典型供氫路徑下燃料電池汽車生命周期環境效益評估*

楊來 王菊 雷雪亞

（1.北京理工大學管理與經濟學院，北京 100081；2.中國汽車工程學會，北京 100176）

主題詞：生命周期評估 供氫路徑 燃料電池汽車 環境效益

1 前言

過去的十年，我國汽車保有量從1.06億輛增長到了2.81 億輛[1]，年均增速達到10%，與此同時，交通運輸部門能源消耗以年均11.1%的速度增長。目前，以石化燃料為主的燃油汽車消耗了全國42%的石油，并且隨著汽車保有量的增長，這一占比還將進一步提高[2]。2019年，我國原油對外依存度達到71%[3]。能源安全對我國國民經濟的穩定發展至關重要[4-5]，因此，加快改變嚴重依賴于石油資源的交通方式迫在眉睫[6]。目前，交通領域占全國終端碳排放的15%，過去9年的年均增速超過5%[7]。與此同時，交通運輸部門的空氣污染物排放量正在逐年增加[8]，機動車排放已成為我國大氣污染物的重要來源。例如：2018年，北京、上海等城市的機動車PM2.5排放占總排放的20%～50%[9-10]。2019 年，我國汽車千人保有量僅為173 輛，遠低于美國的837 輛和日本的591 輛[11]。參照日本的千人保有量水平，我國汽車仍有超過2倍的增長空間。根據國際可再生能源機構[12]的研究，我國的交通能源消耗將隨汽車規模的擴大而快速增長。這意味著，如果不采取積極有效的措施，我國面臨的能源安全和環境污染挑戰將更加嚴峻[13-14]。

為了應對日益嚴峻的能源安全與環境污染挑戰，促進交通部門“碳中和”目標的早日實現，新能源汽車得到了全球汽車生產廠商的大力發展。其中，燃料電池汽車以其高效率和接近零排放被普遍認為具有廣闊的發展前景。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、儲存和運輸過程中卻會產生溫室氣體和污染物排放[15]。氫燃料的生產方式多種多樣，主要包括電解水制氫、煤制氫、天然氣制氫、生物質制氫、甲醇制氫等多種路徑，而每一種制氫路徑產生的溫室氣體和大氣污染物排放各不相同。考慮到我國的能源結構、電力結構、交通運輸模式等現實國情，選擇最適合我國發展燃料電池汽車的氫燃料生產路徑變得尤為重要[16]。因此，有必要從燃料生命周期的視角，對不同供氫路徑下燃料電池汽車的環境效益進行評估。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，而且創新性的從典型車型（乘用車、物流車、公交車和重卡）和典型區域（北京、上海、張家口和佛山）的視角，對上述3類車的燃料生命周期排放進行了比較，這使得此項研究工作更有針對性和實操性。

2 方法與數據

2.1 生命周期評估方法

由美國阿貢國家實驗室開發的GREET 模型被廣泛應用于計算不同車用燃料生命周期（Well-to-Wheels，WTW）能源使用和排放，是目前應用最廣泛的交通運輸行業全生命周期能源和排放計算軟件之一[17]。車用燃料生命周期評估包括原料、燃料和車輛運行3 個階段。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的研究對象是車用燃料的上游即生產階段，包括一次能源開采、一次能源運輸、燃料生產、燃料運輸、儲存、分銷以及燃料加注過程；PTW的研究對象是車用燃料的下游即使用階段，包括車輛發動機燃燒燃料時的燃料消耗和氣體排放。它不考慮車輛制造與燃料生產基礎設施建設的能量消耗及對環境影響，主要分析燃料從原材料開采到車輛使用的若干環節中的能量消耗及溫室氣體（GHGs）排放[19]。

2.2 應用及數據處理

2.2.1 燃料生產階段

考慮到原油開采、運輸和汽、柴油生產及運輸環節，運用汽車生命周期排放評價模型，計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。考慮到電力系統排放數據的可獲得性，本研究采用我國2020年平均電力構成和排放因子，線損率為5.6%[20]。在考慮能源開采、運輸、發電、電力傳輸這些環節后，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、儲運氫和氫加注3個環節。在制氫環節，考慮到中國的資源稟賦和實現“碳中和”目標的現實需求，選擇以下5種制氫路徑作為研究對象：煤制氫、煤制氫加碳捕獲與封存（CCS）、工業副產氫提純（焦爐煤氣）、電網電力電解水制氫和可再生能源電解水制氫（本文僅包含風電和光伏制氫）。在煤制氫方面，為了符合行業發展趨勢，增加了一條新路徑：煤制氫加CCS。

