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赵汝亮:北京燃料电池公交车进入快速推广阶段

作者:赵汝亮  信息来源:公共交通资讯    发布日期:2021-01-06

北京燃料电池公交车进入快速推广阶段

北京公共交通控股(集团)有限公司

赵汝亮

  摘要:目前北京地区的电动公交车已形成产业规模,但从现有的运营情况看,纯电动公交车存在续航里程短、动力电池性能衰减快、充电时间长以及安全等问题。燃料电池汽车作为新能源汽车的重要分支,其在续航里程、加注时间、安全性和环保性等方面比纯电动汽车更具优势,是未来公交车电动化的理想选择。本文从燃料电池汽车特点、燃料电池动力系统性能、加氢站布局、氢成本下降潜力以及北京地区燃料电池客车产业链等方面开展分析,认为燃料电池公交车在北京的推广条件基本成熟,后续将进入快速推广阶段。未来,影响燃料电池公交车推广的关键因素包括燃料电池动力系统的耐久性、成本、氢基础设施、法律法规和标准等,这些方面的改善或突破都将助力燃料电池公交车深层次的产业化。随着燃料电池公交车的推广,公交系统将加速摆脱传统石化能源,这对于发展氢能交通体系、优化公交能源结构和缓解城市交通污染有着重要的意义,同时对我国燃料电池汽车甚至氢能产业的发展有着积极的作用。

  关键词:新能源汽车,纯电动公交车,燃料电池公交车,氢能,产业推广

  提 纲

  一、国内外发展现状

  1、国外进展;

  2、国内进展

  二、燃料电池公交车概况

  1、燃料电池公交车技术;

  2、氢源供应;

  3、燃料电池公交车的优点

  三、北京燃料电池公交车推广的可行性

  1、技术可行性;

  2、加氢站建设可行性;

  3、经济可行性;

  4、北京氢燃料电池客车产业链初步形成

  结  论

  参考文献

  绪  论

  能源紧缺和环境污染是当代人类生存和发展所面临的两大挑战。汽车产业,作为衡量一个国家综合实力和发达程度的重要标志,消耗大量能源的同时排放大量污染物。据统计,我国汽车油耗约占整个石油消耗的1/3,预计到2020年上升到57%,每年新增石油消费量的70%以上均被新增的汽车所消费;汽车碳排量约占总排放的17%,其中近一半由中大型车辆排放。寻找和发展新的汽车清洁能源,将对全球汽车和能源产业格局以及经济社会发展产生重大深远的影响。

  燃料电池汽车以氢气和氧气电化学反应产生的电力为驱动源,产物仅为水,具有环保性能佳、转化效率高、加注时间短和续航里程长等优势,是未来汽车工业可持续化发展的重要方向。事实上,燃料电池汽车已成为全球汽车与能源产业转型升级的重要突破口,是应对全球能源短缺和环境污染的重要战略举措。

  公共交通是城市建设优先发展的领域,预计到2020年,我国主要城市的公共交通出行分担率将超过60%,北京则已达到72%。作为公共交通的重要组成,城市公交车肩负着重要的社会责任,绿色是其责任担当的一大体现,主要包括低能耗、低污染和低噪音等方面。在《北京市蓝天保卫战2018年行动计划》中,将公交车列为重点在线排放监控对象。

  目前,新能源汽车(主要为电动汽车)在城市公交领域得到了大面积的推广,以期为城市交通的节能减排做出贡献。2017年底,北京新能源公交车的占比已达到30%左右,根据国家发改委、中宣部和科技部等十部委联合制定的《关于促进绿色消费的指导意见》,2020年后公务车及公交系统基本实现全面电动化。但是,从目前纯电动公交车运营情况看,存在续航里程短、动力电池性能下降以及安全等问题,购置成本较燃油公交车高出1/3。燃料电池汽车作为新能源汽车的重要分支,目前尚未规模化推广,但其在续航里程、加注时间和环保性等方面比纯电动汽车更具优势,是未来公交车电动化的理想选择。在城市公交领域发展并推广燃料电池公交车,可加速公交车摆脱传统石化能源,对于发展氢能交通体系、优化公交能源结构和缓解城市交通污染有着重要的意义,同时对我国燃料电池汽车甚至氢能产业的发展有着积极的作用。

