基于中国能源结构的汽油、甲醇与增程式甲醇轿车CO2排放研究

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

尽管2018 年中国经济增速放缓，但中国一次能源消费依然增长4.3%，占全球能源消费量的24%，并贡献了全球能源消费增长的34%，连续18 年成为全球能源消费增量最大的国家[1]。随着汽车工业与交通网络的高速发展[2]，汽车产销量强劲，2018 年中国汽车产销分别完成2 780.9 万辆和2 808.1 万辆，其中乘用车产销分别完成2 352.9 万辆和2371 万辆，汽车保有量突破2.4 亿辆，其中小型汽车保有量达到2 亿辆[3]。汽油消费突破1.28 亿t，其中85%为汽车消耗。

石油的开采与运输，汽油的冶炼与储存，煤矿的挖掘与运输均会产生CO2排放。煤炭化工业制甲醇、天然气制甲醇及焦煤气制甲醇等过程均会产生CO2排放与能量损耗。汽油与甲醇的加注，发动机的燃烧同样会产生能量的损失与CO2排放，电池的充放电，电机的运行均会有能量损失，并造成CO2排放。因此仅考虑车辆尾气中CO2排放，即TTW（Tank to Wheel）CO2排放，不考虑WTT（Well to Tank），即从地壳（油井）到油箱（矿物能源的开采、运输、冶炼与存储过程）的排放，对于评价车辆CO2排放对环境的影响是不合理的，也无法评估能源生命周期内地壳到车轮（WTW，Well to Wheel）CO2排放。

本文首先分析了2018 年度全球一次能源消耗与结构，重点分析了中国一次能源结构[4]，同时结合工艺分析制取化石能源过程中产生的CO2排放；并结合汽油车、甲醇车与增程式车辆工作原理的差异。最后以某款轿车为例，分析了汽油车、甲醇车和甲醇增程式车辆尾排和全周期产生CO2的差异。本文所开展的研究对于能源政策制定部门制定能源政策，环保监察部门与油耗核算部门计算车企WTW 能耗和CO2排放具有积极意义。

1 一次能源结构与能源消费

1.1 一次能源结构[1-2]

2018 年中国一次能源消费3 273 百万t 油当量，与2008 年相比，增长47%。2008 年至2018 年，中国一次能源消耗历年变化如图1 所示。

图1 中国一次能源消耗变化

随着一次能源消费的增长，CO2排放量也不断攀升。2018 年，中国CO2排放量达到9 429 百万t，连续7 年突破9 000 百万t。中国CO2排放历年变化如图2所示。

图2 中国CO2排放变化

煤炭、石油和天然气分别占到2018 年度中国一次能源消费的58%、20%和8%，核能、水电与可再生能源作为补充[5-6]。中国一次能源消费如表1 所示。

1.2 煤炭消费与再加工

煤炭消费中72%是动力煤，主要用于发电，占发电量的67%，26%的煤炭是炼焦煤，被用于冶金行业制焦，2%的煤炭是化工煤，被用于化工行业制醇醚、烯烃与化肥等。动力煤与化工煤之间，可以根据市场需求，合理调配。2018 年中国煤炭主要消费用途与占比如表2 所示。

表2 2018 年中国煤炭消费用途与占比

甲醇是重要的基础化工原料之一，近年来中国甲醇产能与产量急剧上升，并成为世界最大的甲醇生产国与消费国。中国甲醇市场历年消耗变化如图3所示。甲醇产能利用率并不高，有40%以上的甲醇产能富裕。

图3 中国甲醇市场历年变化

1.3 石油消费与市场分析[4，7]

作为世界第一大石油进口国与消费国，2018 年度，中国原油市场达到65 100 万t，进口依赖度达到71%，原油加工比例达到90%。中国原油市场如表3所示。

表3 2018 年中国原油市场

中国同样是全球最大的成品油消费国，2018 年，中国成品油加工达到36 800 万t，其中消费32 500万t，汽油消费达到12 800 万t，乘用车消费达到10 880 万t。成品油市场结构如表4 所示。

因此可以利用甲醇富裕产能3 589 万t，替代1 800 万t 汽油消费，从而减少我国原油进口依赖度，改善我国能源消费结构与成品油消费结构。

表4 2018 年中国成品油市场

2 汽油与甲醇产生过程CO2分析

图4 地壳-车轮的能量传递过程

传统乘用车（汽油车）、甲醇汽车和甲醇增程式车辆能源传递形式有所不同，具体如图4 所示，实线为汽油车的能量传递过程，虚线为甲醇汽车和甲醇增程式车辆的传递过程。原油冶炼与煤化工制甲醇工艺之间本身存在差异性，因此生产汽油与甲醇带来的CO2排放量也会有差异。

2.1 汽油生产过程CO2排放（WTT，地壳—油箱）

汽油生产过程中产生的CO2，包含油井的开采、管道的运输、汽油的冶炼等过程。考虑原油的开采、运输及冶炼，每生产1 t 汽油产生1.722 t CO2[8]。即每生产1 L 汽油，产生1.27 kg CO2。

