煤层气汽车燃料的生命周期温室气体排放分析

苏旭东，葛晓华，张 瑶，秦 艳

（山西省生态环境研究中心，太原 030009）

煤层气汽车燃料的生命周期温室气体排放分析

苏旭东，葛晓华，张 瑶，秦 艳

（山西省生态环境研究中心，太原 030009）

煤层气是一种清洁、高效、低碳的替代能源，在我国交通运输领域有非常广阔的应用前景。文章基于对各类运输企业调研获得的实际运营能耗数据，对煤层气车辆和燃油车辆在燃料燃烧阶段的CO2、CH4、N2O三种温室气体排放情况进行了实际测算，同时从生命周期的视角对煤层气用作汽车燃料和油品燃料的上游温室气体排放进行了考查，对煤层气汽车相比燃油汽车在温室气体减排方面的效益作出了客观评价。

煤层气；汽车燃料；生命周期；温室气体

煤层气是煤层本身自生自储式的非常规天然气，我国的煤层气资源量达36.8万亿立方米，居世界第三位，其中山西省煤层气资源量达10万亿立方米。随着“气化山西”战略的实施，煤层气在山西省经济社会发展中的应用领域不断拓宽，在交通运输领域的应用也不断加快。

煤层气用作汽车燃料与燃油相比，尾气中CO、HC、NOx等污染物排放量显著降低[1]，同时经济性较优，是良好的替代燃料。然而笔者发现，在评价煤层气汽车的温室气体减排效益时，企业或相关单位往往只通过基于热值折算的燃料替代关系进行简单计算，并且只计算了CO2的排放，忽略了CH4和N2O的排放，少有基于各类运输车辆的实际运营燃料消耗数据进行CO2、CH4、N2O三种温室气体的排放测算。同时，煤层气和油品燃料上游生产阶段的原料、工艺、运输等完全不同，仅按照燃料燃烧阶段的温室气体排放量来评价燃料是否低碳显然是不全面的。

因此，为了客观评价煤层气汽车的温室气体减排效益，本文以山西省晋城市为代表，对该市煤层气汽车应用较多的货运、客运、公交、出租行业进行了企业调研，收集了各类车辆的运营能耗数据，以准确计算各类车辆在实际运营状态下的CO2、CH4、N2O三种温室气体排放情况，并与燃油汽车进行对比。在此基础上，借鉴已有相关研究结论，从生命周期的视角评价煤层气作为汽车燃料与传统汽车燃料相比的温室气体排放水平。

1 研究对象与研究边界

1.1 研究对象

本文研究对象为采用油品燃料以及煤层气燃料的货运车辆、客运车辆、公交车以及出租车。

1.2 研究边界

本文采用“从井口到车轮”（Well to Wheel）的研究思路，分别对燃料燃烧/车辆使用阶段的温室气体排放以及上游阶段的温室气体排放进行测算，从而获得燃料的生命周期温室气体排放量。研究边界如图1所示。

图1 边界示意图

2 温室气体排放测算方法

2.1 燃料燃烧/车辆使用阶段温室气体排放测算方法

燃料燃烧/车辆使用阶段温室气体排放主要包括CO2、CH4、N2O三种温室气体类型，其测算方法采用排放因子法，即：

式中，EFuel为燃料燃烧阶段的温室气体排放量，以CO2当量表示；AD为活动水平及燃料的消耗量；EFi为第i种温室气体的排放因子，i分别为CO2、CH4和N2O；GWPi为第i种温室气体的全球变暖潜势值，i分别为CO2、CH4和N2O。根据IPCC第二次评估报告，CH4和N2O的全球变暖潜势值分别为21和310。

2.1.1 活动水平数据的获取

为考察不同用途类型的煤层气汽车与传统燃油车相比在燃料燃烧阶段的温室气体排放情况，选择了货运、客运、公交、出租各1家企业，依据企业能源消费统计数据，分别选择其代表性车型，对车型相同、燃料类型不同的车辆的油耗、气耗数据进行了收集。调研车型如表1所示。

