燃料电池汽车氢能方案的生命周期评价

燃料电池汽车氢能方案的生命周期评价

0评价对象与方法使用化石燃料具有潜在的副作用。需要一个新的、清洁、可持续和标准化的能源系统。在这种背景下,以氢作为中间媒介的能源系统——氢能系统逐渐引起人们的关注。氢能系统在其被人类社会认识和接纳的过程中,除了要接受技术上的检验之外,还需要接受环境、经济、能源等方面的评价。自20世纪70年代起,一些国家和国际机构已经开始针对氢能应用加以系统评价,而在我国针对氢能的软课题研究,即氢能系统评价才刚刚开始,本文的研究就是其中之一。本文的评价对象是一种具体的氢能系统——燃料电池汽车氢能系统。该氢能系统由燃料电池汽车及其氢源基础设施构成:燃料电池汽车以氢为燃料,是氢的终端利用系统;氢源基础设施是氢的生产、输运和加注系统。本文首先根据生产、储存和运输氢的不同方法,设计出多种可行的燃料电池汽车氢能系统方案,然后对这些方案的环境性、经济性和能源利用情况进行全面的评价,并选出最优方案。本文的评价方法是生命周期评价。生命周期评价源于环境管理领域,现在已经发展成为一种“从摇篮到坟墓”的、全面评价活动、产品或过程的环境性、经济性和能源利用情况的有力工具。它包括四个步骤:目标定义和范围界定,清单分析,影响评价和改善评价。本文的研究意义有二:一方面,本文为氢能系统评价作出了标准的范例,有助于推动氢能系统评价工作在我国的深入进行,并促进氢能系统在我国的规模发展和我国能源系统的优化;另一方面,燃料电池汽车能源转换效率高、环保性好,是未来汽车的主要发展方向之一,本文确定了燃料电池汽车氢能系统的最优方案,为我国制定燃料电池汽车氢能系统的发展规划提供了有价值的参考。1方案、初始条件和数据来源1.1水电解两网融合互联技术路线燃料电池汽车氢能系统按照氢的流动顺序在空间上可以分为四个独立的子系统,从上游到下游依次是:制氢子系统、输运子系统、加注站子系统和终端利用子系统。各子系统可以采用不同的技术路线来实现,将各子系统的不同技术路线组合起来,即得到氢能系统的不同方案。根据现有的生产、输运和储存氢气的技术路线,并考虑到各子系统可供选择的设备和设备间的配套与衔接,本文共设计了11种方案,见表1。说明:考虑到工业上峰、谷电价不同,本文把水电解现场制氢的技术路线分为全天和调峰两种模式,即氢能系统方案9和10:全天模式每天工作24h(峰电),用电价格高,但生产一定量的氢需要的设备少;调峰模式每天工作8h(谷电),用电价格低,但生产一定量的氢需要的设备多。孰优孰劣,本文在后面加以比较。1.2我国燃料汽车首先商业化的地点氢能系统方案的评价结果与其实施时间和地点密切相关,应首先确定设计方案的实施时间和地点,这是评价的初始条件。考虑到2008年奥运会将在北京召开,参考我国的燃料电池汽车商业化计划,选定我国燃料电池汽车首先商业化的地点在北京,时间是2008年。本文将在这一初始条件下,以氢能系统向燃料电池汽车提供1kgH2为功能单位,比较各种方案20a(燃料电池汽车的使用寿命)内从含氢原材料开采到氢输送至燃料电池的全过程的环境性、经济性和能源利用情况。1.3氢能系统的可靠性评价要对燃料电池汽车氢能系统各种方案的环境性、经济性和能源利用情况进行评价,必须获得各种方案从含氢原材料开采到氢输送至燃料电池的全过程中各种设备和工艺的物耗、能耗、成本、污染物排放系数等数据。如何获得准确可靠而又符合我国国情的以上数据,是氢能系统评价的重点和难点。本文在收集数据时以国内各工业行业的数据为主、国外的数据为辅,在数据的近似和取舍上兼顾数据获得的难易程度和数据对结果影响的大小程度。