基于全生命周期評價的燃料電池汽車用氫的制氫路徑

張真 苗乃乾 黎妍 云祉婷

摘要：在全生命周期評價方式下，對燃料電池汽車用氫在天然氣蒸汽重整制氫、現(xiàn)場天然氣蒸汽重整制氫、焦?fàn)t煤氣制氫、電解水制氫四種制氫路徑的能耗和污染排放情況進行了分析，發(fā)現(xiàn)在使用長管拖車運氫的前提下，這四條制氫路徑中能效最高、能耗和溫室氣體排放最低的制氫路徑為焦?fàn)t工廠煤氣制氫法。基于此進行分析研究發(fā)現(xiàn)：如果和煉焦工業(yè)的距離比較遠，但是距離天然氣資源比較豐富的地區(qū)近，可以選擇使用天然氣蒸汽重整制氫的方式；如果氫氣運輸?shù)木嚯x比較長，那么采用天然氣蒸汽重整制氫的方式會更加合理；如果距離可再生能源非常豐富的地區(qū)比較近，則可以選擇通過可再生能源發(fā)電來使用工廠電解水制氫的方式進行氫能源的制作。

關(guān)鍵詞：全生命周期；燃料電池；制氫；汽車

中圖分類號：U473.4 ?收稿日期：2023-04-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.002

1 前言

為了減少對環(huán)境造成的污染，新能源汽車得到了大力發(fā)展。其中燃料電池汽車因其污染物排放量非常低，及高效率優(yōu)勢得到了社會廣泛關(guān)注，在未來發(fā)展中有著非常廣闊的前景。燃料電池汽車在行駛過程中并不會排放污染物，但是在氫燃料的生產(chǎn)運輸過程中會產(chǎn)生能源消耗和污染。在生產(chǎn)氫燃料時可以通過煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、副產(chǎn)氫提純、電解水制氫，以及生物制氫等方式來獲取燃料電池汽車所用的氫燃料。所以，本文基于全生命周期評價的方式來對燃料電池汽車生命周期不同階段下的能源消耗、污染物排放等進行了分析，研究結(jié)論可為我國燃料電池汽車、氫能基礎(chǔ)設(shè)施、氫氣來源等的分析研究提供參考。

2 全生命周期介紹

全生命周期主要包括了兩個階段，一是上游燃料生產(chǎn)階段，二是下游燃料在車輛中的消耗階段[1]。本文研究中主要對能源的損耗和污染物排放兩部分進行了探討，比如，汽車燃料的生產(chǎn)，一次性能源的開采、加工、運輸，車輛使用燃料的運輸、存儲和添加，以及燃料電池汽車在行駛過程中的相關(guān)情況，具體系統(tǒng)邊界如下：

WTP：一次能源開采、加工→一次能源運輸、存儲、分配→燃料加工、生產(chǎn)→燃料運輸、存儲、分配→PTW：車輛行駛

3 制氫工藝方法

3.1 天然氣工廠蒸汽重整制氫法分析

天然氣工廠蒸汽重整制氫方法是先把天然氣放置到350～400 ℃的溫度和1.0～1.5 MPa的壓力條件下，然后利用脫硫劑對有機硫和硫化氫進行脫離，一般情況下有機硫和硫化氫脫硫后的比重要控制在0.2×10-6以內(nèi)；之后，再在水蒸氣環(huán)境中對其進行預(yù)熱處理，并添加一些催化劑把烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料電汽車所需要的氫原始材料，然后利用變壓吸附的方式獲取純度比較高的氫氣。天然氣工廠蒸汽重整制氫方法轉(zhuǎn)化氫材料的有效率高達70%以上，并且在使用這些燃料過程中天然氣占比在99.8%左右，而電能源所占比重不足0.2%[2]。一次能源與燃料的生產(chǎn)過程能源運輸方式如表1所示，電能源的損耗為100%。

