零碳货运重卡技术路径分析与展望
欧阳明高ouymg@tsinghua.edu.cn 目录 零碳货运重卡发展背景 纯电重卡 燃料电池重卡 零碳混合动力重卡 1.1零碳货运重卡发展现状 我国新能源乘用车2022年预期市场渗透率超过25%，新能源商用车与乘用车发展不同步： 重型货车电动化率远落后于其他车辆部门，2022年预期市场渗透率约2.5% 1.1零碳货运重卡发展现状 >2017年重型货车保有量仅占全国汽车总量的6.6%，但其碳排放已经达到道路交通行业排放的约40%2022年零碳货运重卡已进入加速发展阶段 要实现碳达峰、碳中和，阶段零碳重卡是重中之重 1.2零碳重卡需求侧分析 零碳重卡需求侧：封闭场景、短倒运输、干线中长途；零碳重卡的需求主要来源于现有车辆更换：十四五期间，每年有50-100万辆重卡更换需求， 1.2零碳重卡需求侧分析 重卡日均出行里程：不同场景下的里程需求具有差异。htips:/www.finra.org/sitesidefault/files/2020-08/Securiry_Futures Risk Disclosure_Stateiment 2020.pdf for a copy of the Security Futures公路货运：2020年单车日均出行里程为305km；钢铁厂运行：燃油重卡日行里程分布在90、230、430km等多处 燃油车日行驶里程分布较为分散，在90km、230km.430km等多处呈现峰值零排放车日行驶里程呈现较为典220km处呈现峰值 >2020年，单车日均行驶里程在257-356公里之间全年均值为305公里。 1.3零碳重卡技术路径国际趋势 美国（加州）：商用车大规模快充及超级充电 >2030年加州达到18万中重型零排放车辆目标；研究表明需要157.000个直流快速充电桩 开发多端口1MW+、并网在车队仓库为中重载货车充电的策略和技术(NREL, ORNL, ANL) 1.3零碳重卡技术路径国际趋势 欧盟：高速充电网络+氢燃料电池重卡 欧美政府承诺2030年零排放货运卡车销量占销售总量的30%，2040年占100%>德国：2023-2026年选择技术路线，2026年开始按照技术路线，大规模布置加氢站/充电站基础设施 德国三种技术路线： 短途和长途BEV、氢燃料电池、有缆混动(Overheadhybrid） 1.3 :零碳重卡技术路径国际趋势 欧盟：高速充电网络+氢燃料电池重卡 纯电重卡发展的关键在于高速充电网络 燃料电池货车市场份额-2030年1%，2050年35%；22025年计划假设750座加氢站 and its sector peers. The four key attributes depicted are: Growth, Financial Returns, Multiple (e-g. valuation) and Integrated (a composite of Growth,纯电重卡基础设施建设：跨欧洲运输网络（TEN-T）(2021发布） 9条主要运输走廊和链接走廊的88个主要城市节点；确定最低充电量和最大充电站间距自标 企业驱动基础设施建设范例： 沃尔沃集团、戴姆勒卡车公司和TRATON集团签署欧洲高性能充电网络合资协议 1.3零碳重卡技术路径国际趋势 三本：强调氢能燃然料电池汽车技术在重型卡车领减的应用月（2019.3） 》重型卡车、铁路、船舶、建筑机械（液压挖掘机）、农业机械（拖拉机）和工业机械（叉车） >面向2030年的共同性能目标，关注实现目标所需的催化剂、电解质和其他材料的材料特性、以及技术发展挑战 1.4零碳重卡技术路径中国模式 目录 零碳货运重卡发展背景 纯电重卡 燃料电池重卡 零碳混合动力重卡 2.1纯电重卡发展的关键在于补能技术路径 政策支持： 2.1纯电重卡发展的关键在于补能技术路径 电动重卡补能模式 场景：专线运输、区域短倒.. 关键因素：经济性、技术标准、电网供电、场景.... 2.2纯电重卡充换电模式比较分析 车辆侧： 电车相比于油车附增电池成本超充电池配置成本高于快充。电车能耗成本和维修成本低于油车，且无需购置税。 2.2纯电重卡充换电模式比较分析 车-站综合吨公里成本：反映车-站整体系统在单位里程、单位货运量的综合成本 其中:VCev/dieselEXvehEX.吨公里电池投资成本：SACLFaMLay Ndry MaChat 计算模型 2.2纯电重卡充换电模式比较分析 车-站综合吨公里成本比较 按150万km寿命计算，由于油电差价大于电池投资成本和充电时间成本之和，换电重卡的综合吨公里成本低于柴油重卡·换电相比于快充和超充：补电时间最短，吨公里车辆运行成本最低 ·站利用率为50%和80%，换电模式下站投资和电池投资吨公里成本下降，车站总吨公里成本最低 2.2纯电重卡充换电模式比较分析 最优补电里程间隔比较 吨公里车站成本随补电间隔的增加呈现先减小后增加的趋势，存在最优补电间隔 2021年，超充、换电和快充分别在补电间隔<80km、80-248km、>248km情况下具有经济性优势：2021年，换电模式最优补电间隔为156km，随着电池性能的提升，2025、2030年最优补电间隔延长。 2.2纯电重卡充换电模式比较分析 合理的站利用率比较 站利用率在43%左右为快充和快换经济性的分界；换电模式在站利用率高、平均车辆运行速度较高时是电动重卡的最佳补能模式随着电池性能提升，2025、2030年换电模式最优区域扩大，临界利用率降低。 2.2纯电重卡充换电模式比较分析 鄂尔多斯换电重卡示范运营经济性调研 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 智锂物联轻量化高耐久车载换电系统：重量最轻(比现有系统轻20%)、锁紧力最大(10KN) 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 换电运营平台站点运维调度平台司机交互移动端用户优化调度充电优化调度电池优化调度 成本降低15%电池智能检测调频服务响应直流微网构架双向能量管理动态功率分配 大数据安全预警大数据故障预警用户滥用报警.