从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设-ICCT.pdf

OCTOBER 2022 研究报告 从燃料氢全生命周期温室气体排 放视角看中国燃料电池汽车示范 城市群建设 周圆融 （国际清洁交通委员会) 张真、黎妍（中国电动汽车百人会） BEIJING | BERLIN | SAN FRANCISCO | SÃO PAULO | WASHINGTON www.theicct.org communications@theicct.org twitter @theicct 鸣 谢 我 们 在此诚挚感谢专家咨询团队（张永伟、陈建华、郝春晓、刘斌、王贺武、刘岱宗）为 本 次 研 究 所做 出 的贡献，感谢课题组成员（苗乃乾、云沚婷、张蕾蕾、李希成、张家斌、孙琪深等）对背景材料的收集 与 整 理 ，感谢 中国 汽 车 技 术研究中心 有限 公司 、 上海 燃料 电池汽车商业化促进中心、佛山环境与能源研 究 院 等 机构单位提供的帮助，同时感谢Chelsea Bal dino、 何 卉 、牛天林、Nikita Pavlenko和Felipe Rodríguez对本报告进行审阅并提供建设性意见。本报告中的内容仅代表作者的观点和立场。最后感 谢王若素协助对报告进行翻译。本 报 告 涉 及 的 示 范 城 市群及牵头城市的信息主要来源各示范城市群 的 示 范 目标与实施方案等公开信息、合作伙伴提供 的素 材、 课题 组的 实际 调研 ，因 为统计口径和时效 性 问 题， 可 能会出现信息错误或数据偏差，如若发现此类 问题 ， 欢迎指正。 Edited by Gary Gardner International Council on Clean Transportation 1500 K Street NW, Suite 650 Washington, DC 20005 communications@theicct.org | www.theicct.org | @TheICCT © 2022 International Council on Clean Transportation i ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 执行摘要 交通运输领域在中国温室气体排放中的占比约 10%，目前中国政府正在积极推 广燃料电池汽车（ FCV）和低碳燃料氢，以助力交通运输部门脱碳。 2020年， 中国财政部等五部委联合启动了开展燃料电池汽车示范应用的通知并征集符 合条件的示范城市群。在 2021年至 2022年 间 ，共 选 定 了 京 津 冀 、上 海 、广 东 、 河南和河北五个城市群开展示范，牵头城市分别是北京市、上海市、佛山市、郑 州市和张家口市。在此次示范项目下，每个城市群可获得最高 18.7亿 元 人 民 币（ 约 3亿美元）的资金，以支持燃料电池汽车和燃料氢市场的发展。 在该示范项目中，燃料氢的碳强度（ CI）是主要评价标准之一。针对燃料氢的碳 强度要求分为准入要求和奖励要求。准入要求是指示范城市群项目下使用的 燃料氢的碳强度需要低于 15 kgCO 2 /kgH 2 （相当于 125 gCO 2 /MJ），才 能 够 符合获得资金的资格。奖励要求是指示范城市群项目使用的燃料氢的碳强度 需要低于 5 kgCO 2 /kgH 2 （相当于 41.7 gCO 2 /MJ），符 合 该 要 求 的 燃 料 氢 视 为清洁氢，可以获得额外的奖励。显然，该规则的目的是鼓励低碳氢的生产和 使用，但当前的设计方案仍然存在一定的不足。首先，官方发布的文件缺乏碳 排放量计算方法的规定细则和指导，比如文件中没有具体定义碳排放的评估边 界；据相关管理部门的工作人员表示，示范项目对燃料氢碳强度要求仅考虑制 氢环节中的排放，也就意味着未考虑上游和下游的碳排放。此外，示范项目下 的两项碳强度要求的严格程度是否足以推动低碳氢在中国实现规模化可持续 发展也有待进一步研究。 在本研究中，我们对 11种制氢方式的碳强度进行了评估，并将评估结果与示范 城市群项目中规定的两项碳强度要求进行了比较。根据示范排 放边界，我们估算了制氢环节中所产生的二氧化碳（ CO 2 ）排 放 量 ；同 时 也 计 算 了 这 些 燃 料 氢 的 全 生 命 周 期（ well-to-wheel “油井到车轮 ”）温 室 气 体 排 放，以便更全面地了解燃料氢的气候影响。