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本白皮书回答了行业高管和外界人士最关心的问题—燃料电池汽车的商业可行性如何，以及它们对环境的影响如何?

我们采取了自下而上的总拥有成本分析法(“TCO”)，对美国、中国及欧洲的氢能源车进行了跨度长达13年的深入分析。

通过我们的TCO模型测算，年燃料电池车的每百公里总拥有成本约比纯电动车及燃料车分别高40%及90%左右。从购买成本看，较高的燃料电池系统价格及因为缺乏规模效应导致的零部件成本加价是购买成本较高的主要原因;从运营成本来看，较高的氢气价格是当前运营成本高昂的主要原因。

然而，预计到年，燃料电池车的TCO将会开始低于纯电动车，到年，燃料电池车TCO将会开始低于燃油车。总体来看，我们预计未来10年内燃料电池车TCO将会降低50%，燃料电池系统及氢气价格下降是主要驱动因素。其中燃料系统成本预计到年将下降超过50%。燃料电池系统成本下降空间较大，主要是因为当前燃料电池系统价格高企是由于高技术门槛和高制造成本导致的，而不是由于原材料成本较高导致的。

当前有很多观点认为燃料电池价格较高的原因是使用了铂金作为催化剂，但实际上，铂金的成本在燃料电池系统总体成本中占比不到1%。与之相反，锂电池的金属材料成本如锂和钴则在电池总体成本中占据了很大比例。因此，技术进步及大规模生产可以驱动燃料电池系统价格显著下降。

运营成本方面，其下降的主要驱动因素是氢气价格，受益于更多的可再生能源将用于氢气生产(目前由可再生能源生产的氢气占比还不到5%)及相关运输及存储技术的提升，预计氢气价格将在美国、中国、欧洲等国家和地区均明显下降。

燃料电池简介

1.1什么是燃料电池

广义上来讲，燃料电池是通过化学反应，将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为电能的装置。最近，燃料电池这个词几乎被专门用来形容以氢作为燃料的反应堆。

如图1所示，燃料电池反应原理如下：氢气首先进入燃料电池的氢电极（称为阳极）（步骤1），然后氢气与覆盖在阳极上的催化剂反应，释放电子形成带正电荷的氢离子（步骤2），氢离子穿过电解液到达阴极（步骤3）。然而，电子不能通过电解液，相反，电子流入电路，形成电流，产生电能（步骤4）。在阴极，催化剂使氢离子与空气中的氧结合形成水，水是燃料电池反应中的唯一副产品（步骤5）。

燃料电池可以简单的根据电解液的不同分为几种不同的类别，主要的燃料电池类型包括：质子交换膜燃料电池（“PEM”），碱性燃料电池（“AFC”），磷酸燃料电池（“PAFC”），固体氧化物燃料电池（“SOFC”）以及熔融碳酸盐燃料电池（“MCFC”）。图2对不同燃料电池进行了对比。PEM目前是处于商业化最前沿的燃料电池，因为PEM可以在50-摄氏度下运行，启动时间较短，同时对氧化剂要求较低，空气就可以作为其氧化剂来源。这些特性使得PEM成为汽车能源的理想解决方案，并且使得PEM从20世纪90年代开始得到了快速发展。

氢燃料电池可以被广泛的应用于各个场景中，主要的应用可以被分为3类：交通、固定电源及其他（图3）

1.2燃料电池及燃料电池车发展历史

燃料电池并不是一个新产物，最早的燃料电池可以追溯到年，是由威尔士科学家威廉·格罗夫发明出的原型12。然而燃料电池车首次成为焦点是在20世纪70年代—石油危机推动了氢燃料电池在汽车上的应用14。在接下来的几十年，不同国家和地区的科学家为了推动燃料电池车的发展做了不懈的努力14。在多年的研发投入下，丰田在年推出了全球第一辆商业化的燃料电池车。在此之后，燃料电池车在公众眼中不再是一个只存在于实验室中的车型，而是驱动未来汽车变化的主要技术之一。从年开始至今，中国、美国、日本及欧洲的一些国家开始着力于推动氢燃料电池技术的发展14。图4列举了关于燃料电池及燃料电池车的发展简史。通过政府政策鼓励、技术进步及产业参与度提升等多方面的投入，燃料电池的应用已经进入了一个黄金时代。

1.3不同国家及地区的氢燃料及燃料电池发展情况

与大多数先进技术一样，燃料电池技术在初始研发时对政府的政策依赖较高。中国、美国、欧州、日本等国家政府出于不同的原因，都不同程度出台了相关政策及鼓励措施，促进了燃料电池产业的发展，并在燃料电池核心技术研究上进行了大量投资。上述国家对燃料电池的发展制定了补贴政策和中长期战略规划，通过对各国政府政策及产业发展的分析，可以获得各国氢燃料及燃料电池的政策端启示。图5对每个国家的氢燃料相关政策重点进行了概括，我们将在后续的文章中进一步详细讨论。

