的重要程度及完成度 ， 只是代表相对次序 ， 并不表示实际进度 12 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 美国是第一个将氢能及燃料电池技术作 为其国家战略的国家 31 。 由于石油危机 的发生 ， 美国政府从20世纪70年代开 始对氢能研究进行了大量资助 41 。 早在 1990年 ， 美国政府就颁布了 氢能研 究 、 发展及示范法案 ， 制定了氢能研 发 5年计划 13 。 2002年 ， 美国能源部发 布了 国家氢能发展路线图 ， 为公共 部门及私人部门如何协调长期发展氢能 提供了蓝图 13 。 在 2012年 ， 美国国会 重写了氢能燃料电池政策 ， 将加氢站相 关资产的税收优惠从30提升至50 ， 并建立了分级税收奖赏制度 ， 加大了对 高效燃料电池 （ 如利用热电联产的燃料 电池 ） 的奖赏力度 51 。 在 2014年 ， 美国 政府颁布了 作为经济可持续增长路径 的全面能源战略 ， 在其中明确了氢能 在交通运输转型中的主导作用 13 。 10月 8日被燃料电池及氢能协会选为全国氢 能及燃料电池日 ， 同年得到了参议院第 217号决议的指定 ， 标志着氢能及燃料 电池的地位日益重要 49 。 如图6 所示 ， 通过美国各氢能组织的不懈努力 ， 美国 氢能相关政策几乎已经覆盖了氢能全产 业链 。 美国氢能和燃料电池的研发主要由能源 部牵头 ， 建立了以能源部国家实验室为主 导 ， 高校 、 科研机构 、 企业为补充的研发 体系 ， 关键技术的研发将获得资金拨款 支持 31 。 通过在氢能方面的长时间持续 投入 ， 美国已经形成了一套系统的促进 氢能发展的法律 、 政策和科研方案 30 。 图 6标注了主要的政府政策及举措时间 表 。 2019年 3月 ， 美国能源部发布公告 ， 将 为 H2scale1提供最多 3100万美元的资 助 ， 用于实现美国多行业中氢气生产 、 运 输 、 存储及利用的规模化 34 。 为了进一步推进燃料电池的广泛应用及 解决氢气基础设施的问题 ， 美国能源部启 动了 H2USA 一个和燃料电池车整车 厂商合作的 PPP项目 ， 来推动氢气基础设 施建设 ， 以支持美国消费者选择氢能源驱 动的交通工具 36 。 美国在氢能源多年来 的投资在实践中取得了明显成效 。 在燃料 电池车的商业应用方面 ， 美国拥有全球最 多的氢燃料乘用车 。 截至 2019年 8月 ， 美 国的氢燃料乘用车销量及租用数量已经 达到 7,271辆 44 。 除此之外 ， 截至 2019年 4 月 ， 美国已经有了超过 30,000辆氢燃料叉 车 335 ， 这些叉车主要应用于沃尔玛及亚 马逊等美国企业 50 。 由于州政府及公众对可再生能源的大力 支持 ， 加利福尼亚是美国氢燃料电池车商 业化程度最高的州 46 。 截至 2019年 6月 ， 加州有 6,830辆燃料电池车在运营 ， 数量 远超其他州 37 。 自 2010年 6月 ， 加州能源 委员会发放了第一笔拨款 ， 加州已经开了 35个零售加氢站 ， 另有 29个加氢站正在 建设中 45 。 加州空气资源委员会和加州燃 料电池联盟在推进氢燃料电池车商业化 进程方面发挥了重要作用 47 。 加州已经 发展出了一套完整的 “ 规划 -补助 -评估 ” 系统 ， 成为美国最活跃及最具示范性的 氢燃料电池应用范例 48 。 展望未来 ， 加州 燃料电池联盟提出了到 2030年建设 1,000 座加氢站及达到 100万辆燃料电池车的 目标 37 。 注释 1. H2Scale是一个为了在美国多个行业实现价格合理 ， 可靠的大规模氢气生产 ， 运输 ， 储存和应用的概念 ， 同时 ， 还整合了各种价值数十亿美元的国内产业 、 提高了国内竞 争力 ， 并创造了就业机会 美国 13 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 图6 相关政策/倡议覆盖范围及时间表 氢气生产 及运输 加氢站 乘用车支持 商用车支持 1974 1990 1996 2002 2003 2006 2012 2013 2014 2019 迈阿密大学举办 “ 迈阿密氢能源经济 ” 会议 （ THEME） 美国能源部 - 国家氢能源发展路线图 53 美国国会 - 美国燃料电池和氢基础设施法案 51 美国能源部 - 氢能研究 、 发展及示范法案 54 美国能源部 - 氢燃料发展倡议 56 美国能源部启动了 H2USA-一个和燃料电池车整 