图 ES1中展示了本次研究的分析结 果 。在 11种制氢方式中，在准入要求方面，只有煤气化制氢在生产阶段的碳排 放超过了 15 kgCO 2 /kgH 2 ，不符合示范项目的准入要求。在奖励要求方面， 有四种制氢方式符合获得额外奖励的要求：（ 1）天然气制氢结合碳捕集与封 存（ CCS） 技 术 、（ 2） 填 埋 气 制 氢 、（ 3） 100%可再生电力水电解制氢以及（ 4） 平均电网水电解制氢。虽然从制氢环节来看，平均电网水电解制氢达到了奖励 要求，但从全生命周期温室气体排放角度来看，该制氢方式的碳强度是 11种制 氢方式中最高的，其温室气体排放量甚至比柴油还要高出很多。相比其它制氢 方式，平均电网水电解制氢对整个减排目标并未起到更加积极的作用。长远来 看，中国可再生电力在电力结构的占比正逐年攀升，电网水解制氢的碳排放 也会随之逐渐降低。然而，可再生电力的发展是一个循序渐进的过程，需要经 过长时的建设与发展，因此也决定了电网水电解制氢势必存在高碳排放的中间 过渡期。目前仅考虑制氢环节的碳排放，旨在鼓励实现水电解技术的规模化推 广和应用，但未来，也需要考量对社会带来的气候影响，以及燃料氢对交通部 门脱碳的实际意义。 ii ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 A ˜  SMR V 3È ï £È³Å _
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 ? –  SMR + CCS A ÿ? –  ³¬Á _ oa ¬Á _ Š V ¿  ¬Á _ ? –  SMR ¿Å _ + CCS J? ³ ¿ Ä Å _ Ü (È© £È³Å _ ²¸² ý 70% 公交 客车 16 1,811 10,000 200 465,000 79,160 张家口所在 城市群 c 357 90%公交 客车 8 2,900 7,710 86 200,000 40,000 郑州所在 城市群 223 • 100%公交 客车 4 1,100 ≥5,000 80 43,200 22,000 a. 北京城市群到示范期结束时的氢产能和加注需求是根据参与城市发布的发展规划估算而得。 b. 剩余的5%包括乘用车和邮政车。 c. 张家口城市群的氢产能和加注需求基于该城市群的申报信息。本报告撰写时，最终文件尚未发布，数据可能与官方发布的最终文件存在差异，。 4 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 表 2. 五个城市群制氢方式的现状和发展规划。注：由于缺乏参与城市的相关信息，示范期前的信息仅限牵头城市相关信息，示 范期后的信息来源于每个示范城市群的整体发展规划。 SMR=蒸汽甲烷重整。 示范期前 四年示范期结束 北京所在 城市群 上海所在 城市群 佛山所在 城市群 张家口所 在城市群 郑州所在 城市群 oa¬Á _ 2.7% Š V ¿ ¬Á _ 9.3% Ü (È© £È³Å _ 4.5% J? ³ 5.3% ? – SMR 8.5% A ÿ? –  ³¬Á _ 45% V 3È ï £È³Å _
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24 .7% J? ³ 37% ? – SMR 63% oa¬Á _ 3.1% Š V ¿ ¬Á _ 0.9% Ü (È© £È³Å _ 0.1% A ˜  SMR 0.3% ? –  SMR 12.6% V 3È ï £È³Å _
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0. 3% J? ³ 82.7% oa¬Á _ 37.8% Š V ¿ ¬Á _ 13.1% ? –  SMR 49.1% Š V ¿ ¬Á _ 40% V 3È ï £È³Å _
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32 % A ÿ? –  ³¬Á _ 28 % A ÿ? –  ³¬Á _ 59% ? –  SMR 29% Ü (È© £È³Å _ 12% Š V ¿ ¬Á _
47 % J? ³ 2% oa¬Á _ 31% V 3È ï £È³Å _
