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从能源系统角度分析燃料电池车的性能
2022-02-23 20:23:05· 来源：汽车与新动力
燃料电池汽车(FCV)有望成为日本未来氢社会的关键参与者。由于氢燃料的来源不同，FCV的实际价值具有不确定性。采用库存分析法研究了FCV从油井到车轮的性能，比较
燃料电池汽车(FCV)有望成为日本未来氢社会的关键参与者。由于氢燃料的来源不同，FCV的实际价值具有不确定性。采用库存分析法研究了FCV从油井到车轮的性能，比较了混合动力汽车(HEV)和电动汽车(BEV)的性能。分析结果表明，通过绿色电衍生电解可提供无碳氢燃料，在减少碳排放方面具有重要效益。在总体拥有成本中，FCV的车辆价格是主要支出，表明了降低FCV成本是安全可控的。
0 前言
随着汽车电动化的进一步发展，汽车的性能评价已从传统的动力传动系统行驶的性能评价，逐渐转变为包含社会可持续发展的生命周期性能评价。人们对电动车性能的评价是基于发电结构来进行的，由于燃料电池汽车(FCV)氢燃料生产方式及能量供给方式不同，其评价结果也各不相同。此外，汽车性能评价的范围不再局限于汽车行驶状态，还延伸到了包括大量零件采购在内的制造环节、车辆报废后的再利用方式等范畴。这意味着汽车是1项复杂的综合性工程，已从传统观念中的最终产品，转变为社会系统的重要组成要素。
以“CASE”为例(即：互联(Connected)、自动驾驶(Autonomous)、共享(Shared)、电动化(Electric)，其主要聚焦于汽车的1个要素与社会系统间的信息接口。虽然要素性能的提高不一定与社会价值的提高有直接关系，但是汽车和社会系统之间，仍存在着未知的多层关系。就整个能源系统而言，围绕FCV的边界将从能源消耗比例为23%的运输部门，扩展到了囊括产业部门、电力等能源转换机构在内的能源系统整体，其价值边界扩大了约4倍。此外，FCV边界还从车辆行驶扩展到车辆生产、报废时的循环利用等，其价值边界会再扩大约1.3倍。因此，在社会不断发展的背景下，如果各国研究人员仍以传统的视野和经验来分析问题，将不能适应当前复杂多变的社会环境。
1 FCV 的性能评价
为了理解FCV的价值，研究人员从汽车氢燃料的供给形态、供给方式、车辆行驶系统的性能及综合性评价等多方面进行了分析。与混合动力汽车(HEV)依赖化石燃料、电动汽车(BEV)依赖系统电力发电不同，FCV氢燃料的供给方式是多样化的，有从化石燃料制取的改质氢，也有由可再生能源制取的电解氢。研究人员需要客观分析这些因素，并进行定量对比，以优化汽车开发目标的设定。如果期待氢社会的到来能够成为脱碳社会的核心要素，研究人员必须从一系列能源系统的资源构成(上游)到需求者(下游)的广泛边界的观点出发，分析能源系统需要达到的性能，并定量评估当前的系统性能。
1.1 以库存分析法开展FCV的性能分析
研究人员根据公开信息研究了FCV的性能，并将其与下列6种车型进行了对比分析：(1)内燃机汽车(A-ICEV)；(2)近年来销量最大的低油耗小型内燃机车(C-ICEV)；(3)划分在普通汽车范畴中的混合动力汽车(L-HEV)；(4)划分在小型汽车范畴的混合动力汽车(S-HEV)；(5)插电式混合动力汽车(PHEV)；(6)BEV。图1示出了各类车型从油井到车轮的流程图。
图1 各类车型从油井到车轮的流程图
FCV氢燃料的生产工艺主要有2种方式：以化石燃料为热源的水蒸气改质的氢制造，以及水电解中的氢制造。化石燃料主要包括：(1)从石油中提取的汽油、液化石油气(LPG)、煤油及轻油等4种原油物；(2)源自天然气的城市煤气、甲醇(MEOH)、二甲醚(DME)及通过费希尔-特罗普希(FT)工艺制法提取的轻油等4种精制物。电解包含了4种发电方法：石油火力发电、天然气火力发电、太阳能发电及风力发电，其中太阳能发电和风力发电是绿色电力。A-ICEV、C-ICEV、L-HEV、S-HEV使用的燃料主要为汽油；PHEV使用的汽油和电力消耗比例为52:48；BEV则消耗电力。在对FCV从油井到车轮的分析中，研究人员将按照资源开采、资源输送、中间精制物制造、中间精制物输送、燃料生产、燃料填充及汽车行驶过程等7个流程进行评价。
1.2 分析方法
