燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià).docx

燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境 、經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià)馮文 ,王淑娟 ,倪維斗 ,陳昌和 ,鄭顯玉( 清華大學(xué)熱能工程系 ,北京 100084)摘 要 :為了推動(dòng)氫能系統(tǒng)評(píng)價(jià)工作的深入進(jìn)行并為我國在近期發(fā)展燃料電池汽車氫能系統(tǒng) (包括燃料電池汽車及其氫源) 提供有價(jià)值的參考 ,根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn) 、儲(chǔ)存和輸運(yùn)氫的技術(shù) ,設(shè)計(jì)了 11 種可行方案 ,運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)這些方 案的環(huán)境性 、經(jīng)濟(jì)性和能源利用情況進(jìn)行了評(píng)價(jià) ,得到了每種方案的分類環(huán)境效應(yīng)指數(shù) 、氫氣總成本和總能量利用效率 。 結(jié)果表明 ,綜合指標(biāo)最優(yōu)的燃料電池汽車氫能系統(tǒng)方案是 :天然氣集中制氫廠制氫 ,然后用汽車將裝有氫氣的高壓鋼瓶 輸運(yùn)到加氫站 ,加注給以氫氣為燃料的燃料電池汽車 。關(guān)鍵詞 :燃料電池汽車 ;氫能 ;環(huán)境 ;經(jīng)濟(jì) ;能源 ;評(píng)價(jià)中圖分類號(hào) : T K91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A本文的研究意義有二 :一方面 ,本文為氫能系統(tǒng)評(píng)價(jià)作出了標(biāo)準(zhǔn)的范例 ,有助于推動(dòng)氫能系統(tǒng)評(píng)價(jià) 工作在我國的深入進(jìn)行 ,并促進(jìn)氫能系統(tǒng)在我國的 規(guī)模發(fā)展和我國能源系統(tǒng)的優(yōu)化 ;另一方面 ,燃料電 池汽車能源轉(zhuǎn)換效率高 、環(huán)保性好1 , 是未來汽車的主要發(fā)展方向之一 ,本文確定了燃料電池汽車氫 能系統(tǒng)的最優(yōu)方案 ,為我國制定燃料電池汽車氫能 系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃提供了有價(jià)值的參考 。引言0化石燃料的大規(guī)模使用具有潛在的嚴(yán)重后果 ,我們應(yīng)該尋找一種新的 、清潔的 、可持續(xù)的以及本地 化的能源系統(tǒng) 。在這種背景下 ,以氫作為中間媒介的能源系統(tǒng) 氫能系統(tǒng)逐漸引起人們的關(guān)注 。氫 能系統(tǒng)在其被人類社會(huì)認(rèn)識(shí)和接納的過程中 ,除了 要接受技術(shù)上的檢驗(yàn)之外 ,還需要接受環(huán)境 、經(jīng)濟(jì) 、能源等方面的評(píng)價(jià) 。自 20 世紀(jì) 70 年代起 ,一些國 家和國際機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始針對(duì)氫能應(yīng)用加以系統(tǒng)評(píng)價(jià) ,而在我國針對(duì)氫能的軟課題研究 ,即氫能系統(tǒng)評(píng) 價(jià)才剛剛開始 ,本文的研究就是其中之一 。本文的評(píng)價(jià)對(duì)象是一種具體的氫能系統(tǒng) 燃料電池汽車氫能系統(tǒng) 。該氫能系統(tǒng)由燃料電池汽車 及其氫源基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成 :燃料電池汽車以氫為燃料 , 是氫的終端利用系統(tǒng) ;氫源基礎(chǔ)設(shè)施是氫的生產(chǎn) 、輸 運(yùn)和加注系統(tǒng) 。本文首先根據(jù)生產(chǎn) 、儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫 的不同方法 ,設(shè)計(jì)出多種可行的燃料電池汽車氫能 系統(tǒng)方案 ,然后對(duì)這些方案的環(huán)境性 、經(jīng)濟(jì)性和能源 利用情況進(jìn)行全面的評(píng)價(jià) ,并選出最優(yōu)方案 。本文的評(píng)價(jià)方法是生命周期評(píng)價(jià)。生命周期評(píng)價(jià) 源于環(huán)境管理領(lǐng)域 ,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種“從搖籃到墳?zāi)埂钡?