林婷1，吴烨1，2* ，何晓旖1，张少君3，郝吉明1，
2
( 1． 清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家联合重点实验室，北京 100084; 2． 国家环境保护大气复合污染来源与控
制重点实验室，北京 100084; 3． 康奈尔大学机械与航天工程学院，伊萨卡，纽约州 14853，美国)
摘要: 氢燃料电池车( FCV) 具有运行阶段高能效和零排放的优点，近年来得到快速的商业化发展． 氢能生产具有多种技术路
径，不同路径的能源和环境效益存在显著差异． 本研究采用生命周期评价方法，运用 GＲEET 模型对不同氢燃料路径下的
FCV 燃料周期( WTW) 的化石能源消耗和 CO2 排放进行了全面评价． 选取了多种制氢路径作为评价对象，建立了中国本地化
的 FCV 燃料生命周期数据库，在此基础上分析了 FCV 相对传统汽油车的 WTW 节能减排效益，并和混合动力车和纯电动车
进行比较． 结果表明，使用可再生电力和生物质等绿色能源制氢供应 FCV 能取得显著的 WTW 节能减排效益，可削减约
90% 的化石能耗和 CO2 排放． 在发展相对成熟的传统能源制氢路径中，以焦炉煤气制得氢气为原料的 FCV，能产生显著的节
能减排效益，其化石能耗低于混合动力车，CO2 排放低于混合动力车和纯电动车． 结合对资源储备和技术成熟度的考虑，我
国在发展氢能及 FCV 过程中，近期可考虑利用焦炉煤气等工业副产物制氢，并且规划中远期的绿色制氢技术发展．
关键词: 氢燃料电池车; 生命周期评价; 能源消耗; CO2 排放; GＲEET 模型
中图分类号: X24 文献标识码: A 文章编号: 0250-3301( 2018) 08-3946-08 DOI: 10． 13227 /j． hjkx． 201712113
收稿日期: 2017-12-15; 修订日期: 2018-01-25
基金项目: 国家重点研发计划项目 ( 2017YFC0212100，
随着城市化进程的加快，我国汽车保有量持续
增长，至 2016 年末，我国民用汽车保有量已增至
1. 94 亿辆［
1］，并预计在 2030 年持续增加至 3. 5 ～
5. 5 亿辆［
2］． 汽车保有量的急剧增长推动了我国石
油消费量的增长． 近年来，我国石油消费量与进口
量呈现逐年上升的趋势． 2016 年我国石油表观消费
量为 5. 56 亿 t，对外依存度超过 65%［
3］． 此外，汽8 期
林婷等: 中国氢燃料电池车燃料生命周期的化石能源消耗和 CO2 排放
车保有量的迅速增加也将导致二氧化碳( CO2 ) 这一
主要温室气体排放的增加． 根据 BP 能源统计显示，
2016 年我国 CO2 排放量为 91 亿 t，占全球总排放
量的 27. 3%［
4］． 其中，中国机动车排放的 CO2 占全
国排放总量的 10% 左右，这一比例在 2030 年将达
到约 20%［
5］． 中国承诺到 2030 年单位国内生产总
值( GDP) 的 CO2 排放量比 2005 年水平下降 60% ～
65%［
6］． 因此，提高车辆能效和推广新能源车是中
国控制机动车排放总量、保障国内能源安全和应对
全球气候变化的重要举措之一［
7］．
在各类新能源车中，氢燃料电池车( fuel cell
vehicle，FCV) 以其高能量转化率和行驶阶段零排放
的优点被认为具有广阔的发展前景，成为世界各大
汽车厂商及研发机构的研究热点［
8］． 按国际能源署
预测，2030 年 FCV 在世界汽车销量中的比重有望
明显提升，占比约为 2% ～ 3%［
9］． 近年来，我国不
断积极推动 FCV 的发展，在《节能与新能源汽车产
业发展规划( 2012-2020 年) 》提出: 燃料电池车、车
用氢能产业与国际同步发展［10］; 在《关于 2016-
2020 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》
提出，燃料电池车补助标准不退坡［11］; 《能源技术
革命创新行动计划( 2016-2030 年) 》提到: 到 2030
年，实现燃料电池和氢能的大规模推广应用，到
2050 年，实现氢能和燃料电池的普及应用［12］．
需要指出的是，尽管 FCV 在车辆运行阶段具
有零温室气体排放的优势，但在上游氢气生产过程
需要大量资源和能源的投入，可能产生显著的能源
和环境影响． 目前，工业制氢技术路径多样，不同
路径下的氢能生产阶段的能耗和排放特征也各不相
同［13］． 为全面准确评估 FCV 对能源和环境的影响，
采用生命周期评价方法分析不同制氢路径下的能源
消耗和 CO2 排放具有重要意义． 国内氢燃料电池车
的生命周期评价研究尚处于起步阶段． Dong 等［14］
和 Huang 等［15］都对不同以化石燃料为原料的氢燃
料路径下的 FCV 能源环境影响进行生命周期分析，
结果显示利用天然气制氢供应 FCV 在节能减排方
面最有优势． 冯文等［16］对不同制氢和供氢的基础
设施方案进行生命周期环境影响评价，发现天然气
集中制氢、管道输运的方案具有优势． 总体而言，
这些研究主要关注基于传统能源制氢的技术路径，
对电网低碳化和可再生能源的技术趋势关注较少;
并且，为了更好评估中国 FCV 的发展竞争力，需要
将 FCV 的能源环境效益同其他发展相对较快、技
术相对成熟的新能源车辆进行综合比较．
本研究在美国能源部阿岗国家实验室开发的