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14 % Ü (È© £È³Å _ 6% ? –  SMR 70% Ü (È© £È³Å _ 30% Š V ¿ ¬Á _ 88% V 3È ï £È³Å _
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12 % Š V ¿ ¬Á _ 100% 5 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 在五个城市群提交的示范实施方案中，除了中央财政资金（奖励标准统一）外， 各示范城市所在省级和各市（区县）也计划提供财政资金，但各城市群设置的 资金配套类型及标准不尽相同。一种资金配套情况是城市群内鼓励按照不低 于中央财政奖励的 1： 1的资金配套，如上海城市群和郑州城市群。换而言之，假 如上海城市群因使用清洁氢而获得财政部提供的 100万元人民币的奖励，则上 海城市群的省级和地方政府也将为该区域投入至少 100万元人民币的奖励。另 一种类型的资金奖励方案则是在不与中央奖励挂钩的情况下实施的，如广东 城市群。对于广东省内的参与城市，根据广东省统筹安排，示范期内省、市、县 （区）三级财政资金预计共投入 43 亿元人民币；广东省外的参与城市，则自行 设置地方财政配套。 根据每个城市群的总体资金计划，牵头城市和参与城市会相应制定其地方资 金分配的规则，重点分为两个领域：即燃料电池汽车推广和加氢站运营。表 3列 出了一些牵头城市所采取的财税支持规定。但是各个参与城市会根据自身实际 情况出台本地区的奖励政策（更全面的奖励规划清单详见本报告附录部分）。 表3. 五个牵头城市在燃料电池汽车整车和加氢站的市级财政补贴政策。资金提供对象包括 燃料电池汽车车主、燃料电池汽车生产企业和加氢站运营商。 针对燃料电池汽车推广应用 针对加氢站 北京 • 轻型车每行驶1 万公里可获得 3000元人 民币 a ； • 重型车每行驶 1万公里可获得 1万元人民 币。 • 为日加注量大于等于 1000千克或大于等 于 500千克的加氢站提供两个档位的补 贴。 上海 • 为年行驶里程大于 2万公里的卡车和公交 客车提供以下年度补助 b ： • 车辆质量 12-31吨的车辆每辆最高 5000 元人民币 ； • 车辆质量大于 31吨的车辆每辆最高 2万元 人民币 ； • 每辆公交客车最高 1万元人民币 。 • 最高补贴加氢站投资成本的 30%； • 如果氢气零售价格小于等于 35元人民 币 /千克， 2021年可提供 20人民币 /千克 的补贴， 2022-2023年为 15人民币 /千 克， 2024-2025年为 10人民币 /千克。 佛山 • 根 据 车 辆 类 型 ，每 辆 车 6000-11500元人 民币。 • 日加注能力大于等于 500千克的加氢站 可获得 100-250万元人民币 /站的补贴。 张家口 • 日加注能力 200-500千克的加氢站可获 得 400万元人民币 /站 的 补 贴 ；日 加 注 能 力大于 500千克的加氢站可获得 800万 元人民币 /站的补贴。 郑州 • 补贴燃料电池汽车生产企业销售收入的 5%。 • 补贴加氢站投资成本的 50%。 a. 轻型车指车辆质量小于4.5吨的车辆；重型车指车辆质量大于等于4.5吨的车辆，含公交客车。 b. 最多提供3年至2025年底。 除了资金奖励措施外，入选的城市群还计划在部分城市通过其他非财政激励 政策来加快推动燃料氢生产和燃料电池汽车的应用。例如，根据规定，中国的 制氢厂必须位于化工园区内，这对燃料氢规模化生产和应用造成了较大的发 展障碍。目前已经有部分省市政府为在化工园区外建设的燃料氢生产提供了绿 色通道。例如，河北的风电制氢厂和佛山市的制氢加氢一体站，都可以不受限 于在化工园区内生产的规定。此外，广东省和张家口市还通过优惠电价的方式 来激励水电解制氢，两个地区分别将电价上限限制在 0.26元人民币 / kWh和 6 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 0.36元人民币 /kWh，从而降低水电解制氢的成本。此外，许多主要城市设置 了交通限行规定，但淄博、天津等多个城市已经为燃料电池汽车提供了道路行 驶方面的特权。 