氫燃料電池重型車全生命周期節能減排效果評估*

于亞梅

(上海市環境監測中心,上海 200235)

化石燃料的大量使用導致氣候變化、空氣污染和化石能源短缺等問題,對人類社會的可持續發展造成了嚴峻挑戰。2010年至2020年,我國機動車保有量從1.9億輛增長到了3.7億輛[1],年均增速達到6.9%,與此同時,交通運輸部門能耗以年均11.1%的速度增長,以化石燃料為主的燃油汽車消耗了全國約42%的石油[2],并且隨著汽車保有量的增長,這一占比還將進一步提高。因此,需要加快改變嚴重依賴于石油資源的交通方式,發展新能源汽車。目前新能源汽車的發展路線整體呈現出乘用車和中短途商用車電動化,中重型、中長途商用車氫燃料電池化和電動化并行的趨勢。與內燃機汽車(ICEV)相比,純電動汽車(BEV)和氫燃料電池汽車(HFCV)行駛時在能耗和排放方面具有顯著優勢,其中HFCV在重型商用車領域因具有續航里程長、能量轉換效率高、補能時間短等優點[3]4402,成為汽車行業技術競爭的制高點。

然而,HFCV對環境的影響研究目前還不充分。HFCV雖然在行駛過程中沒有排放,但在氫氣的生產、儲存、運輸以及車輛的制造過程中會產生溫室氣體和大氣污染物。KIM等[4]指出有必要對不同制氫途徑的環境影響進行比較,篩選出最適合的燃料方案。LIU等[5]17982發現一些氫氣生產途徑導致HFCV產生比ICEV更高的溫室氣體排放量,尤其是化石燃料密集型電網電力電解水和煤氣化制氫技術。CORREA等[6]1分析了阿根廷、智利和巴西4種動力系統(柴油、氫燃料電池、電力及柴油混合電力驅動)城市客車燃料周期的大氣污染物排放表現,結果顯示BEV在短距離行駛時排放更低,而HFCV在長距離行駛時排放更低。LIU等[7]對HFCV(豐田未來)和傳統汽油車(馬自達3)的能耗和排放進行了分析,發現與傳統汽油車相比,HFCV即使消耗的氫氣來源于化石能源,也能在燃料周期減少約15%～45%的溫室氣體排放量。通過文獻調研發現,目前針對HFCV全生命周期環境影響的研究多集中于乘用車[5]17993,[8],[9]304,關于氫燃料電池重型車(HHDV)的研究較少,且已有關于HHDV的研究多聚焦于燃料循環和不同氫能途徑的比較[6]2,[10],涉及車輛制造的研究較少;另外,涉及目前氫氣開發現狀的研究也較少。

因此,本研究對比分析了可再生能源電(以太陽能發電為例)電解水制氫、電網電電解水制氫、煤氣化制氫、甲烷催化重整制氫、氯堿工業副產氫5種常用制氫途徑的全生命周期能耗與排放情況,并以此為基礎,結合當前氫氣供給結構與能源結構,核算了我國HHDV全生命周期能耗、溫室氣體及大氣污染物排放量;并與柴油重型車(DHDV)進行對比,分析了推廣HHDV對實現節能減排的作用和效果,為HHDV生產企業的技術開發和管理部門的政策制定提供數據參考。

1 評價方法

生命周期評價(LCA)是一種系統化評估原料、產品、生產和服務整個生命周期過程中直接和間接環境影響的分析方法,也稱從“搖籃”到“墳墓”的評價方法。本次車輛LCA分析符合《環境管理 生命周期評價 原則與框架》(GB/T 24040—2008)。

1.1 研究邊界

LCA具體計算采用GREET軟件。研究邊界示意圖見圖1。車輛生命周期主要分為燃料周期和車輛周期兩部分。燃料周期由燃料的上游生產(WTP)過程和下游消費(PTW)過程共同組成。WTP過程包括燃料原料(原油、原煤等)開采、生產與運輸過程,以及燃料的生產與運輸過程。PTW過程主要指燃料的最終消耗過程,即車輛行駛過程。由于實際駕駛工況以及駕駛習慣的復雜性,車輛實際行駛過程的燃油經濟性通常與工信部公示值有較大差異。本研究車輛行駛過程燃油經濟性假設比工信部公示的數值高約35%,該值來源于GONG等[11]對北京數千次車輛真實行駛循環的研究及文獻[12]、[13]。車輛周期包括車輛主體的生產與加工過程,零部件組裝、涂漆等裝配工藝過程,以及補充液體、更換輪胎和其他零部件等維修過程。

