能源基金會：以張家口為代表的寒冷地區(qū)氫燃料電池公交車應(yīng)用評估及發(fā)展建議

建議ApplicationevaluationanddevelopmentproposalofhydrogenfuelcellbusincoldionrepresentedbyZhangjiakou張家口氫能與可再生能源有限公司ZhangjiakouHydrogenandRenewableEnergyco.Ltd.June20211要?dú)淠茉谥袊茉崔D(zhuǎn)型過程中的重要作用越來越得到認(rèn)同。燃料電池汽車因為技術(shù)相對成熟而得到重視，但與保有量超過1000萬的純沒有得到市場的廣泛認(rèn)同，尤其在氫氣來源、基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)能減排等諸多方面存在問題而導(dǎo)致爭議較大。汽車在總擁有成本方面還存在一定問題；技術(shù)還存在提升的空間，如系統(tǒng)能量密度、儲氫能量密度、運(yùn)氫效率等；燃料電池公交在污染物制取方式密切相關(guān)。入期，未來10年將會大規(guī)模普及。燃料電池汽車與純電動汽車相比電池汽車下一步推廣的重點(diǎn)一是中國北方較為寒冷的地區(qū)，二是重點(diǎn)推廣的領(lǐng)域是長距離、重載運(yùn)輸和高耗能場景。研究發(fā)現(xiàn)，燃料電池汽車推廣還需要構(gòu)建較為完善的應(yīng)用環(huán)境。需要政府在制氫電價、制氫加氫一體站、碳交易等方面引導(dǎo)行業(yè)完善政策和法規(guī)。由于水平有限，錯誤在所難免，歡迎批評指正。課題組I 圖2建投沽源制氫一期(4MW) 5圖3海珀爾制氫一期(10MW) 5 O 圖6WTW階段不同燃料公交車污染物排放強(qiáng)度(g/km)......11圖7WTT階段不同燃料公交污染物排放強(qiáng)度(g/km)...........12圖8WTW階段不同燃料公交車溫室氣體排放強(qiáng)度(g/km)..13圖9WTT階段不同燃料公交的溫室氣體排放強(qiáng)度(g/km)...13圖10情景1下的不同燃料公交車碳排放強(qiáng)度(g/km) 15圖11情景2下的不同燃料公交車碳排放強(qiáng)度(g/km) 16圖12張家口天氣溫度統(tǒng)計圖(201903-202003) 17布情況 17圖14不同燃料類型公交車冬季與夏季的最大續(xù)駛里程對比(km) 18 1中國的能源轉(zhuǎn)型之路與西方工業(yè)化國家的能源轉(zhuǎn)型之路是不同經(jīng)濟(jì)體中少數(shù)以燃煤為主的國家之一。率先完成工業(yè)革命的西方國家已經(jīng)完成了從煤炭到油氣的能源轉(zhuǎn)型，并占據(jù)了全球大部分油氣資源，基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)完成從煤炭到油氣的改造，并正在向可再生能源轉(zhuǎn)型。由于先天不足和地緣政治影響，中國不容易從全球獲得足夠的油氣資到可再生能源的新型能源轉(zhuǎn)型之路。這種能源轉(zhuǎn)型之路是史無前例的，不是傳統(tǒng)意義的化石能源結(jié)構(gòu)變化，而是經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和生活方式的變化，意味著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的變化和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的再造。可再生能源成為中國能源革命的優(yōu)先選項，氫能對可再生能源發(fā)等可再生能源已經(jīng)成為普遍共識、戰(zhàn)略方向和一致的優(yōu)先行動。可再社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的動力和新的增長點(diǎn)。但可再生能源的波動性和間歇性給電力系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性和可靠性挑戰(zhàn)是無法回避的，因此需要從規(guī)劃引導(dǎo)、技術(shù)進(jìn)步、政策完善、行業(yè)規(guī)范、監(jiān)督保障等多方面發(fā)展顯著增加電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性，支撐更高比例的可再生能源電力發(fā)展。