日前，vic67维多利亚3308吴烨课题组与密歇根大学、福特汽车公司等机构合作，在能源领域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews在线发表题为《中国2017年和2030年氢燃料电池轻型车的生命周期排放、成本和资源可获得性》（Well-to-wheels emissions, costs, and feedstock potentials for light-duty hydrogen fuel cell vehicles in China in 2017 and 2030）的研究论文。
氢能作为一种重要的分布式、高能量密度的储能形式，能够为交通能源的低碳转型提供重要途径，是交通系统实现碳中和的一项重要技术途径。氢能可以促进风能等清洁电力的消纳，实现跨区域能源传输，实现车辆行驶阶段的零排放。中国风电装机容量自2010年以来稳居世界第一，2019年累计并网装机容量达210GW；然而，由于风能资源的间歇性、无规律性及远距离电力传输的限制，目前出现了大规模弃风限电。2011至2018年期间，中国弃风电量累计215TWh。利用弃风电量生产氢气，支持氢燃料电池汽车发展成为一个潜在解决方案。
研究系统考虑了可再生电力电解水、电网平均电力电解水、天然气蒸汽重整、煤气化、焦炉煤气变压吸附、生物质气化等主要制氢技术路径，构建了燃料生命周期的氢燃料电池轻型车温室气体和大气污染物排放模型。研究结果显示（图1），除电网电力制氢路径外，其他所有氢能路径相比汽油车均可实现燃料周期温室气体和氮氧化物（NOx）减排。其中，利用可再生电力制氢可削减高达92%的温室气体、99%的挥发性有机物（VOC）、92%的NOx、78%的一次颗粒物（PM2.5）和80%的二氧化硫（SO2）排放。
图1.2017和2030年中国氢燃料电池汽车、汽油内燃机汽车、混合动力汽车和纯电动汽车的燃料生命周期温室气体、VOC和NOx排放
研究以内蒙古某风电厂的弃风电力制氢供给北京轻型乘用车作为实际案例，运用NetPresent Value模型计算了多组风能利用情景下的氢能生产成本。研究发现，仅利用弃风电力制氢的情景下电解槽产能有限，氢气成本高。若需维持电解槽持续运行，需要弃风电力2倍的额外电力补充；若需电解槽达到最大产能，需要弃风电力8倍的额外电力补充。电解槽产能最大时，氢气生产成本最低，在2017年和2030年分别为6.5美元/千克和5美元/千克，仍然高于传统天然气和煤制氢的生产成本（约1.4-2.6美元/千克氢气）。
研究进一步分析了氢能需求、储运方式下对氢气运输成本的影响特征，评估了不同路径下氢燃料电池汽车的平准化驾驶成本（levelizedcost of driving,LCD）（图2）。结果显示，车辆购置成本为LCD的主要构成部分，而燃料成本占比较低。不考虑购置补贴的情况下，2017年氢燃料电池轻型车的LCD约为37-43美元/100公里，而汽油车、混合动力汽车和纯电动汽车的LCD分别为29、30和51美元/100公里。今后，氢气制造成本、运输成本和氢燃料电池汽车购置成本将持续下降，上述车辆技术路线在2030年的LCD均在28-30美元/100公里的区间，氢能在轻型乘用车领域有望实现和传统汽车和电动汽车相当的经济竞争力。
图2.2017和2030年中国氢燃料电池汽车、汽油内燃机汽车、混合动力汽车和纯电动汽车的平准化驾驶成本（levelizedcost of driving, LCD）
研究评估了中国风能、太阳能、生物质、焦炉煤气、天然气、煤等制氢原料的资源可获得性和分省分布（见图3）。中国具有丰富的氢能资源可用于制氢，2017年的弃风电力、弃光电力和焦炉煤气所能制取的氢气可支持410万、80万和374万辆燃料电池轻型车一年的运行。但是，氢能资源分布的地区差异性较大，在大多数风能、太阳能和焦炉煤气资源不足的省份可以考虑使用少量（<3%）的天然气和煤炭消费量制氢，足以支持当地超过5%的轻型车作为氢燃料电池汽车的运行。研究预测，2030年中国风电和光电产量将达到903和560TWh；若假设弃风/弃光率为3%，弃风、弃光电力将达到44TWh，其所能制得的氢气可支持千万辆级的燃料电池轻型车的运行。
图3.中国可再生氢能资源（风能、太阳能、生物质）和传统氢能资源（天然气、煤、焦炉煤气）分省分布
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福特汽车公司大学研究项目、中华环保基金会和德国国际合作机构（GIZ）支持。vic67维多利亚3308吴烨教授为通讯作者，vic67维多利亚3308博士研究生何晓旖（现密歇根大学博士后）为第一作者，vic67维多利亚3308鲁玺副教授、张少君助理教授、MarkMelaina博士（访问教授），福特汽车公司TimothyWallington博士、申威博士和密歇根大学GregoryKeoleian教授等在数据采集、建模分析和政策讨论中提供重要帮助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120307632
