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分析|不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价

时间:  2021-05-24 17:09   来源:  全球能源互联网    作者:  网络转载

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摘 要:氢燃料电池汽车续航里程长、能量转换效率高,其燃料可通过可再生能源电解水制取。氢燃料电池汽车的推广应用将促进电力系统消纳不稳定的可再生能源电力。已有文献缺乏对氢燃料生产、储运等不同路径的环境影响全生命周期综合分析。考虑中国当前主要的制氢、输氢和发电技术,根据不同技术组合设计 17 条氢燃料路径,通过 GREET 软件对这些路径的生命周期环境影响进行核算。研究表明:路径 3(可再生能源发电制氢 + 液氢槽车输氢)和路径 16(可再生能源发电 + 输电 + 现场制氢)的环境影响最小,低于纯电动车路径(混合发电 + 锂离子电动车)和汽油内燃机车路径的环境影响。未来需要进一步降低可再生能源发电制氢的成本,提升这些路径的经济性,从而推动燃料电池汽车低环境影响路径的应用。

引言: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。交通领域是非常重要的化石燃料使用部门,其碳排放量占全球能源相关碳排放量的 25%,迫切需要通过技术创新降低对化石燃料的依赖,如发展新型乘用车等技术。与传统的内燃机汽车(internal combustion engine vehicle, ICEV)相比,纯电动汽车(battery electric vehicle, BEV)和燃料电池汽车(fuel cell vehicle, FCV)在能耗和排放方面具有显著优势,迅速成为关注的焦点。其中,FCV 具有续航里程长、能量转换效率高、补能时间短等优点,成为未来汽车业技术竞争的制高点。更为重要的是,FCV 所使用的氢,可以利用风电、太阳能发电等不稳定电力和剩余电力制取,从而有效提升可再生能源消纳能力。

然而,FCV 对环境的影响目前还存在争议。文献从车辆制造角度比较了 FCV 与其他类型汽车的能耗和排放,结果表明在车辆制造阶段,FCV 的能耗高于 ICEV 但低于 BEV,温室气体排放高于 BEV 和 ICEV,颗粒物排放几乎和 ICEV 相同并且高于 BEV,车辆制造阶段的能耗和排放都远低于车辆使用阶段。文献认为,车辆的环保性不能简单根据使用过程中直接排放的有害废气来判断,而应全面考虑燃料的生产、运输和使用全生命周期的环境影响。FCV 的燃料由制氢、储氢、输氢等多个环节构成,每个环节都有不同技术可供选择,不同的技术组合会导致 FCV 对环境的影响有所差异,有必要从全环节和全生命周期角度比较不同制氢和输氢技术组合产生的环境影响,从而筛选出合适的 FCV 燃料方案。目前,已有较多文献从全生命周期角度研究不同燃料生产和储运技术方案下 FCV 的环境影响和可持续性。针对可再生能源和不可再生能源制氢途径的研究结果表明:光伏发电 + 电解水制氢具有明显的节能减排优势,但如果考虑经济因素,天然气重整制氢很可能是最初引入到 FCV 的主要技术。

文献研究发现使用电网混合电制氢并不环保。中国学者研究发现风电 + 电解水制氢路径的能耗和排放最低,是 FCV 的最可行路径。文献通过对比不同制氢技术发现,若电力结构被火力发电主导,电解水制氢是众多制氢技术中矿产资源消耗、能耗和环境影响最大的技术。文献分析 3 种铝 - 水反应制氢发现,与石化燃料制氢相比,铝 - 水制氢发电不会释放有害颗粒,而且无需储运,具有一定的发展潜力。除了制氢技术以外,不同的氢能储运技术也会改变 FCV 对环境的影响。文献分析了公路运输、船舶运输和液体有机物储运氢几种方式下氢能供应链的环境和经济表现,结果表明,由于各种技术各有其优缺点,不存在环境经济表现全面占优的氢能供应链。文献 [ 21 ] 研究发现,管道输氢对环境的影响最小,输送距离越短,长管拖车输氢的环境影响越小。

