氢燃料电池汽车与电动汽车，谁能实现零排放？2021-08-06 08:07
2021年7月份，中汽研发布了《乘用车生命周期碳排放核算技术规范》，将乘用车碳排放核算问题继续往前推进了一步。
此前的2019年6月20日，在杭州举行的2019中国汽车生态设计国际论坛上，中国汽车研究中心有限公司数据资源中心发布了中国汽车低碳行动计划2019年研究成果，结果表明锂电池汽车比亚迪宋MAX和沃尔沃XC60碳排放值均高于基准值，不仅不存在减排，甚至会增加排放，如图1所示。
这个研究表明，新能源汽车，如电动汽车，只是在行驶过程中没有产生污染和排放，但其将碳排放转移到了使用时看不见的车辆生产和电力生产环节。这就是所谓的碳转移问题。碳转移问题越来越受到关注，政府也开始将该问题纳入制定新能源汽车政策的考量之中。
生态环境部气候司已经委托中汽中心开展“国家应对气候变化专项——《乘用车碳排放核算技术规范及限额标准》研究”。该标准研究制定已于2019年3月15日启动，中汽中心已联合主流车企，成立了标准研究工作组。该标准有望于2025年发布并成为国家强制标准。
新能源汽车，除了电动车外，还有氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车碳排放相比电动车和燃油车，碳排放情况如何？中汽研没有涉及。
我们在这里，结合中汽研的已有研究成果，试图在碳中和背景下，对电动汽车和氢燃料电池汽车的全生命周期碳排放，给出一个初步的研究框架。
1
全生命周期碳排放核算边界
根据中汽数据有限公司联合联合国环境规划署、国家应对气候变化战略研究和国际合作中心、世界资源研究所和北京工业大学等16家国内外机构开展的《中国汽车低碳行动计划2020》的研究成果，乘用车全生命周期碳排放边界包括车辆周期和燃料周期，如图2。
1．1车辆周期碳排放比较
根据中汽研的数据，由于动力蓄电池原材料获取的困难和复杂的生产工艺，电动汽车车辆周期在全生命周期中的碳排放高达40％。其中，动力蓄电池的生产碳排放占比达到22％，其他部件生产的碳排放仅为18％。从文献［1］中也可以看到，锂电池车辆周期中产生的碳排放最大，约是内燃机汽车车辆周期碳排放的2倍，燃料电池汽车车辆周期碳排放的1．2倍。燃料电池车辆周期生产过程中碳排放高于内燃机汽车的原因主要是电堆和储气瓶的生产碳排放大，约占车辆周期的20％，而内燃机汽车动力系统仅占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燃料周期碳排放比较
内燃机汽车燃料周期的碳排放一般约占全生命周期碳排放的80％。电动汽车燃料周期的碳排放则与其电力生产方式有关，故而电动汽车的碳减排效果一般与该省份不同的发电方式有关。不同发电方式产生的碳排放如图4所示。
总体来说，根据《中国汽车低碳行动计划2020》的研究成果，如图5所示，在目前中国的电力结构下，电动汽车使用有利于减少碳排放。
燃料电池汽车燃料周期的碳排放与氢气的制取方式显著相关，如表1所示。从表中可以看到，依据氢气制取方式不同，碳排放量从低到高为：1．可再生能源制氢；2．天然气制氢；3．焦炉煤气副产氢；4．煤制氢；5．混合电制氢。氢气制取地点，如现场制氢和远距离输电后制氢；氢气运输方式，如气氢管道、气氢拖车、液氢槽车等因素也会影响燃料电池的碳排放，但都不是主要因素。
2
全生命周期碳排放综合比较
目前，中汽研关于乘用车碳排放分析比较的车型只包括了汽油车、柴油车、常规混合动力车、插电式混合动力车和纯电动车，但没有包括燃料电池汽车，而电动汽车和燃料电池汽车是寄予厚望的减排主力军，我们基于以上研究成果从能量利用率角度综合分析电动汽车和燃料电池汽车的全生命周期碳排放。
根据壳牌公司的分析，在能量来源都为可再生能源发电的条件下，电动汽车拥有最高的能量利用效率，如图6所示。
根据数据，充电电动车的效率为77％，而氢燃料电池汽车的效率仅为30％。如果假设电动汽车跑1公里需要1度电，那么氢燃料电池车需要
度，相应地，碳排放增加了约1．3倍。然而，该数据没有考虑汽车有效载重问题。以捷氢科技推出的PROME P3X电堆产品为例，系统能量密度为631W／kg，而根据《电动汽车观察家》统计，2019年5月份系统能量密度排第一位的是ALON．S，为166．06 Wh／kg，动力电池总蓄电量为58．8kW·h，则动力电池系统总质量为
，整车全部质量为1575kg，动力电池系统质量占整车质量的
。如将该车型的动力系统换为氢燃料电池系统，该电堆额定功率为117kW，燃料电池动力系统总质量为
，只占整车质量的
。故而动力电池系统比氢燃料电池系统的有效载重低了