尽管中国已经从国家和地方层面在推动氢能和燃料电池汽车应用方面做出了 许多努力，但我们发现，现有政策大部分是为燃料电池汽车的生产和应用提供 支持，而针对燃料氢生产，特别是低碳氢生产的政策则很少。根据示范项目的 设计，示范城市群推广燃料电池汽车可获得的资金要远远大于推进燃料氢可 获 得 的 资 金（ 分 别 为 15000积分和 2000积分）。然而，燃料氢的成本对于燃 料电池汽车的拥有总成本而言是非常重要的影响因素 (Mao et al., 2021)。同 时，燃料氢的碳强度也是决定交通领域低碳化进程的关键。 当前，燃料电池汽车示范城市群项目为燃料氢设定了碳强度的准入要求，并 为清洁氢设定了可以获得额外资金的碳强度奖励要求，但却缺少关于示范城 市群如何实施这项政策的关键细节。一方面，此次示范项目并没有出台燃料 氢的排放测量指南，官方文件中也没有规定碳排放评估的系统边界 (财政部 , 2020)；根据相关管理部门的工作人员表示，示范项目所设定的碳强度仅限于 制 氢 环 节 的 二 氧 化 碳（ CO 2 ）排 放 ，并 不 包 括 原 材 料 的 上 游 排 放 、以 及 燃 料 氢 储 运和应用端的下游排放。另一方面，对示范城市群氢能碳排放的计算、审核和 评估方法也有待确定。目前中国唯一有关氢能碳排放评估和认证的标准是于 2020年生效的团体标准 T/CAB 0078-2020《低碳氢、清洁氢与可再生氢的 标准与评价》，除此之外尚未制定相关的国家标准。 T/CAB 0078-2020标准 提供了一些排放量测量方面的指导，包括系统边界和审核要求。此外，该标准 中还基于温室气体排放量对低碳氢、清洁氢和可再生氢进行了定义（表 4） ( 中国产学研合作促进会 , 2020)。虽 然 T/CAB 0078-2020标准中对于低碳 氢和清洁氢的排放定义与示范城市项目下的两项燃料氢碳强度要求相似，但 前 者 包 含 了 其 它 温 室 气 体 排 放（ CO 2 、甲 烷 和 氧 化 亚 氮 ），而 示 范 城 市 项 目 中 仅 包括 CO 2 排放。由于缺少官方指定的燃料氢碳排放评估方法，目前尚不知示范 项目将使用哪项标准。 表 4. T/CAB 0078-2020标准下对于低碳氢、清洁氢和可再生氢的定义 燃料氢生产环节的 温室气体排放限值 （kg CO 2当量 /kg H 2 ) 燃料氢生产环节的 温室气体排放限值 （g CO 2当量 /MJ） 低碳氢 14.51 120.92 清洁氢 4.9 40.83 可再生氢（制氢所使用的能源为 可再生能源） 4.9 40.83 此项研究的主要目的是通过评估中国不同制氢方式的碳强度，为示范城市群 项目的政策制定者提供燃料氢碳排放方面的建议。具体而言，我们评估了 11种 制氢方式的温室气体排放量，以及示范城市群项目为支持中国低碳氢经济发 展方面所发挥的作用。本次研究的结果指明哪些制氢方式可以满足示范城市 群项目所设置的 15 kgCO 2 /kgH 2 的 准 入 要 求 ，以 及 5 kgCO 2 /kgH 2 的奖励要 7 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 求。在本报告接下来的章节中，我们将对北京、上海和佛山三个示范城市群的 燃料氢市场情况进行案例分析。随后，我们会介绍欧盟和美国在支持低碳氢方 面的政策和经验。最后，基于评估结果和国际经验，本报告致力于寻找能够提 供最大脱碳潜力的制氢方式，并为中国提出规模化商业化发展低碳燃料氢的 政策建议。 8 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 中国燃料氢的温室气体排放 在本节中，我们将评估中国各种制氢方式的全生命周期温室气体排放情况。所 涵盖的制氢方式既包括现有技术，也包括一些可能将在短期内发展应用于示 范项目的制氢技术。在评估过程中，我们基于中国国情对相关参数进行调整。 本节首先对本研究的各种制氢方式进行介绍，然后介绍温室气体排放量评估 的方法论，并对不同制氢方式的温室气体排放结果进行评估、讨论其排放结果 产生的影响。 制氢方式 根据五个示范城市群的示范实施方案，我们选定了方案中提及、中国目前常见 或未来可能采取的 11类制氢方式，这些制氢方式包括： » 使用化石天然气进行蒸汽甲烷重整（SMR）制氢，附加或不附加碳捕集 与封存（CCS ）技术； » 使用生物质甲烷进行SMR制氢； » 煤气化制氢，附加或不附加CCS 技术 » 使用可再生电力或平均电网电力进行水电解制氢； » 甲醇裂解制氢; » 三种工业副产氢提纯：氯碱、焦炉煤气和液态天然气（NGL） 裂解副产氢。 