氫燃料電池汽車與電動汽車，誰能實現(xiàn)零排放？2021-08-06 08:07
2021年7月份，中汽研發(fā)布了《乘用車生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，將乘用車碳排放核算問題繼續(xù)往前推進了一步。
此前的2019年6月20日，在杭州舉行的2019中國汽車生態(tài)設(shè)計國際論壇上，中國汽車研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心發(fā)布了中國汽車低碳行動計劃2019年研究成果，結(jié)果表明鋰電池汽車比亞迪宋MAX和沃爾沃XC60碳排放值均高于基準值，不僅不存在減排，甚至?xí)黾优欧?，如圖1所示。
這個研究表明，新能源汽車，如電動汽車，只是在行駛過程中沒有產(chǎn)生污染和排放，但其將碳排放轉(zhuǎn)移到了使用時看不見的車輛生產(chǎn)和電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)。這就是所謂的碳轉(zhuǎn)移問題。碳轉(zhuǎn)移問題越來越受到關(guān)注，政府也開始將該問題納入制定新能源汽車政策的考量之中。
生態(tài)環(huán)境部氣候司已經(jīng)委托中汽中心開展“國家應(yīng)對氣候變化專項——《乘用車碳排放核算技術(shù)規(guī)范及限額標準》研究”。該標準研究制定已于2019年3月15日啟動，中汽中心已聯(lián)合主流車企，成立了標準研究工作組。該標準有望于2025年發(fā)布并成為國家強制標準。
新能源汽車，除了電動車外，還有氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車碳排放相比電動車和燃油車，碳排放情況如何？中汽研沒有涉及。
我們在這里，結(jié)合中汽研的已有研究成果，試圖在碳中和背景下，對電動汽車和氫燃料電池汽車的全生命周期碳排放，給出一個初步的研究框架。
1
全生命周期碳排放核算邊界
根據(jù)中汽數(shù)據(jù)有限公司聯(lián)合聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署、國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心、世界資源研究所和北京工業(yè)大學(xué)等16家國內(nèi)外機構(gòu)開展的《中國汽車低碳行動計劃2020》的研究成果，乘用車全生命周期碳排放邊界包括車輛周期和燃料周期，如圖2。
1．1車輛周期碳排放比較
根據(jù)中汽研的數(shù)據(jù)，由于動力蓄電池原材料獲取的困難和復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，電動汽車車輛周期在全生命周期中的碳排放高達40％。其中，動力蓄電池的生產(chǎn)碳排放占比達到22％，其他部件生產(chǎn)的碳排放僅為18％。從文獻［1］中也可以看到，鋰電池車輛周期中產(chǎn)生的碳排放最大，約是內(nèi)燃機汽車車輛周期碳排放的2倍，燃料電池汽車車輛周期碳排放的1．2倍。燃料電池車輛周期生產(chǎn)過程中碳排放高于內(nèi)燃機汽車的原因主要是電堆和儲氣瓶的生產(chǎn)碳排放大，約占車輛周期的20％，而內(nèi)燃機汽車動力系統(tǒng)僅占6％。
［1］Yang， Z．， B． Wang and K． Jiao， Life cycle assessment of fuel cell， electric and internal combustion engine vehicles under different fuel scenarios and driving mileages in China． Energy， 2020． 198： p． 117365．
1．2燃料周期碳排放比較
內(nèi)燃機汽車燃料周期的碳排放一般約占全生命周期碳排放的80％。電動汽車燃料周期的碳排放則與其電力生產(chǎn)方式有關(guān)，故而電動汽車的碳減排效果一般與該省份不同的發(fā)電方式有關(guān)。不同發(fā)電方式產(chǎn)生的碳排放如圖4所示。
總體來說，根據(jù)《中國汽車低碳行動計劃2020》的研究成果，如圖5所示，在目前中國的電力結(jié)構(gòu)下，電動汽車使用有利于減少碳排放。
