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氢燃料电池汽车的前景与当前面临的挑战
2021-09-23 08:43:12· 来源：汽车与新动力
受大气污染、温室效应等问题的影响，世界各国对汽车提出了进一步节能减排的要求。在该背景下，世界知名汽车制造商重点对纯电动汽车(BEV)及燃料电池汽车(FCV)等新
受大气污染、温室效应等问题的影响，世界各国对汽车提出了进一步节能减排的要求。在该背景下，世界知名汽车制造商重点对纯电动汽车(BEV)及燃料电池汽车(FCV)等新能源车型开展了研发工作。出于缓解气候变化的目的，重点研究了大力推广氢燃料及FCV的可行性，并充分运用世界能源系统模型，指出了推动FCV普及进程的关键在于降低其成本。_
0 前言
气候变化已逐渐成为世界各国面临的重要问题。就未来应大力推广的车型而言，社会各界对行驶时不排放CO2的纯电动汽车(BEV)及燃料电池汽车(FCV)有着较高期望。对汽车动力总成系统的选择会对汽车零部件供应链及各国的产业结构产生较大影响，因此也引发了世界各国的高度关注。根据能源系统的优化及逐步降低CO2排放的观点，本文对汽车未来的发展前景进行了研究，并就FCV的推广可行性进行了相关分析。
近年来，日本政府率先于2017年制定了针对氢燃料的开发策略。自2018年起，由日本经济产业省举办了关于氢燃料的一系列技术研讨会。在2019年9月举办的第2次研讨会上，研究人员经商讨，发表了关于氢燃料与燃料电池的技术指导文件，并提出了发展目标。根据目标要求，各国政府需要在今后的10年间，确保在世界范围内建成的加氢站总数达到约1万处，应用于汽车及船舶等载运工具的燃料电池系统达到约1 000万台。为了有效利用氢燃料，预计各国政府将继续公布发展政策及行动措施。
氢燃料是1类二次能源，为了对其用作FCV燃料的技术可行性进行分析，研究人员需要综合考虑氢燃料的制备、供应与运输等方面的难点问题，并与BEV等竞争车型进行对比研究。当研究人员在进行综合评估时，不应忽略系统所涉及到的其他方面。例如，氢燃料并非只能用于车用动力系统，还可应用于发电及供热等领域。同时，氢燃料的来源较为广泛，并且受到世界局势的影响，研究人员在分析过程中应考虑到上述影响因素。作为相关研究手段，研究人员可通过计算机程序构建能源系统模型。
该能源系统模型可通过计算公式以表示相关构成因素间的关联性，例如可显示出将一次能源转换为二次能源的过程。按照该模型的特点，研究人员可将其分为2类，分别为自上而下型与自下而上型(倒置)。本文采用了能具体描述物理量平衡及技术层次的倒置型。该模型主要基于成本最小化的计算过程而设立，从而可对能源技术进行选择。
1 基于世界能源系统模型对FCV开展的评估
1.1 模型概括
相关研究人员在研究氢燃料及FCV时，按照详细的区域进行了划分，并开发出了世界能源系统模型(图1)。研究人员通过具有363个节点的网络来对其进行描述，并充分考虑到了能源供给系统、需求位置，以及联系二者的输送设备等因素。国内外的高校及研究机构开发出了各式各样的世界模型，由此为联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)等组织提供了参考依据。本研究模型的区域位置明显优于其他同类模型。
图1 通过“世界能源系统模型”设定的能源网络
如上文所述，在对氢燃料的评价过程中，研究人员需要考虑包括原料选择及运输基础设施在内的整个氢燃料供应链，通过提高图像清晰度，使具有较好发展前景的氢燃料及相应的运输体系成为可能，同时也需要精准地对整个氢燃料供应链的成本进行测算。研究人员为此设置了2类节点，分别为“城市节点”与“供应节点”(图1)。假设能源需要分布于城市节点中，研究人员由此对其他因素进行了充分考虑。
