燃料電池汽車生命周期分析綜述

楊佳珞，舒俊豪，徐 鑫，武小花

（西華大學(xué)汽車測控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039）

燃料電池汽車具有高效、清潔、零污染等優(yōu)點(diǎn)[1]。目前，現(xiàn)代、豐田和本田等車企都已有燃料電池汽車投入市場，它們的性能以及續(xù)駛里程已經(jīng)可以與目前的傳統(tǒng)燃油汽車別無二致。近年來，我國燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)取得重大進(jìn)展。在國家政策的大力支持下，我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈初具雛形[2]。當(dāng)前我國燃料電池汽車正處在示范應(yīng)用推廣初級階段，其高效清潔的優(yōu)勢只是針對行駛階段。如果從汽車生命周期角度出發(fā)，燃料電池汽車是否能起到節(jié)能減排作用，與混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車相比是否具有更好的環(huán)境效益，這些問題存在著較大的爭議。因此，對燃料電池汽車進(jìn)行生命周期分析是必不可少的。

本文簡介了生命周期分析方法，對燃料電池汽車生命周期分析的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出目前我國燃料電池汽車生命周期分析中存在的問題，并展望了FCV-LCA（fuel cell vehicles-life cycle assessment,燃料電池汽車生命周期評價(jià)）未來的發(fā)展方向。

1 生命周期分析方法及實(shí)施步驟

1.1 生命周期分析方法概述

生命周期分析理論可以評估產(chǎn)品在整個(gè)生命周期所有投入產(chǎn)出以及對環(huán)境造成的影響[3]，涉及的領(lǐng)域包括能源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)評價(jià)以及社會(huì)政策等各方面[4-5]。生命周期分析將產(chǎn)品整個(gè)生命周期分為不同的階段，并依次分析，對于解決“氫燃料電池汽車是否真的節(jié)能減排”這一問題，是一種行之有效的方法。生命周期分析有助于企業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)，幫助政府部門優(yōu)化能源、運(yùn)輸和廢物管理方案，引導(dǎo)、指導(dǎo)“綠色營銷”和“綠色消費(fèi)”[6]。

燃料電池汽車生命周期分析可以對燃料電池汽車生命期間內(nèi)的成本、能源消耗和環(huán)境污染情況進(jìn)行綜合評價(jià)，近年來已經(jīng)有越來越多的學(xué)者在這個(gè)問題上進(jìn)行了相關(guān)研究[7]。

對汽車進(jìn)行生命周期分析時(shí)，一般將汽車的整個(gè)生命周期分為車輛材料生命周期以及燃料生命周期，如圖1 所示。車輛材料生命周期針對除燃料外的部分，包括原材料開采、原料生產(chǎn)、零部件的生產(chǎn)、汽車裝配、報(bào)廢回收等過程。燃料生命周期針對燃料，包括原料開采、原料儲存、原料運(yùn)輸、加工、產(chǎn)品儲存、產(chǎn)品運(yùn)輸、使用的整個(gè)過程。燃料生命周期可劃分為兩階段，WTT（well to tank，油井到油箱）與TTW（tank to wheel，油箱到車輪）。WTT 階段指從原料開采到燃油加注的整個(gè)過程。TTW 階段指汽車的使用階段。在目前的研究中，大部分研究是針對燃料生命周期來進(jìn)行的。

圖1 汽車生命周期

1.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

1993 年6 月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織擬定包含LCA(life cycle assessment，生命周期分析)的ISO14000環(huán)境管理系列標(biāo)準(zhǔn)[8]。經(jīng)過30 來年的發(fā)展，生命周期分析在國內(nèi)外建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。相繼推出有ISO14040：2006《環(huán)境管理-生命周期評價(jià)-原則與框架》[9]、ISO14044：2006《環(huán)境管理-生命周期評價(jià)-要求與指南》[10]。參考國外，我國推出了GB/T 24040—2008《環(huán)境管理-生命周期評價(jià)-原則與框架》[11]、GB/T 24044—2008《環(huán)境管理-生命周期評價(jià)-要求與指南》[12]。《中國制造2025》[13]和《工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》[14]也提出 “強(qiáng)化產(chǎn)品全生命周期綠色管理”。

1.3 生命周期分析實(shí)施步驟

總體上來講，LCA 可以分為4 個(gè)主要步驟：目標(biāo)和范圍的確定、清單分析、影響評價(jià)、結(jié)果解釋[15]，如圖2 所示。

圖2 生命周期分析實(shí)施步驟

1.3.1 目的與范圍的確定

作為生命周期分析的第一步，這一步應(yīng)該清晰的表明進(jìn)行生命周期分析的目的和原因。范圍界定包括確定研究對象的系統(tǒng)邊界、功能單位、數(shù)據(jù)要求、數(shù)據(jù)分配方式等[16]。這一步是生命周期分析中關(guān)鍵的一步，目的與范圍的確定會(huì)影響整個(gè)生命周期分析的結(jié)果與最終結(jié)論。在燃料電池汽車的生命周期分析中，這一步往往是選取研究對象和確定進(jìn)行生命周期分析的范圍。