在上述研究中,基于温室气体、管制排放和能源使用技术模型和软件(The Greenhouse gases, RegulatedEmissions, and Energy use in Technologies Model,GREET)的生命周期分析(life-cycle analysis, LCA)方法已经成为非常重要的研究工具。许多学者都基于 GREET 模型开展了 FCV 的燃料技术组合的环境影响分析和路径筛选。文献研究了中国台湾 FCV 的 6 种潜在燃料技术路径(天然气 + 蒸汽重整制氢、玉米乙醇 + 蒸汽重整制氢、电网电 + 电解水制氢、光伏发电 + 电解水制氢、煤气化制氢、煤气化制氢 + 碳捕集封存)的环境影响,研究表明光伏发电 + 电解水制氢路径的环境影响较低,但经济成本较高。文献对葡萄牙 FCV 燃料路径的环境影响研究表明,风力发电 + 电解水制氢路径最为环保,而电网混合电 + 电解水制氢路径最不环保。

文献对韩国 5 种 FCV 燃料路径的环境影响研究发现,天然气现场制氢较为环保,其温室气体排放比石脑油重整制氢低 50%。文献 ] 对不同液态氢生产方法下液态氢动力汽车的环境排放研究发现,太阳能、核能和电解水制氢是最环保的方法,煤炭和电制氢已成为对环境最有害的方法。已有研究从生命周期角度对 FCV 的环境影响分析取得了丰富的成果。然而,综合考虑中国当前主要的氢燃料生产、储运等不同技术组合,分析不同技术组合方案的环境影响的研究还未见报道。

鉴于此,本文基于 GREET 模型研究不同技术方案下 FCV 燃料生命周期的环境影响,并将其与 BEV 和 ICEV 进行对比,从而筛选出合适的 FCV 燃料方案。具体而言,本研究考虑最为主要的 5 种制氢技术(包括可再生能源发电制氢、混合电制氢、煤制氢、天然气制氢、焦炉煤气副产氢),3 种输氢技术(包括气氢拖车、气氢管道、液氢槽车),以及 2 种现场制氢场景(包括可再生能源电和混合电现场制氢并加氢的技术)。本文研究这些技术组合产生的 17 种 FCV 燃料技术方案的能耗、水耗、环境排放等环境影响,并与 BEV 和 ICEV 进行对比,筛选出 FCV 在氢燃料的环境影响方面的最优技术组合。

1、研究框架与模型

1.1 研究框架

项目的研究框架如图 1 所示。环境影响的研究采用 LCA 方法,具体计算采用 GREET 软件,评估内容包括能量消耗与排放等指标,该软件由美国阿贡国家实验室开发,现已广泛用于车用燃料的 LCA 研究。本文 LCA 分析的过程如下:①基于 GREET 软件,分别测算能源生产阶段(well-to-pump,WTP)(即能源开采到供应站点,如加氢站、加油站或充电站)和能源使用阶段(pump-to-wheel,PTW)(即能源供应站点到能源的使用)这 2 个阶段的环境清单,并汇总为原材料开采到能源使用(well-to-wheel,WTW)全过程的环境清单;②环境清单包括原油、原煤、天然气和水等进入系统边界的物质,VOC、CO、NOx、PM10、PM2.5、SOx、CH4、CO2、N2O 等通过放离开系统边界的物质;③通过生态指标 99(Ecoindicator 99)进行环境影响评价。需要说明的是,本研究不考虑上游建设引起的能耗、水耗和排放。

