氫燃料電池汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)，誰(shuí)能實(shí)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(chē)生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，將乘用車(chē)碳排放核算問(wèn)題繼續(xù)往前推進(jìn)了一步。
此前的2019年6月20日，在杭州舉行的2019中國(guó)汽車(chē)生態(tài)設(shè)計(jì)國(guó)際論壇上，中國(guó)汽車(chē)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心發(fā)布了中國(guó)汽車(chē)低碳行動(dòng)計(jì)劃2019年研究成果，結(jié)果表明鋰電池汽車(chē)比亞迪宋MAX和沃爾沃XC60碳排放值均高于基準(zhǔn)值，不僅不存在減排，甚至?xí)黾优欧?，如圖1所示。
這個(gè)研究表明，新能源汽車(chē)，如電動(dòng)汽車(chē)，只是在行駛過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生污染和排放，但其將碳排放轉(zhuǎn)移到了使用時(shí)看不見(jiàn)的車(chē)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(wèn)題。碳轉(zhuǎn)移問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，政府也開(kāi)始將該問(wèn)題納入制定新能源汽車(chē)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(kāi)展“國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化專(zhuān)項(xiàng)——《乘用車(chē)碳排放核算技術(shù)規(guī)范及限額標(biāo)準(zhǔn)》研究”。該標(biāo)準(zhǔn)研究制定已于2019年3月15日啟動(dòng)，中汽中心已聯(lián)合主流車(chē)企，成立了標(biāo)準(zhǔn)研究工作組。該標(biāo)準(zhǔn)有望于2025年發(fā)布并成為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。
新能源汽車(chē)，除了電動(dòng)車(chē)外，還有氫燃料電池汽車(chē)。氫燃料電池汽車(chē)碳排放相比電動(dòng)車(chē)和燃油車(chē)，碳排放情況如何？中汽研沒(méi)有涉及。
我們?cè)谶@里，結(jié)合中汽研的已有研究成果，試圖在碳中和背景下，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)的全生命周期碳排放，給出一個(gè)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(guó)環(huán)境規(guī)劃署、國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化戰(zhàn)略研究和國(guó)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(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)開(kāi)展的《中國(guó)汽車(chē)低碳行動(dòng)計(jì)劃2020》的研究成果，乘用車(chē)全生命周期碳排放邊界包括車(chē)輛周期和燃料周期，如圖2。
1．1車(chē)輛周期碳排放比較
根據(jù)中汽研的數(shù)據(jù)，由于動(dòng)力蓄電池原材料獲取的困難和復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛周期在全生命周期中的碳排放高達(dá)40％。其中，動(dòng)力蓄電池的生產(chǎn)碳排放占比達(dá)到22％，其他部件生產(chǎn)的碳排放僅為18％。從文獻(xiàn)［1］中也可以看到，鋰電池車(chē)輛周期中產(chǎn)生的碳排放最大，約是內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)車(chē)輛周期碳排放的2倍，燃料電池汽車(chē)車(chē)輛周期碳排放的1．2倍。燃料電池車(chē)輛周期生產(chǎn)過(guò)程中碳排放高于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的原因主要是電堆和儲(chǔ)氣瓶的生產(chǎn)碳排放大，約占車(chē)輛周期的20％，而內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)動(dòng)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(jī)汽車(chē)燃料周期的碳排放一般約占全生命周期碳排放的80％。電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(lái)說(shuō)，根據(jù)《中國(guó)汽車(chē)低碳行動(dòng)計(jì)劃2020》的研究成果，如圖5所示，在目前中國(guó)的電力結(jié)構(gòu)下，電動(dòng)汽車(chē)使用有利于減少碳排放。
燃料電池汽車(chē)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?fàn)t煤氣副產(chǎn)氫；4．煤制氫；5．混合電制氫。氫氣制取地點(diǎn)，如現(xiàn)場(chǎng)制氫和遠(yuǎn)距離輸電后制氫；氫氣運(yùn)輸方式，如氣氫管道、氣氫拖車(chē)、液氫槽車(chē)等因素也會(huì)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(chē)碳排放分析比較的車(chē)型只包括了汽油車(chē)、柴油車(chē)、常規(guī)混合動(dòng)力車(chē)、插電式混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)車(chē)，但沒(méi)有包括燃料電池汽車(chē)，而電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的全生命周期碳排放。
根據(jù)殼牌公司的分析，在能量來(lái)源都為可再生能源發(fā)電的條件下，電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)車(chē)的效率為77％，而氫燃料電池汽車(chē)的效率僅為30％。如果假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)跑1公里需要1度電，那么氫燃料電池車(chē)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(méi)有考慮汽車(chē)有效載重問(wèn)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(dòng)汽車(chē)觀(guān)察家》統(tǒng)計(jì)，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(dòng)力電池總蓄電量為58．8kW·h，則動(dòng)力電池系統(tǒng)總質(zhì)量為