  本文将从燃料电池汽车特点、燃料电池动力系统性能、加氢站布局、氢成本下降潜力以及北京地区燃料电池客车产业链等多个方面展开分析,认为现阶段燃料电池公交车在北京的推广条件基本成熟,后续将进入快速推广阶段。

  一、国内外发展现状

  新能源汽车种类较多,包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车及其他新能源汽车等。目前,主要的研究方向聚焦在纯电动、混合动力和燃料电池汽车等。

  国际上,除了美国发展有特斯拉纯电动汽车外,其他国家基本没有发展纯电动汽车,日本等国从柴油汽车、混合动力汽车直接跳到燃料电池汽车。我国电动汽车产业较为发达,2001年启动了“863”计划电动汽车重大专项,涉及的电动汽车包括3类:纯电动、混合动力和燃料电池汽车(称为“三纵”),同时把多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池作为“三横”,建立“三横三纵”的开发布局[1]。2017年,电动汽车全年销量达77.7万辆,占新车销售的比例不足以3%。根据《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》,到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆,同时,我国新能源汽车产业正从数量增长向质量提升过渡,从政策驱动向政策市场双极驱动过渡。

  下面,重点介绍燃料电池汽车的发展情况。

  1、国外进展

  燃料电池汽车在国外一直很受重视。美国能源部(DOE)2016年在燃料电池和氢能上的研发投入分别为3500万和4100万美元,计划到2023年建成超过100个加氢站,按照美国氢能技术路线图,到2040年美国将进入“氢能经济”时代。加拿大为配合2010年温哥华冬奥会建设了世界上第一条包括7座加氢站的氢能高速公路,该项目投资2亿加币;此外,在多伦多地区实施了以燃料电池为社区能量来源的“氢能村”项目。欧洲各国花费大量精力布局燃料电池汽车和加氢站建设,德国作为氢能燃料电池的领导者,计划到2030年生产200万辆燃料电池汽车;挪威、丹麦和北欧城市拥有丰富的可再生能源,可用于制氢,正在积极规划加氢站建设,以供燃料电池汽车用;法国近些年开始重视燃料电池汽车,其“氢计划”显示,到2028年建成400~1000个加氢站,拥有2~5万辆轻型商用车和800~2000辆重型车;英国也推出了燃油车的禁售目录。亚洲方面,日本提出,到2030年,政府对氢产业的投资达1万亿日元,加氢站数量到2020和2050年分别为160座和320座;韩国计划到2025年,建设200个位于高速公路的加氢站,到2030年,燃料电池汽车数量达63万辆,占新车总数的10%。

  目前,加拿大的巴拉德动力系统公司已经成为质子交换膜燃料电池技术的全球领导者,是世界上最大的集设计、开发、生产、销售和服务为一体的质子交换膜燃料电池企业。Hydrogenics Corporation也是全球领先的氢气发电技术和氢燃料电池系统开发商和制造商。北美地区大约有2万辆燃料电池叉车在运营,Plug Power是叉车设备的主要供应商,占据了95%以上的市场份额。北美地区运营的燃料电池乘用车约3500辆,主要分布在美国加州。

  法国阿尔斯通公司于2016年推出了首款氢燃料电池客运列车(iLints列车),这款列车将首先在德国的萨克森州投入运营,目前德国交通部已经订购了14辆iLints列车。2017年,德国政府组织本国汽车行业领导企业成立了一个6000万欧元、为期三年的联盟(AutoStack-Industrie),旨在2020年之前为德国和欧洲燃料电池汽车的商业引进提供技术、经济和科技支持。该联盟由宝马领导,还包括戴姆勒、德纳、福特研究和创新中心、科德宝高性能材料、Greenerity、NuCellSys、燃料电池公司PowerCell Sweden AB、德国优美科、大众集团和德国巴登符腾堡州太阳能和氢能研究中心。