、全面評(píng)價(jià)活動(dòng)、產(chǎn)品或過程的環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性和能源利用情況的有力工具。它包括四個(gè)步驟 :目標(biāo) 定義和范圍界定 ,清單分析 ,影響評(píng)價(jià)和改善評(píng)價(jià)。1 方案設(shè)計(jì) 、初始條件和數(shù)據(jù)來源1 . 1方案設(shè)計(jì)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)按照氫的流動(dòng)順序在空 間上可以分為四個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng) ,從上游到下游依 次是 :制氫子系統(tǒng) 、輸運(yùn)子系統(tǒng) 、加注站子系統(tǒng)和終 端利用子系統(tǒng) 。各子系統(tǒng)可以采用不同的技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn) ,將各子系統(tǒng)的不同技術(shù)路線組合起來 ,即得 到氫能系統(tǒng)的不同方案 。根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)、輸運(yùn)和儲(chǔ)存氫氣的技術(shù)路線2 - 9,并考慮到各子系統(tǒng)可供選擇的設(shè)備10 和設(shè)備間的配套與銜接 ,本文共設(shè)計(jì)了 11 種方案 ,見表 1 。說明 :考慮到工業(yè)上峰 、谷電價(jià)不同 ,本文把水 電解現(xiàn)場(chǎng)制氫的技術(shù)路線分為全天和調(diào)峰兩種模 式 ,即氫能系統(tǒng)方案 9 和 10 :全天模式每天工作 24 h(峰電) ,用電價(jià)格高 ,但生產(chǎn)一定量的氫需要的設(shè)備 少 ;調(diào)峰模式每天工作8 h ( 谷電) ,用電價(jià)格低 ,但生收稿日期 :2002208203基 金 項(xiàng) 目 : 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 ( 863 計(jì)劃) 資助項(xiàng)目( 2001AA501986)3 期馮 文等 :燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境 、經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià)395表 1 燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的 11 種方案Table 1 The 11 plans of t he hydrogen energy system about f uel cell vehicles方案編號(hào)制氫子系統(tǒng)輸運(yùn)子系統(tǒng)加注站子系統(tǒng)終端利用子系統(tǒng)集中制氫廠 :天然氣蒸汽重整集中制氫廠 :天然氣蒸汽重整 集中制氫廠 :天然氣蒸汽重整 集中制氫廠 :天然氣蒸汽重整 集中制氫廠 :煤氣化 集中制氫廠 :煤氣化 集中制氫廠 :煤氣化 集中制氫廠 :煤氣化加注站現(xiàn)場(chǎng)制氫 :水電解全天模式 加注站現(xiàn)場(chǎng)制氫 :水電解調(diào)峰模式 車載制氫 :甲醇制造廠汽車輸運(yùn) :氫氣鋼瓶管道輸運(yùn) :氫氣 汽車輸運(yùn) :液氫儲(chǔ)槽 汽車輸運(yùn) :氫化物 Mg2 Ni 汽車輸運(yùn) :氫氣鋼瓶 管道輸運(yùn) :氫氣汽車輸運(yùn) :液氫儲(chǔ)槽 汽車輸運(yùn) :氫化物 Mg2 Ni 無無 汽車輸運(yùn) :甲醇?xì)錃怃撈績?chǔ)存氫氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存 液氫儲(chǔ)槽儲(chǔ)存 氫化物儲(chǔ)存 氫氣鋼瓶儲(chǔ)存 氫氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存 液氫儲(chǔ)槽儲(chǔ)存 氫化物儲(chǔ)存 氫氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存 氫氣儲(chǔ)罐儲(chǔ)存 甲醇儲(chǔ)槽儲(chǔ)存燃料電池汽車 :氣氫燃料電池汽車 :氣氫 燃料電池汽車 :液氫 燃料電池汽車 :氫化物 燃料電池汽車 :氣氫 燃料電池汽車 :氣氫 燃料電池汽車 :液氫 燃料電池汽車 :氫化物 燃料電池汽車 :氣氫 燃料電池汽車 :氣氫 燃料電池汽車 :甲醇1234567891011產(chǎn)一定量的氫需要的設(shè)備多 。孰優(yōu)孰劣 ,本文在后面加以比較 。1 . 2 初始條件氫能系統(tǒng)方案的評(píng)價(jià)結(jié)果與其實(shí)施時(shí)間和地點(diǎn) 密切相關(guān) ,應(yīng)首先確定設(shè)計(jì)方案的實(shí)施時(shí)間和地點(diǎn) , 這是評(píng)價(jià)的初始條件 ?？