氢燃料电池及氢燃料重型货车碳足迹研究

——氢燃料电池及氢燃料电池重型货车碳足迹研究Carbon Footprint Study of Hydrogen Fuel Cells and Hydrogen Fuel Cell HeavyDutyVehicles 目录 序言1 执行摘要2 1氢燃料电池碳足迹研究3 1.1研究方法3 1.2研究结果4 1.2.1摇篮到大门的温室气体排放评估1.2.2上游材料生产与工厂能源消耗1.2.3关键影响因素分析1.2.4减排潜力与未来展望4467 1.3讨论与启示7 2氢燃料重型货车碳足迹研究8 2.1研究方法8 2.2.1碳足迹构成及影响因素2.2.2减排策略与实施路径2.2.3关键发现及核心观点9910 2.3挑战与机遇11 3对利益相关者的建议13 3.1政策制定3.2产业规划3.3科研方向131313 图源 WPS稻壳资源库 免责声明 本报告由中汽碳（北京）数字技术中心有限公司与清华大学联合发布，旨在助推氢能燃料电池的发展、催生洞见并促进交流。报告中发表的研究结果、解读和结论是中汽碳（北京）数字技术中心有限公司与清华大学认可的合作成果，但报告中内容并不一定代表中汽碳（北京）数字技术中心有限公司、清华大学及其全体成员、合作伙伴或其他利益相关方的观点。 参考文献14 研究团队15 致谢16 版权所有©中汽碳（北京）数字技术中心有限公司与清华大学。保留所有权利。不得以任何方式手段，包括影印和录音，或通过任何信息存储和检索系统复制或传播报告任何部分的内容。 单位介绍17 序 言 者 和 产 业 界 带 来 一 定 参 考 和 讨 论 的 基 础 ，并 激 发 更 多 的 研 究 和 实 践 ， 共 同 推 动 我国 乃 至 全 球 的 能 源 转 型 和 环 境 保 护 事 业 。让 我 们 携 手 合 作 ， 为 建 设 一 个 更 加 清 洁 、绿 色 、 可 持 续 的 交 通 系 统 而 努 力 。 在 应 对 气 候 变 化 与 改 善 环 境 质 量 双重 挑 战 的 背 景 下 ， 低 碳 替 代 燃 料 及 其 相关 技 术 的 研 究 与 应 用 尤 为 重 要 。 作 为 一位 长 期 关 注 能 源 与 环 境 的 学 者 ， 我 深 知减 少 温 室 气 体 排 放 、 推 动 能 源 绿 色 转 型的 紧 迫 性 和 重 要 性 。 氢 燃 料 电 池 作 为 清洁 能 源 的 关 键 技 术 ， 正 逐 步 展 现 在 重 型车 领 域 的 减 碳 潜 力 和 应 用 前 景 。 氢 燃 料 电 池 以 氢 能 为 燃 料 ， 具 备 高效 率 和 强 续 航 能 力 ， 具 备 在 长 途 运 输 和重 载 物 流 领 域 的 替 代 潜 力 。 氢 燃 料 电 池重 型 货 车 不 仅 有 效 降 低 交 通 运 输 行 业 的碳 排 放 ， 还 推 动 能 源 结 构 优 化 和 产 业 链的 绿 色 转 型 。 当 前 ， 全 球 氢 燃 料 电 池 汽车 市 场 正 迎 来 快 速 发 展 期 。 其 中 ， 中 国已 成 为 氢 燃 料 重 型 车 推 广 数 量 最 多 的 国家 ， 初 步 构 建 了 涵 盖 制 备 、 储 运 、 加 注等 环 节 的 氢 能 供 给 体 系 。 多 家 车 企 也 在积 极 布 局 氢 燃 料 电 池 车 市 场 ， 共 同 推 动氢 燃 料 电 池 汽 车 产 业 链 的 商 业 化 落 地 。 尽 管 如 此 ， 氢 燃 料 电 池 技 术 的 广 泛应 用 仍 面 临 氢 气 生 产 成 本 、 储 存 运 输 安全 性 和 加 氢 站 基 础 设 施 建 设 等 方 面 的 问题 ， 需 要 持 续 优 化 技 术 路 径 ， 降 低 成 本 ，提 升 性 能 。 