燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境經濟和能源評價.docx

燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境 、經濟和能源評價馮文 ,王淑娟 ,倪維斗 ,陳昌和 ,鄭顯玉( 清華大學熱能工程系 ,北京 100084)摘 要 :為了推動氫能系統(tǒng)評價工作的深入進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) 提供有價值的參考 ,根據現(xiàn)有的生產 、儲存和輸運氫的技術 ,設計了 11 種可行方案 ,運用生命周期評價方法對這些方 案的環(huán)境性 、經濟性和能源利用情況進行了評價 ,得到了每種方案的分類環(huán)境效應指數(shù) 、氫氣總成本和總能量利用效率 。 結果表明 ,綜合指標最優(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 輸運到加氫站 ,加注給以氫氣為燃料的燃料電池汽車 。關鍵詞 :燃料電池汽車 ;氫能 ;環(huán)境 ;經濟 ;能源 ;評價中圖分類號 : T K91文獻標識碼 :A本文的研究意義有二 :一方面 ,本文為氫能系統(tǒng)評價作出了標準的范例 ,有助于推動氫能系統(tǒng)評價 工作在我國的深入進行 ,并促進氫能系統(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)劃提供了有價值的參考 。引言0化石燃料的大規(guī)模使用具有潛在的嚴重后果 ,我們應該尋找一種新的 、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)逐漸引起人們的關注 。氫 能系統(tǒng)在其被人類社會認識和接納的過程中 ,除了 要接受技術上的檢驗之外 ,還需要接受環(huán)境 、經濟 、能源等方面的評價 。自 20 世紀 70 年代起 ,一些國 家和國際機構已經開始針對氫能應用加以系統(tǒng)評價 ,而在我國針對氫能的軟課題研究 ,即氫能系統(tǒng)評 價才剛剛開始 ,本文的研究就是其中之一 。本文的評價對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 及其氫源基礎設施構成 :燃料電池汽車以氫為燃料 , 是氫的終端利用系統(tǒng) ;氫源基礎設施是氫的生產 、輸 運和加注系統(tǒng) 。本文首先根據生產 、儲存和運輸氫 的不同方法 ,設計出多種可行的燃料電池汽車氫能 系統(tǒng)方案 ,然后對這些方案的環(huán)境性 、經濟性和能源 利用情況進行全面的評價 ,并選出最優(yōu)方案 。本文的評價方法是生命周期評價。生命周期評價 源于環(huán)境管理領域 ,現(xiàn)在已經發(fā)展成為一種“從搖籃到墳墓”的、全面評價活動、產品或過程的環(huán)境性、經濟性和能源利用情況的有力工具。它包括四個步驟 :目標 定義和范圍界定 ,清單分析 ,影響評價和改善評價。1 方案設計 、初始條件和數(shù)據來源1 . 1方案設計燃料電池汽車氫能系統(tǒng)按照氫的流動順序在空 間上可以分為四個獨立的子系統(tǒng) ,從上游到下游依 次是 :制氫子系統(tǒng) 、輸運子系統(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路線來實現(xiàn) ,將各子系統(tǒng)的不同技術路線組合起來 ,即得 到氫能系統(tǒng)的不同方案 。根據現(xiàn)有的生產、輸運和儲存氫氣的技術路線2 - 9,并考慮到各子系統(tǒng)可供選擇的設備10 和設備間的配套與銜接 ,本文共設計了 11 種方案 ,見表 1 。說明 :考慮到工業(yè)上峰 、谷電價不同 ,本文把水 電解現(xiàn)場制氫的技術路線分為全天和調峰兩種模 式 ,即氫能系統(tǒng)方案 9 和 10 :全天模式每天工作 24 h(峰電) ,用電價格高 ,但生產一定量的氫需要的設備 少 ;調峰模式每天工作8 h ( 谷電) ,用電價格低 ,但生收稿日期 :2002208203基 金 項 目 : 國家高技術研究發(fā)展計劃 ( 863 計劃) 資助項目( 2001AA501986)3 期馮 文等 :燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的環(huán)境 、經濟和能源評價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方案編號制氫子系統(tǒng)輸運子系統(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)場制氫 :水電解全天模式 加注站現(xiàn)場制氫 :水電解調峰模式 車載制氫 :甲醇制造廠汽車輸運 :氫氣鋼瓶管道輸運 :氫氣 汽車輸運 :液氫儲槽 汽車輸運 :氫化物 Mg2 Ni 汽車輸運 :氫氣鋼瓶 管道輸運 :氫氣汽車輸運 :液氫儲槽 汽車輸運 :氫化物 Mg2 Ni 無無 汽車輸運 :甲醇氫氣鋼瓶儲存氫氣儲罐儲存 液氫儲槽儲存 氫化物儲存 氫氣鋼瓶儲存 氫氣儲罐儲存 液氫儲槽儲存 氫化物儲存 氫氣儲罐儲存 氫氣儲罐儲存 甲醇儲槽儲存燃料電池汽車 :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產一定量的氫需要的設備多 。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)方案的評價結果與其實施時間和地點 密切相關 ,應首先確定設計方案的實施時間和地點 , 這是評價的初始條件 ?？