本模型可按照线性规划问题来进行处理，研究人员将分析区间设定为2015—2050年，并将目标函数设定为在分析过程期间经折算后的系统总成本，并将折算率设定为5%。全新的系统总成本由一次能源的生产、转换、运输、节能等方面构成。约束方程式中包括系统资源数量约束、能源供需平衡，以及CO2排放约束等方面，其中约束方程式的数量约为3.0亿个，涉及到的变量约为1.5亿个，是1类具有庞大规模的线性问题。模型化的能源、物质、技术明细，以及系统结构可参考文献。
就氢燃料的制取技术而言，研究人员可考虑采用气化法、甲烷改性法、石油气化法，以及水的电解法等制取技术。在通过煤、甲烷及石油等物质制取氢燃料时，会产生一定数量的CO2，研究人员为此设置了CO2回收装置，进而实现低碳化目标。
就氢燃料的输送技术而言，研究人员针对节点间的氢燃料输送管线与运输液化氢的船舶建立了相关模型。为应对氢燃料的消耗，研究人员考虑了如下3方面的因素：(1)将氢燃料用于发电设备领域；(2)将氢燃料用于车用动力领域；(3)将氢燃料用于工业生产及生活供热等领域。
就氢燃料用于发电设备这一领域而言，未来可能会出现与可再生能源、核能、化石燃料、火力发电等其他技术相互竞争的情况。当汽车以氢能源作为燃料时，也会出现与甲烷等燃料相竞争的情况。
按照动力总成系统的不同，研究人员将乘用车分为9类，将货车分为8类。同时，研究人员根据燃料特性的差异，针对4种填充设备也建立了相关模型(表1)。客户可在车辆价格、燃料成本与燃料填充设备成本的基础上对车型进行选择。
表1 被列为分析对象的汽车技术与燃料填充设备
就该模型中氢燃料的实际价格而言，研究人员可综合考虑原料供应成本与氢燃料的制造成本，并对氢燃料的运输成本进行计算，并且应考虑到面向氢燃料及相关技术的税收与补助金等因素。该特点会对其他能源及技术也产生同样的影响。研究人员可依据供应链的成本累积情况而推算出相应的能源成本。除去税费及补助金等理由，该项举措主要出于以下原因：(1)为了对成本进行核算，而开展纯粹的技术比对研究。(2)在整个分析过程中，研究人员针对税费、补助金体系的信息收集过程较为困难。此外，在中长期内，与能源、技术普及状况相对应的税收及补助金往往也会出现较大的变动。
1.2 针对仿真分析的前提条件
作为前提条件，本文论述了与汽车及燃料填充设备关联较为密切的项目。为阐明至2050年的燃料需求目标，研究人员以对每种燃料的需求为基础，由此进行了相关设定。不过，就汽车而言，研究人员可根据对不同燃料的需求进行区分，以满足相关的运输需求。
在世界各国，各地区为满足乘用车及货车在同一年内的燃料需求，可根据行驶里程等实际情况进行推算。2015年，全世界的汽车保有量为12.6亿辆，到2050年这一数据将增加至25.0亿辆。
图2及图3示出了未来整车成本的设定。假设全世界车型成本相对统一，以美元进行计算，研究人员在对未来车辆进行价格推算的时候，将各车型分解为相关设备，并累积了针对不同设备的成本推测值，同时将汽车的寿命设定为10年。
图2 对乘用车价格的设定
图3 对货车价格的设定
针对燃料填充设备的建设成本设定也需要实现统一。研究人员假设每处加油站耗资为100万美元，每处CNG供应站耗资150万美元，每台充电桩耗资70万美元。在分析期间，研究人员假设成本不会发生改变。2015—2030年间，假设加氢站建设成本会由300万美元降至200万美元，然后使每处加氢站维持200万美元的成本不变。由此需要一定数量的燃料填充设备，以便将政策目标作为研究基础。在研究人员的设定中，每900辆车与1处加氢站相匹配。同时，在估算过程中，研究人员将设施寿命统一设定为20年。
