基于能源结构与电力结构的乘用车全周期CO2排放研究

张 毅 李基凤 王瑞平，2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

随着社会的日益发展，能源与环境可持续发展成为焦点问题。2017 年，全球一次能源消费增长2.2%，中国能源消费增长3.1%，连续17 年成为全球能源消费增长最大的国家。电力是最大的耗能行业，2017 年度，全球发电量增长2.8%，一次能源消费40%用于发电。但全球电力近20 年没有结构性变化，化石能源发电依然是电力的最大构成部分，约占66%[1]。

石油的开采、冶炼及管道运输，煤炭的挖掘、运输等均会产生CO2排放。煤炭发电、天然气发电、水力发电、核能发电及其他可再生能源发电、电网传输与分配等过程均会产生CO2排放与能量损耗。汽油的加注、燃烧会产生能量损失与CO2排放。充电桩的充电、电池的放电会导致能量损失。因此，仅考虑车辆尾气中的CO2排放，只是考虑了车辆作为污染源终点的排放，没有考虑从地壳（油井）到车轮端的排放，对于评价车辆CO2排放对环境的影响是不合理的。

本文首先分析全球能源结构，重点分析中国与美国的能源结构，同时分析CO2排放总量，获取化石能源产生的CO2排放；其次分析电力结构以及不同电力结构发电产生CO2排放的差别；最后结合发动机与电动机工作差异，分析某型号轿车的汽油车、PHEV（插电式混合动力汽车）、EV（纯电动汽车）等3款车全周期产生CO2的差异，同时分析尾气中CO2排放产生的差异。研究结果对于国内外汽车生产企业规划选择动力总成，开发出满足油耗、能耗与CO2排放法规要求的乘用车具有指导意义，为环境监管部门和油耗监管部门核算汽车生产企业全周期内能耗和CO2排放提供参考。

1 能源结构与电力结构分析[1-2]

1.1 能源结构分析

与2007 年相比，2017 年，全球一次能源消耗增长17%，达到13 511 百万t 油当量。2007 年～2017年，全球一次能源消耗变化如图1 所示。

图1 2007～2017 年全球一次能源消耗变化

2017 年，全球一次能源消耗主要在北美洲和亚太地区，共占全球一次能源消耗的63%，如图2 所示。中国和美国作为世界上能源消耗最大的2 个国家，共占全球40%的一次能源消耗。

图2 2017 年全球能源消耗

2017 年，美国和中国分别消耗了北美洲和亚太地区81%和55%的能源，新兴国家，如印度的能源消耗也不可小视。

中国能源消耗持续增长，是世界上能源消耗主要增长国，美国能源消耗最近10 年保持稳定，如图3所示。

图3 2007～2017 年中国与美国能源消耗

中国与美国的一次能源结构存在明显差异，具体表现为煤炭在美国的占比约为15%，在中国的占比约为61%；美国的化石能源消费以石油、天然气为主，能源结构组成以低碳能源为主，煤炭为辅，兼有清洁能源。中美2 国的一次能源结构如图4 所示。

图4 2007～2017 年中国与美国的一次能源结构

中国高碳低油气的能源结构决定了消耗同等油当量的能源，中国的CO2排放量更大，对环境的影响更大。2017 年，中国一次能源消耗是美国的1.5 倍，CO2排放是美国的1.9 倍。中国与美国最近10 年的CO2排放如图5 所示。

图5 2007～2017 年中国与美国CO2排放

1.2 电力结构分析

电力行业在国民经济中占有重要地位，每年全球有40%左右的一次能源用于发电，产生33%左右的CO2排放。

2017 年，全球发电量达到25 551 TW·h，其中，北美洲与亚太地区的发电量共占66%。如图6 所示。

图6 2017 年全球发电量组成

2017 年，美国的发电量占北美洲的81%，为4 284 TW·h，加拿大与墨西哥的发电量分别占北美洲的13%和6%。

中国的发电量占亚太地区的57%，为6 495 TW·h，其余国家和地区的发电量共占亚太地区的43%。

中国与美国的发电结构存在明显差异，主要表现为以下几点：

1）中国煤炭发电占比较大，达到67%，美国仅占31%。

2）中国石油与天然气发电占比仅为3%，美国达到32%。

3）中国清洁能源发电占比为30%，包含水力、核能、可再生能源发电。其中，水力发电占比最大，达到18%；美国清洁能源发电占比为37%，其中，核能发电占比最大，达到20%。如图7 所示。

