氢燃料电池重型车全生命周期节能减排效果评估*

于亚梅

(上海市环境监测中心,上海 200235)

化石燃料的大量使用导致气候变化、空气污染和化石能源短缺等问题,对人类社会的可持续发展造成了严峻挑战。2010年至2020年,我国机动车保有量从1.9亿辆增长到了3.7亿辆[1],年均增速达到6.9%,与此同时,交通运输部门能耗以年均11.1%的速度增长,以化石燃料为主的燃油汽车消耗了全国约42%的石油[2],并且随着汽车保有量的增长,这一占比还将进一步提高。因此,需要加快改变严重依赖于石油资源的交通方式,发展新能源汽车。目前新能源汽车的发展路线整体呈现出乘用车和中短途商用车电动化,中重型、中长途商用车氢燃料电池化和电动化并行的趋势。与内燃机汽车(ICEV)相比,纯电动汽车(BEV)和氢燃料电池汽车(HFCV)行驶时在能耗和排放方面具有显著优势,其中HFCV在重型商用车领域因具有续航里程长、能量转换效率高、补能时间短等优点[3]4402,成为汽车行业技术竞争的制高点。

然而,HFCV对环境的影响研究目前还不充分。HFCV虽然在行驶过程中没有排放,但在氢气的生产、储存、运输以及车辆的制造过程中会产生温室气体和大气污染物。KIM等[4]指出有必要对不同制氢途径的环境影响进行比较,筛选出最适合的燃料方案。LIU等[5]17982发现一些氢气生产途径导致HFCV产生比ICEV更高的温室气体排放量,尤其是化石燃料密集型电网电力电解水和煤气化制氢技术。CORREA等[6]1分析了阿根廷、智利和巴西4种动力系统(柴油、氢燃料电池、电力及柴油混合电力驱动)城市客车燃料周期的大气污染物排放表现,结果显示BEV在短距离行驶时排放更低,而HFCV在长距离行驶时排放更低。LIU等[7]对HFCV(丰田未来)和传统汽油车(马自达3)的能耗和排放进行了分析,发现与传统汽油车相比,HFCV即使消耗的氢气来源于化石能源,也能在燃料周期减少约15%～45%的温室气体排放量。通过文献调研发现,目前针对HFCV全生命周期环境影响的研究多集中于乘用车[5]17993,[8],[9]304,关于氢燃料电池重型车(HHDV)的研究较少,且已有关于HHDV的研究多聚焦于燃料循环和不同氢能途径的比较[6]2,[10],涉及车辆制造的研究较少;另外,涉及目前氢气开发现状的研究也较少。

因此,本研究对比分析了可再生能源电(以太阳能发电为例)电解水制氢、电网电电解水制氢、煤气化制氢、甲烷催化重整制氢、氯碱工业副产氢5种常用制氢途径的全生命周期能耗与排放情况,并以此为基础,结合当前氢气供给结构与能源结构,核算了我国HHDV全生命周期能耗、温室气体及大气污染物排放量;并与柴油重型车(DHDV)进行对比,分析了推广HHDV对实现节能减排的作用和效果,为HHDV生产企业的技术开发和管理部门的政策制定提供数据参考。

1 评价方法

生命周期评价(LCA)是一种系统化评估原料、产品、生产和服务整个生命周期过程中直接和间接环境影响的分析方法,也称从“摇篮”到“坟墓”的评价方法。本次车辆LCA分析符合《环境管理 生命周期评价 原则与框架》(GB/T 24040—2008)。

1.1 研究边界

LCA具体计算采用GREET软件。研究边界示意图见图1。车辆生命周期主要分为燃料周期和车辆周期两部分。燃料周期由燃料的上游生产(WTP)过程和下游消费(PTW)过程共同组成。WTP过程包括燃料原料(原油、原煤等)开采、生产与运输过程,以及燃料的生产与运输过程。PTW过程主要指燃料的最终消耗过程,即车辆行驶过程。由于实际驾驶工况以及驾驶习惯的复杂性,车辆实际行驶过程的燃油经济性通常与工信部公示值有较大差异。本研究车辆行驶过程燃油经济性假设比工信部公示的数值高约35%,该值来源于GONG等[11]对北京数千次车辆真实行驶循环的研究及文献[12]、[13]。车辆周期包括车辆主体的生产与加工过程,零部件组装、涂漆等装配工艺过程,以及补充液体、更换轮胎和其他零部件等维修过程。