1.3 分析情况
研究人员运用本模型分析了“当前现状”与“至2050年使大气温度降低2 ℃的目标”。这2类情况的差异受由图4所示的CO2排放上限值的约束。在2015年，全世界源于能源消耗而产生的CO2排放量为8.8 GtC(1GtC表示燃烧10亿t炭产生的CO2排放量)。按照现有的政策趋势发展，到2050年，每年的CO2排放量可容许增加到12.0 GtC。为进一步实现至2050年使大气温度降低2 ℃的目标，到2050年，每年的CO2排放量必须要降至2.9 GtC。为满足当前提出的CO2减排要求，部分国家设定了明确目标，相比2015年的情况，2050年的CO2排放量必须减少80%。
图4 世界范围内对降低CO2排放进行的设定
1.4 计算结果
1.4.1 基于环境大气温度上升而对汽车技术的选择
图5~图7表示了在上述2种情况下，全世界的乘用车与货车的保有量及电源结构体系。在乘用车领域，由于受车辆价格降低的影响，乘用车的混合动力化及电动化已成为了最佳选择(图5)。相比之下，针对FCV 的最优方案仍在进一步开发中，但过高的整车价格已成为了制约其推广普及的重要障碍。图6为世界货车的保有量预测。为缓解大气温度的上升，整车实现电气化的优势较为明显。至2050年，BEV 将达到世界乘用车保有量的30%。图7所示的发电部门实现了大幅低碳化的目标(在世界总体范围内使CO2呈现“负排放”的现象)，按系统总体最佳的观点，研究人员认为结合发电部门的低碳化与乘用车电动化的策略优势最为明显。换言之，所谓CO2“负排放”是指从大气中回收CO2。如图7所示，其中可实现CO2回收、储存的生物质发电过程(CCS)是能有效实现CO2“负排放”的1项技术。目前，该项技术不确定性依然存在，研究人员需要重点解决该项问题。
图5 世界乘用车的保有量
图6 世界货车的保有量
图7 世界电源系统与发电产生的CO2排放量
按乘用车的分析结果(图5)，至2050年，以汽油为燃料的HEV将在乘用车中占据50%的份额。在本分析中，研究人员通过假设，使传统汽油车向HEV进行转换，并设定单位运输量的能源消耗可减少约40%。除了使其保有较好的燃油经济性之外，由于汽油HEV的车辆成本相对较低(图2)，所以就2050年而言，研究人员认为其依然具有较高的成本优势。
考虑到总保有量等问题，研究人员尚无法对BEV及FCV在货车中的应用前景得出结论，但就以柴油为动力的HEV型货车而言，相关研究人员认为这是1类可有效改善排放的对策(图6)。到2050年，燃用柴油的HEV型货车将占据货车总保有量的90% 左右。
BEV型货车及FCV型货车将作为全新技术，正在引起社会各界的关注。至2050年还有近30年的时间，各国政府依然可有效利用原有的石油供应基础设施及混合动力技术，由此向BEV型货车及FCV型货车顺利过渡。该项方案同样也可应用于乘用车领域。
1.4.2 扩大乘用FCV 普及范围
研究人员针对至2050年使大气温度降低2 ℃的目标与降低CO2排放的约束条件进行了研究。FCV型乘用车的燃料成本通常可分为5种情况(图8)，就车辆价格而言，有4种情况，因此其灵敏度分析过程共有20种情况。就燃料成本而言，研究人员按照氢燃料制取技术与液化氢运输过程的特点，选取2015—2050年的时间段，并设定了如下5种情况：(1)氢燃料价格不变；(2)氢燃料价格降低30%；(3)氢燃料价格降低50%；(4)氢燃料价格降低70%；(5)氢燃料价格降低90%。针对FCV车辆成本，研究人员认为，到2040年的成本将与图2中的设定相同，同时针对至2050年的要求，设定了以下4种情况：(1)FCV价格为2.7万美元/辆；(2)FCV价格为2.2万美元/辆；(3)FCV价格为2.1万美元/辆；(4)FCV价格为2.0万美元/辆。