，即多增加了10％的碳排放。
另外，当电池容量很大的时候，很大一部分电池容量都用来运载电池本身了，就像一个人带一斤干粮能走20公里，带两斤能走40公里，但带100斤干粮能走2000公里吗？肯定是不能的，因为干粮的重量已经把旅行者压垮了。如图7所示，随着电池容量的增加，续航里程的增长呈指数式衰减，到最后趋于平缓，所以动力电池增加行驶里程与增加运行重量都是非常困难的问题。故而，继续假设动力电池的由于增加运行里程或运行重量导致行驶效率继续下降15％，此时相比于具有52％的能量利用率。
另外，应该注意到壳牌公司制定的氢气转换成电能的效率为46％，这是偏低的。按照目前主流车企制定的工作点工作电压为0．65V，此时的工作效率约为53％，提升7个点的效率。另外根据美国能源部燃料电池办公室提出的第八级长途拖挂车的长期目标效率为72％，此时燃料电池能提升22个点的效率，总能量利用率为56％，开始高于电动汽车，表明其碳排放已经可能低于电动汽车了。
最后，还应该指出，当产生氢气的能量为“弃光”、“弃电”时，考虑其将不能利用的能量重新利用了起来，此时氢燃料电池车的使用实现了真正意义上的“零排放”。
3
总结与展望
中汽研做的碳排放研究，只研究了电动汽车和燃油车全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有机构研究电动汽车和氢燃料电池汽车全生命周期的碳排放。本文试图分析碳中和背景下的电动汽车和燃料电池汽车的全生命周期碳排放。总的来说，电动汽车车辆周期的碳排放大于燃料电池汽车。在燃料来源都为可再生能源的前提下，电动汽车燃料周期碳排放由于较高的能量利用率可能低于燃料电池汽车。然而，在长距离，中重型的应用场景下，由于自身局限性，电动汽车的碳排放可能反超燃料电池汽车。并且，很重要的是，氢燃料电池汽车可以基于氢能实现真正意义上的零排放，而电动汽车终归是消耗电能的产品。
另外，应该指出，目前中汽研的报告中全部没有考虑动力电池回收产生的碳排放等影响，但可以估计，由于锂电池自身的材料体系，其回收难度、碳排放、回收成本、对环境的不利影响等应该大于氢燃料电池。
此前的2019年6月20日，在杭州举行的2019中国汽车生态设计国际论坛上，中国汽车研究中心有限公司数据资源中心发布了中国汽车低碳行动计划2019年研究成果，结果表明锂电池汽车比亚迪宋MAX和沃尔沃XC60碳排放值均高于基准值，不仅不存在减排，甚至会增加排放，如图1所示。
这个研究表明，新能源汽车，如电动汽车，只是在行驶过程中没有产生污染和排放，但其将碳排放转移到了使用时看不见的车辆生产和电力生产环节。这就是所谓的碳转移问题。碳转移问题越来越受到关注，政府也开始将该问题纳入制定新能源汽车政策的考量之中。
生态环境部气候司已经委托中汽中心开展“国家应对气候变化专项——《乘用车碳排放核算技术规范及限额标准》研究”。该标准研究制定已于2019年3月15日启动，中汽中心已联合主流车企，成立了标准研究工作组。该标准有望于2025年发布并成为国家强制标准。
新能源汽车，除了电动车外，还有氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车碳排放相比电动车和燃油车，碳排放情况如何？中汽研没有涉及。
我们在这里，结合中汽研的已有研究成果，试图在碳中和背景下，对电动汽车和氢燃料电池汽车的全生命周期碳排放，给出一个初步的研究框架。
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全生命周期碳排放核算边界
根据中汽数据有限公司联合联合国环境规划署、国家应对气候变化战略研究和国际合作中心、世界资源研究所和北京工业大学等16家国内外机构开展的《中国汽车低碳行动计划2020》的研究成果，乘用车全生命周期碳排放边界包括车辆周期和燃料周期，如图2。
1．1车辆周期碳排放比较
根据中汽研的数据，由于动力蓄电池原材料获取的困难和复杂的生产工艺，电动汽车车辆周期在全生命周期中的碳排放高达40％。其中，动力蓄电池的生产碳排放占比达到22％，其他部件生产的碳排放仅为18％。从文献［1］中也可以看到，锂电池车辆周期中产生的碳排放最大，约是内燃机汽车车辆周期碳排放的2倍，燃料电池汽车车辆周期碳排放的1．2倍。燃料电池车辆周期生产过程中碳排放高于内燃机汽车的原因主要是电堆和储气瓶的生产碳排放大，约占车辆周期的20％，而内燃机汽车动力系统仅占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燃料周期碳排放比较