1.3.2 清單分析

清單分析階段分析供應(yīng)鏈每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗或生產(chǎn)的能源和材料的數(shù)量[17]。具體做法為對所研究系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，客觀量化輸入與輸出。在燃料電池汽車的生命周期分析中，這一步為建立生命周期分析模型，包括燃料生產(chǎn)模型、車輛生產(chǎn)模型、車輛模型等，之后對生命周期中的每一單元進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最后計(jì)算和匯總收集的數(shù)據(jù)，得到研究車輛的生命周期清單結(jié)果。

1.3.3 影響評價(jià)

影響評價(jià)需要評價(jià)所研究系統(tǒng)或產(chǎn)品清單分析結(jié)果對環(huán)境的影響，為了便于直觀地認(rèn)識此影響，一般將清單分析的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為影響類別，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、特征化和量化處理。有學(xué)者使用CML2001 的評價(jià)方法來評價(jià)燃料電池汽車生命周期分析的結(jié)果。該評價(jià)方法將汽車生命周期對環(huán)境造成的影響分為礦產(chǎn)資源消耗、化石能源消耗、光化學(xué)煙霧潛值、全球變暖潛值、酸化潛值、水體富營養(yǎng)化潛值和臭氧層損耗潛值7 項(xiàng)指標(biāo)[18]。

1.3.4 結(jié)果解釋

這一步需要對前兩步的結(jié)果做出解釋，檢查生命周期分析的完整性，并給出結(jié)論、局限和建議等。在燃料電池汽車的生命周期研究中，有部分學(xué)者針對影響生命周期結(jié)果的關(guān)鍵變量進(jìn)行敏感性分析，此外，這一步可得出所研究的車輛的生命周期結(jié)果與其他同級別不同燃料車輛的對比結(jié)論，便于找出問題的關(guān)鍵點(diǎn)，提出意見或建議。

2 FCV-LCA 在國外和國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對汽車生命周期分析的研究起步較早。上世紀(jì)90 年代初，許多國家開始從事有關(guān)生命周期分析的方法研究，已取得一定的進(jìn)展[19]。國外眾多研究機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)了相應(yīng)軟件，建立了龐大的數(shù)據(jù)庫與模型。目前，較為主流的用于生命周期分析的軟件有由美國的Greet[20]、德國的Gabi[21]、荷蘭的Simapro[22]等。此外，國外學(xué)者也運(yùn)用生命周期方法對燃料電池汽車做了大量研究。

2.1.1 對制氫路徑的研究

近年來，國內(nèi)外燃料電池汽車生命周期分析中有大部分是針對氫的生產(chǎn)途徑來進(jìn)行研究的，如表1 所示。

表1 針對制氫路徑進(jìn)行研究的文獻(xiàn)

Bartolozzi 等[23]的研究結(jié)果表明，在基于可再生能源的使用中，使用氫和電力，大多數(shù)影響類別上優(yōu)于意大利電網(wǎng)；氫氣因?yàn)槠浯嬖趦Υ婧瓦\(yùn)輸階段，加上其生產(chǎn)效率低，在環(huán)境保護(hù)能力上總體不如使用可再生能源生產(chǎn)的電能。加拿大學(xué)者 Ahmadi等[24]通過研究發(fā)現(xiàn)，使用氫燃料電池汽車可以大量減少溫室氣體和空氣污染物排放，同時(shí)大大降低生命周期燃料成本。Liu 等[25]的研究表明，氫的壓縮和液化用電對WTW 結(jié)果影響較大，不應(yīng)忽略。日本學(xué)者Wang 等[26]經(jīng)過研究得出了氫的供給途徑對生命周期結(jié)果影響較大的結(jié)論。西班牙學(xué)者Valente 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，天然氣重整制氫過程的碳排放、能耗、酸性物質(zhì)排放占生命周期的30%以上，高于生物質(zhì)氣化制氫與風(fēng)電制氫，但 Khzouz等[28]經(jīng)過成本計(jì)算后得出，從成本角度考慮，集中式天然氣重整制氫是最經(jīng)濟(jì)可行的選擇。阿根廷的 Iannuzzi 等[29]針對當(dāng)?shù)乜蛙嚨姆治霰砻?，沼氣重整制氫技術(shù)的能耗比固體生物質(zhì)氣化制氫更低。He 等[30]研究了2017 年和未來2030 年中國輕型燃料電池車輛，結(jié)果表明，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中煤電比例小于20%時(shí)，電網(wǎng)電解水制氫的燃料電池車輛的溫室氣體、NOX、PM2.5、SO2排放量可低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。