这些制氢方式涉及中国目前已经应用或短期内计划投入的技术。当前，中国生 产的大部分氢来自煤炭（不同统计口径下，约 40%-60%）以 及 工 业 副 产 品（ 不 同 统 计 口 径 下，约 20%-30%）(中国电动汽车百人会, 2020)。其中，能够产生 气态氢作为副产品或关联产品 6 的 三 个 典 型 行 业 包 括 ：（ 1） 氯 碱 行 业 ；（ 2）钢 铁 炼焦行业，其产生的焦炉煤气含有 55%（ vt）的 氢 气 ；以 及（ 3）液 态 天 然 气 裂 解。 蒸 汽 甲 烷 重 整（ SMR）在中国也是一种比较流行的制氢技术。虽然大多数 SMR制氢现阶段主要使用化石天然气作为原料，但一些项目正在试点使用生 物质甲烷（来自填埋气）进行 SMR制氢。关于甲醇裂解制氢，虽然甲醇可以来 自多种不同来源，但在本研究中，我们假设甲醇均来源于化石天然气。 碳 捕 集 与 封 存（ CCS）技术目前在中国应用尚不普遍 (中国电动汽车百人会 , 2020)。然而，作为减少化石能源制氢所产生二氧化碳排放的一种方法， CCS 正受到越来越多的关注。因此，我们在本次研究中也评估了 CCS对于天然气制 氢和煤制氢的影响。国际上普遍将附加有 CCS的化石能源制氢称为蓝氢。 6 虽然全生命周期评估方法中没有正式定义，副产品和关联产品普遍被认为有所不同。副产品属于次级产品，与需求之间缺乏 弹性联系；而关联产品则是与主产品一样，是具有供应弹性的一次产品(ICF International, 2015)。 9 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 水电解制氢是一项新兴技术，在中国尚未大规模应用。目前可应用的电解槽主 要有碱性水电解槽、质子交换膜水电解槽以及固体氧化物水电解槽三种类型。 其中，碱性水电解槽是目前技术最成熟、应用最广的技术 (中国电动汽车百人 会 , 2020)。电力来源决定了水电解制氢的清洁程度。国际上通常将由 100%可 再生电力，比如风力和太阳能制取的燃料氢称为绿氢。在五个示范城市群的实 施方案以及中国其他多个省市的氢能规划中，可再生能源水电解制氢技术是未 来重点发展的制氢技术之一，因其决定了各行业的碳中和进程。绿氢生产商获 取电力的方式通常分两类：一类是分布式的可再生电力制氢，即制氢厂所用电 力不通过电网而是直接就近连接可再生电力；另一种是通过电网水电解制氢， 若当地电网并非 100%可再生电力，则电网水电解制氢就需要通过购买绿电证 书才能视为达到绿氢的条件。在实际生产中，绿氢除了要满足制氢电力 100% 来自可再生能源或具有绿电证书的要求之外，还应保证制氢所使用的可再生电 力的额外性，即可再生电力必须是在现有电力供应基础之上，根据制氢需求所 额外产生的发电量，而非从其他用途挪用到制氢的电力。否则，在挪用产生的 影响下，制氢所用电力的碳强度可视同于电网电力的碳强度（挪用后，用电缺 口由电网弥补）。目前，针对水电解制氢，中国是否可以通过分布式可再生电力 制氢，或是否要求采用具有绿电认证尚不清晰，难以确定不同企业的水电解制 氢的真实碳排放情况。因此，在本次研究中，我们评估了两种水电解制氢方式： （ 1）绿 氢 ，即 使 用 100%额 外 产 生 的 可 再 生 电 力 制 氢 ；（ 2）平均电网水电解制 氢，以代表使用非额外可再生电力制氢或使用电网电力制氢且不提供绿电证书 的情况。 方法论 在本次研究中，我们基于中国国情，对上述 11种制氢方式的全生命周期 “油井 到车轮 ”温室气体排放进行了评估。虽然示范城市群项目仅考虑了制氢环节的 排放，但对燃料进行全生命周期温室气体排放分析可以更全面的了解燃料所 带来的整体气候影响。 “油井到车轮 ”全生命周期包含了原料获取、燃料生产、 燃料储运、以及燃料使用环节的排放。图 1展示了示范城市群项目与本研究所 开展的全生命周期评估之间的系统边界差异。原料的上游排放对于燃料的生 命周期排放至关重要；根据原料的不同，这些排放可能包括例如天然气开采、 加工和运输。此外，燃料生产后的储运环节也会造成排放，例如氢气压缩或液 化。虽然气态氢和液态氢都可以用于交通部门，但本研究仅评估气态氢。就使 用阶段而言，燃料氢所产生的温室气体排放量为零。为了具体了解哪些燃料氢 可以满足示范城市群项目的要求，我们也评估了燃料氢生产环节的碳排放。 ³ †b/³ †b USì g •[ “ o²ÝžÚ }p † 3
