基于全生命周期評(píng)價(jià)的燃料電池汽車(chē)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(píng)價(jià)方式下，對(duì)燃料電池汽車(chē)用氫在天然氣蒸汽重整制氫、現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在使用長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)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(chǎng)煤氣制氫法。基于此進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)：如果和煉焦工業(yè)的距離比較遠(yuǎn)，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(yùn)輸?shù)木嚯x比較長(zhǎng)，那么采用天然氣蒸汽重整制氫的方式會(huì)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(guò)可再生能源發(fā)電來(lái)使用工廠(chǎng)電解水制氫的方式進(jìn)行氫能源的制作。

關(guān)鍵詞：全生命周期；燃料電池；制氫；汽車(chē)

中圖分類(lèi)號(hào)：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(duì)環(huán)境造成的污染，新能源汽車(chē)得到了大力發(fā)展。其中燃料電池汽車(chē)因其污染物排放量非常低，及高效率優(yōu)勢(shì)得到了社會(huì)廣泛關(guān)注，在未來(lái)發(fā)展中有著非常廣闊的前景。燃料電池汽車(chē)在行駛過(guò)程中并不會(huì)排放污染物，但是在氫燃料的生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能源消耗和污染。在生產(chǎn)氫燃料時(shí)可以通過(guò)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(lái)獲取燃料電池汽車(chē)所用的氫燃料。所以，本文基于全生命周期評(píng)價(jià)的方式來(lái)對(duì)燃料電池汽車(chē)生命周期不同階段下的能源消耗、污染物排放等進(jìn)行了分析，研究結(jié)論可為我國(guó)燃料電池汽車(chē)、氫能基礎(chǔ)設(shè)施、氫氣來(lái)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(gè)階段，一是上游燃料生產(chǎn)階段，二是下游燃料在車(chē)輛中的消耗階段[1]。本文研究中主要對(duì)能源的損耗和污染物排放兩部分進(jìn)行了探討，比如，汽車(chē)燃料的生產(chǎn)，一次性能源的開(kāi)采、加工、運(yùn)輸，車(chē)輛使用燃料的運(yùn)輸、存儲(chǔ)和添加，以及燃料電池汽車(chē)在行駛過(guò)程中的相關(guān)情況，具體系統(tǒng)邊界如下：

WTP：一次能源開(kāi)采、加工→一次能源運(yùn)輸、存儲(chǔ)、分配→燃料加工、生產(chǎn)→燃料運(yùn)輸、存儲(chǔ)、分配→PTW：車(chē)輛行駛

3 制氫工藝方法

3.1 天然氣工廠(chǎng)蒸汽重整制氫法分析

天然氣工廠(chǎng)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(duì)有機(jī)硫和硫化氫進(jìn)行脫離，一般情況下有機(jī)硫和硫化氫脫硫后的比重要控制在0.2×10-6以?xún)?nèi)；之后，再在水蒸氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱處理，并添加一些催化劑把烴類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料電汽車(chē)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(chǎng)蒸汽重整制氫方法轉(zhuǎn)化氫材料的有效率高達(dá)70%以上，并且在使用這些燃料過(guò)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(guò)程能源運(yùn)輸方式如表1所示，電能源的損耗為100%。

3.2 天然氣現(xiàn)場(chǎng)蒸汽重整制氫法分析

加氫站現(xiàn)場(chǎng)制氫法主要是利用小型天然氣蒸汽重整設(shè)備進(jìn)行原材料脫硫處理、一氧化碳變換處理、烴類(lèi)蒸汽轉(zhuǎn)化處理、變壓吸附提純的[3]。在此過(guò)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(chǎng)蒸汽重整制氫工藝并沒(méi)有蒸汽對(duì)外輸出回收利用流程，這樣在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中所獲得的效率比較低，一般在62%左右。

3.3 焦?fàn)t工廠(chǎng)煤氣制氫法分析

焦?fàn)t工廠(chǎng)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(gè)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(dá)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(shí)，主要損耗的能源是電能，其損耗率高達(dá)100%[4]。從我國(guó)的電力結(jié)構(gòu)情況來(lái)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(lái)進(jìn)行電解水制氫效率分析的。