2.1.2 對不同車輛技術(shù)的研究

Baptista 等[31]重點(diǎn)研究了使用新能源對英國倫敦出租車的影響，結(jié)果表明，燃料電池汽車能有效降低能耗與排放。Lee 等[32]分析了幾種中重型貨車使用氫燃料電池和柴油的生命周期評價(jià)結(jié)果，并考慮了未來技術(shù)進(jìn)步后的影響，結(jié)果同樣表明，使用燃料電池在能耗與排放上具有優(yōu)勢。Candelaresi等[33]比較了3 種不同燃料乘用車的環(huán)境生命周期性能，研究指出，使用氫與天然氣或氫與汽油混合驅(qū)動(dòng)的車輛在短期內(nèi)是一個(gè)較好的方案。

2.1.3 對經(jīng)濟(jì)性的研究

Rocco 等[34]利用生命周期分析模型分析了2050 年德國燃料電池汽車預(yù)期滲透率下的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響，結(jié)果表明，氫氣的生產(chǎn)和分配以及國家電力組合對結(jié)果影響較大。Ally等[35]建立了生命周期成本模型，以澳大利亞西部為例，對柴油價(jià)格、電價(jià)、氫價(jià)對成本的影響做了敏感性分析，研究指出，與傳統(tǒng)柴油汽車相比，氫燃料電池汽車的經(jīng)濟(jì)性還有待提高。Wei 等[36]也建立了計(jì)算燃料電池汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的模型，將計(jì)算結(jié)果作為GREET的輸入，研究不同驅(qū)動(dòng)方式的影響，結(jié)果表明，快速換擋驅(qū)動(dòng)模式下的經(jīng)濟(jì)性最好。

2.1.4 對燃料電池系統(tǒng)部件的研究

Usai 等[37]對燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，儲氫罐、陰極催化和輔助元件是質(zhì)子交換膜燃料電池制造過程中產(chǎn)生排放的關(guān)鍵部件。Evangelisti 等[38]研究也同樣表明，燃料電池堆和儲氫罐的生產(chǎn)過程將對環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。Sean等[39]研究指出，使用動(dòng)態(tài)排放系數(shù)來決定何時(shí)運(yùn)行電解槽是減少二氧化碳當(dāng)量排放的有效方法。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 對制氫路徑的研究

與國外相比，國內(nèi)對汽車生命周期的研究起步較晚，此方面的研究也較少，目前的研究方法基本上是參考國外相對應(yīng)的方法，在數(shù)據(jù)庫的建立相對較差，很多研究都是基于國外的數(shù)據(jù)背景來進(jìn)行的。與國外研究相比，國內(nèi)從制氫路徑入手的研究數(shù)量更加龐大。

Hwang[40]的研究結(jié)果表明，使用可再生能源制氫雖然可以大幅度減少能耗和環(huán)境影響，但成本過高，用現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電制氫，能耗和排放都高于傳統(tǒng)汽油車。Yang 等[41]也發(fā)現(xiàn)，國家電網(wǎng)制氫的燃料電池汽車無明顯正效益。陳軼嵩等[42]研究表明，要讓電解水法成為大面積制氫的可行方案，不僅要提高能源利用率，還要在關(guān)鍵技術(shù)上取得進(jìn)步。朱昊等[43]的研究指出，工廠焦?fàn)t煤氣制氫在所研究的制氫方法中的總能耗和溫室氣體排放量較低，氫氣運(yùn)輸距離對生命周期評價(jià)結(jié)果的影響很大。Ren 等[44]的研究結(jié)果也顯示，氫的輸送和儲存階段的一次能源消耗和溫室氣體排放不容忽視?？椎卵蟮萚45]通過研究發(fā)現(xiàn)，基于風(fēng)能的電解水制氫能耗和排放較低且經(jīng)濟(jì)效益好。林婷等[46]建立了適用于我國本土的燃料電池汽車燃料生命周期數(shù)據(jù)庫，研究結(jié)果顯示，使用清潔能源制氫，最多可減少燃料生命周期化石能耗和二氧化碳排放90%以上。Xu 等[47]以中國的工業(yè)和運(yùn)輸數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來分析，結(jié)果表明，目前天然氣重整制氫后再使用管道運(yùn)輸高壓氫氣的方案總體環(huán)境效益最好。

