原创大咖论道｜沈承鹏：氢燃料电池汽车示范应考虑碳排放

作者：汽车大观时间：2022-11-16 浏览量：22546

作者｜沈承鹏

职务｜中国电动汽车百人会传播顾问

出品｜汽车大观

　　你能想到吗，人类寄予厚望的氢燃料电池汽车，其燃料氢产生的碳排放，可能比传统燃油汽车的汽柴油产生的碳排放还要高。这样匪夷所思的事，有可能发生在正开展燃料电池汽车示范推广应用的五个城市群中。

燃料电池汽车进入社会生活

　　先人一步。我国汽车产业换道超车，在电动化新赛道上获得了领先世界的优势。然而美中不足的是，这一优势的取得得益于纯电动乘用车，而燃料电池汽车却还处在示范推广阶段。2022年1-9月，我国新能源汽车累计销售456.7万辆，其中燃料电池汽车仅售出2589辆。截止9月底，全国新能源汽车保有量达1149 万辆，其中燃料电池汽车仅9000余辆。

　　交通运输领域是我国碳排放的主要终端，2020年达到9.3亿吨，占全国终端碳排放的10%，其脱碳成果影响着我国整体碳中和进程。用氢能替代燃油、天然气等高碳排放化石燃料，是交通运输业发展的大趋势。

　　燃料电池汽车在大载重、长续航和高强度的交通运输中具有先天优势，短期内，我国燃料电池汽车将以替代传统重型卡车、大型物流车等交通运输工具为主。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》提出，要加快氢能技术研发和示范应用，探索在工业、交通运输、建筑等领域的规模化应用。这正与燃料电池汽车的优势相吻合。

　　2020年9月，财政部、工信部等五部委联合发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，决定选择一批有实力的城市群开展燃料电池汽车示范应用工作。共有19个城市群提出申请，京津冀、上海、广东、河南、河北五个城市群获批，开启了为期四年的氢燃料电池汽车推广应用新阶段。

示范工程制氢未能考核上游碳排放

　　与实施多年的新能源汽车补贴政策相比，燃料电池汽车示范工程有三大变化：将以城市为主体的示范模式，改为以城市群为主体的示范模式；将对燃料电池汽车的购置补贴，改为对示范应用的奖金奖励；奖励资金不再用于支持燃料电池汽车整车生产投资项目和加氢基础设施建设，而是用于整车、关键零部件（电堆、膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、碳纸、空气压缩机、氢气循环系统等八大部件），以及清洁低碳车用氢气的应用推广。

　　示范城市群须满足门槛指标才能获得中央财政资金。例如，每个示范城市群注册的燃料电池汽车达到1000辆，且每辆车年平均行驶里程超过3万公里；每个城市群需新建运营至少15座加氢站；车用燃料氢年产量超过5000吨，燃料氢的碳排放强度低于规定值。

　　这其中，燃料氢的碳排放强度（CI）是主要评价指标，分为准入和奖励标准两档。准入标准是碳排放低于15kgCO2/kgH2 ，奖励标准是低于5 kgCO2/kgH2 。

　　本文开头谈到的电解水制氢的碳排放高于传统燃油汽车的汽柴油产生的碳排放的可能，就出在这两项标准的考核办法上。一份由国际清洁交通委员会和中国电动汽车百人会联合发布的、名为《从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设》的研究报告指出：当前示范城市群的设计方案，对燃料氢碳排放强度的要求，仅考虑到制氢环节的碳排放，未考虑到上游和下游的碳排放。

　　这份研究报告，是两家合作单位在中国汽车技术研究中心有限公司、上海燃料电池汽车商业化促进中心、佛山环境与能源研究院等单位帮助下，历时一年完成的。报告对五个示范城市群采用的制氢方式进行了从“油井到车轮”的全生命周期评估，结论是：示范结果可能会出现偏差。

偏差在哪里

　　课题组选定了五个示范城市群拟采用的11种制氢方式：天然气（SMR）制氢、天然气重整制氢（SMR）附加碳捕集与封存（CCS）、填埋气SMR、甲醇裂解制氢、煤气化制氢、煤气化制氢+CCS、平均电网电力水电解制氢、可再生电力水电解制氢、液态天然气裂解副产氢、氯碱副产氢、焦炉煤气副产氢进行研究。

　　根据示范城市群准入标准，仅衡量制氢环节的碳排放，11种制氢方式中有四种达到了奖励标准：天然气重整制氢+CCS、填埋气制氢、可再生电力或电网电水电解制氢；唯一没有达到准入标准的是不附加CCS的煤气化制氢。但通过全生命周期排放评估，目前使用电网电进行的水电解制氢，其碳排放将大于不附加CCS的煤气化制氢。也就是说，示范城市群得到奖励的某些制氢方式（电网电水电解制氢），甚至会造成比直接使用化石能源制氢（例如煤制氢）更严重的气候影响。

　　水电解制氢是一种新兴技术。无论是使用100%可再生电还是电网电，水电解的过程都只产生氧气和氢气。也就是说，仅就制氢环节而言，用这两种电制的氢都能达到零碳排放，都符合奖励标准，但由于我国电网电力来源中化石燃料占比过高的现实，可能使制氢排放结果发生出人意料的变化。

　　我国不同地区的电网电力来源结构差异很大，化石燃料在上海电网占比高至98%，在西藏电网低至4%。2021年，我国电网平均电力来源中包括71%的化石燃料、5%的核能和24%的可再生电力。而在五个示范城市群实施方案以及其他多个省市的氢能发展规划中，可再生能源水电解制氢均是未来要采用的技术。