  日本两大汽车企业巨头——丰田和本田已经推出了氢燃料电池汽车并已量产。丰田氢燃料电池汽车Mirai于2014年底正式在日本量产发售,其燃料电池功率为114kW,功率密度为3.1kW/L,最大续航里程接近500公里,加满燃料的时间仅为3分钟。Mirai价格为723.6万日元(约37.5万人民币),享受补贴后,消费者实际负担的金额在520万日元左右(约26.9万人民币),截至2017年底实际销量为2322辆。本田燃料电池汽车Clarity,2016年3月开启租售业务,其燃料电池功率为103kW,功率密度为3.1kw/L,续航里程可以达到750km,其在美国的售价约6万美元(人民币约37.9万),目前约售出200辆。

  韩国研发生产燃料电池汽车的代表企业是现代(Hyundai),Hyundai从2002年开始研发燃料电池汽车,2005年采用巴拉德的电堆组装32 辆SUV,2006年推出自主研发的第一代电堆,组装30台SUV、4辆大客车,并进行示范运行;2009-2012年间,开发出第2代电堆,装配100台SUV,开始在国内进行示范和测试,并对燃料电池电堆性能进行改进;2012年,推出第3 代燃料电池SUV 和客车并开始全球示范;2013年,韩国现代宣布将提前2年开展千辆级别的燃料电池SUV(现代ix35)生产,在全球率先进入燃料电池千辆级别的小规模生产阶段。该SUV采用100kW燃料电池, 100kW电机,70MPa的氢瓶,氢瓶可以储存5.6kg 氢气,最新欧洲行驶循环工况续驶里程588km,最高车速160km/h。现代燃料电池汽车推广的策略之一就是汽车共享,在巴黎与STEP、林德公司合作计划到2020年推广100辆燃料电池出租,车型主要为ix35 fuel cell。同时,计划在德国投入50辆ix35 fuel cell用作汽车共享。另外,韩国政府于2016年在蔚山市投放10辆ix35 fuel cell汽车用作出租车,并在2017年增加5辆,韩国当地的三大出租车公司负责实际运营,现代公司负责售后服务。现代在2018年消费电子展(CES)上推出了Nexo燃料电池汽车,续航里程达到600公里,具有与传统燃料汽车相同的续航能力。

  2、国内进展

  我国一直高度重视氢能与燃料电池汽车产业的发展。近年来,国家相关部委密集出台政策,大力支持燃料电池汽车产业发展。《国家创新驱动发展战略纲要》、《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《中国制造2025》、《汽车产业中长期发展规划》、《“十三五”交通领域科技创新专项规划》等纷纷将发展氢能与燃料电池技术列为重点任务,将燃料电池汽车列为重点支持领域。《节能与新能源汽车技术路线图》中明确提出:2020年实现1万辆级规模在特定地区公共服务用车领域的示范应用,建成100座加氢站;2025年实现5万辆规模的应用,建成300座加氢站;2030年实现100万辆燃料电池汽车的商业化应用,建成1000座加氢站。

  我国具备一定的燃料电池汽车研发基础。在国家科研计划和示范项目的持续支持下,国内已初步掌握关键材料、部件及动力系统的部分关键技术,基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池动力技术平台,累计开发数百辆燃料电池汽车,结合奥运会、世博会、亚运会、大运会和UNDP等示范项目,开展了一定规模的示范运行。

  2008年4月,福田发布了与清华大学联合研制的福田欧辉燃料电池客车,3辆燃料电池城市客车圆满完成了包括2008年北京奥运示范在内的为期1年的北京公交商业化示范运行,累计运行超过6万公里。2010年上海世博会期间,燃料电池汽车共行驶91万公里,载客183万人次,其中接待VIP 6600人次。燃料电池公交客车单车每百公里耗氢9.8 kg。2010年,我国研制的燃料电池城市客车走出国门,在新加坡完成了揭幕和试运行仪式,并作为首届青年奥运会官方新能源示范车服务青奥会。2016年,在全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UNDP)支持下,我国启动“促进中国燃料电池汽车商业化发展”项目三期示范运行,北京示范运行15辆燃料电池汽车(包括10辆客车和5辆物流卡车)。2017年1月,北京市科委5辆燃料电池公交车获得国内第一批正式上牌的燃料电池客车,并在公交384线路开始运行,运行期间经历了1月份的-15℃低温环境及6月份的37℃高温环境考验。近期,搭载亿华通燃料电池动力系统的60辆氢燃料电池客车已交付终端客户,将用于北京市部分企事业单位班车及摆渡车;74辆燃料电池客车将用于张家口公交批量示范运营,为2022年北京冬奥会的绿色交通作准备。

