个人乘用车用可替代燃料与我国未来的选择

刘灿，周开壹，方涵潇

(湖南省交通科学研究院有限公司，长沙 410015)

1 个人乘用车采用新能源对交通运输节能减排的意义

全球气候变化是当前威胁整个人类可持续发展的最大环境问题[1]。空气中日渐增高的温室气体(GHGs，Greenhouse gases)浓度与当前因全球平均气温上升而造成的气候变化有紧密联系。虽然GHGs有多种，但二氧化碳(CO2)所占的量是最多的，且与人类的活动存在紧密联系。最近5年其在空气中浓度上涨幅度高达3.06%。

世界范围内，交通运输行业是CO2排放的主要源头行业之一。2016年交通运输行业占世界原油总消费的57.8%，天然气总消费的7.1%，占当年全球CO2总排放量的24.4%[2]。2017年美国交通运输行业所排放的GHGs占总排放量的28.7%，排各行业第1，其中个人乘用车(PCs，passenger cars)占交通运输行业所排放的GHGs的41.3%[3]；2016年欧盟EU-28交通运输行业所排放的GHGs占总排放的24%，与1990年相比，仅该行业呈上升趋势，且上升幅度达到60%。因此，交通运输行业对当前空气中不断上升的CO2浓度和全球气候变化有直接的影响。

根据2018年国际能源署(IEA，International Energy Agency)出版的《Key World Energy Statistics》，在整个交通运输行业中，2016年能耗排名第一的是道路交通，占整个行业能耗的74.4%；其次是航空业，占11.6%；第三是水路运输，占10.7%；其他运输占3.3%[4]。作者根据《中国能源统计年鉴2017》数据分析，我国“交通运输行业”(包括仓储和邮政)能源消费仅占全国能源消费的9.1%[5]，低于欧美；但是石油类能源占本行业的92.47%，与美国接近，并且主要用于道路交通运输的汽油和柴油占本行业能源消费的80%。因此，中国、美国的交通运输行业中CO2排放的绝对主力均为道路交通运输，交通运输行业的绿色化发展应该以降低道路运输能耗，切实减少其对化石燃料的依赖和减少CO2排放为主要抓手。

进一步分析美国道路运输能源消费的组成部分发现：PCs占道路交通能源消费比重为33.1%。而在中国的石油消费中，交通运输占其50%左右，其中又以汽油、柴油为交通运输能耗的绝对主力，PCs的汽油消费就占全国汽油消费总量的57%，占全国总石油类燃油消费的11%[6]。有研究表明，PCs所排放的温室气体中，CO2的比例高达95%[7-8]。因此，交通运输行业的绿色发展应该以降低道路运输能耗，切实减少其对化石燃料的依赖和减少CO2排放为主要抓手，其核心任务就是降低PCs的能耗、减少对化石燃油的依赖和减少CO2排放。而可替代燃料(AFs，alternative fuels)是“未来逐步替代传统汽油、柴油以实现交通运输低碳减排重任的最终选择”[10]。

2 当前可供交通运输使用的可替代燃料

周开壹[9]的研究显示，在美国实际上真正有一定使用量的AFs并不多，主要包括以下8种：压缩天然气(CNG，compressed natural gas)、液化天然气(LNG，liquefied natural gas)、液化石油气(LPG，liquefied petroleum gas)、85%乙醇(Ethanol，85%)、100%乙醇(Ethanol-neat)、生物柴油(Bio-diesel)、电力(Electricity)、氢(Hydrogen)。

理论上讲，AFs适用于交通运输的各种模式和各种运距，但实际应用中特定的AFs一般只在经济上适用于某种交通运输模式和特定运距。根据SHELL公司、Le Fevre et al(2014)[10]、美国加利福尼亚能源局(California Energy Commission)和欧盟委员会(2015)[8]的调研，LNG主要使用者是重型车辆(1)在此“重型车辆”是指美国第8类车辆(Class 8 Vehicles)，全车重量在15吨(3万3千磅)以上。和船舶；而美国能源部(US DoE，Department of Energy)的《Clean Cities 2016 Vehicle Buyer’s Guide》推荐大型“皮卡”和中小型货车(短途货运车辆)用LPG和CNG替代当前的石化燃油。因此，当前适用于个人乘用车的经济性、低碳性都可接受的AFs是：(1)生物柴油；(2)燃料乙醇；(3)氢和(4)电。其中，生物柴油可在不需要对车辆进行任何改装的情况下用于任何2001年后生产的符合欧盟标准的普通柴油发动机；而生物汽油虽适用于汽油车辆，但需对发动机控制系统进行改装；而氢和电则是采用电机驱动车辆而非传统汽车的内燃机驱动。

3 个人乘用车可替代燃料的CO2减排效果和经济性分析

3.1 生物燃油(biofuels)—生物柴油和生物汽油(燃料乙醇)

