燃料汽车全生命周期的3E分析与评论

1燃料汽车全生命周期的3E分析与评论1中国煤制汽车燃料的经济、能源、环境生命周期研究我国关于车用燃料生命周期的研究最早始于1995年，是由国家各部委、清华大学、福特汽车公司和麻省理工学院共同组织进行的。以山西省和其它富煤地区为背景，以原油基汽油作为基准路线，将各种煤基代用燃料路线与基准路线进行对比，以确定它们的代用性。作为参考，还增加了煤层气制甲醇链和原油基柴油链。这样，在以煤为原料生产车用燃料的经济、能源、环境研究中共包括了8条路线：原油-汽油-汽油车、原油-柴油-柴油车、煤层气-甲醇-甲醇车、煤-甲醇-甲醇车、焦炉气-甲醇-甲醇车、煤-联醇-甲醇车、煤-汽油-汽油车、煤-常规电-电动车。每条路线以资源的开采为始点（煤由坑口开始、原油和煤层气由井口开始），直至汽油在汽车行驶中消耗殆尽。主要研究成果如表1-1所示，表1-1中国煤制汽车燃料的经济、能源、环境生命周期研究由表1-4发现：在车辆的单位运行周期上，没有一种煤制燃料的生命周期在各个方面都是绝对最好的；即便是被普遍认为是清洁能源的电力，由于我国的发电用能源以煤为主，故其生命周期排放较高，而过高的电池制造成本和运行费用使得生命周期成本增加较多。该研究指出：燃料的选择必须权衡多种因素，以确定哪些办法最适合中国，而且在实施这些战略之前，要对所选择的燃料技术进行全面的可行性研究。2中国清洁能源汽车全生命周期的研究目前我国处于商业化应用及研究开发阶段的清洁能源汽车主要有：燃气汽车（CNG、LNG和LPG）、醇类汽车（M85、M85、E85、E10）、电动汽车、混合动力汽2车（HEV）和氢燃料电池汽车等。本文通过文献研究，对上述不同类型清洁能源汽车全生命周期的100km行驶成本、环境影响和能源转换效率等因素进行综合分析，主要比较了不同清洁能源汽车在经济、环境影响和能源效率（3E）等方面的差异。清洁能源的生命周期评价在生命周期评价标准的指导下，利用热力学、燃烧学和大气污染控制等学科的原理建立起燃料评价模型，有学者把这种汽车燃料生命周期模型称为从“井口”到“车轮”的分析（fromwelltowheels，WTW）。这一模型的评价边界分为2个阶段，即上游阶段的一次能源开采、汽车燃料生产和下游阶段的燃料使用。图2-1清洁能源汽车全生命周期的边界2.1研究对象和评价指标为了体现出清洁能源在环保方面的优势，表1列举的方案是我国不同地区清洁能源的生产、运输、使用中所实施的具体例子，从而能够有争对性地运用全生命周期分析法，对清洁能源的使用提供定量的评价结果。清洁能源的全生命周期环境影响评估指标包括标准排放和温室气体排放两类，涉及5中主要标准大气污染排放物HC、CO、NOX、PM10、SOX和用一定时期内对全球变暖具有影响潜力的3种温室气体综合成的指标GHGS。GHGS=X1·CO2+X2·CH4+X3·N2O3试中X1、X2、X3分别为CO2、CH4、N2O在一定时期内全球变暖影响潜力指数。设定时间长度为100年，则X1=1，X2=21，X3=310表2-1我国清洁能源实施方案编号初始能源车用能源产品制备子系统终端利用子系统1天然气压缩天然气天然气压缩天然气汽车2天然气液化天然气天然气液化改装轿车3石油液化石油气原油蒸馏分馏改装轿车4煤甲醇M85直接制备法灵活燃料汽车5木薯乙醇E10木薯制备乙醇普通汽车6天然气二甲醚直接合成法灵活燃料汽车7煤电能火力发电蓄电池轿车8天然气氢气燃料天然气重整燃料电池汽车9石油汽油CAS原油制备普通汽车10石油柴油原油制备柴油汽车2．2我国清洁能源经济、环境和能源效率评估数据表2-2列举的数据是我国清洁能源通过全生命周期分析法（LCA）对清洁能源汽车的使用成本与环境影响及能源转换效率进行评估所得到的相关数据。表2-2我国清洁能源3E评价数据2.3我国清洁能源汽车全生命周期的3E分析与评论根据LCA方法及表2-1、2-2中所列的8中清洁能源方案，对我国清洁能源汽车的100km行驶成本与排放和能源效率等因素之间的关系进行了分析和评论。