新能源汽车环境影响及能源效率分析

新能源汽车环境影响及能源效率分析1生命周期分析法新能源汽车的环境及能源效益评价和分析需要综合考虑替代燃料本身及整车系统的影响因素。现今国内外学者在对不同种类燃料汽车循环周期内的排放及能源效率进行研究时,通常采用生命周期法(lifecycleanalysis)对其性能指标进行分析和比较。生命周期分析是一种用于评价产品在其整个生命周期中对环境产生的影响的技术和方法。这种方法被认为是一种“从摇篮到坟墓”的方法。汽车完整的生命周期包括两部分内容(如图1所示):一部分是燃料生命周期,即燃料链中从原料提取、运输、精炼成为燃料、燃料运输至零售商,最后交付车辆使用;另一部分是车辆生命周期,即汽车从生产到使用,运行多年后直至车辆报废。生命周期分析较为复杂,必须做许多假设才能量化描述复杂和多样化的能源生产系统和车辆使用状况。瑞士学者JeremyHackney等人在ADL(ArthurD.Little)燃料链分析模型(IntegratedFuelChainAnalysisModel)基础上,结合对燃料链生命周期成本所作的研究工作,模拟不同种类车辆12年行驶周期的车辆模型,提出全生命周期模型。该模型对替代燃料提供了技术和经济的分析和预测,未考虑税费的差别、补助金制度以及鼓励政策等影响因素,能够在同一水平基础上对不同种类的燃料及车辆技术的排放、能源效率及成本进行清晰的比较。基于JeremyHackney等人应用生命周期模型的研究成果[1～5],本文对几种典型新能源汽车的排放物和能源转化效率与传统汽车进行了生命周期对比分析,主要分析以下几个方面的差异:1)温室气体(CO2)排放;2)排气污染物排放。包括NOx+NMHC(氮氧化合物和非甲烷碳氢化合物等臭氧前驱物)排放,PM10(10μ以下的颗粒)颗粒物排放等;3)能源效率;4)生命周期成本。2环境影响分析图2所示为不同燃料汽车在从燃料生产到车辆使用的完整生命周期内,所排放的温室气体总量与生命周期成本间的关系。可以看出,各种燃料汽车单车CO2排放量在20t至45t之间不等,其中氢燃料电池汽车温室气体排放量最少,而传统汽、柴油汽车、LPG汽车和醇类汽车的温室气体排放量最多。与此相对应的是,燃料电池汽车成本最高,而单纯从使用成本来看,传统的汽、柴油汽车最低。最经济的新能源汽车是燃气汽车和LPG汽车。LPG汽车可以降低20%的温室气体排放,CNG和LNG汽车成本大致相同,其温室气体排放值总体可以降低25%。纯乙醇燃料或是85%乙醇燃料汽车与传统汽车相比并不能有效降低温室气体排放。电动汽车和混合动力汽车的排放与传统汽车相比,可以降低30%,但其成本相应提高30%。使用甲醇或氢的燃料电池汽车温室气体排放可以降低50%。(LPG———液化石油气汽车;LNG———液化天然气汽车;CNG———压缩天然气汽车;Ethanol———100%乙醇汽车;E85———85%乙醇汽车;Methanol—100%甲醇汽车;M85———85%甲醇汽车;HydrogenFC———氢燃料电池汽车;RFG———新配方汽油汽车;Gasoline———传统汽油车;Diesel———传统柴油汽车;BatteryElectric———纯电动汽车;Hybrid———混合动力汽车。图2新能源汽车生命周期成本与温室气体排放图3所示为生命周期内单车成本与臭氧前驱物排放量之间的关系。图示可见,不同燃料汽车的单车臭氧前驱物氮氧化合物和非甲烷碳氢化合物排放范围在50kg到300kg内。其中,最为经济且臭氧前驱物排放量较小的替代燃料为新配方汽油,其整车性能指标接近电动汽车,而成本比较而言却低的多。柴油汽车的NOx排放物达到700kg。此外,不同类型的醇类汽车由于乙醇生产过程中产生大量的NOx气体而有较大的差别,但其臭氧前驱物的排放水平都较传统的汽油燃料要高。天然气汽车和甲醇燃料汽车的排放水平相近。燃料电池汽车和电动汽车尽管成本较高,但降低排放的功效十分显著,与传统燃料汽车相比,其臭氧前驱物排放量分别减少80%和40%图3新能源汽车生命周期成本与臭氧前驱物排放图4所示为不同燃料汽车的颗粒物排放分析和比较。图中显示各燃料汽车在其单车生命周期内的颗粒物排放指标在很小值到30kg的范围内分布。来源于煤基物质外的其他类型燃料,其颗粒物排放主要是由燃料在车辆发动机内的燃烧所产生的。而煤基燃料类车辆,其颗粒物排放则主要来源于燃料的提炼、生产和加工等燃料链周期过程中。因此,无燃烧过程的车辆或是燃烧具有较高能量储存方式燃料的车辆,其颗粒物排放很少,如氢燃料电池汽车,但其成本相对较高。燃料链中采用煤基物质获取燃料的纯电动汽车和乙醇汽车排放产生的颗粒物较高。其中纯电动汽车的颗粒排放基本来源于电力的生产过程。若是采用玉米作为乙醇燃料的生产资源的话,由于在分解淀粉、发酵等燃料提取过程中所产生的颗粒排放将大大增加,对于E85、E100等乙醇汽车,其整个周期内的颗粒物排放将分别达到270kg和300kg。而实际上单就车辆排放而言,乙醇汽车和甲醇汽车的颗粒物排放水平基本相同。除LPG汽车之外,其他石油燃料汽车的颗粒排放指标均较高。而LPG汽车由于燃料氢/碳比值较高,因而在其燃烧过程中产生的颗粒物很少。CNG、LNG天然气汽车和甲醇汽车的颗粒物排放指标接近,近似于石油燃料汽车的平均水平。图4新能源汽车生命周期成本与颗粒物(PM)排放3能源效率分析图5所示为生命周期内不同类型燃料汽车的生命周期成本及其能源利用效率间的关系。在从燃料生产到车辆使用的完整生命周期内,不同燃料的能源效率在7%到27%之间。能源效率最高的汽车分别是氢燃料电池汽车27%和混合动力汽车19.5%。而醇类汽车、新配方汽油车和传统汽、柴油汽车的能源效率则较低,分别是7.1%、12%和12.6%与13.7%。LPG汽车尽管具有高达15%的能源效率,但由于使用石油资源,因此车辆的推广受到限制。此外,使用天然气资源的燃气汽车(CNG、LNG),其能源效率约为醇类汽车能源效率的2倍。从生命周期效率的经济性角度考虑,液体石油燃料、甲醇汽车、混合动力汽车以及氢燃料电池汽车具有较好的经济可行性。混合动力汽车由于假设其动力系统在优化的转速和转矩区间内工作,因而具有较高的能源转化效率,并由此可以节省石油资源。而燃料电池汽车具有高的能源效率是由于燃料电池本身和电机的高效率产生的。电动汽车由于电力传动系效率较低以及整车较重,因此能源效率降低。