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燃料电池车应用概述

2.1：燃料电池车的基本部件

如图11所示，与大部分现代化汽车一样，燃料电池车由四个基本模块组成：动力系统、底盘、汽车电子系统和车身。动力系统通过燃料电池系统和电动机为汽车提供动力。这种能量来源于氢，氢储存在车辆的压力罐中。燃料电池堆将这些能量转化为电能，并由电池作为辅助一同驱动电动机。这与纯电动车的原理没有太大不同，但是燃料电池车的电池容量要小得多。因为纯电动车的电池用于储存驱动汽车所需的全部能量，而燃料电池车只需使用电池来辅助稳定燃料电池的输出功率：在功率需求较低时吸收额外的电力，在功率需求大时释放电力。

从理论上讲，纯电动车具有更高的能源效率，正如我们将在第4节中讨论的那样，但是过大的电池重量降低了这种优势，特别是对于长途运输用的重型车辆。纯电动车必须为每多行驶一英里增加更多的电池容量，从而给车辆增加额外的重量。比如在特斯拉的电动重卡模型中，预计其电池重量可以达到4.5吨。而燃料电池车就没有这样的问题，因为其所携带的氢气质量远小于同等能量所需的电池质量。这是因为氢具有更高的比能—大约MJ/kg，而电池的比能是5MJ/kg。

除了动力系统，车辆的其他部件基本上是相同的。车辆底盘包括传动、转向、制动和行驶系统。车辆电子系统主要由底盘控制系统，安全系统和车辆电子产品比如信息娱乐/通信，高级驾驶辅助系统（“ADAS”）以及传感器等构成。最后，车身包括车身主体、座椅和内饰。

在燃料电池车中，燃料电池系统由燃料电池组和辅助系统组成。如下图12所示，燃料电池堆是核心部件，它将化学能转化为电能为汽车提供动力。燃料堆的详细原理已在第1节中说明，因此这里不再赘述。

燃料电池系统除燃料电池堆外，还有四个辅助系统：供氢系统、供气系统、水管理系统和热管理系统。供氢系统将氢从氢气罐输送到燃料电池堆；由空气过滤器、空气压缩机和加湿器组成的供气系统为燃料电池堆提供氧气；水热管理系统采用独立的水和冷却剂回路99来消除废热和反应产物（水）。通过热管理系统，可以从燃料电池中获取热量来加热车辆的驾驶室等，提高车辆的效率。

燃料电池系统产生的电力通过动力控制单元（“PCU”）传到电动机，在电池的辅助下，在需要时提供额外的电力。

如图13所示，燃料电池车与其他车辆的主要区别在于动力系统。所有其他零部件本质上是相似的，因此这里没有突出显示。

燃料电池车和纯电动车通过电动机将电能转化为动能，而汽油和柴油车在内燃机中将燃料燃烧产生的热能转化为动能。

燃料电池车和纯电动汽车的主要区别在于电的来源。与燃料电池车不同的是，纯电动汽车的全部能量来自其电池组，电池组在充电站进行外部充电。

2.2：燃料电池车，纯电动汽车和燃油车在不同车辆类型中的应用

如前所述，燃料电池车由于其简单性和灵活性而具有广泛的应用场景。燃料电池车和电动车都是为了促进零排放和可持续交通系统所采用的传统燃油车的替代方案。如图14所示，许多国家都出台了禁止燃油车的政策。使用燃料电池车和电动车这类的清洁能源汽车已经成为不可否认的未来趋势。

与燃料电池车相比，纯电动车的开发和应用在大多数场景中更加成熟，但由于电池重量和续航里程问题而受到限制。

如图15所示，纯电动车的真实环境续航里程通常比其官方公布的实验路况下的续航里程有较大的折扣。电池性能也容易受到外界环境的影响，如图16所示，低温对续航里程影响较大。

此外，燃料电池车提供了与传统燃油车类似的加油体验—不需要充电站基础设施，而这种充电站基础设施在住宅区和高速公路沿线是很难实现的。纯电动车及其充电站基础设施的全面商业化将对电网系统产生影响。英国国家电网预测，到年，电动车的电力需求将在45太瓦时左右，约占全国电力需求的10%。

自本世纪初以来，不同类别的燃料电池车已经开始逐步进入了原型设计和生产阶段，经过政府和业内人士多年的努力，现在几乎所有车辆类型都有燃料电池车的产品或原型（图17）。对于乘用车而言，燃料电池车已经可以进行商业化应用了，但由于加氢基础设施有限，且购置成本高，因而当前使用率仍较低。在商用车领域，叉车、公交车、轻型和中型卡车一直处于燃料电池商用车应用的前沿。