本文考虑 2 种方式实现 FCV 的燃料供给,第一种是在制氢工厂生产氢气,再把氢气运输到加氢站;第二种是为加氢站提供电能,在加氢站电解水现场制氢和加氢。第一种方式中的制氢环节有 5 种选择,输氢环节有 3 种选择;第二种方式中的电力来源有 2 种选择。因此对于 FCV 的氢燃料来源,共有 17 种路径可以选择;为了对比 FCV 与 BEV 和 ICEV 的区别,共设置 19 种路径,见表 1。

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1.2 生命周期环境影响分析

本文采用 GREET 2020,构建如表 1 所示的 19 种路径对应的过程,开展 LCA 研究,步骤如下:

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1)选定车型。车型和车辆相关参数是使用 GREET 软件研究汽车能耗和排放的必要条件。本文为 FCV、ICEV 和 BEV 分别选择一款具体的车型作为代表。FCV 选择丰田 Mirai,ICEV 选择凯美瑞 2019 款 2.5G 豪华版车,BEV 选择比亚迪汉 2020 款 EV 超长续航版豪华型车。这些车辆的相关参数根据太平洋汽车网等资料和文献整理,具体见表 2。

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2)设定基本过程及参数。在 GREET 模型中,对于每一个过程或子过程,需要定义使用的技术、输入的物质或能量的类型、输出的物质。根据表 1 的路径设计,需要定义制氢、输氢、发电等不同的过程,相关参数来自文献或软件本身,软件的相关操作和设置

来自操作手册。模型设置的输氢距离约 1300 km,输电线损约 5%。在所有过程中,都可能直接或者间接用到电力,因此电力的构成对模型运行结果有不可忽视的影响,模型中的发电结构(混合电力)参考文献中的电力结构(见表 3)。在 GREET 模型中,水电、风电、光伏发电这 3 种可再生能源发电技术的直接排放均为 0,仅有用水量和效率的差别。考虑到光伏发电对地域的要求最低,成本也具有竞争力,因此本研究选择光伏发电作为可再生能源电力的代表。

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3)环境影响评价方法。环境排放的危害最终会体现在对生态和人类健康的威胁上。因此,有必要评价排放污染物的环境影响,本文采用 LCA 常用的生态指标 99(Eco-indicator 99)方法,该方法将环境影响量化为人体毒性潜力、气溶胶潜力、光化学烟雾潜力、酸化潜力、全球变暖潜力等方面,各类污染排放与环境影响指标的权重关系见表 4。

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2、结果与讨论

2.1 能耗与水耗

不同路径的能耗结果如图 2 所示。结合表 1 可知,混合发电制氢、煤制氢的 FCV 路径,以及 BEV 路径的 WTP 阶段能耗明显较高;可再生能源发电制氢、焦炉煤气副产氢联合气氢运输、天然气制氢联合气氢运输的 FCV 路径,以及 ICEV 路径的 PTW 阶段能耗高于 WTP 阶段。不同 FCV 路径的 PTW 阶段的能耗相差不多,大约为 135 MJ/ 百 km。而 ICEV 的 PTW 阶段能耗为 282 MJ/ 百 km,远高于 WTP 阶段的 73 MJ/ 百 km,几乎是后者的 4 倍。BEV 在 WTP 和 PTW 阶段的能耗分别是 135 MJ/ 百 km 和 96 MJ/ 百 km,前者是后者的 1.4 倍。这种差异是制氢路径的技术工艺造成的,化石能源能耗较高,而可再生能源能耗较低,工业副产氢的能耗低是因为能耗主要分摊在产品上而不是副产品氢上。综合分析 19 种路径的能耗,能耗较高的 4 条路径都包含混合电制氢的环节,百 km 能耗均超过 500 MJ,其中 FCV-P6(混合电制氢 + 液氢槽车)的能耗最高,达到 551 MJ/ 百 km,FCV-P17 为 524 MJ/ 百 km。能耗较低的路径为可再生能源发电制氢路径、焦炉煤气制氢以及天然气制氢的 FCV 路径,能耗水平为 221~239 MJ/ 百 km。制氢 + 输氢路径和现场制氢路径相比,能耗差别不大。

