安全性比较
除了上述指标,安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系,从原理上高能量密度和安全性就很难兼容,否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中,能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好,电池温度达到500-600度时才开始分解,基本不需要太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高,但不耐高温,250-350度就会分解,安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池,大幅降低了单个电池漏液,爆炸带来的危险,即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备。并且前期发生的几次事故,虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡,但就事故本身而言,其实都是非常轻微的碰撞,车身也没有收到什么伤害,但电池却着火了,也侧面反映了其安全性上天然的劣势。
燃料电池由于原料氢气易燃易爆,市场普遍担心其安全性问题。但如我们下表的数据,相比汽油蒸汽和天然气这两种常见的车用可燃气体,氢气的安全性并不差,甚至还略好。现在车用储氢装置都采用碳纤维材料,在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露,由于氢气爆炸要求浓度高,在爆炸前一般就已经开始燃烧,反而很难爆炸。而且氢气重量轻,溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起,反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态,锂电池为固态,很难在大气中上升,燃烧都在车舱底部,整车会迅速着火报废。氢气储运环节其实和LNG非常类似,只是所需压力更大,随着商业化推进,其整体安全性也还是可控的。
电池车的成本主要分为整车成本、原料成本、配套成本。目前对燃料电池诟病最多就是成本太高,但用发展的眼光看,随着技术进步和商业化程度提高,其成本下降的空间很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本,其实综合配套成本还高于燃料电池,具体测算如下:
整车成本比较
锂电池、燃料电池和传统汽油车,整车成本的差异主要体现在发动机成本,其他组件差异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右,未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电成本为1200元/kWh,未来有望降至1000元/kWh,45度电动车,电池成本为4.5万元。燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐,现在100kw电池组成本为10万元,预测年产50万台后,单位成本将降至30美元/KW,即2万元。现有储氢罐成本为6万元,未来有望降至3.5万元,总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大,可见整车成本并不是核心问题。
原料成本比较
2L汽油车百公里耗油为10升,5.8元/L的汽油售价,成本为58元。锂电池车百公里耗电量为17度,0.65元/度电成本,成本11元。燃料电池百公里消耗氢气9方,制氢方式主要分为电解水或者化学反应,如煤制氢、天然气制氢等。电解水成本主要是电,平均5度电1方氢气,成本约为3.8元/方,但可以在加氢站直接电解,省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产,国内成本最低的是煤制氢气,约为1.4元/方,北美则可利用廉价的天然气,成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准,百公里原料成本12.6元,和锂电池差别不大。
配套成本比较
加氢站、加油站、充电站成本主要分为土地成本、设备成本、建设成本,差别主要体现在设备成本。加油站基本在300万元,充电站为430万元,加氢站以日本目前的标准预计为1500万元,整体上加氢站成本要高1000万元左右。按照15年折旧,每年销气量1000万方,则折旧成本为0.1元/方。小规模时氢气一般以槽罐车运输,预计运费为0.44元/方,规模扩大后则可采用管网运输,成本会下降至0.23元/方。
虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统,配套成本很低。但如果大规模推广,现有电网的容量冗余基本都将被耗尽,未来必须要大规模扩容。因此充电站本质上是将配套成本外部化给了电网,因此计算其全产业链成本时还要添加电网端的成本。一般商业化运营的充电站至少都要达到1小时快充的标准,对应10个充电桩组成的充电站的功率都要达到600千瓦,相当于上百户家庭的用电负荷,对电网负荷的冲击极大。对应电网需要新增投资120万元来扩容负荷,但每年新增售电量只有93万度,按照0.65元/度购电成本,电网端15年收回投资测算,则售价要在成本基础上增加0.18元/度。
销售端成本测算
加油站的销售网络已经非常成熟,其每小时的利润水平可以作为加注站合理回报的测算基准。对应加氢站每方价差为0.51元,锂电池每度电则为4.9元。该电价情况下,锂电池车基本无法推广。目前国家规定充电站服务费上限为0.4元/度,但其背景是给予了大量补贴。但没有任何产业可以长期依靠补贴来发展,未来如果锂电池的充电效率不显著提升,在加注站这个环节,企业的盈利水平会大幅低于加油站和加氢站。没有合理回报,在目前寸土寸金的大城市,投资者根本没有任何激励去推广充电站,产业自然也无法发展。但锂电池低能量密度过低,如果强行实现高充电效率,电池循环寿命面对的工程挑战就会非常巨大。而且即使能实现3分钟快充,但对应单个充电桩的功率要高达1200千瓦,每个充电站都要配套一个110千伏变电站。其投资高达5000万元,占地5000平米,且周围300米还不能有居民楼,对于现在沿海大城市在操作层面上挑战也很大。
总计成本
综合上述所有成本,汽油车、锂电池车、现阶段和充分商业化后燃料电池车的百公里成本为58、83、23和20元。由于销售价差占锂电池成本比重很高,我们考虑到充电桩设备投资是加氢站的1/3,将其小时利润降至1.4元,综合成本也还有37元,燃料电池车长期成本优势仍然非常明显。其实这所有的根源还在于燃料电池能量密度最高,同等商业化情况下,成本自然具备优势。
新能源车发展的一个重要逻辑就是节能环保,这对我国无疑更为重要。目前我国不但空气污染严重,而且石油进口依存度高达60%,其中85%还要经过美国控制的马六甲海峡,能源安全已成为我们国家安全的最大软肋。因此国家给予新能源车巨额补贴,一个重要原因就是为了缓解对石油的进口依存度。那么下文我们就从节能、环保和资源约束等方面对两者进行比较,具体如下: