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.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）B E I J I N G|B E R L I N|SA N F R A N C I S CO|SO PAU LO|WAS H I N GTO Nwww.theicct.orgcommunicationstheicct.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 Baldino、何卉、牛天林、Nikita Pavlenko和Felipe Rodrguez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 GardnerInternational Council on Clean Transportation 1500 K Street NW,Suite 650Washington,DC 20005communicationstheicct.org|www.theicct.org|TheICCT 2022 International Council on Clean TransportationiICCT 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 kgCO2/kgH2（相当于125 gCO2/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 kgCO2/kgH2（相当于41.7 gCO2/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。根据示范城市群项目的排放边界，我们估算了制氢环节中所产生的二氧化碳（CO2）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 kgCO2/kgH2，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，电网水电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。iiICCT 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-500-400-300-200-1000100200300400填埋气SMR可再生电力水电解制氢（绿氢）天然气SMR+CCS液态天然气裂解副产氢氯碱副产氢焦炉煤气副产氢天然气SMR煤制氢+CCS甲醇裂解煤气化制氢平均电网水电解制氢汽油柴油工业副产氢gCO2当量/MJ制氢环节二氧化碳排放生命周期温室气体排放准入要求奖励要求图ES1.中国11种燃料氢制氢过程的二氧化碳排放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构成情况，工业副产氢采用系统扩展法进行评估。基于本次研究的分析结果，我们为中国在国家层面以及地方政府层面提供以下政策建议，希望这些建议可以为发展低碳氢市场提供一些思路。这些思路可以在示范城市群项目中采纳应用，也可以用于后续的各项燃料氢相关政策参考。1.为燃料氢设定相对严格的碳强度要求。具体可以通过以下方式实现：（1）扩大排放评估边界，涵盖燃料氢全生命周期“油井到车轮”的温室气体排放；（2）加强碳强度要求,可以参考欧美经验。例如，在欧盟的目标中，交通运输部门使用的燃料氢需满足全生命周期温室气体减排70%的要求，该要求相当于28 gCO2当量/MJ或3.5 kgCO2当量/kgH2的排放量。欧盟的这个要求比中国示范城市群项目下设定的清洁氢奖励要求限值或中国T/CAB 0078-2020标准中的“清洁氢”碳强度限值都更为严格。通过参考欧盟经验，中国可以制定更为严格并且符合中国实情的碳强度要求。虽然在发展初期中国很难设定像欧盟那样激进的目标，但中国仍然有必要对燃料氢实施更加严格的碳强度要求，以确保燃料氢能够相对于使用化石燃料更加低碳环保，实现交通部门温室气体减排的目标。2.要求水电解制氢提供绿电证书且不鼓励使用煤炭作为制氢原料。对于使用电网进行水电解制氢的生产企业，应要求其提供购买与电网使用量相匹配的绿电证书。煤制氢具有重大的气候风险，不鼓励使用煤炭作为制氢原料则符合向清洁燃料过渡转型的国家目标。3.为燃料氢建立强有力的碳核算、认证和审核体系。构建一套具有详细排放核算指南的体系是确保合规和避免虚假申报造成潜在气候风险的关键。此外，还需要针对水电解制氢制定强有力的认证和审核方案，以确保iiiICCT 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所使用的可再生电力是额外发电生产的，避免挪用当前已在使用的可再生能源。对于可再生能源，电力作为载体，其效率高于燃料氢作为载体。从能源的整体效率和消纳而言，只有保证制氢的绿电具有额外性，可再生能源水电解制氢才具备促进可再生能源消纳的意义。4.为低碳氢提供更大力度的财政支持。在示范城市项目下，用于燃料电池汽车环节的资金奖励是用于制氢环节的7.5倍。建议提供更多的财政激励用来扩大发展从全生命周期角度真正低碳的制氢方式，例如可再生电力水电解制氢（绿氢）。5.放宽对绿氢生产区域的限制。中国现行法规规定必须在化工园区生产氢气。这样的法规阻碍了低碳氢的规模化发展，因为在实际生产中，各地的化工园区和可再生能源资源在空间上的分布并不一定重叠。6.探索更多氢能产业的非财政补贴扶持政策。目前中国在氢能主要以补贴、税收优惠等财政补贴为主，此类模式往往能在产业发展初期发挥较好的激励作用，但从长期来看难以具备持续性。未来，需要在路权、通行便利等方面提高消费者的使用体验，以及通过配置营运指标、公共部门采购以及更新置换等强制性手段扩大需求，适当放宽在氢能产业用地、流程审批等方面的限制，丰富氢能的非财政补贴激励政策，促使相对单一的补贴为主的政策体系转向多元化。ivICCT 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目录执行摘要.i背景.1中国氢能发展概况.1燃料电池汽车示范城市群项目.1中国燃料氢的温室气体排放.8制氢方式.8方法论.9结果与讨论.11示范城市案例分析.17北京.17上海.19佛山.20国际氢能政策.23欧盟.23美国.23政策建议.25为燃料氢设定相对严格的碳强度要求.25要求水电解制氢提供绿电证书并控制使用煤炭作为制氢原料.26为燃料氢开发强有力的碳核算、认证和审核体系.27为清洁氢、低碳氢提供更大力度的财政支持.28放宽绿氢生产区域限制.29探索更多氢能产业的非财政补贴扶持政策.29结论.30附录.32参考资料.371ICCT 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背景中国氢能发展概况交通运输领域是我国碳排放主要终端部门之一，2020年，其碳排放量达到9.3亿吨，占全国终端碳排放的10%左右。因此，交通部门的脱碳情况影响着我国整个碳中和进程(中国电动汽车百人会,2020)。在 2030年前碳达峰行动方案 中明确提到，要推动运输工具装备低碳转型并积极扩大燃料氢等新能源、清洁能源在交通运输领域应用(国务院,2021)。未来，氢能替代燃油、天然气等高碳排放化石燃料，助力交通运输的低碳转型，将是中国交通运输行业的重要发展趋势之一。氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）提出，到2025年实现燃料电池汽车（FCV）保有量约5万辆的目标(中国国家发展和改革委员会,2022)。以氢燃料电池大巴汽车为基准，该规模预计可每年减少交通运输领域约三百万吨的碳排放。然而在2021年，中国燃料电池汽车保有量仅为8938辆(中国汽车工业协会,2022)，整体规模偏小，与5万辆的目标还存在较大差距，因此需要更多的激励措施推动氢燃料电池汽车的规模化发展。燃料氢可以由多种原材料、多种生产途径制得，包括电力、煤炭、天然气等等。各制氢方式的碳强度有所不同，因此选择真正低碳的燃料氢对交通部门低碳化发展至关重要。正因为此，中国正致力于推动绿氢的生产，也就是由可再生电力水电解制氢生产的氢气，具体目标是到2025年绿氢的年产量达到10万至20万吨(中国国家发展和改革委员会,2022)。同时，为了扩大燃料电池汽车的规模和低碳氢的使用，中国在2020年推出了燃料电池汽车示范城市群项目。燃料电池汽车示范城市群项目2020年，中国财政部等五部委1联合启动了组建燃料电池汽车示范城市群的政府工作(财政部,2020)。此次在城市群开展燃料电池汽车示范应用的工作由财政部牵头，旨在通过中央财政、地方财政以及企业资金的投入来提高燃料氢消费量、燃料电池汽车销量以及推进氢燃料电池关键材料和核心部件的研发创新，从而推动整个燃料电池汽车市场的规模化应用和商业化发展以及降低交通运输领域的碳排放。每个申报城市群由一个牵头城市以及若干参与城市组成。各城市通常具有氢能产业链的某个环节的产业优势，或具备氢源优势，或具有先进的关键零部件研发生产能力，或具有规模较大、品牌影响力较好的整车制造企业，或具有特有的下游应用场景。因此，每个城市群内能够建立从上游制氢到下游用氢的较为完备的氢能全产业链，形成较好的氢能产业集群。在示范城市群中，牵头城市主要负责总体的规划，包括制定城市群示范实施方案，进行城市群内各参与城市的任务分工。此外，牵头城市还需负责跟进各自城市群参与城市的工作实施进展，并向财政部进行工作报告。