紤]到 2008 年奧運會將在北京召開 ,參考我國的燃料電池汽車商業(yè)化計劃11 ,選定我國燃料電池 汽車首先商業(yè)化的地點在北京 ,時間是 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 、經濟性和能源利用情況 。1 . 3 數(shù)據來源要對燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的環(huán)境 性、經濟性和能源利用情況進行評價 ,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 程中各種設備和工藝的物耗 、能耗 、成本 、污染物排 放系數(shù)等數(shù)據 。如何獲得準確可靠而又符合我國國 情的以上數(shù)據 ,是氫能系統(tǒng)評價的重點和難點 。本文在收集數(shù)據時以國內各工業(yè)行業(yè)的數(shù)據為主 、國 外的數(shù)據為輔 ,在數(shù)據的近似和取舍上兼顧數(shù)據獲得的難易程度和數(shù)據對結果影響的大小程度 。系統(tǒng)的規(guī)模均由對應的下游子系統(tǒng)決定 ,所以 ,收集數(shù)據應按照從下游子系統(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) 輸運子系統(tǒng) 制 氫子系統(tǒng) 。下面對各種方案的基本數(shù)據加以說明 。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行補給 ,這一點非常適合公共汽車車隊的運營特 性 ,所以 ,在可以預見的將來 ( 2008 年左右) ,中國的 汽車市場上能實現(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 平均增長速度預計為 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 ,共計增加新車 4880 輛 。假 設在這些新車中有 10 %是 FCB 2 , 則 2008 年北京 的 FCB 車隊的 FCB 數(shù)量是 488 輛 ,以 500 輛計 。氫的輸運和儲存方式不同 , 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 選型時以氫氣作燃料的車型12為基準 ,其它幾種燃料方式對應的車型在該基準上進行改動 。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 的儲氫量是 496N m3 12 ,所基本數(shù)據明確數(shù)據來源后 ,對燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各 種方案的相關數(shù)據進行收集 。設計方案時 ,上游子2 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 太陽能學報24 卷396以 ,一輛 FCB 大約每四天加一次氫 ,又 FCB 車隊的數(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 個區(qū) , 市中心 ( 3 環(huán)以內) 有 4個區(qū) 。根 據 北 京 市 L P G 和 CN G 加 氣 站 的 情 況(1999 年數(shù)據13 : L P G 站 3 個 , CN G 站 1 個 , 對應 L P G 車 1600 輛 ,CN G 車 300 輛) ,假設 2008 年北京 共建成加注站 4 個 ( 三環(huán)和四環(huán)上各兩個) ,則每個 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 ,假設加注站氫氣的周轉周期是 4 天 ,則加注站 儲氫設備的容量是 60000Nm3 (儲氫容器氫氣泄漏量 歸入上游環(huán)節(jié) ,方案 11 將氫氣量折算為甲醇量) 。氫的輸運方式不同 ,氫在加注站的儲存方式也 不同 (方案 11 為甲醇) 。2 . 3 輸運子系統(tǒng)根據加注站子系統(tǒng)的容量和儲氫容器氫氣泄漏 量 ,可以確定輸運子系統(tǒng)的運量 ( 方案 11 為甲醇) 。 假設集中制氫廠建設在北京近郊 ,距四個加氫站的距離都是 50 km ; 又因為加注站建設在三環(huán)和四環(huán) 上 ,所以 ,輸運方案不涉及鐵路 、水路和空中運輸 ,只 涉及公路運輸或管道運輸 ( 方案 9 和 10 現(xiàn)場制氫 ,制氫設備在加注站 ,無輸運子系統(tǒng)) 。2 . 4制氫子系統(tǒng)根據輸運子系統(tǒng)的運量和儲氫容器氫氣泄漏 量 ,可以確定制氫子系統(tǒng)的生產規(guī)模 ( 方案 11 為甲 醇) 。每種方案的制氫 ( 甲醇) 流程均采用國內或國際的成熟工藝 。3 環(huán)境評價3 . 1污染物總排放要評價燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案對環(huán)境 的影響 ,首先應對收集的數(shù)據加以整理 、計算 ,得到各種方案的污染物總排放 。根據每個子系統(tǒng)物耗 、能耗 、回收過程 、生產過 程的數(shù)據和相應的污染物排放系數(shù)14 ,可以求得其 物耗 、能耗 、回收過程 、生產過程對應的污染物排放 , 即每個子系統(tǒng)的污染物總排放 。