日前，bevictor伟德官网吳烨課題組與密歇根大學、福特汽車公司等機構合作，在能源領域著名期刊Renewable and Sustainable Energy Reviews在線發表題為《中國2017年和2030年氫燃料電池輕型車的生命周期排放、成本和資源可獲得性》（Well-to-wheels emissions, costs, and feedstock potentials for light-duty hydrogen fuel cell vehicles in China in 2017 and 2030）的研究論文。
氫能作為一種重要的分布式、高能量密度的儲能形式，能夠為交通能源的低碳轉型提供重要途徑，是交通系統實現碳中和的一項重要技術途徑。氫能可以促進風能等清潔電力的消納，實現跨區域能源傳輸，實現車輛行駛階段的零排放。中國風電裝機容量自2010年以來穩居世界第一，2019年累計并網裝機容量達210GW；然而，由于風能資源的間歇性、無規律性及遠距離電力傳輸的限制，目前出現了大規模棄風限電。2011至2018年期間，中國棄風電量累計215TWh。利用棄風電量生産氫氣，支持氫燃料電池汽車發展成為一個潛在解決方案。
研究系統考慮了可再生電力電解水、電網平均電力電解水、天然氣蒸汽重整、煤氣化、焦爐煤氣變壓吸附、生物質氣化等主要制氫技術路徑，構建了燃料生命周期的氫燃料電池輕型車溫室氣體和大氣污染物排放模型。研究結果顯示（圖1），除電網電力制氫路徑外，其他所有氫能路徑相比汽油車均可實現燃料周期溫室氣體和氮氧化物（NOx）減排。其中，利用可再生電力制氫可削減高達92%的溫室氣體、99%的揮發性有機物（VOC）、92%的NOx、78%的一次顆粒物（PM2.5）和80%的二氧化硫（SO2）排放。
圖1.2017和2030年中國氫燃料電池汽車、汽油内燃機汽車、混合動力汽車和純電動汽車的燃料生命周期溫室氣體、VOC和NOx排放
研究以内蒙古某風電廠的棄風電力制氫供給北京輕型乘用車作為實際案例，運用NetPresent Value模型計算了多組風能利用情景下的氫能生産成本。研究發現，僅利用棄風電力制氫的情景下電解槽産能有限，氫氣成本高。若需維持電解槽持續運行，需要棄風電力2倍的額外電力補充；若需電解槽達到最大産能，需要棄風電力8倍的額外電力補充。電解槽産能最大時，氫氣生産成本最低，在2017年和2030年分别為6.5美元/千克和5美元/千克，仍然高于傳統天然氣和煤制氫的生産成本（約1.4-2.6美元/千克氫氣）。
研究進一步分析了氫能需求、儲運方式下對氫氣運輸成本的影響特征，評估了不同路徑下氫燃料電池汽車的平準化駕駛成本（levelizedcost of driving,LCD）（圖2）。結果顯示，車輛購置成本為LCD的主要構成部分，而燃料成本占比較低。不考慮購置補貼的情況下，2017年氫燃料電池輕型車的LCD約為37-43美元/100公裡，而汽油車、混合動力汽車和純電動汽車的LCD分别為29、30和51美元/100公裡。今後，氫氣制造成本、運輸成本和氫燃料電池汽車購置成本将持續下降，上述車輛技術路線在2030年的LCD均在28-30美元/100公裡的區間，氫能在輕型乘用車領域有望實現和傳統汽車和電動汽車相當的經濟競争力。
圖2.2017和2030年中國氫燃料電池汽車、汽油内燃機汽車、混合動力汽車和純電動汽車的平準化駕駛成本（levelizedcost of driving, LCD）
研究評估了中國風能、太陽能、生物質、焦爐煤氣、天然氣、煤等制氫原料的資源可獲得性和分省分布（見圖3）。中國具有豐富的氫能資源可用于制氫，2017年的棄風電力、棄光電力和焦爐煤氣所能制取的氫氣可支持410萬、80萬和374萬輛燃料電池輕型車一年的運行。但是，氫能資源分布的地區差異性較大，在大多數風能、太陽能和焦爐煤氣資源不足的省份可以考慮使用少量（<3%）的天然氣和煤炭消費量制氫，足以支持當地超過5%的輕型車作為氫燃料電池汽車的運行。研究預測，2030年中國風電和光電産量将達到903和560TWh；若假設棄風/棄光率為3%，棄風、棄光電力将達到44TWh，其所能制得的氫氣可支持千萬輛級的燃料電池輕型車的運行。
圖3.中國可再生氫能資源（風能、太陽能、生物質）和傳統氫能資源（天然氣、煤、焦爐煤氣）分省分布
該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福特汽車公司大學研究項目、中華環保基金會和德國國際合作機構（GIZ）支持。bevictor伟德官网吳烨教授為通訊作者，bevictor伟德官网博士研究生何曉旖（現密歇根大學博士後）為第一作者，bevictor伟德官网魯玺副教授、張少君助理教授、MarkMelaina博士（訪問教授），福特汽車公司TimothyWallington博士、申威博士和密歇根大學GregoryKeoleian教授等在數據采集、建模分析和政策讨論中提供重要幫助。
論文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120307632
