新能源內(nèi)燃機(jī)市場發(fā)展環(huán)境評估

摘要：盡管電動(dòng)汽車市場發(fā)展迅速，但是內(nèi)燃機(jī)行業(yè)仍具有發(fā)展?jié)摿ΑＶ袊鴥?nèi)燃機(jī)市場規(guī)模在2022年達(dá)到約3 500億元人民幣，同比增長超過10%。技術(shù)創(chuàng)新是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，內(nèi)燃機(jī)廠商正響應(yīng)下游行業(yè)對多元化清潔燃料的需求，推動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)向燃料和動(dòng)力多元化發(fā)展。內(nèi)燃機(jī)行業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型升級，通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級應(yīng)對新能源汽車挑戰(zhàn)，新型內(nèi)燃機(jī)技術(shù)如氫內(nèi)燃機(jī)、電子合成燃料內(nèi)燃機(jī)等將成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。

關(guān)鍵詞：新能源內(nèi)燃機(jī)；行業(yè)趨勢；應(yīng)用分析

中圖分類號：U461 收稿日期：2024-12-02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.003

1 行業(yè)發(fā)展背景

商用車作為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的運(yùn)輸支撐以及交通領(lǐng)域節(jié)能減碳的關(guān)鍵力量，其低碳轉(zhuǎn)型一直是全國兩會備受矚目的議題。2024 年兩會期間，多位專家建言獻(xiàn)策：全國人大代表、全國政協(xié)委員、吉利控股集團(tuán)董事長李書福表示“商用車的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型‘減碳’潛力較大，氫燃料技術(shù)與商用車低碳化緊密結(jié)合，正在為我國汽車產(chǎn)業(yè)提前實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)提供新動(dòng)能”；全國人大代表、玉柴股份設(shè)備智能物聯(lián)技術(shù)高級主任工程師李海樺圍繞氫燃料內(nèi)燃機(jī)研發(fā)提出“，建議設(shè)立國家級的氫燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域的科技研發(fā)專項(xiàng)，支持突破氫燃料內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”；全國人大代表、奇瑞控股集團(tuán)黨委書記、董事長尹同躍圍繞建立碳足跡管理法規(guī)、推進(jìn)E-fuel綠色合成燃料發(fā)展等熱點(diǎn)問題提出了意見。

綜上，新能源內(nèi)燃機(jī)技術(shù)作為商用車低碳轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一，將在政策扶持、技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和示范運(yùn)營等多方支持下，迎來難得的市場機(jī)遇和更廣闊的發(fā)展空間，為推動(dòng)我國能源結(jié)構(gòu)和汽車產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型作出重要貢獻(xiàn)。

目前，全球主要國家對新能源內(nèi)燃機(jī)相關(guān)界定較少，僅歐盟與美國基本明確將氫內(nèi)燃機(jī)劃分為零排放范圍內(nèi)，其余法規(guī)多止步于直接碳排管控，對應(yīng)用碳捕獲等新興綠色技術(shù)制備的全生命周期內(nèi)碳排近零的甲醇、天然氣、E-fuel等燃料的內(nèi)燃機(jī)無優(yōu)勢。然而，隨著各國對保障能源安全訴求的不斷提高和應(yīng)對氣候變化工作的不斷深入，各類低碳、零碳燃料的鼓勵(lì)引導(dǎo)機(jī)制不斷完善，全生命周期碳排正逐步替代直接碳排成為衡量燃料對環(huán)境影響的核心參數(shù)。因此，圍繞新能源內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的減碳潛力，建立科學(xué)模型其市場潛力，成為爭取政策支持和行業(yè)發(fā)聲的重要前提。

