氫燃料電池汽車的前景與當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)

【日】大槻貴司

受大氣污染、溫室效應(yīng)等問題的影響，世界各國對汽車提出了進(jìn)一步節(jié)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(fā)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(tǒng)模型，指出了推動FCV普及進(jìn)程的關(guān)鍵在于降低其成本。燃料電池汽車;能源系統(tǒng);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(yīng)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(tǒng)的選擇會對汽車零部件供應(yīng)鏈及各國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，因此也引發(fā)了世界各國的高度關(guān)注。根據(jù)能源系統(tǒng)的優(yōu)化及逐步降低CO2排放的觀點，本文對汽車未來的發(fā)展前景進(jìn)行了研究，并就FCV的推廣可行性進(jìn)行了相關(guān)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(fā)策略。自2018年起，由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省舉辦了關(guān)于氫燃料的一系列技術(shù)研討會。在2019年9月舉辦的第2次研討會上，研究人員經(jīng)商討，發(fā)表了關(guān)于氫燃料與燃料電池的技術(shù)指導(dǎo)文件，并提出了發(fā)展目標(biāo)。根據(jù)目標(biāo)要求，各國政府需要在今后的10年間，確保在世界范圍內(nèi)建成的加氫站總數(shù)達(dá)到約1萬處，應(yīng)用于汽車及船舶等載運工具的燃料電池系統(tǒng)達(dá)到約1 000萬臺。為了有效利用氫燃料，預(yù)計各國政府將繼續(xù)公布發(fā)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(shù)可行性進(jìn)行分析，研究人員需要綜合考慮氫燃料的制備、供應(yīng)與運輸?shù)确矫娴碾y點問題，并與BEV等競爭車型進(jìn)行對比研究。當(dāng)研究人員在進(jìn)行綜合評估時，不應(yīng)忽略系統(tǒng)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(tǒng)，還可應(yīng)用于發(fā)電及供熱等領(lǐng)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(yīng)考慮到上述影響因素。作為相關(guān)研究手段，研究人員可通過計算機程序構(gòu)建能源系統(tǒng)模型。

該能源系統(tǒng)模型可通過計算公式以表示相關(guān)構(gòu)成因素間的關(guān)聯(lián)性，例如可顯示出將一次能源轉(zhuǎn)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(shù)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(shè)立，從而可對能源技術(shù)進(jìn)行選擇。

1 基于世界能源系統(tǒng)模型對FCV開展的評估

1.1 模型概括

相關(guān)研究人員在研究氫燃料及FCV時，按照詳細(xì)的區(qū)域進(jìn)行了劃分，并開發(fā)出了世界能源系統(tǒng)模型（圖1）。研究人員通過具有363個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)來對其進(jìn)行描述，并充分考慮到了能源供給系統(tǒng)、需求位置，以及聯(lián)系二者的輸送設(shè)備等因素。國內(nèi)外的高校及研究機構(gòu)開發(fā)出了各式各樣的世界模型，由此為聯(lián)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(jù)。本研究模型的區(qū)域位置明顯優(yōu)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(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的整個氫燃料供應(yīng)鏈，通過提高圖像清晰度，使具有較好發(fā)展前景的氫燃料及相應(yīng)的運輸體系成為可能，同時也需要精準(zhǔn)地對整個氫燃料供應(yīng)鏈的成本進(jìn)行測算。研究人員為此設(shè)置了2類節(jié)點，分別為“城市節(jié)點”與“供應(yīng)節(jié)點”（圖1）。假設(shè)能源需要分布于城市節(jié)點中，研究人員由此對其他因素進(jìn)行了充分考慮。

本模型可按照線性規(guī)劃問題來進(jìn)行處理，研究人員將分析區(qū)間設(shè)定為2015—2050年，并將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為在分析過程期間經(jīng)折算后的系統(tǒng)總成本，并將折算率設(shè)定為5%。全新的系統(tǒng)總成本由一次能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、運輸、節(jié)能等方面構(gòu)成。約束方程式中包括系統(tǒng)資源數(shù)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(shù)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(guī)模的線性問題。模型化的能源、物質(zhì)、技術(shù)明細(xì)，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可參考文獻(xiàn)[1]。

就氫燃料的制取技術(shù)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(shù)。在通過煤、甲烷及石油等物質(zhì)制取氫燃料時，會產(chǎn)生一定數(shù)量的CO2，研究人員為此設(shè)置了CO2回收裝置，進(jìn)而實現(xiàn)低碳化目標(biāo)。