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总拥有成本分析

3.1TCO模型分析框架

对新技术来说，深入探讨其商用可能性是非常必要的。我们建立了燃料电池车、纯电动车及燃油车的TCO（总拥有成本）模型，以量化并对比不同车型的成本，测算燃料电池车的经济效益。在我们的TCO模型中，我们采用了自下而上的极细颗粒度的建模方法，通过分析具体到每一个组件的成本来构建一辆汽车的总成本，如2.1节所示。除此之外，我们还考虑了燃料成本、维修费用，及充气/充电设施建设费用等运营成本。这个框架确保了分析结果在不同领域和不同应用场景下的高度适用性。我们在图23中对TCO模型的框架进行了详细阐述。

我们的TCO模型是从车辆运营者的角度进行分析，之所以要进行如此深入的TCO分析，是为了从车辆制造和运营的角度，准确地了解是哪些组件在推动当前和未来的成本。一旦弄清楚成本结构及关键部件的成本变动后，我们就可以将这个TCO模型应用到不同的运营商及商业模型中，如物流车车队（案例1）、港口运输运营商（案例2）、及城市公交车运营商（案例3）。模型中关于费用组成部分和未来趋势的总框架将保持不变，以便在个案研究中进行比较。为了提供一个广泛且公允的比较，我们的TCO模型分析框架：

提供了美国、中国、及欧洲*三个地区的不同情景分析

提供了历史数据（过去3年）及未来预测（未来10年）

TCO分析框架中没有将各个地区的补贴计算在内（车辆购买、基础设施、及燃料补贴均没有考虑），但在本节案例分析部分，我们将补贴包含在了特定的案例应用中

假设整车生产商的毛利率恒定，由于燃料电池车及纯电动车的规模小于燃油车，我们为燃料电池车及纯电动车增加了由于缺乏规模效益而造成的额外成本。这一假设是基于我们和整车和零件生产商进行的深度访谈。除了动力系统，车辆的其他组件（如底盘、车身、座椅等）在燃料电池车、电动车及燃油车中是相似的，但在尺寸上有微小变化，这导致可能需要不同的模具来制造，使得单个部件价格可能相差数百倍。一辆车的组成零部件可能有数千个，因此很难确定哪些部件是相同的，哪些部件是相似，但需要进行微小修改的，同时不同整车厂商及客户可能也会对各个零部件有个性化需求。当从整车的制造及零售角度考虑的时候，可以发现燃料电池车及电动车由于生产数量有限，零部件缺乏规模效应，而造成整车的制造成本显著高于燃油车。因此我们假设当前燃油车已经实现完全的规模效应，将燃油车的制造成本作为比较基准，假设未来10年内，燃料电池车除动力系统外的其他零部件可以实现完全规模效应。

图23提供了TCO模型的分析框架，为了方便对不同车型进行对比，我们选择12米长的公交车作为研究对象，公交车车队规模为辆，每辆车日均行驶公里。总拥有成本由购买成本及运营成本构成。在购买成本中包含了毛利、动力系统及其他组建模块。对于燃料电池车及电动车，我们额外增加了由于缺乏规模效益而造成的成本加成。运营成本主要由燃料费用、基础设施成本、维修成本、重要零部件替换成本及保险费用等构成。在这个TCO模型中我们假设运营者需要承担加氢站建设成本（实际运营中加氢站应当会由其他相关方建造，车队运营者可能不需要承担加氢站成本）。同样，我们假设纯电动车需要在终点站建造专属充电站及在站点间建造部分临时充电桩。

3.1.1美国TCO分析结果

3.1.2中国TCO分析结果

3.1.3欧洲TCO分析结果

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3.1.4不同国家及地区燃料电池车TCO分析结果对比

尽管燃料电池车TCO的整体下降趋势在三个国家及地区是类似的，但由于主要成本项的价格不同，导致了年燃料电池车TCO结构及未来TCO下降速度有所差异。虽然我们已经对各个国家及地区的TCO情况清楚的解释三个国家及地区燃料电池车的结构差异，我们将三个国家及地区年燃料电池在前文进行了详细的说明，但为了更加车TCO情况通过图39-41进行了对比。

在年中国氢燃料公交车TCO是最低的，主要受益于较低制造成本降低了购买价格。在运营成本方面，由于氢气价格及零部件替换成本（燃料电池系统）较低，欧洲氢燃料公交车运营成本最低。中美以及欧洲的总体运营成本相近，但结构有所不同，中国的零部件替换成本相对较高，但较低的加氢站成本及因为车价低而较低的保险费用缩小了中国与欧洲运营成本方面的差距。

由于零部件、劳动力成本较低，且车辆寿命较短，中国公交车的购买成本在三个国家及地区中最低。而由于美国公交车保修期较长，并且美国政府通过“购买美国货”战略鼓励购买本土整车厂商的产品，使得美国的氢燃料公交车成本在三个国家及地区是最高的。