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在相同制氢技术的路径中,3 种运输方式的能耗从低到高分别是气氢管道、气氢拖车、液氢槽车。以 FCV-P4、FCV-P5、FCV-P6 为例,由于运输方式不同引起的能耗差异仅占全部能耗的 2%~3%,因此这 3 种路径的总能耗近乎相同。不同路径的水耗结果如图 3 所示。由于所有路径 PTW 阶段的水耗都为 0,WTP 阶段的水耗即为这些燃料路径 WTW 过程的水耗。

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大部分 FCV 路径的水耗范围是 0.04~0.08 m3/ 百 km,都低于 BEV 路径的水耗 0.11 m3/ 百 km,有些路径的水耗甚至低于 ICEV 路径的 0.05 m3/ 百 km。但是和混合发电制氢相关的 FCV 路径水耗较高,高达 0.3 m3/ 百 km,几乎是 BEV 的 3 倍、ICEV 的 6 倍。这是由于混合发电部分的水耗较高,而混合发电的水耗又取决于电力结构。中国电力结构以水耗较高的火电为主,导致混合发电的 WTP 阶段水耗较高。如果未来电力结构发生变化,可再生能源比例逐渐提高,则该 FCV 路径的水耗也会随之降低。

2.2 环境排放

环境排放关注 9 种污染物:CH4、CO、CO2、N2O、NOx、PM2.5、PM10、SOx、VOC。通过 GREET 模型计算 19 种路径在 WTP 和 PTW 阶段的 9 种污染物的排放水平。由于仅有 ICEV 存在 PTW 阶段的污染物,所以不分别展示 WTP 和 PTW 各自的情况,仅显示每个路径每种污染物 WTW 的排放量,结果见表 5。

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整体而言,FCV 路径的环境排放并不总优于或劣于 ICEV 及 BEV,这和 FCV 路径的具体制氢和输氢方式有关。ICEV 路径的某些污染物排放较高,例如 C、CO2、NOx 和 VOC,4 种污染物排放量分别是 17025 280、20、20 g/ 百 km。BEV 路径的排放则普遍较低,CH4、NOx、SOx、CO2 分别是 30、10、50、18 810 g/ 百 km。本研究对 BEV 的 LCA 分析结果是针对使用电网电(混合电)的情景。本研究也对 BEV 使用可再生能源发电的情景进行了 LCA 分析,结果表明:在可再生能源发电情景下,BEV 的这 9 种主要污染物排放均为 0,是所有路径中最为环保的选择。综合比较环境排放水平,可再生能源发电制氢的燃料电池汽车表现最好,其他路径的排放水平跟污染物类型有关。例如,混合发电制氢的 VOC 排放几乎为 0,但是 NOx、SOx、PM10 和 CO2 的排放量很高。另外,和制氢过程相比,输氢过程的能耗和环境影响都比较小。

2.3 环境毒性

对于环境毒性,用环境排放数据和生态指标 99 计算人体毒性潜力、气溶胶潜力、光化学烟雾潜力、酸化潜力和全球变暖潜力。为方便对比,对这 5 项指标进行归一化处理,结果如图 4 所示。

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由图 4 可知,FCV 路径和 ICEV 及 BEV 路径相比,并不具有稳定的优势或劣势,这和 FCV 路径的具体制氢和输氢方式有关。ICEV 路径的某些污染物排放较高,而 BEV 路径的排放则普遍较低。在 19 种路径中,FCV-P1、FCV-P2、FCV-P3、FCV-P16 的所有毒性都表现得最低,这说明可再生能源发电制氢的综合环境毒性最小,其他路径的排放水平跟污染物类型有关,这一特点和环境排放类似。混合发电制氢在所有指标中都表现出较强的毒性,这是由于混合发电的石化燃料发电占比过高造成的。