3.1.1 减排分析

根据美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究，采用全生命周期方法(WTW，Well to Wheel(2)Well-to-Wheel，从油井到车轮，指从燃油的开采到最终通过内燃机或电机做功到车轮的全过程。)计算得出使用纯生物柴油(B100)的柴油发动机，其温室气体排放比使用传统柴油减少74%。而根据欧盟(2015)，纯生物柴油的CO2排放约为传统石化柴油的29%～70%；纯生物汽油的这一比例是5%～90%。

3.1.2 燃料价格和基础设施建设成本

表1为美国2019年1月份普通汽柴油和生物燃油的实际平均零售价格比较和将生物燃油换算成汽油后的价格比较[11]，以及氢和电换算后与汽油(E10)的价格比较。

表1 AFs的零售价格(物理单位)与换算成定量汽油价格的比较

来源：美国能源部US DoE，2019。

说明：GGE：Gasoline Gallon Equivalent。电：美国能源部US DoE，2019；2019年1月，用于交通运输电价每kW·h为0.098美元(EIA electric power monthly)。1kW·h电=0.031GGE(https：//epact．energy．gov/fuel-conversion-factors)。

在美国，建设生物燃油加注基础设施所需的装备、施工方法和适用的法律都与建设传统汽油、柴油加注基础设施相同。据测算，如果将美国全国传统汽油、柴油使用量的1/3替换成生物燃油，对加注基础设施建设的投资约为200亿～400亿美元(包括必要的转运基础设施建设)。

3.2 氢

3.2.1 减排分析

在行驶过程中，使用氢燃料电池的车辆(Hydrogen Fuel Cell Vehicle，HFCV)不排放任何温室气体。氢作为车辆燃料时只在其生产期间排放CO2，并且因为生产方法的不同，其CO2排放的强度有巨大的差别。通过对不同制氢方法的CO2排放值与传统汽柴油排放值进行比较，可知其排放值从最低的风电仅7gCO2eq/km直到最高的煤气化128gCO2eq/km。这反映了两个事实：第一，欧洲和美国对于汽车使用氢燃料的CO2减排量因为研究方法和生产燃料的不同有差别。在欧洲，“天然气热气法制氢”的排放是62gCO2eq/km，而美国使用“分布式天然制氢”的排放高达124gCO2eq/km，但没有标明具体制氢方法。第二，HFCV的CO2减排效果非常明显，高于生物燃油，当采用风电并通过电解法制氢时其CO2排放量仅为传统汽油、柴油的4%和5%。

3.2.2 燃料价格和基础设施建设成本

用GGE(Gasoline Gallon Equivalent)计算，氢的价格比E10汽油价格高5倍。氢加注基础设施的建设成本因加注设施的加注能力、运输的方式(气态或液态)以及生产所采用的工艺存在巨大的差别[12]。当前氢加注站的建设成本均在100万美元以上，最高的接近1000万美元。并且生产加注一体站的建设成本比工厂集成生产然后运输的成本要高一些。

据测算，如果将美国全国传统汽、柴油使用量的1/3替换成氢燃料，需要对加注基础设施建设的投资约为2750亿～4300亿美元。

3.3 电

3.3.1 减排分析

与HFCV相同，纯电动汽车(EV，Electric Vehicle)在行驶过程中不排放任何的温室气体和其他空气污染物。但是，因所使用电力的生产方式不同，EV全寿命周期所排放的CO2差别巨大。EV的平均CO2排放水平是传统汽油车的53%，但如果电力的来源是燃煤发电，那么EV的CO2排放水平甚至超过传统柴油车的排放水平。若电力来自光伏或是风力发电，EV的排放为零。

3.3.2 燃料价格和基础设施建设成本

电的GGE价格比E10汽油高39%。与生物燃油和氢的集中式加注站不同，充电设施还有家庭式的充电桩。在美国，建设一个家庭Level 2等级的充电桩成本为1200美元，而公共充电站的成本约为每充电端口5500美元。价格最高的Tesla 4车位常规超级充电站(Supercharger Station)的平均建设成本则为27万美元(官方给出的建设成本是常规版本为15万美元，附加太阳能充电系统的为30万美元)。与氢加注站不同，充电站的建设成本与其充电能力关系不大。据测算，如果全美1/3车辆使用电力，需要对充电设施建设投资约700亿～1300亿美元。

3.4 综合比较

AFs与传统石化汽油、柴油CO2排放的比较分别见图1和图2；AFs的价格，依据热量单位和物理单位进行的比较分析分别见图3和图4。对于使用传统柴油的PCs，从减排能力、燃油使用成本和加注基础设施建设的成本角度，使用由“地沟油”(废弃油脂)生产的生物柴油是当前绿色化性价比最高的选择；而对于使用汽油的PCs，当前还不存在类似于“地沟油”生物柴油这样极具性价比的直接可替代方案。在未来，无论是使用氢还是电作为普通PCs的燃料，从低碳减排的角度来看，最优的方法是通过风能/光伏发电制氢或是直接生产电力。

图1 可替代燃油CO2排放水平(与石化柴油比较)

图2 可替代燃油CO2排放水平(与石化汽油比较)

图3 AFs的价格(热量单位，2016美元/MBtu)

图4 AFs的价格(物理单位，2016美元/GGE)