紤]到 2008 年奧運(yùn)會(huì)將在北京召開 ,參考我國的燃料電池汽車商業(yè)化計(jì)劃11 ,選定我國燃料電池 汽車首先商業(yè)化的地點(diǎn)在北京 ,時(shí)間是 2008 年 。本 文將在這一初始條件下 ,以氫能系統(tǒng)向燃料電池汽 車提供 1 kg H2 為功能單位 ,比較各種方案 20a (燃料電池汽車的使用壽命12 ) 內(nèi)從含氫原材料開采到氫 輸送至燃料電池的全過程的環(huán)境性 、經(jīng)濟(jì)性和能源利用情況 。1 . 3 數(shù)據(jù)來源要對(duì)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的環(huán)境 性、經(jīng)濟(jì)性和能源利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià) ,必須獲得各種 方案從含氫原材料開采到氫輸送至燃料電池的全過 程中各種設(shè)備和工藝的物耗 、能耗 、成本 、污染物排 放系數(shù)等數(shù)據(jù) 。如何獲得準(zhǔn)確可靠而又符合我國國 情的以上數(shù)據(jù) ,是氫能系統(tǒng)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn) 。本文在收集數(shù)據(jù)時(shí)以國內(nèi)各工業(yè)行業(yè)的數(shù)據(jù)為主 、國 外的數(shù)據(jù)為輔 ,在數(shù)據(jù)的近似和取舍上兼顧數(shù)據(jù)獲得的難易程度和數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果影響的大小程度 。系統(tǒng)的規(guī)模均由對(duì)應(yīng)的下游子系統(tǒng)決定 ,所以 ,收集數(shù)據(jù)應(yīng)按照從下游子系統(tǒng)到上游子系統(tǒng)的順序 ,即 : 終端利用子系統(tǒng) 加注站子系統(tǒng) 輸運(yùn)子系統(tǒng) 制 氫子系統(tǒng) 。下面對(duì)各種方案的基本數(shù)據(jù)加以說明 。2 . 1 終端利用子系統(tǒng)目前 , 燃料電池汽車的成本較高 ( 約 40 萬美元1) ,相對(duì)于小汽車來說 ,公共汽車在成本上所受的限制不很突出 ;而且 ,作為燃料的氫氣可以集中地進(jìn)行補(bǔ)給 ,這一點(diǎn)非常適合公共汽車車隊(duì)的運(yùn)營特 性 ,所以 ,在可以預(yù)見的將來 ( 2008 年左右) ,中國的 汽車市場(chǎng)上能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的只可能是燃料電池公共汽車 ( FCB ) 。因此 , 本文選擇 2008 年北京的 FCB車隊(duì)作為氫能系統(tǒng)的終端利用子系統(tǒng) 。在 20002030 年間 ,中國的城市公共汽車的年 平均增長速度預(yù)計(jì)為 5 %11 , 而北京市 1999 年的 公共汽車總量為 8850 輛13 ,則 2008 年北京市的公 共汽車總量是 13730 輛 ,共計(jì)增加新車 4880 輛 。假 設(shè)在這些新車中有 10 %是 FCB 2 , 則 2008 年北京 的 FCB 車隊(duì)的 FCB 數(shù)量是 488 輛 ,以 500 輛計(jì) 。氫的輸運(yùn)和儲(chǔ)存方式不同 , FCB 車型也不同 ,其燃料有氫氣 、液氫和氫化物三種 。另外 ,對(duì)于車載 制氫方案 , FCB 的燃料是甲醇 , 并需附加車載甲醇重整器 。本文在 FCB 選型時(shí)以氫氣作燃料的車型12為基準(zhǔn) ,其它幾種燃料方式對(duì)應(yīng)的車型在該基準(zhǔn)上進(jìn)行改動(dòng) 。2 . 2加注站子系統(tǒng)在終端利用子系統(tǒng)中 ,一輛 FCB 一天消耗氫氣120N m3 12 ,而一輛 FCB 的儲(chǔ)氫量是 496N m3 12 ,所基本數(shù)據(jù)明確數(shù)據(jù)來源后 ,對(duì)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各 種方案的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集 。設(shè)計(jì)方案時(shí) ,上游子2 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 太陽能學(xué)報(bào)24 卷396以 ,一輛 FCB 大約每四天加一次氫 ,又 FCB 車隊(duì)的數(shù)量是 500 輛 ,則每天平均有 125 輛 FCB 需要加氫(方案 11 將氫氣量折算為甲醇量) 。北京市區(qū)共有 8 個(gè)區(qū) , 市中心 ( 3 環(huán)以內(nèi)) 有 4個(gè)區(qū) 。