从运营角度来看，三个国家及地区不同的氢气成本是导致运营成本差异的最重要原因。此外加氢站成本在不同地区也有所不同。如在中国加氢站硬件成本较低使得加氢站成本整体较低。

除了关键成本项的价格区别，不同地区的车辆使用年限也不同。美国及欧洲的公交车运行年限一般为12-16年，而中国公交车一般运行8年就需要报废。车辆寿命的不同对百公里购买成本及零部件替换成本影响较大，使得TCO未来变动曲线有所不同。

图42中的关键成本项对比是为了给不同区域车辆的TCO差异提供一个对比示例，显然不同省市、不同运营模式及不同车辆类型也会对TCO造成较大影响。在本文中，我们将使用3个燃料电池车案例分析，来示例TCO模型如何应用到实际运营中。

案例分析1—物流车

氢车熟路（“氢车熟路”）成立于年7月，是中国的一家新兴初创企业，专注于燃料电池物流车市场。图43展示了氢车熟路创立以来的里程碑。尽管成立时间不长，但该公司已是全球最大的燃料电池物流车辆运营商之一。

该公司于年成立时，中国的氢能源市场尚未很好地建立，氢燃料电池车价格高昂，加氢站数量极少。但是，氢车熟路坚信燃料电池车是物流的未来，尤其是在人工智能和大数据驱动的集中运营的情况下。为此，氢车熟路的创始人通过向东风集团购买了辆燃料电池物流车*，大胆地进入了市场。

氢车熟路专注于建立行业联盟以促进氢燃料电池车的更大规模应用。氢车熟路的原始股东是燃料电池车产业链中的主要参与者，包括中国领先的燃料电池系统公司重塑科技以及拥有储氢和氢气运输技术的上市公司富瑞特装。年，氢车熟路引入了另一家制氢业公司-法国巨头液化空气集团和私募基金公司春阳资本作为股东。该公司保持其发展势头，计划年在深圳地区推出另外辆燃料电池车，并计划在年之前投入2,-3,辆燃料电池车。

在案例分析中，我们使用了具有类似性能的物流卡车作为分析对象。详细的参数对比如下图44所示。

上海是中国领先的燃料电池应用城市之一。目前上海有三个加氢站，分别位于嘉定、奉贤和江桥，如图45所示。此外，随着上海继续扩建其加氢基础设施，有13个加氢站正在选址阶段。作为周边地区重要的物流枢纽，一大批物流企业围绕这一地区建立了物流中心和仓储网络。一套完整的加氢基础设施网络将有助于推动城市向绿色交通解决方案发展。

从图中可以看出，氢车熟路在年建造的加氢站处在另外两个现有加氢站中间的战略位置。

由于氢车熟路的业务还处于起步阶段，所以氢车熟路在商业模式上尽量保持灵活性，以吸引更多的客户，包括京东、阿里巴巴、申通物流、宜家等。总的来说，氢车熟路的商业模式可以分为三种类型：自营物流、直接租赁和间接租赁（图46）。我方在这三种模式中做下列的收入模式假设：

在第一种模式中，氢车熟路承担所有与为客户运输货物相关的成本，包括车辆，以及驾驶员和燃料成本等运营成本。客户为每笔订单向车队运营者支付-元人民币（约合43-50美元）的固定费用，具体价格取决于旅行距离和装载量。

第二种模式是直接租赁，氢车熟路将燃料电池车直接租赁给有物流需求的客户。在这种模式下，行业内每月每辆车一般收取5,-6,元（-美元）。客户配备司机，自行完成送货。客户还承担日常运营成本（即司机工资和燃料成本），但氢车熟路为客户提供燃料补贴，确保客户承担的氢燃料成本与每百公里柴油成本持平。此外氢车熟路还为车队支付维修和保险费用.

第三种模式是间接租赁，从氢车熟路的角度来看，与第二种情况基本相同。唯一不同的是，氢车熟路将车辆租给第三方物流供应商，然后由第三方物流供应商为最终客户提供物流服务。

在这三种商业模式中，运营者保持与电动车和燃油车辆的市场价格一致，以建立市场占有率和认知度。客户把成本和服务质量放在首位。虽然京东等大客户会考虑社会和环境效益来选择燃料电池车，但这通常不足以抵消成本的增加。因此，氢车熟路选择自己承担燃料电池车的附加成本，而不是在公司现阶段将其转嫁给客户。

以上三种商业模式可以通过假设的氢车熟路为某电子商务运营商提供服务的场景来说明（图47）。该电子商务运营商也有灵活的商业模式，一方面为其他卖家提供电商平台，另一方面也通过自营的电商商城和自有仓库销售部分商品。