图7 2017 年美国与中国发电量构成

2 汽油与电力产生过程CO2排放分析

传统动力乘用车（汽油车）与新能源汽车的能源传递形式有所不同，如图8 所示。红线（虚线）为汽油车的能量传递过程，蓝线（实线）为EV 的能量传递过程。传输至电网的电力组成多样化，因此，发电结构的差异会造成单位电量电力产生过程中CO2排放的差异。

图8 地壳-车轮的能量传递过程

2.1 汽油产生过程（地壳-炼油厂末端）CO2排放计算

汽油生产过程，包含油井开采、管道运输、汽油冶炼等过程，会产生CO2。考虑到全周期的开采、运输、冶炼，每生产1 t 汽油，会产生1.722 tCO2[3]。

2.2 电力产生过程（地壳-电网）CO2排放计算

不同发电系统在发电过程中产生的CO2存在较大差别，煤炭发电产生的CO2最多，天然气发电次之，核能、水力、风能等清洁能源发电方式会产生不同程度的CO2排放。各种发电形式全周期内的CO2排放如表1 所示[4]。

表1 不同能源发电全周期CO2排放

从表1 可知，煤炭发电是单位发电量产生CO2最多的发电方式，其次为天然气发电，核能、水力、风能等发电方式产生的CO2较少。

以表1 所示的不同能源发电全周期中位CO2排放为基准，结合图11 所示的中国与美国发电结构差异，可以得出，每生产1 kW·h 电，中国产生733 g CO2，美国产生499 g CO2。

3 不同类型车辆能耗与CO2排放

3.1 不同类型车辆能量传递损失

汽油车与EV 从地壳一次能源到驱动车轮的能量传递形式及能量损失有所区别[5]。结合图8 所示的能量传递示意图，对某型号轿车的汽油车款和电动汽车款进行能量传递过程损失与能量效率分析。

图9 为汽油车从地壳一次能源传递至车轮的能量效率示意图。

图9 汽油车能量传递与损失

汽油车全周期能量效率计算公式为：

式中：η1为提炼效率，90%；η2为从炼油厂分配至加油站的效率，95%；η3为汽油机热效率，22%；η4为传动系统效率，95%～98%。

利用公式（1）可以计算出汽油车的全周期能量效率为17.87%～18.43%。能耗损失主要由汽油机的热效率所决定。

EV 全周期能量损失主要表现为发电过程的损失，其次为电池充放电的损失。

图10 为EV 从地壳一次能源传递至车轮的能量效率示意图。

图10 EV 能量传递与损失

EV 全周期能量效率计算公式为：

式中：η1为提炼效率，90%～97%；η4为传动系统效率，95%～98%；η5为发电效率，33%～40%；η6为电力传送和分配效率，90%～92%；η7为电池充电机效率，85%～90%；η8为电池充放电效率，75%；η9为电力交换器和电机效率，80%～85%。

利用公式（2）可以计算出EV 的全周期能量效率为12.95%～20.07%。能耗损失主要由发电效率所决定。

PHEV 的能源传递包含图9 与图10 所示的2条路径，暨电厂发电效率与汽油机热效率均对PHEV的能量传递损失具有重要的影响。

3.2 电耗与油耗转化分析

根据能量守恒原理，电能与汽油消耗量的转化公式为：

式中：a 为汽油消耗量，L；W 为电能，kJ；ρ 为汽油密度，kg/L，其值为0.742；Hu 为汽油低热值，kJ/kg，其值为42 750。

利用公式（3）可计算出，1 kW·h 电能相当于0.113 5 L 汽油。

汽油车与EV 的能量传递效率不同，全周期内，汽油车的能量损失主要由汽油发动机的热效率决定，EV 的能量损失主要由发电厂的发电效率所决定。在考虑能量传递效率的前提下，汽油车的能量效率取21%（图9 中，从加油枪至车轮，汽油车的能量效率为20.9%～21.56%），EV 的能量效率取60%（图10 中，从充电桩至车轮，EV 的能量效率为57%～62.48%）。