，整車(chē)全部質(zhì)量為1575kg，動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量的
。如將該車(chē)型的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)總質(zhì)量為
，只占整車(chē)質(zhì)量的
。故而動(dòng)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(dāng)電池容量很大的時(shí)候，很大一部分電池容量都用來(lái)運(yùn)載電池本身了，就像一個(gè)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?yàn)楦杉Z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(zhǎng)呈指數(shù)式衰減，到最后趨于平緩，所以動(dòng)力電池增加行駛里程與增加運(yùn)行重量都是非常困難的問(wèn)題。故而，繼續(xù)假設(shè)動(dòng)力電池的由于增加運(yùn)行里程或運(yùn)行重量導(dǎo)致行駛效率繼續(xù)下降15％，此時(shí)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(chē)企制定的工作點(diǎn)工作電壓為0．65V，此時(shí)的工作效率約為53％，提升7個(gè)點(diǎn)的效率。另外根據(jù)美國(guó)能源部燃料電池辦公室提出的第八級(jí)長(zhǎng)途拖掛車(chē)的長(zhǎng)期目標(biāo)效率為72％，此時(shí)燃料電池能提升22個(gè)點(diǎn)的效率，總能量利用率為56％，開(kāi)始高于電動(dòng)汽車(chē)，表明其碳排放已經(jīng)可能低于電動(dòng)汽車(chē)了。
最后，還應(yīng)該指出，當(dāng)產(chǎn)生氫氣的能量為“棄光”、“棄電”時(shí)，考慮其將不能利用的能量重新利用了起來(lái)，此時(shí)氫燃料電池車(chē)的使用實(shí)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(dòng)汽車(chē)和燃油車(chē)全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有機(jī)構(gòu)研究電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)全生命周期的碳排放。本文試圖分析碳中和背景下的電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的全生命周期碳排放?？偟膩?lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛周期的碳排放大于燃料電池汽車(chē)。在燃料來(lái)源都為可再生能源的前提下，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)。然而，在長(zhǎng)距離，中重型的應(yīng)用場(chǎng)景下，由于自身局限性，電動(dòng)汽車(chē)的碳排放可能反超燃料電池汽車(chē)。并且，很重要的是，氫燃料電池汽車(chē)可以基于氫能實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放，而電動(dòng)汽車(chē)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(bào)告中全部沒(méi)有考慮動(dòng)力電池回收產(chǎn)生的碳排放等影響，但可以估計(jì)，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(duì)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(guó)汽車(chē)生態(tài)設(shè)計(jì)國(guó)際論壇上，中國(guó)汽車(chē)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心發(fā)布了中國(guó)汽車(chē)低碳行動(dòng)計(jì)劃2019年研究成果，結(jié)果表明鋰電池汽車(chē)比亞迪宋MAX和沃爾沃XC60碳排放值均高于基準(zhǔn)值，不僅不存在減排，甚至?xí)黾优欧?，如圖1所示。
這個(gè)研究表明，新能源汽車(chē)，如電動(dòng)汽車(chē)，只是在行駛過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生污染和排放，但其將碳排放轉(zhuǎn)移到了使用時(shí)看不見(jiàn)的車(chē)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(wèn)題。碳轉(zhuǎn)移問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，政府也開(kāi)始將該問(wèn)題納入制定新能源汽車(chē)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(kāi)展“國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化專(zhuān)項(xiàng)——《乘用車(chē)碳排放核算技術(shù)規(guī)范及限額標(biāo)準(zhǔn)》研究”。該標(biāo)準(zhǔn)研究制定已于2019年3月15日啟動(dòng)，中汽中心已聯(lián)合主流車(chē)企，成立了標(biāo)準(zhǔn)研究工作組。該標(biāo)準(zhǔn)有望于2025年發(fā)布并成為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。
新能源汽車(chē)，除了電動(dòng)車(chē)外，還有氫燃料電池汽車(chē)。氫燃料電池汽車(chē)碳排放相比電動(dòng)車(chē)和燃油車(chē)，碳排放情況如何？中汽研沒(méi)有涉及。
我們?cè)谶@里，結(jié)合中汽研的已有研究成果，試圖在碳中和背景下，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)的全生命周期碳排放，給出一個(gè)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(guó)環(huán)境規(guī)劃署、國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化戰(zhàn)略研究和國(guó)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(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)開(kāi)展的《中國(guó)汽車(chē)低碳行動(dòng)計(jì)劃2020》的研究成果，乘用車(chē)全生命周期碳排放邊界包括車(chē)輛周期和燃料周期，如圖2。
1．1車(chē)輛周期碳排放比較
