基于GREET模型的氫燃料電池機車全生命周期碳排放與能耗分析

錢思達，李 雷

（陜西科技大學 經(jīng)濟與管理學院，陜西 西安 710021）

0 引言

截至2021年，我國鐵路營業(yè)里程已達15.07萬km，國家鐵路貨車擁有量已達912 735 輛，鐵路貨運量達477 372 萬t，呈現(xiàn)連年遞增態(tài)勢[1]。2021 年全國能源消費總量52.4 億t 標準煤，比上年增長5.2%。天然氣、風電、水電、核電、太陽能發(fā)電等清潔能源消費量占能源消費總量的比例達到25.5%，上升1.2個百分點[2]。我國鐵路部門目前的能源結(jié)構(gòu)依然以電力、柴油、煤為主，缺少其他清潔能源機車的相關(guān)拓展，節(jié)能減排壓力日漸增大。就鐵路部門的能源清潔化提出一種可行方案：推動氫燃料電池機車的發(fā)展。氫可用于車載氫燃料電池，氫燃料電池機車與內(nèi)燃機車相比具有更高的能量轉(zhuǎn)換率，并且可以實現(xiàn)零尾氣污染物排放，氫氣為石油及其衍生物提供了一種替代品。氫燃料電池汽車系統(tǒng)如圖1所示。

相比氫燃料電池機車，氫燃料電池在汽車上已經(jīng)獲得了一定范圍的應(yīng)用，如圖1 氫燃料電池汽車主要由6 個部分組成：氫氣儲罐、進氣系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)、動力控制單元、電池、電動機。氫氣化學能是通過質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)轉(zhuǎn)換成電能的。氫氣和空氣中的氧氣由機載進氣系統(tǒng)推動混合，當它們通過燃料電池堆時，通過電化學過程產(chǎn)生電力，這個過程的唯一副產(chǎn)品就是水蒸氣，它會從燃料電池堆中噴射到大氣中。因此，在行駛過程中，氫燃料電池汽車不會排放任何溫室氣體(GHG)或標準空氣污染物(CAPs)形式的尾氣。燃料電池產(chǎn)生的電力由動力控制單元管理，根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)和使用。根據(jù)氫燃料電池汽車的運行條件或電力需求，電源控制單元可以為電池充電、為電機供電或兩者兼有。雖然電池不是氫燃料電池汽車的主要電源，但它可以存儲多余的電力，使得燃料電池可以在接近峰值效率的情況下運行，并支持車輛的其他功能。電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，推動車輛前進[3]。

在氫燃料電池機車的應(yīng)用方面，歐美國家發(fā)展較快。歐洲在2004 年成立了氫創(chuàng)新和研究中心(HIRC)，研究氫燃料電池客運機車[4]。法國阿爾斯通公司制造的氫動力機車Coradia iLint 是世界上第一臺氫燃料電池驅(qū)動客運機車，最高速度可達140 km/h[5]。美國伯林頓北方圣太菲鐵路公司(BNSF)在2008年1月啟動燃料電池調(diào)車機車項目，是北美地區(qū)第一家開始這一項目的I 級鐵路公司；我國也在大力發(fā)展氫燃料電池機車技術(shù)，2013年我國第一臺氫燃料電池電動機車“藍天”號，由西南交通大學研制成功。2017年，由中車唐山機車車輛有限公司研制的世界首列氫燃料電池有軌電車實現(xiàn)載客運營[6]。我國的“氫龍一號”大功率氫能源調(diào)車機車于2022 年10 月進行了首發(fā)試驗運行，這是我國在重載鐵路大功率氫能源動力裝備的市場化運用方面取得重大突破的標志。

關(guān)于鐵路部門排放與能耗情況已有學者進行了相關(guān)研究，任南琪等[7]認為電力作為鐵路運輸部門的重要能源類型，也是鐵路部門產(chǎn)生碳排放的主要來源之一，如何提高清潔能源對電力的替代、減少電力的使用，減少牽引能耗碳排放和非牽引能耗中的鐵路站段運維產(chǎn)生的碳排放，是未來鐵路運輸部門布局碳減排的研究重點。于克美等[8]發(fā)現(xiàn)客運和貨運2 種類型的鐵路運輸所需要的資源與條件相差較大，影響計算的碳排放效率值。