　　电力来源决定水电解制氢的清洁程度，这就要求示范城市在制氢的时候必须认真考察电的来源。如果示范城市群的电网不能提供100%的可再生电力，从全生命周期看，碳排放就不可能为零。

　　课题组经过模型评估，得出的结论令人震惊：在11种制氢方式中，使用全国平均电网电生产的电解氢，有最高的全生命周期碳排放，排放强度甚至高于直接由煤或天然气生产的燃料氢。

　　课题组测算，只有当火电占比降至28%以下时，平均电网水电解制氢的全生命周期碳排放强度，才能低于15 kgCO2当量/kgH2，但在我国大陆31个省级地区中，只有4个地区电网的非化石燃料发电占比达到80%以上，15个电网小于等于20%。也就是说，从全生命周期碳排放角度来看，大部分省级地区的电网水电解制氢带来的碳排放，都不符合示范要求的准入标准。

　　不幸的是，五个牵头城市所在地区的电网火电占比，都高于全国平均水平。从全生命周期角度看，五个示范城市群的平均电网水电解制氢的碳排放强度，均不满足示范城市群的准入标准和奖励标准。然而根据示范城市考核标准，五个牵头城市的电网水电解制氢，都可以获得清洁氢奖励。

示范城市群状况如何

　　课题组研究评估了北京、佛山、上海三个牵头城市氢的来源。

　　北京示范前的氢气来源于燕山石化和环宇京辉。燕山石化是利用企业内炼油系统的副产氢气，设计规模为2000Nm3/h（约1440吨/年）。环宇京辉提供天然气制氢和网电制氢，天然气制氢产能为800Nm3/h，水电解制氢产能为500Nm3/h。（共计约1000吨/年）

　　到示范期结束时，工业副产氢将成为北京示范城市群的主要氢源，其余32% 为绿氢，这是北京城市群采用的三种制氢方式中唯一有资格获得清洁氢奖励的制氢方式。经计算，北京城市群制氢环节的加权平均碳排放强度为7 kg CO2/kg H2，较其全生命周期温室气体排放低24%。

　　佛山示范前的氢气来自周围城市的气体公司，包括联悦、华特气体、广钢林德、普莱克斯、法液空等，年供氢能力1811吨，主要以氯碱副产氢、甲醇裂解制氢、丙烷脱氢等制氢方式为主。示范期后，城市群中半数以上燃料氢来自工业副产氢，同时扩大水电解制氢规模。

　　佛山城市群中29%的氢可以获得清洁氢奖励。不过由于平均电网制氢占比较高，制氢环节碳排放与全生命周期温室气体排放之间的差距，是三个城市群中最大的，全生命周期温室气体排放，要比制氢环节碳排放高出39%。

　　上海示范前的氢气主要来自华林气体、化工区气体以及宝钢股份宝山基地，年制氢能力共4050吨。其中华林气体、上海化工区气体为天然气重整制氢，年充装能力为3000 吨和750吨。宝山基地为焦炉煤气副产氢提纯，年充装能力为300吨。产自宁东镇的甲醇裂解制氢是主要氢能来源，在总份额中占比 82%，由可再生原料（即填埋气和可再生电力）制氢的比例不足1%。

　　上海城市群生产的燃料氢中有13%可以获得清洁氢奖励。然而，示范城市群项目下设定的系统边界，会导致燃料氢的整体排放影响被低估34%，加权平均生命周期温室气体排放，超过了15 kgCO2当量/kgH2，在三个城市群中的燃料氢碳排放强度是最高的。

弥补制氢环节偏差的建议

　　党的“二十大”报告提出，要加快发展方式绿色转型，有计划分步骤实施碳达峰行动，深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系。今年3月，国家发改委、能源局联合发布的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》指出，氢能作为战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向，将为我国加快能源转型升级、培育经济新增长点提供重要战略选择。并明确：到2025年，燃料电池汽车保有量达到约5万辆，可再生能源制氢10-20万吨/年，二氧化碳减排100-200万吨/年。到2030年，形成较为完备的清洁能源制氢及供应体系。

　　党的“十八大”以来，我国加速转变能源利用方式，截止2022年9月底，可再生能源发电装机达11.46亿千瓦，发电量达1.94万亿千瓦时；清洁能源消费比重从2014年的16.9%上升到2021年的25.5%；氢能产业链上多个重要技术环节获突破，电堆、膜电极、系统集成、双极板等核心部件实现自主可控，燃料电池系统国产化率从30%提高到70%；2021年末，我国氢气产能约4000万吨/年，产量约3300万吨/年，氢能产业相关企业超过300家，覆盖制氢、储运、燃料电池材料、燃料电池汽车及配套基础设施、系统集成等领域，建成加氢站250多座；20多个省（区、市）发布了氢能规划和指导意见，这些都为我国能源产业的战略转型和燃料电池汽车产业发展奠定了坚实基础。

　　然而，可再生电力的发展和应用，是一个循序渐进的过程，需要上下游实现全程无缝衔接，这决定了电网水电解制氢必然存在着从化石能源为主，向可再生能源为主的过渡期。为了鼓励电解水制氢技术的规模化应用，在过渡期内仅考核示范城市群制氢环节的碳排放情有可原，但仍需考虑对气候的实际影响，对交通脱碳的实际意义。因此，制氢方式的全生命周期温室气体排放是否优于柴油燃料，就成为燃料氢是否需要考虑、考核全生命周期碳排放的决定性因素。课题组提出如下建议。