国家“十四五”规划将氢能与储能领域纳入前瞻谋划未来产业范围，全国20多个省份、50多个城市将氢能与燃料电池汽车产业作为“十四五”重点培育新兴产业，氢燃料电池正加速从前沿技术向未来产业迈进。

在氢燃料电池汽车全生命周期阶段，用户使用环节可认为是零碳排放，但氢的生产运输过程不可避免会造成一定的碳排放，而且不同的生产运输方式产生的碳排放量也不尽相同。因此本文使用生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）方法分析减排效益，即从一次能源开采、燃料生产及配送到汽车使用的整个燃料生命周期过程——“井口到车轮”（Well to Wheel，WTW）。

WTW过程可进一步分解为：

l 燃料的制储运过程，即“井口到油箱”（Well to Tank，WTT）；

l 燃料消耗部分，即“油箱到车轮（Tank to Wheel，TTW）”。

本文将从以上两方面评价氢燃料电池公交车及物流车推广替代燃油车的碳减排效益，碳排放计算结果均以全球变暖潜势（GWP）表示，单位为公斤（等量二氧化碳）。

上游生产过程中，燃料的碳排放边界为原料-生产工艺-运输-加氢站过程，如图1所示。

图1 上游生产过程的碳排放计算系统边界

氢气生产方面，本文选取包括多种主流制氢方式对比，部分制氢方式提供包含碳捕捉处理的版本，而电解水部分则包括不同电力来源。制氢过程中，水电解制氢、焦炉煤气的碳排放使用美国原料Argonne国家实验室的GREET模型计算，其他制氢方式数据来自Environments期刊相关文献[1]。加压及运输过程的碳排放使用GREET模型计算，算入各制氢方式的碳排放中，计算结果如下表所示。

表1 部分制氢技术路线下氢气生产过程（WTT）碳排放情况

注：计算中使用的GREET模型为2018版，垃圾发电（包括含碳捕捉处理的）的碳排放数据来源为：Chandel M K , Kwok G , Jackson R B , et al. The potential of waste-to-energy in reducing GHG emissions[J]. Carbon Management. 3. 133-144. 10.4155/cmt.12.11. 计算中氢气运输方式统一为长管拖车（载氢362.874公斤），运输距离为100公里。

传统的燃油公交车及物流车使用柴油作为燃料。根据清华大学相关研究，生产过程中，每生产1升及柴油就会因开采和加工过程造成碳排放0.87kg，从开采到成品油的生产效率分别为87%。

在终端使用过程，氢燃料电池汽车因其燃料特性，碳排放为零。对比之下，柴油在行驶过程中的碳排放为2.63kg/L。根据现有车型调研，公交车和厢式物流车的平均油耗分别为百公里30升和15升。因此，在车辆使用阶段，公交车和厢式物流车百公里碳排放分别达78.9公斤和52.5公斤。

综合以上两部分过程的碳排放分析，可得出不同氢源下氢燃料电池汽车，以及燃油车之间的燃料全生命周期碳排放情况。选取城市公交车、厢式物流车，以行驶100公里为基准计算，而氢燃料电池公交车、物流车及平均氢耗分别为5公斤、3公斤每百公里。对比结果如图2所示。

图2 不同燃料（氢气、柴油）公交车、物流车百公里碳排放对比

由图2可知，制氢路线对氢燃料电池汽车的碳足迹影响显著。其中，天然气重整路线碳排与燃油车相当，煤气化、垃圾发电电解水和火电电解水路线的碳排放显著高于燃油车，而火电电解水的碳排放甚至达到燃油车碳排放的两倍以上。这一方面可归因于火电的高碳排特性，另一方面则因当前电解水效率的相对低下，进一步加大碳排放规模，使其水平超越煤炭直接气化制氢。去除碳排放比传统燃油车高的制氢路线后，可得各制氢路线下氢燃料电池公交车和物流车替代相应柴油车的碳减排效益，如图3所示。