2.2 甲醇生产过程CO2排放（WTT，地壳—油箱）

煤多气少的一次能源结构决定了中国低碳产业链中的众多产品依赖煤进行加工合成，甲醇作为一种重要的化工产品亦是如此，国内以煤作为主要原料的甲醇生产占比高达77%[7]。制甲醇的原料分布如表5 所示。

表5 制备甲醇的原料分布 %

不同原料制备甲醇产生的CO2有所不同，如表6 所示[9]。

表6 不同原料制备甲醇产生CO2 t/t

以表6 所示的不同原料制备甲醇产生CO2排放为基准，结合表5 所示的中国甲醇制备原料比例，每生产1 t 甲醇产生0.76 t CO2。即中国每生产1 L 甲醇，产生0.6 kg CO2。

3 汽油车、甲醇车与甲醇增程式车辆能耗与CO2排放

3.1 油耗、醇耗与尾排（TTW）CO2、全周期CO2（WTW）排放

汽油燃烧化学反应方程为[10]：

根据碳原子守恒，燃烧1 L/100 km 汽油产生TTW CO2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 WTT CO2。

汽车100 km 每消耗1 L 汽油，产生的WTW CO2为：

式中：m1为全周期（WTW）所产生的CO2，g/km；ρ 为汽油密度，kg/L，其值为0.742；η1为炼油厂分配运输至加油站的效率，取0.95。

甲醇燃烧化学反应方程为：

根据碳原子守恒，燃烧1 L/100 km 甲醇产生TTW CO2为10.9 g/km。

综合2.2 分析所得，每生产1 kg 甲醇，产生0.76 kg WTT CO2。

汽车100 km 每消耗1 L 甲醇，WTW CO2为：

式中：m2为WTW CO2，g/km；ρ 为甲醇密度，kg/L，其值为0.79；η2为制醇厂分配运输至甲醇站的效率，取0.95。

基于以上分析，汽油耗与CO2的转化系数如表7所示。甲醇耗与CO2转换系数如表8 所示.

表7 汽油耗与CO2转换系数

表8 甲醇耗与CO2转换系数

3.2 不同类型车辆CO2排放分析

以某品牌同一车型，汽油版、甲醇版和甲醇增程器版为例，分析TTW CO2排放与WTW CO2排放。

甲醇增程器车辆动力结构如图5 所示。在增程模式下，发动机驱动发电机发电给驱动电机提供动力。

图5 甲醇增程器车辆结构示意图

甲醇车辆与汽油车辆运行工况如图6 所示，搭载同一款车与变速箱的运行工况点相同，甲醇发动机高效率区域更靠近外特性。

甲醇增程器车辆运行工况与甲醇车辆运行工况如图7 所示，采用增程器后，将低速、低负荷区域的运行工况点提升，发动机运行工况点主要集中在高效率区域。

图6 传统车辆运行工况图（甲醇、汽油车）

图7 增程器与传统车运行工况对比（甲醇机）

增程器车辆信息如表9 所示。

表9 某车型不同版本车辆信息

结合表7 与表8 可以分别计算出3 种不同类型车辆TTW CO2排放与WTW CO2排放，如表10 所示。

表10 某车型汽油版、甲醇版和甲醇增程器版车辆

由此可见，汽油版的车型TTW CO2最高，其次为甲醇版车辆，甲醇增程器CO2排放最低。甲醇汽车的TTW CO2排放与WTW CO2排放均为汽油车的86%，甲醇增程器的TTW CO2排放与WTW CO2为汽油车的71%。造成3 种不同类型车辆CO2排放差异的因素包含以下几点：

1）甲醇辛烷值高，抗爆性更强，可以获得更高的发动机热效率，文中车辆所用的发动机燃烧甲醇时，最高热效率比燃烧汽油高2%。

2）甲醇含碳量为37.5%，密度为0.79 kg/L，热值为19.9 MJ/kg，汽油含碳量为86.6%，密度为0.742 kg/L，热值为42.75 MJ/kg。因此单位热值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

3）甲醇增程器发动机运行于发动机经济区域，进一步降低了醇耗和CO2排放。

4 结论

1）基于中国能源结构现状，每生产1 kg 汽油，产生1.722 kg CO2；生产1 kg 甲醇，产生0.76 kg CO2。

2）车辆汽油消耗率为1 L/100 km，产生WTW CO2为37.1 g/km，甲醇消耗率为1 L/100 km，产生WTW CO2为17.2 g/km。

3）汽油车、甲醇车、甲醇增程器车辆的WTW CO2排放分别为219 g/km、189 g/km、155 g/km。汽油车、甲醇车、甲醇增程器车的TTW CO2尾排为139 g/km，120 g/km，98 g/km。

4）从目前中国的能源结构与化石能源加工工艺结构来计算，甲醇汽车TTW CO2排放与WTW CO2排放均优于汽油车，发展甲醇汽车对改善我国能源结构，消耗过量甲醇产能和降低CO2排放均有显著意义。