4 欧盟和美国的可替代燃料加注基础设施布局策略和建设成绩

4.1 欧洲的布局和加注设施建设成绩

截至2019年7月，欧盟EU-28国家有充电桩170149个，其中快充桩(>22kW)27245个，排名前5位的国家荷兰、德国、法国、英国和挪威的充电桩数量占欧盟EU-28总数量的74.21%；有加氢站274座，其中于2019年新建的加氢站为123座，出现了井喷式的发展；有E85生物汽油加注站3834座，分布于11个国家，其中瑞典有1700座[13](3)本段数据根据https：//www．eafo．eu/alternative-fuels/hydrogen/filling-stations-stats的原始数据由作者综合而成。。

4.2 美国普通个人乘用车可替代燃油加注基础设施建设成绩

截至2019年5月30日，美国全国建成的可用于PCs的AFs加注基础设施见表2[14]。

表2 美国已建成的可用于普通PCs的AFs加注基础设施数量和分布

5 欧美可替代燃油加注基础设施布局分析和中国未来的选择

2013年，生物汽油占欧盟所有成员国总汽油用量的3.42%，生物柴油占5.37%，两者共占交通运输燃料消耗的4.80%。2011年美国交通运输行业生物燃油的消费占其全部传统石化汽油、柴油消费总量(包括传统和生物汽油、柴油)的5.64%(4)原始数据来源于US Transport Statistics 2015，Table 4—10，包括E85，B100和Ethanol in gasohol。。2015年该值上升到7.78%[15]，而2012年全美生物燃油消费占全世界生物燃油消费的47.01%。根据欧盟委员会(2016)和美国能源部(US DoE)的数据，2012年我国生物燃油占“交通运输、仓储和邮政”大领域中传统石化汽油、柴油消费总量的1.9%(其中汽油占比5.3%)，占全世界生物燃油消费的3.20%(其中汽油占比3.00%)[13，16]。最新数据表明，2017年我国可再生液体燃料消费只有300万吨，不到全国成品油消费的1%[5]。

数据表明：我国交通运输行业AFs的使用与欧洲和美国差距明显。首先是我国AFs消费的总量较小，其次是其在交通运输行业能源消费的比重过低。欧美之所以能够将AFs在交通运输行业的使用率提升至5%甚至以上是由于其执行从燃油加注基础设施建设开始的推广政策，而非我国首先从车辆的推广着手。近年来我国正在实施车辆推广与能源加注站共同发展的系列政策。2018年，我国新能源汽车销售125.6万辆，同比增长61.7%；新能源汽车保有量大约300万辆，保有量占全球的50%以上。充电基础设施建设规模持续高速增长，截至2018年12月底，公共充电桩保有数量33.1万个，私人充电桩数量47.7万个，规模持续保持世界首位[17]。根据《电动汽车充电基础设施发展指南(2015—2020年)》，到2020年，我国将新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个，满足全国500万辆电动汽车充电需求[18]。2018年我国充电基础设施建设增速有所放缓，充电行业的发展已由初期的“跑马圈地”“超前投建”，逐渐调整为目前的“切合需求”“合理超前”的模式。因此，为促进交通运输行业绿色发展，实现生态文明，必须进一步加强AFs加注基础设施的大规模建设。

欧美国家个人乘用车中柴油车占较大的比例，而我国所占比例则很小。因此，未来可以不用考虑在该领域使用生物柴油。我国目前生物汽油在“交通运输、仓储和邮政”的大领域占传统石化汽油总消费的5.3%，但美国生物汽油从2006年至2010年飞速增长过后，2013年至2015年的增长不明显，3年间增长幅度仅5.5%[19]，增速明显放缓；而欧盟EU-28在经过2012年和2013年生物汽油消费量的下降后，从2014年开始就没有回升而是保持稳定。虽然没有最近几年美国和欧洲交通运输行业的用电量数据，但美国道路交通运输能源加注设施中充电桩/站数量从2011年开始出现爆发式增长，从2014年开始纯电动汽车的销量在美国和欧洲均稳步增长。与此同时，欧盟 EU-28国家的氢加注站在2019年呈井喷式增长。这些现象均表明，电力和氢取代其他各种可替代能源并成为未来乘用车主要能源是一个必然趋势。

6 总结

根据上述对欧盟和美国的AFs加注基础设施布局策略分析和对我国新能源在车辆中的实际应用情况研究，建议我国跳过欧美国家走过的“传统石化汽油→可再生能源(生物燃油)→可替代能源(电、氢)”路线，直接从传统石化汽油跨越至氢和/或电，将其作为未来个人乘用车的燃料。

虽然氢或电能源的车辆在使用过程中不排放任何的温室气体，但是如果生产AFs使用的能源是煤，减排效应将非常不明显。电解法制氢是氢燃料生产的一个重要方法，不论我国最终选择氢或是电作为PCs的替代能源，都应该将新能源发电，特别是太阳能光伏发电与AFs加注基础设施相融合，以实现道路交通运输低碳发展，助力我国实现2030年碳达峰和2060年前碳中和愿景。