面向2020年的質(zhì)子交換膜燃料電池汽車生命周期評價(jià)及預(yù)測

陳軼嵩 丁振森 劉佳慧 馬金秋

長安大學(xué)汽車學(xué)院，西安，710064

0 引言

中國汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展對我國資源、能源以及環(huán)境造成了越來越大的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國氣候惡化以及霧霾等環(huán)境現(xiàn)象的產(chǎn)生，31%是由汽車產(chǎn)業(yè)造成的。此外，2017年我國原油對外依存度已經(jīng)達(dá)到67.4%，至2020年可能高達(dá)70%。面對資源和環(huán)境的雙重壓力，國家已密集出臺(tái)多項(xiàng)政策支持新能源汽車發(fā)展，鼓勵(lì)消費(fèi)者進(jìn)行綠色消費(fèi)[1]。

燃料電池汽車因其行駛里程及燃料加注時(shí)間都與燃油車類似，被認(rèn)為是燃油車的最直接替代品，其中質(zhì)子交換膜燃料電池因其相對低的運(yùn)行溫度、快速啟動(dòng)特性和高的效率被認(rèn)為最合適在汽車上使用。但目前人們對其給資源、能源、環(huán)境帶來的影響尚缺乏全面科學(xué)的認(rèn)知，國外雖有研究但并不適合中國國情，唯有針對我國本土數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行生命周期評價(jià)(LCA)才可得到全面系統(tǒng)的認(rèn)知。

國外已有學(xué)者對燃料電池汽車的資源能源消耗情況展開了一定的研究，如EVANGELISTI等[2]提出了一種注重生產(chǎn)過程的燃料電池汽車(FCV)綜合評價(jià)方法，對燃料電池汽車、純電動(dòng)汽車(BEV)和傳統(tǒng)燃油車(ICEV)的生產(chǎn)、使用和報(bào)廢過程進(jìn)行了對比分析，并對燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵部件進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明：降低燃料電池汽車制造階段對環(huán)境的影響仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。BAUER等[3]基于新的整車仿真框架提出了一種綜合的LCA方法，并對燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車，傳統(tǒng)燃油車與混合動(dòng)力汽車，柴油汽車與天然氣汽車的生命周期環(huán)境影響進(jìn)行了兩兩的對比分析,結(jié)果表明：氫氣來源對燃料電池汽車節(jié)能減排意義重大。AHMADI等[4]對加拿大四個(gè)省由常規(guī)汽油車轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂想姵剀嚨沫h(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行了分析，分析過程中考慮了三種制氫方法并且與傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：燃料電池汽車相比傳統(tǒng)燃油車，其生命周期溫室效應(yīng)氣體(GHG)排放減少，燃料成本減少。

相對國外而言，國內(nèi)研究主要集中在氫源基礎(chǔ)設(shè)施評價(jià)領(lǐng)域。邱彤等[5]將LCA方法用于經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境領(lǐng)域，編制了用于氫源系統(tǒng)方案綜合評價(jià)的專用軟件，研究表明：以天然氣為初級能源、配以甲醇車載重整制氫方案的綜合評價(jià)值較高。王菊等[6]采用全生命周期GREET(greenhouse gas,regulated emissions,and energy use in transportation)能量分析方法對北京燃料電池公共汽車示范項(xiàng)目進(jìn)行了全生命周期綜合評價(jià)，結(jié)果表明：天然氣集中制氫方案最優(yōu)。

綜上所述，我國新能源汽車領(lǐng)域的LCA起步較晚，近年來雖然有針對氫源基礎(chǔ)設(shè)施的LCA，但質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(proton exchange membrane fuel cell vehicles,PEMFCV,簡稱“燃料電池汽車”)屬于新能源汽車領(lǐng)域的前瞻性產(chǎn)品，目前全面系統(tǒng)地對其進(jìn)行LCA的文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，燃料電池汽車尚未大規(guī)模進(jìn)入市場，在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之前很有必要進(jìn)行量化的全生命周期預(yù)測研究，為提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，把握燃料電池汽車技術(shù)未來的國內(nèi)外發(fā)展趨勢，本文以我國燃料電池技術(shù)2020年發(fā)展目標(biāo)為基礎(chǔ)[7]，結(jié)合美國能源部(DOE)對2020年燃料電池汽車的要求，根據(jù)2020年美國、日本、德國等汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家燃料電池汽車的技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建了從原材料生產(chǎn)到維修階段的LCA模型，評價(jià)結(jié)果可為燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策制定及企業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃提供量化參考依據(jù)。

