從能源系統(tǒng)角度分析燃料電池車(chē)的性能

中田俊彥[日]

摘要

燃料電池汽車(chē)（FCV）有望成為日本未來(lái)氫社會(huì)的關(guān)鍵參與者。由于氫燃料的來(lái)源不同，F(xiàn)CV的實(shí)際價(jià)值具有不確定性。采用庫(kù)存分析法研究了FCV從油井到車(chē)輪的性能，比較了混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）和電動(dòng)汽車(chē)（BEV）的性能。分析結(jié)果表明，通過(guò)綠色電衍生電解可提供無(wú)碳?xì)淙剂?，在減少碳排放方面具有重要效益。在總體擁有成本中，F(xiàn)CV的車(chē)輛價(jià)格是主要支出，表明了降低FCV成本是安全可控的。

關(guān)鍵詞

能源系統(tǒng);庫(kù)存分析;從油井到車(chē)輪;燃料電池車(chē)

0 前言

隨著汽車(chē)電動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，汽車(chē)的性能評(píng)價(jià)已從傳統(tǒng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)行駛的性能評(píng)價(jià)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘鐣?huì)可持續(xù)發(fā)展的生命周期性能評(píng)價(jià)。人們對(duì)電動(dòng)車(chē)性能的評(píng)價(jià)是基于發(fā)電結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行的，由于燃料電池汽車(chē)（FCV）氫燃料生產(chǎn)方式及能量供給方式不同，其評(píng)價(jià)結(jié)果也各不相同。此外，汽車(chē)性能評(píng)價(jià)的范圍不再局限于汽車(chē)行駛狀態(tài)，還延伸到了包括大量零件采購(gòu)在內(nèi)的制造環(huán)節(jié)、車(chē)輛報(bào)廢后的再利用方式等范疇。這意味著汽車(chē)是1項(xiàng)復(fù)雜的綜合性工程，已從傳統(tǒng)觀念中的最終產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣?huì)系統(tǒng)的重要組成要素。

以“CASE”為例（即：互聯(lián)（Connected）、自動(dòng)駕駛（Autonomous）、共享（Shared）、電動(dòng)化（Electric）），其主要聚焦于汽車(chē)的1個(gè)要素與社會(huì)系統(tǒng)間的信息接口。雖然要素性能的提高不一定與社會(huì)價(jià)值的提高有直接關(guān)系，但是汽車(chē)和社會(huì)系統(tǒng)之間，仍存在著未知的多層關(guān)系。就整個(gè)能源系統(tǒng)而言，圍繞FCV的邊界將從能源消耗比例為23%的運(yùn)輸部門(mén)，擴(kuò)展到了囊括產(chǎn)業(yè)部門(mén)、電力等能源轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在內(nèi)的能源系統(tǒng)整體，其價(jià)值邊界擴(kuò)大了約4倍。此外，F(xiàn)CV邊界還從車(chē)輛行駛擴(kuò)展到車(chē)輛生產(chǎn)、報(bào)廢時(shí)的循環(huán)利用等，其價(jià)值邊界會(huì)再擴(kuò)大約1.3倍。因此，在社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，如果各國(guó)研究人員仍以傳統(tǒng)的視野和經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析問(wèn)題，將不能適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜多變的社會(huì)環(huán)境。

1 FCV的性能評(píng)價(jià)

為了理解FCV的價(jià)值，研究人員從汽車(chē)氫燃料的供給形態(tài)、供給方式、車(chē)輛行駛系統(tǒng)的性能及綜合性評(píng)價(jià)等多方面進(jìn)行了分析。與混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）依賴(lài)化石燃料、電動(dòng)汽車(chē)（BEV）依賴(lài)系統(tǒng)電力發(fā)電不同，F(xiàn)CV氫燃料的供給方式是多樣化的，有從化石燃料制取的改質(zhì)氫，也有由可再生能源制取的電解氫。研究人員需要客觀分析這些因素，并進(jìn)行定量對(duì)比，以?xún)?yōu)化汽車(chē)開(kāi)發(fā)目標(biāo)的設(shè)定。如果期待氫社會(huì)的到來(lái)能夠成為脫碳社會(huì)的核心要素，研究人員必須從一系列能源系統(tǒng)的資源構(gòu)成（上游）到需求者（下游）的廣泛邊界的觀點(diǎn)出發(fā)，分析能源系統(tǒng)需要達(dá)到的性能，并定量評(píng)估當(dāng)前的系統(tǒng)性能。

