鉅大LARGE | 點擊量：322次 | 2023年06月13日
氫燃料動力電池汽車和電動汽車，誰能實現(xiàn)零排放？
2021年七月份，中汽研公布了《乘用車生命周期碳排放核算技術規(guī)范》，將乘用車碳排放核算問題繼續(xù)往前推進了一步。
此前的2019年六月二十日，在杭州舉辦的2019我國汽車生態(tài)設計國際論壇上，我國汽車研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心公布了我國汽車低碳行動計劃2019年研究成果，結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值，不僅不存在減排，甚至會新增排放，如圖1所示。
圖1中汽研公布的最新兩款碳排放超過基準值的電動汽車產品
這個研究表明，新能源汽車，如電動汽車，只是在行駛過程中沒有出現(xiàn)污染和排放，但其將碳排放轉移到了使用時看不見的車輛生產和電力生產環(huán)節(jié)。這就是所謂的碳轉移問題。碳轉移問題越來越受到關注，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)境部氣候司已經委托中汽中心開展"國家應對氣候變化專項——《乘用車碳排放核算技術規(guī)范及限額標準》研究"。該標準研究制定已于2019年三月十五日啟動，中汽中心已聯(lián)合主流車企，成立了標準研究工作組。該標準有望于2025年公布并成為國家強制標準。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
新能源汽車，除了電動汽車外，還有氫燃料動力電池汽車。氫燃料動力電池汽車碳排放相比電動汽車和燃油車，碳排放情況如何？中汽研沒有涉及。
我們在這里，結合中汽研的已有研究成果，試圖在碳中和背景下，對電動汽車和氫燃料動力電池汽車的全生命周期碳排放，給出一個初步的研究框架。
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、國家應對氣候變化戰(zhàn)略研究和國際合作中心、世界資源研究所和北京工業(yè)大學等16家國內外機構開展的《我國汽車低碳行動計劃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。
圖2全生命周期碳排放核算邊界
1．1車輛周期碳排放比較
根據(jù)中汽研的數(shù)據(jù)，由于動力蓄電池原材料獲取的困難和復雜的生產工藝，電動汽車車輛周期在全生命周期中的碳排放高達40％。其中，動力蓄電池的生產碳排放占比達到22％，其他部件生產的碳排放僅為18％。從文獻［1］中也可以看到，鋰電池車輛周期中出現(xiàn)的碳排放最大，約是內燃機汽車車輛周期碳排放的2倍，燃料動力電池汽車車輛周期碳排放的1．2倍。燃料動力電池車輛周期生產過程中碳排放高于內燃機汽車的原因重要是電堆和儲氣瓶的生產碳排放大，約占車輛周期的20％，而內燃機汽車動力系統(tǒng)僅占6％。
圖3不同類型乘用車車輛周期的碳排放［1］
（ICEV：內燃機汽車；EV：電動汽車；FCV：燃料動力電池汽車）
［1］Yang，Z．，B．WangandK．Jiao，Lifecycleassessmentoffuelcell，electricandinternalcombustionenginevehiclesunderdifferentfuelscenariosanddrivingmileagesinChina．Energy，2020．198：p．117365．
1．2燃料周期碳排放比較
內燃機汽車燃料周期的碳排放一般約占全生命周期碳排放的80％。電動汽車燃料周期的碳排放則和其電力生產方式有關，故而電動汽車的碳減排效果一般和該省份不同的發(fā)電方式有關。不同發(fā)電方式出現(xiàn)的碳排放如圖4所示。
圖4不同發(fā)電方式出現(xiàn)的碳排放
總體來說，根據(jù)《我國汽車低碳行動計劃2020》的研究成果，如圖5所示，在目前我國的電力結構下，電動汽車使用有利于減少碳排放。
圖5我國乘用車單車單位行駛里程全生命周期碳排放（gCO2e／km）
燃料動力電池汽車燃料周期的碳排放和氫氣的制取方式顯著相關，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．焦爐煤氣副產氫；4．煤制氫；5．混合電制氫。氫氣制取地點，如現(xiàn)場制氫和遠距離輸電后制氫；氫氣運輸方式，如氣氫管道、氣氫拖車、液氫槽車等因素也會影響燃料動力電池的碳排放，但都不是重要因素。