2氫能是張家口市發(fā)展可再生能源的探索。2015年國務(wù)院批復(fù)同意設(shè)立張家口可再生能源示范區(qū)，指出要依托張家口的獨(dú)特優(yōu)勢開展可再生能源應(yīng)用綜合示范，對引領(lǐng)可再生能源創(chuàng)新發(fā)展，推動能源革命，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)轉(zhuǎn)型升級，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。截至2020年底，張家口市可再生能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2003萬千瓦，成為全國非水可再生能源第一大市。2020年底可再生能源占終端能源智能風(fēng)機(jī)、異質(zhì)結(jié)光伏發(fā)電、跨季節(jié)儲熱、氫燃料電池汽車等一大批國際領(lǐng)先的技術(shù)得到示范應(yīng)用。張家口市根據(jù)發(fā)展需求將氫能作為“3+2”產(chǎn)業(yè)予以大力扶持，以氫能交通作為氫能利用的先導(dǎo)，加快培育氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗受到了國務(wù)院辦公廳表揚(yáng)。原因城市公交電動化是我國交通領(lǐng)域節(jié)能減排重要舉措。截止2020年底，中國城市公共電汽車共有70.44萬輛。其中純電動公交占比53.8%，已經(jīng)成為我國城市公交的主力，這也得益于中國動力電池技術(shù)發(fā)展相對成熟、產(chǎn)業(yè)規(guī)模大等有利因素。但是北方地區(qū)的公交電動化進(jìn)展較為緩慢，除了經(jīng)濟(jì)因素外，重要的是低溫對動力電池性能影動力電池低溫下的缺陷導(dǎo)致其不能滿足公交需求。動力電池在低溫下充放電效率低導(dǎo)致的充電時間長、車輛續(xù)駛里程短的問題，一直3困擾著北方寒冷地區(qū)，尤其是類似張家口這樣的地區(qū)，冬季氣溫經(jīng)常達(dá)到零下十幾度。冬季純電動公交由于需要電力制暖，因此車輛能耗大幅度提高，需要充電次數(shù)增加，進(jìn)而影響了車輛的運(yùn)力。燃料電池公交不受低溫影響且駕駛體驗與燃油公交相當(dāng)。燃料電池公交采用高壓氣態(tài)氫作為燃料，不受低溫影響，10分鐘左右即可完求。同時，燃料電池系統(tǒng)釋放出來的熱量可以被收集起來作為客艙的熱源，與燃油公交類似，減少制暖電力消耗，提升系統(tǒng)效率。燃料電池公交運(yùn)營有成效交304輛，累計完成載客量3400萬人次，累計運(yùn)行1463.5萬公里，是全國燃料電池公交車運(yùn)行數(shù)量最多、最穩(wěn)定的城市之一。另外，張家口市崇禮區(qū)是2022年北京冬奧會賽區(qū)之一，為踐行“綠色交通”承諾，冬奧會供515輛燃料電池客車用于冬奧會賽事服務(wù)，賽后大部分車輛仍然用于主城區(qū)城市公交，部分車輛將用于景點(diǎn)旅游、通勤客車和接待用車等。4圖1燃料電池公交車和團(tuán)體客車氫氣來源從灰氫到綠氫張家口市于2018年投運(yùn)第一批燃料電池公交，當(dāng)時使用的氫氣來自北京京輝氣體。該氫氣有天然氣重整和網(wǎng)電電解水兩種方式制取。從2020年8月海珀爾制氫項目一期啟動生產(chǎn)以來，張家口燃料電池公交的氫氣全部采用海珀爾制氫的氫氣，實現(xiàn)了從灰氫到綠氫的轉(zhuǎn)換。已經(jīng)建成的綠氫生產(chǎn)項目有海珀爾制氫項目一期和河北建投沽源風(fēng)電制氫示范項目一期，正在建設(shè)中的有崇禮新天風(fēng)能制氫一期、國家能源集團(tuán)投資的尚義風(fēng)電耦合制氫示范項目和赤城風(fēng)氫儲示范項目、張家口交投殼牌制氫項目。到2021年底，制氫能力達(dá)到26.8噸/天。上述6個項目中，有4個項目采用風(fēng)電直接制氫。2個項目 (海珀爾制氫和交投殼牌制氫均位于橋東區(qū)望山循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū))采用電力。