2018, Vol. 39
2. 国家环境保护大气复合污染来源与控制重点实验室, 北京 100084;
3. 康奈尔大学机械与航天工程学院, 伊萨卡, 纽约州 14853, 美国
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Sources and Control of Air Pollution Complex, Beijing 100084, China;
3. Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, Cornell University, Ithaca, New York 14853, U. S
随着城市化进程的加快, 我国汽车保有量持续增长, 至2016年末, 我国民用汽车保有量已增至1.94亿辆[1], 并预计在2030年持续增加至3.5~5.5亿辆[2].汽车保有量的急剧增长推动了我国石油消费量的增长.近年来, 我国石油消费量与进口量呈现逐年上升的趋势. 2016年我国石油表观消费量为5.56亿t, 对外依存度超过65%[3].此外, 汽车保有量的迅速增加也将导致二氧化碳(CO2)这一主要温室气体排放的增加.根据BP能源统计显示, 2016年我国CO2排放量为91亿t, 占全球总排放量的27.3%[4].其中, 中国机动车排放的CO2占全国排放总量的10%左右, 这一比例在2030年将达到约20%[5].中国承诺到2030年单位国内生产总值(GDP)的CO2排放量比2005年水平下降60%~65%[6].因此, 提高车辆能效和推广新能源车是中国控制机动车排放总量、保障国内能源安全和应对全球气候变化的重要举措之一[7].
在各类新能源车中, 氢燃料电池车(fuel cell vehicle, FCV)以其高能量转化率和行驶阶段零排放的优点被认为具有广阔的发展前景, 成为世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点[8].按国际能源署预测, 2030年FCV在世界汽车销量中的比重有望明显提升, 占比约为2%~3%[9].近年来, 我国不断积极推动FCV的发展, 在《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》提出：燃料电池车、车用氢能产业与国际同步发展[10]; 在《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》提出, 燃料电池车补助标准不退坡[11]; 《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》提到：到2030年, 实现燃料电池和氢能的大规模推广应用, 到2050年, 实现氢能和燃料电池的普及应用[12].
需要指出的是, 尽管FCV在车辆运行阶段具有零温室气体排放的优势, 但在上游氢气生产过程需要大量资源和能源的投入, 可能产生显著的能源和环境影响.目前, 工业制氢技术路径多样, 不同路径下的氢能生产阶段的能耗和排放特征也各不相同[13].为全面准确评估FCV对能源和环境的影响, 采用生命周期评价方法分析不同制氢路径下的能源消耗和CO2排放具有重要意义.国内氢燃料电池车的生命周期评价研究尚处于起步阶段. Dong等[14]和Huang等[15]都对不同以化石燃料为原料的氢燃料路径下的FCV能源环境影响进行生命周期分析, 结果显示利用天然气制氢供应FCV在节能减排方面最有优势.冯文等[16]对不同制氢和供氢的基础设施方案进行生命周期环境影响评价, 发现天然气集中制氢、管道输运的方案具有优势.总体而言, 这些研究主要关注基于传统能源制氢的技术路径, 对电网低碳化和可再生能源的技术趋势关注较少; 并且, 为了更好评估中国FCV的发展竞争力, 需要将FCV的能源环境效益同其他发展相对较快、技术相对成熟的新能源车辆进行综合比较.
本研究在美国能源部阿岗国家实验室开发的GREET模型平台下, 调研和构建了中国本地化的FCV燃料周期关键数据库.研究选取了中国典型的FCV燃料路径, 系统分析了FCV燃料生命周期能耗和CO2排放特征, 探讨了具有节能减排优势的FCV燃料路径, 并同混合动力车和纯电动车进行比较, 以期为未来新能源车的发展及制氢路线的选择提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究方法 1.1.1 生命周期评价方法生命周期评价方法是一种对产品或服务“从摇篮到坟墓”过程中特定指标的分析与评价.车辆的生命周期可分为燃料周期和材料周期[17], 燃料周期(well to wheels, WTW)分为两个阶段：从油井到油箱(well to tank, WTT)和从油箱到车轮(tank to wheels, TTW).前者指的是从原料的生产到燃料的加注, 包括能源原料的开采、运输和储存和燃料的生产、储运、分配过程; 后者指机动车运行阶段.材料周期是指从汽车原材料的获取, 材料加工和制造, 到汽车零部件的生产、车辆装配, 最后到车辆报废和回收的过程.考虑到全生命周期的能源消耗和温室气体排放主要集中在燃料周期(占70%~90%)[18], 而材料周期所占比重相对较小, 本研究重点关注燃料生命周期的探讨.