2收集氢系统集成明确数据来源后,对燃料电池汽车氢能系统各种方案的相关数据进行收集。设计方案时,上游子系统的规模均由对应的下游子系统决定,所以,收集数据应按照从下游子系统到上游子系统的顺序,即:终端利用子系统→加注站子系统→输运子系统→制氢子系统。下面对各种方案的基本数据加以说明。2.1氢能源的终端利用方案目前,燃料电池汽车的成本较高(约40万美元),相对于小汽车来说,公共汽车在成本上所受的限制不很突出;而且,作为燃料的氢气可以集中地进行补给,这一点非常适合公共汽车车队的运营特性,所以,在可以预见的将来(2008年左右),中国的汽车市场上能实现商业化的只可能是燃料电池公共汽车(FCB)。因此,本文选择2008年北京的FCB车队作为氢能系统的终端利用子系统。在2000～2030年间,中国的城市公共汽车的年平均增长速度预计为5%,而北京市1999年的公共汽车总量为8850辆,则2008年北京市的公共汽车总量是13730辆,共计增加新车4880辆。假设在这些新车中有10%是FCB,则2008年北京的FCB车队的FCB数量是488辆,以500辆计。氢的输运和储存方式不同,FCB车型也不同,其燃料有氢气、液氢和氢化物三种。另外,对于车载制氢方案,FCB的燃料是甲醇,并需附加车载甲醇重整器。本文在FCB选型时以氢气作燃料的车型为基准,其它几种燃料方式对应的车型在该基准上进行改动。2.2甲醇量测算在终端利用子系统中,一辆FCB一天消耗氢气120Nm3,而一辆FCB的储氢量是496Nm3,所以,一辆FCB大约每四天加一次氢,又FCB车队的数量是500辆,则每天平均有125辆FCB需要加氢(方案11将氢气量折算为甲醇量)。北京市区共有8个区,市中心(3环以内)有4个区。根据北京市LPG和CNG加气站的情况(1999年数据:LPG站3个,CNG站1个,对应LPG车1600辆,CNG车300辆),假设2008年北京共建成加注站4个(三环和四环上各两个),则每个加注站平均每天有31.25辆FCB加氢,而每辆FCB的加氢量是120×4=480Nm3,则每个加注站平均每天耗氢15000Nm3。考虑到汽车加氢情况存在的不确定性,假设加注站氢气的周转周期是4天,则加注站储氢设备的容量是60000Nm3(储氢容器氢气泄漏量归入上游环节,方案11将氢气量折算为甲醇量)。氢的输运方式不同,氢在加注站的储存方式也不同(方案11为甲醇)。2.3集中制氢厂c集约经济研究区根据加注站子系统的容量和储氢容器氢气泄漏量,可以确定输运子系统的运量(方案11为甲醇)。假设集中制氢厂建设在北京近郊,距四个加氢站的距离都是50km;又因为加注站建设在三环和四环上,所以,输运方案不涉及铁路、水路和空中运输,只涉及公路运输或管道运输(方案9和10现场制氢,制氢设备在加注站,无输运子系统)。2.4漏量的确定根据输运子系统的运量和储氢容器氢气泄漏量,可以确定制氢子系统的生产规模(方案11为甲醇)。每种方案的制氢(甲醇)流程均采用国内或国际的成熟工艺。3环境评估3.1根据每子系统的污染物总排放要评价燃料电池汽车氢能系统各种方案对环境的影响,首先应对收集的数据加以整理、计算,得到各种方案的污染物总排放。根据每个子系统物耗、能耗、回收过程、生产过程的数据和相应的污染物排放系数,可以求得其物耗、能耗、回收过程、生产过程对应的污染物排放,即每个子系统的污染物总排放。根据每个子系统的污染物总排放,可以求得每种方案的污染物总排放。11种方案的污染物总排放见表2。3.2环境效应标准化根据各种方案的污染物总排放,运用荷兰环境科学中心的“干预——效应”方法对其环境影响进行评价。