典型供氫路徑下燃料電池汽車生命周期環(huán)境效益評(píng)估*

楊來 王菊 雷雪亞

（1.北京理工大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100081；2.中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，北京 100176）

主題詞：生命周期評(píng)估 供氫路徑 燃料電池汽車 環(huán)境效益

1 前言

過去的十年，我國(guó)汽車保有量從1.06億輛增長(zhǎng)到了2.81 億輛[1]，年均增速達(dá)到10%，與此同時(shí)，交通運(yùn)輸部門能源消耗以年均11.1%的速度增長(zhǎng)。目前，以石化燃料為主的燃油汽車消耗了全國(guó)42%的石油，并且隨著汽車保有量的增長(zhǎng)，這一占比還將進(jìn)一步提高[2]。2019年，我國(guó)原油對(duì)外依存度達(dá)到71%[3]。能源安全對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要[4-5]，因此，加快改變嚴(yán)重依賴于石油資源的交通方式迫在眉睫[6]。目前，交通領(lǐng)域占全國(guó)終端碳排放的15%，過去9年的年均增速超過5%[7]。與此同時(shí)，交通運(yùn)輸部門的空氣污染物排放量正在逐年增加[8]，機(jī)動(dòng)車排放已成為我國(guó)大氣污染物的重要來源。例如：2018年，北京、上海等城市的機(jī)動(dòng)車PM2.5排放占總排放的20%～50%[9-10]。2019 年，我國(guó)汽車千人保有量?jī)H為173 輛，遠(yuǎn)低于美國(guó)的837 輛和日本的591 輛[11]。參照日本的千人保有量水平，我國(guó)汽車仍有超過2倍的增長(zhǎng)空間。根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)[12]的研究，我國(guó)的交通能源消耗將隨汽車規(guī)模的擴(kuò)大而快速增長(zhǎng)。這意味著，如果不采取積極有效的措施，我國(guó)面臨的能源安全和環(huán)境污染挑戰(zhàn)將更加嚴(yán)峻[13-14]。

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源安全與環(huán)境污染挑戰(zhàn)，促進(jìn)交通部門“碳中和”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)，新能源汽車得到了全球汽車生產(chǎn)廠商的大力發(fā)展。其中，燃料電池汽車以其高效率和接近零排放被普遍認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景。燃料電池汽車雖然在行駛過程中零排放，但在氫燃料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中卻會(huì)產(chǎn)生溫室氣體和污染物排放[15]。氫燃料的生產(chǎn)方式多種多樣，主要包括電解水制氫、煤制氫、天然氣制氫、生物質(zhì)制氫、甲醇制氫等多種路徑，而每一種制氫路徑產(chǎn)生的溫室氣體和大氣污染物排放各不相同?？紤]到我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)、電力結(jié)構(gòu)、交通運(yùn)輸模式等現(xiàn)實(shí)國(guó)情，選擇最適合我國(guó)發(fā)展燃料電池汽車的氫燃料生產(chǎn)路徑變得尤為重要[16]。因此，有必要從燃料生命周期的視角，對(duì)不同供氫路徑下燃料電池汽車的環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估。與以往研究不同，本文不僅分析了不同制氫路徑下燃料電池汽車與電動(dòng)汽車以及燃油汽車的溫室氣體和大氣污染物排放差異，而且創(chuàng)新性的從典型車型（乘用車、物流車、公交車和重卡）和典型區(qū)域（北京、上海、張家口和佛山）的視角，對(duì)上述3類車的燃料生命周期排放進(jìn)行了比較，這使得此項(xiàng)研究工作更有針對(duì)性和實(shí)操性。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 生命周期評(píng)估方法

由美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的GREET 模型被廣泛應(yīng)用于計(jì)算不同車用燃料生命周期（Well-to-Wheels，WTW）能源使用和排放，是目前應(yīng)用最廣泛的交通運(yùn)輸行業(yè)全生命周期能源和排放計(jì)算軟件之一[17]。車用燃料生命周期評(píng)估包括原料、燃料和車輛運(yùn)行3 個(gè)階段。原料和燃料階段合稱為WTP（Wellto-Pump），礦井到加油站，即上游階段），車輛運(yùn)行階段稱為PTW（Pump-to-Wheels）階段（加油站到車輪，即下游階段）[18]。WTP的研究對(duì)象是車用燃料的上游即生產(chǎn)階段，包括一次能源開采、一次能源運(yùn)輸、燃料生產(chǎn)、燃料運(yùn)輸、儲(chǔ)存、分銷以及燃料加注過程；PTW的研究對(duì)象是車用燃料的下游即使用階段，包括車輛發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃料時(shí)的燃料消耗和氣體排放。它不考慮車輛制造與燃料生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的能量消耗及對(duì)環(huán)境影響，主要分析燃料從原材料開采到車輛使用的若干環(huán)節(jié)中的能量消耗及溫室氣體（GHGs）排放[19]。