本研究主要基于美国能源部阿岗国家实验室开发的GREET1_2016模型(The Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation model)进行车辆燃料生命周期分析. GREET模型被广泛应用于计算燃料和汽车生命周期能耗与排放等数据.该模型分别采用能量迭代法和碳平衡法计算燃料生命周期的能耗和CO2排放[19].本研究中输入GREET模型的本地化的关键参数主要来源于调研数据及文献数据, 包括电力构成、燃料生产过程效率、燃料运输方式及距离和燃料经济性等关键参数.
1.1.2 研究对象的选取本研究关注不同路径下的FCV的能源环境影响, 包括利用传统能源制氢和可再生能源制氢, 并与汽油车(gasoline vehicle, GV)、混合动力车(hybrid electric vehicle, HEV)和纯电动车(battery electric vehicle, BEV)进行比较.本研究将能源影响的评价指标设为化石能源(煤、石油、天然气)消耗; 在减缓气候变化方面, 分析不同路径下FCV的CO2减排效益.
本研究基于对中国资源储备及技术发展现状的考虑, 选取了5种典型制氢方法进行评价, 包括电解水制氢、天然气重整、煤气化、焦炉煤气提取氢和生物质气化(如表 1).氢气可从一个集中生产氢的工厂运输到加氢站, 或在加氢站里小规模生产氢气.以电解水制氢为例, 本研究既考虑在加氢站直接利用电网电力电解水制氢, 也考虑在可再生电力丰富的地区利用清洁电力在工厂制氢.若选择在工厂制氢, 则必须考虑氢能从工厂到加氢站的运输阶段能耗.研究以氢气经管道运输至加氢站作为基准情景(即气氢-管道), 同时也考虑了将工厂制得的氢气经液化后由卡车运输至加氢站(液氢-卡车).
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表 1 本研究评价的FCV燃料路径 Table 1 Fuel pathways of FCV evaluated in the study |
表 2总结了以上典型制氢方法的技术现状、成本及适用阶段等情况[20].可再生氢气的制备技术尚处于研究发展阶段.利用传统能源制氢技术则普遍成熟, 且原料储备丰富, 是近期仍需考虑的选择.天然气水蒸气重整(steam methane reforming, SMR)是目前最经济、运用最广泛的制氢方法, 世界上每年生产的工业氢气约一半来自天然气重整[21, 22], 但其对天然气的大量消耗意味着碳排放和资源不可持续性[23, 24].煤气化制氢则可以发挥中国煤炭资源丰富的优势, 其存在的主要问题依然是碳排放较高[25].焦炉煤气(coke oven gas, COG)是钢铁厂炼焦过程的副产物, 含54%~59%的氢气和24%~28%的甲烷, 以及少量的一氧化碳(CO)和CO2[26].中国拥有世界上最大的COG产量, 然而炼焦企业每年只回收24%的COG, 造成大量的能源浪费和CO2排放[26, 27].从COG中提取出氢气能具有突出的资源优势和气候效益.
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表 2 我国主要制氢路径及技术经济性 Table 2 Major hydrogen pathways and technical economics in China |
1.2 WTT数据 1.2.1 制氢原料生产阶段
电力:电力构成和发电效率是影响电解水制氢路径下的FCV燃料周期能耗和CO2排放的关键参数.利用电网电力制氢时, 平均电力构成如表 3所示, 基于2016年发电量数据计算得到[28].利用可再生电力在制氢厂电解水制氢时, 则认为采用来自于当地100%的清洁电力(如水电和风电等).此外, 电力构成也是影响BEV评价结果的关键参数, 本研究同样采用2016年全国平均电力构成进行分析.
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表 3 我国平均电力构成及发电效率 Table 3 Average electricity mix and generation efficiencies in China |
天然气:天然气制氢路径原料阶段涉及到3个重要的效率, 分别是天然气开采效率、加工效率和压缩效率, 本研究将其分别设定为96.0%、97.2%和92.8%[31, 32].运输方面, 研究假设天然气通过管道运输至制氢厂, 运输距离为1 000 km[19].当天然气被运输至加氢站进行现场制氢时, 运输距离设定为1 050 km[33].