荷兰环境科学中心(CML)的“干预——效应”理论体系精确、客观,将各种污染物排放对环境的影响分类为3类18种环境效应,并确立了其中14种效应的计算方法,给出了上百种污染物排放的分类系数,建立了科学、完备的数据库。应用“干预——效应”理论,依据CML数据库里的分类系数,本文可以根据燃料电池汽车氢能系统各种方案的污染物总排放,定量地得到每种方案的环境影响指标。具体操作步骤分为三步:分类、标准化、赋权汇总。其中,赋权是一个正在发展的研究领域,没有相应的国际标准和通用的方法,本文仅列出各种方案的分类环境效应标准化指标的一维矩阵,没有将其汇总为一个总指标。对这一多指标评价体系的赋权工作可以留给环境决策者、管理者在面对某一具体问题时权变地完成。经过分类、标准化,得到每种方案1kgH2对应的分类环境效应标准化指标,见图1。从图1可以得出如下结论:①方案2(天然气蒸汽重整制氢+管道输运)的温室效应、人类毒性、酸化和富营养化标准化指标均最小,是环境性最好的氢能系统方案(与赋权无关)。②方案9和方案10(水电解现场制氢)的各项环境效应标准化指标均最大,对环境的影响最大,是环境性最差的氢能系统方案。这两种方案采取的是水电解现场制氢的方法,而水电解制氢是传统上认为环境性最好的方法;本文之所以得出与传统观点相反的结论,是因为传统观点只考虑了水电解过程本身,而本文考虑了从电解水所需电能的生产到氢输送至燃料电池汽车的全过程。虽然水电解过程本身的污染几乎为零,但是从一次能源(如煤等)生产电解水所需电能的过程往往效率低下(我国燃煤火电的平均能量转换效率为30%),对应的污染物排放量很大,所以,从更全面的角度考虑,水电解的环境性并不好,它只是将大量的污染从水电解制氢过程转嫁到了电能的生产过程。③从制氢子系统的角度来评价氢的四种制取方法,其环境性从好到差依次是:天然气蒸汽重整、甲醇车载重整、煤气化、水电解。④从输运子系统和加注站子系统的角度来评价氢的四种储运方法,其环境性从好到差依次是:管道输运(氢气)、钢瓶输运(氢气)、液氢储槽输运(液氢)、氢化物输运(氢化物)。液氢储槽输运和氢化物输运的环境性较差,是因为与之相关的氢气液化和气化过程、氢化物放氢和活化过程对应着大量的能耗,而这些能耗将带来大量的污染物排放。3.3气污染物①各种污染物的排放主要来自于输运子系统和制氢子系统,所以,要减少各种污染物的排放,输运子系统和制氢子系统是改进的主要方向。②温室效应的主要贡献来自CO2,人类毒性和酸化的主要贡献来自SO2,富营养化的主要贡献来自NOx,所以,CO2、SO2、NOx是需要首先治理的气态污染物。③对大部分方案来说,最严重的环境影响是酸化,其次是温室效应和人类毒性,再次是富营养化。结合上面的结论,SO2的治理是当务之急,其次是CO2。因为SO2主要来自发电过程,而我国生产的电能中火电占大部分,所以对火电厂进行脱硫是非常必要的。4经济评估4.1优化各子系统氢源基础设施的总成本要评价燃料电池汽车氢能系统各种方案的经济性,首先应对收集的数据加以整理、计算,得到各种方案的总成本。因为各种方案终端利用子系统的成本相同(与基准FCB车型的不同之处归入其它子系统),所以,本文只考虑其它三个子系统(氢源基础设施)的总成本,即氢气总成本(方案11将甲醇折算为氢气)。根据每个子系统的原料、设备、基建、耗能、人员工资、折旧年限(20年)等数据,可以求得其原料成本、资本成本和运行维护成本,即每个子系统的氢气总成本。根据每个子系统的氢气总成本,可以求得每种方案的氢气总成本。