氫氣在儲運過程中呈現3種形態：氣態、液態和固態。目前在中國，主要以氣態儲氫為主，液態儲氫主要運用于航空航天等領域，固態儲氫技術尚不成熟，因此，本研究選擇氣態的儲運方式。在儲氫方面，采用高壓氣態儲氫的方式，20 MPa的鋼質氫瓶已得到廣泛的工業應用[21]。在氫氣運輸方面，高壓長管拖車是氫氣近距離運輸的重要方式，技術較為成熟，國內常以20 MPa長管拖車運氫，考慮到我國氫氣的示范應用主要在制氫產地附近布局，假定運輸距離為150 km[21]。在氫氣加注方面，我國仍然以氣氫加氫站為主[21]。此外，在氫氣加入長管拖車前后的環節，氫氣需要進行壓縮，在此過程中，假設僅會消耗電力。基于上述考慮，應用GREET模型計算得到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 車輛運行階段

選擇4類較為常見或未來具有較大發展空間的車型作為研究對象，即B級乘用車、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和燃料消耗見表3和表4。

表3 不同類型電動汽車的基本參數

表4 不同類型汽車能耗

2.2.3 典型區域燃料電池汽車的應用

各區域由于制氫路徑和燃料汽車類型的差異，呈現出不同的應用特征。為了進一步考察和分析各典型區域燃料電池汽車的環境效益，選擇上海、北京、張家口與和佛山4個在燃料電池汽車應用方面具有較強代表性的區域進行分析，分別對應的選擇乘用車、物流車、公交車和重卡作為研究對象。與此同時，分別選擇各區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）。通過運用GREET2020軟件，核算出4個典型區域氫氣燃料周期排放因子（表6）。

表5 典型區域燃料電池汽車制氫路徑及來源

表6 典型區域氫氣燃料周期排放因子

3 結果與討論

3.1 溫室氣體和大氣污染物排放評價

為了核算和分析的一致性，本部分以乘用車為例，來評估典型制氫路徑下燃料電池汽車與燃油汽車和純電動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的溫室氣體排放評價

根據2020 年我國不同類型乘用車的車隊平均燃料消耗量核算，得到對應的燃油、純電動和燃料電池乘用車WTW 車隊平均溫室氣體排放量，如圖2 所示。可以看到，僅考慮汽車燃料周期的情況下，純電動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乘用車。具體而言，在電網電解水制氫路徑下，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汽車和燃油汽車的29%和21%。此外，在燃料電池汽車內部，電網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價

圖3 對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（以工業副產提純氫排放最高）僅為燃油汽車的44%；除電網電解水制氫方式外，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；工業副產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價

3.2.1 基于WTW的溫室氣體排放對比分析

在僅考慮燃料周期的情況下，橫向對比典型車型的溫室氣體排放水平，發現各類燃油汽車的排放均高于純電動汽車，在工業副產提純制氫和電網電解水制氫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汽車（圖4）。以重型載貨汽車為例，電網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汽車的2.4 倍和2.9 倍。根據車百智庫[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，相當于純電動重卡電耗的3.2倍。

3.2.2 基于WTW的大氣污染物排放對比分析

圖5 對比了不同車型WTW 的大氣污染物排放。從燃油汽車和純電動汽車對應汽車類型的橫向對比來看，純電動汽車的VOCs和NOx的排放都要低于相同類型的燃油汽車；純電動汽車的PM2.5和SO2排放與相同類型的燃油汽車相當或增加。對比燃料電池汽車與純電動汽車和燃油汽車的排放發現，不同類型汽車對不同的大氣污染物排放呈現出不同的特征：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（以工業副產提純制氫排放最高）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汽車。在NOx排放方面，除電網電解水制氫方式外，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；工業副產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）的排放低于純電動汽車；燃料電池公交車排放高于純電動公交車，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價

在已有的制氫路徑和車輛類型條件下，各典型區域燃料電池汽車的溫室氣體和大氣污染物排放呈現出不同的特征（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汽車，NOx的排放均低于燃油汽車和純電動汽車，VOCs的排放介于燃油汽車和純電動汽車之間。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汽車之間；VOCs、PM2.5和SO2排放均高于燃油汽車和純電動汽車，NOx的排放均低于燃油汽車和純電動汽車。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汽車外，其它排放均低于燃油汽車和純電動汽車。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汽車之間外，其他排放均低于燃油汽車和純電動汽車。

圖6 典型區域各類型汽車溫室氣體和大氣污染物排放

4 結論

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行階段）的情況下，關于汽車生命周期溫室氣體及大氣污染物排放評價的主要研究結論如下：

（1）從總體車隊平均水平來看，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。未來隨著中國上游電力生產逐步低碳化和綠氫技術滲透率的不斷提高，燃料電池汽車將表現出更加顯著的溫室氣體減排效益。

（2）制氫路徑的選擇對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，均低于純電動汽車和燃油汽車。

（3）在典型區域，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。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于工業副產提純制氫，商用車相比燃油車的減排效果通常優于乘用車。

本研究僅涵蓋了汽車燃料周期的溫室氣體及大氣污染物排放評價結果，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）排放評價研究；

（2）燃料電池汽車全生命周期環境經濟效益評估等工作。