基于生命周期评价的小型乘用车动力能耗对比

刘鲲鹏,李方一2,宋 卓,马大卫3,奚振乾

(1.国网安徽省电力公司,安徽 合肥 230061;2.合肥工业大学 管理学院,安徽 合肥 230009;3.国网安徽省电力公司 电力科学研究院,安徽 合肥 230601)

基于生命周期评价的小型乘用车动力能耗对比

刘鲲鹏1,李方一2,宋 卓1,马大卫3,奚振乾1

(1.国网安徽省电力公司,安徽 合肥 230061;2.合肥工业大学 管理学院,安徽 合肥 230009;3.国网安徽省电力公司 电力科学研究院,安徽 合肥 230601)

选取中国市场上纯电动、油电混合、燃油和天然气动力四种类型的小型乘用车典型车型,从全生命周期视角对比能源效率与环境影响的差异。从一次能源消耗看,四种动力乘用车单位公里动力能耗均值分别为1.74MJ、2.19MJ、2.28MJ、2.94MJ。即在行驶同样的里程下,纯电动、混合动力车比传统燃油车平均一次能源分别节省19.7%、4.4%。从动力能耗生命周期的环境影响看,燃油汽车的酸化潜值和全球变暖潜值都高于其他动力车型,而纯电动和混合动力汽车的推广有助于降低汽车行驶过程中SO2、NOX、CO等污染物的排放。敏感性分析结果显示,煤电占比、供电煤耗的降低与火电机组脱硫脱硝除尘率的提升都有助于纯电动和混合动力乘用车减排。

电动汽车;生命周期评价;动力能耗;大气污染物

1 引言

近年来,我国家庭拥有私人汽车的规模和比例迅速提升,保有量由2008年的4173万辆增长到了2016年的1.6559亿辆[1],由此引发的交通能耗持续攀升、大城市道路拥堵和空气污染问题日益严重。为了实现道路交通领域的绿色发展,我国在大力发展公共交通的同时,确定了新能源汽车的发展路线,并在财政及税收等方面给予大力支持。近五年来,多家自主品牌汽车企业都已推出各自的插电式混合动力和纯电动乘用车车型,取得了良好的市场响应。2016年,我国纯电动和插电式混合动力乘用车销量分别达到25.7万辆和7.9万辆,保持着良好的增长势头[2],在国际上保持领先地位。

伴随着新能源乘用车的推广与使用,关于新能源乘用车与传统燃油汽车的对比日益引起人们的关注。自20世纪末以来,学者们就开始对比研究了不同类型动力机车的能耗、费用与环境影响,大体围绕两个方面展开论述:一是从资源环境角度考虑,纯电动车相对于传统燃油汽车在多大程度上节约能源,是否真正能实现“生态友好效应”[3, 4],争论的焦点主要是纯电动汽车电池生产过程伴随严重污染使整车生产阶段的环境影响比燃油汽车高[5]，现存的电力结构导致电动汽车行驶阶段“零排放”难以令人信服;二是从经济成本角度考虑,纯电动车的生产和使用是否比燃油汽车更具有经济性[6]。2000年前后,研究者开始应用生命周期模型来评估清洁能源代替化石能源对机动车行驶阶段减排效应的影响[7-10]；Webber[11]等通过比较电动汽车与燃油汽车的生命周期成本,认为电动汽车在不同的驾驶需求和汽油价格波动的情况下都具有成本竞争力,是高效率、高性能、低成本的替代品;Mikhail[12]、ReinhartKühne[13]等针对各类新能源汽车温室气体排放的研究表明,在美国混合动力汽车最多可减排35%以上,而纯电动汽车根据电力来源的不同可减排40%—90%;王寿兵等[14]以我国某型号国产内燃机轿车为实例,利用生命周期评价方法探讨了内燃机轿车在能源消耗和环境排放方面的特点。有研究[5,15]表明,电动汽车的动力系统的全生命周期综合环境影响比内燃机汽车动力系统高。

总体而言,尽管相关研究的系统边界不同,但是在纯电动汽车能降低行驶成本费用方面的结论却是相对一致的。而在其他污染物减排方面,由于各国各地区的电源结构和动力电池在型号与生产工艺方面存在着较大的差异,造成纯电动车和插电式混合动力乘用车消耗电力所产生的间接排放量也有所不同[16-18]。尤其是我国火力发电在电源结构中有较高的占比,使推广纯电动汽车难以带来实质性的节能减排效益。