1 評價(jià)方法

1.1 系統(tǒng)邊界與功能單位

LCA是指對一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中所有輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響進(jìn)行匯編和評價(jià)的過程[8]。目前，LCA方法是量化某產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期各階段中能源與材料消耗、環(huán)境排放及相關(guān)影響的有效工具，借助LCA能夠全面認(rèn)識(shí)某產(chǎn)品的各方面影響，并尋求降低上述負(fù)面影響的方法和措施。

汽車LCA分析需要按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14040進(jìn)行，首先需要明確研究目的、系統(tǒng)邊界和功能單位。本文的研究目的在于探尋2020年我國質(zhì)子交換膜燃料電池汽車生命周期各階段對資源、能源消耗和環(huán)境排放的影響，為企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)或者政府部門決策作參考，因此，研究涵蓋了燃料電池汽車的整個(gè)生命周期階段，包括原材料獲取,零部件的制造、組裝、使用和維修五個(gè)階段。到2020年由于燃料電池汽車尚未進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段，尚未有大量車輛進(jìn)入報(bào)廢回收期，因此，本文暫不考慮報(bào)廢回收過程，在以后的研究中以本文構(gòu)建的模型和預(yù)留接口為基礎(chǔ)，擴(kuò)展系統(tǒng)邊界再加入報(bào)廢回收過程。本文構(gòu)建的質(zhì)子交換膜燃料電池汽車LCA系統(tǒng)邊界見圖1。

功能單位是指經(jīng)過量化的產(chǎn)品功能或績效特征[8]，選擇與其他類似研究相同的功能單位可確保不同LCA研究結(jié)果之間具有相對可比性,因此，本文假設(shè)以2020年技術(shù)下的質(zhì)子交換膜輕型燃料電池汽車在中國道路行駛150 000 km為功能單位[2]。

1.2 評價(jià)對象與數(shù)據(jù)來源

由于本文是針對2020年技術(shù)背景下的燃料電池汽車進(jìn)行預(yù)測評價(jià)，目前尚未有實(shí)際的量產(chǎn)車型,因此，本文在深度研究2020年燃料電池汽車的目標(biāo)與趨勢的基礎(chǔ)上，除動(dòng)力系統(tǒng)外，其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)類比目前比較先進(jìn)的插電式混合動(dòng)力車型普銳斯進(jìn)行二次處理。所選車型的百公里氫氣消耗量參考北京半城市循環(huán)工況數(shù)據(jù)[9]。美國PEMFCV DOE2020年目標(biāo)見表1[10]，中國燃料電池系統(tǒng)2020年目標(biāo)見表2[7]，評價(jià)對象的具體參數(shù)見表3[11-14]。表1中，比值μ表示輸出電能與輸入氫燃料的比值。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池汽車LCA的系統(tǒng)邊界Fig.1 The system boundary of the life cycle assessment of proton exchange membrance fuel cell vehicles

表1 美國PEMFCV DOE2020年目標(biāo)

本文中燃料電池汽車各階段所需的實(shí)景數(shù)據(jù)主要來源于國內(nèi)外的參考文獻(xiàn)[2,9,15]，一小部分來源于企業(yè)調(diào)研，而背景數(shù)據(jù)主要是指上游過程數(shù)據(jù)，主要來源于GaBi7(GaBi ts)數(shù)據(jù)庫2017年的數(shù)據(jù)。

表2 中國燃料電池系統(tǒng)2020年目標(biāo)

表3 燃料電池汽車2020年主要參數(shù)預(yù)測值

1.3 影響評價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法

影響評價(jià)是指在選定的影響指標(biāo)和評價(jià)模型的基礎(chǔ)上，將清單分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為潛在環(huán)境影響的過程，旨在幫助人們理解產(chǎn)品系統(tǒng)對某些重要的環(huán)境(包括資源、能源)特性所造成的影響大小[8]。