在此，研究人员假设车辆成本如情况3设定，到2050年，乘用FCV价格与BEV相近。如果研究人员以车辆成本情况4进行假设，到2050年FCV价格已降低到与燃用汽油的HEV相近的水平。相关研究表明，各国政府如要推动FCV型乘用车的普及进程，应考虑降低FCV的成本比降低氢燃料的供应成本更具效果(图8)。例如，在FCV采用标准价格及FCV价格为2.2万美元/辆的情况下，无论氢供应成本或高或低，引进的FCV 数量均会受到限制。在FCV价格为每辆2.1万美元及2.0万美元等情况下，依然可看出，即便氢燃料供应条件要求较高，未来仍有望引进约4.8亿辆FCV。在FCV型乘用车的全寿命周期中，车辆价格会起到支配性的作用，降低车辆价格有利于扩大FCV型乘用车的应用范围。
图8 全世界范围内的乘用FCV保有量灵敏度分析(至2050年)
2 总结
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作为应对不断变化的政策，本文介绍了推动氢燃料及FCV普及进程的可能性，同时基于详细的地区划分而建立起了世界能源系统模型，并由此得出了一系列研究成果。作为本文研究的主要问题，如为了扩大FCV型乘用车的普及范围，降低车辆成本已成为1项亟待解决的关键问题。
就推广FCV时所面临的主要技术问题而言，研究人员认为布设加氢站需要高额的投资，但车辆自身的成本也是1项重要问题。从总成本的角度来考虑，可知由于FCV成本较高，相应制约了其普及过程。如政府需要普及价格为每辆700万日元的FCV以替换预设价格为每辆250万日元的汽油型HEV，则购车时每辆车增加的成本为450万日元。在该情况下，推广1 000万辆FCV时所产生的成本为45万亿日元。同时，假设日本政府可通过建设加氢站(每处3亿日元)以替代传统加油站(每处1亿日元)，相应增加的经济成本为2万亿日元。由于整车成本与建设加氢站所需的成本相差较大，即便建设了足够数量的加氢站，普通消费者如果不能购入FCV，也就无法对氢燃料进行充分利用。正如上文所述，降低FCV的成本依然是1项较为重要的课题。
通过对以能源系统分析为基础的相关问题进行了讨论，本文研究了普及FCV的可能性。研究人员认为，推动FCV的普及进程，应充分解决车辆成本等方面的问题。在FCV的推广中存在许多制约条件，研究人员通过对相关条件进行研究，由此可对FCV的推广方案进行优化，具体可以从以下3个角度进行分析。
(1)购车消费者在选择车型时所带来的影响。在现实生活中，来自各阶层的消费者在购买汽车时，会对车型性价比进行综合考量，而本研究中未对此类因素进行重点考虑。续航里程较长且燃料填充时间较短是FCV的优势，将有利于其未来的发展。
(2)采用新技术及新服务。在本分析中并未考虑未来的共享服务及自动驾驶技术所带来的影响。当上述技术得以充分普及时，各汽车的续航里程及行驶时间会相应增加，成本相对较高的FCV也有其独到的优势。
(3)从经济角度进行考虑，本文提到的世界能源系统模型是1类仅以能源供需为研究对象的局部均衡模型。因此，先对车型进行选择会对社会经济总体及各工业领域产生一定影响。研究人员通过均衡性分析，能研究出FCV在附加价值产出领域的优势，以此为FCV的普及进程产生重要推动作用。
本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第3期
作者：[日]大槻貴司
整理：彭惠民
编辑：伍赛特
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