近年来,由于我国火电行业脱硫脱硝设备安装率不断提升[19],在电源结构中水电、核电、风力和光伏发电等可再生能源的比例也不断提高,电力生产的污染物排放系数显著下降,从源头上减少了纯电动和插电式混合动力乘用车的污染排放。同时,无论是传统燃油乘用车还是纯电动和插电式混合动力乘用车都在不断改进技术以提升能源的利用效率。2017年,由于我国新能源汽车的补贴政策退出,新能源汽车销量首次出现下滑,再加上充电设备的利用率低下等问题,电动汽车出现了增长动力不足的问题。因此,有必要根据我国最新的电源结构、电力排放和新车型的能耗数据,对不同动力乘用车的能源效率和环境影响进行评估,以判断新能源乘用车的优势大小,为其发展提供数据支持。

本文在新的电源结构背景之下,依据生命周期评价理论,考察小型乘用车纯电动、油电混合动力、燃油(主要指汽油)和天然气四种动力能耗目前的能源效率和对环境的影响。由于同等规模和配置的小型乘用车主体原材料生产和制造阶段的能源消耗相近,且相对于使用阶段的能源消耗较小[3],因此不考虑车辆主体生产过程的能耗,只考虑作为动力的能源生命周期的能源效率和对环境的影响。

2 研究方法与模型

2.1 生命周期评价

基于生命周期评价的理论方法,考虑到动力能源的开采、生产、运输到使用环节的能源消耗和污染物排放,比较纯电动、油电混合、燃油(指汽油)和天然气四种动力驱动车辆行驶单位公里的能源消耗和对环境的影响。依据生命周期的概念,针对车用燃料研究,美国能源部所属的阿冈国家实验室提出了“从井到轮”(Well-to-Wheel,WTW)的评价体系。该体系的研究对象是燃料系统,分为燃料生产(Well-to-Tank,WTT)和机动车使用(Tank-to-Wheel,TTW)两个阶段,研究机动车燃料整个生产和使用过程中的能源消费、相关的污染物排放和温室气体排放情况。油井到油泵的环境影响是由燃料上游阶段开采、加工和运输导致的,而油泵到车轮的环境影响直接与车辆行驶有关。乘用车四种动力能源的生命周期见图1[20]。

图1 常见乘用车动力能源的生命周期

2.2 指标选取与计算方法

动力能耗计算:本文定义的动力能耗是指汽车行驶单位公里一次能源的消耗量,即追溯上游最终消耗的一次能源总热值,用PE表示。kp代表乘用车百公里电耗、百公里油耗和百公里气耗；p代表动力能源种类；ep分别代表单位电力、单位汽油和单位天然气生产所需要的一次能源消耗量；q代表一次能源种类；cq分别代表原煤、燃油和天然气等一次能源的单位平均低位发热量。对于某一种车型,行驶百公里所需动力能耗的计算公式为:

PE=ΣpΣqkp×eq×cq

(1)

(2)

数据来源:能源热值系数来自于化石能源生命周期分析相关研究[20],一次能源为石油、煤炭和天然气的热值均来自中国石油网站，能源及各类乘用车排放数据,燃油(仅研究汽油)、天然气和电力的生产数据来源于中国生命周期参考数据库(Chinese Reference Life Cycle Database,CLCD)[21]。其中,煤炭发电全生命周期中的发电环节,最新的排放数据来自于中国电力企业联合会公布的最新数据[19]。

3 研究过程与结果

3.1 样本选取

由于市场上乘用车车型具有多样性,调查难以覆盖所有车型的数据。为了使研究具有可操作性,选取了市场上较常见、销量较好的相同或相近配置的车型,获取其基础能耗数据,最后筛选出5种纯电动、4种油电混合、4种燃油和3种天然气动力的乘用车,见表1。

表1 4种动力多种典型车型的相关能耗参数

注:百公里能耗是厂家在客观环境中,用安装在车辆底盘的测功机测得的值转换为速度参数,在指定速度行驶的情况下,计算出车型的理论实验数据;对外公布的理论能耗通常为90km/h的百公里能耗、百公里油耗、百公里电耗和百公里气耗,该数据均来自各厂商官网所公布的数据。

本研究计算的能耗是基于能源产品全生命周期分析所得到的全部一次能源,包括整个过程的能量损失、生产消耗、副产品分配等,单位为焦耳(J)。已知三种能源的单位平均低位发热量分别为：石油Qo=41.87MJ/kg、原煤Qe=20.93MJ/kg、天然气Qg=38.97MJ/kg[20]。考虑到电力传输的全国平均线损率为6.64%[19],得到能源供应阶段的资源消耗生命周期清单见表2。

