蓄势待发：氢燃料电池的中国发展路径-技术路径之二：美国燃料电池客车的发展现状

2016-07-27 市场 分析 莫尼塔(上海)信息咨询有限公司 蓄势待发: 氢燃料电池的中国发展路径 - 技术路径之二：美国燃料电池客车的发展现状 核心提示 刘晓宁CAIA®, ERP® 021-51167221 henryliu@cebm.com.cn 陈秋祺 021-51167243 qiuqichen@cebm.com.cn 林良樟 021-51167252 liangzhanglin@cebm.com.cn 丁盈盈 yingyingdin@cebm.com.cn 莫尼塔研究特别发布燃料电池系列报告，通过经济-技术(techno-economic)分析框架，研究预判氢燃料电池车在中国的发展路径（roadmap）。我们希望该系列报告能够为投资者提供一个更客观理性的视角。本报告是该系列的第二篇: 我们通过氢燃料电池客车（FCEB）在美国的发展进程和示范运行的实测结果，说明燃料电池客车的最新发展状况，并探讨客车可能在运输市场首先取得市场份额的可能性。 报告摘要 燃料电池客车已经在全球积累了丰富的实际经验和运行数据...... 氢能作为清洁能源备受各国政府重视，而氢燃料电池客车一直被视为推广氢燃料电池技术的最佳途径之一。欧美国家早在2000年之前就开始研发燃料电池客车，并进行了长期的示范运行。以美国为例，目前正在运行的燃料电池客车有24辆，从2014年8月到2015年7月累计行驶了8.3万小时、168万公里。 ......但燃料电池客车还未达到可以彻底商业化的阶段； 目前美国燃料电池示范客车的技术成熟度均处于TRL6/7水平，即示范客车在实地运行中接受全面检验。当少数地区客车达到50~100辆，且维护工作转交给客车工作人员时，可认为进入TRL8水平。处于TRL6~8水平的技术需要不断重复“检验-评估-优化”过程，直到达到TRL9水平后，燃料电池客车便可以像传统客车一样彻底完成商业化。 然而，燃料电池客车的关键技术指标，较前几年已经有了较大发展 以美国最主要的两个公交巴士示范运营点ACT ZEBA和SL AFCB为例：1）2015年燃料电池客车的每月平均里程较2014年增加了12%；2）平均可得性（availability）为74%，高于去年的70%；3）燃料经济性(fuel economics)是柴油客车的1.73倍，是天然气客车的1.95倍；然而考虑近期的燃料价格后，燃料电池客车运行成本远高于柴油客车和天然气客车；4）造成燃料电池客车使用故障（或延误）的因素中，燃料电池系统问题并不是主因，反而经常是由客车本身问题或混动系统问题导致的。 客车是中国推广燃料电池的最佳途径之一，但测算后仍受制于成本问题缺乏竞争力 虽然发展较晚，但中国并不乏燃料电池客车的身影，在世博会等活动中皆有燃料电池客车示范运行。2015年福田、宇通各签订了100辆燃料电池客车订单，而佛山等城市也计划运行燃料电池客车。相对乘用车而言，燃料电池客车1）技术门槛相对较低；2）能起到良好的宣传作用；3）加氢站可沿线建设；因此被看作是推广燃料电池汽车的最佳途径之一。莫尼塔研究通过简单的测算认为：相对传统客车，即使考虑了政府补贴，燃料电池客车目前在中国的生产成本（假设量产后）和运行成本还无法具有市场竞争力。未来燃料电池客车能否在国内推广，仍取决于成本的下降空间和政府补贴力度的增加。 市场 分析 莫尼塔(上海)信息咨询有限公司 1 燃料电池客车已经在全球积累了丰富的实际经验和运行数据 氢能作为清洁能源备受各国政府重视，而氢燃料电池客车一直被视为是推广氢燃料电池技术的最佳途径。欧美国家早在2000年前就开始研发燃料电池客车并进行了长期的示范运行。据统计，目前欧洲运行及欲将试运行的燃料电池客车共有84辆，而美国目前正在运行的燃料电池客车有24辆（表1）。 早在2002年，美国能源署（DOE）就开始资助美国国家可再生能源实验室（NREL）进行关于燃料电池客车的实验，并在2004年试运行6辆燃料电池客车。而后在2006年，美国联邦交通管理局（FTA）启动了国家燃料电池客车示范项目（NFCBP）。美国目前正在运行的24辆燃料电池客车，从2014年8月到2015年7月累计行驶了8.3万小时，168万公里。 表1：美国目前运行的燃料电池客车有24辆，主要集中在加州 （来源：公开数据，莫尼塔研究） DOE/FTA及NREL会定时发布燃料电池客车的运行报告，同时也会制定中长期燃料电池客车要达到的技术目标。2015年燃料电池客车的成本和燃料经济性指标，离 2016年目标还有一定距离（表2）。 表2：燃料电池客车2015年部分指标已经达到2016年目标，但和最终目标还有距离 （来源：DOE，NREL，莫尼塔研究） 客车运营商示范项目地点客车总数运行客车数ACTZEBA加州1312SunLineAT FCEB加州11SunLineAFCB(初代）加州11SunLineAFCB加州33其他87合计2624注1：ZEBA:Zero Emission Bay Area Demonstration 注2：AT FCEB:Advanced Technology Fuel Cell Electric Bus注3：AFCB:American Fuel Cell Bus Project单位2014.8~2015.72016年目标最终目标客车寿命年0.25~4.91212行驶里程公里12,700-188,000805,000805,000动力系统寿命小时660-20,00018,00025,000客车可得性%40-928590加氢次数每天11(<10min)1(<10min)客车成本美元2,100,000-2,400,0001,000,000600,000在途事故间隔公里(MBRC) 客车因素导致2,898-10,9485,6356,440 FC系统因素导致14,490-167,44024,15032,200运行时间 每天运行小时小时7-212020 每周运行天数天数5-777维护成本美元/公里0.34-0.830.470.25续航里程公里386-547480480燃料经济性公里/DGE8.95-12.4112.8812.88注1：这里客车寿命的运行数据为0.25~4.9，但实际上客车还未停止使用，还未到寿命结束之时。