基于目前收入和成本构成的假设，我们根据上述商业模式中的自营和租赁模式，计算了氢车熟路每运营公里的TCO和毛利率。从氢车熟路财务的角度来看，租赁给终端客户或租赁给第三方物流供应商是相同的。模型中收入、TCO及毛利是基于氢车熟路商业模式、行业对标、及我们TCO基础模型进行估算出的结果，并不代表氢车熟路的实际运营结果。

下面的图48和图49显示了自营模式和租赁模式每百公里收入和成本的细分，以及按美元每百公里作为单位调整的相关购买成本和运营成本。总体而言，燃料电池车与电动车和燃油车辆相比，其高成本是由购买成本、燃料成本、维修费用、保险和加氢站成本等综合因素造成的。

可以看出，在自营业务模式下，燃料电池车及电动车都是可盈利的，而在使用租赁业务模式时，燃料电池车和电动车均不盈利。这种自营模式的盈利能力，主要是由于其每公里产生的营运收入高于直接出租物流车辆产生的收入。尽管如此，使用燃料电池车能够实现盈利这一事实对于燃料电池行业的持续发展和商业化来说依然是一个重要的积极信号，同时也表明氢燃料电池自首次用于交通出行领域以来已经取得了长足的进步。

在我们的预计中，氢燃料电池物流车运营商选择了与燃油车辆相似的市场定价，并且为了促进燃料电池物流车的应用而承受了一定的运营损失。但需要注意的是，由于潜在的成本扣除项目和其他使用燃料电池物流车无法量化的优势，业务仍然有提高盈利的余地和空间。

首先，购买成本有很大的下降空间。假设运营商以每辆万元的价格购买了辆氢燃料物流卡车，其中燃料电池系统和油箱的成本占了近50%。我们预计随着技术的进步和燃料电池车产量的增加，燃料电池系统的生产将达到规模经济，到年燃料电池系统（包括油箱）将比最初购买时的成本下降70%。事实上，与年相比，年燃料电池系统的成本已经下降了30%。

此外，与3.1节所述的原因类似，燃料电池物流卡车中除动力装置之外的部分目前有很大的零部件成本加成。随着燃料电池车的规模经济的改善，预计这部分加成在未来还会下降（图50）。

基础设施成本也有下降空间。如前所述，上海只有3个加氢站，这限制了燃料电池卡车的服务范围。在我们的估计中，加氢站成本在自营模式下占运营成本的3%左右，在租赁模式下占6%左右。我们估计，基础设施成本在未来也将大幅下降。

除了以上不同车辆类型之间的TCO对比之外，使用燃料电池物流卡车还有其他无法量化的优势，如图51所示。

首先，由于燃料电池车和电动车没有排放，地方政府已经出台政策鼓励新能源汽车的发展。事实上，在重点防治大气污染的地区，新能源汽车占服务业车辆的比重有望达到超过80%66。使用新能源车还包括其他好处，如费用减免以及更多道路使用权66。此外，在上海，物流卡车在进入城区时都有严格的许可证制度，以减少污染，缓解拥堵。只有5%的燃油卡车有这样的许可证，而根据行业专家的反馈，有20%的氢燃料电池卡车有这样的许可证，并且其目前正在与市政府进行谈判，将燃料电池卡车的许可证率提高到%。虽然我们可以认为，并不是所有的卡车和线路都需要许可证,但是拥有许可证对于车队运营，规划行驶路线等而言无疑都是有利的（比如不用绕过城区从城市一端到另一端）。

对于内燃机交通工具来说，由于它的高排放量，因此有被替代的风险。自0年以来，国家排放标准已经更新了6次，每一次都更加严格。最新的草案还提到加速淘汰低于国家排放标准的柴油卡车，并在部分城市试点零排放区域。为了促进新能源汽车的发展，一种“双积分管理制度”已被应用于乘用车生产。这是指向新能源汽车的生产给予正积分而向燃油车的生产给予负积分8。该系统将来也可能应用于商用车。

基于当前的TCO，我们利用各种行业专家资源，进行了一系列推演来预测未来10年每个成本组成部分的趋势。不过正如我们之前提到的，估算结果主要是基于模型中的关键性假设，并不代表氢车熟路的实际运营情况。

图52和53分别为自营模式和租赁模式的预测结果。可以看出，到年，由于燃料电池卡车生产的规模效应，燃料电池系统和其他部件的价格预计将迅速下降，这将有助于自营模式的利润率迅速上升。到年，毛利率将上升到较为健康的53%水平，超过纯电动车。在年左右，我们估计燃料电池物流车辆的毛利率将超过燃油物流车辆。

租赁模式下，未来几年燃料电池车商业可行性的积极趋势更加明显。事实上，在年左右，使用燃料电池车运营的毛利率会高于电动车,并由负变正。随着采购价格的下降，我们预计年左右燃料电池车的毛利率将超过燃油车。