2.2 應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理

2.2.1 燃料生產(chǎn)階段

考慮到原油開采、運(yùn)輸和汽、柴油生產(chǎn)及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，運(yùn)用汽車生命周期排放評(píng)價(jià)模型，計(jì)算得到汽油和柴油生命周期上、下游階段的溫室氣體與大氣污染物排放因子，如圖1所示?？紤]到電力系統(tǒng)排放數(shù)據(jù)的可獲得性，本研究采用我國(guó)2020年平均電力構(gòu)成和排放因子，線損率為5.6%[20]。在考慮能源開采、運(yùn)輸、發(fā)電、電力傳輸這些環(huán)節(jié)后，獲得了不同電源生命周期溫室氣體與大氣污染物排放因子，如表1所示。

圖1 汽油和柴油生命周期溫室氣體與大氣污染物排放因子

表1 不同電源生命周期溫室氣體與大氣污染物排放因子g/kW·h

氫氣的生命周期包含了制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫和氫加注3個(gè)環(huán)節(jié)。在制氫環(huán)節(jié)，考慮到中國(guó)的資源稟賦和實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)需求，選擇以下5種制氫路徑作為研究對(duì)象：煤制氫、煤制氫加碳捕獲與封存（CCS）、工業(yè)副產(chǎn)氫提純（焦?fàn)t煤氣）、電網(wǎng)電力電解水制氫和可再生能源電解水制氫（本文僅包含風(fēng)電和光伏制氫）。在煤制氫方面，為了符合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，增加了一條新路徑：煤制氫加CCS。

氫氣在儲(chǔ)運(yùn)過程中呈現(xiàn)3種形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。目前在中國(guó)，主要以氣態(tài)儲(chǔ)氫為主，液態(tài)儲(chǔ)氫主要運(yùn)用于航空航天等領(lǐng)域，固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)尚不成熟，因此，本研究選擇氣態(tài)的儲(chǔ)運(yùn)方式。在儲(chǔ)氫方面，采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的方式，20 MPa的鋼質(zhì)氫瓶已得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用[21]。在氫氣運(yùn)輸方面，高壓長(zhǎng)管拖車是氫氣近距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑夹g(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)常以20 MPa長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫，考慮到我國(guó)氫氣的示范應(yīng)用主要在制氫產(chǎn)地附近布局，假定運(yùn)輸距離為150 km[21]。在氫氣加注方面，我國(guó)仍然以氣氫加氫站為主[21]。此外，在氫氣加入長(zhǎng)管拖車前后的環(huán)節(jié)，氫氣需要進(jìn)行壓縮，在此過程中，假設(shè)僅會(huì)消耗電力?；谏鲜隹紤]，應(yīng)用GREET模型計(jì)算得到5種不同路徑氫能的燃料周期上游溫室氣體與大氣污染物排放因子，如表2所示。

表2 不同路徑下氫氣生命周期溫室氣體與大氣污染物排放因子

2.2.2 車輛運(yùn)行階段

選擇4類較為常見或未來具有較大發(fā)展空間的車型作為研究對(duì)象，即B級(jí)乘用車、4.5 t物流車、12 m公交車和49 t重型載貨汽車。各類型汽車的基本參數(shù)和燃料消耗見表3和表4。

表3 不同類型電動(dòng)汽車的基本參數(shù)

表4 不同類型汽車能耗

2.2.3 典型區(qū)域燃料電池汽車的應(yīng)用

各區(qū)域由于制氫路徑和燃料汽車類型的差異，呈現(xiàn)出不同的應(yīng)用特征。為了進(jìn)一步考察和分析各典型區(qū)域燃料電池汽車的環(huán)境效益，選擇上海、北京、張家口與和佛山4個(gè)在燃料電池汽車應(yīng)用方面具有較強(qiáng)代表性的區(qū)域進(jìn)行分析，分別對(duì)應(yīng)的選擇乘用車、物流車、公交車和重卡作為研究對(duì)象。與此同時(shí)，分別選擇各區(qū)域有代表性的加氫站作為樣本，并核算氫氣來源地與加氫站之間的距離（表5）。通過運(yùn)用GREET2020軟件，核算出4個(gè)典型區(qū)域氫氣燃料周期排放因子（表6）。

表5 典型區(qū)域燃料電池汽車制氫路徑及來源

表6 典型區(qū)域氫氣燃料周期排放因子

3 結(jié)果與討論

3.1 溫室氣體和大氣污染物排放評(píng)價(jià)