Û ù ð‹ 4 | —  _ 3Á —  _â ê —  _ P¨ð‹ ) Øð‹  { —  _ { 图 1.本研究所开展的全生命周期评估与示范城市项目之间的系统边界差异 10 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 除了上述边界差异，示范城市群项目下对燃料氢的碳强度要求只考虑了 CO 2 排放，而在本次研究中，我们还纳入了另外两项温室气体，即甲烷（ CH 4 ）和 氧 化 亚 氮（ N 2 O）排放，以更加全面的了解燃料氢的整体气候影响。 CH 4 和 N 2 O 的气候影响作用都要大于 CO 2 ，我们采用了联合国政府间气候变化专门委员 会（ IPCC）在第五版评估报告中所提供的全球变暖潜能值（ GWP）来 将 这 些 温室气体的影响换算为 CO 2 当量。各类温室气体的寿命周期存在差异且短期 和长期影响也有所不同，在本报告中我们采用了 100年 时 间 框 架 ，即 GWP- 100值。 在本次研究中，我们使用了阿贡国家实验室发布的 GREET模 型（ 交 通 温 室 气 体、常规污染物排放以及能源消耗量模型）来对不同制氢方式的碳强度进行评 估 (Argonne National Laboratory, 2020) 。 GREET模型可以提供一个综 合性架构，用以对不同类型的交通燃料进行全生命周期排放评估。作为一个以 美国产业数据为基础的模型， GREET被 用 在 多 个 美 国 燃 料 政 策 中 。此 外 ，该 模 型能够提供修改假设条件和输入参数的灵活性，因此我们通过纳入中国的区 域数据对模型进行调整，从而使其更好地反映出中国生产燃料氢的情况。 通过查阅文献资料，我们在 GREET模型中更新了中国煤炭和天然气的上游 排 放 量（ Luo et al., 2017; Qin et al., 2017; Gan et al., 2020; 生态环境 部环境规划院等， 2022）。由于电力结构不同，中国各个地区电网电力的碳强 度因地区而异，我们从国家统计局（ 2022）收 集 了 中 国 大 陆 31个省级地区在 2021年的区域电网构成数据，并将收集的数据输入 GREET模 型 。在 国 家 层 面上， 2021年中国电网的平均电力来源包括 71%的化石燃料发电、 5%的核能 发电和 24%的可再生电力。中国不同地区的电网结构差异很大；例如，化石燃 料 占 比 在 上 海 电 网 结 构 中 最 高 ，达 到 了 98%，而 在 西 藏 电 网 结 构 中 占 比 最 低 ， 仅为 4%（国家统计局， 2022）。另外，我们也在模型中修改了生物质甲烷的参 数。根据示范城市群发展规划，我们假设用于制氢的生物质甲烷全部来自于垃 圾场填埋气。为了评估填埋气的碳强度，我们假设中国目前收集 20%的填埋气 用 于 火 炬 燃 烧 ，其 余 80%则 释 放 到 大 气 当 中（ Cai et al., 2018）。而 在 收 集 填 埋气用于制氢时，我们假设收集率为 75%（ 技 术 上 可 行 ）（ Mintz et al., 2010） 。换而言之，收集填埋气用于制氢可以避免现有填埋气释放到大气中所产生的 甲烷排放。 除了在 GREET模型中根据中国实际情况修改上游排放参数以外，我们还调整 了氢气生产和运输的环节参数。特别是我们修改了化石能源制氢附加 CCS所 捕集的 CO 2 量。以往研究发现在常规工业操作下，目前对制氢过程中所产生的 CO 2 的捕集率仅为 55%（ Zhou et al., 2021）。因 此 ，我 们 将 GREET模型中默 认的 CO 2 捕集率从 90%调整到了 55%，以 便 更 好 地 反 映 现 实 情 况 。尽 管 中 国 已 存在管道运氢方式，但由于造价较高，管道运输在短期内难以成为非常普遍的 燃料氢运输方式（中国电动汽车百人会， 2020年）。根据入选示范城市群提交 的示范期实施方案，目前及未来短期内长管拖车运氢是燃料氢的主流运输方 式。