液化天然氣商用車與柴油商用車生命周期能耗差異評(píng)價(jià)

涂小岳 徐建全，2 陳軼嵩 楊沿平

1.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙，410082

2.福建農(nóng)林大學(xué)，福州，350002

0 引言

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)汽車由于其排放清潔、續(xù)駛里程長(zhǎng)、安全、運(yùn)營(yíng)成本低等優(yōu)勢(shì)，近年愈來(lái)愈得到客戶的認(rèn)可和青睞。特別在重型商用車領(lǐng)域，用LNG替代柴油已成為十分重要的發(fā)展方向［1］，LNG重卡產(chǎn)銷量已從2009年的672輛上升到2012年的11 920輛，2013年LNG重卡產(chǎn)銷量預(yù)計(jì)將超過(guò)3萬(wàn)輛。行業(yè)專家預(yù)測(cè):未來(lái)10年LNG重型商用車將維持25%以上的年增長(zhǎng)率，將逐步占據(jù)20%以上的市場(chǎng)份額。

LNG商用車和柴油商用車對(duì)資源、能源及環(huán)境影響的差異必須從生命周期角度出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)才能得出正確結(jié)果，目前，雖然有眾多學(xué)者研究了生命周期評(píng)價(jià)在汽車上的應(yīng)用［2-12］，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其研究仍較少，特別在LNG商用車的生命周期評(píng)價(jià)方面，尚沒有取得較成熟的、系統(tǒng)性的研究成果。本文根據(jù)商用車的原材料提取與加工、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品的使用、回收利用整個(gè)生命周期過(guò)程建立了LNG與柴油商用車的能耗差異評(píng)價(jià)模型，并以奇瑞商用車(安徽)有限公司已生產(chǎn)銷售的同級(jí)別的LNG攪拌車與柴油攪拌車作為實(shí)證研究對(duì)象，系統(tǒng)評(píng)價(jià)了其生命周期的能耗差異。研究成果可為企業(yè)開展LNG重型商用車業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)，同時(shí)可為國(guó)家制定LNG汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略提供決策量化參考。

1 評(píng)價(jià)模型的建立

建立能源消耗差異評(píng)價(jià)模型旨在描述LNG商用車與柴油商用車生命周期能源消耗差異情況。該模型從生命周期的角度出發(fā)，全面研究LNG商用車與柴油商用車從材料制備(含資源獲取)到零部件加工制造、整車裝配再到使用、回收利用各階段的能源消耗差異情況，建立相應(yīng)的差異矩陣，最終計(jì)算綜合能源消耗差異［13］。

1.1 質(zhì)量差異矩陣模型

根據(jù)商用車的零部件數(shù)量、材料組成以及零部件的生命周期更換情況，建立LNG商用車與柴油商用車的質(zhì)量差異矩陣，然后根據(jù)質(zhì)量差異矩陣構(gòu)建材料消耗差異矩陣。

LNG商用車的質(zhì)量矩陣ML為

式中，k為L(zhǎng)NG商用車所包含的零部件數(shù)量;n為L(zhǎng)NG商用車所包含的材料種類數(shù)。

則LNG商用車的整備質(zhì)量ml可表示為

柴油商用車的質(zhì)量矩陣MC為

式中，q為柴油商用車所包含的零部件數(shù)量;p為柴油商用車所包含的材料種類數(shù)。

則柴油商用車的整備質(zhì)量mc可表示為

構(gòu)建LNG商用車與柴油商用車的材料質(zhì)量差異矩陣MD，則LNG商用車與柴油商用車的質(zhì)量差異量為

其中，md，ij表示LNG與柴油商用車相比較，第i種零部件中包含的第j種材料的質(zhì)量差異量，md，ij=ml，ij－ mc，ij，當(dāng) i ＞ q 或 j ＞ p 時(shí)，mc，ij=0。

設(shè)材料在零部件加工過(guò)程中的利用率矩陣ηP為n階對(duì)角矩陣，材料消耗的差異矩陣MB表示如下:

則LNG商用車與柴油商用車需要消耗的材料差異量 mb，i為

1.2 能源消耗差異評(píng)價(jià)模型

1.2.1材料制備階段的能耗差異

構(gòu)建材料制備階段的能源消耗強(qiáng)度矩陣EB為

式中，s為在材料制備階段消耗的能源種類數(shù);eb，ij為制備第i種材料過(guò)程中第j種能源的消耗強(qiáng)度。

本文采用了北京工業(yè)大學(xué)中國(guó)材料生命周期清單數(shù)據(jù)，該強(qiáng)度矩陣已包含材料制備階段的上游能耗，則材料制備階段的能源消耗差異矩陣ETB和能耗差異量etb為