本文針對新能源汽車尤其是燃料電池汽車的特點(diǎn)，選取礦產(chǎn)資源消耗量(EADP(e))、化石能源消耗量(FADP(f))、全球變暖潛值(QGWP)、酸化潛值(QAP)、水體富營養(yǎng)化潛值(QEP)、光化學(xué)煙霧潛值(QPOCP)和臭氧層損耗潛值(QODP)七項(xiàng)影響指標(biāo)，用于衡量燃料電池汽車的資源、能源消耗及對環(huán)境的影響，單位分別為kg(Sb-Eq.，即銻當(dāng)量)、MJ、kg(CO2-Eq.，即二氧化碳當(dāng)量)、kg(SO2-Eq.，即二氧化硫當(dāng)量)、kg(Phosphate-Eq.，即磷酸當(dāng)量)、kg(Ethene-Eq.，即乙烯當(dāng)量)、kg(R11-Eq.，即三氯氟甲烷當(dāng)量)，特征化因子來源于荷蘭萊頓大學(xué)開發(fā)的CML模型[8]。

2 模型構(gòu)建

本文運(yùn)用德國斯圖加特大學(xué)開發(fā)的GaBi ts軟件系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建模型，模型構(gòu)建所必須的實(shí)景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)主要來自于文獻(xiàn)和GaBi數(shù)據(jù)庫。本文研究對象質(zhì)子交換膜輕型燃料電池汽車在Argonne國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne national laboratory,ANL)[16]分類方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將整個(gè)燃料電池汽車分為六個(gè)部分，分別為：汽車主體、高壓儲(chǔ)氫罐、電機(jī)及控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換器、燃料電池堆和儲(chǔ)能電池。

2.1 原材料獲取階段

原材料獲取過程是指將礦產(chǎn)資源通過加工轉(zhuǎn)變?yōu)檐囉玫脑牧?，這些車用原材料能夠用來制造汽車的零部件。如上所述，本文將整個(gè)燃料電池汽車分為六個(gè)部分，每個(gè)部分的材料組成數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[2,9,15]，氫氣罐采用目前最先進(jìn)的非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞型(Ⅳ型)70 MPa氫瓶[17]。其電池的材料組成數(shù)據(jù)見表4，其主要部件(不包括電池)的材料組成數(shù)據(jù)見表5。

表4 燃料電池汽車電池的材料組成

表5 燃料電池汽車主要部件(不包括電池)的材料組成

獲取燃料電池汽車的前述六大部分的材料組成清單(BOM表)后，便可在GaBi ts軟件中對其原材料獲取階段進(jìn)行建模。

2.2 零部件制造階段

零部件制造階段是指將獲得的原材料根據(jù)功能需要轉(zhuǎn)變成車用零部件，為汽車裝配做準(zhǔn)備的過程。本文是對燃料電池汽車2020年的生命周期影響進(jìn)行預(yù)測，在沒有量產(chǎn)車型的情況下，除整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)外，其他部分?jǐn)?shù)據(jù)根據(jù)燃料電池汽車與插電式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)差異，類比于目前比較先進(jìn)的插電式混合動(dòng)力汽車豐田普銳斯NWH35的制造過程進(jìn)行數(shù)據(jù)二次處理后得到。零部件制造階段所需要的能源的上游數(shù)據(jù)來源于GaBi ts數(shù)據(jù)庫的2017年數(shù)據(jù)，而燃料電池汽車區(qū)別于插電式混合動(dòng)力汽車普銳斯特有結(jié)構(gòu)的實(shí)景數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[2,3,9]，類比于普銳斯結(jié)構(gòu)的零部件制造階段的實(shí)景數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[18]。由于小部分結(jié)構(gòu)的零部件制造階段的數(shù)據(jù)難以獲得，因此，假設(shè)本文所研究的是2020年燃料電池汽車生命周期影響的最小值。本文所得結(jié)果結(jié)合2020年各種技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)的更新來推算。

獲取零部件制造階段各部分的能耗值后，在GaBi ts軟件中建模。

2.3 整車裝配階段

針對整車裝配階段的數(shù)據(jù)，本文參考加州大學(xué)伯克利分校對汽車裝配工業(yè)的研究，汽車裝配廠的主要能源消耗源自：涂裝、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)&照明、供暖、物料搬運(yùn)、焊接以及車間壓縮空氣等工藝或設(shè)備[18]。裝配廠除加熱工序用煤提供能量外，其他工序全部為電能。各階段的能源需求見表6。

2.4 使用階段

燃料電池汽車裝配完成后即可投入使用，本文假設(shè)汽車行駛采用北京半城市循環(huán)工況，2020年燃料電池汽車每行駛100 km的氫氣平均消耗量為0.85 kg[2]，其計(jì)算公式如下：