根 據(jù) 北 京 市 L P G 和 CN G 加 氣 站 的 情 況(1999 年數(shù)據(jù)13 : L P G 站 3 個(gè) , CN G 站 1 個(gè) , 對(duì)應(yīng) L P G 車 1600 輛 ,CN G 車 300 輛) ,假設(shè) 2008 年北京 共建成加注站 4 個(gè) ( 三環(huán)和四環(huán)上各兩個(gè)) ,則每個(gè) 加注站平均每天有 31 . 25 輛 FCB 加氫 ,而每輛 FCB 的加氫量是 120 4 = 480Nm3 ,則每個(gè)加注站平均每 天耗氫 15000Nm3 ?？紤]到汽車加氫情況存在的不確 定性 ,假設(shè)加注站氫氣的周轉(zhuǎn)周期是 4 天 ,則加注站 儲(chǔ)氫設(shè)備的容量是 60000Nm3 (儲(chǔ)氫容器氫氣泄漏量 歸入上游環(huán)節(jié) ,方案 11 將氫氣量折算為甲醇量) 。氫的輸運(yùn)方式不同 ,氫在加注站的儲(chǔ)存方式也 不同 (方案 11 為甲醇) 。2 . 3 輸運(yùn)子系統(tǒng)根據(jù)加注站子系統(tǒng)的容量和儲(chǔ)氫容器氫氣泄漏 量 ,可以確定輸運(yùn)子系統(tǒng)的運(yùn)量 ( 方案 11 為甲醇) 。 假設(shè)集中制氫廠建設(shè)在北京近郊 ,距四個(gè)加氫站的距離都是 50 km ; 又因?yàn)榧幼⒄窘ㄔO(shè)在三環(huán)和四環(huán) 上 ,所以 ,輸運(yùn)方案不涉及鐵路 、水路和空中運(yùn)輸 ,只 涉及公路運(yùn)輸或管道運(yùn)輸 ( 方案 9 和 10 現(xiàn)場(chǎng)制氫 ,制氫設(shè)備在加注站 ,無輸運(yùn)子系統(tǒng)) 。2 . 4制氫子系統(tǒng)根據(jù)輸運(yùn)子系統(tǒng)的運(yùn)量和儲(chǔ)氫容器氫氣泄漏 量 ,可以確定制氫子系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模 ( 方案 11 為甲 醇) 。每種方案的制氫 ( 甲醇) 流程均采用國內(nèi)或國際的成熟工藝 。3 環(huán)境評(píng)價(jià)3 . 1污染物總排放要評(píng)價(jià)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案對(duì)環(huán)境 的影響 ,首先應(yīng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)加以整理 、計(jì)算 ,得到各種方案的污染物總排放 。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)物耗 、能耗 、回收過程 、生產(chǎn)過 程的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的污染物排放系數(shù)14 ,可以求得其 物耗 、能耗 、回收過程 、生產(chǎn)過程對(duì)應(yīng)的污染物排放 , 即每個(gè)子系統(tǒng)的污染物總排放 。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的 污染物總排放 ,可以求得每種方案的污染物總排放 。11 種方案的污染物總排放見表 2 。3 . 2環(huán)境評(píng)價(jià)根據(jù)各種方案的污染物總排放 ,運(yùn)用荷蘭環(huán)境科學(xué)中心的“干預(yù) 效應(yīng)”方法15進(jìn)行評(píng)價(jià) 。對(duì)其環(huán)境影響表 2Table 211 種方案的污染物總排放( kg/ kg H2 )The total pollutio n emissio n of t he 11 plans方案編號(hào)1234567891011SO2CO2NO x CO CH4粉塵0 . 06216 . 6590 . 0590 . 0220 . 0720 . 224101147830 . 05315 . 7610 . 0480 . 0200 . 0720 .. 16026 . 5730 . 1030 . 0190 . 0740 . 6232950139940 . 18228 . 2220 . 1140 . 0230 . 0720 . 7063350158800 . 13037 . 6640 . 0840 . 0160 . 0000 . 4532124100710 . 13237 . 8070 . 0790 . 0140 . 0000 . 4612144101630 . 23248 . 2430 . 1300 . 0130 . 0000 . 8654122195620 . 25249 . 2570 . 1400 . 0170 . 0000 . 9414488212850 . 61659 . 5320 . 3160 . 0200 . 0002 . 47511882563400 . 61659 . 