根據(jù)中汽研的數(shù)據(jù)，由于動(dòng)力蓄電池原材料獲取的困難和復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛周期在全生命周期中的碳排放高達(dá)40％。其中，動(dòng)力蓄電池的生產(chǎn)碳排放占比達(dá)到22％，其他部件生產(chǎn)的碳排放僅為18％。從文獻(xiàn)［1］中也可以看到，鋰電池車(chē)輛周期中產(chǎn)生的碳排放最大，約是內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)車(chē)輛周期碳排放的2倍，燃料電池汽車(chē)車(chē)輛周期碳排放的1．2倍。燃料電池車(chē)輛周期生產(chǎn)過(guò)程中碳排放高于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的原因主要是電堆和儲(chǔ)氣瓶的生產(chǎn)碳排放大，約占車(chē)輛周期的20％，而內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)動(dòng)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(jī)汽車(chē)燃料周期的碳排放一般約占全生命周期碳排放的80％。電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(lái)說(shuō)，根據(jù)《中國(guó)汽車(chē)低碳行動(dòng)計(jì)劃2020》的研究成果，如圖5所示，在目前中國(guó)的電力結(jié)構(gòu)下，電動(dòng)汽車(chē)使用有利于減少碳排放。
燃料電池汽車(chē)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?fàn)t煤氣副產(chǎn)氫；4．煤制氫；5．混合電制氫。氫氣制取地點(diǎn)，如現(xiàn)場(chǎng)制氫和遠(yuǎn)距離輸電后制氫；氫氣運(yùn)輸方式，如氣氫管道、氣氫拖車(chē)、液氫槽車(chē)等因素也會(huì)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(chē)碳排放分析比較的車(chē)型只包括了汽油車(chē)、柴油車(chē)、常規(guī)混合動(dòng)力車(chē)、插電式混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)車(chē)，但沒(méi)有包括燃料電池汽車(chē)，而電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的全生命周期碳排放。
根據(jù)殼牌公司的分析，在能量來(lái)源都為可再生能源發(fā)電的條件下，電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)車(chē)的效率為77％，而氫燃料電池汽車(chē)的效率僅為30％。如果假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)跑1公里需要1度電，那么氫燃料電池車(chē)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(méi)有考慮汽車(chē)有效載重問(wèn)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(dòng)汽車(chē)觀(guān)察家》統(tǒng)計(jì)，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(dòng)力電池總蓄電量為58．8kW·h，則動(dòng)力電池系統(tǒng)總質(zhì)量為
，整車(chē)全部質(zhì)量為1575kg，動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量的
。如將該車(chē)型的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)總質(zhì)量為
，只占整車(chē)質(zhì)量的
。故而動(dòng)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(dāng)電池容量很大的時(shí)候，很大一部分電池容量都用來(lái)運(yùn)載電池本身了，就像一個(gè)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?yàn)楦杉Z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(zhǎng)呈指數(shù)式衰減，到最后趨于平緩，所以動(dòng)力電池增加行駛里程與增加運(yùn)行重量都是非常困難的問(wèn)題。故而，繼續(xù)假設(shè)動(dòng)力電池的由于增加運(yùn)行里程或運(yùn)行重量導(dǎo)致行駛效率繼續(xù)下降15％，此時(shí)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(chē)企制定的工作點(diǎn)工作電壓為0．65V，此時(shí)的工作效率約為53％，提升7個(gè)點(diǎn)的效率。另外根據(jù)美國(guó)能源部燃料電池辦公室提出的第八級(jí)長(zhǎng)途拖掛車(chē)的長(zhǎng)期目標(biāo)效率為72％，此時(shí)燃料電池能提升22個(gè)點(diǎn)的效率，總能量利用率為56％，開(kāi)始高于電動(dòng)汽車(chē)，表明其碳排放已經(jīng)可能低于電動(dòng)汽車(chē)了。
最后，還應(yīng)該指出，當(dāng)產(chǎn)生氫氣的能量為“棄光”、“棄電”時(shí)，考慮其將不能利用的能量重新利用了起來(lái)，此時(shí)氫燃料電池車(chē)的使用實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“零排放”。
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總結(jié)與展望
中汽研做的碳排放研究，只研究了電動(dòng)汽車(chē)和燃油車(chē)全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有機(jī)構(gòu)研究電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池汽車(chē)全生命周期的碳排放。本文試圖分析碳中和背景下的電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)的全生命周期碳排放?？偟膩?lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛周期的碳排放大于燃料電池汽車(chē)。在燃料來(lái)源都為可再生能源的前提下，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)。然而，在長(zhǎng)距離，中重型的應(yīng)用場(chǎng)景下，由于自身局限性，電動(dòng)汽車(chē)的碳排放可能反超燃料電池汽車(chē)。并且，很重要的是，氫燃料電池汽車(chē)可以基于氫能實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放，而電動(dòng)汽車(chē)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(bào)告中全部沒(méi)有考慮動(dòng)力電池回收產(chǎn)生的碳排放等影響，但可以估計(jì)，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(duì)環(huán)境的不利影響等應(yīng)該大于氫燃料電池。
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