  二、燃料电池公交车概况

  1、燃料电池公交车技术

  燃料电池自1893年发明至今,已有多种类型,按电解质来区分[2],可分为六类。按目前在汽车领域使用最广泛的是质子交换膜燃料电池。

  (1)燃料电池反应机理

  氢燃料电池是指通过氢与氧发生电化学反应来产生电能的装置。

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图2-1是质子交换膜燃料电池的工作原理示意

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图2-1 燃料电池工作原理示意

  (2)燃料电池动力系统

  燃料电池汽车动力配置方案有纯燃料电池、燃料电池加蓄电池、燃料电池加超级电容、燃料电池加蓄电池加超级电容、燃料电池加飞轮以及插电式等六类。其中,第二种方案是主流,也是未来发展趋势,目前量产的现代ix35、丰田Mirai和本田Clarity均采用此方案。

  针对燃料电池电压电流输出特性及动态响应滞后的特点,基于城市公交大客车运行时,驱动与制动功率波动频率高、幅度大以及长续驶里程的总驱动与制动能量较大等工况特点和难点,以清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为主的氢燃料电池客车动力系统研发团队率先提出并研制成功燃料电池加动力电池的电-电混合动力系统。

  燃料电池混合动力系统主要包括燃料电池、辅助动力源、DC/DC变换器等部件。燃料电池系统作为车辆常规运行时的主要动力源,为车辆的常规运行提供所需能量;辅助动力源为蓄电池或超级电容器,提供车辆在启动、加速、爬坡等特殊工况下所需功率。如此,既能保证车辆在不同工况下所需的能量,同时能够减小对燃料电池的冲击,提高燃料电池的寿命。

  通常,根据燃料电池混合动力系统动力源装置的搭配方案以及它们与电机驱动系统之间的连接方式来定义系统构型。根据燃料电池系统是否与电机控制器直接相连分为直接燃料电池混合动力系统和间接燃料电池混合动力系统。

  ①直接燃料电池混合动力系统

  图2-2为直接燃料电池混合动力系统。燃料电池系统直接与电机控制器相连,同时,使用蓄电池或者超级电容作为辅助动力装置,并且蓄电池组(超级电容)和动力系统的直流母线之间使用双向DC/DC变换器。

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  ②间接燃料电池混合动力系统

  图2-3为间接燃料电池混合动力系统。在燃料电池系统前面使用单向DC/DC变换器来对燃料电池系统和电机驱动系统进行电压匹配,并对燃料电池系统的输出功率进行控制,辅助动力源装置选用蓄电池组或超级电容,并直接与直流母线相连接。

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  燃料电池直接驱动构型中,为满足车辆良好的动力性,燃料电池动力系统(FCE)必须具有良好的动态特性和V-I特性,同时,为避免FCE瞬时大功率放电导致的母线电压过低而损坏燃料电池堆,FCE的额定功率取值也相对偏高。

  燃料电池间接驱动构型中,由于DC/DC变换器的作用,实现了FCE与储能系统(ESS)的功率耦合和电压隔离,有利于对燃料电池动力系统优化调节,在目前燃料电池的技术水平下,是一种经济实用的混合动力系统构型。

  (3)燃料电池公交车系统结构

  燃料电池公交车以燃料电池动力系统为动力源,其驾驶习惯与燃油车类似,但构造与传统燃油车和电动汽车存在一定的差异。图2-4是国内燃料电池公交客车动力系统结构示意图。氢瓶置于车顶,燃料电池电堆及电机等均置于车后。通常,国内12米燃料电池公交车,采用不低于60kW的燃料电池发动机和功率型动力电池相结合的氢-电混合动力系统,配有8~10个35MPa氢瓶系统,续航里程超过300km。