1 财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委、国家能源局。2ICCT 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四年的示范期内，每个入选城市群可从国家财政部获得最高18.7亿元人民币（约3亿美元）2，3的资金支持，资金定向用于支持燃料电池汽车和燃料氢市场发展。入选后，每个城市群都需要满足一些基本的门槛指标才能有资格获得资金拨付。例如，示范期内，每个示范城市群辖区内登记注册的燃料电池汽车至少应达到1000辆，且每辆燃料电池汽车每年的平均行驶里程必须超过3万公里；每个城市群在示范期内需要新建运营至少15座加氢站；每个城市群的车用燃料氢年产量须超过5000吨，并要求所使用的燃料氢的碳强度低于15 kgCO2/kgH2（相当于125 gCO2/MJ）4。除了满足以上准入要求外，各城市群还要通过积分评定来确定最终获得的资金。此次财政奖励的原则上是城市群每获得1积分可奖励10万元人民币（约1.5万美元）。其中，在燃料电池汽车推广应用环节，通过推广应用车辆技术和车辆数目，最高可获得15000积分；在氢能供应环节，最高可获得2000积分。两个环节都有具体的奖励标准。在整车推广方面，根据推广年份、燃料电池系统额定功率、车辆总质量等变量因素不同，其推广奖励积分也有所不同5。例如，获取奖励积分最高的是在2020年度推广的总质量31吨以上、燃料电池系统额定功率80kW（含）以上的重型货车，奖励积分可高达5.46分；而获取奖励积分最低的是在2023年度推广燃料电池系统额定功率50kW的乘用车或中小型货车，奖励积分仅0.9分。除了燃料电池汽车的推广之外，燃料电池汽车的关键零部件应用（技术水平和可靠性需经专家委员会评审通过）也能额外获得积分，上限为每款产品最多奖励1500分。在氢能供应方面，2020年至2023年期间，示范城市群在车辆上每加注使用100吨燃料氢可根据年次分别获得7、6、4、3分奖励积分。除此之外，如果加注的燃料氢属于清洁氢，即燃料氢的碳强度低于5 kgCO2/kgH2（41.7 gCO2/MJ），每100吨燃料氢可为示范城市群额外获得3积分；若燃料氢运输半径小于200km，奖励1分每100吨；如果城市群以每公斤不高于35元人民币（约5.4美元/kg）的零售价提供燃料氢，每100吨燃料氢可再额外奖励1积分。可以测算，2020、2021、2022、2023年若满足所有奖励积分，每100吨燃料氢可分别获得12、11、9、8积分，相当于每公斤氢气奖励12至8元人民币（约1.8至1.4美元）。此次示范项目共有19个城市群提出了示范申请。2021至2022年期间，五部委选定了其中的5个城市群，分别由北京、上海、佛山、郑州和张家口作为所在群的牵头城市（本报告附录中提供了五个城市群的完整城市名单）。为了确保示范城市项目的成功，作为申请材料的一部分，每个城市群必须制定一套全面的实施方案，其中应详细说明燃料电池汽车技术发展规划、燃料电池汽车推广数量和类型、加氢站建设和运营方案、氢源和安全保障措施、地方政府将为支持上述各项工作提供的政策支撑。本报告在表1和表2总结了选定的五个城市群中牵头城市的燃料电池汽车和氢能产业现状，以及四年示范期结束时各城2 本次研究假设1美元兑换6.5元人民币。3 燃料电池汽车推广资金上限为15亿人民币，氢燃料供应链推广资金上限为2亿人民币。在4年示范期结束后，根据专家评估结果，表现优异的城市群可以额外获得10%的资金奖励，共计18.7亿人民币。4 本次研究采用了氢气的低位热值（120MJ/kg H2）用于转化计算。5 具体积分方式可参见燃料电池汽车示范申报指南附件(财政部,2020)。3ICCT 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市群的发展目标。表1展示了燃料电池汽车和加氢站的数量、年加氢能力或需求、示范期后的制氢能力。表2展示了示范期前后制氢方式的构成变化。总体而言，每个选定的城市群都计划大幅增加燃料电池汽车的数量，特别是在重型车领域，同时计划增加加氢站的数量。另外，这五个城市群还计划增加燃料氢产量并拓展制氢方式的多样性。这些发展计划不仅针对牵头城市，也覆盖群组中的参与城市。在本报告后面的章节中，我们将会对各种制氢方式进行更详细的介绍。表1.五个示范城市群的燃料电池汽车和燃料氢产业现状和发展规划。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。