表3 不同氢源下氢燃料电池汽车替代传统燃油车减排效益

图表中各项目缩写：SMR：天然气重整；COG：焦炉煤气提氢；BMG：生物质气化；BDL(C)：生物质重整（玉米）；BDL(W)：生物质重整（小麦）；E-RES：可再生能源电解水；CG(CCS)：带碳捕捉处理的煤气化；SMR(CCS)：带碳捕捉处理的天然气重整；E-WtE(CCS)：带碳捕捉处理的垃圾发电电解水。

在图3所示制氢路线中，可再生能源制氢的碳减排效益最高，接近于零碳排，这是因为可再生能源发电电解水从制氢源头上消灭了制氢过程中的碳排放，其总体碳排放仅体现于氢气加压及运输过程。在可再生能源不断推广普及的进程下，未来可再生能源制氢可实现完全零碳排放。生物质气化和焦炉煤气提氢路线的减排效益也相当出色，其中焦炉煤气提氢作为工业副产氢的典型之一，在我国应用广泛，其制氢来源于炼焦和PSA系统耗电（炼焦的碳足迹按比例分配到焦炭、氢气及制氢后尾气上）。由于并不直接产生额外碳排放、成本低廉、具有资源回收效益，工业副产氢将是我国未来氢能产业发展中的重要氢气来源，潜力巨大。值得一提的是，虽同为生物质制氢技术，生物质气化路线的碳排放比生物质重整低，减排效益高。化石能源制氢中，天然气制氢是唯一碳减排效益为正的，这主要是因为天然气的碳氢比低，碳排放系数低。可见天然气是相对清洁的能源，天然气制氢可根据实际情况适当发展。

对于高碳排的制氢技术路线，碳捕捉与储存（CCS）技术为其绿色低碳发展提供新的发展空间。通过CCS技术，碳排放可降至相当低的水平。煤制氢、天然气重整和垃圾发电电解水是碳排放相对较高的路线；而在经过CCS技术处理后，碳减排效益可比肩焦炉煤气制氢，其中煤气化制氢受益最大，可见CCS技术对高碳排技术效果更明显。垃圾发电电解水路线除了通过CCS技术提高减排效益，还实现了废物能量回收和废物无害化，是城市垃圾的一个较好的处理路线。

不过，碳捕捉技术需要额外的电力和水，平均每生产一公斤氢气需耗电0.8度及耗水1.8公斤[2]，在采用CCS技术时应充分考虑此影响。

另外，生物质制氢和垃圾发电电解水制氢路线的碳排放还存在“碳中和” 的部分。简单来说，生物质所固定的碳来自于大自然，在使用过程中不会增加生物圈的总碳量，碳排放可被略去（即“碳中和”），而城市垃圾材料部分来自于生物质。在这种情况下，两者的碳排放将被“中和”一部分，结果比上述计算结果更低。根据上述Chandel等人的研究成果，在考虑碳中和的情况下，垃圾发电发电经CCS技术处理后净碳排达-3.1公斤/千瓦时，实现了“负排放”。由此可预见，经CCS技术处理后的生物质和垃圾发电制氢可减少大气中碳总量，起到人工固定二氧化碳的效果。

参考文献：

[1] Andi M , Athanasios A D , George A , et al. Life Cycle Assessment and Water Footprint of Hydrogen Production Methods: From Conventional to Emerging Technologies[J]. Environments, 2018, 5, 0; doi:10.3390/environments5020000

[2] Lampert, D.; Cai, H.; Wang, Z.; Wu, M.; Han, J.; Dunn, J.; Sullivan, J.; Elgowainy, A.; Wang, M. Development of a Life Cycle Inventory of Water Consumption Associated with the Production of Transportation Fuels; Argonne National Laboratory: Lemont, IL, USA, 2015

来源：云浮（佛山）氢能标准化创新研发中心、上海小氢咨询管理有限公司