氫雲觀察:從尼古拉說起,鋰電重卡好還是燃料電池重卡棒?

2020年3月3日,尼古拉(Nikola Corporation)宣佈將通過收購殼公司VectoIQ Acquisition Corp. 正式登陸納斯達克。預期交易事項將於2020年Q2完成,公司將保留Nikola Corporation名稱,以“NKLA”在納斯達克交易,屆時Nikola也將成為燃料電池重卡第一股。


氫雲觀察:從尼古拉說起,鋰電重卡好還是燃料電池重卡棒?

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過去十年間,在電動化趨勢下鋰電技術路線率先突圍,尤其帶動了乘用車的電動化浪潮。相較之下,重載運輸領域的電動化進程卻略顯緩慢。從市場規模看,2019年國內重卡銷量117萬輛,遠不及乘用市場龐大,但高負荷運營加之國標落地相對滯後,柴油重卡反而是大氣汙染物排放的主力,實現重卡電動化的減排意義不容忽視。

重卡電動化路徑包括鋰電和燃料電池兩種,究竟哪種方案是重卡電動化的最優路徑?我們以Nikola和Tesla的重卡原型車為樣本對比(Nikola在2016年推出首款燃料電池重卡Nikola One,截止目前已有One/Two/Tre三款車型亮相;2017年11月,Tesla曾發佈一款純電動Class 8重卡,Semi Truck):

綜合而言,當前在加氫網絡尚未完善的前提下,相對較低推廣門檻的純電重卡成為短期實現營收的快速手段,但長期來看燃料電池重卡在續航、壽命、加註效率、載重能力上均優於純電動重卡,且不存在規模化應用造成的電網負荷波動,將是未來重載運輸電動化的絕對主力。


Nikola VS Tesla


氫雲觀察:從尼古拉說起,鋰電重卡好還是燃料電池重卡棒?


一、動力系統質量:

高質量能量密度是燃料電池動力系統的優勢,結合兩家公司公開數據,假設車輛續航里程均為500英里/800公里,

測算顯示Nikola燃料電池動力系統總質量約為3.5t,而Tesla則達到6.3t,顯然車輛自重層面燃料電池車型優勢突出,有效載荷優於鋰電車型。

——Nikola:測算動力系統總質量約3.5t

1)系統:搭載PowerCell S3電堆,質量功率密度達到2.9kW/kg,據PowerCell官網100kW單套系統質量僅為170kg

2)儲氫:70MPa儲氫瓶單位質量儲氫密度取5wt%,以百公里氫耗8.5kg測算(~7.5mile/kg),儲氫系統總質量1.4t

3)電池:以160Wh/kg測算,配套250kWh電池總質量為1.56t

——Tesla Semi Truck:電池總質量約6.3t

當前Tesla配套電池質量能量密度約160Wh/kg,以500英里車型測算,帶電量超過1000kWh(2kWh/mile),總重將超過6.25t。


圖表 動力系統質量測算(噸)

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來源:PowerCell、Tesla、蓋世汽車等


二、續航能力:

Nikola續航最長達到750英里,而Tesla Semi Truck目前公佈版本為300/500英里。

更高的質量能量密度允許燃料電池車型以更小的質量增量換取更長的續航增加:以Nikola氫耗為基準,測算顯示每增加100公里續航,儲氫量增加約8.5kg,動力系統總重增量為175kg。

鋰電重卡拓展續航里程需增大電池容量,Semi Truck百公里耗電量超過125kWh(官網數據顯示每英里電耗小於2kWh,此處近似取2kWh),仍按照160Wh/kg測算需增重至少787kg,顯然遠續航場景下燃料電池重卡載貨效率及自身能耗將遠優於純電車型。(注:此處測算未考慮動力系統增重後百公里氫/電耗增加)


圖表 Nikola、Tesla Semi Truck百公里續航增重對比(kg/hkm)

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來源:公司公告、 PowerCell、Tesla、蓋世汽車等


圖表 Nikola、Tesla Semi Truck不同續航里程動力系統質量測算(噸)

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來源:公司公告、 PowerCell、Tesla、蓋世汽車等


三、加氫/充電:

Nikola採取70MPa儲氫,加氫時長控制在10~15min,與傳統燃油重卡車型相當,可以保證高負荷連續駕駛。但目前電池技術純電充電則需要數個小時,即使充電功率達到1MW,充滿1000kWh尚需1h。燃料電池加氫為物理過程,較之充電更加高效,但無論對燃料電池還是鋰電池,當前加氫、充電站點的不足都是產業發展的制約。