5370 . 3160 . 0200 . 0002 . 47511883563430 . 08321 . 2440 . 0740 . 0210 . 1100 . 27512776011廢氣廢水廢渣荷蘭環(huán)境科學(xué)中心 ( CML ) 的“干預(yù) 效應(yīng)”理論體系精確 、客觀 ,將各種污染物排放對(duì)環(huán)境的影 響分類為 3 類 18 種環(huán)境效應(yīng) ,并確立了其中 14 種 效應(yīng)的計(jì)算方法 ,給出了上百種污染物排放的分類 系數(shù) ,建立了科學(xué) 、完備的數(shù)據(jù)庫 。應(yīng)用“干預(yù) 效應(yīng)”理論 , 依據(jù) CML 數(shù)據(jù)庫里的分類系數(shù) , 本文 可以根據(jù)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的污染物總排放 ,定量地得到每種方案的環(huán)境影響指標(biāo) 。具體操作步驟分為三步 : 分類 、標(biāo)準(zhǔn)化 、賦權(quán)匯 總 。其中 ,賦權(quán)是一個(gè)正在發(fā)展的研究領(lǐng)域 ,沒有相 應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)和通用的方法 ,本文僅列出各種方案 的分類環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的一維矩陣 ,沒有將其匯總為一個(gè)總指標(biāo) 。對(duì)這一多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的賦權(quán) 工作可以留給環(huán)境決策者 、管理者在面對(duì)某一具體 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 期馮 文等 :燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境 、經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià)397問題時(shí)權(quán)變地完成 。經(jīng)過分類 、標(biāo)準(zhǔn)化 ,得到每種方案 1 kg H2 對(duì)應(yīng) 的分類環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo) ,見圖 1 。耗 ,而這些能耗將帶來大量的污染物排放 。3 . 3改進(jìn)方向各種污染物的排放主要來自于輸運(yùn)子系統(tǒng)和 制氫子系統(tǒng) ,所以 ,要減少各種污染物的排放 ,輸運(yùn) 子系統(tǒng)和制氫子系統(tǒng)是改進(jìn)的主要方向 。溫室效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)來自 CO2 ,人類毒性和 酸化的主要貢獻(xiàn)來自 SO2 ,富營養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)來 自 NO x ,所以 , CO2 、SO2 、NO x 是需要首先治理的氣 態(tài)污染物 。對(duì)大部分方案來說 ,最嚴(yán)重的環(huán)境影響是酸化 ,其次是溫室效應(yīng)和人類毒性 ,再次是富營養(yǎng)化 。 結(jié)合上面的結(jié)論 , SO2 的治理是當(dāng)務(wù)之急 , 其次是 CO2 。因?yàn)?SO2 主要來自發(fā)電過程 , 而我國生產(chǎn)的電能中火電占大部分 ,所以對(duì)火電廠進(jìn)行脫硫是非 常必要的 。圖 1 各方案 1 kg H2 對(duì)應(yīng)分類環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)Fig. 1 The standard indexes of category enviro nmental effect s of 1 kg H2 in each plan從圖 1 可以得出如下結(jié)論 :方案 2 (天然氣蒸汽重整制氫 + 管道輸運(yùn)) 的 溫室效應(yīng) 、人類毒性 、酸化和富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)均 最小 ,是環(huán)境性最好的氫能系統(tǒng)方案 (與賦權(quán)無關(guān)) 。方案 9 和方案 10 ( 水電解現(xiàn)場(chǎng)制氫) 的各項(xiàng) 環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)均最大 ,對(duì)環(huán)境的影響最大 ,是 環(huán)境性最差的氫能系統(tǒng)方案 。