從能源系統(tǒng)角度分析燃料電池車的性能

燃料電池汽車(FCV)有望成為日本未來氫社會的關(guān)鍵參與者。由于氫燃料的來源不同，F(xiàn)CV的實際價值具有不確定性。采用庫存分析法研究了FCV從油井到車輪的性能，比較了混合動力汽車(HEV)和電動汽車(BEV)的性能。分析結(jié)果表明，通過綠色電衍生電解可提供無碳氫燃料，在減少碳排放方面具有重要效益。在總體擁有成本中，F(xiàn)CV的車輛價格是主要支出，表明了降低FCV成本是安全可控的。

0 前言

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隨著汽車電動化的進一步發(fā)展，汽車的性能評價已從傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)行駛的性能評價，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘鐣沙掷m(xù)發(fā)展的生命周期性能評價。人們對電動車性能的評價是基于發(fā)電結(jié)構(gòu)來進行的，由于燃料電池汽車(FCV)氫燃料生產(chǎn)方式及能量供給方式不同，其評價結(jié)果也各不相同。此外，汽車性能評價的范圍不再局限于汽車行駛狀態(tài)，還延伸到了包括大量零件采購在內(nèi)的制造環(huán)節(jié)、車輛報廢后的再利用方式等范疇。這意味著汽車是1項復雜的綜合性工程，已從傳統(tǒng)觀念中的最終產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變?yōu)樯鐣到y(tǒng)的重要組成要素。 以“CASE”為例(即：互聯(lián)(Connected)、自動駕駛(Autonomous)、共享(Shared)、電動化(Electric)，其主要聚焦于汽車的1個要素與社會系統(tǒng)間的信息接口。雖然要素性能的提高不一定與社會價值的提高有直接關(guān)系，但是汽車和社會系統(tǒng)之間，仍存在著未知的多層關(guān)系。就整個能源系統(tǒng)而言，圍繞FCV的邊界將從能源消耗比例為23%的運輸部門，擴展到了囊括產(chǎn)業(yè)部門、電力等能源轉(zhuǎn)換機構(gòu)在內(nèi)的能源系統(tǒng)整體，其價值邊界擴大了約4倍。此外，F(xiàn)CV邊界還從車輛行駛擴展到車輛生產(chǎn)、報廢時的循環(huán)利用等，其價值邊界會再擴大約1.3倍。因此，在社會不斷發(fā)展的背景下，如果各國研究人員仍以傳統(tǒng)的視野和經(jīng)驗來分析問題，將不能適應(yīng)當前復雜多變的社會環(huán)境。

1 FCV 的性能評價

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為了理解FCV的價值，研究人員從汽車氫燃料的供給形態(tài)、供給方式、車輛行駛系統(tǒng)的性能及綜合性評價等多方面進行了分析。與混合動力汽車(HEV)依賴化石燃料、電動汽車(BEV)依賴系統(tǒng)電力發(fā)電不同，F(xiàn)CV氫燃料的供給方式是多樣化的，有從化石燃料制取的改質(zhì)氫，也有由可再生能源制取的電解氫。研究人員需要客觀分析這些因素，并進行定量對比，以優(yōu)化汽車開發(fā)目標的設(shè)定。如果期待氫社會的到來能夠成為脫碳社會的核心要素，研究人員必須從一系列能源系統(tǒng)的資源構(gòu)成(上游)到需求者(下游)的廣泛邊界的觀點出發(fā)，分析能源系統(tǒng)需要達到的性能，并定量評估當前的系統(tǒng)性能。

1.1 以庫存分析法開展FCV的性能分析

研究人員根據(jù)公開信息研究了FCV的性能，并將其與下列6種車型進行了對比分析：(1)內(nèi)燃機汽車(A-ICEV)；(2)近年來銷量最大的低油耗小型內(nèi)燃機車(C-ICEV)；(3)劃分在普通汽車范疇中的混合動力汽車(L-HEV)；(4)劃分在小型汽車范疇的混合動力汽車(S-HEV)；(5)插電式混合動力汽車(PHEV)；(6)BEV。圖1示出了各類車型從油井到車輪的流程圖。