圖1 研究邊界示意圖Fig.1 Schematic diagram of life cycle assessment system framework

功能單位指經過量化的產品功能或績效特征[3]4403。假設所研究重型車全生命周期道路行駛里程為100萬km。功能單位為車輛行駛1 km。

1.2 研究對象與評價指標

研究對象為HHDV及DHDV。選擇北汽福田燃料電池半掛牽引車及北汽福田半掛牽引車分別作為兩類車輛的代表車型,車輛參數見表1。

表1 HHDV及DHDV的車輛基本參數Table 1 Vehicle parameters for HHDV and DHDV

評價指標包含能耗、溫室氣體排放量與大氣污染物排放量。其中,能耗包含一次能源消耗總量和化石能源消耗總量(煤炭消耗量、石油消耗量及天然氣消耗量之和);溫室氣體包含CO2、CH4和N2O,溫室氣體排放量是根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)相關報告中CO2、CH4、N2O的全球變暖潛能值[14]計算的CO2當量;大氣污染物主要關注揮發性有機物(VOCs)、CO、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒物(PM2.5)和硫氧化物(SOx)。

1.3 數據來源

數據來源主要為GREET模型數據庫、國家統計局、國家能源局、工信部、中國宏觀經濟研究院等官方網站及各類文獻[15-17]。對于當前國內尚為空白的數據,采用國際平均水平數據。本研究討論的時間基準為2020年。

1.4 清單分析

1.4.1 燃料周期清單:能源結構與電力組成

“十三五”以來,我國加快調整能源結構,減少煤炭消費,國內原油及天然氣產量穩步回升;可再生能源比重大幅增加。2020年我國能源消費組成大致為煤炭占56.8%,石油占18.9%,天然氣占8.4%,電力及其他能源占15.9%[18]184。

我國是煤炭資源大國,煤炭資源存量相對豐富,內蒙古、新疆、山西等都是煤炭資源豐富的地區。同時,出于經濟性和需求等因素考慮,我國還從印尼、俄羅斯等國家進口煤炭。我國煤炭運輸方式包括鐵路運輸、公路運輸及水路運輸。2018年我國煤炭鐵路貨運量達23.8億t,占2018年全國煤炭總產量的67.1%[19]。水路運輸主要有海路運輸和內河運輸兩種方式,2018年全國沿海港口和內河港口煤炭發運量分別占煤炭貨運總量的30.4%和1.1%[20]。公路運輸以短途為主,運距多在1 000 km以內。我國石油和天然氣資源儲量相對不足,目前石油探明儲量多集中在黑龍江、山東和遼寧。2019年我國石油進口總量為5.8億t,占石油消費總量的86.8%[18]185,進口石油主要來自俄羅斯、沙特阿拉伯、安哥拉等國家。天然氣主要分布于中西部的盆地,其中以塔里木盆地和四川盆地資源最為豐富。進口天然氣主要來自中亞地區,俄羅斯、澳大利亞及卡塔爾等國家。

中國電力企業聯合會統計數據[21-22]顯示,2021年我國發電量81 121.8億kW·h。其中,以煤炭作為主燃料的火力發電量、水力發電量、風力發電量、核能發電量及太陽能發電量分別占社會總發電量的71.1%、14.6%、7.0%、5.0%和2.3%。

1.4.2 氫能產業現狀

氫能產業復雜,涉及氫氣制備、儲存、運輸等多個環節。目前我國氫氣制備以3種技術路線為主:以煤炭、天然氣等為原料的化石能源重整制氫,以氯堿尾氣、焦爐煤氣等工業尾氣為代表的工業副產氣提純制氫,以及電解水制氫。煤制氫技術是當前成本最低的制氫方式,適用于大規模穩定制備。以天然氣為原料的重整制氫技術是國外主流的制氫方式。可用于提純制氫的工業副產氣通常來源于鋼鐵、化工等行業,提純利用其中的氫氣,可提高資源利用效率、降低大氣污染。電解水制氫得到氫氣純度高(99.7%以上[23]),但制取成本受電價的影響較大。我國2020年氫氣供給結構[24]如表2所示。

表2 中國2020年氫氣供給結構Table 2 Supply structure of hydrogen in China in 2020

氫氣的儲運形態主要有氣態、液態和固態3種,目前我國氫氣儲運以高壓氣態方式為主。

1.4.3 車輛周期清單:車輛材料組成、生產與維護

為了評估車輛制造過程的能耗和排放量,首先必須明確車輛的組成和質量分布,國際上通用的分析方法是對車輛的主要材料構成進行分析。本研究車輛主體和電池系統的材料構成[25-26]如表3、表4所示。