此 外 ， 如 何 准 确 从 全 生 命 周期 的 角 度 评 估 氢 燃 料 电 池 及 其 重 型 货 车的 碳 足 迹 ， 也 是 当 前 亟 待 回 答 的 问 题 。 《 替 代 燃 料 降 碳 潜 力 评 估— —氢 燃料 电 池 及 氢 燃 料 重 型 货 车 碳 足 迹 研 究 》的 研 究 恰 逢 其 时 。 本 报 告 对 于 氢 燃 料 电池 技 术 在 生 产 、 运 营 、 维 护 阶 段 的 关 键因 素 及 减 排 潜 力 进 行 细 致 的 分 析 和 系 统的 思 考 ， 形 成 中 国 氢 燃 料 电 池 技 术 减 排路 径 建 议 ， 希 望 能 借 此 报 告 给 政 策 制定 郝 吉 明 中 国 工 程 院 院 士美 国 国 家 工 程 院 外 籍 院 士清 华 大 学 环 境 学 院 教 授 、 博 士 生 导 师清 华 大 学 环 境 科 学 与 工 程 研 究 院 院 长 执 行 摘 要 业规 划 及 科 研 方 向 提 供 科 学 依 据 。 研 究 分为 两 部 分 ： 氢 燃 料 电 池汽 车 是 中 国 推 动 氢 能 产业 高 质 量 和 大 规 模 发 展 的 重 要 应 用 领 域 ，也 是 实 现 道 路 低 碳 化 的 重 要 途 径 。 然 而 ，从 生 命 周 期 的 角 度 看，氢 燃 料 电 池 汽 车上 游 生 产 阶 段 的 温 室 气 体 排 放 （G r e e n ho u s e G a s，下 文 均 使 用G H G1)可 能 会 抵消 尾 气 零 排 放 带 来 的 效 益 。近 年 来 ， 中国 政 府 高 度 重 视 氢 能 产 业 的 发 展 ， 国 家发 展 改 革 委 等 部 门 发 布 的 《 关 于 大 力 实施 可 再 生 能 源 替 代 行 动 的 指 导 意 见 》 为氢 能 技 术 创 新 和 产 业 化 提 供 了 明 确 指 导 ，同 时 《 能 源 法 》 的 修 订 及“氢 高 速”等 项目 的 推 进 ， 进 一 步 加 速 了 氢 能 产 业 的 布局 与 应 用 。 一是乘用车氢燃 料 电 池 碳 足 迹 研 究。 单个典 型 乘 用 车燃 料 电 池 产 品系 统 从“摇 篮”2到“大 门3”的 温 室 气 体 排 放 量 为5 9 5 2 . 4 k gC O2e /个 ，并 有 望 通 过 社 会 系 统 性 降 碳 、行 业 技 术 水 平 提 升 与 企 业 减 碳 行 动 在2 0 3 0年 实 现 减 排6 6 %。 二 是 氢 燃 料电 池重 型 货 车 碳 足 迹 研 究。氢 燃 料 电 池 牵 引 车 全 生 命 周 期 的 温 室 气 体排 放 量 为 同 类 柴 油 牵 引 车 的7 4 %。 敏 感 性分 析 显 示 ， 氢 燃 料 及 车 用 材 料 的 清 洁 程 度对 氢 燃 料 电 池 牵 引 车 的 减 排 效 果 具 有 显 著影 响 。 因 此 ， 亟 需 推 进 氢 燃 料 电 池 车 辆 全链 条 减 碳 工 作 。 在 此 背 景 下 ， 本 研 究 全 面 评 估 了 中国 典 型 乘 用 车 氢 燃 料 电 池 产 品 的 碳 足 迹水 平 ， 并 深 入 分 析 氢 燃 料 电 池 技 术 在 重型 商 用 车 领 域 的 降 碳 潜 力 。 识 别 其 关 键影 响 因 素 和 降 碳 潜 力 ，为 政 策 制 定 、 产 注1：G H G包 括 如 下7种 温 室 气 体 ： 二 氧 化 碳 （C O2） 、 甲 烷（C H4） 、 氧 化 亚 氮 （N2O） 、 氢 氟 碳 化 物 （H F C s） 、 全 氟化 碳 （P F C s） 、 六 氟 化 硫 （S F6） 、 三 氟 化 氮 （N F3） 。注2：“摇 篮”即 代 表 产 品 的 诞 生 。注3：”大 门“即 代 表产 品 制 成 出 厂 。 1 .