氢动力车辆在实际行驶条件下的环境影响的数值评估：基于真实驾驶循环与生命周期评价的氢内燃机乘用车温室气体排放分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Numerical assessment of the environmental impact of hydrogen-powered vehicles under realistic driving conditions

　　

气候变化对全球稳定构成重大威胁。为此，欧盟委员会推出了一揽子全面改革方案，旨在到2030年将温室气体（GHG）排放量相较1990年水平降低55%，并以2050年实现净零排放为总体目标。在实现这些气候目标最具前景的长期策略中，氢（H₂）的采用日益被视为关键能量载体，能够在广泛行业领域大幅降低碳排放。在此全球框架下，交通运输行业仍是GHG排放的主要贡献者，因而成为脱碳举措的关键目标。2021年，乘用车约占欧洲二氧化碳总排放量的16%。氢为该行业减排提供了两条主要路径：燃料电池技术[5],[6]与氢燃料内燃机（HICE）[7],[8]。HICE技术因与现有发动机平台兼容而具有显著优势，可在对现有发动机配置做最小改动的情况下实现较快采用。此外，氢具有高质量能量密度——超过汽油或柴油的三倍以上——并可以压缩气体或液体形式储存，从而具备并入现有天然气输配网络的潜力。尽管氢燃烧主要产物为水蒸气，但其所涉及的高火焰温度会导致氮氧化物（NO_x）的生成。尽管如此，诸如选择性催化还原（SCR）与废气再循环（EGR）等排放控制策略已被证明可将HICE系统中的NO_x排放降至近零水平[9]。氢燃料发动机能够在稀混合气条件下高效运行，从而通过调节空燃混合气组成在功率输出方面提供更高的灵活性[10],[11]。然而，氢的较低点火能量（空气中约为0.02 mJ，而汽油为0.29 mJ）以及更短的淬熄距离会增加早燃[12],[13]与回火的风险，尤其是在进气道燃油喷射系统中[14],[15]。这些挑战可通过多种策略有效应对，包括优化喷射正时、燃油喷射系统、气门与点火正时。此外，水喷射与EGR等技术已被证明可进一步缓解这些现象[16],[17]。此外，与其他气体燃料相比，氢具有更低的密度和更高的扩散性[13]。这些特性可促进燃烧室内的燃料-空气分层，尤其是在配备直接喷射（DI）系统的HICE中。由此形成的非均质混合气会导致氢浓度过高或过低的区域，从而对燃烧效率与稳定性产生不利影响。在DI HICE配置中，这种分层会导致不完全燃烧、失火与局部热点，进而升高NO_x排放并损害整体发动机性能[18]。尽管氢作为替代燃料具有可观潜力，但仍需持续研究以进一步提升发动机性能并降低NO_x排放[19]。针对汽油发动机的研究已表明，实施先进控制策略（如可变气门正时（VVT）[20],[21]与EGR[22],[23]）可显著提高燃烧效率并减少污染物生成。近期研究已开始将先进控制策略应用于氢燃料发动机。例如，Novella等[24]证明，在氢火花点火（SI）发动机中联合实施VVT与EGR可将热效率提高2.5%，同时将NO_x排放降低30%。这些发现凸显了将成熟的燃烧控制技术适配于氢基动力总成的潜力。与此同时，混合动力化已被证明是降低传统动力总成燃料消耗与排放的有效途径[25],[26]。例如，针对混合动力汽油车的研究报道，在与EGR策略结合时，WLTP驾驶循环期间可节省超过22%的燃料[27]。混合动力氢动力总成正日益被视为有前景的配置[28]，其利用电驱动优势并兼具氢的清洁燃烧特性。正如Boretti[29]所示，将氢内燃机集成到混合动力系统中，在适当优化时可进一步降低排放与能耗。