圖1 各類車型從油井到車輪的流程圖

FCV氫燃料的生產(chǎn)工藝主要有2種方式：以化石燃料為熱源的水蒸氣改質(zhì)的氫制造，以及水電解中的氫制造?；剂现饕ǎ?1)從石油中提取的汽油、液化石油氣(LPG)、煤油及輕油等4種原油物；(2)源自天然氣的城市煤氣、甲醇(MEOH)、二甲醚(DME)及通過費希爾-特羅普希(FT)工藝制法提取的輕油等4種精制物。電解包含了4種發(fā)電方法：石油火力發(fā)電、天然氣火力發(fā)電、太陽能發(fā)電及風力發(fā)電，其中太陽能發(fā)電和風力發(fā)電是綠色電力。A-ICEV、C-ICEV、L-HEV、S-HEV使用的燃料主要為汽油；PHEV使用的汽油和電力消耗比例為52:48；BEV則消耗電力。在對FCV從油井到車輪的分析中，研究人員將按照資源開采、資源輸送、中間精制物制造、中間精制物輸送、燃料生產(chǎn)、燃料填充及汽車行駛過程等7個流程進行評價。

1.2 分析方法

研究人員采用總量分析法，將評價指標計算方法定義為氫燃料的制造過程和車輛的行駛過程。生產(chǎn)氫燃料所需要的主要能量基于以下變量進行計算：生產(chǎn)單位發(fā)熱量氫所需要的一次能量、資源保有能量、資源采集效率、資源輸送效率、中間精制物生產(chǎn)效率、中間精制物輸送效率、氫制造效率。氫燃料制造過程中產(chǎn)生的CO2排放量則是從資源采集階段開始，根據(jù)制造單位熱量氫所產(chǎn)生的CO2排放系數(shù)計算得到。氫燃料的生產(chǎn)成本根據(jù)生產(chǎn)單位熱量氫的成本單價計算。以氫站設(shè)備為例，其成本主要包含了建設(shè)費(已考慮折舊)、維修費、保險費、管理費、土地費、固定資產(chǎn)稅、電費、水費、污水處理費、原材料費、氫的生產(chǎn)效率等要素。

在進行包含了行駛過程的車輛從油井到車輪的全周期分析中，研究人員將車輛單位行駛距離所消耗的能源定義為一次能源。因此，研究人員可以用一次能源消耗量來定義各車輛的單位距離行駛所需要的能源，這是將生產(chǎn)燃料所需的一次能源分別除以燃料添加效率、車輛行駛效率計算得到的。同樣，車輛從油井到車輪所產(chǎn)生的CO2排放量，被定義為車輛單位距離行駛過程中所產(chǎn)生的CO2排放量。除此之外，汽車單位行駛距離消耗的總成本由車輛持有人承擔，包括含折舊在內(nèi)的車輛采購費用、保養(yǎng)費用、燃料費用。

1.3 分析數(shù)據(jù)設(shè)置

表1示出了各車型的性能分析。FCV的性能數(shù)據(jù)參考了日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的氫燃料電池示范項目(JHFC)及各汽車制造商發(fā)布的數(shù)據(jù)。FCV的車輛價格是根據(jù)研究人員考慮了未來補貼制度的變化，并假設(shè)車輛采購費為300萬~700萬日元，以100萬日元為單位計算出來的。FCV的車輛效率，則是研究人員設(shè)想了未來會通過技術(shù)升級來提升車輛性能，并將其效率設(shè)定在公開數(shù)據(jù)值的最小值至最大值的區(qū)間范圍內(nèi)。試驗對比的6款車型是目前銷量較好的車型。

表1 各車型的性能數(shù)據(jù)

各類車型使用的燃料單價數(shù)據(jù)來源分別為：化石燃料的單價數(shù)據(jù)參考了國際能源機構(gòu)，可再生能源單價參考了成本等驗證委員會報告。假設(shè)氫氣站制造能力為300 Nm3/h，表2示出了氫氣站的性能參數(shù)，以及水費、稅費、土地費等各項成本費用。