表2 不同动力能耗生产过程中的一次能源投入量

注:混合电力指2015年全国电源结构下的平均水平。由于本研究主要关注能源生产过程中的大气污染物排放,因此一次能源消耗仅包括化石能源,不包括太阳能、风能、水能、地热能、核能等非化石能源。

3.2 动力能耗对比

根据生命周期评价方法与式(1),计算得到4种动力乘用车的单位公里动力能耗,结果见图2。其中,BEV1、HEV1代表火力发电情景下(全国平均)的纯电动和混合动力乘用车,BEV2、HEV2代表混合电力情景下(2015年全国电源结构)的纯电动和混合动力乘用车,CPV、NGV分别为燃油和天然气乘用车。结果显示,BEV1、BEV2、HEV1、HEV2、CPV、NGV的单位公里动力能耗均值分别为1.74MJ、1.43MJ、2.19MJ、1.94MJ、2.28MJ、2.94MJ。从动力能源的全生命周期看,天然气和燃油动力乘用车的单位公里能耗相对较高,天然气乘用车能耗高的原因是上游天然气开采和生产阶段的损失较多。即使完全由火电提供动力,纯电动乘用车的单位公里能耗仍是最低的。在行驶同样的里程下,纯电动和混合动力乘用车相对传统燃油动力乘用车分别节省一次能源23.68%、3.95%。与完全用火电相比,若考虑非化石能源在电力结构中为26.29%的占比[19],纯电动和混合动力乘用车的单位公里一次能耗将显著降低,分别比传统燃油乘用车低37.28%、14.91%。

图2 不同机动车行驶单位公里的动力能耗

汽油与电力作为乘用车能耗效率差异的原因:一是大型汽轮发电机组在超临界、超超临界运行下,加上排汽余热的充分利用,热效率达50%以上，而汽车内燃机的最高热效率仅为35%左右,增压柴油机也只有45%左右。二是在城市工况下,内燃机处于非经济区工况下运行,燃油汽车的频繁启动、怠速和刹车使油耗很高,而汽轮发电机基本上处于经济运行,效率将始终保持较高水平,同时电机启动时效率高、怠速时损失为零,且减速时可实现能量回收,大大提高了电能利用率,尤其在当今交通拥堵情况下,纯电动汽车的优势明显[22]。

3.3 环境效应对比

生命周期内的污染物排放量计算:基于中国生命周期参考数据库[21],对能源相关数据进行搜集与整理,能源生产的各项大气污染物排放清单见表3。乘用车的排放数据主要与车辆的类型、大小、车龄、行驶速度、满足的环境排放标准等指标有关,而真实反映车辆的污染物排放水平的直接指标是车辆行驶时尾气排放的检测结果。本文采用其他研究中现场采集的排放数据[23-27],得到燃油汽车与天然气汽车单位公里CO、NOX、烟尘等各项污染物的排放因子,见表4。考察燃料生产阶段及汽车行驶阶段整个生命周期,计算得出纯电动、油电混合动力、燃油和天然气乘用车行驶单位公里所排放的各项污染物,结果见图3。

表3 动力能源WTT阶段污染物排放清单

表4 动力能耗TTW阶段各项污染物排放清单(g/km)

注:燃油和天然气乘用车的排放数据从相关参考文献[23-27]中获取,混合动力汽车的排放数据根据燃油消耗量估算而来。

图3 不同机动车行驶单位公里的污染物排放量对比

结果显示,燃油汽车各项污染物的排放量都明显高于其他动力汽车。对比燃料生产和汽车行驶阶段发现,燃油汽车行驶过程中的CO、NOX、烟尘、CO2排放量在总过程中的占比分别为93.04%、28.44%、42.86%、87.05%,SO2和CH4的排放主要来自于燃料生产阶段。当燃油汽车负重过大、慢速行驶或空挡运行时,燃料不能充分燃烧,尾气中污染物含量会明显增加。相关研究表明,当机动车的运行速度由20km/h提高到40km/h时,CO和HC的排放因子可降低50%以上[28];天然气汽车行驶过程中的CO、NOX、CO2排放量的占比分别为98.59%、67.33%、89.54%,烟尘、SO2和CH4的排放主要来自生产阶段。由于天然气汽车的内燃机运作时需要混合空气燃烧,因此也有较高的NOX和CO等污染物排放,混合气体的浓度不同则会影响尾气中的污染物含量。相关研究表明,在混合气浓度较高时,尤其是在“高温富养”状况下,NOX的排放较高,而CO和HC的排放相对较低;当混合气浓度降低,NOX排放降低而HC排放升高,这是由燃烧室燃烧不完全和燃烧温度降低所引起的[29],同时天然气开采阶段存在燃气泄露以及汽车行驶阶段气体的不完全燃烧,也会造成整个阶段的CH4高排放。相比之下,纯电动车的排放全部来自于电力的生产阶段,便于将污染物从数量众多的流动污染源转移到数量有限的固定污染源(大型火电厂),有助于提高能源利用效率、污染物的监测和集中减排。由于油电混合动力汽车的排放数据较难收集,按燃油的消耗比例估算行驶过程中的排放,分析结果介于燃油和电动汽车之间。

