2024年替代燃料降碳潛力評(píng)估-氫燃料電池及氫燃料重型貨車碳足跡研究報(bào)告

替代燃料降碳潛力評(píng)估AssessmentoftheCarbonReductionPotentialofAlternativeFuels——?dú)淙剂想姵丶皻淙剂想姵刂匦拓涇囂甲阚E研究WPS稻殼資源庫本報(bào)告由中汽碳（北京）數(shù)字技術(shù)中心有限公司與清華大學(xué)聯(lián)合發(fā)布，旨在助推氫能燃料電池的發(fā)展、催生洞見并促進(jìn)交流。報(bào)告中發(fā)表的研究結(jié)果、解讀和結(jié)論是中汽碳（北京）數(shù)字技術(shù)中心有限公司與清華大學(xué)認(rèn)可的合作成果，但報(bào)告中內(nèi)容并不一定代表中汽碳（北京）數(shù)字技術(shù)中心有限公司、清華大學(xué)及其全體成員、合作伙伴或其他利益相關(guān)方的觀點(diǎn)。版權(quán)所有?中汽碳（北京）數(shù)字技術(shù)中心有限公司與清華大學(xué)。保留所有權(quán)利。不得以任何方式手段，包括影印和錄音，或通過任何信息存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)復(fù)制或傳播報(bào)告任何部分的內(nèi)容。1.1研究方法31.2研究結(jié)果41.2.1搖籃到大門的溫室氣體排放評(píng)估1.2.4減排潛力與未來展望1.3討論與啟示72.1研究方法82.2研究結(jié)果92.2.2減排策略與實(shí)施路徑2.3挑戰(zhàn)與機(jī)遇113對(duì)利益相關(guān)者的建議3.1政策制定133.2產(chǎn)業(yè)規(guī)劃133.3科研方向13參考文獻(xiàn)研究團(tuán)隊(duì)序言在應(yīng)對(duì)氣候變化與改善環(huán)境質(zhì)量雙重挑戰(zhàn)的背景下，低碳替代燃料及其相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用尤為重要。作為一位長期關(guān)注能源與環(huán)境的學(xué)者，我深知減少溫室氣體排放、推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型的緊迫性和重要性。氫燃料電池作為清潔能源的關(guān)鍵技術(shù)，正逐步展現(xiàn)在重型車領(lǐng)域的減碳潛力和應(yīng)用前景。氫燃料電池以氫能為燃料，具備高效率和強(qiáng)續(xù)航能力，具備在長途運(yùn)輸和重載物流領(lǐng)域的替代潛力。氫燃料電池重型貨車不僅有效降低交通運(yùn)輸行業(yè)的碳排放，還推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)鏈的綠色轉(zhuǎn)型。當(dāng)前，全球氫燃料電池汽車市場正迎來快速發(fā)展期。其中，中國已成為氫燃料重型車推廣數(shù)量最多的國家，初步構(gòu)建了涵蓋制備、儲(chǔ)運(yùn)、加注等環(huán)節(jié)的氫能供給體系。多家車企也在積極布局氫燃料電池車市場，共同推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的商業(yè)化落地。盡管如此，氫燃料電池技術(shù)的廣泛應(yīng)用仍面臨氫氣生產(chǎn)成本、儲(chǔ)存運(yùn)輸安全性和加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的問題，需要持續(xù)優(yōu)化技術(shù)路徑，降低成本，提升性能。此外，如何準(zhǔn)確從全生命周期的角度評(píng)估氫燃料電池及其重型貨車的碳足跡，也是當(dāng)前亟待回答的問題。料電池及氫燃料重型貨車碳足跡研究》的研究恰逢其時(shí)。本報(bào)告對(duì)于氫燃料電池技術(shù)在生產(chǎn)、運(yùn)營、維護(hù)階段的關(guān)鍵的思考，形成中國氫燃料電池技術(shù)減排路徑建議，希望能借此報(bào)告給政策制定者和產(chǎn)業(yè)界帶來一定參考和討論的基礎(chǔ)，并激發(fā)更多的研究和實(shí)踐，共同推動(dòng)我國乃至全球的能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)事業(yè)。讓我們攜手合作，為建設(shè)一個(gè)更加清潔、綠色、可持續(xù)的交通系統(tǒng)而努力。郝吉明中國工程院院士美國國家工程院外籍院士清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究院院長2執(zhí)行摘要業(yè)高質(zhì)量和大規(guī)模發(fā)展的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是實(shí)現(xiàn)道路低碳化的重要途徑。然而，消尾氣零排放帶來的效益。