這兩種方案采取的是水電解現(xiàn)場(chǎng)制氫的方法 ,而水電解制氫是傳統(tǒng)上認(rèn)為環(huán)境性最好的方法 ; 本文之所以得出與傳統(tǒng)觀點(diǎn) 相反的結(jié)論 ,是因?yàn)閭鹘y(tǒng)觀點(diǎn)只考慮了水電解過程本身 ,而本文考慮了從電解水所需電能的生產(chǎn)到氫 輸送至燃料電池汽車的全過程 。雖然水電解過程本身的污染幾乎為零 ,但是從一次能源 ( 如煤等) 生產(chǎn) 電解水所需電能的過程往往效率低下 ( 我國燃煤火電的平均能量轉(zhuǎn)換效率為 30 %16 ) ,對(duì)應(yīng)的污染物 排放量很大 ,所以 ,從更全面的角度考慮 ,水電解的環(huán)境性并不好 ,它只是將大量的污染從水電解制氫過程轉(zhuǎn)嫁到了電能的生產(chǎn)過程 。從制氫子系統(tǒng)的角度來評(píng)價(jià)氫的四種制取方 法 ,其環(huán)境性從好到差依次是 : 天然氣蒸汽重整 、甲 醇車載重整 、煤氣化 、水電解 。從輸運(yùn)子系統(tǒng)和加注站子系統(tǒng)的角度來評(píng)價(jià) 氫的四種儲(chǔ)運(yùn)方法 ,其環(huán)境性從好到差依次是 :管道 輸運(yùn) ( 氫氣) 、鋼瓶輸運(yùn) ( 氫氣) 、液氫儲(chǔ)槽輸運(yùn) ( 液 氫) 、氫化物輸運(yùn) (氫化物) 。液氫儲(chǔ)槽輸運(yùn)和氫化物 輸運(yùn)的環(huán)境性較差 ,是因?yàn)榕c之相關(guān)的氫氣液化和 氣化過程 、氫化物放氫和活化過程對(duì)應(yīng)著大量的能4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)4 . 1 氫氣總成本要評(píng)價(jià)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的經(jīng)濟(jì) 性 ,首先應(yīng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)加以整理 、計(jì)算 ,得到各種 方案的總成本 。因?yàn)楦鞣N方案終端利用子系統(tǒng)的成 本相同 (與基準(zhǔn) FCB 車型的不同之處歸入其它子系統(tǒng)) ,所以 ,本文只考慮其它三個(gè)子系統(tǒng) (氫源基礎(chǔ)設(shè) 施) 的總成本 ,即氫氣總成本 (方案 11 將甲醇折算為 氫氣) 。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的原料 、設(shè)備 、基建 、耗能 、人員工資 、折舊年限 ( 20 年12 ) 等數(shù)據(jù) ,可以求得其原料 成本 、資本成本和運(yùn)行維護(hù)成本 ,即每個(gè)子系統(tǒng)的氫 氣總成本 。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)的氫氣總成本 ,可以求 得每種方案的氫氣總成本 。11 種方案的總成本見 表 4 ,計(jì)算中用到的經(jīng)濟(jì)性假設(shè)見表 3 。表 3 經(jīng)濟(jì)性假設(shè)Table 3 eco no mic assump tio ns電價(jià) (正常) / kWh - 1電價(jià) (谷電) / kWh - 10 . 60 . 32 . 96001 . 42702 . 826003551500t - 1水價(jià)/ 硫酸價(jià)格/ t- 1天然氣價(jià)格/ Nm3煤炭價(jià)格/ 柴油價(jià)格/ 鋼材價(jià)格/ 水泥價(jià)格/ t - 1L - 1t - 1t - 1人員工資/ 元每月 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.太陽能學(xué)報(bào)24 卷398表 4 11 種方案的氫氣總成本 / kg H2Table 4The total cost s of t he 11 plans 方案編號(hào)1234567891011原料成本資本成本 運(yùn)行維護(hù)成本 總成本6 . 456 . 432 . 3015 . 186 . 4515 . 831 . 2723 . 566 . 604 . 207 . 7618 . 566 . 419 . 328 . 4924 . 222 . 5712 . 125 . 1619 . 842 . 5721 . 524 . 7528 . 842 . 6310 . 0210 . 7823 . 432 . 5514 . 9711 . 4228 . 9534 . 675 . 941 . 0441 . 6617 . 886 . 360 . 8225 . 079 . 852 . 282 . 5514 . 684 . 2經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)圖 2 反映了每種方案的氫氣總成本成本中三個(gè) 子系統(tǒng)的氫氣成本所占的比重 。方案 9 和方案 10 (水電解現(xiàn)場(chǎng)制氫) 相比 ,其環(huán)境性相差很小 ,但氫氣總成本相差很大 。