關(guān)于車輛碳排放與能耗的測算，國內(nèi)外學者普遍采用美國阿貢國家實驗室的GREET 模型(The Greenhouse Gas， Regulated Emissions， and Energy Use in Transportation Model)和生命周期評價方法，Burnham 等[9]利用該模型測算了輕型電動汽車和汽油汽車在美國不同州的不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的環(huán)境效益，發(fā)現(xiàn)車輛的環(huán)境效益會基于不同的電網(wǎng)組合而有所不同。蔣鼎立等[10]利用GREET 模型對傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車、插電混合動力汽車與純電動汽車進行生命周期內(nèi)的能源消耗和污染物排放評價?？椎卵蟮萚11]運用最新發(fā)布的GREET 軟件對燃料電池汽車不同制氫路徑進行了全生命周期的燃料、能耗與經(jīng)濟性評估。

國內(nèi)外已有學者使用全生命周期方法對氫燃料電池汽車的排放和能耗進行研究，Liu 等[12]發(fā)現(xiàn)氫燃料電池電動汽車(HFCEVs)的運行效率高于汽油傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車(ICEVs)，其尾氣污染物排放量為零，但是氫燃料電池汽車的“井輪”(Well-to-Wheels，WTW)結(jié)果對于制氫的電力來源很敏感。金莉娜等[13]利用GREET 模型和WTW 體系對新能源汽車的全生命周期環(huán)境與經(jīng)濟效益進行分析，發(fā)現(xiàn)在相同的技術(shù)水平與能源結(jié)構(gòu)下，新能源汽車相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的節(jié)能效果更佳。王恩慈等[14]采用控制變量的方法分析了傳統(tǒng)汽車和新能源汽車在排放量和能耗方面的差異，研究發(fā)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)和電源結(jié)構(gòu)對新能源汽車的環(huán)境影響意義較大。相關(guān)研究表明電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對新能源汽車的節(jié)能減排效果至關(guān)重要，因此電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的清潔化就顯得尤為重要。

綜合現(xiàn)有的文獻資料，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外學者對于氫燃料電池汽車全生命周期的碳排放與能耗和鐵路部門碳排放的研究已取得了一定的成果，但沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于氫燃料電池機車全生命周期碳排放與能耗分析的研究，因此利用GREET 模型和WTW 評價體系，對氫燃料電池機車的能源消耗以及碳排放情況進行計算，并對比分析評價內(nèi)燃機車和電力機車的節(jié)能減排效益，為鐵路部門的能源清潔化提供相關(guān)建議。

1 研究方法

1.1 生命周期評價法

生命周期評價(Life Cycle Assessment，LCA)是一種評估產(chǎn)品在其全生命周期中對環(huán)境產(chǎn)生影響的技術(shù)和方法。近年來，國內(nèi)外許多學者對傳統(tǒng)內(nèi)燃機車和新能源機車在全生命周期中的節(jié)能減排效益做了比較分析。生命周期評價實施步驟如圖2所示。

圖2 生命周期評價實施步驟Fig.2 LCA implementation steps

關(guān)于車輛的生命周期評價，許多研究機構(gòu)根據(jù)不同的燃料路徑和汽車技術(shù)開發(fā)了實用化模型，包括GREET 模型、DFE 模型、EIO-LCA 模型(Economic Input-Output Life Cycle Assessment)、Tsinghua-LCAM模型和E-balance模型等[13]。其中，GREET 模型和WTW 評價體系目前在能源領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。WTW 評價體系可以分為燃料生產(chǎn)(Well-to-Pump，WTP)和車輛使用(Pump-to-Wheel，PTW) 2 個階段，研究車輛燃料整個生產(chǎn)和使用過程中的能源消耗量、相關(guān)的污染物排放和溫室氣體排放，并對各個具體階段進行對比分析，能夠更直觀地顯示車輛對于環(huán)境改善的積極作用。WTW 燃料周期如圖3所示。

圖3 WTW燃料周期Fig.3 WTW fuel cycle

使用WTW 評價體系和GREET 模型，根據(jù)生命周期評價理論，從機車的碳排放和能耗2 個方面，分別計算內(nèi)燃機車、電力機車和氫燃料電池機車的碳排放和能耗情況。

1.2 GREET模型

GREET 模型擁有規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)庫，涵蓋了各種燃料的生產(chǎn)、運輸和使用路徑，以及交通運輸工具信息，支持研究人員通過修改邊界條件和參數(shù)來評估不同交通技術(shù)條件下的的全生命周期的排放和能耗情況。GREET 模型對于氣體排放量的主要計算方法為

