SMM

I. Определение метанол-водородных электромобилей

Метанол-водородные электромобили (MHEV) — это тип транспортных средств на новых источниках энергии (NEV), которые используют метанол (CH₃OH) в качестве носителя водорода. Через бортовую систему реформинга метанола метанол преобразуется в водород, который затем используется для питания топливного элемента для выработки электроэнергии. В отличие от традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ICEV), MHEV не используют топливо на основе нефти. По сравнению с аккумуляторными электромобилями (BEV), они эффективно решают проблему «страха перед дальностью хода» и сложностей с зарядкой. В отличие от водородных топливных элементов (HFCV), которые полагаются на хранение водорода под высоким давлением, MHEV снижают сложность развития инфраструктуры. Этот технологический подход сочетает в себе простоту хранения и транспортировки метанола с эффективностью и чистотой водородных топливных элементов, открывая новые возможности в области использования водородной энергии.

II. Технические принципы

1. Реформинг метанола для получения водорода
   Метанол проходит химическую реакцию в реформаторе, типичная формула реакции выглядит следующим образом:
   CH₃OH + H₂O → 3H₂ + CO₂
   С помощью селективных катализаторов (таких как медные или драгоценные металлические катализаторы) метанол эффективно реагирует с водяным паром при низких температурах (200-300°C) с образованием газов, богатых водородом. Сложность этого процесса заключается в том, чтобы сбалансировать активность, долговечность и стоимость катализатора, избегая при этом отравляющего действия побочных продуктов (таких как окись углерода) на топливный элемент.

2. Выработка электроэнергии водородным топливным элементом
   Полученный водород поступает в топливный элемент с протонно-обменной мембраной (PEMFC), где происходит электрохимическая реакция с кислородом:
   2H₂ + O₂ → 2H₂O + Электрическая энергия
   На аноде водород диссоциирует на протоны (H⁺) и электроны. Электроны текут через внешнюю цепь, образуя электрический ток, в то время как протоны проникают через электролитную мембрану и соединяются с кислородом на катоде с образованием воды. Основная эффективность этой системы зависит от оптимизации производительности мембранно-электродного блока (MEA). В настоящее время отрасль достигает технологических прорывов за счет снижения использования платины (загрузка платины на один элемент снизилась до 0,2-0,3 г/кВт) и повышения долговечности мембранных материалов.

III. Производственные затраты

(1) Текущее состояние производственных затрат
Возьмем в качестве примера тяжелый грузовик Geely Yuancheng Xinghan H на метанол-водородном двигателе: стоимость единицы примерно на 8-12% выше, чем у аналогичного ICEV, в основном сосредоточена в следующих областях:
• Система реформинга и топливного элемента: текущая цена за единицу отечественных установок реформинга метанола составляет около 150 000-200 000 юаней. Стоимость стеков водородных топливных элементов снизилась до 3 000-4 000 юаней/кВт благодаря технологическим итерациям (данные за 2023 год), но они по-прежнему составляют 25-30% от общей стоимости.

• Недостаточная эффективность масштаба: годовая производственная мощность систем реформинга метанола для получения водорода по всей стране составляет менее 50 000 единиц, и эффективность масштаба еще не достигнута, что приводит к высоким затратам на закупку запчастей.

• Зависимость материалов от импорта: высокопроизводительные катализаторы (такие как катализаторы на основе рутения) и высококачественные мембранно-электродные блоки зависят от импорта, что повышает общие затраты.

(2) Перспективы снижения затрат
• Ускорение локализации катализаторов: ожидается, что к 2025 году стоимость отечественных медных катализаторов снизится на 40%.

• Модульное производство для снижения затрат на системную интеграцию: ожидается, что цена за единицу отдельного устройства реформинга упадет ниже 100 000 юаней.

• Масштабированное производство и технологические достижения в области водородных топливных элементов: затраты могут снизиться до 1 500 юаней/кВт к 2025 году.

IV. Эксплуатационные затраты

(1) Сравнение затрат на топливо
Средняя рыночная цена метанола составляет примерно 3 000 юаней/тонну (2024 год), в то время как дизельное топливо стоит около 7 500 юаней/тонну. Энергетическая эквивалентная стоимость метанола составляет 40-50% от стоимости дизельного топлива.
• Сценарий с тяжелым грузовиком: потребление метанола на 100 км составляет примерно 15-20 кг, в то время как потребление дизельного топлива составляет около 35 литров, что приводит к разнице в затратах на топливо более чем на 1 юань за километр.

• Экономика коммерческого транспорта: при условии ежедневного пробега в 300 км годовая разница в затратах на топливо может достигать 80 000-100 000 юаней.

(2) Преимущества затрат на техническое обслуживание
Система реформинга метанола имеет относительно простую конструкцию, без резервуаров для хранения водорода под высоким давлением и сложных систем теплового управления, что увеличивает период между техническим обслуживанием на 30%. Однако стек топливного элемента требует периодической замены, примерная стоимость которой составляет 50 000-80 000 юаней за 5-летний жизненный цикл.