1.2.2零部件加工階段的能耗差異

分別構(gòu)建LNG商用車與柴油商用車在零部件加工階段的能源消耗矩陣ETWL和ETWC:

式中，t為L(zhǎng)NG商用車零部件加工過(guò)程中消耗的能源種類數(shù);etwl，ij為L(zhǎng)NG商用車第i種零部件加工過(guò)程中消耗的第j種能源量;y為柴油商用車零部件加工過(guò)程中消耗的能源種類數(shù);etwc，ij為柴油商用車第i種零部件加工過(guò)程中消耗的第j種能源量。

這里引入分塊矩陣的概念，當(dāng)k≥q，t≥y時(shí)，得到零部件加工階段的能耗差異矩陣ETWD:

其中，etwd，ij表示LNG與柴油商用車在加工第i種零部件時(shí)消耗的第j種能源的差異量。則LNG商用車與柴油商用車相比，在零部件加工階段的能耗差異量etwd可以表示為

同理，當(dāng)k＜ q，t＜y;k＞ q，t＜y以及k＜q，t＞y時(shí)，也可分別寫出相應(yīng)的能耗差異矩陣ETWD，并計(jì)算出能耗差異量etwd。

1.2.3整車裝配階段的能耗差異

構(gòu)建整車裝配階段的能源消耗矩陣ETA為

式中，g為商用車的裝配工序數(shù);h為商用車裝配階段消耗的能源種類數(shù)。

同理，參照矩陣ETWD，可以構(gòu)建出LNG商用車與柴油商用車在裝配階段的能耗差異矩陣ETAD，計(jì)算出能耗差異總量etad。整車裝配階段的能源消耗均考慮了各類能源生產(chǎn)及使用的交互作用與影響。

1.2.4使用階段的能耗差異

在對(duì)LNG與柴油商用車使用階段的能源消耗進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不僅要考慮車輛使用階段的能源消耗情況，還需要考慮生產(chǎn)液化天然氣和柴油過(guò)程中上游能源消耗情況，車輛使用階段的能耗差異量用etus來(lái)表示，能源上游階段的能耗差異量用etub來(lái)表示。

在車輛使用階段，設(shè)LNG商用車單位行駛里程消耗的液化天然氣的總量為a;設(shè)柴油商用車單位行駛里程消耗的柴油的總量為b，L表示車輛生命周期總行駛里程數(shù)，將b和a轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一能耗單位后，則可得到etus:

對(duì)能源上游階段的能耗情況，單位液化天然氣的上游能源消耗矩陣EUL可表示為

式中，v1為生產(chǎn)液化天然氣消耗的能源種類數(shù);eulj為生產(chǎn)單位液化天然氣時(shí)第j種能源的消耗量。

同理，單位柴油的上游能源消耗矩陣EUC可表示為

式中，v2為生產(chǎn)柴油消耗的能源種類數(shù);eucj為生產(chǎn)單位柴油時(shí)第j種能源的消耗量。

假設(shè)v1≥v2，同樣引入分塊矩陣的概念，構(gòu)建單位行駛里程液化天然氣和柴油的上游能源消耗差異矩陣ETUB:

轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一能耗單位后，etubj=aeulj－beucj，則在車輛使用階段，液化天然氣和柴油的上游能源消耗差異量為

當(dāng)v1≤v2時(shí)，同理可得到相應(yīng)的ETUB，并計(jì)算出相應(yīng)的etub。

從而得到使用階段LNG商用車與柴油商用車的能耗差異量etud:

1.2.5回收利用階段的能耗差異

構(gòu)建商用車回收利用階段的能源消耗矩陣ETR為

式中，e為回收利用的工序數(shù);f為回收利用階段消耗的能源種類數(shù)。

同理，可以構(gòu)建出LNG商用車與柴油商用車在回收利用階段的能耗差異矩陣ETRD，進(jìn)而計(jì)算出能耗差異量etrd?？紤]到目前LNG重卡在市場(chǎng)推廣不久，回收利用階段的能耗差異數(shù)據(jù)較難搜集，所以本文暫不考慮。

1.2.6生命周期綜合能耗差異

將各個(gè)階段LNG商用車與柴油商用車的能源消耗差異求和，即可計(jì)算出生命周期的綜合能源消耗差異量et:

2 實(shí)證分析

2.1 評(píng)價(jià)對(duì)象

本文經(jīng)過(guò)篩選，根據(jù)文獻(xiàn)［13］，選定奇瑞商用車(安徽)有限公司生產(chǎn)銷售的LNG攪拌車和柴油攪拌車作為L(zhǎng)NG車與傳統(tǒng)車的代表性車型，這兩個(gè)車型是同一平臺(tái)的柴油版本和LNG版本，車型主要參數(shù)配置如表1所示。

