替代燃料降碳潛力評估AssessmentoftheCarbonReductionPotentialofAlternativeFuels——氫燃料電池及氫燃料電池重型貨車碳足跡研究CarbonFootprintStudyofHydrogenFuelCellsandHydrogenFuelCellHeavyDutyVehicles圖源WPS稻殼資源庫免責聲明本報告由中汽碳（北京）數字技術中心有限公司與清華大學聯合發布，旨在助推氫能燃料電池的發展、催生洞見并促進交流。報告中發表的研究結果、解讀和結論是中汽碳（北京）數字技術中心有限公司與清華大學認可的合作成果，但報告中內容并不一定代表中汽碳（北京）數字技術中心有限公司、清華大學及其全體成員、合作伙伴或其他利益相關方的觀點。版權所有?中汽碳（北京）數字技術中心有限公司與清華大學。保留所有權利。不得以任何方式手段，包括影印和錄音，或通過任何信息存儲和檢索系統復制或傳播報告任何部分的內容。

目錄序言 1執行摘要 2氫燃料電池碳足跡研究 3研究方法 3研究結果 4搖籃到大門的溫室氣體排放評估 4上游材料生產與工廠能源消耗 4關鍵影響因素分析 6減排潛力與未來展望 7討論與啟示 7氫燃料重型貨車碳足跡研究 8研究方法 8研究結果 9碳足跡構成及影響因素 9減排策略與實施路徑 9關鍵發現及核心觀點 10挑戰與機遇 11對利益相關者的建議 13政策制定 13產業規劃 13科研方向 13參考文獻 14研究團隊 15致謝 16單位介紹 17序言在應對氣候變化與改善環境質量雙重挑戰的背景下，低碳替代燃料及其相關技術的研究與應用尤為重要。作為一位長期關注能源與環境的學者，我深知減少溫室氣體排放、推動能源綠色轉型的緊迫性和重要性。氫燃料電池作為清潔能源的關鍵技術，正逐步展現在重型車領域的減碳潛力和應用前景。氫燃料電池以氫能為燃料，具備高效率和強續航能力，具備在長途運輸和重載物流領域的替代潛力。氫燃料電池重型貨車不僅有效降低交通運輸行業的碳排放，還推動能源結構優化和產業鏈的綠色轉型。當前，全球氫燃料電池汽車市場正迎來快速發展期。其中，中國已成為氫燃料重型車推廣數量最多的國家，初步構建了涵蓋制備、儲運、加注等環節的氫能供給體系。多家車企也在積極布局氫燃料電池車市場，共同推動氫燃料電池汽車產業鏈的商業化落地。盡管如此，氫燃料電池技術的廣泛應用仍面臨氫氣生產成本、儲存運輸安全性和加氫站基礎設施建設等方面的問題，需要持續優化技術路徑，降低成本，提升性能。此外，如何準確從全生命周期的角度評估氫燃料電池及其重型貨車的碳足跡，也是當前亟待回答的問題。《替代燃料降碳潛力評估——氫燃料電池及氫燃料重型貨車碳足跡研究》的研究恰逢其時。本報告對于氫燃料電池技術在生產、運營、維護階段的關鍵因素及減排潛力進行細致的分析和系統的思考，形成中國氫燃料電池技術減排路徑建議，希望能借此報告給政策制定

者和產業界帶來一定參考和討論的基礎，并激發更多的研究和實踐，共同推動我國乃至全球的能源轉型和環境保護事業。讓我們攜手合作，為建設一個更加清潔、綠色、可持續的交通系統而努力。郝吉明中國工程院院士美國國家工程院外籍院士清華大學環境學院教授、博士生導師清華大學環境科學與工程研究院院長執行摘要氫燃料電池汽車是中國推動氫能產業高質量和大規模發展的重要應用領域，也是實現道路低碳化的重要途徑。然而，從生命周期的角度看氫燃料電池汽車上游生產階段的溫室氣體排放（GreenhouseGas，下文均使用GHG1)可能會抵消尾氣零排放帶來的效益。近年來，中國政府高度重視氫能產業的發展，國家發展改革委等部門發布的《關于大力實施可再生能源替代行動的指導意見》為氫能技術創新和產業化提供了明確指導，同時《能源法》的修訂及“氫高速”等項目的推進，進一步加速了氫能產業的布局與應用。在此背景下，本研究全面評估了中國典型乘用車氫燃料電池產品的碳足跡水平，并深入分析氫燃料電池技術在重型商用車領域的降碳潛力。識別其關鍵影響因素和降碳潛力，為政策制定、產