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图2-4国内燃料电池客车动力系统结构示意图

  2、氢源供应

  氢源是燃料电池公交车正常运营的保障,相关产业包括制、储、运、加等方面,其产业成熟度和价格直接影响燃料电池汽车甚至氢能产业的商业化推广。目前,氢气的市场价格较高,一定程度上不利于燃料电池汽车的产业推广,降低氢气成本是未来主要研究发展的方向。

  (1)制氢方式

  目前常用的制氢方式包括化石燃料制氢、含氢尾气/副产氢气回收利用、高温分解制氢和电解水制氢。化石燃料制氢包括石油、天然气蒸汽重整制氢和水煤气法制氢等。根据统计,我国现有氢气主要来自化石燃料制氢,其中煤炭制氢占20 %,天然气制氢占46 %,石油制氢占30 %,电解制氢占3 %[3]。工业副产氢制氢是指利用含氢工业尾气为原料制氢,工业尾气主要包括合成氨产生的尾气、炼油厂副产尾气、氯碱工业副产气、煤化工焦炉煤气等。高温分解制氢分甲醇裂解制氢和氨分解制氢。水电解制氢通过提供电能使水分解制得氢气,,该过程的效率一般在75%-85%左右,其工艺过程简单无污染,但因电耗大而成本较高。还有一些其他的制氢技术,如生物质气化制氢、光解水制氢等,尚未产业化应用。从低碳环保的角度看,以新能源为基础的电解水制氢是未来的发展目标。

  (2)储运方式

  由于氢在常温常压下为气态,密度仅为空气的1/14,所以提高氢的储运效率是产业发展的关键。目前,储运技术主要包括高压气态储运、低温液态储运、固体储运和有机液态储运等,表2-1列出了各种储氢技术优缺点。

表2-1 不同储运方法的质量储氢密度和优缺点

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  (3)加氢站

  加氢站之于燃料电池汽车,犹如加油站之于传统燃油汽车、充电站之于纯电动汽车,是支撑燃料电池汽车产业发展必不可少的基石。燃料电池汽车的发展和商业化离不开加氢站基础设施的建设。

  通常,氢气加注是通过将不同来源的氢气经压缩机增压,然后储存在站内的高压储罐中,再通过氢气加气机为氢燃料电池汽车加注氢气,其加注流程如图2-5所示。目前加氢站根据是否现场制氢,分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站两种。

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图2-5 加氢站工作流程

   3、燃料电池公交车的优点

  (1)绿色环保

  由于燃料电池把化学能直接转化成电能,氢气在燃料电池中转化成水,因此,氢气燃料电池汽车的唯一排放是水蒸汽,在目前中国城市雾霾严重和全球CO2排放超高(汽油、柴油和天然气车都排放CO2)、全球变暖的情况下,氢气燃料电池汽车可以保护环境,带来极大的社会效益。

  据调查,京津冀地区柴油卡车(轻、中、重型)保有量约为204万辆。经过测算,这些车辆全年排放总污染物约648万吨,其中一氧化碳517万吨,碳氢化合物34万吨,氮氧化物93万吨,PM2.5颗粒4万吨。如果改为燃料电池卡车,用氢气驱动则所有排放全部为零。

  因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染,并且对城市具有增湿、净化的作用。

  (2)加氢时间短、续航里程长

  燃料电池汽车加氢时间短,一般为3~5min,续航里程可达到500km以上,远远超过了传统纯电动汽车的续航里程。

  (3)安全可靠

  氢气化学性质活波,使得氢气在使用过程中存在一定的安全隐患。另外,由于对氢气使用的经验不够丰富,驾驶员在使用氢燃料电池汽车时,心理上也存在着较大的疑虑。因此,安全性问题在燃料电池公交车推广中关注度较高。