表1 兩種車型的主要參數(shù)配置

本文實(shí)證研究數(shù)據(jù)來(lái)源為奇瑞商用車(安徽)有限公司2011年7月～2013年3月間生產(chǎn)銷售的LNG混凝土攪拌車(產(chǎn)品型號(hào)為SQR5251GJBN6T4－1，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為YC6MK375N)和柴油攪拌車(產(chǎn)品型號(hào)為SQR5250GJND6T4－1，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為YC6K10380)。其中，車輛運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)選取自石家莊、杭州、武漢、合肥、深圳、東莞8個(gè)試驗(yàn)單位中有完整數(shù)據(jù)記錄的 79臺(tái)車，系累計(jì)超過(guò)50 000km的同車型同路徑不同燃料模式下的對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2011年10月1日～2012年12月31日。

2.2 評(píng)價(jià)方法與結(jié)果

本模型在采集基礎(chǔ)能耗清單數(shù)據(jù)時(shí)，除了考慮材料制備階段(包括礦石資源獲取)的能源消耗情況，還考慮了煤炭、柴油、天然氣、電力等能源上游的能耗情況。材料和能源的能耗基礎(chǔ)清單數(shù)據(jù)主要取自于北京工業(yè)大學(xué)中國(guó)材料生命周期清單數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)間邊界為2008年～2009年，技術(shù)水平反映中國(guó)的平均水平。其他數(shù)據(jù)主要來(lái)源于權(quán)威部門發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及國(guó)內(nèi)外公開文獻(xiàn)資料，如各類統(tǒng)計(jì)年鑒，國(guó)家部委及冶金、能源、環(huán)境部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及第三方機(jī)構(gòu)發(fā)布的權(quán)威數(shù)據(jù)等。

本文在計(jì)算LNG商用車與柴油商用車的生命周期能源消耗差異時(shí)，僅關(guān)注兩種類型車輛的主要差異部分，因此在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中，重點(diǎn)考慮了鋼材、鑄鐵、鑄鋁、鍛鋁等對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大的金屬材料的資源消耗清單，而對(duì)于玻璃、塑料、橡膠和復(fù)合材料等非金屬材料暫不列出。比如氣瓶和油箱的差異(見表1);發(fā)動(dòng)機(jī)差異方面，氣體機(jī)比柴油機(jī)多了2kg鑄鋁?？紤]到未來(lái)非可再生能源耗盡的壓力，本文僅對(duì)商用車生命周期非可再生能源影響進(jìn)行評(píng)估，而暫時(shí)未涉及可再生能源。

本文假設(shè)LNG攪拌車和柴油攪拌車的壽命為5年(年均80 000km)，在綜合工況下進(jìn)行比較，然后將采集到的清單數(shù)據(jù)代入評(píng)價(jià)模型，采用MATLAB軟件編程，得出LNG攪拌車與柴油攪拌車的能耗差異情況，如圖1～圖6所示。圖6中能耗差異是天然氣車能耗減去柴油車能耗。

圖1 材料制備階段發(fā)動(dòng)機(jī)差異部分能耗

圖2 材料制備階段其他零部件差異部分能耗

圖3 制造裝配階段直接能耗

圖4 使用階段直接能耗

圖5 生命周期差異部分能耗

圖6 各階段及生命周期能耗差異量

2.3 結(jié)果分析

在材料制備階段，LNG攪拌車和柴油攪拌車相比，發(fā)動(dòng)機(jī)差異部分LNG車能耗多了498.1MJ(17kgce，本文采用1kgce=29.3MJ);對(duì)比氣瓶和油箱，制造氣瓶的能耗11.3977GJ(389kgce)明顯大于制造油箱的能耗4.688GJ(160kgce)。在制造裝配階段，LNG攪拌車與柴油攪拌車的能耗差異分別為4.3657GJ(149kgce)和6153MJ(210kgce)。在使用階段，LNG攪拌車與柴油攪拌車的直接能耗差異分別為1.02×1013J(349 718kgce)和 8.34×1012J(284 449kgce)?？梢姡琇NG攪拌車與柴油攪拌車的能耗差異主要體現(xiàn)在使用階段，而在材料制備階段和制造裝配階段的能耗差異很小。LNG攪拌車使用階段的直接能耗差異較柴油攪拌車大 1.91×1012J(65 269kgce)，主要原因在于LNG攪拌車在使用階段的耗氣量較大，所以，降低氣耗是未來(lái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)研究重點(diǎn)。