1.1 以庫(kù)存分析法開(kāi)展FCV的性能分析

研究人員根據(jù)公開(kāi)信息研究了FCV的性能，并將其與下列6種車(chē)型進(jìn)行了對(duì)比分析：（1）內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)（A-ICEV）;（2）近年來(lái)銷(xiāo)量最大的低油耗小型內(nèi)燃機(jī)車(chē)（C-ICEV）;（3）劃分在普通汽車(chē)范疇中的混合動(dòng)力汽車(chē)（L-HEV）;（4）劃分在小型汽車(chē)范疇的混合動(dòng)力汽車(chē)（S-HEV）;（5）插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）;（6）BEV。圖1示出了各類(lèi)車(chē)型從油井到車(chē)輪的流程圖。

圖1 各類(lèi)車(chē)型從油井到車(chē)輪的流程圖

FCV氫燃料的生產(chǎn)工藝主要有2種方式：以化石燃料為熱源的水蒸氣改質(zhì)的氫制造，以及水電解中的氫制造。化石燃料主要包括：（1）從石油中提取的汽油、液化石油氣（LPG）、煤油及輕油等4種原油物;（2）源自天然氣的城市煤氣、甲醇（MEOH）、二甲醚（DME）及通過(guò)費(fèi)希爾-特羅普希（FT）工藝制法提取的輕油等4種精制物。電解包含了4種發(fā)電方法：石油火力發(fā)電、天然氣火力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電，其中太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電是綠色電力。A-ICEV、C-ICEV、L-HEV、S-HEV使用的燃料主要為汽油;PHEV使用的汽油和電力消耗比例為52：48;BEV則消耗電力。在對(duì)FCV從油井到車(chē)輪的分析中，研究人員將按照資源開(kāi)采、資源輸送、中間精制物制造、中間精制物輸送、燃料生產(chǎn)、燃料填充及汽車(chē)行駛過(guò)程等7個(gè)流程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 分析方法

研究人員采用總量分析法，將評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法定義為氫燃料的制造過(guò)程和車(chē)輛的行駛過(guò)程。

生產(chǎn)氫燃料所需要的主要能量基于以下變量進(jìn)行計(jì)算：生產(chǎn)單位發(fā)熱量氫所需要的一次能量、資源保有能量、資源采集效率、資源輸送效率、中間精制物生產(chǎn)效率、中間精制物輸送效率、氫制造效率。氫燃料制造過(guò)程中產(chǎn)生的CO2排放量則是從資源采集階段開(kāi)始，根據(jù)制造單位熱量氫所產(chǎn)生的CO2排放系數(shù)計(jì)算得到。氫燃料的生產(chǎn)成本根據(jù)生產(chǎn)單位熱量氫的成本單價(jià)計(jì)算。以氫站設(shè)備為例，其成本主要包含了建設(shè)費(fèi)（已考慮折舊）、維修費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)、管理費(fèi)、土地費(fèi)、固定資產(chǎn)稅、電費(fèi)、水費(fèi)、污水處理費(fèi)、原材料費(fèi)、氫的生產(chǎn)效率等要素。