根據每個子系統(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)境評價根據各種方案的污染物總排放 ,運用荷蘭環(huán)境科學中心的“干預 效應”方法15進行評價 。對其環(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)境科學中心 ( CML ) 的“干預 效應”理論體系精確 、客觀 ,將各種污染物排放對環(huán)境的影 響分類為 3 類 18 種環(huán)境效應 ,并確立了其中 14 種 效應的計算方法 ,給出了上百種污染物排放的分類 系數(shù) ,建立了科學 、完備的數(shù)據庫 。應用“干預 效應”理論 , 依據 CML 數(shù)據庫里的分類系數(shù) , 本文 可以根據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 。具體操作步驟分為三步 : 分類 、標準化 、賦權匯 總 。其中 ,賦權是一個正在發(fā)展的研究領域 ,沒有相 應的國際標準和通用的方法 ,本文僅列出各種方案 的分類環(huán)境效應標準化指標的一維矩陣 ,沒有將其匯總為一個總指標 。對這一多指標評價體系的賦權 工作可以留給環(huán)境決策者 、管理者在面對某一具體 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 、經濟和能源評價397問題時權變地完成 。經過分類 、標準化 ,得到每種方案 1 kg H2 對應 的分類環(huán)境效應標準化指標 ,見圖 1 。耗 ,而這些能耗將帶來大量的污染物排放 。3 . 3改進方向各種污染物的排放主要來自于輸運子系統(tǒng)和 制氫子系統(tǒng) ,所以 ,要減少各種污染物的排放 ,輸運 子系統(tǒng)和制氫子系統(tǒng)是改進的主要方向 。溫室效應的主要貢獻來自 CO2 ,人類毒性和 酸化的主要貢獻來自 SO2 ,富營養(yǎng)化的主要貢獻來 自 NO x ,所以 , CO2 、SO2 、NO x 是需要首先治理的氣 態(tài)污染物 。對大部分方案來說 ,最嚴重的環(huán)境影響是酸化 ,其次是溫室效應和人類毒性 ,再次是富營養(yǎng)化 。 結合上面的結論 , SO2 的治理是當務之急 , 其次是 CO2 。因為 SO2 主要來自發(fā)電過程 , 而我國生產的電能中火電占大部分 ,所以對火電廠進行脫硫是非 常必要的 。圖 1 各方案 1 kg H2 對應分類環(huán)境效應標準化指標Fig. 1 The standard indexes of category enviro nmental effect s of 1 kg H2 in each plan從圖 1 可以得出如下結論 :方案 2 (天然氣蒸汽重整制氫 + 管道輸運) 的 溫室效應 、人類毒性 、酸化和富營養(yǎng)化標準化指標均 最小 ,是環(huán)境性最好的氫能系統(tǒng)方案 (與賦權無關) 。方案 9 和方案 10 ( 水電解現(xiàn)場制氫) 的各項 環(huán)境效應標準化指標均最大 ,對環(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)場制氫的方法 ,而水電解制氫是傳統(tǒng)上認為環(huán)境性最好的方法 ; 本文之所以得出與傳統(tǒng)觀點 相反的結論 ,是因為傳統(tǒng)觀點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 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換效率為 30 %16 ) ,對應的污染物 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嫁到了電能的生產過程 。從制氫子系統(tǒng)的角度來評價氫的四種制取方 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 。從輸運子系統(tǒng)和加注站子系統(tǒng)的角度來評價 氫的四種儲運方法 ,其環(huán)境性從好到差依次是 :管道 輸運 ( 氫氣) 、鋼瓶輸運 ( 氫氣) 、液氫儲槽輸運 ( 液 氫) 、氫化物輸運 (氫化物) 。液氫儲槽輸運和氫化物 輸運的環(huán)境性較差 ,是因為與之相關的氫氣液化和 氣化過程 、氫化物放氫和活化過程對應著大量的能4 經濟評價4 . 1 氫氣總成本要評價燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的經濟 性 ,首先應對收集的數(shù)據加以整理 、計算 ,得到各種 方案的總成本 。因為各種方案終端利用子系統(tǒng)的成 本相同 (與基準 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子系統(tǒng) (氫源基礎設 施) 的總成本 ,即氫氣總成本 (方案 11 將甲醇折算為 氫氣) 。根據每個子系統(tǒng)的原料 、設備 、基建 、耗能 、人員工資 、折舊年限 ( 20 年12 ) 等數(shù)據 ,可以求得其原料 成本 、資本成本和運行維護成本 ,即每個子系統(tǒng)的氫 氣總成本 。根據每個子系統(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 ,計算中用到的經濟性假設見表 3 。表 3 經濟性假設Table 3 eco no mic assump tio ns電價 (正常) / kWh - 1電價 (谷電) / kWh - 10 . 60 . 32 . 96001 . 42702 . 