V. Анализ технических проблем

1. Проблемы с запуском при низких температурах
   Существующие системы реформинга метанола демонстрируют резкое снижение эффективности, когда температура окружающей среды опускается ниже -20°C, что требует дополнительной установки модулей нагрева PTC, что увеличивает потребление энергии примерно на 15%. Geely сократила время запуска при низких температурах до 10 минут за счет оптимизации теплоизоляции трубопроводов реформатора и интеллектуальных стратегий температурного контроля, но проблема надежной работы при -30°C все еще требует решения.

2. Проблемы долговечности системы
   При высоких температурах и давлениях катализаторы реформинга подвержены спеканию и отложению углерода, что приводит к снижению активности. Данные испытаний показывают, что после 8 000 часов непрерывной работы активность катализатора снижается примерно на 18%, что требует продления срока службы катализатора за счет технологии покрытия и точного контроля условий реакции.

3. Обеспечение чистоты водорода
   Водород, полученный при разложении метанола, содержит 30-40% воды, что требует эффективного модуля сушки для обеспечения того, чтобы чистота водорода, поступающего в топливный элемент, превышала 99,95%. В противном случае это может вызвать обледенение мембранного электрода или снижение производительности. Текущие технологии удаления воды приводят к потере энергии примерно на 8% в системе, что указывает на значительный потенциал для технологической оптимизации.

VI. Опыт эксплуатации Geely Yuancheng

(1) Прогресс в коммерциализации
Метанол-водородные электромобили Geely Yuancheng сформировали продуктовый матрикс «тяжелые грузовики + легкие грузовики + автобусы», примерно 1 000 единиц уже размещены на рынке. Среди них тяжелый грузовик Yuancheng Xinghan H достиг масштабных операций в Ордосском шахтерском районе и Хэбэйском логистическом коридоре, накопив более 20 млн км пробега и подтвердив техническую надежность.

(2) Строительство сетей энергоснабжения
Благодаря сотрудничеству с China Energy Investment Corporation и Baosteel Group в районах с высоким содержанием метанола, таких как Внутренняя Монголия и Шаньси, были построены 27 заправочных станций метанола. Также разработано быстрое решение по замене модулей метанола, сокращающее время заправки одного топлива до 10 минут и решающее проблему эффективности заправки.

(3) Основные моменты оперативных данных
Фактические данные испытаний показывают, что эффективность преобразования метанола тяжелых грузовиков Geely Yuancheng достигает 78%, при этом полная масса на 300 кг легче, чем у дизельной версии. Годовой пробег достигает 150 000 км, а выбросы углерода на единицу оборота снижаются на 65%, успешно пройдя сертификацию «Предельные нормы расхода топлива для тяжелых коммерческих транспортных средств».

VII. Перспективы сценариев применения

1. Логистические транспортные коридоры
   Подходят для логистических маршрутов с годовым объемом перевозок более 100 000 тонн, региональная зеленая транспортная артерия может быть построена за счет сети заправочных станций метанола и интеллектуальной диспетчерской системы. Например, контейнерная транспортная линия от Шаньдуна до дельты реки Янцзы может снизить годовые затраты на топливо на 90 000 юаней за рейс.

2. Сценарии горнодобывающего строительства
   В таких шахтерских районах, как Шаньси и Внутренняя Монголия, метанол-водородные тяжелые грузовики могут достичь «перехода от нефти к электричеству». После дневных операций они могут использовать низкие тарифы на электроэнергию для электролиза воды для получения и хранения водорода, работая в замкнутом цикле ночью. Ожидаемое годовое сокращение выбросов углерода составляет 1 500 тонн.

3. Междугородние пассажирские перевозки
   Модульно спроектированные 35-местные междугородние автобусы могут удовлетворить потребности в дальних поездках пригородных районов, гибко переключаясь между режимами водородного/метанольного питания через заправочные станции метанола, решая проблемы строительства двойных линий для чисто электрической/водородной энергии.

4. Аварийное электроснабжение
   Бортовая система реформинга метанола + топливного элемента может быть быстро развернута для обеспечения поддержки мобильной выработки электроэнергии мощностью 50-200 кВт для ликвидации последствий стихийных бедствий и полевых операций. Она уже достигла применения аварийного электроснабжения мощностью 1 МВт в шахтерском районе Люлян в провинции Шаньси.

Заключение
Метанол-водородные электромобили развиваются по «двухмоторному» подходу «гибкий носитель водорода + низкозатратная коммерциализация». Практика Geely Yuancheng демонстрирует, что за счет технологических инноваций и глубокого изучения сценариев этот технологический маршрут имеет потенциал преодолеть узкие места продвижения водородной энергии и достичь коммерческого закрытия в таких областях, как тяжелая логистика и горнодобывающий транспорт. С локализацией катализаторов, инновациями в области водородных материалов для хранения и увеличением политической поддержки метанол-водородные электромобили, как ожидается, станут одним из ключевых носителей для достижения Китаем целей углеродной нейтральности, изменив экосистему водородной энергетической отрасли.