车厂商合作的 PPP项目 ， 来推动氢气基础设施建 设以推动燃料电池车的大规模应用 36 美国能源部 - 1996年氢未来法案 55 美国能源部和美国交通部 - 氢能源计划 57 美国白宫办公厅 - 全面能源战略 52 美国能源部宣布了高达3,100 万美元的氢能源资 助计划 34 加州燃料电池联盟 （ The California Fuel Cell Partnership） 提出了到 2030年建设 1,000座加氢 站及达到 100万辆燃料电池车的目标 37 14 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 中国的第一辆燃料电池车是在1999年研 发的 60 。 中国是全世界最大的氢气生产 及消费市场 ， 并拥有全世界最大的氢气 生产能力 ， 目前工业用氢气产能达到了 2,500万吨/ 年 31 。 在消费端 ， 自 2017- 2019年 ， 中国已经卖出了3,000辆氢燃 料电池车 （ 均为商用车 ）， 使得中国成 为燃料电池车的主要市场之一 64 。 中国巨大的氢燃料市场规模受益于多年 来相关的政策支持及激励措施 。 自 2011 年以来 ， 中央政府已经接连发布了鼓励 氢能及燃料电池技术发展的顶层方针及 指导方案 。 如 “ 十三五 ” 国家战略性 新兴产业发展规划 、 能源技术革命 创新行动计划 （ 2016-2030年 ）、 节能与新能源汽车产业发展规划 （ 2012- 2020年 ） 及 中国制造2025 21 。 此外 ， 为了促进新能源汽车的发展 ， 政 府对乘用车生产采取了一种 “ 双信用管 理制度 ”， 即对新能源车的生产给予正 积分而对传统内燃机车的生产给予负积 分 188 。 该系统将来也可能应用于商用车 189 。 2016年 ， 氢能被列为 能源技术革 命创新行动计划 中的15个关键领域之 一 25 。 随着中国正在全国范围内努力向 可再生能源过渡 ， 氢能将在这一过程中 发挥越来越重要的作用 63 。 氢能的应用 有助于缓解中国能源体系中存在的许多 突出问题 ， 例如能源安全及可持续性问 题 65 。 2019年两会期间 ， 氢能首次写入 政府工作报告 ， 表明中央政府越来越重 视氢能的发展 26 。 在燃料电池车方面 ， 自 2014年以来 ， 中 国在氢燃料电池车产业上作出了重大努 力 ， 推动燃料电池技术成熟 ， 降低氢气 成本 ， 以推动氢能在各个领域的应用 。 值得注意的是 ， 氢能并不是中国唯一被 关注的可再生能源 ， 燃料电池车的发展 是与电动车的推动同步进行的 28 。 与电 动车的发展历程类似 ， 中国首先关注的 是燃料电池车在商用车领域的应用 ， 因 为商用车较易监管也更容易进行大规模 应用 。 中央政府及地方政府的补贴是燃料电池 车产业发展的关键驱动因素之一 ， 补贴 主要包括如下三个方面 对购买燃料电池车的消费者进行补 贴 。 尽管对纯电动车的补贴正在退 坡 ， 但预计对燃料电池车的补贴将会 持续到2025年 。 根据专家访谈 ， 随着 燃料电池车的应用规模逐渐扩大 ， 燃 料电池车的补贴将也会逐渐退坡 ， 并 对购买车型所应用的技术及性能逐渐 提出更高的要求 28 对加氢站建设进行补贴 。 目前对于加 氢站的补贴没有一个全国范围的清晰 指引 ， 但一些地方政府如佛山 、 中山 等已经设立了地方政府补贴政策 25 。 佛 山市是中国氢能源发展位于前列的城 市之一 ， 佛山市为每个新建加氢站提 供最高800万人民币的补贴 62 。 对氢气进行补贴 。 根据专家访谈 ， 对 氢气的补贴主要是为了降低消费者使 用燃料电池车的燃料成本 ， 使得使用 氢燃料的汽车每百公里燃料费用与普 通柴油车及汽油车持平或更低 ， 但对 氢气的补贴具体是给终端消费者还是 加氢站仍然处于讨论中 28 。 中国 15 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 将氢气从危险化学品类别中剔除 明确加氢站审批流程 对燃料电池的关键部件实现国产替代 及批量生产以降低燃料电池车的生产 成本 图7 促进汽车循环经济发展实施方案 对汽车市场的影响 注释 1. 