826003551500t - 1水價/ 硫酸價格/ t- 1天然氣價格/ Nm3煤炭價格/ 柴油價格/ 鋼材價格/ 水泥價格/ t - 1L - 1t - 1t - 1人員工資/ 元每月 1994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.太陽能學報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1234567891011原料成本資本成本 運行維護成本 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經濟評價圖 2 反映了每種方案的氫氣總成本成本中三個 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)場制氫而言 , 調峰模式優(yōu)于全天模 式 。這是因為水電解現(xiàn)場制氫方案總成本中原料成本(主要是電解耗電) 占很大比重 ,調峰模式在原料 成本 (電解耗電) 上帶來的收益遠大于其所用設備較 多對資本成本和環(huán)境性的不利影響 。4 . 3 改進方向從以上結論可知 ,氫氣總成本中絕大部分是生 產和輸運氫氣的成本 ; 所以 ,要降低氫氣總成本 ,制氫子系統(tǒng)和輸運子系統(tǒng)是改進的主要方向 。圖 2 每種方案氫氣總成本的構成 (按子系統(tǒng))Fig. 2 The co nstit utio n of total cost s in each plan ( divided into subsystems)5 能源評價5 . 1總能耗要評價燃料電池汽車氫能系統(tǒng)各種方案的能源 利用情況 ,首先應對收集的數(shù)據加以整理 、計算 ,得到各種方案的總能耗 。根據每個子系統(tǒng)物耗 、回收過程 、生產過程 、末 端過程 (氫氣的壓縮 、液化等) 的數(shù)據和相應的能耗 系數(shù) ,可以求得其物耗 、回收過程 、生產過程 、末端過 程對應的能耗 ,即每個子系統(tǒng)的總能耗 。根據每個 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能源評價通常 ,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 氫氣對應的能耗因為本文所選擇的 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 ( 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 。從不同的輸運技術 ( 輸運子系統(tǒng)) 來看 ,甲醇(車載制氫) 輸運的成本最低 ,為 0 . 06 / k g H2 。其 次是液氫輸運 ,為 0 . 08 元/ kg H2 。這是因為液態(tài)輸 運的能量密度高 。管道輸運的成本最高 , 為 10 . 60 元/ kg H2 ,這是因為管道鋪設的成本較高 ( 每公里 80萬美元7 ) 。但液氫輸運前需將氫氣液化 , 而液化 成本歸入到了相應的制氫子系統(tǒng)中 ,因此綜合考慮 , 液氫輸運并不經濟 。另外 ,單從輸運子系統(tǒng)來看 ,氫 化物的輸運成本也比較低 , 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 運方式也是不經濟的 。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 、經濟和能源評價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1234567891011制氫子系統(tǒng)輸運子系統(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總結在國內 ,本文首次從環(huán)境 、經濟和能源三方面對 燃料電池汽車氫能系統(tǒng)的各種可行性方案進行了全 面的評價 ,主要結論如下 :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) ,分類環(huán)境效應標準化指 標的一維矩陣 (單位 :1 E - 13 年) 是 ( 溫室效應 ,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)次之 ,分類環(huán)境效應標準化指標的一維矩陣 ( 單位 :1 E - 13 年) 是 ( 溫室效應 , 人類毒性 , 酸化 , 富營養(yǎng) 化) = (4 . 820 ,2 . 093 ,3 . 608 ,1 . 019) 。經濟性最好的氫能系統(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) 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) ,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) 次之 ,總能量利用效率為 25 . 92 % 。綜合考慮 ,本文認為最優(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 。各種輸運方案中 ,鋼瓶和管道輸運明顯優(yōu)于液氫和氫化物輸運 。鋼瓶輸運的經濟性遠好于管道 輸運 ,而管道輸運的環(huán)境性和能量利用情況略好于 鋼瓶輸運 。