業規劃及科研方向提供科學依據。研究分為兩部分：一是乘用車氫燃料電池碳足跡研究。單個典型乘用車燃料電池產品系統從“搖籃”到“大門3”的溫室氣體排放量為59524kgCO2e/個，并有望通過社會系統性降碳、行業技術水平提升與企業減碳行動在2030年實現減排66。二是氫燃料電池重型貨車碳足跡研究。氫燃料電池牽引車全生命周期的溫室氣體排放量為同類柴油牽引車的74。敏感性分析顯示，氫燃料及車用材料的清潔程度對氫燃料電池牽引車的減排效果具有顯著影響。因此，亟需推進氫燃料電池車輛全鏈條減碳工作。注1：GHG包括如下7種溫室氣體：二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）、六氟化硫（SF6）、三氟化氮（NF3）。注2：“搖籃”即代表產品的誕生。注3：”大門“即代表產品制成出廠。. 氫燃料電池碳足跡研究1研究方法如圖11所示，本研究關注乘用車氫燃料電池“搖籃”到“大門”的GHG排放水平，系統邊界包括原材料開采、重點零部件運輸和產品裝配為核算重點，零部件生產過程的能耗和產品報廢不在本研究評估范圍內。在運輸階段，綜合考慮零部件的重要性、重量和運輸距離，僅考慮空氣壓縮機、氫氣循環泵、DC/DC升壓轉換器、膜電極材料、雙極板、端板和安裝架運輸導致的GHG排放。

在制造階段，考慮膜電極、電堆和燃料電池系統裝配過程的電耗和氫耗。本研究以系統功率為835kW統總成為202kg的一個典型乘用車氫燃料電池系統產品為研究對象，其雙極板為金屬板。研究采用中國本土材料和能源排放因子，數據來源于企業級調研、中國汽車生命周期數據庫（CALCD）coinventv38數據庫，應用中國汽車生命周期評價模型（CALCM）開展核算。圖1-1氫燃料電池碳足跡研究的系統邊界圖1-1氫燃料電池碳足跡研究的系統邊界本研究收集氫燃料電池產品的零部件及其材料的質量圖譜，拆分出了30個零部件和17種材料。如圖1-2（a）所示，燃料電池組和BOP系統1各約占總重量的一半，電堆的附件占電堆總質量的59。顯著提高了燃料電池材料圖譜的全面性和分辨率。

同時，本研究繪制了氫燃料電池的材料圖譜，如圖1-2（b）所示，通過材料圖譜，可清晰的看出在氫燃料電池中鋁的質量占比最高（47）；其次是鋼（27）、銅（9）和塑料（6）。注1：BOP系統為（BalanceofPlant）是指在氫能源系統中，除了核心設備外的輔助系統。圖1-2氫燃料電池材料圖譜（a.氫燃料電池零部件構成；b.氫燃料電池材料構成）圖1-2氫燃料電池材料圖譜（a.氫燃料電池零部件構成；b.氫燃料電池材料構成）2研究結果1.2.1搖籃到大門的溫室氣體排放評估通過計算，本研究中燃料電池系統產品“搖籃”到“大門”的溫室氣體排放量為5952.4千克二氧化碳當量（kCO2e）。燃料電池系統產品材料相關溫室氣體排放量見圖13所示。原材料采集和制造階段相關排放分別占總量的50.4和49.5，運輸階段的影響較小。

1.2.2上游材料生產與工廠能源消耗材料排放貢獻如圖1-3所示，鋁是最大的排放來源（45）。一方面，它在燃料電池中的廣泛使用、質量占比高；另一方面，電解鋁是高電耗過程，在當前的電力組合下，鋁的碳排放因子仍較高。鉑主要用于膜電極的催化層，是材料相關碳排放的第二大來源（41），主要源于排放因子較高。盡管質量比例低，但開采和冶煉階段GHG碳排放強度高[1]。鋼是燃料電池系統中的第二大材料，是雙極板的主要成分，是第三大排放源，占上游二氧化碳排放的4。銅、電子產品、電氣設備和塑料分

別占排放量的3、2和1。本研究發現，燃料電池堆的附件和BOP系統的附件分別占材料相關排放量的24和10。該部分的影響通常被以往研究所忽視。此外，本研究產品的雙極板采用金屬板路線，其與石墨板和復合板路線的評估結果具有一定差異。圖1-3燃料電池系統產品“搖籃到大門”的溫室氣體排放量圖1-4燃料電池系統產品溫室氣體減排潛力制造階段排放貢獻電力是整個制造過程的主要溫室氣體排放源（78）。燃料電池堆和燃料電池系統的生產過程需要氫氣投入用來激活和測試。本章節采用中國主流制氫途徑的溫室氣體排放因子，該水平下氫氣占制造階段GHG排放總量的22，相當于“搖籃到大門”總量的11。1.2.3關鍵影響因素分析重量功率比質量功率密度用于估計給定功率的燃料電池模型總重量，反映了整體材料