2.2.2 對不同車輛技術(shù)的研究

郭焱等[48]和黃偉等[49]通過研究發(fā)現(xiàn)，燃料電池汽車在空氣污染物的排放上具有明顯優(yōu)勢。在程昊等[50]從與高玉冰等[51]的研究中，燃料電池汽車的WTW 能耗低于以柴油、天然氣和汽油為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車。Wang 等[52]從能源消耗、碳排放、PM2.5、效率和材料的使用等方面對傳統(tǒng)柴油汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車進(jìn)行了分析。方海峰等[53]選取了七款不同類別能源中型貨車為研究對象，基于Gabi 平臺建立計(jì)算模型，并將最終的輸出環(huán)境影響進(jìn)行了比較分析。楊沛豪[54]使用GREET 軟件對美國當(dāng)前市場上的9 款不同品牌不同大小的家用轎車進(jìn)行了生命周期碳排放比較。Wu 等[55]對比了氫燃料電池汽車和甲醇重整嵌入式燃料電池汽車的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性。丁振森等[56]通過MATLAB 建模并計(jì)算分析了燃料電池汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生命周期的能耗和排放差異。

2.2.3 其他方向的研究

除上述研究外，有很多學(xué)者在其他方向上也進(jìn)行了研究。朱昊等[57]在另外一篇文獻(xiàn)中對燃料電池公交車生命周期的能耗和排放進(jìn)行了計(jì)算和分析，使用遺傳算法求解燃料電池公交車最優(yōu)電源配置方案。Li 等[58]建立了生命周期成本(life cycle cost,LCC)模型來評價(jià)交通政策、環(huán)境政策等因素對汽車生命周期成本的影響，并對中國12 個(gè)城市的內(nèi)燃機(jī)汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車的生命周期成本進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車在一線城市具有較強(qiáng)的成本競爭力，在新一線、二線及以下城市，傳統(tǒng)汽車在LCC 中仍有優(yōu)勢。袁飛等[59]從生命周期的角度對燃料電池和內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了對比研究，預(yù)測在汽車行業(yè)燃料電池將會(huì)代替內(nèi)燃機(jī)。

3 存在的問題與建議

目前國內(nèi)外對燃料電池汽車生命周期的分析大多集中在對其生命周期能耗、二氧化碳和有害物質(zhì)排放上，對其成本的分析相對較少。另外，當(dāng)前許多學(xué)者使用生命周期分析方法研究了不同制氫方案對燃料電池汽車的成本和環(huán)境影響，而燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)等能量源系統(tǒng)核心部件生命周期成本、能耗、環(huán)境影響的研究被忽視。再者，當(dāng)考慮燃料電池、動(dòng)力電池以及氫能生命周期的成本、能耗、環(huán)境效益后，燃料電池汽車的能量源系統(tǒng)該如何配置，能量管理策略該如何制定，均有待回答。

生命周期分析方法的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)明顯，但其在國內(nèi)的使用上還存在著一些需要解決的問題。在國內(nèi)的燃料電池汽車生命周期研究中，很多研究的數(shù)據(jù)背景都是基于國外數(shù)據(jù)庫的，由于國與國之間的差異，很有可能對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，需要針對我國的能源與環(huán)境情況，建立適合中國的數(shù)據(jù)庫，才能使研究結(jié)果更為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論與展望

在新能源汽車的發(fā)展中，對燃料電池汽車進(jìn)行生命周期分析是必要的，定量分析 燃料電池汽車各個(gè)階段的能耗與排放等指標(biāo)可為與燃料電池汽車相關(guān)的政策或戰(zhàn)略的制定提供參考。本文綜述了燃料電池汽車的國內(nèi)外生命周期評價(jià)現(xiàn)狀，并針對我國燃料電池汽車生命周期分析中存在的問題與挑戰(zhàn)提出建議：1）國內(nèi)外對燃料電池汽車生命周期成本的分析相對較少，應(yīng)該加強(qiáng)該方面的研究；2）重視能量源系統(tǒng)核心部件生命周期成本、能耗、環(huán)境影響的研究；3）今后需要重點(diǎn)加強(qiáng)關(guān)于燃料電池汽車的能量源系統(tǒng)該如何配置，能量管理策略如何制定方面的研究。最后展望了將來燃料電池汽車生命周期評價(jià)的發(fā)展方向，指出需要針對我國的能源與環(huán)境情況，建立適合中國的數(shù)據(jù)庫，才能使研究結(jié)果更為準(zhǔn)確。

目前我們正處在以清潔低碳為導(dǎo)向的新一輪能源變革中。中國是世界上能源利用效率提升最快的國家，要在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[60]，必須構(gòu)建高效清潔的能源體系。發(fā)展車用新能源，尋找現(xiàn)有傳統(tǒng)燃料的代替品，對于邁向環(huán)境友好型發(fā)展意義非凡。此外，針對復(fù)雜的面向生命周期的燃料電池汽車能量管理問題，如何基于現(xiàn)有研究水平提高和完善能量管理算法的優(yōu)化性能和理論體系，是當(dāng)前能量管理控制發(fā)展亟需解決的重要挑戰(zhàn)。