在考虑能量传递效率的前提下，电能与汽油消耗量的转化公式为：

式中：b 为汽油消耗量，L。

利用公式（4）可计算出，在考虑能量传递效率的前提下，1 kW·h 电能相当于0.324 3 L 汽油。

3.3 油耗、电耗与尾气中CO2排放、全周期CO2排放

标准汽油燃烧反应方程[6]为：

根据碳原子守恒，燃烧1 L/100 km 汽油产生的尾气中CO2排放为23.6 g/km。

综合2.1 分析所得，每生产1 kg 汽油，产生1.722 kg CO2。

汽油车每消耗1 L 汽油，全周期所产生的CO2的计算公式为：

式中：m1为全周期所产生的CO2，g/km；ρ 为汽油密度，kg/L，其值为0.742；η2为炼油厂分配运输至加油站的效率，其值为0.95。

利用公式（6）可计算出，汽油车全周期所产生的CO2为37.1 g/km。

EV 消耗电能，汽车尾气中CO2排放为0。

全周期内，电耗产生CO2是因为发电过程中产生CO2、电厂至电网之间传输以及充电桩的电能损耗。基于中国电力结构，如2.2 所述，每生产1 kW·h电，产生733 gCO2。因此，EV 每耗电1 kW·h，全周期内所产生的CO2为：

式中：η6为电厂传递至电网的效率，取90%；η7为充电桩的充电效率，取90%。

利用公式（7）可计算出，EV 每耗电1 kW·h，全周期产生905 g CO2。

基于以上分析，汽油车油耗与电耗、CO2的转换如表2 所示。

表2 汽油车油耗与电耗、CO2转换

EV 电耗与油耗、CO2的转换如表3 所示。

表3 EV 电耗与油耗、CO2转换

3.4 不同类型车辆CO2排放分析

以上述某型号轿车的汽油车、EV 和PHEV 等3款车为例，分析尾气中CO2排放与全周期CO2排放。车型信息如表4 所示。表4 中，条件a 为储能装置处于充电终止的最高荷电状态；条件b 为储能装置处于运行放电结束的最低荷电状态。

表4 某型号轿车的汽油车、EV 和PHEV 车型信息

PHEV 的燃油消耗量加权平均值C 与电能消耗量加权平均值E 根据条件a 与条件b 计算[7]，计算公式分别为公式（8）与公式（9）。

燃油消耗量加权平均值C 为：

电能消耗量加权平均值E 为：

式中：De为PHEV 纯电续驶里程，km，其值为63；Dav为2 次充电之间的平均行驶里程，km，其值为25；c1为条件a 下的燃油消耗量，L/100 km；e1为条件a 下的电能消耗量，W·h；c2为条件b 下的燃油消耗量，L/100 km；e4为条件b 下的电能消耗量，W·h。

通过公式（8）与公式（9），可计算出PHEV 的燃油消耗量加权平均值C 为1.33 L/100 km，电能消耗量加权平均值E 为123 W·h/km。

某型号轿车3 款车的油耗、电耗与CO2排放如表5 所示。

表5 某型号轿车汽油车、EV 和PHEV 等3 款车的油耗、电耗与CO2排放

由此可见，汽油车尾气中CO2排放最高，PHEV次之，EV 尾气中CO2排放为零。

4 结论

本文介绍了全球一次能源消耗，分析了中国与美国的能源结构及电力结构差异，并分析了发电和冶炼汽油产生的CO2排放差异，研究了汽油车与EV油耗与电能、尾气中CO2排放和全周期CO2排放之间的换算关系。对某型号轿车的汽油车、PHEV 和EV 等3 款车的能耗、尾气中CO2排放以及全周期CO2排放进行了分析。结论如下：

1）基于能源结构与电力结构现状，中国发电所产生的CO2为733 g/（kW·h），中国生产汽油所产生的CO2为1.27 kg/L。

2）车辆消耗1 L 汽油，全周期产生的CO2为37.1 g/km；车辆消耗1 kW·h 电能，全周期产生的CO2为9.05 g/km。

3）通过对某型号轿车的汽油车、PHEV 和EV 等3 款车进行分析，结果表明，全周期内，汽油车、PHEV、EV 的CO2排放分别为219 g/km、161 g/km、163 g/km；汽油车、PHEV、EV 的尾气中CO2排放分别为139 g/km，31 g/km，0。

4）从目前中国的能源结构与电力结构来计算，新能源汽车尾气中CO2排放与全周期内CO2排放均优于汽油车。