3.2 天然氣現(xiàn)場蒸汽重整制氫法分析

加氫站現(xiàn)場制氫法主要是利用小型天然氣蒸汽重整設(shè)備進行原材料脫硫處理、一氧化碳變換處理、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化處理、變壓吸附提純的[3]。在此過程中所需要消耗的天然氣燃料為99.8%左右，而電能不到0.2%，但是，這種天然氣現(xiàn)場蒸汽重整制氫工藝并沒有蒸汽對外輸出回收利用流程，這樣在進行能量轉(zhuǎn)化過程中所獲得的效率比較低，一般在62%左右。

3.3 焦?fàn)t工廠煤氣制氫法分析

焦?fàn)t工廠煤氣制氫方法中使用的焦?fàn)t煤氣是煉焦生產(chǎn)中的一種副產(chǎn)物，氫氣所占的比重為54%～59%，借助變壓吸附的方式獲得純度更高的氫氣。變壓吸附工藝使用中包括了六個流程，如冷凍精華分離、原料壓縮、脫硫壓縮、變壓吸附脫碳烴、變壓吸附制氫，以及脫氧等流程。在變壓吸附工藝的支撐之下制氫的效率可以達到60%～80%，而其中所需要消耗的原煤為67%左右，電能損耗則在33%左右。

3.4 電解水制氫法分析

電解水制氫工藝在制氫時，主要損耗的能源是電能，其損耗率高達100%[4]。從我國的電力結(jié)構(gòu)情況來看，如表2所示，電能輸配損失率在6.5%左右，本文的分析是按照72%來進行電解水制氫效率分析的。

生產(chǎn)制作出的氫氣在壓縮機加壓到15 MPa之后，可以在長管拖車中存儲運輸，這一存儲過程需要消耗比較多的電能源，壓縮效率會在94%左右。燃料電池汽車車載氫氣鋼瓶的壓力一般情況下為35 MPa或70 MPa，并且如果長管拖車從工廠到加氫站的運輸距離按照100 km計算的話，氣在被運輸?shù)綒湔局笮枰M行加壓處理，這樣才可以達到加注的要求，此過程也需要損耗一定電能。

在本文的研究中，能源消耗階段使用的行駛工況是按照美國環(huán)境保護局所公布測試的工況來進行分析的，使用的車輛為豐田燃料電池汽車，該輛車每100 km所需要的氫氣能耗在1.12 kg左右。

4 不同制氫路徑下全生命周期評價能效和能耗

圖1所示為不同制氫路徑下燃料電池汽車的全生命周期能量消耗和能源消耗情況。在四條氫能路徑中，工廠焦油煤氣制氫在上游燃料生產(chǎn)階段的能耗最高，超過了45%；之后為工廠天然氣蒸汽重整制氫工藝，以及天然氣現(xiàn)場蒸汽重整制氫工藝，這兩種工藝的效率分別為44%和42%，工廠天然氣蒸汽重整制氫工藝中使用的均是一些大型的制氫設(shè)備，所以其效率要比天然氣現(xiàn)場蒸汽重整制氫工藝高出9%左右，但工廠天然氣蒸汽重整制氫工藝需要將氫氣運輸?shù)郊託湔局?，這樣兩者的總能效就比較接近[5]。在發(fā)電效率和電解水低效率的干擾下，現(xiàn)場電解水制氫工藝在四條氫能路徑中的能源消耗率將是最少的，僅為19%。

現(xiàn)場天然氣蒸汽重整制氫和工廠天然氣蒸汽重整制氫，以及工廠焦?fàn)t煤氣制氫的全生命周期中的總能耗比較相似，分別為3.2 MJ/km、3.1 MJ/km，以及2.9 MJ/km。另外，從中也可以發(fā)現(xiàn)電解水制氫法需要消耗大量的氫能源，全生命周期下總能耗會達到7.1 MJ/km，主要是因為生命周期下的燃煤發(fā)電和電解水環(huán)節(jié)都需要消耗非常多的能源。