表6 整車裝配階段的電能、熱能消耗[17-18]

式中，EFCV為燃料電池汽車使用階段總的氫氣消耗量；furban為城市路況汽車百公里氫氣消耗量；fhighway為高速路況汽車百公里氫氣消耗量；L為燃料電池汽車生命周期總行駛里程。

本文的氫氣生產(chǎn)過程來自于GaBi ts數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中氫氣的生產(chǎn)采用的是多種技術(shù)混合的方式，包括甲醇水蒸氣重整、水電解和蒸汽裂解乙烯等。

2.5 維修階段

在汽車整個(gè)使用壽命期內(nèi)，零部件需要更換，本文僅考慮所更換的零部件的制造過程對環(huán)境的影響，且由于空氣濾清器、剎車片等質(zhì)量較小，對環(huán)境影響較小，本文假設(shè)不予更換，使結(jié)果更接近于2020年燃料電池汽車生命周期影響的最小值。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，汽車每行駛62 500 km需要更換一次輪胎，故燃料電池汽車在整個(gè)使用壽命期內(nèi)需要更換兩次輪胎。假設(shè)燃料電池在使用150 000 km后退化不超過15%[19]，則無需更換。其他零部件的更換，包括少量的潤滑液體的更換對環(huán)境影響很小，本文都假設(shè)不予考慮。

3 影響評價(jià)與結(jié)果解釋

3.1 生命周期能耗、排放及其特征化結(jié)果

對于能耗，本文主要考慮不可再生能源(原煤、原油、天然氣)的消耗，而排放則考慮主要排放物，能耗和排放表見表7。由表7可知，2020年燃料電池汽車天然氣的消耗最多，主要是由于制氫過程消耗了大量天然氣，而排放的CO2遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他排放物，導(dǎo)致QGWP在各個(gè)階段占比均較高，這主要是由于制氫過程采用混合技術(shù)，消耗了大量電能，而我國又是以煤電為主，因此，產(chǎn)生了大量CO2，其次，原材料獲取階段由于鉑等貴金屬的開采消耗了大量化石能源，也產(chǎn)生了大量CO2。

表7 生命周期各階段能耗和排放表

本文對燃料電池汽車2020年的生命周期評價(jià)預(yù)測運(yùn)用GaBi ts軟件計(jì)算建模，并引用國際上普遍采用的CML2001的影響評價(jià)方法，對礦產(chǎn)資源消耗量(EADP(e))、化石能源消耗量(FADP(f))、全球變暖潛值(QGWP)、酸化潛值(QAP)、水體富營養(yǎng)化潛值(QEP)、光化學(xué)煙霧潛值(QPOCP)和臭氧層損耗潛值(QODP)七項(xiàng)影響指標(biāo)進(jìn)行分析，特征化結(jié)果見表8。

3.2 礦產(chǎn)資源消耗

利用GaBi軟件對所建2020年燃料電池汽車的生命周期模型進(jìn)行平衡表計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得各階段的礦產(chǎn)資源消耗見圖2。

表8 2020年燃料電池汽車全生命周期環(huán)境影響特征化結(jié)果

注：Ⅰ-原材料獲取階段；Ⅱ-零部件制造階段；Ⅲ-裝配階段；Ⅳ-使用階段；Ⅴ-維修階段;Ⅵ-全生命周期。

圖2 礦產(chǎn)資源消耗Fig.2 The consumption of mineral resources

由圖2可知，原材料獲取階段是礦產(chǎn)資源消耗最多的階段。主要是因?yàn)樵谶@一階段各種車用原材料的獲取需要大量的礦產(chǎn)資源作為物質(zhì)前提，比如汽車零部件制造所用的原材料需要消耗鐵、鋁、銅等金屬礦產(chǎn)資源，燃料電池的生產(chǎn)過程中需要用到鉑等貴金屬礦產(chǎn)資源，鋰電池原材料獲取消耗了大量的鋰礦、巖石等礦產(chǎn)資源等。其中鐵礦石消耗最多，占76.6%，鋁礦石、銅礦石次之，分別占11.5%、 4.3%，其他占比較小的便是鉑、鋰等礦產(chǎn)資源。鉑礦資源占比雖不到1%，但由于其稀缺性，影響巨大。