图1 研究边界示意图Fig.1 Schematic diagram of life cycle assessment system framework

功能单位指经过量化的产品功能或绩效特征[3]4403。假设所研究重型车全生命周期道路行驶里程为100万km。功能单位为车辆行驶1 km。

1.2 研究对象与评价指标

研究对象为HHDV及DHDV。选择北汽福田燃料电池半挂牵引车及北汽福田半挂牵引车分别作为两类车辆的代表车型,车辆参数见表1。

表1 HHDV及DHDV的车辆基本参数Table 1 Vehicle parameters for HHDV and DHDV

评价指标包含能耗、温室气体排放量与大气污染物排放量。其中,能耗包含一次能源消耗总量和化石能源消耗总量(煤炭消耗量、石油消耗量及天然气消耗量之和);温室气体包含CO2、CH4和N2O,温室气体排放量是根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)相关报告中CO2、CH4、N2O的全球变暖潜能值[14]计算的CO2当量;大气污染物主要关注挥发性有机物(VOCs)、CO、氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)和硫氧化物(SOx)。

1.3 数据来源

数据来源主要为GREET模型数据库、国家统计局、国家能源局、工信部、中国宏观经济研究院等官方网站及各类文献[15-17]。对于当前国内尚为空白的数据,采用国际平均水平数据。本研究讨论的时间基准为2020年。

1.4 清单分析

1.4.1 燃料周期清单:能源结构与电力组成

“十三五”以来,我国加快调整能源结构,减少煤炭消费,国内原油及天然气产量稳步回升;可再生能源比重大幅增加。2020年我国能源消费组成大致为煤炭占56.8%,石油占18.9%,天然气占8.4%,电力及其他能源占15.9%[18]184。

我国是煤炭资源大国,煤炭资源存量相对丰富,内蒙古、新疆、山西等都是煤炭资源丰富的地区。同时,出于经济性和需求等因素考虑,我国还从印尼、俄罗斯等国家进口煤炭。我国煤炭运输方式包括铁路运输、公路运输及水路运输。2018年我国煤炭铁路货运量达23.8亿t,占2018年全国煤炭总产量的67.1%[19]。水路运输主要有海路运输和内河运输两种方式,2018年全国沿海港口和内河港口煤炭发运量分别占煤炭货运总量的30.4%和1.1%[20]。公路运输以短途为主,运距多在1 000 km以内。我国石油和天然气资源储量相对不足,目前石油探明储量多集中在黑龙江、山东和辽宁。2019年我国石油进口总量为5.8亿t,占石油消费总量的86.8%[18]185,进口石油主要来自俄罗斯、沙特阿拉伯、安哥拉等国家。天然气主要分布于中西部的盆地,其中以塔里木盆地和四川盆地资源最为丰富。进口天然气主要来自中亚地区,俄罗斯、澳大利亚及卡塔尔等国家。

中国电力企业联合会统计数据[21-22]显示,2021年我国发电量81 121.8亿kW·h。其中,以煤炭作为主燃料的火力发电量、水力发电量、风力发电量、核能发电量及太阳能发电量分别占社会总发电量的71.1%、14.6%、7.0%、5.0%和2.3%。

1.4.2 氢能产业现状

氢能产业复杂,涉及氢气制备、储存、运输等多个环节。目前我国氢气制备以3种技术路线为主:以煤炭、天然气等为原料的化石能源重整制氢,以氯碱尾气、焦炉煤气等工业尾气为代表的工业副产气提纯制氢,以及电解水制氢。煤制氢技术是当前成本最低的制氢方式,适用于大规模稳定制备。以天然气为原料的重整制氢技术是国外主流的制氢方式。可用于提纯制氢的工业副产气通常来源于钢铁、化工等行业,提纯利用其中的氢气,可提高资源利用效率、降低大气污染。电解水制氢得到氢气纯度高(99.7%以上[23]),但制取成本受电价的影响较大。我国2020年氢气供给结构[24]如表2所示。

表2 中国2020年氢气供给结构Table 2 Supply structure of hydrogen in China in 2020

氢气的储运形态主要有气态、液态和固态3种,目前我国氢气储运以高压气态方式为主。

1.4.3 车辆周期清单:车辆材料组成、生产与维护

为了评估车辆制造过程的能耗和排放量,首先必须明确车辆的组成和质量分布,国际上通用的分析方法是对车辆的主要材料构成进行分析。本研究车辆主体和电池系统的材料构成[25-26]如表3、表4所示。