就氫燃料的輸送技術(shù)而言，研究人員針對節(jié)點間的氫燃料輸送管線與運輸液化氫的船舶建立了相關(guān)模型。為應(yīng)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(fā)電設(shè)備領(lǐng)域;

（2）將氫燃料用于車用動力領(lǐng)域;

（3）將氫燃料用于工業(yè)生產(chǎn)及生活供熱等領(lǐng)域。

就氫燃料用于發(fā)電設(shè)備這一領(lǐng)域而言，未來可能會出現(xiàn)與可再生能源、核能、化石燃料、火力發(fā)電等其他技術(shù)相互競爭的情況。當(dāng)汽車以氫能源作為燃料時，也會出現(xiàn)與甲烷等燃料相競爭的情況。

按照動力總成系統(tǒng)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(jù)燃料特性的差異，針對4種填充設(shè)備也建立了相關(guān)模型（表1）。客戶可在車輛價格、燃料成本與燃料填充設(shè)備成本的基礎(chǔ)上對車型進(jìn)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(yīng)成本與氫燃料的制造成本，并對氫燃料的運輸成本進(jìn)行計算，并且應(yīng)考慮到面向氫燃料及相關(guān)技術(shù)的稅收與補助金等因素。該特點會對其他

能源及技術(shù)也產(chǎn)生同樣的影響。研究人員可依據(jù)供應(yīng)鏈的成本累積情況而推算出相應(yīng)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(jìn)行核算，而開展純粹的技術(shù)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(nèi)，與能源、技術(shù)普及狀況相對應(yīng)的稅收及補助金往往也會出現(xiàn)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(shè)備關(guān)聯(lián)較為密切的項目。為闡明至2050年的燃料需求目標(biāo)，研究人員以對每種燃料的需求為基礎(chǔ)，由此進(jìn)行了相關(guān)設(shè)定。不過，就汽車而言，研究人員可根據(jù)對不同燃料的需求進(jìn)行區(qū)分，以滿足相關(guān)的運輸需求。在世界各國，各地區(qū)為滿足乘用車及貨車在同一年內(nèi)的燃料需求，可根據(jù)行駛里程等實際情況進(jìn)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(shù)據(jù)將增加至25.0億輛。

圖2及圖3示出了未來整車成本的設(shè)定。假設(shè)全世界車型成本相對統(tǒng)一，以美元進(jìn)行計算，研究人員在對未來車輛進(jìn)行價格推算的時候，將各車型分解為相關(guān)設(shè)備，并累積了針對不同設(shè)備的成本推測值，同時將汽車的壽命設(shè)定為10年。

針對燃料填充設(shè)備的建設(shè)成本設(shè)定也需要實現(xiàn)統(tǒng)一。研究人員假設(shè)每處加油站耗資為100萬美元，每處CNG供應(yīng)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(shè)成本不會發(fā)生改變。2015—2030年間，假設(shè)加氫站建設(shè)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(shù)量的燃料填充設(shè)備，以便將政策目標(biāo)作為研究基礎(chǔ)。在研究人員的設(shè)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(shè)施壽命統(tǒng)一設(shè)定為20年。

1.3 分析情況

研究人員運用本模型分析了“當(dāng)前現(xiàn)狀”與“至2050年使大氣溫度降低2 ℃的目標(biāo)”。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(chǎn)生的CO2排放量為8.8 GtC（1 GtC表示燃燒10億t炭產(chǎn)生的CO2排放量）。按照現(xiàn)有的政策趨勢發(fā)展，到2050年，每年的CO2排放量可容許增加到12.0 GtC。為進(jìn)一步實現(xiàn)至2050年使大氣溫度降低2 ℃的目標(biāo)，到2050年，每年的CO2排放量必須要降至2.9 GtC。為滿足當(dāng)前提出的CO2減排要求，部分國家設(shè)定了明確目標(biāo)，相比2015年的情況，2050年的CO2排放量必須減少80%。