氢 燃 料 电 池 碳 足 迹 研 究 在 制 造 阶 段 ， 考 虑 膜 电 极 、 电 堆 和燃 料 电 池 系 统 装 配 过 程 的 电 耗 和 氢 耗 。 1 . 1研 究 方 法 如 图1 - 1所 示 ， 本 研 究 关 注 乘 用 车氢 燃 料 电 池“摇 篮”到“大 门”的G H G排 放水 平 ， 系 统 边 界 包 括 原 材 料 开 采 、 重 点零 部 件 运 输 和 产 品 装 配 为 核 算 重 点 ， 零部 件 生 产 过 程 的 能 耗 和 产 品 报 废 不 在 本研 究 评 估 范 围 内 。在 运 输 阶 段 ， 综 合 考虑 零 部 件 的 重 要 性 、 重 量 和 运 输 距 离 ，仅 考 虑 空 气 压 缩 机 、 氢 气 循 环 泵 、D C / D C升 压 转 换 器 、 膜 电 极 材 料 、 双 极板 、 端 板 和 安 装 架 运 输 导 致 的G H G排 放 。 本 研 究 以 系 统 功 率 为8 3 . 5 k W， 系统 总 成 为2 0 2 k g的 一 个 典 型 乘 用 车 氢燃 料 电 池 系 统 产品 为 研 究 对 象 ， 其 双 极板 为 金 属 板 。 研 究 采 用 中 国 本 土 材 料 和能 源 排 放 因 子 ，数 据 来 源 于 企 业 级 调 研 、中 国 汽 车 生 命 周 期 数 据 库 （C A L C D） 、国 际 铂 族 金 属 联 合 会 委 员 会 和E c o i n v e n t v 3 . 8数 据 库 ， 应 用 中 国 汽 车生 命 周 期 评 价 模 型 （C A L C M） 开 展 核 算 。 本 研 究 收 集 氢 燃 料 电 池 产 品 的 零 部件 及 其 材 料 的 质 量 图 谱 ， 拆 分 出 了3 0个 零 部 件 和1 7种 材 料 。 如 图1 - 2（a）所 示 ， 燃 料 电 池 组 和B O P系 统1各 约 占总 重 量 的 一 半 ， 电 堆 的 附 件 占 电 堆 总 质量 的5 9 %。 显 著 提 高 了 燃 料 电 池 材 料 图谱 的 全 面 性 和 分 辨 率 。 同 时 ， 本 研 究 绘 制 了 氢 燃 料 电 池 的材 料 图 谱 ， 如 图1 - 2（b） 所 示 ， 通 过材 料 图 谱 ， 可 清 晰 的 看 出 在 氢 燃 料 电 池中 铝 的 质 量 占 比 最 高 （4 7 %） ； 其 次 是钢 （2 7 %） 、 铜 （9 %） 和 塑 料 （6 %） 。 注1：B O P系 统 为 （B a l a n c e o f P l a n t） 是 指 在 氢 能 源 系统 中 ， 除 了 核 心 设 备 外 的 辅 助 系 统 。 1 .2.2上 游 材 料 生 产 与 工 厂 能 源 消 耗 1 . 2研 究结 果 ●材 料 排 放 贡 献 1 .2. 1摇 篮 到 大 门 的 温 室 气 体 排 放 评 估 如 图1 - 3所 示 ， 铝 是 最 大 的 排 放 来源 （4 5 %） 。 一 方 面 ， 它 在 燃 料 电 池 中的 广 泛 使 用 、 质 量 占 比 高 ； 另 一 方 面 ，电 解 铝 是 高 电 耗 过 程 ， 在 当 前 的 电 力 组合 下 ， 铝 的 碳 排 放 因 子 仍 较 高 。 通 过 计 算 ， 本 研 究 中燃 料 电 池 系 统产 品“摇 篮”到“大 门”的 温 室 气 体 排 放 量为5 9 5 2 . 4千 克 二 氧 化 碳 当 量 （k gC O2e） 。燃 料 电 池 系 统 产 品 材 料 相 关 温室 气 体 排 放 量 见 图1 - 3所 示 。 铂 主 要 用 于 膜 电 极 的 催 化 层 ， 是 材料 相 关 碳 排 放 的 第 二 大 来 源 （4 1 %） ，主 要 源 于 排 放 因 子 较 高 。 尽