表1．不同路徑的等效碳排放量［2］
2、全生命周期碳排放綜合比較
目前，中汽研有關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)混合動力車、插電式混合動力車和純電動汽車，但沒有包括燃料動力電池汽車，而電動汽車和燃料動力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汽車和燃料動力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，電動汽車擁有最高的能量利用效率，如圖6所示。
圖6基于可再生能源的能源動力組合全鏈條能效分析
根據(jù)數(shù)據(jù)，充電電動汽車的效率為77％，而氫燃料動力電池汽車的效率僅為30％。假如假設電動汽車跑1公里要1度電，那么氫燃料動力電池車要度，相應地，碳排放新增了約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PROMEP3X電堆產品為例，系統(tǒng)能量密度為631W／kg，而根據(jù)《電動汽車觀察家》統(tǒng)計，2019年五月份系統(tǒng)能量密度排第一位的是ALON．S，為166．06Wh／kg，動力鋰電池總蓄電量為58．8kW·h，則動力鋰電池系統(tǒng)總質量為
，整車全部質量為1575kg，動力鋰電池系統(tǒng)質量占整車質量的。如將該車型的動力系統(tǒng)換為氫燃料動力電池系統(tǒng)，該電堆額定功率為117kW，燃料動力電池動力系統(tǒng)總質量為，只占整車質量的。故而動力鋰電池系統(tǒng)比氫燃料動力電池系統(tǒng)的有效載重低了，即多新增了10％的碳排放。
另外，當電池容量很大的時候，很大一部分電池容量都用來運載電池本身了，就像一個人帶一斤干糧能走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，因為干糧的重量已經把旅行者壓垮了。如圖7所示，隨著電池容量的新增，續(xù)航里程的上升呈指數(shù)式衰減，到最后趨于平緩，所以動力鋰電池新增行駛里程和新增運行重量都是非常困難的問題。故而，繼續(xù)假設動力鋰電池的由于新增運行里程或運行重量導致行駛效率繼續(xù)下降15％，此時相比于具有52％的能量利用率。
圖7電池容量和運行里程的關系［3］
［3］為何TSLA靠鋰電池就能達到500公里續(xù)航？－知乎
另外，應該注意到殼牌公司制定的氫氣轉換成電能的效率為46％，這是偏低的。按照目前主流車企制定的工作點工作電壓為0．65V，此時的工作效率約為53％，提升7個點的效率。另外根據(jù)美國能源部燃料動力電池辦公室提出的第八級長途拖掛車的長期目標效率為72％，此時燃料動力電池能提升22個點的效率，總能量利用率為56％，開始高于電動汽車，表明其碳排放已經可能低于電動汽車了。
最后，還應該指出，當出現(xiàn)氫氣的能量為"棄光"、"棄電"時，考慮其將不能利用的能量重新利用了起來，此時氫燃料動力電池車的使用實現(xiàn)了真正意義上的"零排放"。
3、總結和展望
中汽研做的碳排放研究，只研究了電動汽車和燃油車全生命周期的碳排放。而目前尚未看到有機構研究電動汽車和氫燃料動力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汽車和燃料動力電池汽車的全生命周期碳排放?？偟膩碚f，電動汽車車輛周期的碳排放大于燃料動力電池汽車。在燃料來源都為可再生能源的前提下，電動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動力電池汽車。然而，在長距離，中重型的應用場景下，由于自身局限性，電動汽車的碳排放可能反超燃料動力電池汽車。并且，很重要的是，氫燃料動力電池汽車可以基于氫能實現(xiàn)真正意義上的零排放，而電動汽車終歸是消耗電能的產品。
另外，應該指出，目前中汽研的報告中全部沒有考慮動力鋰電池回收出現(xiàn)的碳排放等影響，但可以估計，由于鋰電池自身的材料體系，其回收難度、碳排放、回收成本、對環(huán)境的不利影響等應該大于氫燃料動力電池。