表2 氫氣站的性能參數(shù)

2 氫燃料和FCV性能分析結(jié)果

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2.1 氫燃料生產(chǎn)從油井到油箱的供給特性

圖2示出了FCV氫燃料的供給特性，顯示了不同原料在生產(chǎn)單位能源的氫燃料時所需要的一次能源消耗量效率。

圖2 生產(chǎn)氫燃料所需要的從油井到油箱的一次能源消耗量

根據(jù)分析結(jié)果，生產(chǎn)單位能源的氫燃料所消耗的一次能源效率分別為：來源于石油的氫燃料消耗1.50~1.78倍；來源于天然氣的氫燃料消耗1.53~3.24倍；電解氫燃料消耗1.30(風力發(fā)電)~4.04(氣體火力發(fā)電)倍。氫燃料制造過程中的從油井到油箱效率比汽油制造過程降低了18%~25%，一次能源消耗量效率差異大的原因在于氫燃料制造工藝的不同。在來源于化石燃料生產(chǎn)的氫燃料中，由城市煤氣生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料，其一次能源消耗量最低。

圖3所示為生產(chǎn)單位能源的氫燃料所產(chǎn)生的CO2排放量。結(jié)果顯示，源自石油的改質(zhì)氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為103.0~126.0 g/MJ，源自天然氣的氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為84.1~202.0 g/MJ，電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為2.2~445.0 g/MJ。以上3種方式生產(chǎn)氫燃料所產(chǎn)生的CO2排放量均高于可再生能源生產(chǎn)的電解氫燃料產(chǎn)生的2.2~3.2 g/MJ的CO2排放量，也高于汽油燃料產(chǎn)生的70.6 g/MJ的CO2排放量。與上述一次能源特性相同，氫燃料制造的從油井到油箱效率較低，因此作為能量來源于化石燃料的消耗量會增加，而利用可再生能源生產(chǎn)的電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量與石油和天然氣相比，其產(chǎn)生的CO2排放量為52.3~70.3 g/MJ，少于汽油燃料。

圖3 生產(chǎn)氫燃料過程中從油井到油箱的CO2排放量

圖4示出了不同生產(chǎn)工藝氫燃料的制造成本單價。單位能量的生產(chǎn)成本結(jié)果顯示，源自石油的改質(zhì)氫燃料的生產(chǎn)成本為7.1~14.2日元/兆焦耳，源自天然氣的氫燃料的生產(chǎn)成本為7.6~15.4日元/兆焦耳，電解氫燃料的生產(chǎn)成本為5.3~19.1日元/兆焦耳。 加氫站的建設(shè)費用約占總制造成本的40%，假設(shè)每座加氫站的建筑成本可降低1.0億~6.4億日元，則氫燃料的生產(chǎn)成本將會降低約4.6日元/兆焦耳。此外，對于汽油燃料的成本，研究人員假設(shè)未來汽油價格上漲約8.0日元/兆焦耳，則源自可再生能源的氫燃料生產(chǎn)成本最低，約為5.32日元/兆焦耳。綜上所述，來源于可再生能源的氫燃料在生產(chǎn)單位氫燃料所消耗的一次能源、CO2排放量、生產(chǎn)成本等指標上均具有較明顯的優(yōu)勢。因此，降低一次能源消耗、提高氫燃料生產(chǎn)工藝制造從油井到油箱的能源效率尤為重要。

圖4 氫燃料從油井到油箱制造成本單價

2.2 燃料電池車從油井到油箱的行駛特性

根據(jù)FCV能源消耗特性分析結(jié)果，研究人員得出了FCV從油井到油箱的單位行駛距離的一次能源消耗量(圖5)，該值覆蓋了氫燃料從生產(chǎn)到車輛行駛各環(huán)節(jié)。汽油車一次能源消耗量為0.69~3.64 MJ/km；而FCV使用了石油改質(zhì)氫燃料、天然氣改質(zhì)氫燃料、電解氫燃料及可再生能源的氫燃料，其一次能源消耗量分別為1.50~2.15 MJ/km、1.47~3.92 MJ/km、1.25~4.89 MJ/km 及1.25~1.68 MJ/km。與L-HEV 的一次能源消耗量為1.21~1.24 MJ/km 相比，F(xiàn)CV 的一次能源消耗量偏高，這是由于氫燃料生產(chǎn)過程中從油井到油箱的能源效率較低，其消耗的一次能源比汽油高。