近年來，中國政府高度重視氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家施可再生能源替代行動(dòng)的指導(dǎo)意見》為目的推進(jìn)，進(jìn)一步加速了氫能產(chǎn)業(yè)的布局與應(yīng)用。在此背景下，本研究全面評(píng)估了中國典型乘用車氫燃料電池產(chǎn)品的碳足跡水平，并深入分析氫燃料電池技術(shù)在重型商用車領(lǐng)域的降碳潛力。識(shí)別其關(guān)鍵影響因素和降碳潛力，為政策制定、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及科研方向提供科學(xué)依據(jù)。研究分為兩部分：2.4kg二是氫燃料電池重型貨車碳足跡研究。氫燃料電池牽引車全生命周期的溫室氣體分析顯示，氫燃料及車用材料的清潔程度對(duì)氫燃料電池牽引車的減排效果具有顯著影響。因此，亟需推進(jìn)氫燃料電池車輛全鏈條減碳工作。4331.1研究方法水平，系統(tǒng)邊界包括原材料開采、重點(diǎn)零部件運(yùn)輸和產(chǎn)品裝配為核算重點(diǎn)，零部件生產(chǎn)過程的能耗和產(chǎn)品報(bào)廢不在本研究評(píng)估范圍內(nèi)。在運(yùn)輸階段，綜合考慮零部件的重要性、重量和運(yùn)輸距離，在制造階段，考慮膜電極、電堆和燃料電池系統(tǒng)裝配過程的電耗和氫耗。燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品為研究對(duì)象，其雙極板為金屬板。研究采用中國本土材料和能源排放因子，數(shù)據(jù)來源于企業(yè)級(jí)調(diào)研、圖1-1氫燃料電池碳足跡研究的系統(tǒng)邊界4本研究收集氫燃料電池產(chǎn)品的零部總重量的一半，電堆的附件占電堆總質(zhì)譜的全面性和分辨率。同時(shí)，本研究繪制了氫燃料電池的材料圖譜，可清晰的看出在氫燃料電池鋼（27%）、銅（9%）和塑料（6%）。統(tǒng)中，除了核心設(shè)備外的輔助系統(tǒng)。圖圖1-2氫燃料電池材料圖譜（a.氫燃料電池零部件構(gòu)成；b.氫燃料電池材料構(gòu)成）1.2研究結(jié)果通過計(jì)算，本研究中燃料電池系統(tǒng)原材料采集和制造階段相關(guān)排放分的影響較小。的廣泛使用、質(zhì)量占比高；另一方面，合下，鋁的碳排放因子仍較高。鉑主要用于膜電極的催化層，是材主要源于排放因子較高。盡管質(zhì)量比例5鋼是燃料電池系統(tǒng)中的第二大材料，是雙極板的主要成分，是第三大排放源，銅、電子產(chǎn)品、電氣設(shè)備和塑料分往研究所忽視。此外，本研究產(chǎn)品的雙極板采用金屬板路線，其與石墨板和復(fù)合板路線的評(píng)估結(jié)果具有一定差異。圖1-3燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品“搖籃到大門”的溫室氣體排放量圖1-4燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品溫室氣體減排潛力6電力是整個(gè)制造過程的主要溫室氣電池系統(tǒng)的生產(chǎn)過程需要?dú)錃馔度胗脕砑せ詈蜏y試。本章節(jié)采用中國主流制氫途徑的溫室氣體排放因子，該水平下氫1.2.3關(guān)鍵影響因素分析質(zhì)量功率密度用于估計(jì)給定功率的燃料電池模型總重量，反映了整體材料需求量。該數(shù)值在以往研究中具有較大差異，且早期文獻(xiàn)通常低估或忽略了輔助系統(tǒng)和電堆配件的質(zhì)量，以往研究的可行性推斷氫燃料電池產(chǎn)品鉑含量，往往代表了先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室水平，反映的是未來低鉑技術(shù)路線而非當(dāng)前市場主流水平。本研究基于市場典型產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)圖1-5氫燃料電池鉑載量取值文獻(xiàn)和報(bào)告對(duì)比[2-10]71.2.4減排潛力與未來展望構(gòu)調(diào)整、大宗金屬降碳）、行業(yè)技術(shù)水碳行動(dòng)（產(chǎn)能轉(zhuǎn)移與優(yōu)化供應(yīng)鏈）三個(gè)視角探究了氫燃料電池的未來減碳潛力年可實(shí)現(xiàn)氫燃料電池的溫室氣體排放量排放密集型原材料的脫碳。這種系統(tǒng)性脫碳預(yù)計(jì)將有助于氫燃料電池原材料和制造過程相關(guān)能耗的碳排放減少。從行業(yè)層面看，氫燃料電池發(fā)展趨勢包括功率密度提升以及低鉑、無鉑的燃料電池電堆設(shè)計(jì)，這些將有助于氫燃料電池系統(tǒng)材料使用量的減少。此外，國際貿(mào)易中越來越嚴(yán)格的碳足跡法規(guī)正在推動(dòng)企業(yè)采取更多的減排策略，包括綠色供應(yīng)鏈管理和產(chǎn)能轉(zhuǎn)移等，這已在動(dòng)力電池領(lǐng)域頭部企業(yè)存在實(shí)踐案例。