内燃机汽车燃料周期的碳排放一般约占全生命周期碳排放的80％。电动汽车燃料周期的碳排放则与其电力生产方式有关，故而电动汽车的碳减排效果一般与该省份不同的发电方式有关。不同发电方式产生的碳排放如图4所示。
总体来说，根据《中国汽车低碳行动计划2020》的研究成果，如图5所示，在目前中国的电力结构下，电动汽车使用有利于减少碳排放。
燃料电池汽车燃料周期的碳排放与氢气的制取方式显著相关，如表1所示。从表中可以看到，依据氢气制取方式不同，碳排放量从低到高为：1．可再生能源制氢；2．天然气制氢；3．焦炉煤气副产氢；4．煤制氢；5．混合电制氢。氢气制取地点，如现场制氢和远距离输电后制氢；氢气运输方式，如气氢管道、气氢拖车、液氢槽车等因素也会影响燃料电池的碳排放，但都不是主要因素。
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全生命周期碳排放综合比较
目前，中汽研关于乘用车碳排放分析比较的车型只包括了汽油车、柴油车、常规混合动力车、插电式混合动力车和纯电动车，但没有包括燃料电池汽车，而电动汽车和燃料电池汽车是寄予厚望的减排主力军，我们基于以上研究成果从能量利用率角度综合分析电动汽车和燃料电池汽车的全生命周期碳排放。
根据壳牌公司的分析，在能量来源都为可再生能源发电的条件下，电动汽车拥有最高的能量利用效率，如图6所示。
根据数据，充电电动车的效率为77％，而氢燃料电池汽车的效率仅为30％。如果假设电动汽车跑1公里需要1度电，那么氢燃料电池车需要
度，相应地，碳排放增加了约1．3倍。然而，该数据没有考虑汽车有效载重问题。以捷氢科技推出的PROME P3X电堆产品为例，系统能量密度为631W／kg，而根据《电动汽车观察家》统计，2019年5月份系统能量密度排第一位的是ALON．S，为166．06 Wh／kg，动力电池总蓄电量为58．8kW·h，则动力电池系统总质量为
，整车全部质量为1575kg，动力电池系统质量占整车质量的
。如将该车型的动力系统换为氢燃料电池系统，该电堆额定功率为117kW，燃料电池动力系统总质量为
，只占整车质量的
。故而动力电池系统比氢燃料电池系统的有效载重低了
，即多增加了10％的碳排放。
另外，当电池容量很大的时候，很大一部分电池容量都用来运载电池本身了，就像一个人带一斤干粮能走20公里，带两斤能走40公里，但带100斤干粮能走2000公里吗？肯定是不能的，因为干粮的重量已经把旅行者压垮了。如图7所示，随着电池容量的增加，续航里程的增长呈指数式衰减，到最后趋于平缓，所以动力电池增加行驶里程与增加运行重量都是非常困难的问题。故而，继续假设动力电池的由于增加运行里程或运行重量导致行驶效率继续下降15％，此时相比于具有52％的能量利用率。
另外，应该注意到壳牌公司制定的氢气转换成电能的效率为46％，这是偏低的。按照目前主流车企制定的工作点工作电压为0．65V，此时的工作效率约为53％，提升7个点的效率。另外根据美国能源部燃料电池办公室提出的第八级长途拖挂车的长期目标效率为72％，此时燃料电池能提升22个点的效率，总能量利用率为56％，开始高于电动汽车，表明其碳排放已经可能低于电动汽车了。
最后，还应该指出，当产生氢气的能量为“弃光”、“弃电”时，考虑其将不能利用的能量重新利用了起来，此时氢燃料电池车的使用实现了真正意义上的“零排放”。
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总结与展望
中汽研做的碳排放研究，只研究了电动汽车和燃油车全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有机构研究电动汽车和氢燃料电池汽车全生命周期的碳排放。本文试图分析碳中和背景下的电动汽车和燃料电池汽车的全生命周期碳排放。总的来说，电动汽车车辆周期的碳排放大于燃料电池汽车。在燃料来源都为可再生能源的前提下，电动汽车燃料周期碳排放由于较高的能量利用率可能低于燃料电池汽车。然而，在长距离，中重型的应用场景下，由于自身局限性，电动汽车的碳排放可能反超燃料电池汽车。并且，很重要的是，氢燃料电池汽车可以基于氢能实现真正意义上的零排放，而电动汽车终归是消耗电能的产品。
另外，应该指出，目前中汽研的报告中全部没有考虑动力电池回收产生的碳排放等影响，但可以估计，由于锂电池自身的材料体系，其回收难度、碳排放、回收成本、对环境的不利影响等应该大于氢燃料电池。
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