這種不直接以可再生能源制氫，但通過購買可再生能源電力生產(chǎn)氫氣的也可被認(rèn)為是可再生能源制氫，符合《低碳?xì)?、清潔氫與可5再生氫的標(biāo)準(zhǔn)與評價》(T/CAB0078-2020)中規(guī)定，詳見附錄B可再生能源電力及碳抵消的說明。圖2建投沽源制氫一期(4MW)圖3海珀爾制氫一期(10MW)6四方協(xié)作機(jī)制是張家口可再生能源示范區(qū)為可再生能源本地消納實現(xiàn)清潔供暖，在機(jī)制體制上實現(xiàn)的突破，既“政府+電網(wǎng)+發(fā)電企業(yè)+用戶側(cè)”共同參與的電力交易機(jī)制，通過市政府與國網(wǎng)冀北電力有限公司合作建立可再生能源電力交易平臺，政府部門每月在平臺上發(fā)布下個月可再生能源需求電量和掛牌電價，可再生能源發(fā)電企業(yè)自愿競標(biāo)，清潔電力通過電網(wǎng)交易平臺進(jìn)入供電大網(wǎng)，由電網(wǎng)公司根據(jù)風(fēng)電供暖用戶需求統(tǒng)一分配電量，實現(xiàn)了政府要綠、企業(yè)要利、居民要暖的多贏，為國家推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔能源供暖，突破可再生能源消納瓶頸提供了可復(fù)制可推廣的成功經(jīng)驗。加氫站建設(shè)模式多元化本著滿足冬奧會運(yùn)營需求和冬奧會結(jié)束能正常運(yùn)營的原則，張家口市制定《張家口氫能保障供應(yīng)體系一期工程建設(shè)實施方案》，擬在2021年底前完成16座加氫站建設(shè)，包括14個固定式(35MPa)和2個撬裝式(70MPa)。全部加氫站設(shè)計加注能力為14噸/天(12小時計算)，峰值可達(dá)28噸/天，最高可滿足2000輛燃料電池中重型車輛的加氫需求。三路加氫站及中石油太子城加氫站。其中東望山加氫站是海珀爾制氫7公路服務(wù)區(qū)的固定式加氫站。研究對象和評估指標(biāo)研究對象包括10.5米的氫燃料電池公交車(以下簡稱FCVBus)、純電動公交車(以下簡稱BEVBus)、柴油公交車(以下簡稱ICEBus)及天然氣公交車(以下簡稱CNGBus)。表1不同燃料公交車研究對象信息表公交類型4路33路車長(m)程(km)8公交類型年均運(yùn)行時長(天)驅(qū)動電機(jī)額定功率(kW)——燃料電池額定功率(kW)————動力電池容量(kWh)——最高車速(km/h)續(xù)航里程(km)0為對比評估氫燃料電池公交車、純電動公交車和柴油公交車在高家口市本地已基本完成柴油公交車的退換，取而代之以本地天然氣公交車代替柴油公交車進(jìn)行對比，柴油公交車則采用全國平均水平進(jìn)行對比。基于學(xué)界已有的新能源汽車研究體系研究成果，結(jié)合自身對新能源汽車行業(yè)的理解，將經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、技術(shù)性作為一級指標(biāo)，并確保二級、三級指標(biāo)與新能源汽車發(fā)展具有強(qiáng)相關(guān)性，最終形成評價一級指標(biāo)二級指標(biāo)三級指標(biāo)本程放度9經(jīng)濟(jì)性分析是從車輛用戶的角度考慮，計算其燃料周期成本(既總持有成本，TCO)，對比指標(biāo)是汽車燃料周期的單位里程成本。采用單位里程成本的原因是由于當(dāng)前張家口在運(yùn)的純電動公交和燃料電池公交均為2018年上線，尚未退役，無法計算殘值。燃料周期成本為車輛購置、燃料使用及運(yùn)營管理三大環(huán)節(jié)成本構(gòu)成。在不考慮環(huán)境成本的情況下，氫燃料電池公交TCO成本(總擁有成本)最高，每公里成本達(dá)12.22元，遠(yuǎn)高于柴油公交的8.75元、天然氣公交的7.43元以及純電動公交車的7.96元。這還是在本地政府對氫氣零售價做出30元/kg限定的情況下，如根據(jù)實際制氫、運(yùn)氫、加注的成本來看，現(xiàn)階段張家口地區(qū)氫氣成本遠(yuǎn)高于30元/kg。因此從經(jīng)濟(jì)性角度看，氫燃料電池公交車現(xiàn)階段并不具有經(jīng)濟(jì)性。