此类工作反映了人们日益关注在实际且可规模化配置下评估氢推进技术的全部潜力[30]。尽管取得了这些进展，运行策略与排放约束对氢内燃机平台在实际工况下污染物生成的影响仍未得到充分研究[31]。此外，关于这些策略在车辆层面实施时如何影响整体能效与全球GHG排放，尤其是在真实驾驶条件下，仍缺乏全面评估[32]。因此，将真实驾驶数据与汽油基和氢基动力总成的生命周期评价（LCA）相结合至关重要，因为这可以进行公平的技术比较分析，并有助于识别最可行的长期技术投资以支持可持续性目标。尽管已有若干先前研究评估了动态驾驶条件下的生命周期排放，但氢技术往往未纳入这些分析。例如，Ternel等[33]使用基于WLTP的驾驶模拟对各种车型进行了LCA，报告汽油动力车辆的等效CO₂排放接近200 g CO₂ eq/km。其研究还强调，当使用生物压缩天然气（bioNGV）作为替代燃料来源时，全球变暖潜势（GWP-100）排放的油井到车轮（WTW）显著降低；然而，氢未纳入其分析范围。Pipitone等[34]的工作也存在类似局限，其在欧洲背景下对传统、混合动力与纯电动汽车进行了全面的LCA比较。其研究考虑了车辆生命周期内多个环境影响类别，并纳入了区域能源结构等情景变化。尽管该分析为不同电动化策略的权衡提供了有价值的见解，但氢仍未得到讨论，从而在评估其在交通脱碳中的作用方面留下了重要空白。相比之下，Elgowainy等[35]针对美国氢供应路径开展了LCA，主要面向发电应用而非交通运输。尽管其工作提供了能耗与排放的点估计，但其结论受到真实驾驶变异性、技术性能演变以及未来能源系统假设等因素所带来的相当大的不确定性影响。在欧洲背景下，已有若干研究探讨了氢作为替代燃料的环境影响。Desantes等[36]的研究使用估计的车辆燃料消耗与当时可用及预测至2050年的电力结构，比较了汽油与氢燃料内燃机概念，从而提供了对其环境性能的见解。然而，该研究未进行基于物理的车辆仿真，也未评估未来制氢情景。另一个例子是Molina等[37]的研究，其开展了从摇篮到坟墓的LCA，聚焦于交通运输行业从天然气向氢的逐步过渡。尽管具有相关性，但其方法依赖于由发动机级实验数据推导的车辆燃料消耗估计，且这些数据覆盖的特定工况范围较窄：在1500 rpm下发动机负荷介于4至10 bar指示平均有效压力（IMEP）之间。虽然这允许快速近似，但仅能有限地代表实际燃料消耗。这一局限性凸显了需要基于车辆层面数据开展LCA研究，以反映氢内燃机在真实驾驶条件下的运行。为填补这一研究空白，本研究使用了一个车辆模型，该模型纳入了此前按照类似流程获得的汽油与氢发动机的内燃机燃料消耗数据，这些数据基于经实验验证的仿真[27],[38]。该车辆模型用于模拟四种乘用车配置在真实驾驶条件下的性能：传统与混合动力汽油车，以及传统与混合动力氢车。随后，所得车辆燃料消耗数据用于完整的从摇篮到坟墓LCA，并纳入替代制氢路径的过渡情景。与以往研究不同，该方法能够对所选车辆的终身环境性能进行稳健且统一的评估，从而量化燃料类型、车辆混合动力化与制氢路径之间的相互作用。由此，本研究提供了关于未来氢供应情景如何影响乘用车生命周期GHG排放的见解。本文结构如下：第2节介绍所使用的数值工具，详述传统与混合动力总成所考虑的车辆模型。第3节描述所应用的方法，包括真实驾驶循环的生成、生命周期评价情景的定义以及系统边界与假设。第4节分析真实驾驶条件下车队燃料消耗与排放。最后，第5节从生命周期视角评估每种动力总成配置的环境影响，从而对氢、汽油与混合动力替代方案进行全面比较。