另外，在我國電解水制氫路徑制取的氫氣并非全是綠氫，主要是因為我國電力結(jié)構(gòu)中有70%左右是火電。現(xiàn)場天然氣蒸汽重制氫工藝所需要的機械設(shè)備規(guī)模比較小，制氫的效率并不高，天然氣的消耗量要高于集中制氫工廠的方式[6]。但是，現(xiàn)場天然氣制氫中沒有工廠氫氣壓縮和長管拖車運輸流程，這樣所需要消耗的燃油制品和電能就要比工廠天然氣制氫少很多，煤和石油消耗量也就比較低。工廠焦?fàn)t煤氣制氫中所需要煤能耗為83%左右，石油和天然氣能源需要的損耗比較少。

5 焦?fàn)t煤氣來源、可再生能源發(fā)電、氫氣運輸距離的敏感性情況

5.1 焦?fàn)t煤氣敏感性

一般情況下每生產(chǎn)1 t的焦炭可以伴生出430 m3的焦?fàn)t煤氣，但是，如果伴生的焦?fàn)t煤氣可以直接作為制氫原料的話，在不考慮焦化和上游煤炭開采、運輸、洗選等環(huán)節(jié)中損耗和排放情況，工廠焦?fàn)t煤氣制氫路徑通過長管拖車的方式將氫燃料運輸?shù)郊託湔镜脑挘凑?00 km來計算，新焦?fàn)t煤氣制氫路徑下實際能耗和排放量要比天然氣蒸汽重整制氫明顯低很多，能耗和排放分別為30%和27%，溫室氣體排放量的降幅分別為64%和62%。

5.2 可再生能源發(fā)電情況

我國電力結(jié)構(gòu)中煤電所占的比重比較大，所以造成電解水制氫的能耗和排放比較高。據(jù)中國電力年鑒2019年內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，如果電解水制氫所使用的電能主要來源于可再生能源發(fā)電，并在發(fā)電周圍建立工廠電解水制氫，這樣長管拖車把氫燃料運輸?shù)郊託湔镜脑?，運輸距離如果按照100 km來計算，這種方式下工廠電解水制氫全生命周期能耗要和現(xiàn)場電解水制氫相比低71.4%，溫室氣體排放量也要比之前低88.6%。相比之下天然氣蒸汽重整制氫和焦?fàn)t煤氣制氫相比，能耗分別降低37.3%、34.2%，以及31.2%，溫室氣體排放則分別降低73.5%、72.0%，以及59.8%。

5.3 氫氣運輸距離情況

利用工廠天然氣蒸汽重整制氫和焦?fàn)t煤氣制氫中使用的長管拖車將制氫后所得到的氫氣運輸?shù)郊託湔荆绻\輸距離按照50 km、100 km、250 km的距離來計算，全生命周期下，距離為250 km的兩種制氫路徑能耗要比50 km的兩種制氫路徑能耗增加8.6%和8.9%，溫室氣體排放量分別增加了9.6%和13.8%，同時，天然氣蒸汽重整制氫路徑的能耗和排放要明顯比天然氣蒸汽重整制氫路徑高很多[7]。

6 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國氫能源的發(fā)展大多是在煉焦工業(yè)區(qū)域周圍，通過焦?fàn)t工廠煤氣制氫的方式來進行氫能源的制作；如果和煉焦工業(yè)區(qū)域相隔較遠，但天然氣能源比較充足，可以采用天然氣工廠蒸汽重整制氫工藝；在工廠制氫的氫氣運輸距離比較遠的地區(qū)，選擇天然氣現(xiàn)場蒸汽重整制氫方式；在可再生能源資源豐富的地方，選擇可再生能源發(fā)電方式，并以此來進行工廠電解水的方式制氫。而這和本文的最終研究結(jié)果非常相近，對我國燃料電池汽車制氫路徑的分析研究有著一定的參考價值和意義。

參考文獻：

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[7]邵志剛，衣寶廉.氫能與燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].中國科學(xué)院院刊，2019，34（4）：469-477.

作者簡介：

張真，女，1980年生，碩士研究生，研究方向為氫能、新能源汽車相關(guān)政策和產(chǎn)業(yè)。