表3 車輛主體材料質量分數分布Table 3 Distribution of mass fraction of vehicle body materials %

表4 電池系統材料分布Table 4 Battery system material composition

車輛裝配過程的能耗和排放主要集中于涂裝、制冷、照明、焊接等過程。已有研究表明,車輛主體、零部件生產與整車裝配階段的能耗和排放量通常與質量呈線性相關[27]。車輛配送過程指汽車生產下線后運輸至銷售店的過程,重型卡車生產下線后通常為送車司機自主駕駛到銷售地,平均運輸距離為1 600 km[28]。車輛維修階段的能耗與排放主要來源于輪胎及液體的更換補充,根據XIONG等[29]的研究,輪胎、發動機油、雨刷液、制動液和動力總成冷卻液分別行駛62 500、10 000、12 500、62 500、62 500 km更換一次,車輛壽命期只需更換一次傳動液和燃料電池組。車輛報廢過程主要包括車輛主體的粉碎和電池系統的處理,該部分核算參考文獻[30]進行。

2 結果與討論

2.1 能 耗

5種不同制氫途徑的能耗結果(制備1 MJ氫氣的能耗,以氫氣的低位熱值120 MJ/kg計算)如圖2所示。電網電電解水制氫總一次能源消耗最高,為3.1 MJ/MJ,甲烷催化重整制氫最低,為0.7 MJ/MJ。電網電電解水制氫消耗大量電能,受發電效率及我國發電結構(火電為主)影響,該制氫途徑煤炭消耗較高。氯堿工業能耗主要由主產品承擔,而非副產物氫氣,因此氯堿工業副產氫的能耗較低。甲烷催化重整制氫原料為天然氣,因此該途徑天然氣消耗最多。余亞東等[9]303討論了17種氫燃料制備途徑的全生命周期環境影響,指出電網電電解水制氫為能耗最高的制氫途徑,能耗較低的制氫途徑為可再生能源電電解水制氫、焦爐煤氣提純制氫以及天然氣制氫,各制氫途徑的能耗與本研究結果有較好一致性。

圖2 不同制氫途徑總一次能源消耗與化石能源消耗Fig.2 The total primary energy consumption and fossil fuel consumption of different hydrogen production pathway

車輛全生命周期能耗情況如圖3所示。HHDV與DHDV全生命周期一次能源消耗總量分別為20.4、17.0 MJ/km。與DHDV相比,HHDV總能耗高20.0%,說明當前氫氣供應結構和能源結構下,推廣HHDV無法達到降低能耗的效果。DHDV能耗主要來源于PTW階段,占總能耗的62.9%;HHDV的WTP和PTW階段能耗分布較為平均,分別占總能耗的49.3%和46.7%。

圖3 2種燃料類型重型車全生命周期總一次能源消耗與化石能源消耗Fig.3 The total primary energy consumption and fossil fuel consumption of heavy duty vehicle driven by two fuels

WTP階段,DHDV的能耗比HHDV低43.7%,分析原因可能為燃料生產過程能源轉化效率的差異,目前柴油加工的能源轉化效率超過90%,而氫氣制備的綜合能源轉化效率較低,當前氫氣來源結構中占比最大的化石能源制氫能源利用率(以煤炭、天然氣為原料制氫綜合能源利用率大約分別為50%～60%[31]和72%[32-33])低于柴油加工能源利用率。PTW階段,柴油發動機的能源轉化率大約為30%～45%,而氫燃料電池將氫能轉化為電能的效率約為60%[34],電動機電能利用效率最高可達到90%,因此HHDV的綜合能源轉化率高于DHDV,使得PTW階段HHDV的能耗比DHDV低11.0%。綜合WTP階段和PTW階段得出DHDV的燃料周期能耗比HHDV低16.4%。在車輛周期,由于HHDV配備了電動機和燃料電池,車架相應做了加固,使得HHDV的整備質量比DHDV高約2 600 kg(見表1),進而車輛周期的能耗比DHDV高21.2%。

由于我國目前氫氣來源依賴化石燃料制氫,其中包括煤氣化制氫,因此HHDV的全生命周期煤炭消耗明顯高于DHDV,約為其4.7倍。與DHDV相比,HHDV的全生命周期石油消耗約節約95.7%,因此HHDV的推廣有助于減少我國對進口石油的依賴。以天然氣為原料的甲烷催化重整制氫技術是目前較為常見的制氫技術,因此HHDV的天然氣消耗量明顯高于DHDV。

2.2 溫室氣體

5種制氫途徑溫室氣體排放情況(制備1 MJ氫氣產生的排放量)如圖4所示。電網電電解水制氫的CO2、CH4和N2O排放量均最高,分別為301.37、9.62、0.32 g/MJ,可再生能源電電解水制氫的CO2和CH4排放量最低,分別為28.51、1.05 g/MJ。甲烷催化重整制氫的N2O排放量(0.16 g/MJ)最低。文獻[5]、[9]、[10]的研究表明,可再生能源電電解水制氫、電網電電解水制氫、煤氣化制氫、甲烷催化重整制氫和氯堿工業副產氫生命周期碳排放量(CO2當量)大致為20.8～31.3、283.1～401.0、203.8～258.3、111.4～158.3、155.8～161.0 g/MJ,本研究結果與其類似。