表3 车辆主体材料质量分数分布Table 3 Distribution of mass fraction of vehicle body materials %

表4 电池系统材料分布Table 4 Battery system material composition

车辆装配过程的能耗和排放主要集中于涂装、制冷、照明、焊接等过程。已有研究表明,车辆主体、零部件生产与整车装配阶段的能耗和排放量通常与质量呈线性相关[27]。车辆配送过程指汽车生产下线后运输至销售店的过程,重型卡车生产下线后通常为送车司机自主驾驶到销售地,平均运输距离为1 600 km[28]。车辆维修阶段的能耗与排放主要来源于轮胎及液体的更换补充,根据XIONG等[29]的研究,轮胎、发动机油、雨刷液、制动液和动力总成冷却液分别行驶62 500、10 000、12 500、62 500、62 500 km更换一次,车辆寿命期只需更换一次传动液和燃料电池组。车辆报废过程主要包括车辆主体的粉碎和电池系统的处理,该部分核算参考文献[30]进行。

2 结果与讨论

2.1 能 耗

5种不同制氢途径的能耗结果(制备1 MJ氢气的能耗,以氢气的低位热值120 MJ/kg计算)如图2所示。电网电电解水制氢总一次能源消耗最高,为3.1 MJ/MJ,甲烷催化重整制氢最低,为0.7 MJ/MJ。电网电电解水制氢消耗大量电能,受发电效率及我国发电结构(火电为主)影响,该制氢途径煤炭消耗较高。氯碱工业能耗主要由主产品承担,而非副产物氢气,因此氯碱工业副产氢的能耗较低。甲烷催化重整制氢原料为天然气,因此该途径天然气消耗最多。余亚东等[9]303讨论了17种氢燃料制备途径的全生命周期环境影响,指出电网电电解水制氢为能耗最高的制氢途径,能耗较低的制氢途径为可再生能源电电解水制氢、焦炉煤气提纯制氢以及天然气制氢,各制氢途径的能耗与本研究结果有较好一致性。

图2 不同制氢途径总一次能源消耗与化石能源消耗Fig.2 The total primary energy consumption and fossil fuel consumption of different hydrogen production pathway

车辆全生命周期能耗情况如图3所示。HHDV与DHDV全生命周期一次能源消耗总量分别为20.4、17.0 MJ/km。与DHDV相比,HHDV总能耗高20.0%,说明当前氢气供应结构和能源结构下,推广HHDV无法达到降低能耗的效果。DHDV能耗主要来源于PTW阶段,占总能耗的62.9%;HHDV的WTP和PTW阶段能耗分布较为平均,分别占总能耗的49.3%和46.7%。

图3 2种燃料类型重型车全生命周期总一次能源消耗与化石能源消耗Fig.3 The total primary energy consumption and fossil fuel consumption of heavy duty vehicle driven by two fuels

WTP阶段,DHDV的能耗比HHDV低43.7%,分析原因可能为燃料生产过程能源转化效率的差异,目前柴油加工的能源转化效率超过90%,而氢气制备的综合能源转化效率较低,当前氢气来源结构中占比最大的化石能源制氢能源利用率(以煤炭、天然气为原料制氢综合能源利用率大约分别为50%～60%[31]和72%[32-33])低于柴油加工能源利用率。PTW阶段,柴油发动机的能源转化率大约为30%～45%,而氢燃料电池将氢能转化为电能的效率约为60%[34],电动机电能利用效率最高可达到90%,因此HHDV的综合能源转化率高于DHDV,使得PTW阶段HHDV的能耗比DHDV低11.0%。综合WTP阶段和PTW阶段得出DHDV的燃料周期能耗比HHDV低16.4%。在车辆周期,由于HHDV配备了电动机和燃料电池,车架相应做了加固,使得HHDV的整备质量比DHDV高约2 600 kg(见表1),进而车辆周期的能耗比DHDV高21.2%。

由于我国目前氢气来源依赖化石燃料制氢,其中包括煤气化制氢,因此HHDV的全生命周期煤炭消耗明显高于DHDV,约为其4.7倍。与DHDV相比,HHDV的全生命周期石油消耗约节约95.7%,因此HHDV的推广有助于减少我国对进口石油的依赖。以天然气为原料的甲烷催化重整制氢技术是目前较为常见的制氢技术,因此HHDV的天然气消耗量明显高于DHDV。

2.2 温室气体

5种制氢途径温室气体排放情况(制备1 MJ氢气产生的排放量)如图4所示。电网电电解水制氢的CO2、CH4和N2O排放量均最高,分别为301.37、9.62、0.32 g/MJ,可再生能源电电解水制氢的CO2和CH4排放量最低,分别为28.51、1.05 g/MJ。甲烷催化重整制氢的N2O排放量(0.16 g/MJ)最低。文献[5]、[9]、[10]的研究表明,可再生能源电电解水制氢、电网电电解水制氢、煤气化制氢、甲烷催化重整制氢和氯碱工业副产氢生命周期碳排放量(CO2当量)大致为20.8～31.3、283.1～401.0、203.8～258.3、111.4～158.3、155.8～161.0 g/MJ,本研究结果与其类似。