表1 不同车辆类型的调研车型情况

2.1.2 排放因子的确定

（1）CO2排放因子

根据《省级温室气体清单编制指南（试行）》（发改办气候〔2011〕1041号）（以下简称《指南》），CO2排放因子计算方法如下：

其中，汽油、柴油的平均低位发热量采用《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）（以下简称《通则》）中提供的数据。由于《通则》没有提供煤层气的低位发热量数据，因此本文对晋城市四家加气站进行了实地调研得到煤层气的平均低位发热量；汽油、柴油的单位热值含碳量采用《指南》中提供的数据，煤层气的单位热值含碳量数据同样基于调研获得；燃料的碳氧化率参照《指南》中提供的数据。采用的各类燃料二氧化碳排放因子如表2所示。

表2 各类燃料的CO2排放因子

（2）CH4和N2O排放因子

各类燃料的CH4和N2O排放因子采用《2006年IPCC国家温室气体清单指南》中提供的数据，如表3所示。

表3 各类燃料的CH4和N2O排放因子

2.2 燃料上游阶段温室气体排放测算方法

燃料上游阶段的温室气体排放包括原料开采、原料运输、燃料生产、燃料运输储存和分配等过程，其温室气体排放测算涉及部门多、数据收集难度大、计算过程复杂。鉴于目前已有许多相关学者对此部分排放进行过研究[2-6]，并且研究结论类似，因此，借鉴相关研究结论对各类燃料的上游排放进行估算，基本可以反映各类燃料上游阶段的温室气体排放水平，可满足客观、全面评价煤层气汽车温室气体减排效益的要求。

3 燃料燃烧/车辆使用阶段的温室气体排放

3.1 货运车辆

3.1.1 温室气体排放测算结果

基于对晋城市货运行业企业的调研结果，本文选取了两类代表性车型，分别收集了车辆的平均燃料消耗数据，对两类货运车辆燃料燃烧温室气体排放水平进行测算，测算结果如表4所示。

3.1.2 测算结果分析

由表4可见，煤层气车辆燃料燃烧温室气体减排比例仅在2%～3%，减排效果并不明显。按照交通运输部

煤层气的单位热值含碳量明显低于传统油品燃料，即提供相同热量的碳排放低于柴油。基于实际调研数据，仅燃料类型不同、其他参数相同的货运车辆，煤层气车辆的百公里耗热量约为柴油车辆的1.2倍，这意味着同样的行驶里程煤层气车辆需要消耗的热量更多，实际的能源替代当量比为1.5m3/kg，明显高于理论当量比，增加的煤层气消耗量抵消了很大一部分温室气体

减排量，造成减排效益的降低。同时，由表4可见煤层气车辆的CH4排放量明显高于燃油车辆，但由于燃料燃烧CH4和N2O排放量仅占到温室气体排放总量的4.7%左右，因此CH4和N2O排放并不是影响温室气体减排效益的主要原因。

表4 货运车辆燃料燃烧/车辆使用阶段GHG排放测算结果

表5 客运车辆燃料燃烧/车辆使用阶段GHG排放测算结果

表6 公交车燃料燃烧/车辆使用阶段GHG排放测算结果

表7 出租车燃料燃烧/车辆使用阶段GHG排放测算结果

3.2 客运车辆

3.2.1 温室气体排放测算结果

基于对晋城市客运行业企业的调研结果，煤层气客车在晋城市应用比较普遍，基本涵盖了各类车型，本文选取了三类代表性车型，分别收集了车辆的平均燃料消耗数据，对三类客运车辆燃料燃烧温室气体排放水平进行测算，测算结果如表5所示。

图书馆信息服务社会化刍议…………………………………………………………………………………………田会新（1.59）

3.2.2 测算结果分析

由表5可见，采用煤层气作燃料的客运车辆燃料燃烧温室气体排放水平明显低于柴油车辆，平均减排比例达到10.8%，减排效果明显好于货运车辆。基于测算数据，煤层气客车的百公里耗热量约为柴油车辆的1.1倍，仅略高于柴油车辆。由3.1节分析结果可知，煤层气客车的燃气发动机燃料燃烧热量转化为有用功的效率接近传统柴油发动机，做等量的功消耗的煤层气更少，与煤层气货车相比，燃料替代当量比由1.5m3/kg左右下降至1.4m3/kg左右，即用更少的煤层气可替代等量的柴油消耗，从而提升了温室气体减排效益。

