氫燃料電池汽車的前景與當前面臨的挑戰

【日】大槻貴司

受大氣污染、溫室效應等問題的影響，世界各國對汽車提出了進一步節能減排的要求。在該背景下，世界知名汽車制造商重點對純電動汽車（BEV）及燃料電池汽車（FCV）等新能源車型開展了研發工作。出于緩解氣候變化的目的，重點研究了大力推廣氫燃料及FCV的可行性，并充分運用世界能源系統模型，指出了推動FCV普及進程的關鍵在于降低其成本。燃料電池汽車;能源系統;氣候變化

0 前言

氣候變化已逐漸成為世界各國面臨的重要問題。就未來應大力推廣的車型而言，社會各界對行駛時不排放CO2的純電動汽車（BEV）及燃料電池汽車（FCV）有著較高期望。對汽車動力總成系統的選擇會對汽車零部件供應鏈及各國的產業結構產生較大影響，因此也引發了世界各國的高度關注。根據能源系統的優化及逐步降低CO2排放的觀點，本文對汽車未來的發展前景進行了研究，并就FCV的推廣可行性進行了相關分析[1]。

近年來，日本政府率先于2017年制定了針對氫燃料的開發策略。自2018年起，由日本經濟產業省舉辦了關于氫燃料的一系列技術研討會。在2019年9月舉辦的第2次研討會上，研究人員經商討，發表了關于氫燃料與燃料電池的技術指導文件，并提出了發展目標。根據目標要求，各國政府需要在今后的10年間，確保在世界范圍內建成的加氫站總數達到約1萬處，應用于汽車及船舶等載運工具的燃料電池系統達到約1 000萬臺。為了有效利用氫燃料，預計各國政府將繼續公布發展政策及行動措施。

氫燃料是1類二次能源，為了對其用作FCV燃料的技術可行性進行分析，研究人員需要綜合考慮氫燃料的制備、供應與運輸等方面的難點問題，并與BEV等競爭車型進行對比研究。當研究人員在進行綜合評估時，不應忽略系統所涉及到的其他方面。例如，氫燃料并非只能用于車用動力系統，還可應用于發電及供熱等領域。同時，氫燃料的來源較為廣泛，并且受到世界局勢的影響，研究人員在分析過程中應考慮到上述影響因素。作為相關研究手段，研究人員可通過計算機程序構建能源系統模型。

該能源系統模型可通過計算公式以表示相關構成因素間的關聯性，例如可顯示出將一次能源轉換為二次能源的過程。按照該模型的特點，研究人員可將其分為2類，分別為自上而下型與自下而上型（倒置）。本文采用了能具體描述物理量平衡及技術層次的倒置型。該模型主要基于成本最小化的計算過程而設立，從而可對能源技術進行選擇。

1 基于世界能源系統模型對FCV開展的評估

1.1 模型概括

相關研究人員在研究氫燃料及FCV時，按照詳細的區域進行了劃分，并開發出了世界能源系統模型（圖1）。研究人員通過具有363個節點的網絡來對其進行描述，并充分考慮到了能源供給系統、需求位置，以及聯系二者的輸送設備等因素。國內外的高校及研究機構開發出了各式各樣的世界模型，由此為聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）等組織提供了參考依據。本研究模型的區域位置明顯優于其他同類模型。

如上文所述，在對氫燃料的評價過程中，研究人員需要考慮包括原料選擇及運輸基礎設施在內的整個氫燃料供應鏈，通過提高圖像清晰度，使具有較好發展前景的氫燃料及相應的運輸體系成為可能，同時也需要精準地對整個氫燃料供應鏈的成本進行測算。研究人員為此設置了2類節點，分別為“城市節點”與“供應節點”（圖1）。假設能源需要分布于城市節點中，研究人員由此對其他因素進行了充分考慮。

本模型可按照線性規劃問題來進行處理，研究人員將分析區間設定為2015—2050年，并將目標函數設定為在分析過程期間經折算后的系統總成本，并將折算率設定為5%。全新的系統總成本由一次能源的生產、轉換、運輸、節能等方面構成。約束方程式中包括系統資源數量約束、能源供需平衡，以及CO2排放約束等方面，其中約束方程式的數量約為3.0億個，涉及到的變量約為1.5億個，是1類具有龐大規模的線性問題。模型化的能源、物質、技術明細，以及系統結構可參考文獻[1]。

就氫燃料的制取技術而言，研究人員可考慮采用氣化法、甲烷改性法、石油氣化法，以及水的電解法等制取技術。在通過煤、甲烷及石油等物質制取氫燃料時，會產生一定數量的CO2，研究人員為此設置了CO2回收裝置，進而實現低碳化目標。

就氫燃料的輸送技術而言，研究人員針對節點間的氫燃料輸送管線與運輸液化氫的船舶建立了相關模型。為應對氫燃料的消耗，研究人員考慮了如下3方面的因素：

（1）將氫燃料用于發電設備領域;

（2）將氫燃料用于車用動力領域;

（3）將氫燃料用于工業生產及生活供熱等領域。

就氫燃料用于發電設備這一領域而言，未來可能會出現與可再生能源、核能、化石燃料、火力發電等其他技術相互競爭的情況。當汽車以氫能源作為燃料時，也會出現與甲烷等燃料相競爭的情況。