4图2-1清洁能源汽车全生命周期图2-2清洁能源汽车全生命周100km行驶成本与温室气体排放100km行驶成本与CO排放图2-3清洁能源汽车全生命周期图2-4清洁能源汽车全生命周期100km行驶成本与SOX排放100km行驶成本与PM10排放5图2-5清洁能源汽车全生命周期图2-6清洁能源汽车全生命周期100km行驶成本与臭氧前驱物排放100km行驶成本与PM10排放基于前述图表的，可得以下结论：（1）从燃料生产到车辆使用的完整生命周期内，清洁能源汽车的温室气体标准排放物的各项指标整体上优于汽车的100km行驶成本和能源转换效率也优于石油燃料汽车，但煤基甲醇汽车在SOX、PM10排放上的表现不尽人意。（2）燃气汽车在温室气体和颗粒物排放量上的表现都比传统液化石油燃料汽车好，能源效率也较高，但存在着燃料储存和供应的问题，而且燃气能源的生产和使用都是在天然气蕴含丰富的地区进行的，这就相应地减少了燃料储存和运输阶段的生命周期排放指标，因此有一定的利用局限性。（3）醇类汽车技术基本成熟，但温室气体排放量有待改善，初始能源的供应和制备工艺在很大程度上决定了生命周期的排放表现，同时产业化程度还要加强。二甲醚汽车温室气体排放较多，但颗粒物污染少，是柴油机优良的代用燃料，但其储存、运输、使用成本高。（4）氢燃料电池汽车和纯电动汽车降低排放的功效十分显著，与传统燃料汽车相比，二者在温室气体和其它标准污染物的排放上都有大幅度的降低，如果不考虑纯电动汽车电能来源的环境污染，那电动汽车可以说是“零排放”，同时这两种汽车的能源转换效率很高，但成本问题是制约其发展的关键。根据我国目前国情，对我国发展清洁汽车提出以下建议：（1）强化富产天然气汽车的优势，支持燃气汽车的推广。（2）改善二甲醚的使用方法，探索新的合成方法，降低使用运输成本。（3）完善甲醇燃料的生产工艺，进一步加强产业化，加强燃料乙醇汽油的应用。（4）加快突破制约电动汽车与燃料汽车发展的成本问题，并在政策上给予一定的优惠。3多种能源公交车全生命周期的研究为全面评价我国几种主要新能源公交车的能耗及污染物排放水平，清华车用能源研究中心使用清华大学Tsinghua-CA3EM模型中的“从矿井到车轮(WTW)”模块，对压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、煤制甲醇(M100)、煤制二甲醚(DME)、6天然气制氢气等，在资源开采、生产、运输分配，以及在公交车(包括燃料电池车FCV)最终使用过程中，电力生产和电动客车(EV)运行过程中能耗、温室气体和主要污染物排放情况，进行定量计算。3.1WTW研究方法3.1．1采用WelltoWheel研究框架能耗及污染物WTW分析模块（同中国清洁能源汽车全生命周期分析法）主要从微观角度研究车用燃料的能源使用和污染物排放问题，包括两个主要阶段：从矿井到加油机WTP(WelltoPump)和从加油机到车轮PTW(PumptoWheel)。公交车燃料从矿井到车轮WTW研究框架如表3-1所示。表3-1公交车燃料从矿井到车轮WTW研究框架3.1．2确立统一的功能单位在WTP阶段，将功能单位统一设定为“在加油(气、氢)机、充电口，低热值为1MJ(兆焦耳)的燃料”；在PTW阶段，功能单位设定为“客车行驶1km”，两者之间通过客车的燃料经济性数据建立联系。如:客车行驶1km的WTW能耗=客车1公里燃料耗量×(单位燃料燃烧的能耗+生产单位燃料所导致的能耗)；机动车行驶1km的WTW某种污染物排放二机动车1公里燃料耗量×(单位燃料燃烧的该种污染物排放量+生产单位燃料所导致的该种污染物排放量)。1）WTP阶段数据比较（1）常规能源开采和运输、燃料生产转化和输配数据石油开采、运输、炼制和品油输配情况如表3-2、3-3和图3-1、3-2所示。表3-2石油开采、炼制能效相关参数7表3-3石油运输与成品油输配参数图3-1石油开采能耗比例图3-1原油炼制能耗比例天然气和煤炭的开采、处理输配情况，以及电力生产和输情况与石油类似，在此不赘述。