3.3 公交车

3.3.1 温室气体排放测算结果

基于对晋城市公交行业企业的调研结果，煤层气公交车在晋城市应用比较普遍，本文选取了三类代表性车型，分别收集了车辆的平均燃料消耗数据，对三类公交车辆燃料燃烧温室气体排放水平进行测算，测算结果如表6所示。

3.3.2 测算结果分析

如表6所示，煤层气公交车燃料燃烧温室气体排放水平显著低于柴油公交车，平均减排比例达到21.6%，已接近按照《核算细则》计算的理论减排比例。基于测算数据，三个等级的煤层气公交车与柴油公交车百公里耗热量水平基本相当，燃料替代当量比平均为1.22m3/kg，已经接近《核算细则》中1.2m3/kg的理论值，说明煤层气公交车和柴油公交车行驶同样的里程消耗的热量基本相同，在此情况下，煤层气单位热值含碳量低的优势得以充分显现，使得煤层气公交车的温室气体减排效益明显。

3.4 出租车

3.4.1 温室气体排放测算结果

与煤层气货车、客车、公交车仅采用煤层气作燃料不同，本次调研的燃气出租车均为汽油-煤层气混合动力车型，其中煤层气为主要燃料，少量汽油作为辅助燃料。为准确计算温室气体排放量，本文对两种燃料的消耗都进行了统计与测算，结果如表7所示。

3.4.2 测算结果分析

由表7可见，油气混合动力出租车燃料燃烧温室气体排放水平低于汽油出租车，减排比例约为11.8%。基于测算数据，油气混合动力出租车和汽油出租车的百公里耗热量基本相同，因此，行驶相同里程油气混合动力出租车与汽油单燃料出租车所需的热量基本相同，油气混合动力出租车以煤层气为主要燃料，所需热量的96%由煤层气提供，煤层气单位热值含碳量低的优势得以显现，因此取得了明显的温室气体减排效果。

4 燃料的生命周期温室气体排放评价

煤层气从原料开采、燃料生产到燃料运输和分配等各上游阶段的工艺、技术和能源消费情况与传统油品燃料相比存在很大差异，要全面、客观地评价煤层气汽车的温室气体减排效益，必须考虑燃料上游阶段的温室气体排放。

4.1 燃料上游阶段的温室气体排放

按照本文的研究边界，燃料上游阶段包括原料开采、原料运输、燃料生产以及燃料运输、储存和分配四个阶段。煤层气作为汽车燃料通常有CNG和LNG两种形式，二者的差异在于物理状态和储存方式的不同，但由于二者在燃料生产、燃料运输等环节存在显著差异，必须分别考虑其上游环节的温室气体排放。

已有研究者对汽油、柴油、CNG、LPG等燃料上游环节的温室气体排放进行了研究[2]，考虑了各上游环节的CO2、CH4和N2O三种温室气体排放，并同样基于IPCC第二次评估报告提供的GWP值给出了各上游环节温室气体排放的CO2当量，因此其研究结论可以与本文燃料燃烧/车辆使用阶段的测算结果进行合理对接。

山西省汽油、柴油消费基本依赖外部调入，因此本文汽油、柴油的燃料上游阶段温室气体排放直接借鉴了上述研究结论；由于国内暂未见到关于煤层气开采阶段温室气体排放的相关研究，因此暂时借鉴了天然气开采阶段的温室气体排放研究结论；LNG的压缩液化、运

输、储存和分配与LPG类似，因此借鉴了LPG在上述环节的温室气体排放研究结论。汽油、柴油、CNG、LNG燃料上游阶段温室气体排放情况如图2所示。

图2 各类燃料上游阶段的温室气体排放

由图2可见，CNG、LNG在原料开采、原料运输阶段的温室气体排放水平高于汽油和柴油，同时，LNG的液化过程能耗较高，因此LNG上游阶段温室气体排放在四种燃料中最高；CNG虽然不需液化，但其压缩过程能耗也较高，因此其上游阶段温室气体排放接近汽油；汽油和柴油虽然在原料开采、原料运输阶段的温室气体排放较低，但燃料生产加工环节涉及化工生产工艺，是其上游阶段的温室气体排放的主要来源；柴油在燃料生产阶段的温室气体排放水平低于汽油，其他环节与汽油相同，使其成为四种燃料中上游阶段温室气体排放最低的燃料类型。