主要是指基于事物的背景構(gòu)建的度量單位，這樣的度量單位始終含有表達(dá)事物背景指標(biāo)的稱謂，例如，刻畫事物的重量、長度、能量、體積、溫度、速度，等等．這樣的度量單位不是抽象的結(jié)果，而是借助工具制定的．這里用長度單位的演變過程來分析這類度量單位的本質(zhì)．

3.3 化石能源消耗

在GaBi軟件中對所建模型的化石能源消耗進(jìn)行平衡表計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 化石能源消耗Fig.3 The consumption of fossil energy

由圖3可知，燃料電池汽車的化石能源(原煤、原油、天然氣)消耗主要發(fā)生在使用階段，這是因?yàn)槠囋谡麄€(gè)使用階段(150 000 km)消耗了大量氫氣，而氫氣的制造本文假設(shè)選取當(dāng)前廣泛應(yīng)用的混合制氫技術(shù)，消耗了大量的電力和天然氣，而我國的電力結(jié)構(gòu)又以火電為主，原油、原煤、天然氣的消耗占比分別為：0.2%、0.4%、99.3%。由此可知，首先應(yīng)該尋求高效節(jié)能的制氫技術(shù)，減少制氫過程中的化石能源消耗，特別是天然氣消耗；其次，提高燃料電池內(nèi)部的氫氣與氧氣的化學(xué)反應(yīng)效率，并配合運(yùn)用輕量化技術(shù)，比如，尋求更優(yōu)材料減小氫氣罐和燃料電池等質(zhì)量比較大的部件的質(zhì)量，減少氫氣的消耗。除此之外，改善我國電力結(jié)構(gòu)，降低煤電比例，多使用清潔能源發(fā)電仍然不可忽視。

3.4 環(huán)境排放影響

為更好地解釋各種環(huán)境影響類型的相對重要性，運(yùn)用CML2001方法對前述五種環(huán)境影響類型做歸一化和量化處理。歸一化基準(zhǔn)值來源于GaBi數(shù)據(jù)庫，權(quán)重來源于文獻(xiàn)[20]。歸一化基準(zhǔn)值和權(quán)重系數(shù)見表9。五種環(huán)境影響類型的歸一化和量化結(jié)果見表10。

表9 歸一化基準(zhǔn)值與權(quán)重系數(shù)

表10 五種環(huán)境影響類型的歸一化和量化結(jié)果

由表10可知，燃料電池汽車的五個(gè)階段五種環(huán)境影響類型影響值由大到小的順序依次為：全球變暖潛值(占比66.2%)、酸化潛值(占比19.4%)、光化學(xué)煙霧潛值(占比13.5%)、水體富營養(yǎng)化潛值(占比0.7%)、臭氧層損耗潛值(占比0.2%)；2020年燃料電池汽車的環(huán)境影響主要集中在原材料獲取階段，其次是使用階段。其中使用階段的潛值QGWP最高，主要是因?yàn)橹茪浼夹g(shù)不成熟，導(dǎo)致產(chǎn)生了大量的CO2，原材料獲取階段酸化潛值最高，主要是因?yàn)橄∮薪饘巽K和鋼、鋁等的原材料獲取過程消耗了大量的化石能源以及電能，由此產(chǎn)生了大量的酸化氣體SO2和氮氧化合物NOx。

4 結(jié)論

(1)2020年質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的原材料獲取階段消耗的資源最多，主要是因?yàn)殂K等貴金屬礦產(chǎn)資源的消耗,因此，加快研發(fā)燃料電池汽車關(guān)鍵材料特別是鉑的高效回收策略將會(huì)是行之有效的方法。

(2)2020年質(zhì)子交換膜燃料電池汽車在使用階段的化石能源消耗最多，而其中天然氣消耗的占比最大。這與工業(yè)制氫主要使用天然氣及我國電網(wǎng)的“不清潔”密不可分，改進(jìn)制氫技術(shù)，使制氫技術(shù)由化石能源主導(dǎo)變?yōu)榭稍偕鍧嵞茉粗鲗?dǎo)是降低燃料電池汽車對資源環(huán)境影響的重要途徑。

(3)2020年燃料電池汽車的QGWP排放占比各階段均較高，使用階段最高。其中主要是CO2的排放，鉑的生產(chǎn)過程產(chǎn)生了大量的CO2，降低催化劑中鉑的含量(鉑載量)是提高其綠色度的關(guān)鍵，此外，氫氣壓縮消耗了大量的電能，降低煤電比例也是降低其對資源環(huán)境影響的重要舉措。