綜合考 慮 ,就水電解現(xiàn)場(chǎng)制氫而言 , 調(diào)峰模式優(yōu)于全天模 式 。這是因?yàn)樗娊猬F(xiàn)場(chǎng)制氫方案總成本中原料成本(主要是電解耗電) 占很大比重 ,調(diào)峰模式在原料 成本 (電解耗電) 上帶來的收益遠(yuǎn)大于其所用設(shè)備較 多對(duì)資本成本和環(huán)境性的不利影響 。4 . 3 改進(jìn)方向從以上結(jié)論可知 ,氫氣總成本中絕大部分是生 產(chǎn)和輸運(yùn)氫氣的成本 ; 所以 ,要降低氫氣總成本 ,制氫子系統(tǒng)和輸運(yùn)子系統(tǒng)是改進(jìn)的主要方向 。圖 2 每種方案氫氣總成本的構(gòu)成 (按子系統(tǒng))Fig. 2 The co nstit utio n of total cost s in each plan ( divided into subsystems)5 能源評(píng)價(jià)5 . 1總能耗要評(píng)價(jià)燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的能源 利用情況 ,首先應(yīng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)加以整理 、計(jì)算 ,得到各種方案的總能耗 。根據(jù)每個(gè)子系統(tǒng)物耗 、回收過程 、生產(chǎn)過程 、末 端過程 (氫氣的壓縮 、液化等) 的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的能耗 系數(shù) ,可以求得其物耗 、回收過程 、生產(chǎn)過程 、末端過 程對(duì)應(yīng)的能耗 ,即每個(gè)子系統(tǒng)的總能耗 。根據(jù)每個(gè) 子系統(tǒng)的總能耗 ,可以求得每種方案的總能耗 。11 種方案的總能耗見表 5 。5 . 2能源評(píng)價(jià)通常 ,用總能量利用效率 (0 ) 來衡量一種方案 的能源利用情況 ?？偰芰坷眯?(0 ) 定義如下 :0 = 1 kg 氫氣輸入 FCB 得到的有效能量 W e/1 kg 氫氣對(duì)應(yīng)的能耗因?yàn)楸疚乃x擇的 P EM FCB 的能量效率為 37從表 4 和圖 2 可以得出如下結(jié)論 :第 14 種方案 ( 甲醇車載重整) 的氫氣總成本 最低 ,其中原料成本占很大比重 ; 第 9 種方案 ( 水電 解現(xiàn)場(chǎng)制氫全天模式) 的氫氣總成本最高 ,其中原料 成本 (主要是電解耗電) 占很大比重 。從不同的制氫技術(shù) ( 制氫子系統(tǒng)) 來看 ,天然 氣蒸汽重整制氫的成本最低 ,在有末端耗能的情況下 ,為 11 . 07 / k g H2 ;而水電解制氫的成本最高 ,為38 . 44 / k g H2 。從不同的輸運(yùn)技術(shù) ( 輸運(yùn)子系統(tǒng)) 來看 ,甲醇(車載制氫) 輸運(yùn)的成本最低 ,為 0 . 06 / k g H2 。其 次是液氫輸運(yùn) ,為 0 . 08 元/ kg H2 。這是因?yàn)橐簯B(tài)輸 運(yùn)的能量密度高 。管道輸運(yùn)的成本最高 , 為 10 . 60 元/ kg H2 ,這是因?yàn)楣艿冷佋O(shè)的成本較高 ( 每公里 80萬美元7 ) 。但液氫輸運(yùn)前需將氫氣液化 , 而液化 成本歸入到了相應(yīng)的制氫子系統(tǒng)中 ,因此綜合考慮 , 液氫輸運(yùn)并不經(jīng)濟(jì) 。另外 ,單從輸運(yùn)子系統(tǒng)來看 ,氫 化物的輸運(yùn)成本也比較低 , 只有 0 . 19 元/ kg H2 , 但 氫化物存在放氫耗能和活化耗能 ,綜合考慮 ,這種輸 運(yùn)方式也是不經(jīng)濟(jì)的 。44 % , 取 40 % , 則 1 kg 氫氣 ( L HV : 120MJ / kg5輸入 FCB 得到的有效能量為W e = 120 40 % = 48MJ結(jié)合表 5 ,可求得每種方案的總能量利用效率 ,見圖 3 。) 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 期馮 文等 :燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境 、經(jīng)濟(jì)和能源評(píng)價(jià)399表 5 11 種方案的總能耗( MJ/ kg H2 )Table 5 The total energy co nsump tio n of t he 11 plans方案編號(hào)1234567891011制氫子系統(tǒng)輸運(yùn)子系統(tǒng) 加注站子系統(tǒng) 終端利用子系統(tǒng) 總能耗173 . 555 . 080 . 605 . 93185 . 17165 . 582 . 252 . 925 . 93176 . 68212 . 490 . 