需求量。該數值在以往研究中具有較大差異，且早期文獻通常低估或忽略了輔助系統和電堆配件的質量，以往研究的質量功率密度比本研究中的實際數據低13-68[2-4]。鉑含量如圖1-5，以往研究通常基于技術可行性推斷氫燃料電池產品鉑含量，往往代表了先進實驗室水平，反映的是未來低鉑技術路線而非當前市場主流水平。本研究基于市場典型產品的實際數據高于以往研究所采用的鉑含量（0104g/kW）88圖1-5氫燃料電池鉑載量取值文獻和報告對比圖1-5氫燃料電池鉑載量取值文獻和報告對比[2-10]24減排潛力與未來展望2030年減排潛力本研究從社會系統性降碳（電力結構調整、大宗金屬降碳）、行業技術水平提升（催化層鉑含量下降）、企業減碳行動（產能轉移與優化供應鏈）三個視角探究了氫燃料電池的未來減碳潛力（如圖14所示）。短期內，企業減碳策略（EMS）預計可實現33的減碳潛力；綜合情景（E&SLMS）2030年可實現氫燃料電池的溫室氣體排放量減少66[11]。低碳戰略實施可能性中國的“雙碳”目標正在加速電力和排放密集型原材料的脫碳。這種系統性脫碳預計將有助于氫燃料電池原材料和制造過程相關能耗的碳排放減少。從行業層面看，氫燃料電池發展趨勢包括功

率密度提升以及低鉑、無鉑的燃料電池電堆設計，這些將有助于氫燃料電池系統材料使用量的減少。此外，國際貿易中越來越嚴格的碳足跡法規正在推動企業采取更多的減排策略，包括綠色供應鏈管理和產能轉移等，這已在動力電池領域頭部企業存在實踐案例。3討論與啟示為比較不同研究中燃料電池的生命周期影響，本研究采用了單位功率的影響進行標準化，發現本研究對氫燃料電池產品“搖籃”到“大門”的溫室氣體排放量評估為以往研究的1.2-7.8倍。這種差距主要來自于以往研究對制造階段能耗忽略或差異。關鍵參數如質量功率密度和鉑載量在現有研究中的取值存在較大差異。亟待開展更多實地調研，盡快建立具體場地數據庫，提高對氫燃料電池的行業水平的認識。. 氫燃料重型貨車碳足跡研究1研究方法本研究關注于氫燃料電池重型貨車生命周期碳排放水平，功能單位為每公里千克二氧化碳當量,核算邊界包括材料周期和燃料周期。材料周期重點考慮原材料開采、原材料加工、零部件生產、燃料電池裝配和車輛裝配，采用中國本土的材料排放因子和中國汽車生命周期評價模型（CALCM）[12]對氫燃料電池重型貨車材料周期碳足跡進行核算1。燃料周期包括氫燃料的生產、運輸、加注、使用環節，綜合考慮貨車使用地實際氫燃料產能結構、氫燃料運輸技術與距離、加氫站加注能耗與氫燃料泄露等環節展開對氫燃料電池重型貨車燃料周期碳足

跡的評估。氫燃料的溫室氣體排放因子與氫燃料生產工藝相關，需要結合車輛實際使用區域的氫燃料生產工藝占比開展碳足跡評估。本研究選取京津冀地區最大設計總質量49噸的氫燃料電池牽引車展開碳足跡評估。京津冀地區氫燃料主要來自工業副產氫提純（77）、電解水制氫（14）和天然氣重整制氫（9）于此計算京津冀地區加權平均溫室氣體排放因子13。注1：模型未考慮儲氫罐。2研究結果21碳足跡構成及影響因素本研究收集了20輛最大設計總質量49噸的氫燃料電池牽引車3個月的行駛數據，分析研究時間段內氫燃料電池牽引車的加氫、充電量及活動水平，開展氫燃料電池重型貨車碳足跡研究。研究中的20輛氫燃料電池牽引車日平均出行里程在60公里到270公里之間，工作內容以倒短運輸為主。選取車輛日出行里程150公里作為倒短運輸典型日出行里程，活躍天數比例設置為

90，得到車輛年出行里程約為4927公里。研究結果表明，假設氫燃料電池牽引車輛使用年份為5年，一輛49噸氫燃料電池牽引車的生命周期溫室氣體排放量為1.1kgCO2e/km。其中，燃料周期排放量為0.7kgCO2e/km，占64；材料周期排放量為88tCO2e，即0.4kgCO2e/km，占生命周期溫室氣體排放的36。2.2.2減排策略與實施路徑氫燃料電池牽引車相比于傳統柴油牽引車的減排效果具有較大的不確定性。研究表明，柴油牽引車的材料周期溫室氣體排放量為47噸二氧化碳當量（tCO2e），僅為氫燃料電池牽引車的53，主要是由于氫燃料電池牽引車的部件材料、動力電池和氫燃料電池系