式中：(TE)i為給定過程中使用能源j時污染物i的總排放量；(CE)i，j為燃燒能源j的污染物i的排放；(UE)i，j為用于生產(chǎn)和分配能源j相關(guān)過程中污染物i的上游排放；(EC)j為給定過程中能源j的消耗量[15]。

GREET 模型對于軌道交通行業(yè)的適用性體現(xiàn)如下。

（1）GREET 模型可以分析不同類型的軌道交通系統(tǒng)的能源消耗，并比較不同車輛、路線和能源配置的效率。

（2）GREET 模型可以估計軌道交通系統(tǒng)相關(guān)的溫室氣體排放，如二氧化碳、氮氧化物和顆粒物排放。這有助于評估軌道交通對空氣質(zhì)量和氣候變化的影響，并支持相關(guān)政策和決策制定。

（3）GREET 模型可以幫助評估不同的能源配置方案對軌道交通系統(tǒng)的影響，進而指導軌道交通系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)和材料

2.1 研究對象的選取

目前技術(shù)水平下氫燃料電池機車的最高速度只有140 km/h，并不能滿足多數(shù)人快速通勤的需求，因此在長距離客運方面的優(yōu)勢不大。鐵路貨運對速度的要求相對客運并不高，氫燃料電池機車運行過程可實現(xiàn)“零排放”的優(yōu)勢可以在傳統(tǒng)貨運機車中脫穎而出，同時更具實用性，因此選取氫燃料電池貨運機車作為研究對象。由于目前通用的機車類型為電力機車和內(nèi)燃機車，因此選取這2 類機車作為對照組來比較氫燃料電池機車的節(jié)能減排效果。為了保證研究結(jié)果的準確性和研究價值，鑒于中國和美國都是以化石燃料為主的國家，能源結(jié)構(gòu)具有相似性，依據(jù)GREET 模型中美國較為成熟的車輛與能源數(shù)據(jù)分析這種能源結(jié)構(gòu)下的能耗與排放特征，為分析氫燃料電池機車的節(jié)能減排效果和可行性提供參考依據(jù)。在參數(shù)選取方面選擇了載荷、消耗、城市區(qū)域占比、燃料路徑作為變量進行研究。

2.2 WTP階段的碳排放與能耗

（1）氫氣的WTP階段碳排放與能耗。氫氣的生產(chǎn)方法有化石燃料制氫、蒸汽甲烷重整制氫(SMR)、光催化制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和電解水制氫等。在SMR 生產(chǎn)途徑中，天然氣中的甲烷在一個極高的溫度(700~1 000 ℃)和3~25 bar的壓力下反應(yīng)生產(chǎn)氫氣和一氧化碳，以及相對少量的二氧化碳。這一步之后是“水氣交換反應(yīng)”，一氧化碳和水蒸氣在催化劑的作用下產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳和額外的氫氣。第三步是“變壓吸附”，二氧化碳和其他雜質(zhì)被去除，留下高純度(>99.999%)的氫氣用于燃料電池應(yīng)用。

水氣交換反應(yīng)

SMR 技術(shù)利用甲烷和水蒸氣在高溫及催化劑條件下的反應(yīng)，是一種成本很低的制氫方式，但是制氫過程中會產(chǎn)生大量碳排放，若與碳捕獲與封存技術(shù)(CCS)結(jié)合可減少約80%的碳排放，但會大大提高制氫成本。

中國科學院大連化學物理研究所衣寶廉院士提出電解水制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫是2 種清潔制氫的有效方式[16]，并指出電解水制氫能有效解決可再生能源波動性問題，隨著可再生能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比不斷加大，未來電解水制氫會被大量使用。在可再生能源中只有太陽能和生物質(zhì)能既能發(fā)電又能制氫，而其他可再生能源只能先發(fā)電再使用電解水方式制氫。

基于本研究的前期試驗結(jié)果，核能制氫條件下氫燃料電池機車的能耗與碳排放是各種制氫方式下最低的。核能制氫方法主要是利用高溫氣冷堆提供高溫工藝熱然后利用核電進行電解水流程(在800 ℃下高溫電解理論效率高于50%)。核能是清潔的一次能源，核能制氫已經(jīng)發(fā)展成為一種清潔、成熟、安全的技術(shù)，它將核反應(yīng)堆與先進的制氫工藝結(jié)合，實現(xiàn)大規(guī)模高效制氫。與傳統(tǒng)制氫方法相比，核能制氫具有規(guī)模大、效率高和無溫室氣體排放等優(yōu)點。盡管核能制氫擁有以上優(yōu)勢，但核電廠的安全性與廢料處理問題也應(yīng)當受到充分重視并得到妥善解決。考慮的核能制氫利用核電站清潔的核電和核熱進行電解過程，以達成最清潔高效的制氫流程。