11种方案的总成本见表4,计算中用到的经济性假设见表3。4.2不同输运工艺图2反映了每种方案的氢气总成本成本中三个子系统的氢气成本所占的比重。从表4和图2可以得出如下结论:①第14种方案(甲醇车载重整)的氢气总成本最低,其中原料成本占很大比重;第9种方案(水电解现场制氢全天模式)的氢气总成本最高,其中原料成本(主要是电解耗电)占很大比重。②从不同的制氢技术(制氢子系统)来看,天然气蒸汽重整制氢的成本最低,在有末端耗能的情况下,为11.07￥/kgH2;而水电解制氢的成本最高,为38.44￥/kgH2。③从不同的输运技术(输运子系统)来看,甲醇(车载制氢)输运的成本最低,为0.06￥/kgH2。其次是液氢输运,为0.08元/kgH2。这是因为液态输运的能量密度高。管道输运的成本最高,为10.60元/kgH2,这是因为管道铺设的成本较高(每公里80万美元)。但液氢输运前需将氢气液化,而液化成本归入到了相应的制氢子系统中,因此综合考虑,液氢输运并不经济。另外,单从输运子系统来看,氢化物的输运成本也比较低,只有0.19元/kgH2,但氢化物存在放氢耗能和活化耗能,综合考虑,这种输运方式也是不经济的。④方案9和方案10(水电解现场制氢)相比,其环境性相差很小,但氢气总成本相差很大。综合考虑,就水电解现场制氢而言,调峰模式优于全天模式。这是因为水电解现场制氢方案总成本中原料成本(主要是电解耗电)占很大比重,调峰模式在原料成本(电解耗电)上带来的收益远大于其所用设备较多对资本成本和环境性的不利影响。4.3改进方向从以上结论可知,氢气总成本中绝大部分是生产和输运氢气的成本;所以,要降低氢气总成本,制氢子系统和输运子系统是改进的主要方向。5能源评估5.1根据系统总能耗计算总能耗要评价燃料电池汽车氢能系统各种方案的能源利用情况,首先应对收集的数据加以整理、计算,得到各种方案的总能耗。根据每个子系统物耗、回收过程、生产过程、末端过程(氢气的压缩、液化等)的数据和相应的能耗系数,可以求得其物耗、回收过程、生产过程、末端过程对应的能耗,即每个子系统的总能耗。根据每个子系统的总能耗,可以求得每种方案的总能耗。11种方案的总能耗见表5。5.2总能量利用效率通常,用总能量利用效率(η0)来衡量一种方案的能源利用情况。总能量利用效率(η0)定义如下:η0=1kg氢气输入FCB得到的有效能量We/1kg氢气对应的能耗因为本文所选择的PEMFCB的能量效率为37～44%,取40%,则1kg氢气(LHV:120MJ/kg)输入FCB得到的有效能量为We=120×40%=48MJWe=120×40%=48ΜJ结合表5,可求得每种方案的总能量利用效率,见图3。从图3可以得出如下结论:①因为总能量利用效率和经济性紧密相关,所以,图3和图2有可比性。②整体上看来,总能量利用效率较低,范围是7～27%。方案2(天然气蒸汽重整制氢+管道输运)的总能量利用效率最高,为27.17%。方案9和方案10(水电解现场制氢)的总能量利用效率最低,仅为7.02%。③从不同制氢方式来看,总能量利用效率从高到低依次是:天然气蒸汽重整、甲醇车载重整制氢、煤气化、水电解制氢。④从同一制氢方式下的不同储运方式来看,管道输运的总能量利用效率最高,其次是钢瓶输运,氢化物和液氢输运的总能量利用效率最低。其中,钢瓶和管道的差别不大。5.3混合氢化物储存系统①对于每种方案来说,制氢子系统的能耗都占总能耗的绝大部分;所以,要减少总能耗,提高总能量利用效率,制氢子系统是改进的主要方向。②利用液氢和氢化物储运的技术路线的能耗很大。所以