為了核算和分析的一致性，本部分以乘用車為例，來評(píng)估典型制氫路徑下燃料電池汽車與燃油汽車和純電動(dòng)汽車的溫室氣體及大氣污染物排放的差異性。

3.1.1 乘用車基于WTW的溫室氣體排放評(píng)價(jià)

根據(jù)2020 年我國(guó)不同類型乘用車的車隊(duì)平均燃料消耗量核算，得到對(duì)應(yīng)的燃油、純電動(dòng)和燃料電池乘用車WTW 車隊(duì)平均溫室氣體排放量，如圖2 所示?？梢钥吹?，僅考慮汽車燃料周期的情況下，純電動(dòng)乘用車的溫室氣體排放水平要低于燃油乘用車，而煤制氫加裝CCS和可再生能源電解水制氫路徑下，燃料電池乘用車的溫室氣體排放低于純電動(dòng)和燃油乘用車，而在其余3種制氫路徑下，燃料電池乘用車的溫室氣體排放高于燃油和純電動(dòng)乘用車。具體而言，在電網(wǎng)電解水制氫路徑下，燃料電池汽車的溫室氣體排放分別是純電動(dòng)汽車和燃油汽車的3.2倍和2.4倍；在可再生能源電解水制氫路徑下，燃料電池汽車的溫室氣體排放分別為純電動(dòng)汽車和燃油汽車的29%和21%。此外，在燃料電池汽車內(nèi)部，電網(wǎng)電解水制氫的排放是可再生能源電解水制氫的11倍。

圖2 不同制氫路徑下乘用車燃料周期（WTW）溫室氣體排放

3.1.2 乘用車基于WTW的大氣污染物排放評(píng)價(jià)

圖3 對(duì)比了不同供氫路徑下乘用車WTW 大氣污染物排放。在僅考慮汽車燃料周期的情況下，燃料電池乘用車的VOCs 排放均低于汽油乘用車，燃料電池汽車排放（以工業(yè)副產(chǎn)提純氫排放最高）僅為燃油汽車的44%；除電網(wǎng)電解水制氫方式外，其它路徑下燃料電池汽車的NOx排放均低于燃油汽車，電網(wǎng)電解水制氫路徑下的燃料電池汽車是燃油汽車的1.3 倍；工業(yè)副產(chǎn)提純制氫和可再生能源電解水制氫路徑下，燃料電池汽車的PM2.5排放低于純電動(dòng)汽車和燃油汽車，燃料電池汽車排放（以可再生能源電解水制氫排放最低）僅為純電動(dòng)汽車和燃油汽車的26%和22%；所有制氫路徑下，燃料電池汽車的SO2排放均高于燃油汽車，燃料電池汽車排放（以可再生能源電解水制氫排放最低）為燃油汽車的111%。除可再生能源電解水制氫外，其它路徑下的燃料電池乘用車的VOCs、NOX和SO2排放均高于純電動(dòng)汽車。

圖3 不同制氫路徑下乘用車WTW污染物排放

3.2 基于WTW的溫室氣體及大氣污染物排放評(píng)價(jià)

3.2.1 基于WTW的溫室氣體排放對(duì)比分析

在僅考慮燃料周期的情況下，橫向?qū)Ρ鹊湫蛙囆偷臏厥覛怏w排放水平，發(fā)現(xiàn)各類燃油汽車的排放均高于純電動(dòng)汽車，在工業(yè)副產(chǎn)提純制氫和電網(wǎng)電解水制氫2 種路徑下，燃料電池汽車的溫室氣體排放明顯高于燃油汽車和純電動(dòng)汽車（圖4）。以重型載貨汽車為例，電網(wǎng)電力電解水制氫的燃料電池汽車的溫室氣體排放分別是燃油汽車和純電動(dòng)汽車的2.4 倍和2.9 倍。根據(jù)車百智庫(kù)[22]的研究，電解水制氫的平均電耗為56 kW·h/kg。若將本研究的燃料電池重型載貨汽車的氫耗換算為電耗，約為565.6 kW·h/100 km，相當(dāng)于純電動(dòng)重卡電耗的3.2倍。