統的生產1、制造產生了更多的溫室氣體排放。柴油牽引車的燃料周期二氧化碳當量排放量為1.2kgCO2e/km，是氫燃料電池牽引車的1.7倍。綜上，氫燃料電池牽引車的材料周期溫室氣體排放量更高，但其在燃料周1：此處氫燃料系統為重型車輛氫燃料系統，使用中國汽車生命周期評價模型（CALCM）進行評估期的單位里程溫室氣體排放更低，需要更高的活動水平以發揮氫燃料電池牽引車在使用階段的減排效益。假設柴油牽引車的活動水平與氫燃料電池牽引車相同。在當前氫燃料電池牽引車活動水平下（年出行里程4927公里）5年的使用壽命計算車輛生命周期溫室氣體排放量。如圖21所示，氫燃料電池牽引車的生命周期溫室氣體排放量為258CO2e，柴油牽引車的生命周期溫室氣體

排放量為350tCO2e，說明在本章節使用的氫燃料生產工藝構成和當前的活動水平下，氫燃料電池牽引車已經展現出更好的生命周期溫室氣體減排效益。但是需要注意的是，在研究的這批氫燃料電池牽引車中，部分車輛的年行駛里程較低（低于15000公里），則這部分車輛的生命周期溫室氣體排放可能高于柴油車輛。圖2-1氫燃料電池牽引車和柴油牽引車生命周期溫室氣體排放圖2-1氫燃料電池牽引車和柴油牽引車生命周期溫室氣體排放2.2.3關鍵發現及核心觀點本研究從行業產業的視角出發，圍繞氫燃料制備清潔化、材料周期整體清潔化、活動水平提高、使用壽命延長四個因素探究了氫燃料電池未來減碳潛力。研究對以上四個因素進行敏感性分析，探究以上因素變化20對氫燃料電池牽引車減排效果的影響。在基線情景下，氫燃料電池牽引車每公里相比于柴油牽引車減排038kgCO2e，生命周期相比于柴油牽引車減排92tCO2e。

分析結果如圖2-2所示。氫燃料的清潔程度對于氫燃料電池牽引車的減排有最大的影響。現階段氫燃料主要通過工業副產氣制氫的方式制備，本研究基于大規模制氫廠調研，指出如果在工業副產氣制氫的過程中大規模使用綠電，氫燃料的排放因子能夠降低20。此時氫燃料電池牽引車生命周期溫室氣體減排量可以提升約37。活動水平提高、使用壽命延長、材料周期整體清潔化分別可以將氫燃料電池牽引車生命周期溫室氣體減排量提升29、29和19。圖2-2不同情景下氫燃料電池車輛減排效益圖2-2不同情景下氫燃料電池車輛減排效益（圖中橫坐標為氫燃料車輛相比于柴油車輛的減排量，即數值越大，氫燃料電池牽引車相比于柴油車輛的減排效果越顯著）3挑戰與機遇氫燃料電池重型貨車在實現交通領域脫碳轉型中扮演著關鍵角色。其推廣應用仍面臨著諸多挑戰，同時也存在巨大的發展機遇。挑戰）技術層面重型貨車對續航里程和載重能力要求較高，目前燃料電池系統的功率密度、儲氫技術和電堆技術仍需進一步提升。此外，重型貨車運行環境復雜，對燃料電池系統的可靠性、耐久性、低溫啟動

性能要求高，需要進一步提高系統的抗沖擊和抗腐蝕能力，開發低溫適應性更好的燃料電池系統。）經濟層面燃料電池系統、車載供氫系統等關鍵部件成本較高，導致重型貨車購置成本居高不下。同時，氫氣價格仍處于較高水平，影響了燃料電池重卡的市場競爭力。未來需要進一步降低關鍵部件的生產本和氫燃料自身成本，讓氫燃料電池重型貨車的推廣從政策導向逐步轉向市場導向。）基礎設施層面目前加氫站主要集中在氫燃料電池車輛示范城市群，其數量和分布無法滿足大規模氫燃料電池重型貨車的運輸需求，需要加快加氫站網絡布局。機遇在挑戰之外，氫燃料電池車輛的發展也面臨著許多機遇。）政策利好國家高度重視氫能產業發展，國家能源局發布《氫能產業發展中長期規劃（20212035年）》，明確設置氫燃料電池車輛推廣目標。各地也出臺了一系列政策措施支持氫燃料電池汽車推廣應用，如補貼、免高速費等優惠措施。

）行業趨勢重型貨車作為道路交通領域碳排放的重要部門，發展氫燃料電池技術是其低碳發展的重要途徑與必經之路。）經濟成本隨著燃料電池技術和制氫、儲氫、運氫技術的不斷進步，以及