可再生能源的研究中，车用清洁燃料现状如何？有哪些新型方式？

随着FCEV和CNG的兴起，燃料生产行业也在如火如茶的发展。目前，氢气和天然气主要来源是化石能源。然而，传统化石能源行业造成了环境污染和高能源消耗。为摆脱传统一次能源的依懒性，降低环境破坏，以可再生能源为原料的氢气和天然气生产行业也在加速蓬勃发展。可再生能源资源将在向清洁和可持续能源系统过渡中发挥关键作用。

二十世纪九十年代，美国可再生能源实验室领先提出“生物质高温裂解制备生物油，生物油蒸汽催化重整制氢”的两步制氢工艺概念。目前，热化学法、生物法和电解法是通过可再生能源制氢的主要技术。生物制氢和电解水制氢产量低，生产周期长，热化学制氢越来越受到关注。

基于生物质的热化学转化生产氢气主要为气化和热解。与热解相比，生物质气化在氧化剂存在的情况下温度更高，主要产生气态产物，被认为是生产合成气的更有效途径。生物质的来源有很多种包括木质纤维素、藻类、食物残渣和城市固体废弃物等。


电解水是一种最有潜力的氢生产方法，因为原料为水，副产物只有纯氧。但因为化石能源发电的环境问题被垢病，利用可持续能源(生物质、风能和太阳能)产生的直流电力去电解水进而生产氢气是更值得关注的。光催化和核热制氢等新兴制氢技术也在萌芽发展。

此外，多种技术也可以有效地从煤或生物质中产生天然气。这些技术通常使用蒸汽一氧气气化、加氢气化和催化气化。1984年，年产14亿立方米的美国大平原煤制天然气装置正式投产。上个世纪90年代，河南煤化首次引进鲁奇气化技术利用劣质煤生产中等热值的城市煤气。

目前，我国建成4个煤制天然气项目，年总产能51.05亿立方米；8个新的煤制天然气项目己经获得批准。生物质作为原料气化生产天然气替代煤制天然气的生产具有广阔的前景。 Paul- Schemer研究所提出用木材形式的干生物质和粪便形式的湿生物质生产合成天然气。干生物质气化产生合成气和粪便经过厌氧消化产生的沼气进一步生产天然气。

CNG发动机研制和汽车改造技术较为成熟。无论是作为单燃料奥托循环发动机或作为双燃料柴油循环发动机都己经投入生产。康明斯西港公司设计6至12升(195400马力)CNG SI专用发动机，可用于卡车和公共汽车等商业运输。康明斯西港ISX12G(298千瓦))CNG发动机采用了化学计量冷却废气再循环燃烧技术和涡轮增压。


TEDOM是捷克领先的公共汽车制造商，可以提供符合欧盟5级EEV排放标准的专用CNG燃料公共汽车。TEDOM可生产配备OB D-II(车载诊断)技术的涡轮增压或自然吸气12升6缸CNG内燃机。CNG燃料发动机的性能在很大程度上取决于发动机的设计和类型。然而，目前所有研究人员和制造商面临的主要问题是CNG发动机的制动功率损失。影响发动机功率的CNG燃料的几个特性是火焰传播速度低、体积效率低和没有燃料蒸发。

此外，天然气储罐是CNG的研究重点，这关系到汽车的续航能力。CNG燃料瓶有四种气缸类型，I型CNG气瓶完全由铝或钢金属制成。II型CNG气瓶制造时采用金属内衬，内衬由玻璃或碳纤维复合材料包裹在中间(也称为环形包裹)。III型CNG气瓶也采用金属内衬制造，但在整个气瓶周围采用完整的复合材料包裹来加强。IV型气缸采用塑料、气密内衬加强了一个完整的复合材料包裹整个气缸。

对FCEV来说其主要原理是氢通过与氧的化学反应而产生电能进而带动汽车运行。FCEV中运用了质子交换膜燃料电池。电池的电解质采用了被称为Nafion全氟磺酸的固体聚合物膜。聚合物膜是一种酸性膜，可运送氢离子或质子。氢气是原料，空气或纯氧被当作是氧化剂。它是一种低温燃料电池，可以传导氢离子。这些燃料电池在交通运输领域应用最广泛，它们的启动和停止时间相对较短。质子交换膜燃料电池的另一个优点是它们具有很高的效率。此外，氢气储罐相比于天然气储罐更加严格。