煤:煤炭从开采到储运阶段的重要参数包括开采效率、运输方式的比例和距离.我国煤炭开采效率为97%[34].煤炭运输方式中起主导作用的是公路运输和铁路运输[31], 如表 4所示.
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表 4 我国煤炭运输方式及距离[31] Table 4 Modes and distances of coal transport ation in China |
生物质:生物质制氢路径的WTT阶段包括化肥的生产运输过程、生物质种植运输过程以及氢气生产储运过程.本研究假设玉米秸秆为生物质原料.玉米秸秆种植、运输阶段的基本参数如表 5所示.化肥的生产运输过程消耗化石燃料, 因此化肥消耗会影响路径的化石能耗和CO2排放.在种植阶段, 按能量分配种植阶段的投入, 即每平方千米产出的玉米秸秆能量占玉米种植总能量的30%[35].
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表 5 生物质生产运输阶段关键参数[35, 36] Table 5 Key parameters of the biomass production and transport ation stage |
在原料开采和加工过程中会消耗过程燃料, 包括煤、石油、汽油和天然气等, 过程燃料的构成比例及各自的运输方式比例和距离也会影响上游阶段不同燃料路径的能耗和CO2排放结果.在本研究中, 过程燃料相关参数参考Wang等[31]的调研结果.
1.2.2 氢气生产阶段氢气制备的能量效率是WTT阶段的关键参数. 表 6列出了不同制氢方法的能量效率.
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表 6 氢气制备效率 Table 6 Hydrogen production efficiencies |
电解水:电解水制氢有3种电解槽可用, 固体氧化物电解槽(solid oxide electrolyzer, SOE), 质子交换膜电解槽(polymer electrolyte membrane electrolyzer, PEME)和碱性电解槽(alkaline electrolyzer).碱性电解槽是较为成熟的电解技术, 商业化应用广泛[37], 其能量转化效率通常介于64%~70%(lower heating value, LHV)之间[38].国内电解槽的比能耗(以H2计)通常为4.8 kW·h·m-3, 能效为62.4%(LHV), 低于国际先进水平[39].
天然气重整:制氢过程中, 甲烷和水蒸气转化为氢气和CO(CH4+H2O→CO+3H2), CO通过与水蒸气的变换反应(water-gas shift, WGS)进一步转化为CO2和氢气(CO+H2O→CO2+H2), 最后利用变压吸附(pressure swing adsorption, PSA)装置将氢气同CO2和其他杂质分离开[40, 41].对于在工厂和在加氢站进行天然气制氢, 分别设定其制氢效率为70%和65%[33].
煤气化:首先煤与气化剂(水蒸气或氧气)在气化炉中反应, 生成以CO为主的合成煤气(CO、CO2、H2), 再经过净化处理后, 进入WGS反应器, CO经反应生成CO2, 之后合成气先后经汞分离、酸性气体脱除(acid gas removal, AGR)、PSA等过程得到纯净的氢气[42].国内单产能力最大的茂名石化煤制氢装置的能耗最低值为217.69 kJ·t-1, 吨氢耗煤为7.473 t[43], 煤制氢的能量效率为55.8%.
COG提取氢: COG被视为炼钢厂的副产品. 图 1为炼钢厂带氢气分离操作的炼钢过程简易流程.煤炭和电力作为输入原料, 通过炼焦制得焦炭和COG.氢气经PSA装置从COG中被分离出来, 剩余气体作为过程燃料继续投入炼钢过程.氢气的分离使得原本作为过程燃料的COG损失了一部分能量, 本研究假设加入天然气以弥补这部分损失.该路径只考虑了用于分离氢气的变压吸附系统的能耗, 因此将PSA过程的效率91.9%作为制氢效率.此外, 作为补充燃料的天然气带来的能耗和CO2排放也被纳入考虑范围[44].
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图 1 带氢气分离操作的炼钢过程示意 Fig. 1 Simplified steel mill flowchart with hydrogen separation |
生物质气化:首先, 生物质经气化过程转化为生物气, 生物气经重整反应生成氢气[CnHm+nH2O→(m/2+ n) H2+nCO].之后同样经WGS反应和PSA过程得到纯的氢气[41, 45].由于目前中国缺乏系统研究, 本研究参考GRRET模型默认值将生物质气化制氢效率设为46.1%[32], 相关数据见表 6.