  国内外对燃料电池汽车制定了很多标准和规范,其中65 %以上的内容是针对安全性的规定。燃料电池汽车的氢安全性,主要是指燃料电池汽车运行过程中车载氢系统的安全,主要包括高压供氢系统、燃料电池发电系统的安全性等。目前,为了保证车载氢系统的安全,各企业主要从材料选择、氢泄露监测、静电防护、防爆、阻燃等方面进行预防和控制[4]。

  的确,氢具有易燃、易爆及氢脆等安全性问题[5]。但这些危害的出现都是在一定环境条件下产生的,只要在使用过程中控制必要条件,就可避免氢气的危害。

  首先,氢气爆炸极限是体积密度达到4.0 %~75 %,即氢气在空气中的体积浓度在4.0 %~75 %之间时,遇火源就会爆炸,而当氢气浓度小于4.0 %或大于75 %时,即使遇到火源,也不会爆炸。

  其次,氢的密度仅为空气的7 %(一个标准大气压、0 ℃下,密度为0.0899 g/L),与汽油、丙烷和天然气相比,具有更大的浮力(快速上升)、扩散性(横向移动)和快速挥发性。流通空气中很难聚集高浓度的氢,如果发生泄漏,氢气会迅速扩散,特别是在开放环境中,很容易快速逃逸,而不像汽油挥发后滞留在空气中不易疏散。美国迈阿密大学的Swain博士做过一个著名的试验[6],如图2-6所示。两辆汽车分别用氢气和汽油作燃料,然后进行泄漏点火试验。点火3秒后,高压氢气产生的火焰直喷上方,汽油则从汽车的下部着火;到1分钟时,用氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧,汽车没有大问题,而汽油车则早已成为大火球,完全烧光。所以氢气易挥发的性质,与普通汽油车相比,有利于汽车的安全。浙江大学的张俊峰[7]针对小型燃料电池车用低压储氢装置安全性开展试验,对装置全生命周期的危险因素进行识别和分析,建立了小型燃料电池车用低压储氢装置的系统安全试验方法;同时开展了换气站泄露爆炸的模拟研究,对爆炸后果进行定量评估,探究了不同低压储氢装置数目、放置位置、泄压板设置及环境风速等对爆炸强度、冲击波及火焰传播行为的影响规律。

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  在氢瓶枪击实验中,用子弹打穿35MPa氢瓶,通过45s连续照片(见图2-7)发现:当氢瓶被子弹击穿时没有发生氢气爆炸;当子弹击穿氢瓶时氢气是向上喷射;氢气喷射的速度极快,一瓶氢气,一个子弹孔45秒就排放完成。

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图2-7 氢瓶枪击实验

  图2-8是氢瓶火烧的实验,将氢瓶进行火烧,氢气燃烧前一秒火焰最大,一秒之后火焰骤降,基本5-15秒后火焰熄灭,最重要的一点,即便是火烧氢瓶,氢瓶依旧没有出现爆炸。

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图2-8 氢瓶火烧实验

  由此可见,只要合理预防控制氢气的不利安全因素,就会避免产生安全危害。事实上,氢工业长期以来的安全运行以及氢能在航空航天等领域的广泛应用,都足以证明这一点。

  三、北京燃料电池公交车推广的可行性

  北京地区是国内燃料电池汽车示范运营的先行者,形成了较深厚的运营经验和技术积累。目前,北京的燃料电池公交车正进入快速推广的阶段,对燃料电池客车性能、氢基础设施、运行成本和区域产业布局等的要求也越来越高,需要这几个方面不断取得改进和突破。

  1、技术可行性

  燃料电池发动机自发明至今,其技术不断进步,各项性能不断优化,为燃料电池公交车的大规模推广提供有力保障。目前,燃料电池发动机的平均寿命≥10000h,最高效率(含DC/DC)≥55%,防护等级IP67;燃料电池公交车的平均无故障里程≥5000km,最大爬坡度≥25%,百公里氢耗≤8kg,低温快速启动时间≤10min,工作环境温度-30℃~60℃,储存温度-40℃~60℃,运行海拔0~1600m。