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 可以得出如下結論 :因為總能量利用效率和經濟性緊密相關 ,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) 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運方式來看 ,管道輸運的總能量利用效率最高 ,其次是鋼瓶輸運 ,氫 化物和液氫輸運的總能量利用效率最低 。其中 ,鋼 瓶和管道的差別不大 。5 . 3 改進方向對于每種方案來說 ,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)是改進的主要方向 。利用液氫和氫化物儲運的技術路線的能耗很 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. All rights reserved. 太陽能學報24 卷4009 Joan M Ogden , et al . A co mpariso n of hydrogen , 參考文獻 李 瑛 ,郭林山. 燃料電池 M .社 ,2000 .met hanol and gasoline as f uels for f uel cell vehicles : im2plicatio ns for vehicles design and inf rast ruct ure develop2 ment J . Journal of Power sources ,1999 ,79 :143 168 . 國家機械工業(yè)局. 中國機電產品目錄第 6 冊 M . 北 京 :機械工業(yè)出版社 ,2000 .北京 : 冶金工業(yè)出版1gden. Developing an inf rast ruct ure for hydro22 Joan M O10gen vehicles :a Sout h California case st udy J . Int Jour 2nal of Hydrogen Energy ,1999 ,24 :709 730 .11 Qiming Zhu ,J inlu Li ,J unmei Wei . Productio n and uti23化工百科全書編輯部. 化工百科全書第 13 卷M .京 :化學工業(yè)出版社 ,1998 . 53 114 .北lizatio n of hydrogen in China2current and p rospect us sit2uatio nsA . Veziro glu , Zo ngqiang Mao . Hydrogen energy p rogress X : Proceedings of t he 13t h world hydrogen energy co nference C . Bei jing : CICCS T. 2000 . 105 110 .毛宗強 ,陳霖新. P EM 燃料電池用氫氣的制取 、儲運方式初探J . 工廠動力 ,2000 ,03 :22 35 .45 L ee F Brown. A co mparative st udy of f uels for o n2boardhydrogen p roductio n for f uel2cell2powered auto mobilesJ . Int Journal of H ydrogen Energy , 2001 , 26 : 381 397 .y , Richard Parish. Hydrogen f uel cell bus eval212 L eslie Euduatio n ( N R EL / CP2570230535 ) R . Natio nal Renew 2able Energy L aboratory. 2001 .北京市統(tǒng)計局. 北京統(tǒng)計年鑒 1999 年卷M . 北京 :中國統(tǒng)計出版社 ,1999 .國家環(huán)境保護局科技標準司. 工業(yè)污染物產生和排放 系數(shù)手冊M . 北京 :中國環(huán)境科學出版社 ,1996 .6 Kir k2Ot hmer . Hydrogen , in Encyclopedia of Chemical13Technology ,4t h editio n , Vol . 13 : Helium Group to Hyp2noticsM . New Yor k :Jo hn Wile y &So ns. 1991 .147 Kir k2Ot hmer . Pipelines , in Encyclopedia of ChemicalTechnology ,4t h editio n , Vol . 13 : Helium Group to Hyp2noticsM . New Yor k :Jo hn Wile y &So ns. 1991 .15 Life cycle assessment :inventory guideline and p rinciples ,Part 1 &2 . Wat se minimizatio n &recycling report R .CML . 1993 .16 國家統(tǒng)計局工業(yè)交通統(tǒng)計司. 中國能源統(tǒng)計年鑒1997 - 1999 年卷M . 北京 :中國統(tǒng)計出版社 ,1999 .8 Amos W. Cost of storing and t ransporting hydrogen(N R EL / TP - 570 - 25106) R . Natio nal RenewableEnergy L aboratory. 1998 .ENVIRO NM ENTAL , ECO NOM IC A ND ENERGY ASSESSM ENT OFHYD RO GEN ENER