还需要注意的是，虽然我们将燃油车辆放入了对比中，但是基于我们在定性对比中提到的燃油车的替代风险，燃料电池物流卡车和电动客车可能成为未来的主流车辆。随着来自多个方面的压力上升，运营商极有可能逐步淘汰燃油车辆。

这些结果证明，在不远的将来，使用燃料电池车的物流运营商在中国市场将有巨大的机会。因此公司在这一领域大举投资也就不足为奇了。如上所述，燃料电池车辆的非量化优势进一步增强了其潜在的商业可行性。

3.2.2案例分析2—港口重卡

洛杉矶港和长滩港都属于大洛杉矶地区，并组成了圣佩德罗湾港口综合体，该综合体处理的每艘船的集装箱数量超过世界上任何其他港口综合体。近40%的进入美国的集装箱货物通过长滩港（“POLB”）和（或）洛杉矶港（“POLA”）。洛杉矶港和长滩港也是燃料电池港口重卡应用的先驱，并通过各种测试和试点项目成为创新的灯塔。图54显示了港口重卡在洛杉矶港和长滩港口应用的主要里程碑。

年4月，丰田在洛杉矶港和长滩港推出了氢燃料电池卡车测试项目“ProjectPortal”。这项研究是由丰田汽车北美公司、洛杉矶和长滩港、加州能源委员会和加州空气资源委员会合作完成的。自年以来，丰田已经在洛杉矶和长滩的港口地区测试了其第一代8级燃料电池港口重卡，行驶了近1万英里。

年7月，丰田展示了第二代8级燃料电池港口重卡ProjectBeta，并于秋季发布投入使用。Beta版的特点是增加了储氢能力，将续航里程延长了约50%，即从英里延长到了英里。此外，Beta版的发布从概念验证转向了以商业化为目标的实地测试。

年第四季度，作为“从海岸到仓库”项目的一部分，由丰田和肯沃斯生产的10辆燃料电池重型卡车将开始服务于洛杉矶和长滩的港口。该项目由丰田、肯沃斯、洛杉矶港、壳牌、UPS、南海岸空气质量管理区合作推进，还包括由加州空气资源委员会提供的4万美元资金。除了将投入使用的10辆卡车，年还将建成2个加氢站。在年之前，这些卡车将使用长滩的加氢站，距离长滩港10分钟，距离洛杉矶港20分钟。

另一个名为“ZECAP”的项目也在洛杉矶港启动，该项目由GTI管理，GTI是一个致力于解决全球能源和环境挑战的领先机构，同时部分资金由加州空气资源委员会提供。该项目旨在验证零排放燃料电池混合动力港口重卡在现实世界中的商业可行性。两辆燃料电池混合动力港口重卡将在年3月左右投入使用。洛杉矶港的集装箱码头和装卸运营商TraPac将负责运营。

在这些试验项目中使用燃料电池港口重卡为清洁能源提供了新的可能性。一方面，它展示了燃料电池港口重卡在未来的大规模使用由于其零排放的特点将对空气质量带来怎样的改善。另一方面，燃料电池技术在港口运输试验中积累了重要的运行数据，有利于在其他商用车上的应用。这是燃料电池车如何被利用最好的例子，在未来有广泛应用的潜力。详细的参数对比如下面的图55所示。

如图56所示，在洛杉矶和长滩的港口，那些港口重卡基于行驶距离有三种任务模式：码头范围运营、当地运营和区域性运营46。由于港口中各模式下的行驶距离相对于其他重型卡车的行驶距离都较短，因此港口中转是燃料电池港口重卡应用早期较为合适的使用场景。所有三个工作模式都在燃料电池重卡的最大续航里程（公里）之内。

目前，10辆燃料电池港口重卡将由4家物流服务公司拥有。如图57所示，丰田物流服务公司将运营4辆卡车。UPS快递将拥有3辆，道达尔运输服务公司将拥有2辆，而南郡快递公司将拥有1辆。一般来说，物流服务提供商从原始设备制造商那里购买车辆，并雇佣司机组成自己的车队，然后从有港口物流需求的客户那里接受订单（图58）。我们假设这些燃料电池卡车的商业模式将类似于在本案例中使用传统动力系统的卡车。

我们在图59中估计了年不同类型的港口重卡每百公里的TCO。主要的几项成本构成部分的选择是基于我们前面提到的典型的卡车运营模式，包括购买成本、燃料、人工、维修、保险、许可证和加油站成本。可见，购买成本和燃料成本是燃料电池卡车总拥有成本的两项主要增量成本。