燃料電池汽車燃料周期的碳排放與氫氣的制取方式顯著相關(guān)，如表1所示。從表中可以看到，依據(jù)氫氣制取方式不同，碳排放量從低到高為：1．可再生能源制氫；2．天然氣制氫；3．焦爐煤氣副產(chǎn)氫；4．煤制氫；5．混合電制氫。氫氣制取地點，如現(xiàn)場制氫和遠距離輸電后制氫；氫氣運輸方式，如氣氫管道、氣氫拖車、液氫槽車等因素也會影響燃料電池的碳排放，但都不是主要因素。
2
全生命周期碳排放綜合比較
目前，中汽研關(guān)于乘用車碳排放分析比較的車型只包括了汽油車、柴油車、常規(guī)混合動力車、插電式混合動力車和純電動車，但沒有包括燃料電池汽車，而電動汽車和燃料電池汽車是寄予厚望的減排主力軍，我們基于以上研究成果從能量利用率角度綜合分析電動汽車和燃料電池汽車的全生命周期碳排放。
根據(jù)殼牌公司的分析，在能量來源都為可再生能源發(fā)電的條件下，電動汽車擁有最高的能量利用效率，如圖6所示。
根據(jù)數(shù)據(jù)，充電電動車的效率為77％，而氫燃料電池汽車的效率僅為30％。如果假設(shè)電動汽車跑1公里需要1度電，那么氫燃料電池車需要
度，相應(yīng)地，碳排放增加了約1．3倍。然而，該數(shù)據(jù)沒有考慮汽車有效載重問題。以捷氫科技推出的PROME P3X電堆產(chǎn)品為例，系統(tǒng)能量密度為631W／kg，而根據(jù)《電動汽車觀察家》統(tǒng)計，2019年5月份系統(tǒng)能量密度排第一位的是ALON．S，為166．06 Wh／kg，動力電池總蓄電量為58．8kW·h，則動力電池系統(tǒng)總質(zhì)量為
，整車全部質(zhì)量為1575kg，動力電池系統(tǒng)質(zhì)量占整車質(zhì)量的
。如將該車型的動力系統(tǒng)換為氫燃料電池系統(tǒng)，該電堆額定功率為117kW，燃料電池動力系統(tǒng)總質(zhì)量為
，只占整車質(zhì)量的
。故而動力電池系統(tǒng)比氫燃料電池系統(tǒng)的有效載重低了
，即多增加了10％的碳排放。
另外，當電池容量很大的時候，很大一部分電池容量都用來運載電池本身了，就像一個人帶一斤干糧能走20公里，帶兩斤能走40公里，但帶100斤干糧能走2000公里嗎？肯定是不能的，因為干糧的重量已經(jīng)把旅行者壓垮了。如圖7所示，隨著電池容量的增加，續(xù)航里程的增長呈指數(shù)式衰減，到最后趨于平緩，所以動力電池增加行駛里程與增加運行重量都是非常困難的問題。故而，繼續(xù)假設(shè)動力電池的由于增加運行里程或運行重量導(dǎo)致行駛效率繼續(xù)下降15％，此時相比于具有52％的能量利用率。
另外，應(yīng)該注意到殼牌公司制定的氫氣轉(zhuǎn)換成電能的效率為46％，這是偏低的。按照目前主流車企制定的工作點工作電壓為0．65V，此時的工作效率約為53％，提升7個點的效率。另外根據(jù)美國能源部燃料電池辦公室提出的第八級長途拖掛車的長期目標效率為72％，此時燃料電池能提升22個點的效率，總能量利用率為56％，開始高于電動汽車，表明其碳排放已經(jīng)可能低于電動汽車了。
最后，還應(yīng)該指出，當產(chǎn)生氫氣的能量為“棄光”、“棄電”時，考慮其將不能利用的能量重新利用了起來，此時氫燃料電池車的使用實現(xiàn)了真正意義上的“零排放”。
3
總結(jié)與展望
中汽研做的碳排放研究，只研究了電動汽車和燃油車全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有機構(gòu)研究電動汽車和氫燃料電池汽車全生命周期的碳排放。本文試圖分析碳中和背景下的電動汽車和燃料電池汽車的全生命周期碳排放?？偟膩碚f，電動汽車車輛周期的碳排放大于燃料電池汽車。在燃料來源都為可再生能源的前提下，電動汽車燃料周期碳排放由于較高的能量利用率可能低于燃料電池汽車。然而，在長距離，中重型的應(yīng)用場景下，由于自身局限性，電動汽車的碳排放可能反超燃料電池汽車。并且，很重要的是，氫燃料電池汽車可以基于氫能實現(xiàn)真正意義上的零排放，而電動汽車終歸是消耗電能的產(chǎn)品。
另外，應(yīng)該指出，目前中汽研的報告中全部沒有考慮動力電池回收產(chǎn)生的碳排放等影響，但可以估計，由于鋰電池自身的材料體系，其回收難度、碳排放、回收成本、對環(huán)境的不利影響等應(yīng)該大于氫燃料電池。