2 研究主要方法

本研究旨在全面評估新能源內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展?jié)摿?，明確其定義、應(yīng)用范圍及技術(shù)路線。研究邊界聚焦于燃用零碳燃料或全生命周期零碳排燃料的內(nèi)燃機(jī)，包括氫內(nèi)燃機(jī)、氨內(nèi)燃機(jī)、甲醇內(nèi)燃機(jī)和燃用e-Fuel的內(nèi)燃機(jī)。通過多元回歸、LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、多項(xiàng)Logit離散選擇模型、AHP層次分析法和TCO評估框架，結(jié)合專家訪談和用戶調(diào)研，構(gòu)建了一個(gè)科學(xué)系統(tǒng)的評估體系，圍繞工業(yè)及日用品運(yùn)輸、大宗商品運(yùn)輸?shù)?0余類中重型貨車典型場景，預(yù)測2026—2030年新能源內(nèi)燃機(jī)的市場規(guī)模、技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性，為新能源內(nèi)燃機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和政策建議。

新能源內(nèi)燃機(jī)商用車應(yīng)用潛力評估分三個(gè)步驟開展。a.新能源商用車發(fā)展規(guī)模的推導(dǎo)，基于《中國商用車市場預(yù)測模型體系及2035預(yù)測課題》中對商用車整體發(fā)展規(guī)模判斷的導(dǎo)入研究成果，結(jié)合國家“雙碳目標(biāo)”等政策要求，以及基于市場發(fā)展情況的正向預(yù)測分別界定新能源內(nèi)燃機(jī)商用車的發(fā)展區(qū)間；b.在技術(shù)路線選擇上，細(xì)化車型場景定義，以不同場景的新能源內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用潛力聚合出整體結(jié)果；c.通過行業(yè)專家打分判斷，校驗(yàn)評估結(jié)果。

3 評估進(jìn)展分析

3.1 國外新能源內(nèi)燃機(jī)定義

內(nèi)燃機(jī)/整車端，搭載氫內(nèi)燃機(jī)整車多被認(rèn)定為零排放車輛，其余新能源內(nèi)燃機(jī)缺少相關(guān)定義。歐盟定義CO2排放量低于3 g/（t·km）或1 g/（p·km）的重型商用車為零排放重型車輛，氫內(nèi)燃機(jī)可被視為零排放；CO2排放量低于重型車輛所屬車輛子組中的參考排放量的一半為低排放重型車輛。與歐盟類似，而美國EPA新提議的整車CO2排放標(biāo)準(zhǔn)基于性能劃分，不強(qiáng)制要求任何特定技術(shù)，故將氫內(nèi)燃機(jī)汽車歸類為零排放車輛（仍需滿足EPA的NOx、PM和N2O限值）。而美國加州最為嚴(yán)格，零排放車輛（ZEV）定義為在任何可能的駕駛模式和駕駛條件下均不會產(chǎn)生溫室氣體排放和氣體污染物；近零排放汽車（NZEV）包括插電式混合動(dòng)力汽車和可通過傳導(dǎo)或感應(yīng)式充電源在車外對電池進(jìn)行充電的混合動(dòng)力汽車。

燃料端，多通過能源消費(fèi)稅方式給予零碳、低碳車用燃料鼓勵(lì)。歐盟燃料分類定義包括以下類別：

a.零排放燃料：電、氫氣、氨氣。

b.可再生燃料：生物質(zhì)燃料、由可再生能源生產(chǎn)的合成燃料。

c.不可再生替代燃料和過渡性礦物燃料：氣態(tài)天然氣（壓縮天然氣（CNG））和液化形式（液化天然氣（LNG）），以及液化石油氣（LPG）和不可再生能源生產(chǎn)的合成燃料。

零碳/低碳燃料鼓勵(lì)方式為能源稅（消費(fèi)稅）。2021年，歐盟對能源稅進(jìn)行調(diào)整，首先引入了全新的稅率結(jié)構(gòu)，基于燃料和電力的能源含量和環(huán)境績效確定稅率而不是能源體積，其次，將更多產(chǎn)品與環(huán)節(jié)納入范圍。根據(jù)環(huán)境績效排名，傳統(tǒng)化石燃料，如柴油、汽油以及不可持續(xù)的生物燃料，在用作汽車燃料時(shí)將受到10.75歐元/GJ的最高最低稅率的約束，在用于取暖時(shí)將受到0.9歐元/GJ的最高最低稅率的約束。該比率也可作為其他類別的參考比率。第二類稅率適用于天然氣、液化石油氣和非生物來源的不可再生燃料等燃料。在10年的過渡期內(nèi)，參考稅率的2/3將適用于這一類別，然后按與傳統(tǒng)化石燃料相同的稅率征稅。第三類稅率適用于可持續(xù)但不是先進(jìn)的生物燃料，適用參考費(fèi)率的一半；第四類稅率適用于電力（無論其用途如何）、先進(jìn)的可持續(xù)生物燃料和沼氣，以及可再生氫等非生物來源的可再生燃料。低碳?xì)浜拖嚓P(guān)燃料也將在10年的過渡期也享受相同的稅率。