GＲEET 模型平台下，调研和构建了中国本地化的
FCV 燃料周期关键数据库． 研究选取了中国典型的
FCV 燃料路径，系统分析了 FCV 燃料生命周期能
耗和 CO2 排放特征，探讨了具有节能减排优势的
FCV 燃料路径，并同混合动力车和纯电动车进行比
较，以期为未来新能源车的发展及制氢路线的选择
提供科学依据．
1 材料与方法
1. 1 研究方法
1. 1. 1 生命周期评价方法
生命周期评价方法是一种对产品或服务“从摇
篮到坟墓”过程中特定指标的分析与评价． 车辆的
生命周期可分为燃料周期和材料周期［17］，燃料周
期( well to wheels，WTW) 分为两个阶段: 从油井到
油箱( well to tank，WTT) 和从油箱到车轮( tank to
wheels，TTW) ． 前者指的是从原料的生产到燃料的
加注，包括能源原料的开采、运输和储存和燃料的
生产、储运、分配过程; 后者指机动车运行阶段．
材料周期是指从汽车原材料的获取，材料加工和制
造，到汽车零部件的生产、车辆装配，最后到车辆
报废和回收的过程． 考虑到全生命周期的能源消耗
和温室气体排放主要集中在燃料周期( 占 70% ～
90% ) ［18］，而材料周期所占比重相对较小，本研究
重点关注燃料生命周期的探讨．
本研究主要基于美国能源部阿岗国家实验室开
发 的 GＲEET1 _ 2016 模 型 ( The Greenhouse gases，
Ｒegulated Emissions，and Energy use in Transportation
model) 进行车辆燃料生命周期分析． GＲEET 模型
被广泛应用于计算燃料和汽车生命周期能耗与排放
等数据． 该模型分别采用能量迭代法和碳平衡法计
算燃料生命周期的能耗和 CO2 排放［19］． 本研究中
输入 GＲEET 模型的本地化的关键参数主要来源于
调研数据及文献数据，包括电力构成、燃料生产过
程效率、燃料运输方式及距离和燃料经济性等关键
参数．
1. 1. 2 研究对象的选取
本研究关注不同路径下的 FCV 的能源环境影
响，包括利用传统能源制氢和可再生能源制氢，并
与 汽 油 车 ( gasoline vehicle，GV) 、混 合 动 力 车
( hybrid electric vehicle，HEV) 和纯电动车( battery
electric vehicle，BEV) 进行比较． 本研究将能源影响
的评价指标设为化石能源( 煤、石油、天然气) 消
7493环 境 科 学
39 卷
耗; 在减缓气候变化方面，分析不同路径下 FCV 的
CO2 减排效益．
本研究基于对中国资源储备及技术发展现状的
考虑，选取了 5 种典型制氢方法进行评价，包括电
解水制氢、天然气重整、煤气化、焦炉煤气提取氢
和生物质气化( 如表 1) ． 氢气可从一个集中生产氢
的工厂运输到加氢站，或在加氢站里小规模生产氢
气． 以电解水制氢为例，本研究既考虑在加氢站直
接利用电网电力电解水制氢，也考虑在可再生电力
丰富的地区利用清洁电力在工厂制氢． 若选择在工
厂制氢，则必须考虑氢能从工厂到加氢站的运输阶
段能耗． 研究以氢气经管道运输至加氢站作为基准
情景( 即气氢-管道) ，同时也考虑了将工厂制得的
氢气经液化后由卡车运输至加氢站( 液氢-卡车) ．
表 1 本研究评价的 FCV 燃料路径
Table 1 Fuel pathways of FCV evaluated in the study
原料 制氢方式 制氢地点 储存-运输方式
电网电力 电解水
加氢站 气氢/液氢
可再生电力 电解水
制氢厂 气氢-管道/液氢-卡车
天然气 水蒸气重整 制氢厂 气氢-管道/液氢-卡车
天然气 水蒸气重整 加氢站 气氢/液氢
煤
气化
制氢厂 气氢-管道/液氢-卡车
焦炉煤气 氢气分离 制氢厂 气氢-管道/液氢-卡车
生物质 气化
制氢厂 气氢-管道/液氢-卡车
表 2 总结了以上典型制氢方法的技术现状、成
本及适用阶段等情况［20］． 可再生氢气的制备技术
尚处于研究发展阶段． 利用传统能源制氢技术则普
遍成熟，且原料储备丰富，是近期仍需考虑的选
择． 天然气水蒸气重整( steam methane reforming，
SMＲ) 是目前最经济、运用最广泛的制氢方法，世
界上每年生产的工业氢气约一半来自天然气重
整［21，22］，但其对天然气的大量消耗意味着碳排放
和资源不可持续性［23，24］． 煤气化制氢则可以发挥
中国煤炭资源丰富的优势，其存在的主要问题依然
是碳排放较高［25］． 焦炉煤气( coke oven gas，COG)
是钢铁厂炼焦过程的副产物，含 54% ～ 59% 的氢气
和 24% ～ 28% 的甲烷，以及少量的一氧化碳( CO)
和 CO［2 26］． 中国拥有世界上最大的 COG 产量，然而
炼焦企业每年只回收 24% 的 COG，造成大量的能
源浪费和 CO2 排放［26，27］． 从 COG 中提取出氢气能
具有突出的资源优势和气候效益．
1. 2
WTT 数据
1. 2. 1 制氢原料生产阶段
电力: 电力构成和发电效率是影响电解水制氢
路径下的 FCV 燃料周期能耗和 CO2 排放的关键参
数． 利用电网电力制氢时，平均电力构成如表 3 所
示，基于 2016 年发电量数据计算得到［28］． 利用可再
生电力在制氢厂电解水制氢时，则认为采用来自于
当地 100%的清洁电力( 如水电和风电等) ． 此外，电
力构成也是影响 BEV 评价结果的关键参数，本研究