按照動力總成系統的不同，研究人員將乘用車分為9類，將貨車分為8類。同時，研究人員根據燃料特性的差異，針對4種填充設備也建立了相關模型（表1）。客戶可在車輛價格、燃料成本與燃料填充設備成本的基礎上對車型進行選擇。

就該模型中氫燃料的實際價格而言，研究人員可綜合考慮原料供應成本與氫燃料的制造成本，并對氫燃料的運輸成本進行計算，并且應考慮到面向氫燃料及相關技術的稅收與補助金等因素。該特點會對其他

能源及技術也產生同樣的影響。研究人員可依據供應鏈的成本累積情況而推算出相應的能源成本。除去稅費及補助金等理由，該項舉措主要出于以下原因：

（1）為了對成本進行核算，而開展純粹的技術比對研究。

（2）在整個分析過程中，研究人員針對稅費、補助金體系的信息收集過程較為困難。此外，在中長期內，與能源、技術普及狀況相對應的稅收及補助金往往也會出現較大的變動。

1.2 針對仿真分析的前提條件

作為前提條件，本文論述了與汽車及燃料填充設備關聯較為密切的項目。為闡明至2050年的燃料需求目標，研究人員以對每種燃料的需求為基礎，由此進行了相關設定。不過，就汽車而言，研究人員可根據對不同燃料的需求進行區分，以滿足相關的運輸需求。在世界各國，各地區為滿足乘用車及貨車在同一年內的燃料需求，可根據行駛里程等實際情況進行推算。2015年，全世界的汽車保有量為12.6億輛，到2050年這一數據將增加至25.0億輛。

圖2及圖3示出了未來整車成本的設定。假設全世界車型成本相對統一，以美元進行計算，研究人員在對未來車輛進行價格推算的時候，將各車型分解為相關設備，并累積了針對不同設備的成本推測值，同時將汽車的壽命設定為10年。

針對燃料填充設備的建設成本設定也需要實現統一。研究人員假設每處加油站耗資為100萬美元，每處CNG供應站耗資150萬美元，每臺充電樁耗資70萬美元。在分析期間，研究人員假設成本不會發生改變。2015—2030年間，假設加氫站建設成本會由300萬美元降至200萬美元，然后使每處加氫站維持200萬美元的成本不變。由此需要一定數量的燃料填充設備，以便將政策目標作為研究基礎。在研究人員的設定中，每900輛車與1處加氫站相匹配。同時，在估算過程中，研究人員將設施壽命統一設定為20年。

1.3 分析情況

研究人員運用本模型分析了“當前現狀”與“至2050年使大氣溫度降低2 ℃的目標”。這2類情況的差異受由圖4所示的CO2排放上限值的約束。在2015年，全世界源于能源消耗而產生的CO2排放量為8.8 GtC（1 GtC表示燃燒10億t炭產生的CO2排放量）。按照現有的政策趨勢發展，到2050年，每年的CO2排放量可容許增加到12.0 GtC。為進一步實現至2050年使大氣溫度降低2 ℃的目標，到2050年，每年的CO2排放量必須要降至2.9 GtC。為滿足當前提出的CO2減排要求，部分國家設定了明確目標，相比2015年的情況，2050年的CO2排放量必須減少80%。

1.4 計算結果

1.4.1 基于環境大氣溫度上升而對汽車技術的選擇

圖5～圖7表示了在上述2種情況下，全世界的乘用車與貨車的保有量及電源結構體系。在乘用車領域，由于受車輛價格降低的影響，乘用車的混合動力化及電動化已成為了最佳選擇（圖5）。相比之下，針對FCV的最優方案仍在進一步開發中，但過高的整車價格已成為了制約其推廣普及的重要障礙。圖6為世界貨車的保有量預測。為緩解大氣溫度的上升，整車實現電氣化的優勢較為明顯。至2050年，BEV將達到世界乘用車保有量的30%。圖7所示的發電部門實現了大幅低碳化的目標（在世界總體范圍內使CO2呈現“負排放”的現象），按系統總體最佳的觀點，研究人員認為結合發電部門的低碳化與乘用車電動化的策略優勢最為明顯。換言之，所謂CO2“負排放”是指從大氣中回收CO2。如圖7所示，其中可實現CO2回收、儲存的生物質發電過程（CCS）是能有效實現CO2“負排放”的1項技術。目前，該項技術不確定性依然存在，研究人員需要重點解決該項問題。

按乘用車的分析結果（圖5），至2050年，以汽油為燃料的HEV將在乘用車中占據50%的份額。在本分析中，研究人員通過假設，使傳統汽油車向HEV進行轉換，并設定單位運輸量的能源消耗可減少約40%。除了使其保有較好的燃油經濟性之外，由于汽油HEV的車輛成本相對較低（圖2），所以就2050年而言，研究人員認為其依然具有較高的成本優勢。