示范期前四年示范期结束燃料电池汽车数量加氢站数量燃料氢加注能力(吨/年)燃料电池汽车数量加氢站数量燃料氢加注能力(吨/年)燃料氢加注需求(吨/年)北京所在城市群a700 78%公交客车 16%卡车 6%乘用车102,4405,3004995,00021,000上海所在城市群1,908 70%卡车 25%公交客车b164,0505,000 68%卡车 28%乘用车 4%公交客车7393,10013,800佛山所在城市群1,457 70%公交客车161,81110,000200465,00079,160张家口所在城市群c357 90%公交客车82,9007,71086200,00040,000郑州所在城市群223 100%公交客车41,1005,0008043,20022,000a.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，。4ICCT 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氯碱副产氢 2.7%焦炉煤气副产氢 9.3%平均电网水电解制氢 4.5%甲醇裂解 5.3%天然气SMR 8.5%液态天然气裂解副产氢 45%可再生电力水电解制氢（绿氢）24.7%甲醇裂解 37%天然气SMR 63%氯碱副产氢 3.1%焦炉煤气副产氢 0.9%平均电网水电解制氢 0.1%填埋气SMR 0.3%天然气SMR 12.6%可再生电力水电解制氢（绿氢）0.3%甲醇裂解 82.7%氯碱副产氢 37.8%焦炉煤气副产氢 13.1%天然气SMR 49.1%焦炉煤气副产氢 40%可再生电力水电解制氢（绿氢）32%液态天然气裂解副产氢 28%液态天然气裂解副产氢 59%天然气SMR 29%平均电网水电解制氢 12%焦炉煤气副产氢 47%甲醇裂解 2%氯碱副产氢 31%可再生电力水电解制氢（绿氢）14%平均电网水电解制氢 6%天然气SMR 70%平均电网水电解制氢 30%焦炉煤气副产氢 88%可再生电力水电解制氢（绿氢）12%焦炉煤气副产氢 100%5ICCT 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6ICCT 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（CO2）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（CO2、甲烷和氧化亚氮），而示范城市项目中仅包括CO2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 CO2当量/kg H2)燃料氢生产环节的温室气体排放限值（g CO2当量/MJ）低碳氢14.51120.92清洁氢 4.940.83可再生氢（制氢所使用的能源为可再生能源）4.940.83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 kgCO2/kgH2的准入要求，以及5 kgCO2/kgH2的奖励要7ICCT 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。8ICCT 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)。9ICCT 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。上游排放下游排放示范城市群项目“油井到车轮”全生命周期原材料提取燃料氢生产燃料氢压缩燃料氢使用原材料处理原材料运输燃料氢运输图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10ICCT 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CO2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（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放，以更加全面的了解燃料氢的整体气候影响。CH4和N2O的气候影响作用都要大于CO2，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CO2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CO2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CO2的捕集率仅为55%（Zhou et al.,2021）。因此，我们将GREET模型中默认的CO2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11ICCT 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，20