归一化结果:通过生命周期影响评价模型对各项污染物进行特征化和归一化计算,采用环境影响类别当量值与全国总当量数之比,将环境影响转化为无量纲物理量(图4),得到主要的环境影响类型为温室效应(GWP)和酸化因子(AP)。纯电动车行驶阶段(TTW)的环境影响为0,其环境影响主要来源于WWT阶段;油电混合车型由于消耗部分电力,同样其环境影响主要来源于WTT阶段;天然气和燃油乘用车燃料生产和行驶阶段的环境影响相当。酸化环境影响产生的主要原因在于SO2、NOX等酸性气体的排放。由于天然气相对火电和汽油较清洁,其酸化潜值总量最低为2.99×10-13,燃油乘用车的酸化潜值总量最高为6.52×10-13,电网平均电力下的纯电动乘用车酸化潜值总量为3.04×10-13,比燃油乘用车低53.37%。全球变暖环境影响产生的主要原因在于CO2、CH4等温室气体的排放,受天然气和汽油燃烧过程产生大量的CO2以及部分CH4的不完全燃烧,天然气和燃油乘用车在TTW阶段对全球变暖潜值贡献比较大,纯电动乘用车则受上游火电生产大量排放的CO2,其动力能源在WTT阶段的全球变暖潜值较高。总体来说,燃油汽车和天然气汽车在全球变暖特征方面贡献明显高于其他动力汽车,纯电动车的污染物减排优势较明显。

敏感性分析:已知模型变量之间的关系,通过改变模型的设定参数,如煤电比例、供电煤耗、机组脱硫脱硝除尘率和机动车尾气排放进行敏感性分析,得到主要参数变化对各项污染物排放的影响大小,结果见表5。结果显示,煤电比例和供电煤耗下降都有助于纯电动车燃料生命周期污染物的减排。相关研究表明，在清洁电力占比较高的地区,纯电动车的环境效益明显高于以火电为主的地区[30,31]；相关研究也证实了火力发电的效率(可用供电煤耗表示)是另一种重要因素[32]。因此,当前电动汽车与混合动力车的减排潜力主要取决于所属地区电力结构和火力发电的技术水平[15,33,34]。在减排目标下,可进一步提升火电中大容量高效机组的比重,以及用电量中水电、核电、风电和太阳能发电等清洁能源的比重。

图4 不同机动车燃料生命周期的环境影响归一化结果

指标(g/km) 煤电比例(每下降1.0%) 供电煤耗(每下降1.0g/kW·h) BEVHEVCPVNGVBEVHEVCPVNGVCO-0.00022-0.0001900-0.00007-0.0000600NOX-0.00088-0.0007400-0.00029-0.0002400烟尘-0.00016-0.0001400-0.00005-0.0000400CO2-1.38170-1.1658100-0.45154-0.3809800SO2-0.00088-0.0007400-0.00029-0.0002400CH4-0.00292-0.0024600-0.00095-0.0008100指标(g/km) 脱硫脱硝除尘率(每提升1.0%) 机动车尾气排放(每下降1.0%) BEVHEVCPVNGVBEVHEVCPVNGVCO00000-0.00070-0.00140-0.00294NOX-0.01000-0.00844-0.00844-0.010000-0.00007-0.00068-0.00031烟尘-0.00023-0.00020-0.00020-0.000230-0.00002-0.00001-0.00009CO200000-0.33700-1.35625-1.41804SO2-0.01180-0.00995-0.00995-0.011800-0.00000-0.00001-0.00003CH400000-0.00004-0.00219-0.00017