環(huán)保性評估環(huán)保性評估研究主要從微觀角度研究車用燃料從“井口”到“車輪”(WTW)階段的能源使用和排放問題，包括兩個階段包括汽車燃料周期上游WTT(WelltoTank)和汽車燃料周期運(yùn)行階段TTW(TanktoWheel)兩個階段，在這兩個階段分析不同類型公交的污和溫室氣體排放強(qiáng)度，單位是g/km。WTW階段新能源公交污染物排放總體好于傳統(tǒng)公交。在當(dāng)前的張家口的電力結(jié)構(gòu)下(可再生能源電力消費(fèi)占比50.6%)，新能源公交均在一定程度上較少了大氣污染物的排放量。其中，純電動公交污染物排放強(qiáng)度最低，每運(yùn)行1公里各項污染物排放強(qiáng)度均在0.1g以下。其次是燃料電池公交車，相較于柴油及天然氣公交車，燃料電池公交在氮氧化物及揮發(fā)性有機(jī)物均表現(xiàn)出較好的減排效果，以張家口自供氫源的燃料電池公交車為例，在氮氧化物及揮發(fā)性有機(jī)物排放強(qiáng)硫化物排放強(qiáng)度則略有上漲。圖6WTW階段不同燃料公交車污染物排放強(qiáng)度(g/km)W注意的是在WTT階段，網(wǎng)電電解水制氫的燃料電池公交污染物排放遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃料公交，僅因為TTW階段的零排放，才得以顯示出WTW整個階段的低排放優(yōu)勢來。如圖7所示，WTT階段，北京電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的燃料電池攻擊奧在NOx、SO2和一次性PM2.5排放上遠(yuǎn)是輸入電力依然是以火電為主。圖7WTT階段不同燃料公交污染物排放強(qiáng)度(g/km)WTW階段新能源公交溫室氣體排放強(qiáng)度與其燃料排放因子強(qiáng)下FCV公交達(dá)到4743.3g/km，均遠(yuǎn)高于其他燃料類型的公交車?？梢耘袛啵趦H考慮網(wǎng)電電解水供氫的情況下，燃料電池公交減碳效果并不理想，WTT階段是造成高排放強(qiáng)度的主要原因。目前張家口市池電池公交其溫室氣體排放強(qiáng)度僅為88.3g/km，環(huán)保性要遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型公交車。圖8WTW階段不同燃料公交車溫室氣體排放強(qiáng)度(g/km)如圖8所示，WTW階段燃料電池公交的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃料公交的主要原因是氫燃料來自網(wǎng)電電解水制取，而網(wǎng)電是以火電為主，自然碳排放強(qiáng)度上升。如圖9所示，可見燃料電池公交的碳排圖9WTT階段不同燃料公交的溫室氣體排放強(qiáng)度(g/km)不同情境下的燃料電池公交車排放測算。上述研究得出張家口氫燃料電池公交具有良好的污染物減排效果，但在減碳方面表現(xiàn)的并不理想。主要有以下原因，一是該批FCV公交推廣時期較早，搭載的電池系統(tǒng)功率僅有30kW，百公里耗氫量大；二是張家口地處北方嚴(yán)據(jù)時間跨度在2019至2020年底，張家口市氫源均來自網(wǎng)電電解水，分析來看，僅依靠網(wǎng)電制氫驅(qū)動公交車運(yùn)營顯然不具備環(huán)保性，低碳?xì)湓吹娜剂想姵毓徊攀呛线m的發(fā)展道路。因此對綠電、綠氫等不同低碳情景下的燃料電池公交車排放表現(xiàn)進(jìn)行分析研究。北省張家口市可再生能源示范區(qū)發(fā)展規(guī)劃》發(fā)展目標(biāo)，到2030年，80%的電力消費(fèi)來自可再生能源，全部城鎮(zhèn)公共交通、城鄉(xiāng)居民、生活用能、商業(yè)及公共建筑用能來自可再生能源；同時河北省企業(yè)可直接通過冀北電力交易平臺的可再生能源電力交易機(jī)制購買綠電用于氫氣生產(chǎn)，張家口市制氫企業(yè)海珀爾已經(jīng)通過交易的綠電制氫。據(jù)調(diào)研，海珀爾購買的綠電量可以滿足制氫的所有能耗;運(yùn)氫方式仍為柴油驅(qū)動的管束車(運(yùn)氫距離10km)?？紤]可再生能源占終端電力消費(fèi)比例不斷提升的情況下，不同類型公交的碳排放強(qiáng)度。