相較之下鋰電池對充電站的要求更加寬容,即使不能實現快充,低功率場景仍可以滿足“能用”的底線。Nikola在2019年也先後推出了Two和Tre系列的純電版,時間線上也將率先比燃料電池實現營收。


四、車輛壽命:

Nikola:PowerCell S3電堆壽命達到20000hr,單日60km/h運營8hr測算,Nikoal壽命達到7年,總里程120萬公里;

Tesla Semi Truck:重卡車型日運營里程遠超乘用車,若單日60km/h運營8hr,則單日完成一次完整充放電,以2000次循環壽命測算,車輛壽命約5.6年,總里程100萬公里。從使用壽命上看Nikola燃料電池車型略有優勢。


五、電網影響:

Tesla曽表示將與Semi Truck客戶共同打造兆瓦級充電功率的超級充電樁(Megacharger),在此快充模式下,若短時間多輛車型同時併網將會造成負荷過重,造成電網降頻。相較之下,電解制氫加氫站對電網作用更加平緩,降低調度保護難度。


Nikola運營模式:整車租賃+加氫服務


一、整車租賃:TCO降至燃油水準,模式獲B端認可

Nikola採取租賃模式,66.5萬美元可租用7年,基本上覆蓋車輛全生命週期。66.5萬美元中包含整車成本18.8萬(與Tesla Semi Truck相當——300英里續航售價15萬美元,500英里續航售價18萬美元),覆蓋7年間加氫、維護各項免費服務及配套加氫站建設成本攤銷,此外包含了近30%的利潤率。

據公司測算結果,目前Nikola燃料電池重卡總擁有成本TCO已做到與燃油車相當,自2016年首臺以來,Nikola受到北美物流、貨運等大型企業青睞,獲訂單總數達到1.4萬輛,合計訂單金額將近100億。


圖表 Nikola單次租賃成本拆分

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圖表 Nikola整車訂單及構成

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圖表 Nikola TCO降至燃油車水平

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二、供氫網絡:合作NEL,規劃700+制氫加氫站

燃料電池汽車依託加氫站實現能源補給,氫能特殊性使得車站協同佈局成為燃料電池汽車運營推廣最為高效的模式。對重卡而言:1) Class 8重卡單車氫容量達到50~80kg,氫耗高,用量大,保障站點高效利用;2)運營線路相對固定,對加氫站密度要求降低;3)運營方多為集團企業,to B屬性顯著,TCO成本說服力強。Nikola遠景佈局未侷限於整車製造, 2017年公司與Nel達成設備供應協議,開啟向制氫、加氫領域滲透,並規劃2028年在北美建成700座制氫加氫站。

Nel早在1927年即開啟電解制氫產業化測試,早期專攻鹼性電解方案,2017年收購Proton Onsite將PEM電解制氫方案納入體內。此外公司於2015年收購H2 Logic,藉此成為全球加氫技術領域的佼佼者。


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建站成本方面:公司測算單站投資達1661萬美元,其中兆瓦級電解槽採購成本佔比約1/2。據公司測算,單站壽命設計為21年,單日滿足210輛FCV重卡加氫需求,全生命週期將滿足210輛車共計三個產品週期加氫服務(單次租賃期為7年),據此加氫站建設成本可均攤至每個服務週期,即納入到66.5萬美元的單次費用中,單車單週期需承擔費用為2.6萬美元。

制氫成本方面:假設每公斤氫氣耗電61.2kWh(電價$0.035/kWh),耗水11.1L(水費$1.2/t),制氫加氫站滿負荷運轉情況下每公斤氫氣成本為2.47美元。運營期間每年現金流入超過358萬美元,不考慮貼現情況下回收期不到5年。

考慮實際情況下加氫站達到滿負荷運轉難度較大,且設備使用壽命未經檢驗,項目實際投資回收情況或存在一定偏差。


圖表 Nikola規劃8t/d加氫站建設成本構成

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前瞻性的技術佈局,宏偉的規劃藍圖,顛覆性的產品亮相,加上企業名字上的淵源,很多人把Nikola稱作燃料電池領域的Tesla。不可否認當前時點距離公司業績兌現仍有一段距離,但Nikola在重卡領域的探索也將提供可行的推廣思路,登陸納斯達克無疑對燃料電池產業的發展注入活力。(轉自新興產業觀察者)


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