研究人员采用总量分析法，将评价指标计算方法定义为氢燃料的制造过程和车辆的行驶过程。生产氢燃料所需要的主要能量基于以下变量进行计算：生产单位发热量氢所需要的一次能量、资源保有能量、资源采集效率、资源输送效率、中间精制物生产效率、中间精制物输送效率、氢制造效率。氢燃料制造过程中产生的CO2排放量则是从资源采集阶段开始，根据制造单位热量氢所产生的CO2排放系数计算得到。氢燃料的生产成本根据生产单位热量氢的成本单价计算。以氢站设备为例，其成本主要包含了建设费(已考虑折旧)、维修费、保险费、管理费、土地费、固定资产税、电费、水费、污水处理费、原材料费、氢的生产效率等要素。
在进行包含了行驶过程的车辆从油井到车轮的全周期分析中，研究人员将车辆单位行驶距离所消耗的能源定义为一次能源。因此，研究人员可以用一次能源消耗量来定义各车辆的单位距离行驶所需要的能源，这是将生产燃料所需的一次能源分别除以燃料添加效率、车辆行驶效率计算得到的。同样，车辆从油井到车轮所产生的CO2排放量，被定义为车辆单位距离行驶过程中所产生的CO2排放量。除此之外，汽车单位行驶距离消耗的总成本由车辆持有人承担，包括含折旧在内的车辆采购费用、保养费用、燃料费用。
1.3 分析数据设置
表1示出了各车型的性能分析。FCV的性能数据参考了日本经济产业省的氢燃料电池示范项目(JHFC)及各汽车制造商发布的数据。FCV的车辆价格是根据研究人员考虑了未来补贴制度的变化，并假设车辆采购费为300万~700万日元，以100万日元为单位计算出来的。FCV的车辆效率，则是研究人员设想了未来会通过技术升级来提升车辆性能，并将其效率设定在公开数据值的最小值至最大值的区间范围内。试验对比的6款车型是目前销量较好的车型。
表1 各车型的性能数据
各类车型使用的燃料单价数据来源分别为：化石燃料的单价数据参考了国际能源机构，可再生能源单价参考了成本等验证委员会报告。假设氢气站制造能力为300 Nm/h，表2示出了氢气站的性能参数，以及水费、税费、土地费等各项成本费用。
表2 氢气站的性能参数
2 氢燃料和FCV性能分析结果
2.1 氢燃料生产从油井到油箱的供给特性
图2示出了FCV氢燃料的供给特性，显示了不同原料在生产单位能源的氢燃料时所需要的一次能源消耗量效率。
图2 生产氢燃料所需要的从油井到油箱的一次能源消耗量
根据分析结果，生产单位能源的氢燃料所消耗的一次能源效率分别为：来源于石油的氢燃料消耗1.50~1.78倍；来源于天然气的氢燃料消耗1.53~3.24倍；电解氢燃料消耗1.30(风力发电)~4.04(气体火力发电)倍。氢燃料制造过程中的从油井到油箱效率比汽油制造过程降低了18%~25%，一次能源消耗量效率差异大的原因在于氢燃料制造工艺的不同。在来源于化石燃料生产的氢燃料中，由城市煤气生产的改质氢燃料，其一次能源消耗量最低。
图3所示为生产单位能源的氢燃料所产生的CO2排放量。结果显示，源自石油的改质氢燃料产生的CO2排放量为103.0~126.0 g/MJ，源自天然气的氢燃料产生的CO2排放量为84.1~202.0 g/MJ，电解氢燃料产生的CO2排放量为2.2~445.0 g/MJ。以上3种方式生产氢燃料所产生的CO2排放量均高于可再生能源生产的电解氢燃料产生的2.2~3.2 g/MJ的CO2排放量，也高于汽油燃料产生的70.6 g/MJ的CO2排放量。与上述一次能源特性相同，氢燃料制造的从油井到油箱效率较低，因此作为能量来源于化石燃料的消耗量会增加，而利用可再生能源生产的电解氢燃料产生的CO2排放量与石油和天然气相比，其产生的CO2排放量为52.3~70.3 g/MJ，少于汽油燃料。
图3 生产氢燃料过程中从油井到油箱的CO2排放量
图4示出了不同生产工艺氢燃料的制造成本单价。单位能量的生产成本结果显示，源自石油的改质氢燃料的生产成本为7.1~14.2日元/兆焦耳，源自天然气的氢燃料的生产成本为7.6~15.4日元/兆焦耳，电解氢燃料的生产成本为5.3~19.1日元/兆焦耳。
加氢站的建设费用约占总制造成本的40%，假设每座加氢站的建筑成本可降低1.0亿~6.4亿日元，则氢燃料的生产成本将会降低约4.6日元/兆焦耳。此外，对于汽油燃料的成本，研究人员假设未来汽油价格上涨约8.0日元/兆焦耳，则源自可再生能源的氢燃料生产成本最低，约为5.32日元/兆焦耳。综上所述，来源于可再生能源的氢燃料在生产单位氢燃料所消耗的一次能源、CO2排放量、生产成本等指标上均具有较明显的优势。因此，降低一次能源消耗、提高氢燃料生产工艺制造从油井到油箱的能源效率尤为重要。