為比較不同研究中燃料電池的生命周期影響，本研究采用了單位功率的影響進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)現(xiàn)本研究對(duì)氫燃料電差距主要來自于以往研究對(duì)制造階段能耗忽略或差異。關(guān)鍵參數(shù)如質(zhì)量功率密大差異。亟待開展更多實(shí)地調(diào)研，盡快建立具體場地?cái)?shù)據(jù)庫，提高對(duì)氫燃料電池的行業(yè)水平的認(rèn)識(shí)。82.1研究方法本研究關(guān)注于氫燃料電池重型貨車生命周期碳排放水平，功能單位為每公周期和燃料周期。材料周期重點(diǎn)考慮原材料開采、原材料加工、零部件生產(chǎn)、燃料電池裝配和車輛裝配，采用中國本土的材料排放因子和中國汽車生命周期料周期包括氫燃料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加注、使用環(huán)節(jié)，綜合考慮貨車使用地實(shí)際氫燃料產(chǎn)能結(jié)構(gòu)、氫燃料運(yùn)輸技術(shù)與距離、加氫站加注能耗與氫燃料泄露等環(huán)節(jié)展開對(duì)氫燃料電池重型貨車燃料周期碳足跡的評(píng)估。氫燃料的溫室氣體排放因子與氫燃料生產(chǎn)工藝相關(guān)，需要結(jié)合車輛實(shí)際使用區(qū)域的氫燃料生產(chǎn)工藝占比開展碳足跡評(píng)估。本研究選取京津冀地區(qū)最大設(shè)計(jì)總足跡評(píng)估。京津冀地區(qū)氫燃料主要來自于此計(jì)算京津冀地區(qū)加權(quán)平均溫室氣體注1：模型未考慮儲(chǔ)氫罐。92.2研究結(jié)果2.2.1碳足跡構(gòu)成及影響因素行駛數(shù)據(jù)，分析研究時(shí)間段內(nèi)氫燃料電池牽引車的加氫、充電量及活動(dòng)水平，開展氫燃料電池重型貨車碳足跡研究。公里。研究結(jié)果表明，假設(shè)氫燃料電池牽2.2.2減排策略與實(shí)施路徑牽引車的減排效果具有較大的不確定性。研究表明，柴油牽引車的材料周期排放。柴油牽引車的燃料周期二氧化碳期溫室氣體排放量更高，但其在燃料周1：此處氫燃料系統(tǒng)為重型車輛氫燃料系統(tǒng)，使用中國汽期的單位里程溫室氣體排放更低，需要更高的活動(dòng)水平以發(fā)揮氫燃料電池牽引車在使用階段的減排效益。假設(shè)柴油牽引車的活動(dòng)水平與氫燃料電池牽引車相同。在當(dāng)前氫燃料電池生命周期溫室氣體排放量。用的氫燃料生產(chǎn)工藝構(gòu)成和當(dāng)前的活動(dòng)水平下，氫燃料電池牽引車已經(jīng)展現(xiàn)出更好的生命周期溫室氣體減排效益。但是需要注意的是，在研究的這批氫燃料電池牽引車中，部分車輛的年行部分車輛的生命周期溫室氣體排放可能高于柴油車輛。圖2-1氫燃料電池牽引車和柴油牽引車生命周期溫室氣體排放圖2-1氫燃料電池牽引車和柴油牽引車生命周期溫室氣體排放2.2.3關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)及核心觀點(diǎn)本研究從行業(yè)產(chǎn)業(yè)的視角出發(fā)，圍繞氫燃料制備清潔化、材料周期整體清潔化、活動(dòng)水平提高、使用壽命延長四個(gè)因素探究了氫燃料電池未來減碳潛力。池牽引車減排效果的影響。在基線情景下，氫燃料電池牽引車每公里相比于柴清潔程度對(duì)于氫燃料電池牽引車的減排有最大的影響?，F(xiàn)階段氫燃料主要通過工業(yè)副產(chǎn)氣制氫的方式制備，本研究基于大規(guī)模制氫廠調(diào)研，指出如果在工業(yè)副產(chǎn)氣制氫的過程中大規(guī)模使用綠電，使用壽命延長、材料周期整體清潔化分別可以將氫燃料電池牽引車生命周期溫圖2-2不同情景下氫燃料電池車輛減排效益2.3挑戰(zhàn)與機(jī)遇氫燃料電池重型貨車在實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)應(yīng)用仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，同時(shí)也存在巨大的發(fā)展機(jī)遇。（1）技術(shù)層面求較高，目前燃料電池系統(tǒng)的功率密度、儲(chǔ)氫技術(shù)和電堆技術(shù)仍需進(jìn)一步提升。此外，重型貨車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對(duì)燃料電池系統(tǒng)的可靠性、耐久性、低溫啟動(dòng)性能要求高，需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗沖擊和抗腐蝕能力，開發(fā)低溫適應(yīng)性更好的燃料電池系統(tǒng)。