圖4 不同制氫途徑的CO2、CH4和N2O排放量Fig.4 CO2,CH4 and N2O emission of different hydrogen production pathway

由圖5可知,HHDV和DHDV全生命周期溫室氣體排放量分別為1 492.7、1 055.1 g/km。與DHDV相比,HHDV全生命周期溫室氣體排放量高41.5%,說明當前氫氣供應結構和電力組成條件下,推廣HHDV無法達到減碳效果。CO2排放是車輛全生命周期溫室氣體排放的主要部分,分別占DHDV和HHDV全生命周期溫室氣體排放總量的97.2%和95.7%。CH4排放量僅為CO2的2.7%(DHDV)和4.1%(HHDV),CH4排放主要與電力結構有關[12]。N2O排放量僅為CO2的0.08%(DHDV)和0.23%(HHDV)。

圖5 2種燃料類型重型車全生命周期溫室氣體排放總量及CO2、CH4、N2O排放量Fig.5 The total green gas emission and CO2,CH4 and N2O emission of heavy duty vehicle driven by two fuels

燃料周期階段為車輛全生命周期溫室氣體排放的主要階段,分別占DHDV和HHDV全生命周期溫室氣體排放總量的98.8%和98.9%。雖然HHDV在PTW階段沒有排放,但WTP階段氫氣制備過程的溫室氣體排放量是柴油生產過程的5倍多,使得燃料周期階段HHDV的溫室氣體排放量比DHDV高41.6%。HHDV和DHDV的整備質量及原材料比例不同,車輛生產、裝配及配送等過程的碳排放量不同,車輛周期HHDV碳排放量比DHDV高31.9%。根據上述分析,電網結構的清潔度將對氫氣制備過程碳排放產生直接影響,如果未來我國改變以煤電為主的電力結構,推廣可再生能源電電解水制氫工藝,HHDV全生命周期的溫室氣體排放量將大幅降低。

2.3 大氣污染物

5種制氫途徑的大氣污染物排放情況(制備1MJ氫氣的排放量)如圖6所示。目前我國電力結構仍以煤炭發電為主,使得電網電電解水制氫的SOx、CO、NOx排放量明顯高于其他4種制氫途徑,分別高4.5～15.6、2.1～8.0、1.6～6.5倍;電網電電解水制氫和氯堿工業副產氫的PM10和PM2.5排放量接近,分別比其他3種途徑高7.6～33.6、4.0～12.3倍;氯堿工業副產氫的VOCs排放量最高,分別是可再生能源電電解水制氫、電網電電解水制氫、煤氣化制氫、甲烷催化重整制氫的17.8、1.4、2.4、3.3倍。

圖6 不同制氫途徑大氣污染物排放情況Fig.6 Atmospheric pollutant emission of different hydrogen production pathway

圖7為HHDV和DHDV全生命周期大氣污染物排放量。整體而言,HHDV和DHDV的大氣污染物排放各有優劣,主要與污染物的種類有關。DHDV的CO、NOx排放量分別為1.79、1.24 g/km,分別為HHDV的7.1、2.8倍。HHDV的VOCs、PM10、PM2.5和SOx排放量分別為0.23、0.19、0.11、0.95 g/km,分別為DHDV的1.6、2.8、4.5、9.4倍。

圖7 2種燃料類型重型車全生命周期大氣污染物排放情況Fig.7 Atmospheric pollutant emission of heavy duty vehicle driven by two fuels

3 結 論

(1) 電網電電解水制氫的總一次能源消耗最高,甲烷催化重整制氫最低。HHDV全生命周期總能耗為20.4 MJ/km,與DHDV(17.0 MJ/km)相比高約20.0%,表明當前氫氣供應和能源結構條件下,HHDV無法實現節能效果。

(2) 電網電電解水制氫的CO2、CH4和N2O排放量最高,可再生能源電電解水制氫的CO2和CH4排放量最低,甲烷催化重整制氫的N2O排放量最低。與DHDV(1 055.1 g/km)相比,HHDV全生命周期溫室氣體排放總量(1 492.7 g/km)高約41.5%,表明當前氫氣供應和能源結構條件下,HHDV無法實現減碳效果。

(3) 電網電電解水制氫的SOx、CO和NOx排放量最高,PM10和PM2.5排放量與氯堿工業副產氫接近,均較高;氯堿工業副產氫的VOCs排放量最高。整體而言,HHDV的大氣污染物排放量并不總高于或低于DHDV,與污染物的種類有關。