生產(chǎn)制作出的氫氣在壓縮機(jī)加壓到15 MPa之后，可以在長(zhǎng)管拖車(chē)中存儲(chǔ)運(yùn)輸，這一存儲(chǔ)過(guò)程需要消耗比較多的電能源，壓縮效率會(huì)在94%左右。燃料電池汽車(chē)車(chē)載氫氣鋼瓶的壓力一般情況下為35 MPa或70 MPa，并且如果長(zhǎng)管拖車(chē)從工廠(chǎng)到加氫站的運(yùn)輸距離按照100 km計(jì)算的話(huà)，氣在被運(yùn)輸?shù)綒湔局笮枰M(jìn)行加壓處理，這樣才可以達(dá)到加注的要求，此過(guò)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(guó)環(huán)境保護(hù)局所公布測(cè)試的工況來(lái)進(jìn)行分析的，使用的車(chē)輛為豐田燃料電池汽車(chē)，該輛車(chē)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(píng)價(jià)能效和能耗

圖1所示為不同制氫路徑下燃料電池汽車(chē)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(chǎng)焦油煤氣制氫在上游燃料生產(chǎn)階段的能耗最高，超過(guò)了45%；之后為工廠(chǎng)天然氣蒸汽重整制氫工藝，以及天然氣現(xiàn)場(chǎng)蒸汽重整制氫工藝，這兩種工藝的效率分別為44%和42%，工廠(chǎng)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(chǎng)蒸汽重整制氫工藝高出9%左右，但工廠(chǎng)天然氣蒸汽重整制氫工藝需要將氫氣運(yùn)輸?shù)郊託湔局校@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(chǎng)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(chǎng)天然氣蒸汽重整制氫和工廠(chǎng)天然氣蒸汽重整制氫，以及工廠(chǎng)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(huì)達(dá)到7.1 MJ/km，主要是因?yàn)樯芷谙碌娜济喊l(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(guó)電解水制氫路徑制取的氫氣并非全是綠氫，主要是因?yàn)槲覈?guó)電力結(jié)構(gòu)中有70%左右是火電。現(xiàn)場(chǎng)天然氣蒸汽重制氫工藝所需要的機(jī)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(chǎng)的方式[6]。但是，現(xiàn)場(chǎng)天然氣制氫中沒(méi)有工廠(chǎng)氫氣壓縮和長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸流程，這樣所需要消耗的燃油制品和電能就要比工廠(chǎng)天然氣制氫少很多，煤和石油消耗量也就比較低。工廠(chǎng)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(lái)源、可再生能源發(fā)電、氫氣運(yùn)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(huà)，在不考慮焦化和上游煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸、洗選等環(huán)節(jié)中損耗和排放情況，工廠(chǎng)焦?fàn)t煤氣制氫路徑通過(guò)長(zhǎng)管拖車(chē)的方式將氫燃料運(yùn)輸?shù)郊託湔镜脑?huà)，按照100 km來(lái)計(jì)算，新焦?fàn)t煤氣制氫路徑下實(shí)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(guó)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(guó)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(lái)源于可再生能源發(fā)電，并在發(fā)電周?chē)⒐S(chǎng)電解水制氫，這樣長(zhǎng)管拖車(chē)把氫燃料運(yùn)輸?shù)郊託湔镜脑?huà)，運(yùn)輸距離如果按照100 km來(lái)計(jì)算，這種方式下工廠(chǎng)電解水制氫全生命周期能耗要和現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)輸距離情況

利用工廠(chǎng)天然氣蒸汽重整制氫和焦?fàn)t煤氣制氫中使用的長(zhǎng)管拖車(chē)將制氫后所得到的氫氣運(yùn)輸?shù)郊託湔荆绻\(yùn)輸距離按照50 km、100 km、250 km的距離來(lái)計(jì)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(shí)，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(yǔ)

現(xiàn)階段，我國(guó)氫能源的發(fā)展大多是在煉焦工業(yè)區(qū)域周?chē)ㄟ^(guò)焦?fàn)t工廠(chǎng)煤氣制氫的方式來(lái)進(jìn)行氫能源的制作；如果和煉焦工業(yè)區(qū)域相隔較遠(yuǎn)，但天然氣能源比較充足，可以采用天然氣工廠(chǎng)蒸汽重整制氫工藝；在工廠(chǎng)制氫的氫氣運(yùn)輸距離比較遠(yuǎn)的地區(qū)，選擇天然氣現(xiàn)場(chǎng)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(lái)進(jìn)行工廠(chǎng)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(duì)我國(guó)燃料電池汽車(chē)制氫路徑的分析研究有著一定的參考價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

張真，女，1980年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闅淠堋⑿履茉雌?chē)相關(guān)政策和產(chǎn)業(yè)。