（2）經(jīng)濟(jì)層面燃料電池系統(tǒng)、車載供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵部件成本較高，導(dǎo)致重型貨車購置成本居高不下。同時(shí)，氫氣價(jià)格仍處于較高水平，影響了燃料電池重卡的市場競爭力。未來需要進(jìn)一步降低關(guān)鍵部件的生產(chǎn)本和氫燃料自身成本，讓氫燃料電池重型貨車的推廣從政策導(dǎo)向逐步轉(zhuǎn)向市場導(dǎo)向。（3）基礎(chǔ)設(shè)施層面目前加氫站主要集中在氫燃料電池車輛示范城市群，其數(shù)量和分布無法滿足大規(guī)模氫燃料電池重型貨車的運(yùn)輸需求，需要加快加氫站網(wǎng)絡(luò)布局。在挑戰(zhàn)之外，氫燃料電池車輛的發(fā)展也面臨著許多機(jī)遇。（1）政策利好國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃列政策措施支持氫燃料電池汽車推廣應(yīng)用，如補(bǔ)貼、免高速費(fèi)等優(yōu)惠措施。（2）行業(yè)趨勢重型貨車作為道路交通領(lǐng)域碳排放的重要部門，發(fā)展氫燃料電池技術(shù)是其低碳發(fā)展的重要途徑與必經(jīng)之路。（3）經(jīng)濟(jì)成本隨著燃料電池技術(shù)和制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及氫能燃料電池續(xù)航里程的持續(xù)增加，氫燃料電池整車和氫燃料成本有望逐步下降，未來氫燃料電池車輛有望實(shí)現(xiàn)與燃油車的總擁有成本平價(jià)。3.1政策制定（1）政策支持與戰(zhàn)略規(guī)劃燃料路線，明確氫、氨、醇等替代燃料在重型貨車領(lǐng)域的應(yīng)用目標(biāo)和技術(shù)路線圖，與氫能形成互補(bǔ)發(fā)展格局。優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為成本優(yōu)勢，如開展碳積分、碳交易、稅收減免、運(yùn)營補(bǔ)貼等。（2）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與完善設(shè)，優(yōu)先支持使用綠氫的加氫站建設(shè)，形成清潔氫供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。完善氫氣運(yùn)輸、儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施布局，為氫燃料電池車輛提供穩(wěn)定、清潔的燃料。（3）標(biāo)準(zhǔn)制定與技術(shù)轉(zhuǎn)移足跡核算標(biāo)準(zhǔn)，明確清潔氫的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)清潔氫在交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范，確保產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。（4）國際合作與協(xié)同發(fā)展共同制定替代燃料在重型交通領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)。冰島等）的合作，吸收先進(jìn)技術(shù)和商業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。3.2產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（1）優(yōu)化制造與減排技術(shù)統(tǒng)等領(lǐng)域的研發(fā)投入，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提升產(chǎn)品的能效和環(huán)保水平。（2）供應(yīng)鏈管理與材料選擇商，建立清潔供應(yīng)鏈體系，推動(dòng)供應(yīng)鏈協(xié)同降碳工作的開展。（3）市場策略與產(chǎn)品定位舶、航空等領(lǐng)域的試點(diǎn)運(yùn)行，擴(kuò)大清潔氫的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)市場接受度。3.3科研方向（1）研究方向與重點(diǎn)領(lǐng)域特別是針對(duì)綠氫使用全生命周期的碳足跡分析，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和模型可靠性。作（涵蓋生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及應(yīng)用等階段確保碳足跡核算工作的準(zhǔn)確性、真實(shí)性和可比性。參考文獻(xiàn)Assessment,2017,22:94-110.Lifecycleassessmentoffuelcellsystems