目前，设计出了碳纤维包裹的气缸，其具有足够强度的耐压性。此类储罐中的压缩氢可以承受34 MPa的压力，质量为32.5 kg，体积为186 L，足以在500 km的里程内使用。储罐容积约为55加仑桶容积的90070，对于单个汽车来说是很大的。虽然可以达到6 wt%的目标，但储罐容积存在问题。2002年，德国QuantumTechnology的10000 psi（ 68 MPa）车载储罐获得认证，压力己达到70 MPa。但是氢气有着较低的密度，车载储罐存储大量的氢气需要更大的耐压性。


水足迹分析可以反映化工过程中水和能源的使用和分配。Zhu等人将生命周期评估和WF分析相结合，以评估生物质直燃发电系统的用水量。直接燃烧发电的水强度低于生物石油发电，减轻了生物能源生产领域的用水量。Li等人以甘蔗渣和稻草为原料计算了第二代生物乙醇的WF。研究表明，第二代生物乙醇WF明显低于第一代生物乙醇。Wong等人对木质纤维素生物质通过热解和水热液化工艺生产加氢衍生可再生柴油的生命周期用水量。结果表明，全树(即树屑)快速热解和水热液化工艺的需水量分别为497.79 L/MJ柴油和376.16L/MJ柴油。

森林残体(即伐木过程中产生的树枝和顶部的切片)338.58 L/MJ柴油和255.85 L/MJ柴油。Mehmeti等人对各种制氢技术进行了生命周期评估和WF分析，确定了每种生产途径的优缺点以及环境影响驱动因素。Wang等人对煤制气进行了WF评估，发现其在中国的WF总体上约为0.055 m3水/m3气。

Mathioudakis等人计算了十种作物残茬和其他一些第二代生物能源原料的WF。发酵产物热解油的WF低于生物乙醇的WFoZhu等人通过构建全生命周期WF评价框架，定量分析了中国燃煤发电的虚拟省级用水量及其对水质的影响。他们的研究结果显示WF约为6.60 m3/MWh，其中蓝色WF占总WF的24.8%，灰色WF占75.2%。这些结果确定了中国西北地区未来能源规划中能源利用的主要挑战以及考虑水资源限制的必要性。


碳足迹是一个用于分析和量化产品、过程、活动或实体的直接和间接GHG排放指标。它有助于真正确定产品对环境的影响，以便采取实际措施来减少其生产和使用过程中的碳排放。Qin等人通过分层归因管理和生命周期评估相结合，为评估煤基甲醇生产的CF提供了一种分类方法。

研究发现，一家煤基甲醇厂的CF，捕集与封存技术对甲醇工厂GHG排放的影响表明，甲醇工厂的CF降低64.9%。Burmistrz等人分析了亚烟煤和褐煤气化用于制氢的CF。使用壳牌和德士古技术对次烟煤进行气化生产1 kg氢气，分别排放了4.1kg和5.2 kg的COZ；壳牌褐煤气化技术每1 kg氢气化可产生7.1吨二氧化碳。

Guilera等人测量了催化沼气甲烷化生产合成气的CF，发现使用当前的混合电力结构生产合成气会导致高碳排放。同时，可再生能源和更高效的电解槽技术可用于减少0.100 kgC02-eq/kWh的碳排放量。Hiloidhari等人评估了印度甘蔗糖生产乙醇和电力的生命周期能源、CF和WF，电力生产具有最高的能源投资回报率和最低的CF和WF。

由于工业对水和电的需求不断增加，预计从2000年到2050年，全球的水提取将增加55 %。汽车工业涉及多种能源类型，从生命周期的角度来看，它是水消耗的主要来源。由于清洁燃料汽车在行驶阶段具有较强的污染物减排效果，受到政府的青睐并迅速推广。FCEV和CNG的主要优点是热效率高，零/低排放，运行安静。燃料获取是汽车产品生产链条中的重要环节，往往涉及高污染、高耗水的过程。