1.3 TTW数据TTW阶段即车辆运行阶段, 而车辆的燃油经济性是决定TTW阶段能耗和CO2排放的重要参数. 表 7比较了不同车辆技术的燃油消耗当量.对于GV而言, 本研究参考Ke等[46]的研究结果, 将汽油车的实际道路的汽油消耗量设为9.1 L·(100 km)-1.该值考虑了实际道路的燃油消耗量比实验室法规认证工况测定结果高将近30%这一因素[47]. FCV、HEV和BEV的燃油经济性, 用其与GV相比的提高比例来表征.对于FCV而言, 本研究采用上海世博会期间示范运行的90辆志翔燃料电池车的平均氢气消耗量, 即0.91 kg·(100 km)-1[48], 燃油经济性提高比例为163%.这个值同国际上现有典型品牌FCV的燃油经济性相当, 比如：本田Clarity的氢气消耗量为0.93 kg·(100 km)-1, 丰田Mirai的为0.94 kg·(100 km)-1[49]. HEV和BEV的能量消耗同样采用Ke等[46]的数据, 燃油经济性提高比例分别为75%和355%.
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表 7 不同车辆技术的燃油消耗当量 Table 7 Gasoline-equivalent consumption of different vehicle technologies |
2 结果与讨论 2.1 WTW化石能源消耗
图 2展示了FCV、HEV、BEV与GV的WTW单车化石能源消耗的比较结果.对FCV而言, 除了利用电网电力电解水制氢这一路径, 其他燃料路径均可实现化石能耗的削减.在电解水制氢路径中, FCV的燃料经济性方面的优势带来的节能效益不能抵消WTT阶段的大量能耗.若将清洁的可再生电力用于电解水制氢供应FCV, 同GV相比, 则可实现高达94%的化石能耗削减, 使其成为节约化石能源效果最佳的FCV路径.使用生物质制氢供应FCV可实现87%的化石能耗削减.其他FCV路径可实现39%~58%的化石能耗削减, 其中COG制氢削减程度最高, 其次是天然气制氢.从图中可以看出, 利用天然气在工厂集中制氢路径消耗的化石能耗比在加氢站制氢的低, 二者的化石能耗削减比例分别为50%和45%.
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图 2 不同车辆/燃料路径的WTW化石能耗 Fig. 2 WTW fossil energy consumption of different vehicle/fuel pathways |
对于HEV和BEV而言, 与GV相比, 分别能实现43%和60%的化石能耗削减.在众多技术路径中, 使用生物质和清洁电力制氢供应FCV, 可以实现优于HEV和BEV的化石能耗削减效果.
当使用液氢供应FCV时, 其化石能耗明显大于气氢路径, 这是由于液化过程需消耗大量电力.在液氢路径中, 使用电网电力制氢时, FCV的化石能耗比GV高出21%.其他液氢路径均可实现不同程度的化石能耗削减.
2.2 WTW CO2排放图 3给出了不同技术路径下的FCV的燃料周期CO2排放比较结果, 并且进一步和其他车辆进行比较.和GV的CO2排放集中在运行阶段不同, FCV在车辆运行阶段的CO2排放为零, 所有CO2排放均来自WTT阶段.对于FCV而言, 与化石能耗削减结果类似, 除了电网电力电解水制氢路径, 其他路径均能实现不同程度的CO2排放削减.由于CO2排放主要来自化石燃料的燃烧, 不同路径之间的CO2排放对比及变化趋势同化石能耗水平相似.其中, 可再生电力制氢和生物质制氢的CO2排放减排潜力突出, 分别达到92%和85%.在以传统能源为基础的FCV路径中, COG制氢能取得最佳的CO2排放削减效益(60%).该路线带来的CO2排放的大幅削减是因为COG通过PSA分离得到氢气的过程本身不产生CO2, CO2排放主要来自变压吸附装置消耗的电力和用作补充燃料的天然气的消耗.利用天然气在工厂集中制氢和在加氢站制氢供应FCV同GV相比, 分别能实现56%和52%的CO2排放削减.煤制氢供应FCV的CO2排放削减程度最低, 为29%.与HEV和BEV相比, FCV在利用可再生能源、天然气和COG制氢的路径下能实现更好的CO2削减效益.若使用液氢供应FCV, CO2排放高于使用气氢供应FCV.