  2、加氢站建设可行性

  目前,由于氢属于危化品,北京市内管控要求非常严格,相关加氢站的审批困难,制约了北京地区氢能与燃料电池汽车的产业化推广。由于燃料电池公交车的续航里程长且稳定,加氢站完全可以在审批难度相对较低的远郊地区布局,较短的加氢时间和较长的续航里程,完全可以实现燃料电池公交车“远郊加氢、市-郊中长途运行”的方案。这点与纯电动公交车存在本质的差别,后者限于续航里程,对充电桩布局网络的依赖性较大。另一方面,国内已出台相关标准支持加氢加油加气混建站的建设,传统能源巨头(如中石油、中石化等)有着丰富的氢能资源和传统加油站网络体系,对于氢能规划非常积极,正在开展北京市远郊区域的加氢站布局和程序审批。

  3、经济可行性

  氢气成本构成较为复杂,包含制、储、输及加等环节。我们以成本昂贵的电解水制氢为例。制氢环节的直接成本为电和水,1Nm3氢气耗电5.5kWh、耗水1L;间接成本包括人工、设备检修和易损件更换等。以2000万Nm3/年的氢气产量、电价0.5元/度折算(不考虑折旧和产房摊销等),制氢成本为2.76元/Nm3,电耗成本占制氢环节的94%以上。储运采用长管拖车气态高压储氢方式,运费包括油费(油耗百公里300元)和过路费(百公里250元)。以张家口至北京运输路线折算,氢气运输成本为0.14元/Nm3。氢气加注成本包括人工、设备检测及维修、易损件更换和电费等(不考虑折旧和产房摊销等),约合0.35元/Nm3。综合下来,不考虑商业利润等情况,氢的WTT(Well-to-Tank,从燃料源到汽车燃料储存装置)成本约为3.25元/Nm3,即氢成本理论上可控制在40元/kg以下。当然,如果考虑各环节的利润,尤其是制氢厂、加氢站的设备折旧等费用,目前的氢能成本还需降低。例如,目前加氢站核心设备有压缩机、储氢罐和加气机等,多为国外进口,如果能实现核心设备国产化,加氢站的成本将大幅降低,未来氢气价格还有下降的空间;可再生能源发电的成本如果大幅下降,未来终端客户用氢可控制在35元/kg左右。

  4、北京氢燃料电池客车产业链初步形成

  北京市氢燃料电池产业肇始于“十五”期间国家“863”燃料电池汽车开发项目,经多年发展,逐步形成了以高精尖科研院所和企业为主体的氢燃料电池产业链,成为国内领先的氢燃料电池车辆示范城市,产业发展前景可期。

  (1)整车开发

  北京市拥有北汽集团、福田汽车等国内领先的大型汽车企业,其中福田汽车与亿华通联合开发的多款车型已开始商业化推广。同时,福田汽车正在联合清华大学、亿华通等单位开发面向冬奥会的120kW城际高速客车;福田汽车联合亿华通正在开发8吨物流车、12吨环卫车和25吨重卡,其中首批8吨物流车将于2018年10月份交付并示范运营。北汽集团联合亿华通已开发使用国产化电堆、70MPa氢系统和续航里程达到400km的第二代氢燃料电池乘用车,并将在2018北京国际汽车展亮相。

  (2)核心零部件开发

  经过多年积累,北京市逐渐形成了以亿华通为代表的一批氢燃料电池核心零部件研发生产企业。其中,亿华通已经实现氢燃料电池电堆国产化,量产氢燃料电池发动机已于2017年8月成功下线,与北汽、福田、宇通等国内多家主流整车企业建立了合作关系;北京科泰克和北京天海自主研发了35MPa和70MPa的车载储氢瓶;北京精进电机开发了适合氢燃料电池汽车使用的专用电机产品;北京盟固利、北京科易开发了配合氢燃料电池发动机功率输出特性的锂电池产品。由此可见,北京市在国内率先形成了较为完整的氢燃料电池汽车零部件配套体系。