注3：可得性：表示客车实际使用天数与计划使用天数的比值。注4：成本目标是根据每年400辆的假设制定的，但不代表实际产量。注5：MBRC：Miles Between Roadcall，在途事故间隔英里，本表换算为公里；计算方式为：总行驶里程/在途事故发生次数。注6：RoadCall：在途事故，客车在使用过程中出现故障，导致替换或延误的情况。注7：DGE：Diesel Gallon Equivalent，等效柴油加仑。公里注2：根据DOE，动力系统包括燃料电池系统和蓄电池系统；其中燃料电池系统包括辅助系统，如空气、燃料、冷却和控制系统等，而电子设备、电机、储氢罐等则不包括在内；但是此处的动力系统寿命，只考虑燃料电池系统寿命。 市场 分析 莫尼塔(上海)信息咨询有限公司 2 燃料电池客车还未达到可商业化的阶段 根据DOE的《技术实用性评估指南》(Technology Readiness Assessment Guide）（图1），NREL评估了燃料电池客车的技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL）。 图1： 目前燃料电池技术还处于TRL6/7阶段，还未完成商业化进程 （来源：DOE，莫尼塔研究） 目前美国示范项目中的燃料电池客车，分别由美国不同的客车生产商提供，根据NREL的评估，这些燃料电池客车均处于TRL6或7的水平（表3）。燃料电池客车TRL7阶段相较TRL6而言，示范车辆更多（5~10辆，但还比较分散），且客车生产商开始培训交通局工作人员自行操作和维护客车。而要进入下一个水平TRL8，需要在少数几个地区（如一二线城市）集中运行更多数量的客车（50~100辆），且车辆维护工作可以全面转交给工作人员。处于TRL6~8水平的技术需要不断循环“检验-评估-优化”的过程，直到达到最终水平TRL9后，燃料电池客车便可以像传统客车一样彻底完成商业化。 技术发展阶段技术成熟度定义描述阶段6.应用TRL 9产品可在所有情境下实际运行技术达到最终形式，商业化产品出现，市场成形TRL 8产品完成，通过测试和试运行在少数地区试运行50-100辆客车；维护工作开始转交给交通局工作人员TRL 7在特定环境下进行大规模的检验与TRL6的区别在于客车数量增加且服务时间更长；在特定地区对5-10辆客车进行全面试运行；客车生产商开始对交通局工作人员进行运行和维TRL 6在特定环境下进行小规模的检验1-2辆样机开始投入实际运行；客车生产商协助运营并进行全部的维护工作。TRL 5在特定环境下检验实验室样品在实验室模拟环境中对样品进行检验，部分样机开始在途测试TRL 4在实验室环境下检验零部件和系统系统集成、形成初步样机模型，实验室检验TRL 3分析、检验关键功能对零部件及系统集成的研究开始活跃；开始研究哪些零部件可以达到商业化需求TRL 2发展相关技术应用开始发展可以达到市场需求的技术阶段1.基础研究TRL 1研究基本原理提出FCEB概念，进行初步科学研究阶段5.技术示范阶段3-4.技术发展阶段2.可行性研究 市场 分析 莫尼塔(上海)信息咨询有限公司 3 表3： 燃料电池客车技术处于TRL6或7的水平，还未达到最终商业化的要求 （来源：NREL，莫尼塔研究） 然而，燃料电池客车的关键技术指标，较前几年已经有了较大发展 在燃料电池客车的实测指标中，有几项最为重要：耐久性、可得性、燃料经济性以及可靠性。下面主要以已进入TRL7阶段的ACT ZEBA和SL AFCB项目为例（表4）。 表4： ACT ZEBA和SL AFCB项目中燃料电池客车的技术指标 （来源：NREL，莫尼塔研究） 1）耐久性 主要考虑行驶里程和时间。ACT ZEBA和SL AFCB项目的燃料电池客车从2014年8月至2015年7月，每月平均行驶里程为3967公里，而在2013年和2014年分别为2470公里和3524公里。 而对燃料电池系统，DOE/FTA制定的2016年目标为18,000小时，在15年，这16辆客车中有75%的燃料电池系统已经累计运行了超过10,000小时，平均运行时间为10,102小时。 客车生产商长度(m)燃料电池系统混动系统设计原则TRL蓄电池Van Hool12US Hybrid 西门子ELFA以FC为主7锂电池EIDorado12Ballard BAE系统以FC为主7锂电池Proterra10.5HydrogenicsProterra以蓄电池为主6钛酸锂电池EVAmerica 9.6Ballard 嵌入式动力以蓄电池为主6钛酸锂电池ACT ZEBA SL AFCB交通公司AC TransitSunLine客车数量124客车 生产商Van HoolEIDorado 型号/年份A300L/2010Axcess/2011&2014 长度(m)1212 重量(磅）39,35043,420燃料电池 生产商US Hybrid Ballard 型号Puremotion 120FCvelocity HD6 功率(kW)120150TRL77混动系统（整合）Van HoolBAE Systems蓄电池 生产商EnerDelA123 类型锂电池锂电池 容量(kWh)2111储氢罐 压强(psi)50005000 数量88 容量(kg)4050 市场 分析 莫尼塔(上海)信息咨询有限公司 4 表5：每月平均里程达到3967公里，较去年增加12% （来源：DOE，NREL，莫尼塔研究） 虽然2015