因此，我们在 GREET模型中将燃料氢的默认运输方式从管道运氢调整成 11 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 了柴油长管拖车运氢，并根据实际生产情况以及示范城市群规划信息，暂假设 加氢站与制氢厂的距离在 50公里左右。 相比其它制氢方式，工业副产氢的碳排放核算较为复杂，主要是源于对其上游 生产排放可以采用各种不同的假设条件和方法论。大体上，主要有两类方法对 工业副产氢的全生命周期排放进行评估：分配法和系统扩展法。分配法会将与 既定产品工艺（即制造氢气作为副产品的工艺流程）相关的温室气体排放量， 根据各个产品的物理性或经济特性（如产品的能量含量、质量、或市场价值） 来 进 行 分 配（ ISO， 2006）。而系统扩展法则是评估将作为副产品的氢能从现 有用途转移到燃料电池汽车市场所带来的温室气体排放量的变化。这种方法 会考虑在改变副产氢用途中所带来的整体环境负担变量，并将这部分变量作 为副产氢的排放。在本报告中，我们将系统扩展法作为主要情景分析。根据美 国最常见的工业实践， GREET模型假设副产氢及其他副产气体的现有用途为 现 场 燃 烧 ，以 满 足 工 厂 的 能 源 需 求（ Joseck et al., 2008； Lee et al.,2017 ； Lee & Elgowainy， 2018）。而如果将副产氢转移到交通领域使用，美国工 厂普遍会用天然气来替代被转移的氢气以弥补能源需求。然而，中国的企业可 能对副产氢有不同的用途或是采用不同的做法来取代被转移的燃料氢。因此， 我们也采用了不同的分配方法来对工业副产氢的温室气体排放敏感性进行分 析。但此研究中所用的参数都基于美国工业情况，要想获得更具代表性的中国 工业副产氢排放评估结果，则需要对相关行业进行详细研究。 在本报告后面的章节中，我们将使用研究计算的 CO 2 和温室气体排放量来对北 京、上海、佛山三个示范城市群的氢能产业整体碳强度进行案例分析。 结果与讨论 在本节中，我们对中国 11种制氢方式的全生命周期温室气体排放进行了逐一评 估。为了评估哪些制氢方式符合示范城市群项目设定的碳强度限值，我们还单 独测算了制氢环节的 CO 2 排放量来进行比较。对于平均电网水电解制氢，我们 基于全国平均电网以及不同地区平均电网的情况来展示其排放量。对于工业副 产氢，由于可以采用不同的全生命周期评估方法，我们将在后文中展示系统扩 展法和分配法下的温室气体排放范围。 图 2展示了每种制氢方式在制氢环节的 CO 2 排 放（ 单 位 ： gCO 2 /MJ）和 生 命 周 期温室气体排放量估值 (单位： gCO 2当量 /MJ)。图中青色柱状表示制氢环节的 CO 2 排放量估值，橙色柱状表示全生命周期温室气体排放估值。这两者主要区 别 在 于 所 涵 盖 的 温 室 气 体 种 类（ CO 2 或 CO 2 、 CH 4 及 N 2 O）以及排放评估边界 （是否包括原料的上游排放和燃料氢运输和压缩的下游排放）不同。图 2中还 将制氢环节的 CO 2 排 放 量 估 值（ 青 色 柱 状 ）与 示 范 城 市 群 项 目 中 设 置 的 两 项 碳 强度要求进行了比较。黄色水平虚线为示范城市群项目 15 kgCO 2 /kgH 2 （ 125 gCO 2 /MJ）的碳强度准入要求；紫色水平虚线则表示 5 kgCO 2 /kgH 2 （ 42 gCO 2 /MJ）的清洁氢碳强度奖励要求，符合该奖励要求的清洁氢可以从示范 城市群项目中额外获得资金奖励。 12 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 A ˜  SMR V 3È ï £È³Å _
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Û ùÑ i 8 †b  Æ1 p ‚ ã1 p 图 2.中国 11种制氢方式的制氢环节 CO 2 和 全 生 命 周 期 温 室 气 体 排 放 ，采 用 GWP-100值 。平 均 电网水电解制氢是基于全国电网平均排放水平。工业副产氢排放评估采用的是系统扩展法。 为了了解车用燃料从化石燃料转向燃料氢的潜在气候影响，我们还在上图中 加入了中国汽油和柴油的全生命周期温室气体排放因子（最右侧橙色柱状）进 行比较，其中汽油的碳强度为 102 gCO 2当量 /MJ，柴 油 为 90 gCO 2当量 /MJ（中 国汽车工程学会， 2020年）。