3.2.2 基于WTW的大氣污染物排放對(duì)比分析

圖5 對(duì)比了不同車型WTW 的大氣污染物排放。從燃油汽車和純電動(dòng)汽車對(duì)應(yīng)汽車類型的橫向?qū)Ρ葋砜?，純電?dòng)汽車的VOCs和NOx的排放都要低于相同類型的燃油汽車；純電動(dòng)汽車的PM2.5和SO2排放與相同類型的燃油汽車相當(dāng)或增加。對(duì)比燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車和燃油汽車的排放發(fā)現(xiàn)，不同類型汽車對(duì)不同的大氣污染物排放呈現(xiàn)出不同的特征：在VOCs排放方面，燃料電池乘用車均低于燃油乘用車，燃料電池乘用車排放（以工業(yè)副產(chǎn)提純制氫排放最高）僅為燃油乘用車的44%；除可再生能源電解制氫外的燃料電池商用車排放均高于燃油商用車；除可再生能源電解水制氫外，其他制氫方式下燃料電池汽車的排放均高于純電動(dòng)汽車。在NOx排放方面，除電網(wǎng)電解水制氫方式外，其它路徑下的燃料電池汽車均低于燃油汽車，其中，可再生能源電解水制氫路徑下，燃料電池物流車排放僅為燃油汽車的21%；除可再生能源電解水制氫方式外，其他路徑下的燃料電池汽車均高于純電動(dòng)汽車。在PM2.5排放方面，除可再生能源電解水制氫方式外，其它路徑下燃料電池商用車的排放均高于燃油商用車；工業(yè)副產(chǎn)提純制氫和可再生能源電解水制氫路徑下，燃料電池汽車的排放低于純電動(dòng)汽車，其中，以可再生能源電解水制氫路徑下的燃料電池重型載貨汽車與純電動(dòng)重型載貨汽車的排放差距最大，前者僅為后者的21%。在SO2排放方面，燃料電池汽車的排放高于燃油汽車；可再生能源能源電解水制氫路徑下，燃料電池汽車（除公交車外）的排放低于純電動(dòng)汽車；燃料電池公交車排放高于純電動(dòng)公交車，其中，可再生能源電解水制氫路徑下排放最低，比純電動(dòng)公交車高約4%。

圖4典型車型基于WTW的溫室氣體排放

圖5 典型車型WTW大氣污染物排放

3.3 基于WTW的溫室氣體及大氣污染物排放評(píng)價(jià)

在已有的制氫路徑和車輛類型條件下，各典型區(qū)域燃料電池汽車的溫室氣體和大氣污染物排放呈現(xiàn)出不同的特征（圖6）。上海的燃料電池乘用車的GHGs、PM2.5和SO2排放高于燃油汽車和純電動(dòng)汽車，NOx的排放均低于燃油汽車和純電動(dòng)汽車，VOCs的排放介于燃油汽車和純電動(dòng)汽車之間。北京的燃料電池物流車的GHGs的排放介于燃油汽車和純電動(dòng)汽車之間；VOCs、PM2.5和SO2排放均高于燃油汽車和純電動(dòng)汽車，NOx的排放均低于燃油汽車和純電動(dòng)汽車。張家口的燃料電池公交車除了SO2排放高于燃油汽車和純電動(dòng)汽車外，其它排放均低于燃油汽車和純電動(dòng)汽車。佛山的燃料電池重型載貨汽車除SO2排放介于燃油汽車和純電動(dòng)汽車之間外，其他排放均低于燃油汽車和純電動(dòng)汽車。

圖6 典型區(qū)域各類型汽車溫室氣體和大氣污染物排放

4 結(jié)論

綜上所述，在僅考慮汽車燃料周期（包括汽車燃料周期上游階段和汽車燃料周期運(yùn)行階段）的情況下，關(guān)于汽車生命周期溫室氣體及大氣污染物排放評(píng)價(jià)的主要研究結(jié)論如下：

（1）從總體車隊(duì)平均水平來看，燃料電池汽車在煤制氫加裝CCS和可再生能源電解水制氫路徑下，燃料電池汽車具有明顯的溫室氣體減排效益。未來隨著中國(guó)上游電力生產(chǎn)逐步低碳化和綠氫技術(shù)滲透率的不斷提高，燃料電池汽車將表現(xiàn)出更加顯著的溫室氣體減排效益。

（2）制氫路徑的選擇對(duì)燃料電池汽車總體減排具有重要意義。在可再生能源電解水制氫路徑下，各種類型燃料電池汽車的溫室氣體和大氣污染物（除SO2外）排放，均低于純電動(dòng)汽車和燃油汽車。

（3）在典型區(qū)域，燃料電池汽車的減排效果與汽車類型和制氫路徑緊密相關(guān)。燃料電池汽車在可再生能源電解水制氫路徑下的減排效果明顯優(yōu)于工業(yè)副產(chǎn)提純制氫，商用車相比燃油車的減排效果通常優(yōu)于乘用車。

本研究?jī)H涵蓋了汽車燃料周期的溫室氣體及大氣污染物排放評(píng)價(jià)結(jié)果，下一步將開展；

（1）燃料電池汽車全生命周期（包括車輛周期和燃料周期）排放評(píng)價(jià)研究；

（2）燃料電池汽車全生命周期環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估等工作。