此前的2019年6月20日，在杭州舉行的2019中國汽車生態(tài)設(shè)計國際論壇上，中國汽車研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心發(fā)布了中國汽車低碳行動計劃2019年研究成果，結(jié)果表明鋰電池汽車比亞迪宋MAX和沃爾沃XC60碳排放值均高于基準值，不僅不存在減排，甚至?xí)黾优欧?，如圖1所示。
這個研究表明，新能源汽車，如電動汽車，只是在行駛過程中沒有產(chǎn)生污染和排放，但其將碳排放轉(zhuǎn)移到了使用時看不見的車輛生產(chǎn)和電力生產(chǎn)環(huán)節(jié)。這就是所謂的碳轉(zhuǎn)移問題。碳轉(zhuǎn)移問題越來越受到關(guān)注，政府也開始將該問題納入制定新能源汽車政策的考量之中。
生態(tài)環(huán)境部氣候司已經(jīng)委托中汽中心開展“國家應(yīng)對氣候變化專項——《乘用車碳排放核算技術(shù)規(guī)范及限額標準》研究”。該標準研究制定已于2019年3月15日啟動，中汽中心已聯(lián)合主流車企，成立了標準研究工作組。該標準有望于2025年發(fā)布并成為國家強制標準。
新能源汽車，除了電動車外，還有氫燃料電池汽車。氫燃料電池汽車碳排放相比電動車和燃油車，碳排放情況如何？中汽研沒有涉及。
我們在這里，結(jié)合中汽研的已有研究成果，試圖在碳中和背景下，對電動汽車和氫燃料電池汽車的全生命周期碳排放，給出一個初步的研究框架。
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全生命周期碳排放核算邊界
根據(jù)中汽數(shù)據(jù)有限公司聯(lián)合聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署、國家應(yīng)對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心、世界資源研究所和北京工業(yè)大學(xué)等16家國內(nèi)外機構(gòu)開展的《中國汽車低碳行動計劃2020》的研究成果，乘用車全生命周期碳排放邊界包括車輛周期和燃料周期，如圖2。
1．1車輛周期碳排放比較
根據(jù)中汽研的數(shù)據(jù)，由于動力蓄電池原材料獲取的困難和復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，電動汽車車輛周期在全生命周期中的碳排放高達40％。其中，動力蓄電池的生產(chǎn)碳排放占比達到22％，其他部件生產(chǎn)的碳排放僅為18％。從文獻［1］中也可以看到，鋰電池車輛周期中產(chǎn)生的碳排放最大，約是內(nèi)燃機汽車車輛周期碳排放的2倍，燃料電池汽車車輛周期碳排放的1．2倍。燃料電池車輛周期生產(chǎn)過程中碳排放高于內(nèi)燃機汽車的原因主要是電堆和儲氣瓶的生產(chǎn)碳排放大，約占車輛周期的20％，而內(nèi)燃機汽車動力系統(tǒng)僅占6％。
［1］Yang， Z．， B． Wang and K． Jiao， Life cycle assessment of fuel cell， electric and internal combustion engine vehicles under different fuel scenarios and driving mileages in China． Energy， 2020． 198： p． 117365．
1．2燃料周期碳排放比較
內(nèi)燃機汽車燃料周期的碳排放一般約占全生命周期碳排放的80％。電動汽車燃料周期的碳排放則與其電力生產(chǎn)方式有關(guān)，故而電動汽車的碳減排效果一般與該省份不同的發(fā)電方式有關(guān)。不同發(fā)電方式產(chǎn)生的碳排放如圖4所示。
總體來說，根據(jù)《中國汽車低碳行動計劃2020》的研究成果，如圖5所示，在目前中國的電力結(jié)構(gòu)下，電動汽車使用有利于減少碳排放。
燃料電池汽車燃料周期的碳排放與氫氣的制取方式顯著相關(guān)，如表1所示。從表中可以看到，依據(jù)氫氣制取方式不同，碳排放量從低到高為：1．可再生能源制氫；2．天然氣制氫；3．焦爐煤氣副產(chǎn)氫；4．煤制氫；5．混合電制氫。氫氣制取地點，如現(xiàn)場制氫和遠距離輸電后制氫；氫氣運輸方式，如氣氫管道、氣氫拖車、液氫槽車等因素也會影響燃料電池的碳排放，但都不是主要因素。