充电设备滥用报警车辆滥用报警 电池体检电池资产状态监控电池衰减评估电池寿命预测投资收益测算 初始投资降低32%单站服务能力提高50%电池投资收益提高5%车辆能耗下降5~10% 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 基于云控电池管理的智能运维系统 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 推动龙头企业互换性换电合作，开展互换性运营示范 宁德时代+智锂物联 启源芯动力+智锂物联+玖行 顶吊侧换兼容互换示范 兼容互换合作 促成国内首个换电系统互换性产品合作 对整个行业互换性和产业推动具有风向标级别的意义，加速换电领域互换性标准化产品验证和产业推广的速度和进程。 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 光－储-充-换一体化互补型智慧能源系统电动汽车时代的”加油站 2.3换电重卡纯电动力系统研发及产业化 全球首个 2.4中国纯电重卡技术路线图 目录 零碳货运重卡发展背景 纯电重卡 零碳混合动力重卡 3.1燃料电池重卡应用场景特点 燃料电池重卡场景特点：+长里程、大功率、低成本、高效率、长寿命 以美国为例，每年行驶里程达到5.7万英里（每年约9.1万公里）燃料电池重卡适用于中长途运载场景：短途（<500km)-换电重卡、长途（>1000km)-城际交通 3.1燃料电池重卡应用场景特点 燃料电池重卡场景特点：长里程、大功率、低成本、高效率、长寿命 3.1燃料电池重卡应用场景特点 燃料电池重卡场景特点：长里程、大功率低成本、高效率、长寿命 3.2国内外发展现状 美国氢经济路线图中规划，到2030年燃料电池重卡占重卡总销量的比例为7%-14%，数量约5-10万辆，而到2050年这一比例将达到15-42% 欧洲氢能路线图规划：到2030年燃料电池重卡和公交车总数量将达到4.5万辆，燃料电池重卡占重卡年销量的比例将超过1%；而到2050年，这一比例将超过40% 3.2国内外发展现状 氢燃料电池商用车是中国特色和优势，与10年前的纯电动轿车类似，正在引领国际潮流。 3.2国内外发展现状 3.2国内外发展现状 3.2国内外发展现状 3.2国内外发展现状 中国氢能基础设施建设进展概述 据不完全统计，截止2022年6月加氢站保有量超过260座。主要分布在环渤海地区、珠三角、长三角、华中、西南等地区。 3.2国内外发展现状 3.2国内外发展现状 难点 气氢（35/70Mpa）优势：技术相对成熟、成本较低劣势：储氢重量比偏低、运输成本高、加氢成本高 液氢技术优势：运输、加氢成本低劣势：液化成本高、总体成本高，产业链相对不成熟 注：一辆重卡平均耗氢10吨/年（按10kg/100km，10万km/年计算），全球当前液氢产量20万吨/年，仅够2万辆液氢重卡车 3.2国内外发展现状 现有物理储运方式比较：储运压力提升到500BAR，管束车运输具有成本竞争力 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 清华-亿华通燃料电池制备和集成 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 2022年冬奥会投放氢燃料电池汽车1200台，累计运行里程375余万公里，减碳2700吨 北京202年冬奥会和冬奥会组职委员会 北京202年务美会积冬民员会职委员会 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 清华培育出科创版上市公司，中国氢能第一股亿华通科技公司 2015年，控股上海神力科技，建立燃料电池电堆工厂：2.2017年，在张家口建设万台级燃料电池发动机厂：3.2017年在加拿大温哥华成立海外研发中心；4.2019年，建立上海亿氢，布局膜电极厂；5.2019年，在张家口建设国内首个万吨级风电制氢厂6.2020年，与丰田建立燃料电池发动机联合研发中心；7.2020年，与丰田联合设立华丰商用车燃料电池系统公司；8.2021年，建立北京国际氢能中心（有限公司）9.2021年，投资思伟特，布局电解水制备绿氢业务：10.2022年，筹建国家氢能产业创新中心和包头-鄂尔多斯-张家口-北京氢走廊 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 亿华通全球首款200+kW单系统车用燃料电池发动机 高功率 高经济 高集成 快响应 额定功率：240kW峰值功率：240~260kW 质量功率比密度：820W/kg尺寸：1150×850×860mm 平均发电量：18.2kWh/kg(H)效率大于50%占比：85% 加载速度：9s内响应峰值降载速度：64kW/s 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 全球首款长续航、高功率燃料电池重卡，为干线物流电动化提供零碳解决方案 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 1000公里液氢燃料电池重型卡车开发 搭载亿华通YHTC150kW大功率燃料电池发动机，可实现100km/h连续运行；液氢系统储氢密度达9% 3.3清华氢燃料电池商用车研发与产业化 海德氢能站内制氢能够有效降低用氢成本加速商业化 在目前异地制氢不能充分利用低电价的情况下，就近制氢将大幅降低运输成本站内制氢部分减少站内高压储氢需求，有益于提升整站的安全性通过打通制-压-储-加-用全链条信息流，实现整站智慧化管理，进一步提升经济性 3.4中国燃料电池重卡技术路径分析 高效率、长寿命、大功率燃料电池发动机 难点 各项性能指标相互耦合如何在提高功率、效率的同时，同时提升寿命？ 思路 降低电堆阻抗、降低附件功率，提升系统功率>60%提升实际装车功率，降低实车工况负债率，进一步提升实车工况效率，最终将整车氢耗降低到8-