考慮到總保有量等問題，研究人員尚無法對BEV及FCV在貨車中的應用前景得出結論，但就以柴油為動力的HEV型貨車而言，相關研究人員認為這是1類可有效改善排放的對策（圖6）。到2050年，燃用柴油的HEV型貨車將占據貨車總保有量的90%左右。BEV型貨車及FCV型貨車將作為全新技術，正在引起社會各界的關注。至2050年還有近30年的時間，各國政府依然可有效利用原有的石油供應基礎設施及混合動力技術，由此向BEV型貨車及FCV型貨車順利過渡。該項方案同樣也可應用于乘用車領域。

1.4.2 擴大乘用FCV普及范圍

研究人員針對至2050年使大氣溫度降低2 ℃的目標與降低CO2排放的約束條件進行了研究。FCV型乘用車的燃料成本通常可分為5種情況（圖8），就車輛價格而言，有4種情況，因此其靈敏度分析過程共有20種情況。就燃料成本而言，研究人員按照氫燃料制取技術與液化氫運輸過程的特點，選取2015—2050年的時間段，并設定了如下5種情況：（1）氫燃料價格不變;（2）氫燃料價格降低30%;（3）氫燃料價格降低50%;（4）氫燃料價格降低70%;（5）氫燃料價格降低90%。

針對FCV車輛成本，研究人員認為，到2040年的成本將與圖2中的設定相同，同時針對至2050年的要求，設定了以下4種情況：（1）FCV價格為2.7萬美元/輛;（2）FCV價格為2.2萬美元/輛;（3）FCV價格為2.1萬美元/輛;（4）FCV價格為2.0萬美元/輛。

在此，研究人員假設車輛成本如情況3設定，到2050年，乘用FCV價格與BEV相近。如果研究人員以車輛成本情況4進行假設，到2050年FCV價格已降低到與燃用汽油的HEV相近的水平。相關研究表明，各國政府如要推動FCV型乘用車的普及進程，應考慮降低FCV的成本比降低氫燃料的供應成本更具效果（圖8）。例如，在FCV采用標準價格及FCV價格為2.2萬美元/輛的情況下，無論氫供應成本或高或低，引進的FCV數量均會受到限制。在FCV價格為每輛2.1萬美元及2.0萬美元等情況下，依然可看出，即便氫燃料供應條件要求較高，未來仍有望引進約4.8億輛FCV。在FCV型乘用車的全壽命周期中，車輛價格會起到支配性的作用，降低車輛價格有利于擴大FCV型乘用車的應用范圍。

2 總結

作為應對不斷變化的政策，本文介紹了推動氫燃料及FCV普及進程的可能性，同時基于詳細的地區劃分而建立起了世界能源系統模型，并由此得出了一系列研究成果。作為本文研究的主要問題，如為了擴大FCV型乘用車的普及范圍，降低車輛成本已成為1項亟待解決的關鍵問題。

就推廣FCV時所面臨的主要技術問題而言，研究人員認為布設加氫站需要高額的投資，但車輛自身的成本也是1項重要問題。從總成本的角度來考慮，可知由于FCV成本較高，相應制約了其普及過程。如政府需要普及價格為每輛700萬日元的FCV以替換預設價格為每輛250萬日元的汽油型HEV，則購車時每輛車增加的成本為450萬日元。在該情況下，推廣1 000萬輛FCV時所產生的成本為45萬億日元。同時，假設日本政府可通過建設加氫站（每處3億日元）以替代傳統加油站（每處1億日元），相應增加的經濟成本為2萬億日元。由于整車成本與建設加氫站所需的成本相差較大，即便建設了足夠數量的加氫站，普通消費者如果不能購入FCV，也就無法對氫燃料進行充分利用。正如上文所述，降低FCV的成本依然是1項較為重要的課題。

通過對以能源系統分析為基礎的相關問題進行了討論，本文研究了普及FCV的可能性。研究人員認為，推動FCV的普及進程，應充分解決車輛成本等方面的問題。在FCV的推廣中存在許多制約條件，研究人員通過對相關條件進行研究，由此可對FCV的推廣方案進行優化，具體可以從以下3個角度進行分析。

（1）購車消費者在選擇車型時所帶來的影響。在現實生活中，來自各階層的消費者在購買汽車時，會對車型性價比進行綜合考量，而本研究中未對此類因素進行重點考慮。續航里程較長且燃料填充時間較短是FCV的優勢，將有利于其未來的發展。

（2）采用新技術及新服務。在本分析中并未考慮未來的共享服務及自動駕駛技術所帶來的影響。當上述技術得以充分普及時，各汽車的續航里程及行駛時間會相應增加，成本相對較高的FCV也有其獨到的優勢。

（3）從經濟角度進行考慮，本文提到的世界能源系統模型是1類僅以能源供需為研究對象的局部均衡模型。因此，先對車型進行選擇會對社會經濟總體及各工業領域產生一定影響。研究人員通過均衡性分析，能研究出FCV在附加價值產出領域的優勢，以此為FCV的普及進程產生重要推動作用。

[1]大槻貴司. 発電·自動車用燃料としての水素の導入可能性：地域細分化型世界エネルギーシステムモデルを用いた分析[J].日本エネルギー學會誌，2019，98（4）：62-72.

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-01-18）