在進(jìn)行包含了行駛過(guò)程的車(chē)輛從油井到車(chē)輪的全周期分析中，研究人員將車(chē)輛單位行駛距離所消耗的能源定義為一次能源。因此，研究人員可以用一次能源消耗量來(lái)定義各車(chē)輛的單位距離行駛所需要的能源，這是將生產(chǎn)燃料所需的一次能源分別除以燃料添加效率、車(chē)輛行駛效率計(jì)算得到的。同樣， 車(chē)輛從油井到車(chē)輪所產(chǎn)生的CO2排放量，被定義為車(chē)輛單位距離行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2排放量。除此之外，汽車(chē)單位行駛距離消耗的總成本由車(chē)輛持有人承擔(dān)，包括含折舊在內(nèi)的車(chē)輛采購(gòu)費(fèi)用、保養(yǎng)費(fèi)用、燃料費(fèi)用。

1.3 分析數(shù)據(jù)設(shè)置

表1示出了各車(chē)型的性能分析。FCV的性能數(shù)據(jù)參考了日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的氫燃料電池示范項(xiàng)目（JHFC）[1]及各汽車(chē)制造商發(fā)布的數(shù)據(jù)。FCV的車(chē)輛價(jià)格是根據(jù)研究人員考慮了未來(lái)補(bǔ)貼制度的變化，并假設(shè)車(chē)輛采購(gòu)費(fèi)為300萬(wàn)～700萬(wàn)日元，以100萬(wàn)日元為單位計(jì)算出來(lái)的。FCV的車(chē)輛效率，則是研究人員設(shè)想了未來(lái)會(huì)通過(guò)技術(shù)升級(jí)來(lái)提升車(chē)輛性能，并將其效率設(shè)定在公開(kāi)數(shù)據(jù)值的最小值至最大值的區(qū)間范圍內(nèi)。試驗(yàn)對(duì)比的6款車(chē)型是目前銷(xiāo)量較好的車(chē)型。

各類(lèi)車(chē)型使用的燃料單價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)源分別為：化石燃料的單價(jià)數(shù)據(jù)參考了國(guó)際能源機(jī)構(gòu)[2]，可再生能源單價(jià)參考了成本等驗(yàn)證委員會(huì)報(bào)告。假設(shè)氫氣站制造能力為300 Nm3/h，表2示出了氫氣站的性能參數(shù)，以及水費(fèi)、稅費(fèi)、土地費(fèi)等各項(xiàng)成本費(fèi)用。

2 氫燃料和FCV性能分析結(jié)果

2.1 氫燃料生產(chǎn)從油井到油箱的供給特性

圖2示出了FCV氫燃料的供給特性，顯示了不同原料在生產(chǎn)單位能源的氫燃料時(shí)所需要的一次能源消耗量效率。

注：本文圖中箭頭均表示以2015年的分析值為起點(diǎn)，以2050年的估算值為終點(diǎn)。圖2 生產(chǎn)氫燃料所需要的從油井到油箱的一次能源消耗量

根據(jù)分析結(jié)果，生產(chǎn)單位能源的氫燃料所消耗的一次能源效率分別為：來(lái)源于石油的氫燃料消耗1.50～1.78倍;來(lái)源于天然氣的氫燃料消耗1.53～3.24倍;電解氫燃料消耗1.30（風(fēng)力發(fā)電）～4.04（氣體火力發(fā)電）倍。氫燃料制造過(guò)程中的從油井到油箱效率比汽油制造過(guò)程降低了18%～25%，一次能源消耗量效率差異大的原因在于氫燃料制造工藝的不同。在來(lái)源于化石燃料生產(chǎn)的氫燃料中，由城市煤氣生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料，其一次能源消耗量最低。