美國燃料端的定義如下，從美國交通部的定義來看，替代燃料類別包含變性乙醇、電力、天然氣、液化石油氣、氫、源自生物材料的燃料（如生物柴油）、甲醇、其他酒類、煤衍生液體燃料。替代燃料鼓勵(lì)方式為CAFé積分優(yōu)惠，計(jì)算CAFé積分時(shí)，使用替代燃料車型享受0.15的燃料除數(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2 國內(nèi)政策規(guī)劃

中國政府高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過“十四五”規(guī)劃和相關(guān)政策文件，明確了氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位和發(fā)展目標(biāo)。中國氫能產(chǎn)業(yè)投資現(xiàn)狀顯示，行業(yè)融資以早期輪次為主，但隨著政策推動(dòng)和市場需求的增長，大額融資項(xiàng)目逐漸出現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了動(dòng)力。

2023年5月，工信部公開征求對《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2023版）》［1］的意見，指出重點(diǎn)制定氫燃料內(nèi)燃機(jī)等氫能技術(shù)和裝備標(biāo)準(zhǔn)。

2023年8月，國家標(biāo)準(zhǔn)委等六部門聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2023版）》［2］，氫內(nèi)燃機(jī)名列氫能應(yīng)用之中。我國基本建立起甲醇車用燃料標(biāo)準(zhǔn)體系，車用氫燃料內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)起草中。

2024年4月23日，十四屆全國人大常委會第九次會議對《中華人民共和國能源法（草案）》進(jìn)行了審議，其中，氫能被正式列入，與石油、煤炭、天然氣等并列作為能源進(jìn)行管理?！鞍褮淠芗{入《能源法（草案）》［3］，標(biāo)志著在法律層面對氫能作為能源的認(rèn)可，氫能的能源屬性得到進(jìn)一步明確，這也相當(dāng)于為氫能產(chǎn)業(yè)修建了一條‘高速公路’，氫能將駛?cè)搿燔嚨馈！睒I(yè)內(nèi)人士表示，在頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)引領(lǐng)下，各地在出臺針對氫能扶持政策過程中，有了更有力的依據(jù)。同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)有望以更高的優(yōu)先級獲得扶持與發(fā)展，在更廣泛的場景中得到推廣應(yīng)用，加速對傳統(tǒng)化石能源的替代。

3.3 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況

新能源內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的競爭格局主要集中在氫內(nèi)燃機(jī)和綠色甲醇技術(shù)。濰柴、玉柴等傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)企業(yè)在氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域布局，吉利則深耕綠色甲醇整車研發(fā)。全球綠色甲醇項(xiàng)目集中在歐美、東亞，中國產(chǎn)能較少但規(guī)劃項(xiàng)目眾多。氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)以低壓缸內(nèi)直噴為主流，甲醇商用車市場主要由吉利占據(jù)，銷量增長迅速。整體上，行業(yè)競爭格局處于研發(fā)階段，尚未形成市場需求驅(qū)動(dòng)的競爭態(tài)勢。

近三年來，全球產(chǎn)業(yè)鏈在新能源內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域正迅速發(fā)展。上游關(guān)鍵零部件供應(yīng)商如博世集團(tuán)和博格華納公司正積極研發(fā)氫能內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，中游制造商如濰柴動(dòng)力和玉柴股份在氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)上取得突破，國外企業(yè)如康明斯和Westport西港公司也在氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域取得進(jìn)展，下游整車制造商如中國重汽和東風(fēng)柳汽已推出搭載氫內(nèi)燃機(jī)的商用車型，國際企業(yè)如德國曼恩商用車和沃爾沃集團(tuán)也在積極布局氫內(nèi)燃機(jī)卡車市場。