由表5可知,纯电动车的环境效益与火电厂的燃煤机组脱硫脱硝和除尘装置安装投运率有着密切的关系,我们将本文的研究结果与孔维政等[35]、苏利阳等[36]的研究结果进行对比,可看出近年来纯电动汽车相对燃油、天然气和混合动力汽车减排优势明显,电动汽车行驶阶段的SO2和NOX排放有明显下降。变化原因主要是近年来对火力发电污染排放的集中控制。截止2015年,我国已完成煤电机组总容量91.20%的脱硫改造和84.53%的脱硝改造,大幅降低了煤电生产的污染物排放,实现每千瓦时火电发电量的SO2、NOX和烟尘同比分别减少67.7%、71.0%、59.2%[19]。此外,国外研究也显示,纯电动汽车替代燃油汽车可有效减少VOCs和CO等污染物质的排放[37];而天然气与燃油乘用车行驶阶段的污染物减排潜力较小,只能依赖安装汽车尾气催化处理装置以降低尾气中污染物的排放,与纯电动车相比,成本较高且监管和治理难度大。

4 结论与讨论

本文对机动车动力能耗的整个生命周期进行了分析,从动力能耗和环境效应两个方面对四种动力的小型乘用车车型进行了比较分析,得出以下结论:①从动力能耗看,纯电动汽车、混合动力汽车、燃油汽车、天然气汽车的单位公里动力能耗均值分别为1.74MJ、2.19MJ、2.28MJ、2.94MJ。在行驶同样的里程下,纯电动、混合动力车相对传统燃油车平均分别节省一次能源19.7%、4.4%。纯电动汽车行驶的一次能源能耗最低,主要受益于电力行业生产效率的提升,天然气汽车行驶的一次能源能耗最高,主要受制于开采和燃烧过程中天然气的泄漏损失。②从动力能耗生命周期的环境效应看,燃油汽车的酸化潜值和全球变暖潜值高于其他动力车型,纯电动车的碳减排优势最明显,纯电动汽车的推广有助于降低汽车行驶过程中SO2、NOX、CO等污染物的排放,缓解人口密集城市的空气污染问题。③根据敏感性分析发现,煤电比例、供电煤耗的降低与火电机组脱硫脱硝除尘率的提升都有助于纯电动和混合动力汽车的减排,而燃油汽车的减排潜力与机动车尾气处理率有关,相对前者而言减排潜力较小。目前纯电动汽车的动力能耗与环境影响都优于其他动力汽车,尤其明显优于传统燃油汽车,电动汽车的普及有助于降低交通系统污染物的排放,解决城市地区汽车尾气近地排放不易扩散带来的大气污染问题。

随着电动汽车产业发展的成熟、电力结构的调整优化、清洁可再生能源的充分利用,纯电动汽车替代燃油所带来的经济效益、社会效益和环境效益将会逐渐显现。未来应进一步提升清洁电力的比例,提高动力系统的能量传递效率,如充电效率、放电效率、机械传动效率等,以降低乘用车动力能耗生命周期内的能源损耗和污染物排放量。

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ComparativeStudyofPowerSourcesofSmallPassengerCarsBasedonLifeCycleAssessment

LIU Kun-peng1,LI Fang-yi2,SONG Zhuo1,MA Da-wei3,XI Zhen-qian1

(1.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei 230061,China;2.School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;3.State Grid Anhui Electric Power Research Institute,Hefei 230061,China)

Typical models of pure electric vehicle,hybrid vehicle,fuel vehicle and natural gas vehicle in China were selected,and the energy consumption and environmental impacts were quantified and compared by life cycle assessment method.The average primary energy consumption of pure electric vehicles,hybrid vehicles,fuel vehicles and natural gas vehicles per kilometer were 1.74MJ,2.19MJ,2.28MJ,2.94MJ respectively,which meant pure electric vehicles and hybrid vehicles could save primary energy by 19.7% and 4.4% compared with fuel vehicles for the same distance.From the perspective of life cycle environmental impact,acidification potential and global warming potential of fuel vehicles were higher than other vehicles,and the promotion of pure electric vehicles and hybrid vehicles could reduce emissions in SO2,NOX,CO and other pollutants.According to the sensitivity analysis,reduction of proportion of coal power,coal consumption for electricity generation,increase of the rates of desulfurization and denigration could contribute to emissions reduction of pure electric vehicles and hybrid vehicles.

electric vehicles;life cycle assessment;power consumption;air pollutants

2017-11-09；

2017-12-23

国网安徽省电力公司科技项目(编号:SGAH0000FJJS1600572);国家自然科学基金项目(编号:41401126)。

刘鲲鹏(1978-),男,安徽省合肥人,硕士,高级工程师,主要研究方向为继电保护及其自动远动技术。

李方一(1985-),男,湖南省常德人,博士,副教授,主要研究方向为可持续发展战略与管理。

10.3969/j.issn.1005-8141.2018.01.002

TK411+.7

A

1005-8141(2018)01-0006-06