研究背景方面，交通运输行业是温室气体（GHG）排放的主要贡献者，2021年欧洲乘用车约占二氧化碳总排放量的16%。欧盟委员会提出到2030年相较1990年水平减排55%、2050年实现净零排放的目标，氢（H₂）被视为关键能量载体。氢内燃机（HICE）因与现有发动机平台兼容而具备快速采用优势，但氢的低点火能量与短淬熄距离带来早燃与回火风险，稀燃运行可提高效率并降低NO_x，而氢的低密度与高扩散性在直接喷射（DI）系统中造成分层，影响燃烧效率与稳定性。现有研究存在明显不足：Ternel等[33]的LCA未纳入氢；Pipitone等[34]的LCA同样未涉及氢；Elgowainy等[35]聚焦美国氢供应路径且面向发电；Desantes等[36]未开展基于物理的车辆仿真；Molina等[37]依赖窄工况范围的发动机级数据估计燃料消耗。因此，亟需基于车辆层面数据、反映真实驾驶条件的LCA研究。研究人员开展了如下工作：使用纳入经实验验证仿真的汽油与氢内燃机燃料消耗数据的车辆模型，模拟四种乘用车配置（传统与混合动力汽油车、传统与混合动力氢车）在真实驾驶条件下的性能，并将所得燃料消耗数据用于完整的从摇篮到坟墓LCA，纳入替代制氢路径的过渡情景。研究得出：氢的油井到油箱（WTT）排放在至少2040年前预计与汽油相近或更高；自2030年起HICEV的从摇篮到坟墓（CTG）GHG排放低于汽油车；蒸汽甲烷重整（SMR）路径的不确定性可能逆转其表观环境优势；混合动力HICE的收益受驾驶循环与制氢路径制约。该研究的重要意义在于提供了对所选车辆终身环境性能的稳健统一评估，量化了燃料类型、车辆混合动力化与制氢路径之间的相互作用，为识别最可行的长期技术投资提供依据。论文发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》。技术方法方面，研究人员采用零维（0D）车辆模型结合GT-DRIVE工具构建包含内燃机、电子控制单元（ECU）、驾驶员控制器、变速箱与车辆五个子系统的模型，内燃机子模型为基于图的燃料消耗模型，使用此前获得的优化性能图；混合动力模型为并联在线全混合动力（FHEV）构型，配备2 kWh电池组与50 kW电机，采用等效消耗最小化策略（ECMS）并由基于规则的控制约束荷电状态（SOC）窗口的能量管理策略（EMS）；驾驶循环为约96.5 km的往返真实路线，涵盖乡村、城市与高速公路段并纳入海拔变化；LCA基于GREET与Sphera Professional（GaBi）数据库，功能单元分别为1 kWh燃料能量、一辆车、150,000 km寿命，影响类别为100年全球变暖潜势（GWP-100）。研究结果方面，第4节燃料消耗与排放：混合动力化使汽油能耗降低约16.4%，比氢内燃机混合动力化多4.6%；汽油混合动力化消除了5 bar制动平均有效压力（BMEP）以下的工况点，集中于10 bar以上低制动比油耗（BSFC）区域；氢内燃机因稀燃在低负荷下效率较高，混合动力化仅降低氢消耗11.4%。第5.1节从摇篮到网关排放：汽油车因部件复杂度低而排放最低，2050年传统汽油车约5458 kg CO₂-eq，氢车高约1000 kg，氢混合动力车最高达6780 kg CO₂-eq。第5.2节油井到油箱排放：副产氢排放最高，区域电解使用可再生能源可达零排放，SMR+CCS SDS与SMR-沼气是仅有的可实现负排放的路径；2030年氢生产排放高于汽油，2040年氢排放更低，2050年在可持续发展情景（SDS）下WTT排放可能中性或负。第5.3节油箱到车轮排放：城市循环传统动力总成油箱到车轮（TTW）排放最高，混合动力化在城市循环收益更显著；氢燃烧不产生直接CO₂，但水蒸气排放约0.0005 kg CO₂ eq/kg H₂。