（2）電力的WTP 階段碳排放與能耗。電力的WTP 階段碳排放與能耗主要集中在火力發(fā)電階段，水電、核電、風電、太陽能發(fā)電等清潔發(fā)電過程幾乎不會產(chǎn)生碳排放與能耗?；鹆Πl(fā)電是利用可燃物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)化成電能的一種發(fā)電方法?；鹆Πl(fā)電方式按使用的燃料劃分，主要包括燃煤發(fā)電、燃氣發(fā)電和燃油發(fā)電?；鹆Πl(fā)電的主要排放物有二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳等。

（3）柴油的WTP 階段碳排放與能耗。柴油主要由原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、石油焦化等過程生產(chǎn)的柴油餾分調(diào)配而成，也可由頁巖油加工和煤液化制取。每噸柴油生產(chǎn)階段的溫室氣體排放為0.263 8 tCO2e/t[17]。

2.3 PTW階段的碳排放與能耗

氫燃料電池機車和電力機車在PTW 階段由于未使用化石燃料，因此都可以實現(xiàn)零碳排放，只有柴油動力內(nèi)燃機車在車輛運行過程中會產(chǎn)生碳排放。電力機車使用電機將電能轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動機車運行，氫燃料電池機車則通過電化學反應(yīng)產(chǎn)生電力再由電機將電力轉(zhuǎn)化為動能從而驅(qū)動機車運行。內(nèi)燃機車通過燃燒柴油推動活塞做功從而驅(qū)動機車運行，其排放物主要為顆粒物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫等。

3 結(jié)果與分析

3.1 氫燃料電池機車全生命周期碳排放分析

使用控制變量的方法分別計算各類機車的碳排放與能耗，在建模時只對GREET 模型中的能源與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行修改，選取4 種類型的機車進行對比，計算分析其全生命周期的碳排放與能耗情況。其中電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與柴油的燃料路徑都采用模型中美國的原生數(shù)據(jù)不做修改，美國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如表1 所示，占比最大的是火力發(fā)電，其次是核能發(fā)電。由于中美兩國之間存在差異，最終的計算結(jié)果會存在一定的誤差。例如：盡管兩國的能源結(jié)構(gòu)中都有相當大的化石燃料占比，但美國的能源結(jié)構(gòu)中核能的占比相比我國更高，這種差異可能會導致能耗與排放結(jié)果的微小差異，但不影響對總體趨勢的評估。為了方便比較，所有貨運機車的城市區(qū)域占比均設(shè)置為0.1、載荷均設(shè)為1 t。

表1 美國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)%Tab.1 U.S. grid structure

根據(jù)模型設(shè)定，利用GREET 軟件計算得到氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車的碳排放如表2所示。

表2 氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車的碳排放g/kmTab.2 Carbon emissions from hydrogen fuel cell trains, electric trains and diesel trains

（1）全生命周期碳排放分析。由實驗結(jié)果可知采用核能制氫流程的氫燃料電池機車與電力、柴油機車和電網(wǎng)制氫流程的氫燃料電池機車的碳排放情況有顯著差異。各類機車的二氧化碳全生命周期排放量由大到小排序分別為電網(wǎng)制氫的氫燃料電池機車、內(nèi)燃機車、電力機車和核能制氫的氫燃料電池機車，即采用核能制氫的氫燃料電池機車的碳排放最少。核能制氫的氫燃料電池機車的全生命周期碳排放，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機車減少約98%，相比電力機車減少約96%。電力機車的全生命周期碳排放相比內(nèi)燃機車減少約45%，而采用電網(wǎng)制氫的氫燃料電池機車的碳排放是所有車型中最高的，雖然該車型在PTW階段的碳排放為0，但是由于其制氫流程使用的是電網(wǎng)的電力，而電網(wǎng)中火力發(fā)電仍占有很大的比重，所以該種車型的碳排放水平甚至高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機車。