从图60中，我们可以看到燃料电池港口重卡的TCO在未来10年里将有明显的下降。这是由于购买卡车的费用和燃料费用等的减少。随着第3.1节中所讨论的技术改进，我们估计燃料电池系统和储氢罐作为燃料电池港口重卡的主要成本构成因素，其价格将大幅下降。每百公里燃料电池卡车的燃料成本也预计在未来10年达到接近燃油卡车的水平。燃料电池卡车的TCO预计将在年左右低于电动卡车,年左右低于燃油卡车。

燃料电池技术在港口运输中的应用还有其他定性方面的好处（图61）。燃料电池港口重卡不仅是一种零排放的交通工具，而且具有与柴油卡车相似的性能。如今，长滩港和洛杉矶港的配套港口有1.6万辆重型卡车提供服务，并因此成为空气质量不佳的重点地区。因此，该地区已成为南海岸空气质量管理区（SCAQMD）努力改善空气质量的重点，特别是在港口服务的卡车数量预计将在年增加一倍，达到每天32,多辆。虽然燃料电池卡车和电动卡车都是无污染的清洁车辆，但是电动港口重卡充电一次能够行驶的续航里程相对较短且充电时间需要数小时，限制了电动港口重卡在区域作业和多班次作业中的使用。

3.2.3案例分析3-公交车

伦敦交通局（“伦敦交通局”）是伦敦的综合运输管理机构，负责城市公共交通网络的日常运营，包括公交车、地铁、轻轨、出租车等。图62显示了伦敦交通局在氢燃料电池公交车应用中的重要里程碑。

3年12月，为减少空气污染，伦敦交通局在伦敦市区开始了第一代燃料电池公交车的试验。该试验也是欧洲HyFleet：CUTE（燃料电池客车示范计划）项目的一部分。该项目由欧盟和英国政府资助，汇集了31位来自欧洲各地的行业和政府合作伙伴，旨在推动欧洲氢能源运输系统的发展。

在试运营取得成功之后，年，作为“清洁氢能源城市”（CHIC）项目的一部分，伦敦交通局购买了5辆新一代氢燃料电池公交车，并将其投入正式运营，为伦敦市民提供服务。在英国，这是第一次一条完整的路线完全由氢能源动力公交车运行。

年，伦敦交通局购买了3辆氢燃料电池公交车，并将车队规模扩大到了8辆。年，伦敦交通局又为车队增加了两辆燃料电池公交车。目前，10辆零排放燃料电池公交车正在伦敦市中心的RV1号线路上为伦敦市民服务。

年5月，伦敦交通局又订购了20辆氢燃料电池双层巴士，这将进一步扩大其零排放公交车队。这20辆氢燃料电池巴士将于年在号、7号和N7号三条线路投入运营。

在图63中，我们对比了三种类型公交车的主要参数。

燃料电池公交车将于明年投入运营

在常规的公交线路运营中，伦敦交通局对符合条件的私营运营商采取招标，中标的运营商将在这条线路上提供服务。一般而言，运营商应购置车辆及雇用司机，组成自己的车队。这些合同通常为期5年，以最优经济价值为基础，同时兼顾质量和安全。该合同将设定与运营里程和服务的整体可靠性关联的服务费用。日常运营中乘客支付的车费收入由伦敦交通局收取。

然而，由于燃料电池公交车仍处于早期阶段（图65），伦敦政府希望推动燃料电池公交车的使用，因此对燃料电池公交车运行的路线采取了不同的运营模式。伦敦交通局在英国政府和欧盟的财政支持下，从VanHool和怀特客车两家制造商采购了燃料电池公交车。伦敦交通局将燃料电池公交车的运营授权给运营商，由运营商雇用司机并提供服务。

在燃料电池公交车上使用的大部分氢燃料都是在大型生产设施中生产，然后被运送到车库，以液体或压缩气体的形式储存。在伦敦，AirProduct是伦敦交通局的氢燃料合作伙伴，为城市计划中的氢燃料电池公交车车队供应氢燃料，并建造和维护氢燃料补给基础设施。

在这个案例分析中，我们假设英国的燃料电池公交车的运行方式和其他任何正常的公交车运营模式一样（即运营商购买车队），并从运营商角度出发，以便与电动车和燃油车进行比较和对比。

图66显示了我们的TCO计算结果，包括购买成本和运营成本。与其他两个应用案例一样，购买成本和燃料成本构成了燃料电池公交车的主要增量成本。由于高昂的购买价格，燃料电池巴士的保险成本也很高。但我们估计，随着燃料电池系统和氢燃料价格的下降，这些成本将很快下降。与其他两个案例分析相比，该案例中另一个额外的成本组成部分是路税，这是英国对高排放车辆征收的额外税收。三种类型的公共汽车都要缴纳路税，但由于高污染排放，燃油公交车的路税要高很多。虽然从整个TCO的角度来看，路税的总额很小，但这对清洁能源汽车的推广是一个积极的信号。