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全生命周期碳排放綜合比較
目前，中汽研關(guān)于乘用車碳排放分析比較的車型只包括了汽油車、柴油車、常規(guī)混合動力車、插電式混合動力車和純電動車，但沒有包括燃料電池汽車，而電動汽車和燃料電池汽車是寄予厚望的減排主力軍，我們基于以上研究成果從能量利用率角度綜合分析電動汽車和燃料電池汽車的全生命周期碳排放。
根據(jù)殼牌公司的分析，在能量來源都為可再生能源發(fā)電的條件下，電動汽車擁有最高的能量利用效率，如圖6所示。
根據(jù)數(shù)據(jù)，充電電動車的效率為77％，而氫燃料電池汽車的效率僅為30％。如果假設(shè)電動汽車跑1公里需要1度電，那么氫燃料電池車需要
度，相應(yīng)地，碳排放增加了約1．3倍。然而，該數(shù)據(jù)沒有考慮汽車有效載重問題。以捷氫科技推出的PROME P3X電堆產(chǎn)品為例，系統(tǒng)能量密度為631W／kg，而根據(jù)《電動汽車觀察家》統(tǒng)計，2019年5月份系統(tǒng)能量密度排第一位的是ALON．S，為166．06 Wh／kg，動力電池總蓄電量為58．8kW·h，則動力電池系統(tǒng)總質(zhì)量為
，整車全部質(zhì)量為1575kg，動力電池系統(tǒng)質(zhì)量占整車質(zhì)量的
。如將該車型的動力系統(tǒng)換為氫燃料電池系統(tǒng)，該電堆額定功率為117kW，燃料電池動力系統(tǒng)總質(zhì)量為
，只占整車質(zhì)量的
。故而動力電池系統(tǒng)比氫燃料電池系統(tǒng)的有效載重低了
，即多增加了10％的碳排放。
另外，當電池容量很大的時候，很大一部分電池容量都用來運載電池本身了，就像一個人帶一斤干糧能走20公里，帶兩斤能走40公里，但帶100斤干糧能走2000公里嗎？肯定是不能的，因為干糧的重量已經(jīng)把旅行者壓垮了。如圖7所示，隨著電池容量的增加，續(xù)航里程的增長呈指數(shù)式衰減，到最后趨于平緩，所以動力電池增加行駛里程與增加運行重量都是非常困難的問題。故而，繼續(xù)假設(shè)動力電池的由于增加運行里程或運行重量導(dǎo)致行駛效率繼續(xù)下降15％，此時相比于具有52％的能量利用率。
另外，應(yīng)該注意到殼牌公司制定的氫氣轉(zhuǎn)換成電能的效率為46％，這是偏低的。按照目前主流車企制定的工作點工作電壓為0．65V，此時的工作效率約為53％，提升7個點的效率。另外根據(jù)美國能源部燃料電池辦公室提出的第八級長途拖掛車的長期目標效率為72％，此時燃料電池能提升22個點的效率，總能量利用率為56％，開始高于電動汽車，表明其碳排放已經(jīng)可能低于電動汽車了。
最后，還應(yīng)該指出，當產(chǎn)生氫氣的能量為“棄光”、“棄電”時，考慮其將不能利用的能量重新利用了起來，此時氫燃料電池車的使用實現(xiàn)了真正意義上的“零排放”。
3
總結(jié)與展望
中汽研做的碳排放研究，只研究了電動汽車和燃油車全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有機構(gòu)研究電動汽車和氫燃料電池汽車全生命周期的碳排放。本文試圖分析碳中和背景下的電動汽車和燃料電池汽車的全生命周期碳排放?？偟膩碚f，電動汽車車輛周期的碳排放大于燃料電池汽車。在燃料來源都為可再生能源的前提下，電動汽車燃料周期碳排放由于較高的能量利用率可能低于燃料電池汽車。然而，在長距離，中重型的應(yīng)用場景下，由于自身局限性，電動汽車的碳排放可能反超燃料電池汽車。并且，很重要的是，氫燃料電池汽車可以基于氫能實現(xiàn)真正意義上的零排放，而電動汽車終歸是消耗電能的產(chǎn)品。
另外，應(yīng)該指出，目前中汽研的報告中全部沒有考慮動力電池回收產(chǎn)生的碳排放等影響，但可以估計，由于鋰電池自身的材料體系，其回收難度、碳排放、回收成本、對環(huán)境的不利影響等應(yīng)該大于氫燃料電池。
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