（2）WTP 階段碳排放分析。在WTP 階段，核能制氫的氫燃料電池機車碳排放最少，其次是傳統(tǒng)內(nèi)燃機車，而電力機車和電網(wǎng)制氫的氫燃料電池機車的碳排放最多，因為電力機車主要在WTP 階段完成能源轉(zhuǎn)電力的過程，而電網(wǎng)制氫也需要在WTP 階段完成能源轉(zhuǎn)電力再轉(zhuǎn)氫能的過程，所以這2種車型的WTP階段碳排放最多。

（3）PTW 階段碳排放分析。在PTW 階段，氫燃料電池機車和電力機車的碳排放都為0，而內(nèi)燃機車約84.5%的碳排放都產(chǎn)生于該階段。綜合機車兩階段碳排放情況可以發(fā)現(xiàn)，就目前的交通運輸條件、技術(shù)水平和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)而言，要想通過推廣氫燃料電池機車來達到減少鐵路部門碳排放的目的，最重要的是大力推廣利用清潔能源制氫技術(shù)，相較于制氫效率較低的太陽能催化和生物質(zhì)能制氫方法，核能制氫是一種高效、清潔、成熟的方式，可以做到大規(guī)模裝備，達到最佳的減排效果。

3.2 氫燃料電池機車全生命周期能耗分析

借助GREET 模型，利用控制變量法分別計算4 類機車每百公里的全生命周期能耗情況，氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車全生命周期能耗情況如表3 所示，氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車全生命周期能耗情況如圖4所示。

表3 氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車全生命周期能耗情況kJ/萬kmTab.3 Full life cycle energy consumption of hydrogen fuel cell trains, electric trains, and diesel trains

圖4 氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車全生命周期能耗情況Fig.4 Full life cycle energy consumption of hydrogen fuel cell trains,electric trains, and diesel trains

（1）全生命周期能耗分析。由圖4 可知，氫燃料電池機車的全生命周期總能耗相比內(nèi)燃機車低19.67%，與電力機車相近。雖然核能制氫的氫燃料電池機車的總能耗略高于電力機車，但由于其使用的清潔核能達到了165.40 kJ/萬km，占總能耗的97%，而化石燃料消耗僅占總能耗的2.5%，所以該車型對于化石燃料的消耗較傳統(tǒng)內(nèi)燃機車減少98%，較電力機車減少96%，而電力機車較內(nèi)燃機車的化石燃料消耗僅減少約44%。綜合來看核能制氫的氫燃料電池機車的節(jié)能減排效益和環(huán)境效益是最佳的。

（2）WTP 階段能耗分析。核能制氫的氫燃料電池機車在WTP 階段消耗的化石燃料最少，僅為內(nèi)燃機車的2%；電力機車在WTP 階段消耗的化石燃料為內(nèi)燃機車的56%；而電網(wǎng)制氫的氫燃料電池機車在WTP 階段消耗的化石燃料則是內(nèi)燃機車的161%，其環(huán)境效益最差。這是因為美國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍有很大部分由火力發(fā)電組成，電網(wǎng)發(fā)電過程會消耗大量的化石燃料，因此不論是采用電網(wǎng)電解制氫流程的氫燃料電池機車還是使用電網(wǎng)的電力機車，能否真正達到節(jié)能減排效果都與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的“清潔程度”息息相關(guān)。

（3）PTW 階段能耗分析。核能制氫的氫燃料電池機車、電網(wǎng)制氫的氫燃料電池機車、電力機車和內(nèi)燃機車在PTW 階段的能耗分別占其總能耗的71.8%，28.2%，49.2%和84.6%。我國的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與美國類似，火力發(fā)電占比仍居高不下，因此目前來看采用核能制氫流程是值得考慮的節(jié)能方法，若僅僅推廣氫燃料電池機車而不對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或制氫方式進行調(diào)整，會導致氫燃料電池機車的節(jié)能減排效果大打折扣。

4 結(jié)束語

研究氫燃料電池機車全生命周期的碳排放與能耗對于實現(xiàn)我國鐵路部門節(jié)能減排和“雙碳”目標具有重要意義。通過本研究的測算與分析發(fā)現(xiàn)氫燃料電池機車從長期來看擁有巨大的潛力，與內(nèi)燃機車和電力機車相比具有更高的能源利用率以及更低的碳排放。不同的制氫技術(shù)對氫燃料電池機車的能耗與碳排放會產(chǎn)生重要影響，未來持續(xù)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化制氫技術(shù)可以進一步提升列車的節(jié)能減排能力。