在图67中，我们预测了未来10年燃料电池公交车的TCO。我们预计，英国的燃料电池公交车的TCO在年左右将低于电动公交车，在年左右将低于燃油公交车。

虽然燃料电池公交车的TCO目前要高于电动公交车和燃油公交车，但是燃料电池技术在城市交通中应用的好处会体现在其他方面，如图68所示。

首先，燃料电池公交车绝对符合伦敦政府的排放标准，有广泛应用的潜力。年4月，伦敦开始引入“超低排放区”（“ULEZ”）（图69）。超过排放标准的车辆进入该区域时，每辆车，无论是轿车、摩托车还是货车每天将被收取12.5英镑的费用。对于大型车辆，包括卡车（超过3.5吨）和公共汽车或长途汽车（超过5吨），每辆车每天将收取英镑。根据伦敦市政府的规定，只有负荷排放标准的清洁汽车和货车才能免交“超低排放区”费。不符合欧盟“欧六”排放标准的柴油车和大部分生产超过14年以上的汽油车都必须缴纳费用。超低排放区域的划定范围预计将首先在年针对公交车、长途汽车和卡车等大型车辆进行扩大，然后在一年后的年10月25日扩展到所有伦敦市中心城区。

超低排放区的实行是实现伦敦市长提出的到年将伦敦的二氧化碳排放量减少到年水平60%的目标的重要步骤之一。在可预见的未来，市政府对机动车排放的要求将越来越严格，这使得传统的燃油车辆的行驶成本大大提高，而电动车/燃料电池车等绿色车辆将是更好的商用和民用选择。事实上，使用绿色交通工具的趋势是不可阻挡的，正如伦敦交通局在年度报告中提到的，其从年起，将只采购混合动力或零排放的公交车。

能源效率与环境影响的比较

4.1能源效率分析框架

在前一章节中，我们深入讨论了燃料电池车的实际应用，并将其在真实案例分析中的总拥有成本与电动车和燃油车进行了比较。从分析结果来看，未来燃料电池车的使用成本将逐渐接近直至低于电动车及燃油车，此外燃料电池车还拥有零排放、绿色出行的优势，这些好处受到全球各国政府和私营企业的广泛赞誉。从这个角度来看，燃料电池车的未来确实是光明的。

但是，从宏观经济和整个社会影响的角度来看，我们必须考虑许多其他因素。例如，氢是如何生产的？它是如何从生产现场运输到车辆上的？过程中每一步的能源效率是多少？同样，燃料电池是如何生产的，这种生产过程对环境有什么影响？它们可以回收吗？以上问题的现状及未来变化趋势都值得深入分析和思考。

在这一章节中，我们将讨论：

燃料电池车与其他类型车辆的“油井到车轮”（WTW）生命周期的能源转换效率

氢气的生产及其对效率的影响

燃料电池车与其他车型“油井到车轮”（WTW）全生命周期的温室气体排放对比（如车辆和燃料电池/电池制造，关键零部件的处理/回收/翻新等）

对环境影响的评估，包括原材料储备的充足性

近期和未来的技术发展及其相关影响

4.1.1“油井到车轮”（WTW）生命周期能效分析

在考虑整体车辆的能源效率时，通常使用“油井到车轮”（WTW）生命周期分析。这可以分为两个阶段，通常分为“油井到油箱”和“油箱到车轮”。前者通常是指从原料到将其运输到到车辆的燃料储存装置的燃料生产环节，而后者是指车辆运行阶段的能量消耗。在考虑不同车型时，其主要WTW能量转换阶段可分为：

对于燃料电池车：氢燃料生产，运输和储存到车辆氢气罐，以及燃料电池车运行中的燃料电池使用

对于纯电动车：发电，通过电网输电，给纯电动车电池充电，以及在电动车运行中的用电

对于传统燃油车辆：汽油/柴油开采、精炼、运输到加油站，以及车辆运行过程中的燃料消耗

下图70显示了每种车型的每一步能源效率。

如图70所示，燃料电池车的整体能源效率很大程度上受氢气的生产和运输，以及在将氢能转化为动能的燃料电池技术的影响。反对燃料电池车的人会争辩说，氢能源本质上不如电池汽车，因为氢必须从电（通过电解）中产生，然后再转换回电，这其中必然会有能量损耗。然而，当我们更详细地研究氢能源的产业链时，情况并非如此。例如，氢也可以从天然气中产生，而相关的碳可以被捕获和回收。

那么今天氢是如何生产和运输的呢？它们对能源效率有什么影响？未来的生产和运输趋势将如何变化？这些都是值得深入分析的复杂问题，我们将在本白皮书系列的下一卷中讨论这些问题。然而，出于本文的目的，我们将在较宏观的层面上讨论从油井到车轮过程中完整的能量转换，重点

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