圖5 FCV從油井到油箱的一次能源消耗

圖6示出了FCV 的CO2排放特性。根據(jù)FCV使用的氫燃料不同,所產(chǎn)生的CO2排放量也會有差異。使用石油改質(zhì)氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為135.0~220.0 g/km；使用天然氣生產(chǎn)的氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為109.0~403.0 g/km ;使用電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量會基于發(fā)電方式不同而存在較大差異，其中采用綠色電力生產(chǎn)的電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為2.6 g/km，采用石油火力發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放量則高達258.0 g/km；使用化石燃料生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量為108.7 g/km，高于L-HEV的85.8~88.0 g/km的CO2排放量。此外，F(xiàn)CV使用源自綠色電力的電解氫燃料產(chǎn)生的CO2排放量僅有2.6~4.9 g/km，與汽油車相比，CO2的減排率高達98%以上。綜上所述，F(xiàn)CV使用綠色電力生產(chǎn)的電解氫燃料，雖然在能量性能方面稍遜于HEV，但在CO2排放特性方面具有較明顯的優(yōu)勢。

圖6 FCV從油井到車輪的CO2排放量

圖7示出了FCV的總體擁有成本(TCO)。假設(shè)FCV的車輛購置費為700.0萬日元/輛，則在TCO的使用成本中，石油生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料的使用成本為100.0~109.0日元/公里，天然氣生產(chǎn)的氫燃料的使用成本為100.0~110.0日元/公里，電解氫燃料的使用成本為98.2~114.0日元/公里。從2015年FCV的TCO分解(圖8)可知，車輛的購置費約占TCO的50%。

圖7 FCV從油井到車輪的總擁有成本

圖8 FCV從油井到車輪的總體擁有成本詳解

研究人員根據(jù)敏感度分析方法進行了測算，如果以100萬日元為單位，車輛的購置成本從700萬日元降至300萬日元時，可使TCO減少7.9日元/公里。而非FCV的其他車輛，其TCO為61.5~82.0日元/公里，低于比FCV的TCO。由于燃料費只占TCO 的10%~15%，因此與降低燃料使用費相比，降低車輛的購置成本在降低FCV的行駛成本方面更有成效。假設(shè)化石資源的市場價格不斷上漲，則與使用化石燃料生產(chǎn)的改質(zhì)氫燃料相比，使用綠色電力生產(chǎn)的電解氫燃料將會有效降低TCO。在對比分析了FCV從氫燃料的生產(chǎn)到行駛的一次能源消耗量、CO2排放量、TCO等因素后，研究人員發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)CV使用綠色電力生產(chǎn)電解氫燃料，與HEV等車型相比，在能源性能和環(huán)境性能方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，如果未來因礦物燃料價格上漲，F(xiàn)CV在TCO方面也具有優(yōu)勢。研究人員通過TCO的詳細分解發(fā)現(xiàn)，由于車輛購置費遠高于燃料支出費，因此構(gòu)建使用綠色電力生產(chǎn)電解氫燃料的社會系統(tǒng)，以及通過技術(shù)降低車輛購置費用將是未來工作的重點。

3 總結(jié)

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本文對比了多種氫燃料的生產(chǎn)工藝，并對在交通客運部門引進FCV的可行性作了全面分析。研究人員關(guān)注了氫燃料的供給方式，并分析了FCV從油井到車輪的性能，由此得到以下結(jié)論。

(1)FCV的最大特點是可以降低CO2的排放，但要普及FCV車輛，其前提條件是使用綠色電力生產(chǎn)含游離CO2的氫燃料。 (2)就TCO而言，車輛價格所占比重較大，需要采取措施有效降低車輛價格。 (3)為了提高FCV的市場份額，在降低車輛價格的同時，也需要設(shè)定更高的CO2減排目標。