圖3所示為生產(chǎn)單位能源的氫燃料所產(chǎn)生的CO2排放量。結(jié)果顯示，源自石油的改質(zhì)氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為103.0～126.0 g/MJ，源自天然氣的氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為84.1～202.0 g/MJ，電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為2.2～445.0 g/MJ。以上3種方式生產(chǎn)氫燃料所產(chǎn)生的CO2排放量均高于可再生能源生產(chǎn)的電解氫燃料產(chǎn)生的2.2～3.2 g/MJ的CO2排放量，也高于汽油燃料產(chǎn)生的70.6 g/MJ的CO2排放量。與上述一次能源特性相同，氫燃料制造的從油井到油箱效率較低，因此，作為能量來(lái)源于化石燃料的消耗量會(huì)增加，而利用可再生能源生產(chǎn)的電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量與石油和天然氣相比，其產(chǎn)生的CO2排放量為52.3～70.3 g/MJ，少于汽油燃料。

圖4示出了不同生產(chǎn)工藝氫燃料的制造成本單價(jià)。單位能量的生產(chǎn)成本結(jié)果顯示，源自石油的改質(zhì)氫燃料的生產(chǎn)成本為7.1～14.2日元/兆焦耳，源自天然氣的氫燃料的生產(chǎn)成本為7.6～15.4日元/兆焦耳，電解氫燃料的生產(chǎn)成本為5.3～19.1日元/兆焦耳。加氫站的建設(shè)費(fèi)用約占總制造成本的40%，假設(shè)每座加氫站的建筑成本可降低1.0億～6.4億日元，則氫燃料的生產(chǎn)成本將會(huì)降低約4.6日元/兆焦耳。此外，對(duì)于汽油燃料的成本，研究人員假設(shè)未來(lái)汽油價(jià)格上漲約8.0日元/兆焦耳，則源自可再生能源的氫燃料生產(chǎn)成本最低，約為5.32日元/兆焦耳。綜上所述，來(lái)源于可再生能源的氫燃料在生產(chǎn)單位氫燃料所消耗的一次能源、CO2排放量、生產(chǎn)成本等指標(biāo)上均具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，降低一次能源消耗、提高氫燃料生產(chǎn)工藝制造從油井到油箱的能源效率尤為重要。

2.2 燃料電池車(chē)從油井到油箱的行駛特性

根據(jù)FCV能源消耗特性分析結(jié)果，研究人員得出了FCV從油井到油箱的單位行駛距離的一次能源消耗量（圖5），該值覆蓋了氫燃料從生產(chǎn)到車(chē)輛行駛各環(huán)節(jié)。汽油車(chē)一次能源消耗量為0.69～3.64 MJ/km;而FCV使用了石油改質(zhì)氫燃料、天然氣改質(zhì)氫燃料、電解氫燃料及可再生能源的氫燃料，其一次能源消耗量分別為1.50～2.15 MJ/km、1.47～3.92 MJ/km、1.25～4.89 MJ/km及1.25～1.68 MJ/km。與L-HEV的一次能源消耗量為1.21～1.24 MJ/km相比，F(xiàn)CV的一次能源消耗量偏高，這是由于氫燃料生產(chǎn)過(guò)程中從油井到油箱的能源效率較低，其消耗的一次能源比汽油高。