中华人民共和国国家发展和改革委员会 实施的可能性及对氢能源行业的 潜在效益 关于新能源车的主要举措 取消购买限制 提升农村地区销量 取消皮卡限制 优化基础设施建设 报废老旧车辆 鼓励汽车租赁及汽车 金融发展 促进公共服务车辆电 动化 （ 客车及货车 ） 继续将新能源汽车排除在地方政府的限购范围之外 新能源汽车牌照限制将取消 （ 如北京 ） 鼓励农村居民置换旧车 ， 对购买新能源汽车给予补贴 目前 ， 皮卡车在中国被归为轻型卡车 ， 适用于对卡车的所有限制 对皮卡相关限制的取消 ， 将释放地级市以下城市的皮卡需求 推进充电设施及加氢设施建设 ， 及授予更高的通行权政策 （ 如允许 新能源汽车使用公交专用道 ）， 有利于新能源汽车的使用 对使用 10年以下乘用车更换新能源汽车给予奖励和补贴 鼓励长期和短期租赁 ， 促进新能源汽车租赁 推动公交 、 环卫 、 邮政 、 城市物流等公共服务车辆向新能源汽 车升级 尽管氢能源发展得到了政府支持及相关 政策推动 ， 但中国的氢能源相关产业仍 有较大的进步空间 ， 例如在相关政策和 配套设施方面还有改进的空间 。 根据专 家访谈 ， 对行业影响较大的相关改进措 施包括 27 对加氢站及氢气生产运输的相关政策 2019年 6月 ， 发改委 1 关于 促进汽车循 环经济发展实施方案 获得了相关部门的 批准 ， 主要举措包括 取消地方政府对新 能源车限购及车牌限制 ， 中央政府将继续 对新能源车提供补贴 ， 及加速取消对皮卡 进入城区的限制 66 。 预计发改委的方案 将在短期内刺激新能源车 （ 包括燃料电池 车 ） 的销量提升 （ 图 7）。 对行业的潜在影响 小 大 1 3 6 2 5 4 7 16 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 欧盟将氢能源视做能源安全及能源转型 的重要方向 31 。 2003年 ， 欧盟 25个国家启 动了欧洲研究区项目 （“ ERA”）， 这个项目 中包括要建立欧洲氢燃料电池技术研发平 台 ， 用于攻克氢能行业及燃料电池中的关 键技术问题 13 。 2008年 ， 欧盟成立了燃 料电池及氢能联合会 （“ FCHJU”）， 这 是一个 PPP项目 ， 在欧洲发展及推广燃料 电池技术的过程中中发挥了重要作用 67 。 2019年 2月 ， FCHJU发布了 欧洲氢能路 线图 欧洲能源转型的可持续路径 ， 提 出了到 2030年和 2050年氢能发展的路线 图 ， 为氢能和燃料电池在欧洲的大规模推 广指出了路径 34 。 这份路线图对氢能产业相关的利益方 提出了重要建议 – 监管者及产业方应该联合起来共同为 各行各业减少碳排放制定清晰 、 可实 现的长期路径 – 欧洲产业方应该大力投入氢能及燃料 电池技术的研发 ， 以保持在氢能产业 中的竞争力 ， 抓住行业中的新机遇 34 。 这份路线图为氢能在以下领域的发展 提出了具体的关键节点目标 （ 图8 ） – 在交通领域 ， 预计到 2030年达到 370 万辆氢燃料乘用车 ， 50万辆氢燃料轻 型商用车 ， 及 4.5万辆氢燃料重卡和公 交车的氢燃料汽车保有量 。 同时 ， 到 2030年 ， 预计将有 570辆氢燃料火车 替代现有的火车 34 。 – 在加氢站方面 ， 预计 2030年将有 3,700个大型加氢站 – 在制暖方面 ， 预计2030年氢气可以 取代约7的天然气 （ 以量计算 ） 为 250万户家庭供暖 ， 到 2040年 ， 可以 取代32的天然气为1,100万户家庭 供暖 34 。 – 在氢气生产方面 ， 预计在 2030年以极 低的碳排放实现约三分之一的氢气生 产 ， 这些氢气可以被用于各行各业如 用于石油炼制中的加氢反应 ， 及生产 合成氨等 34 。 – 在发电方面 ， 预计到 2030年氢气发电 厂也可以得到大规模的概念验证 。 由 于有大量未被利用的新能源电力 （ 如 弃风弃光等 ）， 这些新能源由于没有合 适的储电设备 ， 发出的电会被浪费 ， 预 计到 2030年 ， 这些被浪费的电力可以 用于生产氢气 ， 而这些由可再生能源 生产的氢气也可以用于发电 ， 最大程 度的避免新能源的浪费 34 。 欧洲 17 未来移动出行的动力源泉 | 燃料电池简介 欧洲氢能路线图 2030年目标 氢气生产及运输 预计在 2030年以极低的碳 排放实现约三分之一 的氢 气生产 ， 这些氢气可以被 用于各行各业如用于石油 炼制中的加氢反应 ， 及生 产合成氨等 大量未被利用的新能源可用于制氢 建设氢气发电示范工厂 建设可再生氢气制取的工厂 加氢站 3,700个大型加氢站 乘用车支持 氢燃料乘用车保有量达到 370万辆 商用车支持 50万辆 氢燃料 轻型商用车 4.5万辆 氢燃 料重卡和公 交车 570辆 氢燃料火车 图8 欧洲2030 年氢能发展路线图 34 德国是欧洲氢能及燃料电池技术的领先国 家