图4 氢燃料从油井到油箱制造成本单价
2.2 燃料电池车从油井到油箱的行驶特性
根据FCV能源消耗特性分析结果，研究人员得出了FCV从油井到油箱的单位行驶距离的一次能源消耗量(图5)，该值覆盖了氢燃料从生产到车辆行驶各环节。汽油车一次能源消耗量为0.69~3.64 MJ/km；而FCV使用了石油改质氢燃料、天然气改质氢燃料、电解氢燃料及可再生能源的氢燃料，其一次能源消耗量分别为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。与L-HEV 的一次能源消耗量为1.21~1.24 MJ/km 相比，FCV 的一次能源消耗量偏高，这是由于氢燃料生产过程中从油井到油箱的能源效率较低，其消耗的一次能源比汽油高。
图5 FCV从油井到油箱的一次能源消耗
图6示出了FCV 的CO2排放特性。根据FCV使用的氢燃料不同,所产生的CO2排放量也会有差异。使用石油改质氢燃料产生的CO2排放量为135.0~220.0 g/km；使用天然气生产的氢燃料产生的CO2排放量为109.0~403.0 g/km ;使用电解氢燃料产生的CO2排放量会基于发电方式不同而存在较大差异，其中采用绿色电力生产的电解氢燃料产生的CO2排放量为2.6 g/km，采用石油火力发电产生的CO2排放量则高达258.0 g/km；使用化石燃料生产的改质氢燃料产生的CO2排放量为108.7 g/km，高于L-HEV的85.8~88.0 g/km的CO2排放量。此外，FCV使用源自绿色电力的电解氢燃料产生的CO2排放量仅有2.6~4.9 g/km，与汽油车相比，CO2的减排率高达98%以上。综上所述，FCV使用绿色电力生产的电解氢燃料，虽然在能量性能方面稍逊于HEV，但在CO2排放特性方面具有较明显的优势。
图6 FCV从油井到车轮的CO2排放量
图7示出了FCV的总体拥有成本(TCO)。假设FCV的车辆购置费为700.0万日元/辆，则在TCO的使用成本中，石油生产的改质氢燃料的使用成本为100.0~109.0日元/公里，天然气生产的氢燃料的使用成本为100.0~110.0日元/公里，电解氢燃料的使用成本为98.2~114.0日元/公里。从2015年FCV的TCO分解(图8)可知，车辆的购置费约占TCO的50%。
图7 FCV从油井到车轮的总拥有成本
图8 FCV从油井到车轮的总体拥有成本详解
研究人员根据敏感度分析方法进行了测算，如果以100万日元为单位，车辆的购置成本从700万日元降至300万日元时，可使TCO减少7.9日元/公里。而非FCV的其他车辆，其TCO为61.5~82.0日元/公里，低于比FCV的TCO。由于燃料费只占TCO 的10%~15%，因此与降低燃料使用费相比，降低车辆的购置成本在降低FCV的行驶成本方面更有成效。假设化石资源的市场价格不断上涨，则与使用化石燃料生产的改质氢燃料相比，使用绿色电力生产的电解氢燃料将会有效降低TCO。在对比分析了FCV从氢燃料的生产到行驶的一次能源消耗量、CO2排放量、TCO等因素后，研究人员发现，FCV使用绿色电力生产电解氢燃料，与HEV等车型相比，在能源性能和环境性能方面表现更为优异，如果未来因矿物燃料价格上涨，FCV在TCO方面也具有优势。研究人员通过TCO的详细分解发现，由于车辆购置费远高于燃料支出费，因此构建使用绿色电力生产电解氢燃料的社会系统，以及通过技术降低车辆购置费用将是未来工作的重点。
3 总结
本文对比了多种氢燃料的生产工艺，并对在交通客运部门引进FCV的可行性作了全面分析。研究人员关注了氢燃料的供给方式，并分析了FCV从油井到车轮的性能，由此得到以下结论。
(1)FCV的最大特点是可以降低CO2的排放，但要普及FCV车辆，其前提条件是使用绿色电力生产含游离CO2的氢燃料。
(2)就TCO而言，车辆价格所占比重较大，需要采取措施有效降低车辆价格。
(3)为了提高FCV的市场份额，在降低车辆价格的同时，也需要设定更高的CO2减排目标。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第6期
作者：[日]中田俊彦等
整理：胡瑞娟
编辑：吴玲
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