图4 不同制氢途径的CO2、CH4和N2O排放量Fig.4 CO2,CH4 and N2O emission of different hydrogen production pathway

由图5可知,HHDV和DHDV全生命周期温室气体排放量分别为1 492.7、1 055.1 g/km。与DHDV相比,HHDV全生命周期温室气体排放量高41.5%,说明当前氢气供应结构和电力组成条件下,推广HHDV无法达到减碳效果。CO2排放是车辆全生命周期温室气体排放的主要部分,分别占DHDV和HHDV全生命周期温室气体排放总量的97.2%和95.7%。CH4排放量仅为CO2的2.7%(DHDV)和4.1%(HHDV),CH4排放主要与电力结构有关[12]。N2O排放量仅为CO2的0.08%(DHDV)和0.23%(HHDV)。

图5 2种燃料类型重型车全生命周期温室气体排放总量及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

燃料周期阶段为车辆全生命周期温室气体排放的主要阶段,分别占DHDV和HHDV全生命周期温室气体排放总量的98.8%和98.9%。虽然HHDV在PTW阶段没有排放,但WTP阶段氢气制备过程的温室气体排放量是柴油生产过程的5倍多,使得燃料周期阶段HHDV的温室气体排放量比DHDV高41.6%。HHDV和DHDV的整备质量及原材料比例不同,车辆生产、装配及配送等过程的碳排放量不同,车辆周期HHDV碳排放量比DHDV高31.9%。根据上述分析,电网结构的清洁度将对氢气制备过程碳排放产生直接影响,如果未来我国改变以煤电为主的电力结构,推广可再生能源电电解水制氢工艺,HHDV全生命周期的温室气体排放量将大幅降低。

2.3 大气污染物

5种制氢途径的大气污染物排放情况(制备1MJ氢气的排放量)如图6所示。目前我国电力结构仍以煤炭发电为主,使得电网电电解水制氢的SOx、CO、NOx排放量明显高于其他4种制氢途径,分别高4.5～15.6、2.1～8.0、1.6～6.5倍;电网电电解水制氢和氯碱工业副产氢的PM10和PM2.5排放量接近,分别比其他3种途径高7.6～33.6、4.0～12.3倍;氯碱工业副产氢的VOCs排放量最高,分别是可再生能源电电解水制氢、电网电电解水制氢、煤气化制氢、甲烷催化重整制氢的17.8、1.4、2.4、3.3倍。

图6 不同制氢途径大气污染物排放情况Fig.6 Atmospheric pollutant emission of different hydrogen production pathway

图7为HHDV和DHDV全生命周期大气污染物排放量。整体而言,HHDV和DHDV的大气污染物排放各有优劣,主要与污染物的种类有关。DHDV的CO、NOx排放量分别为1.79、1.24 g/km,分别为HHDV的7.1、2.8倍。HHDV的VOCs、PM10、PM2.5和SOx排放量分别为0.23、0.19、0.11、0.95 g/km,分别为DHDV的1.6、2.8、4.5、9.4倍。

图7 2种燃料类型重型车全生命周期大气污染物排放情况Fig.7 Atmospheric pollutant emission of heavy duty vehicle driven by two fuels

3 结 论

(1) 电网电电解水制氢的总一次能源消耗最高,甲烷催化重整制氢最低。HHDV全生命周期总能耗为20.4 MJ/km,与DHDV(17.0 MJ/km)相比高约20.0%,表明当前氢气供应和能源结构条件下,HHDV无法实现节能效果。

(2) 电网电电解水制氢的CO2、CH4和N2O排放量最高,可再生能源电电解水制氢的CO2和CH4排放量最低,甲烷催化重整制氢的N2O排放量最低。与DHDV(1 055.1 g/km)相比,HHDV全生命周期温室气体排放总量(1 492.7 g/km)高约41.5%,表明当前氢气供应和能源结构条件下,HHDV无法实现减碳效果。

(3) 电网电电解水制氢的SOx、CO和NOx排放量最高,PM10和PM2.5排放量与氯碱工业副产氢接近,均较高;氯碱工业副产氢的VOCs排放量最高。整体而言,HHDV的大气污染物排放量并不总高于或低于DHDV,与污染物的种类有关。