圖5 FCV從油井到油箱的一次能源消耗

圖6示出了FCV的CO2排放特性。根據(jù)FCV使用的氫燃料不同，所產(chǎn)生的CO2排放量也會(huì)有差異。使用石油改質(zhì)氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為135.0～220.0 g/km;使用天然氣生產(chǎn)的氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為109.0～403.0 g/km ;使用電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量會(huì)基于發(fā)電方式不同而存在較大差異，其中采用綠色電力生產(chǎn)的電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為2.6 g/km ，采用石油火力發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放量則高達(dá)258.0 g/km ;使用化石燃料生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為108.7 g/km，高于L-HEV的85.8～88.0 g/km 的CO2排放量。此外，F(xiàn)CV使用源自綠色電力的電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量?jī)H有2.6～4.9 g/km ，與汽油車(chē)相比，CO2的減排率高達(dá)98%以上。綜上所述，F(xiàn)CV使用綠色電力生產(chǎn)的電解氫燃料，雖然在能量性能方面稍遜于HEV，但在CO2排放特性方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖7示出了FCV的總體擁有成本（TCO）。假設(shè)FCV的車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)為700.0萬(wàn)日元/輛，則在TCO的使用成本中，石油生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料的使用成本為100.0～109.0日元/公里，天然氣生產(chǎn)的氫燃料的使用成本為100.0～110.0日元/公里，電解氫燃料的使用成本為98.2～114.0日元/公里。從2015年FCV的TCO分解（圖8）可知，車(chē)輛的購(gòu)置費(fèi)約占TCO的50%。研究人員根據(jù)敏感度分析方法進(jìn)行了測(cè)算，如果以100萬(wàn)日元為單位，車(chē)輛的購(gòu)置成本從700萬(wàn)日元降至300萬(wàn)日元時(shí)，可使TCO減少7.9日元/公里。而非FCV的其他車(chē)輛，其TCO為61.5～82.0日元/公里，低于比FCV的TCO。由于燃料費(fèi)只占TCO的10%～15%，因此，與降低燃料使用費(fèi)相比，降低車(chē)輛的購(gòu)置成本在降低FCV的行駛成本方面更有成效。假設(shè)化石資源的市場(chǎng)價(jià)格不斷上漲，則與使用化石燃料生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料相比，使用綠色電力生產(chǎn)的電解氫燃料將會(huì)有效降低TCO。在對(duì)比分析了FCV從氫燃料的生產(chǎn)到行駛的一次能源消耗量、CO2排放量、TCO等因素后[3]，研究人員發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CV使用綠色電力生產(chǎn)電解氫燃料，與HEV等車(chē)型相比，在能源性能和環(huán)境性能方面表現(xiàn)更為優(yōu)異， 如果未來(lái)因礦物燃料價(jià)格上漲，F(xiàn)CV在TCO方面也具有優(yōu)勢(shì)。研究人員通過(guò)TCO的詳細(xì)分解發(fā)現(xiàn)，由于車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)遠(yuǎn)高于燃料支出費(fèi)，因此構(gòu)建使用綠色電力生產(chǎn)電解氫燃料的社會(huì)系統(tǒng)，以及通過(guò)技術(shù)降低車(chē)輛購(gòu)置費(fèi)用將是未來(lái)工作的重點(diǎn)。

3 總結(jié)

本文對(duì)比了多種氫燃料的生產(chǎn)工藝，并對(duì)在交通客運(yùn)部門(mén)引進(jìn)FCV的可行性作了全面分析。研究人員關(guān)注了氫燃料的供給方式，并分析了FCV從油井到車(chē)輪的性能，由此得到以下結(jié)論。

（1）FCV的最大特點(diǎn)是可以降低CO2的排放，但要普及FCV車(chē)輛，其前提條件是使用綠色電力生產(chǎn)含游離CO2的氫燃料。

（2）就TCO而言，車(chē)輛價(jià)格所占比重較大，需要采取措施有效降低車(chē)輛價(jià)格。

（3）為了提高FCV的市場(chǎng)份額，在降低車(chē)輛價(jià)格的同時(shí)，也需要設(shè)定更高的CO2減排目標(biāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]石油産業(yè)活性化センター，日本自動(dòng)車(chē)研究所，エンジニアリング振興協(xié)會(huì)，日本ガス協(xié)會(huì).燃料電池システム等実証研究[R].JHFCプロジェクト報(bào)告書(shū)，2011，2：1-434.

[2]IEA.World energy outlook 2013[R].new policies scenario， 2013： 241.

[3]內(nèi)田皓久，ほか.燃料電池自動(dòng)車(chē)のシステム性能分析と運(yùn)輸旅客部門(mén)への導(dǎo)入可能性評(píng)価[C]. 日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集， 2019， 85（872）： 1-18.

胡瑞娟 鄧華僑 張松巖 馮鷹 譯自 自動(dòng)車(chē)技術(shù)2020，74（10）

吳 玲 編輯

（收稿時(shí)間：2021-05-30）