（2）煤基燃料、天然气制氢数据煤基燃料甲醇、二甲醚生产效和天然气制氢数据参见表3-4、3-5。表3-4煤基燃料参数表3-5天然气制氢参数82）公交车PTW排放数据比较新能源公交车燃料消耗与污染物排放情况见表3-6表3-6新能源公交车燃料消耗与污染物排放情况注：1.车辆标准统一为：12m车场、额定载客量70人；2.M100混合燃料中汽油：甲醇体积比为1:9；3.HEV车为柴油、电轻度混合。3.2结果评价3.2.1WTP阶段能耗及温室气体排放在WTP阶段能耗(不含燃料本身热值)及温室气体排放(含非燃烧排放)如图2-2所示。得到一个MJ(兆焦)的热值:图3-3燃料WTP阶段总能耗及温室气体排放情况(1)油气基传统燃料能量投入、温室气体排放较少；9(2)煤制甲醇、二甲醚都需要投入较多的能量，并排出较多的温室气体；(3)电力生产需要投入最多的能量，排出最多的温室气体；（4）另外，天然气制取氢气的能效、温室气体排放量居于中等水平。3.2.2PTW阶段能耗、温室气体及主要污染物排放在PTW阶段能耗及温室气体排放(含非燃烧排放)如图3-4所示。表3-4燃料PTW阶段总能耗及温室气体排放情况车辆行驶1km:（1）能效方面，电动车能量消耗最少，燃料电池车为传统车的2/3左右，传统油气燃料车的能耗差距不大，煤基DME略优于柴油车、煤基甲醇略差于柴油车；（2）温室气体排放方面，CNG、DME略少于传统石油基车辆，煤基甲醇略多于传统石油基车辆，电动车、燃料电池汽车运行阶段无温室气体排放；（3）另外，HEV相对传统柴油车而言，节能减排量约为1/8。10图3-5车辆运行（PTW）阶段HC、CO排放情况图3-6车辆运行（PTW）阶段NOX、PM排放情况在PTW阶段主要常规污染物如图3-5、3-6所示。车辆行驶1km：（1）电动车、燃料电池车基本没有排放；（2）汽油车与柴油车相比，在NOX和PM方面有优势；（3）柴油车的劣势恰恰在于，NOX和PM排放量比较多；（4）CNG、LPG汽车NOX少于柴油车，但是CO多于柴油车；（5）二甲醚除HC外，其它污染物都少于柴油车；（6）甲醇车HC、CO多于柴油车，NOX和PM少于柴油车；（7）HEV减排1/8。3.2.3全生命周期(WTW)评价从全生命周期来看，能效及温室气体排放情况如图3-7、3-8、3-9所示。11图3-7全生命周期WTW能耗及温室气体图3-8全生命周期化石能源及石油消耗情况图3-9全生命周期石油、煤炭和天然气消耗情况车辆行驶1km：（1）煤基燃料能耗最多、温室气体排放也最多，化石能源消耗多(主要是煤炭)，但是油气资源消耗少，尤其是DME在运行阶段可以纯烧，不需要掺混，节12约石油效果更好；（2）天然气制取氢气驱动燃料电池车的能耗和温室气体排放与柴油车水平接近；（3）电动汽车节能效果最好，能量消耗、温室气体排放量分别比传统车辆减少30%、20%左右；（4）CNG汽车总体能耗与传统汽车相差不大，但主要消耗天然气，很少消耗石油；（5）HEV车节能和温室气体减排水平为1/8。从全生命周期来看，污染物排放情况如图3-10、3-11、3-12所示。图3-10全生命周期污染物排放情况图3-11全生命周期NOX排放情况车辆行驶1km：（1）电动车几乎没有排放，只有少许NOX和PM，并且不在市区；（2）燃料电池车在燃料制取阶段有较多PM排放，使得全生命周期排放水平13高于传统汽、柴油车，但主要不在市区排放；（3）和车辆运行阶段类似，汽油车与柴油车相比，在NOX和PM方面有优势，后者这两种污染物的排放量较多，而且主要在市区排放；（4）CNG、LPG汽车CO、HC多于柴油车，但NOX和PM少于柴油车，尤其市区排放少；（5）二甲醚除HC外，在市区的其它污染物都少于柴油车；（6）甲醇车日HC、CO多于柴油车，NOX和PM少于柴油车，但全生命周期的PM量较多；（7）HEV减排1/8。3.3结论从全生命周期分析来看：（1）各种车辆的温室气体排放水平基本和总能耗成比例关