4.2 各类车辆的燃料生命周期温室气体排放

基于各类车辆燃料燃烧/车辆使用阶段的温室气体排放测算结果以及各类燃料上游阶段的温室气体排放分析结果，分别选取四类车型为例，其车辆燃料生命周期温室气体排放情况如图3所示。

由图3可见，当考虑到燃料上游的温室气体排放时，煤层气货车的生命周期排放甚至超过了柴油车辆，尤其是LNG货车，其生命周期温室气体排放高于柴油和CNG货车。在客运车辆方面，虽然煤层气车辆在燃料燃烧/车辆使用阶段具有一定的温室气体减排效果，但当计入CNG和LNG的上游温室气体排放时，其生命周期温室气体排放并没有比柴油明显降低。在公交车方面，由于煤层气公交车在燃料燃烧/车辆使用阶段的减排效果比较明显，当考虑到燃料上游的温室气体排放时，虽然CNG和LNG公交车的燃料上游温室气体排放高于柴油公交车，减排效益仍比较明显。在出租车方面，CNG双燃料出租车的温室气体减排效果由仅考虑燃料燃烧/车辆使用阶段的11.2%下降至8.9%，仍具有一定的减排效益。

图3 各类车辆的燃料生命周期温室气体排放情况

5 结论

（1）在采用基于企业调研的实际运营燃料消耗数据计算燃料燃烧/车辆使用阶段的温室气体排放时，不同类型煤层气车辆的减排效益差别较大，煤层气货运车辆减排效果最不明显，煤层气客运车辆和出租车具有一定的减排效果，煤层气公交车减排效果最好。

（2）煤层气作为车用燃料在上游的原料开采、原料运输阶段的温室气体排放高于汽油、柴油，其中LNG燃料由于液化过程耗能量较大，上游阶段的温室气体排放最高，其次为汽油、CNG，柴油在燃料上游阶段的温室气体排放最低。

（3）在考虑燃料的生命周期温室气体排放时，采用煤层气作燃料的货运车辆燃料生命周期温室气体排放甚至高于柴油车辆；煤层气客运车辆的燃料生命周期温室气体排放与柴油车辆相近，减排效果并不明显；煤层气公交车和出租车的燃料生命周期温室气体减排效益虽然低于仅考虑燃料燃烧阶段温室气体排放时的减排效益，但仍具有一定的减排效益。

综上所述，虽然煤层气本身是一种低碳燃料，但其燃料上游阶段的温室气体排放并不比传统油品燃料低，同时，由于煤层气燃料应用于不同种类的车辆时，车辆的技术类型、运营模式、驾驶方式等都会对燃料燃烧阶段的温室气体排放造成影响。因此，在对煤层气用作车用燃料的温室气体减排效益进行核算时，并不能一概而论，而必须基于实际的燃料替代数据进行计算，同时需考虑燃料上游的温室气体排放，才能对煤层气燃料的实际温室气体减排效益作出客观而准确的评价。

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Analysis on Greenhouse Gas Emission of Lifecycle for Automobile Fuel of Coal Bed Gas

SU Xu-dong, GE Xiao-hua, ZHANG Yao, QIN Yan
(Shanxi Research Center of Eco-environment, Taiyuan 030009, China)

The coal bed is a substituting energy in the fields of cleanness, high efficiency and low carbon, it has a very wider application prospect in the transportation area. Based on the actual operation energy consumption data obtained in the investigation and research of all kinds of the transportation enterprises, the paper carries out the actual measures of three kinds of greenhouse gas emission status of CO2、CH4、N2O in the fuel incineration phase on coal bed gas vehicle and fuel vehicle. At the same time, from the angle of view of lifecycle, the coal bed gas which is used as greenhouse gas emissions at top stream of automobile fuel and oil fuel, is examined and the objective assessment in the benefits of the greenhouse gas emission is made in comparison between automobile of coal bed gas vehicle and fuel vehicle.

coal bed gas; automobile fuel; lifecycle; greenhouse gas

X382.1

A

1006-5377（2015）08-0025-06