氫燃料電池汽車與電動(dòng)汽車,誰能實(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(jìn)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(jì)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(dòng)計(jì)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(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,如電動(dòng)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(shí)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(duì)氣候變化專項(xiàng)——《乘用車碳排放核算技術(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)布并成為國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。
新能源汽車,除了電動(dòng)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(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車和氫燃料電池汽車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)合國環(huán)境規(guī)劃署、國家應(yīng)對(duì)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(jī)構(gòu)開展的《中國汽車低碳行動(dòng)計(jì)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(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)汽車車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,鋰電池車輛周期中產(chǎn)生的碳排放最大,約是內(nèi)燃機(jī)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(jī)汽車的原因主要是電堆和儲(chǔ)氣瓶的生產(chǎn)碳排放大,約占車輛周期的20%,而內(nèi)燃機(jī)汽車動(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(dòng)計(jì)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(dòng)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?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、液氫槽車等因素也會(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(dòng)力車、插電式混合動(dòng)力車和純電動(dòng)車,但沒有包括燃料電池汽車,而電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車觀察家》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
,整車全部質(zhì)量為1575kg,動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量占整車質(zhì)量的
。如將該車型的動(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)美國能源部燃料電池辦公室提出的第八級(jí)長途拖掛車的長期目標(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%,開始高于電動(dòng)汽車,表明其碳排放已經(jīng)可能低于電動(dòng)汽車了。
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,此時(shí)氫燃料電池車的使用實(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)汽車和燃油車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(dòng)汽車和燃料電池汽車的全生命周期碳排放??偟膩碚f,電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放,而電動(dòng)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(bào)告中全部沒有考慮動(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中國汽車生態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)計(jì)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(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,如電動(dòng)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(shí)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(duì)氣候變化專項(xiàng)——《乘用車碳排放核算技術(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)布并成為國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。
新能源汽車,除了電動(dòng)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(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車和氫燃料電池汽車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)合國環(huán)境規(guī)劃署、國家應(yīng)對(duì)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(jī)構(gòu)開展的《中國汽車低碳行動(dòng)計(jì)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(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)汽車車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,鋰電池車輛周期中產(chǎn)生的碳排放最大,約是內(nèi)燃機(jī)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(jī)汽車的原因主要是電堆和儲(chǔ)氣瓶的生產(chǎn)碳排放大,約占車輛周期的20%,而內(nèi)燃機(jī)汽車動(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(dòng)計(jì)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(dòng)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?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、液氫槽車等因素也會(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(dòng)力車、插電式混合動(dòng)力車和純電動(dòng)車,但沒有包括燃料電池汽車,而電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車觀察家》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
,整車全部質(zhì)量為1575kg,動(dòng)力電池系統(tǒng)質(zhì)量占整車質(zhì)量的
。如將該車型的動(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)美國能源部燃料電池辦公室提出的第八級(jí)長途拖掛車的長期目標(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%,開始高于電動(dòng)汽車,表明其碳排放已經(jīng)可能低于電動(dòng)汽車了。
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,此時(shí)氫燃料電池車的使用實(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)汽車和燃油車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(dòng)汽車和燃料電池汽車的全生命周期碳排放??偟膩碚f,電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放,而電動(dòng)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(bào)告中全部沒有考慮動(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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