Wang等人估算了我国生产和运营的典型轻型汽油和BEV从摇篮到坟墓生命周期的用水量。汽油的生命周期提取和消耗为275 m3和137 m3，电动福特福克斯的生命周期提取和消耗为851 m3和262m3。生命周期水足迹很大程度占比为燃料生产(汽油或电力)用水。在国家平均电网条件下，BEV比传统汽油汽车水足迹更大。若采用太阳能光伏发电，BEV全生命周期取水和耗水量分别为181m3和47 m3。

利用风力发电，取水和用水量可进一步减少到113 m3和43 m3。因为中国水力发电的比重较大，中国BEV的全生命周期用水量比美国高50%。研究结果强调了向可再生能源(特别是太阳能和风能)过渡的重要性。Berger等人分析了大众汽车Polo，Golf和Passat车型的用水量及由此产生的影响。三辆车的全生命周期用水量在52一83 m3/辆之间，其中95%以上的用水量是在生产阶段消耗的，主要来自于生产铁、钢、贵金属和聚合物。

尽管对于使用汽油燃料的欧洲乘用车来说，水的消耗往往无关紧要，但它会对农产品，如食品、天然纤维或生物燃料造成重大影响。Llao等人评估了水资源对未来BEV发展的影响。研究指出，按照中国现有的计划，中国未来的BEV从2020年的500万辆增长到2030年的8000万辆，预计需要47335 TWh的电力供应。

在基线情景下，2020年预计将分别消耗4260万m3和提取10.9亿m3的水，到2030年将分别增加到32445万m3和85.6亿m3。利用可再生能源提供了相当大的潜力，可以将BEV对水资源的间接影响减少20%以上，因为BEV的生产阶段所需要的水比电力间接造成的用水量少得多。如果避免生产传统燃料而消耗水量，与相同数量的传统汽车部署的现实情况相比，将导致未来中国的BEV净减少19.3辆。由此看出，评估汽车行业供应链中的用水量是解决人类对淡水资源短缺的关键。


标准化LCA广泛用于评估产品生产对环境的影响。LCA可用于评估不同产品的各种替代方案，选择优化方案并为产品改进提供建设性建议。Peng等人基于LCA原理探究了通过考虑不同的电网结构与车辆的能效性能之间的关联，开发并建立了BEV的评价模型，计算了其能耗和气体排放。结果表明，与汽油动力汽车相比，BEV目前对全球GHG减排显示出了积极影响。不同国家的电网结构和电力的GHG排放强度存在显著差异，BEV的GHG排放效应在地理上差异很大。

Wang等人从能耗、碳排放、PM2.5和油井到车轮效率四个方面对中国内燃机汽车、BEV和FCEV进行了LCA评价。由中国电网和燃煤发电的电解水制氢的FCEV无法实现节能减排，甚至可能导致比传统燃料汽车更严重的能源和环境问题。BEV也是如此，它更多地依赖于电力结构。FCEV采用天然气重整生产氢气对电网结构的依赖较少，但PM2.5排放量不低于传统燃油车。在核能占中国电力结构的90%以上的情况下，FCEV从电解水中生产氢气可以实现更少的PM2.5排放。


FCEV和BEV的二氧化碳排放和环境污染仅限于不同的制氢链和电力结构。Gabriel等人使用ReCiPe生命周期评估对三种类型的公共汽车进行环境影响评估，同时考虑到公共汽车的整个生命周期和电动公共汽车的充电基础设施。与柴油公交车对比，电动公交车和压缩天然气公交车对人类和生态系统健康的总体损害将减少54.55%和37.41%,资源消耗将减少88%和80070，成本将降低48%和60% 。

Desantes等人进行了简化的生命周期评估，比较了FCEV，BEV和传统燃料汽车的GHG和NOx排放。与BEV相比，具有最佳H产量的FCEV始终产生更低的GHG排放和略高的NOx。相比之下，传统汽车需要达到约30千瓦时//100公里的油耗，排放优势才能比BEV更大。BEV的LCA受到更多关注，而FCEV和CNG的生命周期比较分析尚未进行。

我国CNG数量增长迅速，氢燃料汽车产业的发展越来越受到关注。可再生能源的使用也在如火如茶地进行中。因此，基于可再生能源清洁燃料生产链评估FCEV和CNG的GHG排放和环境尤为重要。LCA可以提出建设性的建议和策略，以识别限制环境绩效的瓶颈，并优化替代方案，以帮助实现“碳中和”目标和环境保护战略。