2.4 情景分析

电解水制氢是未来具有重要发展前景的技术,可作为各种 P2X(power-to-chemicals)的重要内容,对于解决可再生能源弃电问题具有重要意义。该技术的环境影响取决于电力的生产结构。在本研究中,FCV-P1 至 FCV-P3 为 100% 可再生能源发电制氢条件下 FCV 的燃料路径,而 FCV-P4 至 FCV-P6 为 2019 年发电结构下(可再生能源占比较低)涵盖电制氢技术的 FCV 的燃料路径。为进一步探讨可再生能源发电比例如何影响 FCV 燃料路径的环境排放,本研究参考中国石油经济技术研究院对 2030 年和 2050 年中国发电结构的预测,在文中设立了 2030 年(水电、风电、光伏发电合计占比 35%)和 2050 年(水电、风电、光伏发电合计占比 55%)2 种发电结构;进一步,将这 2 种结构下电制氢技术与 3 种氢气储运技术进行组合,形成 6 条新的技术路径(包括 FCV-P4-2030、FCV-P5-2030、FCV-P6-2030、FCV-P4-2050、FCV-P5-2050 和 FCV-P6-2050);最后,基于 GREET 模型计算这些技术路径的 LCA 结果,并与本研究设计的 19 条技术路径(特别是 FCV-P1 至 FCV-P6 这 6 条技术路径)的环境排放结果进行归一化后的对比,结果如图 5 所示。

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研究表明:①随着可再生能源占比逐渐增加,FCV 燃料路径的能耗、水耗、污染物排放均逐渐降低;②与化石能源制氢和工业副产氢相比,在 2030 年和 2050 年发电结构下,涵盖电解水技术的 FCV 燃料路径的能耗和环境排放(如碳排放)仍然较高,甚至比 ICEV 及 BEV(混合电 + 锂离子电动车)路径的排放都要高。

3、结论与展望

针对 FCV 对环境影响的争议,本文综合考虑中国当前主要的氢燃料生产、运输等不同技术组合,分析了 17 种 FCV 燃料路径的能耗、水耗、环境排放及其环境影响,并对比 BEV 和 ICEV,提出 FCV 在氢燃料路径发展方面的相关建议。研究表明:①各路径在能耗、水耗、环境排放、环境毒性方面差异很大,其中 FCV-P3(可再生能源发电制氢 + 液氢槽车)和 FCV-P16(可再生能源发电 + 输电 + 现场制氢)这 2 条路径的环境影响最小,远低于其他路径,也低于 BEV 和 ICEV 的环境影响;②涵盖混合电制氢过程的路径(如 FCV-P6、FCV-P17 等)具有较高的能耗、水耗和环境影响,甚至高于涵盖煤制氢、天然气制氢、工业副产氢过程的路径(FCV-P7 至 FCV-P15);③ BEV 在各方面的环境影响低于大部分的 FCV 路径,高于 FCV-P3 和 FCV-P16,IECV 在 VOC、CO 和 NOx 排放方面远高于 FCV 的各路径,但其环境影响并非全部劣于 FCV 的各路径;④随着可再生能源占比的逐渐增加,FCV 燃料路径的能耗、水耗、污染物排放均逐渐降低。涵盖可再生能源发电制氢过程的路径具有较低的能耗、水耗、环境排放和环境毒性,但这些路径目前具有较高的经济成本;涵盖煤制氢、天然气制氢、工业副产氢过程的路径的能耗和水耗较高,但却具有较低的成本。按照目前的技术水平和电力结构、能源结构,本文研究的 17 种 FCV 路径的环境和经济效益无法同时达到最优。未来电力结构、技术水平发生变化的情况下,用本文提出的研究方法可对上述技术路径进行重新评价。本文的研究方法对于分析 FCV 的能耗、排放、成本有借鉴作用,未来将根据不同地区的实际情况,采用更多本地化数据,使研究结果具有更大的参考价值。

 

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