760 . 475 . 93219 . 66164 . 021 . 7851 . 225 . 93222 . 95282 . 655 . 080 . 605 . 93294 . 26278 . 432 . 252 . 925 . 93289 . 53324 . 790 . 760 . 475 . 93331 . 96273 . 031 . 7851 . 225 . 93331 . 96674 . 620 . 002 . 925 . 93683 . 47674 . 630 . 002 . 925 . 93683 . 48264 . 290 . 510 . 015 . 93270 . 74總結(jié)在國內(nèi) ,本文首次從環(huán)境 、經(jīng)濟(jì)和能源三方面對(duì) 燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的各種可行性方案進(jìn)行了全 面的評(píng)價(jià) ,主要結(jié)論如下 :環(huán)境性最好的氫能系統(tǒng)方案 : 方案 2 ( 天然氣 蒸汽重整制氫 + 管道輸運(yùn)) ,分類環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化指 標(biāo)的一維矩陣 (單位 :1 E - 13 年) 是 ( 溫室效應(yīng) ,人類 毒性 , 酸化 , 富營養(yǎng)化) = ( 4 . 582 , 1 . 749 , 3 . 011 ,0 . 828) ;方案 1 ( 天然氣蒸汽重整制氫 + 鋼瓶輸運(yùn))次之 ,分類環(huán)境效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的一維矩陣 ( 單位 :1 E - 13 年) 是 ( 溫室效應(yīng) , 人類毒性 , 酸化 , 富營養(yǎng) 化) = (4 . 820 ,2 . 093 ,3 . 608 ,1 . 019) 。經(jīng)濟(jì)性最好的氫能系統(tǒng)方案 : 方案 11 ( 甲醇車載重整) , 氫氣總成本為 14 . 68 / k g H2 ; 方案 1 (天然氣蒸汽重整制氫 + 鋼瓶輸運(yùn)) 次之 ,氫氣總成 本為 15 . 18 / k g H2 。能源利用情況最好的氫能系統(tǒng)方案 : 方案 2(天然氣蒸汽重整制氫 + 管道輸運(yùn)) ,總能量利用效 率為 27 . 17 % ;方案 1 ( 天然氣蒸汽重整制氫 + 鋼瓶 輸運(yùn)) 次之 ,總能量利用效率為 25 . 92 % 。綜合考慮 ,本文認(rèn)為最優(yōu)的氫能系統(tǒng) 方案是方案 1 ,即天然氣集中制氫廠制氫 ,然后用汽 車將裝有氫氣的高壓鋼瓶輸運(yùn)到加氫站 ,加注給以氫氣為燃料的 FCB 。各種制氫方案中 ,天然氣蒸汽重整優(yōu)于甲醇 車載重整 ,甲醇車載重整優(yōu)于煤氣化 ,煤氣化優(yōu)于電 解水 。各種輸運(yùn)方案中 ,鋼瓶和管道輸運(yùn)明顯優(yōu)于液氫和氫化物輸運(yùn) 。鋼瓶輸運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)好于管道 輸運(yùn) ,而管道輸運(yùn)的環(huán)境性和能量利用情況略好于 鋼瓶輸運(yùn) 。6圖 3 每種方案的總能量利用效率Fig. 3 The toal energy efficiency in each plan從圖 3 可以得出如下結(jié)論 :因?yàn)榭偰芰坷眯屎徒?jīng)濟(jì)性緊密相關(guān) ,所 以 ,圖 3 和圖 2 有可比性 。整體上看來 ,總能量利用效率較低 ,范圍是 727 % 。方案 2 (天然氣蒸汽重整制氫 + 管道輸運(yùn)) 的總能量利用效率最高 , 為 27 . 17 % 。方案 9 和方 案 10 (水電解現(xiàn)場(chǎng)制氫) 的總能量利用效率最低 ,僅為 7 . 02 % 。從不同制氫方式來看 ,總能量利用效率從高 到低依次是 :天然氣蒸汽重整 、甲醇車載重整制氫 、 煤氣化 、水電解制氫 。從同一制氫方式下的不同儲(chǔ)運(yùn)方式來看 ,管道輸運(yùn)的總能量利用效率最高 ,其次是鋼瓶輸運(yùn) ,氫 化物和液氫輸運(yùn)的總能量利用效率最低 。其中 ,鋼 瓶和管道的差別不大 。5 . 3 改進(jìn)方向?qū)τ诿糠N方案來說 ,制氫子系統(tǒng)的能耗都占 總能耗的絕大部分 ; 所以 ,要減少總能耗 ,提高總能 量利用效率 ,制氫子系統(tǒng)是改進(jìn)的主要方向 。利用液氫和氫化物儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)路線的能耗很 大 。所以 ,這兩種方式是不可行的 ,除非能夠大幅度 降低氫氣液化和氫化物放氫的能耗 。 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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