整體來看，新能源內(nèi)燃機(jī)技術(shù)正逐步成熟，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均在積極推動(dòng)技術(shù)商業(yè)化和市場應(yīng)用。

3.4 學(xué)術(shù)層面減碳潛力研究總結(jié)

本文從甲醇和氫能兩個(gè)方面對學(xué)術(shù)層面減碳潛力的研究情況進(jìn)行分析。

a.甲醇。使用環(huán)節(jié)碳排放優(yōu)勢不明顯，全生命周期與甲醇來源高度相關(guān)。選取市場主銷同等質(zhì)量的甲醇牽引車和柴油牽引車進(jìn)行對比。按照車輛消耗1 L柴油產(chǎn)生2.6 kgCO2尾排，消耗1 L甲醇產(chǎn)生1.087 kgCO2尾排核算，其結(jié)果如表1所示，甲醇牽引車平均CO2排放要高出柴油車12%。從全生命周期來看，天大采用甲醇/柴油組合燃料（甲醇替代料35%～40%），采用生物質(zhì)甲醇、焦?fàn)t氣和CO2制甲醇三種工藝的全生命周期碳排放要優(yōu)于純柴油，而使用煙煤、合成氨聯(lián)產(chǎn)等方式全生命周期碳排放要明顯高于純柴油。

b.氫能。在使用環(huán)節(jié)為零排放，全生命周期使用光伏、水力發(fā)電制氫排放表現(xiàn)最佳。張碩等［4］研究表明，基于光伏電解水制氫路徑的FCHCV的節(jié)能減排效果較好，對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面效益較低。到2035年，基于光伏電解水制氫的FCHCV的全生命周期碳排放較DHCV（柴油重型商用車）低79.09%；但基于混合電力電解水制氫的FCHCV的全生命周期化石碳排放量較DHCV高10.47%。ZijunYang［5］研究表明，使用水力發(fā)電制氫全生命周期碳排放要顯著低于使用國家電網(wǎng)電解制氫以及汽油、柴油和純電動(dòng)等技術(shù)路線。

4 結(jié)語

在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，新能源內(nèi)燃機(jī)成為大勢所趨。尤其是對于重型商用車，通過電動(dòng)化轉(zhuǎn)型難以覆蓋復(fù)雜多樣的場景需求，新能源內(nèi)燃機(jī)將會扮演重要的角色。政策引領(lǐng)和技術(shù)革新是推動(dòng)新能源內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。氫能產(chǎn)業(yè)建設(shè)逐步完善，為氫能汽車加速推廣提供了有力條件。

現(xiàn)階段加氫站建設(shè)主要分布在城郊，首批氫能汽車將以城市短途車輛為主，優(yōu)先發(fā)展城建自卸、攪拌、載貨、環(huán)衛(wèi)等；隨著氫走廊的布局建設(shè)，中期內(nèi)氫能汽車的運(yùn)距將延長，可擴(kuò)展中長途運(yùn)輸車輛；現(xiàn)有政策、補(bǔ)貼僅圍繞氫燃料電池發(fā)布，北京市已計(jì)劃將氫內(nèi)燃機(jī)車納入氫能汽車推廣車型。相關(guān)單位已啟動(dòng)氫內(nèi)燃機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、政策的研討，將會陸續(xù)發(fā)布，氫內(nèi)燃機(jī)汽車也將進(jìn)入快車道。

參考文獻(xiàn)：

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[3]全國人民代表大會憲法和法律委員會.全國人民代表大會憲法和法律委員會關(guān)于《中華人民共和國能源法（草案）》審議結(jié)果的報(bào)告[EB/OL].（2024-11-08）[2024-12-05].http：//www.npc.gov.cn/c2/c30834/202411/t20241108_440874.html.

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作者簡介：

程明，男，1981年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚰夹g(shù)、動(dòng)力工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。