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华东理工大学余亚东等:不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价

不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价

余亚东1, 高慧2, 肖晋宇3, 侯金鸣3, 金晨3,张瑾轩3, 周文戟4, 任宏涛1, 郭颖5*


(1.华东理工大学商学院;2.中国石油集团经济技术研究院;3.全球能源互联网发展合作组织;4.中国人民大学应用经济学院;5.中南大学能源科学与工程学院)


本文发表在《全球能源互联网》2021年第3期“能源互联网促进实现‘双碳’目标”专题上,欢迎点击品读。本文受国家自然科学基金(72074077,71704055)、全球能源互联网集团有限公司科技项目(N100-72007)资助。


文章导读

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。与传统内燃机汽车相比,燃料电池汽车因具有续航里程长、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,燃料电池汽车所使用的氢,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,燃料电池汽车对环境的影响目前还存在争议。本文基于GREET模型研究不同技术方案下燃料电池汽车氢燃料生命周期的环境影响,并与内燃机汽车和电动汽车进行对比,从而筛选出合适的燃料电池汽车氢燃料方案。

文章亮点

(1)结合我国当前主要的制氢、输氢和发电技术,设计了不同的氢燃料路径,对这些路径的生命周期环境影响和环境毒性进行核算;

(2)通过情景分析,探讨了中国未来发电结构的变化对燃料电池汽车氢燃料路径环境排放的影响。

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。

主要内容

项目的研究框架如图1所示。环境影响的研究采用生命周期分析(life cycle analysis, LCA)方法,过程如下:①基于GREET软件,分别测算能源生产阶段(WTP)和能源使用阶段(PTW)这2个阶段的环境清单,并汇总为原材料开采到能源使用(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,以及VOC、CO、NOX、PM10、PM2.5、SOX、CH4、CO2、N2O等通过排放离开系统边界的物质;③通过生态指标99(Eco-indicator 99)进行环境影响评价。

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⬆ 图1 研究框架图

不同路径的能耗结果如图2所示。混合发电制氢、煤制氢的氢燃料路径,以及电动汽车能源路径的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燃料电池汽车(FCV)路径,以及传统内燃机汽车(ICEV)路径的PTW阶段能耗高于WTP阶段。上述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。

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⬆ 图2 不同路径的能耗

环境毒性结果如图3所示。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。由图3可知,FCV路径和ICEV及纯电动汽车(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。

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⬆ 图3 不同路径的环境毒性

不同路径比较的综合结果如图4所示。基于GREET模型计算中国未来可能的混合电力结构对应的技术路径的LCA结果,并与本研究最初设计的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对比。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。

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⬆ 图4 不同路径的能耗、水耗和环境排放


本文引文信息

余亚东,高慧,肖晋宇,等.不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价[J].全球能源互联网,2021,4(3):301-308.


YU Yadong, GAO Hui, XIAO Jinyu, et al.Life-cycle Assessment of Environmental Impact of Hydrogen Fuel Cell Vehicles with Different Fuel Pathways [J].Journal of Global Energy Interconnection,2021,4(3):301-308(in Chinese).

作者简介

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余亚东


博士


研究方向为资源-能源-环境系统分析

E-mail:

yuyd@ecust.edu.cn


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高慧


博士


研究方向为能源化工

E-mail:

gaohui005@cnpc.com.cn


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郭颖


博士


研究方向为新能源发电与能源系统优化。通信作者

E-mail:

guoying@csu.edu.cn



研究团队

华东理工大学是教育部直属的全国重点大学、国家“211工程”重点建设高校和“985工程”优势学科创新平台建设高校。

余亚东副教授所在的课题组(华东理工大学能源经济与环境管理研究中心)依托商学院管理科学与工程系和经济学系两个专业的学科基础,基于华东理工大学在能源化工领域的工科基础,面向国家重点需求,致力于开展资源-能源-环境系统分析研究。近5年来,该课题组发表论文70余篇,其中SCI/SSCI论文40余篇;主持科研项目30余项,其中国家自然科学基金项目10余项。

编辑:张宇

审核:周舟


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