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图 3 不同车辆/燃料路径的WTW CO2排放 Fig. 3 WTW CO2 emissions of different vehicle/fuel pathways |
本研究针对电力构成和车辆燃料消耗量这两个关键参数进行了不确定性分析, 研究参数变化下的FCV和GV燃料生命周期的CO2排放盈亏平衡点的变化情况.对于燃料消耗, 本研究设定了高燃料消耗情景和低燃料消耗情景, 分别在基准情景下提高和降低20%.对于电力构成, 研究设置煤电比例变化范围为0%~100%.
如图 4(a)所示, 在电解水制氢路径下, 当煤电比例为基准情景时(65.2%), 只有当FCV的燃料消耗处于低水平并且GV的燃料消耗处于高水平时, FCV的CO2排放才会低于GV.因此, 在短期内电力构成比例不能显著改善的情况下, 大幅改善FCV的燃油经济性有助于电解水制氢路径下的FCV实现CO2减排.另一方面, 在基准燃料消耗情景下, 即当GV和FCV燃料消耗量分别为9.1 L·(100 km)-1和0.9 kg·(100 km)-1时, 在煤电比例低于50%情况下, FCV同GV相比, 能实现减排效果.这表明了在煤电比例低于50%的地区, 电解水制氢供应FCV是可供选择的一条CO2减排路径.由此可见, CO2排放盈亏平衡点对应的煤电构成对于不同地区选择不同制氢方式有重要指导意义.
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图 4 GV和FCV电网电力电解水制氢、煤气化制氢、天然气重整集中制氢在不同煤电比例和车辆燃料消耗情景下的WTW CO2排放 Fig. 4 WTW CO2 emissions for FCVs under pathways of electrolysis H2 with grid electricity, coal-to- H2 through gasification, and NG-to-H2 through central reforming and GVs under various scenarios regarding share of coal-fired electricity and fuel consumption |
在煤制氢和天然气制氢路径下, 电力作为过程燃料投入, 因此煤电比例构成变动也会对CO2排放产生一定影响.对煤制氢供应FCV路径而言[图 4(b)], 在基准煤电比例情景下, 只有当FCV的燃料消耗处于高水平、GV的燃料消耗处于低水平时, FCV的CO2排放会略高于GV.这说明该路径下的FCV与GV相比, 容易实现CO2的减排.当煤电比例下降至30%后, 即使在高燃料消耗的情景下, FCV仍能取得减排效果.对天然气集中制氢路径而言[图 4(c)], FCV在所有情景下都可实现CO2排放的大幅削减, 此时不存在盈亏平衡点. COG制氢和生物质制氢路径的CO2排放量比天然气制氢路径更低, 因而在不同情景下均能实现CO2排放的削减.
3 结论(1) 使用生物质和可再生电力等清洁能源制氢供应FCV, 相比于传统汽油车, 最多削减90%以上的WTW化石能耗和CO2排放, 削减比例显著优于HEV和BEV.考虑到我国的资源和技术水平现状, 利用传统能源制氢仍是近期应考虑的选择, 其中COG制氢路径节约化石能耗和CO2减排效果最佳, 化石能耗和CO2排放削减比例分别达58%和60%.天然气集中制氢路径的节能减排效果仅次于COG制氢, 分别能实现50%和56%的化石能耗削减和CO2排放削减.
(2) 在当前(2016年)电力构成比例下, 使用电网电力电解水制氢供给FCV的WTW化石能耗和CO2排放高于GV.敏感性分析表明, 当煤电比例下降至一定值后, 该路线即可实现CO2减排效益.此外, 燃料经济性的改善对FCV减排至关重要.
(3) 我国氢能发展路径可由从传统能源制氢过渡至绿色能源制氢：近期可以使用COG等工业副产品制氢供应FCV, 中远期应结合能源供应和其他环境影响综合考虑发展可再生电力制氢及生物质制氢等绿色供氢方式.此外, 为了更加全面地评估FCV的能源环境影响, 未来需要对包括材料周期在内的全生命周期能耗及污染物排放进行评价.
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