直接比较燃料的碳强度可能无法说明用燃料氢 替代石油的全部效果，因为内燃机汽车和燃料电池汽车的能效有所不同。当 考虑到车辆能效时，由于氢燃料电池效率比传统燃油车发动机效率更高，这就 意味着在消耗同等能量燃料的情况下，燃料电池汽车可以比传统燃油汽车行 驶更远的距离。在一些燃料政策中（例如加州的《低碳燃料标准》），会采用能 源 经 济 比（ EER）来比较各种动力系统下不同燃料的能源转化效率比。根据车 型，与内燃机车辆相比，氢燃料电池汽车的 EER通常在 1.3至 2.5之 间 。例 如 ， 燃料电池卡车与传统柴油卡车之间的 EER约为 1.3，也就是说在使用相同能量 的情况下，燃料电池卡车可以行驶的距离是柴油卡车的 1.3倍（ California Low Carbon Fuel Standard Regulation， 2020； Mao et al., 2021）。不 过 ，在 本次研究中，我们关注的是燃料生命周期单位能量的碳排放量，并未将车辆能 效纳入研究范围。 基于图 2中 所 展 示 的 结 果 ，表 5中直观显示了 11种制氢方式是否符合示范城市群 项目针对燃料氢生产环节所设定的碳强度准入要求和清洁氢奖励要求。 13 ICCT 研究报告 | 从燃料氢全生命周期温室气体排放视角看中国燃料电池汽车示范城市群建设 表 5. 中国 11种制氢方式是否符合示范城市群项目下的碳强度要求。平均电网水电解制氢是基 于全国电网平均水平。工业副产氢排放评估采用的是系统扩展法。 是否满足准入要求？ （15 kg CO 2 /kg H 2 ) 是否满足奖励要求？ （5 kg CO 2 /kg H 2 ) 天然气SMR 是 否 天然气SMR+CCS（蓝氢） 是 是 填埋气SMR 是 是 甲醇裂解制氢 是 否 煤气化制氢 否 否 煤气化制氢+CCS（蓝氢） 是 否 平均电网电力水电解制氢 是 是 可再生电力水电解制氢（绿氢） 是 是 液态天然气裂解副产氢 是 否 氯碱副产氢 是 否 焦炉煤气副产氢 是 否 根据示范城市群项目设定的碳强度要求，唯一不符合准入条件的制氢方式是 不附加 CCS的煤气化制氢。这一结论再次表明了中国不仅在电力部门，也应在 其他行业控制使用煤炭的重要性。为了在 2030年 前 实 现 碳 达 峰 目 标 ，中 国 政 府 发 布 了一 系 列 行 动 方 案 ，要 求 “十四五 ”时 期（ 2021至 2025年 ）严 格 合 理 控 制 煤炭消费增长， “十五五 ”时 期（ 2026年至 2030年 ）逐 步 减 少，尤 其 严 格 控 制 新 增 煤 电 项 目（ 国 务 院 ， 2021年）。在这种压力下，中国煤炭行业正在寻求煤炭 的非电力用途，并打算向制氢领域发展转型。有观点认为，即便氢气来自煤炭， 但由于氢燃料在使用过程是零尾气排放，也可以为环境带来正向影响。纵然这 一观点看到了煤制氢在使用环节的零尾气排放为当地空气质量和健康带来的 收益，却忽视了从全生命周期角度来看，煤制氢对整体气候造成的负面影响。 通过全生命周期排放评估，采用煤炭制取燃料氢并不是一种清洁能源，甚至会 造成比直接使用化石能源更严重的气候影响。 在此项研究所涵盖的 11类制氢方式中，只有四种制氢方式符合清洁氢的奖励要 求，分别是天然气重整制氢 +CCS（蓝氢）、填埋气制氢、可再生电力或电网水 电解制氢方式。不过，上述四种制氢方式在实际应用中都面临着一些障碍。其 中 蓝 氢（“ 煤 气 化 制 氢 +CCS”也属于蓝氢）所面临的问题是 CCS技术还在初期 发展阶段，前期投资较大，其成本可能比制氢自身的成本更高，因此不太可能 在短期内能规模化投入实际应用（中国电动汽车百人会， 2020年 ）。此 外 ，当 前制氢厂的实际平均碳捕捉率仅有 55%，若 碳 捕 捉 率 再 略 低 于 55%，则 蓝 氢 的 碳强度难以满足示范城市群项目的奖励要求。 填埋气（成为以甲烷为主）制氢和水电解制氢在制氢环节的 CO 2 排 放 都 是 零（ 图 2）。就填埋气制氢而言，制氢期间产生的任何 CO 2 排放与生物质原料吸收的 碳 所 抵 消 ，因 此 制 氢 环 节 CO 2 排放为零。而从全生命周期排放来看（图 2），填 埋气制氢有较大的负排放空间。这是由于收集填埋气进行制氢，避免了原本会 释放到大气中的甲烷的直接排放，因此视为温室气体负排放。需要说明的是， 如果未来填埋气收集操作变得