  (3)供氢体系

  氢气作为最普通的化工原料,其生产技术非常成熟。我国是世界第一的制造业大国,氢气产量也是位居世界第一,氢能在我国的推广利用具有坚实的物质来源。我国每年有大量的工业副产氢气因为找不到出路,而被当作普通燃料烧掉,更有甚者,因为出于安全考虑而白白用火炬烧掉。同时,我国又是可再生能源装机容量全球最大的国家,每年由于电网容量不足,造成大量的绿色电能白白放弃。

  氯碱工业:2015年我国的氯碱产量3028.1万吨,副产氢气约75.7万吨。

  焦化工业:我国是煤炭大国,也是世界第一的焦炭生产国,焦炭年产量超过8亿吨。副产焦炉煤气约3800亿立方米,其中氢气约55%,1870万吨。

  石油化工:根据计算,一套年产60万吨丙烯的丙烷脱氢工厂每年副产氢气接近3万吨,而全国已开车,在建和将要建的装置要超过20多家,60万吨的氢气。

  绿色电能:2016年全年弃风497亿度电,可生产氢气98.6万吨;2016年上半年西北五省弃光32.8亿度电,可生产氢气6.5万吨;2016年云南、四川共弃水660亿度电,可生产氢气131万吨。

  由于我国在工业副产氢气量大和可获得性方面的优势,使得我国现阶段推广氢能在交通运输行业的应用具备站在世界前沿的资源基础。

  神华集团、中节能风力发电股份有限公司和北京海珀尔科技有限公司等利用河北省丰富的风电资源,在张北、沽源等地建立了风电制氢项目,制氢项目分期完成,能满足京津冀地区氢燃料电池汽车对高纯度、低成本气源的需求。北京拥有全国第一座车用加氢站,即北京永丰加氢站。该站由亿华通建设运营,积累了大量加氢站运营数据和丰富经验,可以为北京市今后加氢站的建设及运营提供有力支撑。同时,中石化、中石油、神华等能源企业正在积极布局加氢站建设,为北京地区氢燃料电池汽车的推广提供便利的加氢服务。

  (4)示范运营

  表2-2是燃料电池客车在京津冀地区的示范运行历程,其中,2018年燃料电池团体班车和公交车均已进入商业化推广阶段。就目前发展情况来看,北京市氢燃料电池汽车产业在全国的领先优势凸显,氢能与燃料电池汽车全产业链基本形成。

表2-2 燃料电池汽车京津冀地区的示范运行情况

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  结  论

  目前,全球燃料电池汽车产业正处于产业化初期,在乘用车、客车和物流车等多个领域正开展小批量的商业化推广。燃料电池技术的进步、汽车电子技术的发展、各国政府的大力扶持、零部件成本的不断降低以及氢基础设施的逐渐完善等是燃料电池汽车商用化最重要的几个因素。得益于政府的强力扶持和庞大的市场潜力,我国的燃料电池汽车发展势头迅猛。凭借交通网络发达、环境典型以及运营基础良好等优势,北京公交正迎来燃料电池公交车规模化推广的时期,逐步构建氢能交通体系、优化能源消费结构、促进氢能产业发展以及助力北京市蓝天保卫战。

  在后续阶段,应注重以下几个影响燃料电池公交车产业化推广的关键因素:

  (1)氢基础设施:燃料电池汽车的能源保障,其发展与燃料电池汽车的产业化推广是相得益彰的;

  (2)政策法规及标准:目前政策对燃料电池汽车的支持力度很大,但囿于现有部分法规或标准的限制,尤其是加氢站的建设审批,后续还需要加强这方面的工作,使政策能真正推动氢能产业的发展、标准能有效规范行业研发和生产,同时加强宣贯和示范活动,引导和提高主管机构和公众对氢能的接受度;

  (3)成本:目前燃料电池汽车成本高,主要是因未形成规模化效应,随着燃料电池汽车规模化推广应用,燃料电池技术也将不断进步,相关零部件也将规模化、国产化,燃料电池汽车成本会大幅度下降,可反过来推动燃料电池汽车的产业化;

  (4)耐久性:北京公交尚未大批量应用推广,还需要在后续运营中实现产品的升级换代,进而推动产业的发展。

    参考文献

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