燃料电池汽车氢能系统的环境经济和能源评价.docx

燃料电池汽车氢能系统的环境 、经济和能源评价 燃料电池汽车氢能系统的环境 、经济和能源评价 冯 文 ,王淑娟 ,倪维斗 ,陈昌和 ,郑显玉 ( 清华大学热能工程系 ,北京 100084) 摘 要 :为了推动氢能系统评价工作的深入进行并为我国在近期发展燃料电池汽车氢能系统 (包括燃料电池汽车及其氢 源) 提供有价值的参考 ,根据现有的生产 、储存和输运氢的技术 ,设计了 11 种可行方案 ,运用生命周期评价方法对这些方 案的环境性 、经济性和能源利用情况进行了评价 ,得到了每种方案的分类环境效应指数 、氢气总成本和总能量利用效率 。 结果表明 ,综合指标最优的燃料电池汽车氢能系统方案是 :天然气集中制氢厂制氢 ,然后用汽车将装有氢气的高压钢瓶 输运到加氢站 ,加注给以氢气为燃料的燃料电池汽车 。 关键词 :燃料电池汽车 ;氢能 ;环境 ;经济 ;能源 ;评价 中图分类号 : T K91 文献标识码 :A 本文的研究意义有二 :一方面 ,本文为氢能系统 评价作出了标准的范例 ,有助于推动氢能系统评价 工作在我国的深入进行 ,并促进氢能系统在我国的 规模发展和我国能源系统的优化 ;另一方面 ,燃料电 池汽车能源转换效率高 、环保性好1 , 是未来汽车 的主要发展方向之一 ,本文确定了燃料电池汽车氢 能系统的最优方案 ,为我国制定燃料电池汽车氢能 系统的发展规划提供了有价值的参考 。 引 言 0 化石燃料的大规模使用具有潜在的严重后果 , 我们应该寻找一种新的 、清洁的 、可持续的以及本地 化的能源系统 。在这种背景下 ,以氢作为中间媒介 的能源系统 ———氢能系统逐渐引起人们的关注 。氢 能系统在其被人类社会认识和接纳的过程中 ,除了 要接受技术上的检验之外 ,还需要接受环境 、经济 、 能源等方面的评价 。自 20 世纪 70 年代起 ,一些国 家和国际机构已经开始针对氢能应用加以系统评 价 ,而在我国针对氢能的软课题研究 ,即氢能系统评 价才刚刚开始 ,本文的研究就是其中之一 。 本文的评价对象是一种具体的氢能系统 ———燃 料电池汽车氢能系统 。该氢能系统由燃料电池汽车 及其氢源基础设施构成 :燃料电池汽车以氢为燃料 , 是氢的终端利用系统 ;氢源基础设施是氢的生产 、输 运和加注系统 。本文首先根据生产 、储存和运输氢 的不同方法 ,设计出多种可行的燃料电池汽车氢能 系统方案 ,然后对这些方案的环境性 、经济性和能源 利用情况进行全面的评价 ,并选出最优方案 。 本文的评价方法是生命周期评价。生命周期评价 源于环境管理领域 ,现在已经发展成为一种“从摇篮到 坟墓”的、全面评价活动、产品或过程的环境性、经济性 和能源利用情况的有力工具。它包括四个步骤 :目标 定义和范围界定 ,清单分析 ,影响评价和改善评价。 1 方案设计 、初始条件和数据来源 1 . 1 方案设计 燃料电池汽车氢能系统按照氢的流动顺序在空 间上可以分为四个独立的子系统 ,从上游到下游依 次是 :制氢子系统 、输运子系统 、加注站子系统和终 端利用子系统 。各子系统可以采用不同的技术路线 来实现 ,将各子系统的不同技术路线组合起来 ,即得 到氢能系统的不同方案 。 根据现有的生产、输运和储存氢气的技术路 线2 - 9 ,并考虑到各子系统可供选择的设备10 和设 备间的配套与衔接 ,本文共设计了 11 种方案 ,见表 1 。 说明 :考虑到工业上峰 、谷电价不同 ,本文把水 电解现场制氢的技术路线分为全天和调峰两种模 式 ,即氢能系统方案 9 和 10 :全天模式每天工作 24 h (峰电) ,用电价格高 ,但生产一定量的氢需要的设备 少 ;调峰模式每天工作8 h ( 谷电) ,用电价格低 ,但生 收稿日期 :2002208203 基 金 项 目 : 国家高技术研究发展计划 ( 863 计划) 资助项目 ( 2001AA501986) 3 期冯 文等 :燃料电池汽车氢能系统的环境 、经济和能源评价395表 1 燃料电池汽车氢能系统的 11 种方案Table 1 3 期 冯 文等 :燃料电池汽车氢能系统的环境 、经济和能源评价 395 表 1 燃料电池汽车氢能系统的 11 种方案 Table 1 The 11 plans of t he hydrogen energy system about f uel cell vehicles 方案编号 制氢子系统 输运子系统 加注站子系统 终端利用子系统 集中制氢厂 :天然气蒸汽重整 集中制氢厂 :天然气蒸汽重整 集中制氢厂 :天然气蒸汽重整 集中制氢厂 :天然气蒸汽重整 集中制氢厂 :煤气化 集中制氢厂 :煤气化 集中制氢厂 :煤气化 集中制氢厂 :煤气化 加注站现场制氢 :水电解