1.4 計算結(jié)果

1.4.1 基于環(huán)境大氣溫度上升而對汽車技術(shù)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(jié)構(gòu)體系。在乘用車領(lǐng)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(yōu)方案仍在進(jìn)一步開發(fā)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(yù)測。為緩解大氣溫度的上升，整車實現(xiàn)電氣化的優(yōu)勢較為明顯。至2050年，BEV將達(dá)到世界乘用車保有量的30%。圖7所示的發(fā)電部門實現(xiàn)了大幅低碳化的目標(biāo)（在世界總體范圍內(nèi)使CO2呈現(xiàn)“負(fù)排放”的現(xiàn)象），按系統(tǒng)總體最佳的觀點，研究人員認(rèn)為結(jié)合發(fā)電部門的低碳化與乘用車電動化的策略優(yōu)勢最為明顯。換言之，所謂CO2“負(fù)排放”是指從大氣中回收CO2。如圖7所示，其中可實現(xiàn)CO2回收、儲存的生物質(zhì)發(fā)電過程（CCS）是能有效實現(xiàn)CO2“負(fù)排放”的1項技術(shù)。目前，該項技術(shù)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(jié)果（圖5），至2050年，以汽油為燃料的HEV將在乘用車中占據(jù)50%的份額。在本分析中，研究人員通過假設(shè)，使傳統(tǒng)汽油車向HEV進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并設(shè)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(jīng)濟(jì)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(rèn)為其依然具有較高的成本優(yōu)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(yīng)用前景得出結(jié)論，但就以柴油為動力的HEV型貨車而言，相關(guān)研究人員認(rèn)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(jù)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(shù)，正在引起社會各界的關(guān)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(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施及混合動力技術(shù)，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(yīng)用于乘用車領(lǐng)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(biāo)與降低CO2排放的約束條件進(jìn)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(shù)與液化氫運輸過程的特點，選取2015—2050年的時間段，并設(shè)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(rèn)為，到2040年的成本將與圖2中的設(shè)定相同，同時針對至2050年的要求，設(shè)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(shè)車輛成本如情況3設(shè)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(jìn)行假設(shè)，到2050年FCV價格已降低到與燃用汽油的HEV相近的水平。相關(guān)研究表明，各國政府如要推動FCV型乘用車的普及進(jìn)程，應(yīng)考慮降低FCV的成本比降低氫燃料的供應(yīng)成本更具效果（圖8）。例如，在FCV采用標(biāo)準(zhǔn)價格及FCV價格為2.2萬美元/輛的情況下，無論氫供應(yīng)成本或高或低，引進(jìn)的FCV數(shù)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(yīng)條件要求較高，未來仍有望引進(jìn)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(yīng)用范圍。

2 總結(jié)

作為應(yīng)對不斷變化的政策，本文介紹了推動氫燃料及FCV普及進(jìn)程的可能性，同時基于詳細(xì)的地區(qū)劃分而建立起了世界能源系統(tǒng)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(guān)鍵問題。

就推廣FCV時所面臨的主要技術(shù)問題而言，研究人員認(rèn)為布設(shè)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(yīng)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(yù)設(shè)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(chǎn)生的成本為45萬億日元。同時，假設(shè)日本政府可通過建設(shè)加氫站（每處3億日元）以替代傳統(tǒng)加油站（每處1億日元），相應(yīng)增加的經(jīng)濟(jì)成本為2萬億日元。由于整車成本與建設(shè)加氫站所需的成本相差較大，即便建設(shè)了足夠數(shù)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(jìn)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(tǒng)分析為基礎(chǔ)的相關(guān)問題進(jìn)行了討論，本文研究了普及FCV的可能性。研究人員認(rèn)為，推動FCV的普及進(jìn)程，應(yīng)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(guān)條件進(jìn)行研究，由此可對FCV的推廣方案進(jìn)行優(yōu)化，具體可以從以下3個角度進(jìn)行分析。

（1）購車消費者在選擇車型時所帶來的影響。在現(xiàn)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(jìn)行綜合考量，而本研究中未對此類因素進(jìn)行重點考慮。續(xù)航里程較長且燃料填充時間較短是FCV的優(yōu)勢，將有利于其未來的發(fā)展。

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

（3）從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行考慮，本文提到的世界能源系統(tǒng)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(jìn)行選擇會對社會經(jīng)濟(jì)總體及各工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)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(chǎn)出領(lǐng)域的優(yōu)勢，以此為FCV的普及進(jìn)程產(chǎn)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(dǎo)入可能性：地域細(xì)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(xué)會誌，2019，98（4）：62-72.

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-01-18）