第5.4节油井到车轮排放：电解主导情景下2030年氢较汽油降低约63%，2040年达89%，2050年计算排放为负；SMR主导情景2030年降低49%、2040年降低81%，2050年也为负，但不确定性更大。第5.5节从摇篮到坟墓排放：2050年电解主导情景下传统氢车CTG排放较汽油降低81%，SMR主导情景降低70%；SMR主导情景2050年综合循环接近零排放但不确定性更大；氢车对驾驶循环敏感性低于汽油车；2050年上界估计下氢混合动力车CTG排放可能高于传统氢车；2040年城市驾驶下混合动力化使氢车CTG排放分别降低17%（电解主导）与27%（SMR主导）。讨论部分总结：研究强调氢在交通脱碳中的潜在作用，需在燃料生产、排放控制与混合动力总成集成方面持续创新；负WTT排放不应被解释为SMR系统优于可再生电解，而是所采用的前瞻性H₂供应情景假设的直接结果，其中部分H₂由沼气基SMR耦合CCS提供，在应用LCA框架下可获得避免排放的信用；这些负排放估计的不确定性显著大于电解主导情景，可能逆转结论，需谨慎解读并考虑未来技术发展；从动力总成角度，所选并联在线全混合动力架构（2 kWh电池）在分析的驾驶循环下长期不能降低CTG GHG排放，因运行燃料节省不足以抵消电池、电机、电力电子等制造带来的额外环境负担，但在城市驾驶且氢生产碳强度未充分降低时该结论可逆转。研究结论翻译：本研究提供了关于氢在交通运输行业脱碳中潜在作用的关键见解，强调需要在燃料生产、排放控制与混合动力总成集成方面持续创新。研究在真实驾驶条件下评估了氢燃料内燃机（HICE）车辆的环境影响，并与汽油车进行比较，考虑传统与混合动力总成。分析基于一条96 km的单一驾驶路线，旨在代表典型欧洲行程，纳入城市与郊外阶段以及真实交通条件。主要发现可总结如下：LCA结果表明，使用氢作为燃料将在不久的将来降低传统乘用车的环境影响，特别是到2030年氢的油井到车轮（WTW）排放低于汽油的预测值，支持其作为脱碳替代方案的潜力，即使氢的油井到油箱（WTT）排放仍然较高；展望长期情景，结果表明在考虑的情景下以氢替代汽油作为内燃机燃料预计将产生负WTW排放与近零从摇篮到坟墓（CTG）排放，这一趋势主要由可再生能源、沼气与CCS技术的集成驱动，凸显氢对长期交通脱碳的潜在贡献；应强调本研究报告的负WTW GHG排放不应被解释为SMR系统性优于可再生水电解作为制氢路径的证据，而是所采用的前瞻性H₂供应情景假设的直接结果，这些情景基于欧洲路线图预测，其中部分H₂供应由沼气基SMR耦合CCS提供，在应用的LCA框架下该特定生产路径可获得相对于参考情景避免排放的信用，因此沼气基SMR耦合CCS的贡献可使整体H₂供应组合产生净负WTT GHG排放，即使水电解是主要生产路径；此外，这些负WTT排放将在SMR主导的制氢情景下导致2050年近零CTG GHG排放，此类结果可能导致SMR技术使用沼气具有更好环境性能的解读，然而这些估计的不确定性显著大于水电解主导情景下获得的估计，可能逆转该结论，表明需谨慎解读这些结果并考虑未来技术发展；最后从动力总成角度看，结果表明使用所选架构（配备2 kWh电池的并联在线全混合动力总成）对HICE车辆进行混合动力化在分析的驾驶循环下长期不会降低CTG GHG排放，因为混合动力化提供的运行燃料节省不能抵消电池、电机、电力电子与其他混合动力专用部件制造相关的额外环境负担，然而在更有利的驾驶条件（如城市驾驶）以及氢生产碳强度未充分降低时该结论可逆转，到2040年所选混合动力架构在城市驾驶条件下确实使氢动力车辆的CTG GHG排放降低17%–27%，这些结果因此表明混合动力HICE车辆相对于传统氢车的长期环境优势高度依赖情境，随驾驶循环、制氢路线与所考虑的具体混合动力配置而变化。