研究表明，當(dāng)可再生能源電力消費(fèi)占比達(dá)67%時，氫燃料電池公交碳排放強(qiáng)度將與本地CNG公交水平相當(dāng)；當(dāng)可再生能源電力消費(fèi)占比達(dá)到100%時，氫燃料電池公交碳排放強(qiáng)度將圖10情景1下的不同燃料公交車碳排放強(qiáng)度(g/km)情景2：可再生氫產(chǎn)能快速發(fā)展。張家口市作為全國唯一的可再質(zhì)等可再生能源制氫項目逐漸落地(如沽源、赤城制氫項目)，未來綠氫將很快滿足所有本地氫需求。假設(shè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)保持不變(51.6%電力消費(fèi)來自可再生能源)，運(yùn)氫方式仍為柴油驅(qū)動的管束車(運(yùn)氫距離30km)，可再生能源制氫比例可再生氫占比達(dá)到40%時，本地氫燃料電池公交碳排放強(qiáng)度將與柴油公交車基本持平；當(dāng)可再生氫占比繼續(xù)增加至69%時，F(xiàn)CV公交碳排放強(qiáng)度將低于CNG公交。根據(jù)張家口本地制氫項目規(guī)劃，預(yù)計在2025年將實現(xiàn)本地全部氫氣產(chǎn)能由可再生能源生產(chǎn)，屆時的氫燃料電池公交車每公里碳排放將降至78g。圖11情景2下的不同燃料公交車碳排放強(qiáng)度(g/km)1技術(shù)性評估技術(shù)性評估是對不同燃料類型公交的低溫適應(yīng)性進(jìn)行評估，內(nèi)容包括低溫冷啟動和余熱管理。張家口公交數(shù)據(jù)顯示，純電動公交的冬天冷啟動成功率為80%~90%，但續(xù)駛里程嚴(yán)重縮水；壓縮天然氣公交的冬天冷啟動成功76輛純電動公交，得益于動力電池技術(shù)較為成熟和可靠，純電動汽車低溫冷啟嚴(yán)重。原因有兩點(diǎn)：一是低溫下動力電池充放電效率低導(dǎo)致車輛里程縮減；二是低溫下加熱客艙導(dǎo)致能量損失巨大導(dǎo)致車輛里程縮減嚴(yán)重。圖12張家口天氣溫度統(tǒng)計圖(201903-202003)進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。燃料電池公交車低溫啟動成功率最高，能夠滿足公交出行需求。的啟動成功率，與張家口CNG公交的啟動成功率(90%)相當(dāng)，高于純電動公交。圖13燃料電池公交車啟動成功率月度分布情況燃料電池公交冬天能耗水平優(yōu)于純電動公交。采用余熱管理技術(shù)后，燃料電池公交冬天能耗與夏天相比僅上升16.7%，而沒有采用余熱管理的燃料電池公交，冬天能耗比夏天要上升70.3%。同期，純電動公交在冬天的能耗要上升86.9%。能耗水平的波動導(dǎo)致車輛的續(xù)駛里程發(fā)生較大變化。圖14不同燃料類型公交車冬季與夏季的最大續(xù)駛里程對比(km)評估總結(jié)1.燃料電池公交總持有成本(TCO)是所有類型公交中最高的，降本成為下一階段燃料電池汽車發(fā)展的首要任務(wù)，否則將無法啟動大規(guī)模推廣。2.燃料電池公交在燃料周期的污染物排放要優(yōu)于傳統(tǒng)燃料公交，但溫室氣體排放則與其氫源排放強(qiáng)度相關(guān)。只有采用高比例的綠氫，燃料電池公交的溫室氣體排放才會優(yōu)于傳統(tǒng)燃料公交。3.燃料電池公交在低溫適應(yīng)性方面優(yōu)于純電動公交，因此下一階段推廣中，寒冷地區(qū)公交電動化的首選應(yīng)該是燃料電池公交。4.高壓氫氣能量密度高于動力電池，燃料電池汽車在高能耗的車輛領(lǐng)域推廣有優(yōu)勢，尤其是長距離、重載車輛。如城建渣土運(yùn)提升燃料電池汽車的技術(shù)水平盡管全球燃料電池汽車發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，但從實際來看，國內(nèi)國外燃料電池汽車在技術(shù)成熟度和產(chǎn)品可靠性上與純電動汽車相比還有穩(wěn)定的產(chǎn)品。置成本和保養(yǎng)成本目前來看，燃料電池汽車的購置成本和維保成本均高于純電動汽電池汽車成本。一是通過規(guī)模化推廣降低燃料電池汽車購置成本。通過前期示范，解決用戶痛點(diǎn)，用戶才可能給出大的訂單，通過規(guī)?；?/p>