若考慮能源上游情況，通過(guò)評(píng)價(jià)模型計(jì)算得出，LNG攪拌車比柴油攪拌車的生命周期總能耗差異減少8.25×1011(28 158kgce)。這說(shuō)明雖然LNG攪拌車的直接能耗比柴油攪拌車高，但總能耗卻比柴油車低，從生命周期視角來(lái)看，LNG攪拌車在節(jié)能上有一定的優(yōu)勢(shì)。加之，當(dāng)前燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)才剛剛起步，改進(jìn)的空間更大，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，LNG商用車的節(jié)能潛力也將逐步被挖掘出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立LNG商用車與柴油商用車的生命周期能耗差異評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行實(shí)證計(jì)算分析可知，雖然LNG攪拌車使用階段的直接能耗較柴油攪拌車大，但LNG攪拌車的生命周期總能耗卻比柴油車小，這符合國(guó)家汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能發(fā)展方向。因此國(guó)家應(yīng)加大力度支持LNG商用車的發(fā)展，特別應(yīng)該高度重視LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)，加強(qiáng)對(duì)LNG燃燒機(jī)理的研究，系統(tǒng)研發(fā)專門針對(duì)氣體機(jī)的高壓直噴、精確控制等先進(jìn)技術(shù)，充分挖掘出氣體機(jī)的節(jié)能潛力。

［1］李西秦，劉冰.燃?xì)馄嚢l(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.天然氣工業(yè)，2009，29(4):105-108.Li Xiqin，Liu Bing.Research Status and Development Trend of Gas－fueled Vehicle［J］.Natural Gas Industry，2009，29(4):105-108.

［2］Campanari S，Manzolini G，de la Iglesia F G.Energy Analysis of Electric Vehicles Using Batteries or Fuel Cells through Well－to－wheel Driving Cycle Simulations［J］.Journal of Power Sources，2009，186(2):464-477.

［3］Ou Xunmin，Zhang Xiliang，Chang Shiyan，et al.Energy Consumption and GHG Emissions of Six Biofuel Pathways by LCA in(the)People’s Republic of China［J］.Applied Energy，2009，86(S1):197-208.

［4］Hao Han，Wang Hewu，Ouyang Minggao.Fuel Conservation and GHG(Greenhouse Gas)Emissions Mitigation Scenarios for China’s Passenger Vehicle Fleet［J］.Energy，2011，36(11):6520-6528.

［5］Carla S.Electric and Plug－in Hybrid Vehicles Influence on CO2and Water Vapour Emissions［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36(20):13225-13232.

［6］Lucas A，Silva C A，Neto R C.Life Cycle Analysis of Energy Supply Infrastructure for Conventional and E-lectric Vehicles［J］.Energy Policy，2012，41(2):537-547.

［7］Lin Gao，Winfield Z C.Life Cycle Assessment of Environmental and Economic Impacts of Advanced Vehicles［J］.Energies，2012，5(3):605-620.

［8］Ou Xunmin，Yan Xiaoyu，Zhang Xiliang，et al.Lifecycle Analysis on Energy Consumption and GHG Emission Intensities of Alternative Vehicle Fuels in China［J］.Applied Energy，2012，90(2):218-224.

［9］McKenzie E C，Durango－Cohen P L.Environmental Life－cycle Assessment of Transit Buses with Alternative Fuel Technology［J］.Transportation Research Part D，2012，17(1):39-47.

［10］胡志遠(yuǎn)，張成，浦耿強(qiáng)，等.木薯乙醇汽油生命周期能源、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25(1):13-16.Hu Zhiyuan，Zhang Cheng，Pu Gengqiang，et al.Life Cycle Energy，Environment，and Economy Assessment of Cassava－based Ethanol Gasoline［J］.Internal Combustion Engine，2004，25(1):13-16.

［11］王壽兵，董輝，王如松，等.中國(guó)某轎車生命周期內(nèi)能耗和環(huán)境排放特性［J］.復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，45(3):328-334.Wang Shoubing，Dong Hui，Wang Rusong，et al.Life Cycle Inventory of a China Car［J］.Journal of Fudan University(Natural Science)，2006，45(3):328-334.

［12］李飛龍，郭孔輝，楊沿平，等.基于GREET模型的汽車材料輕量化能耗評(píng)價(jià)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2013，24(5):681-684.Li Feilong，Guo Konghui，Yang Yanping.et al.Research on Assessment of Energy Saving in Lightweight of Automotive Material Based on GREET Model［J］.China Mechanical Engineering，2013，24(5):681-684.

［13］涂小岳，楊沿平，徐建全，等.LNG重型商用車和柴油重型商用車全生命周期環(huán)境排放差異評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2013，24(11):1525-1530.Tu Xiaoyue，Yang Yanping，Xu jianquan.et al.Evaluation of Difference between LNG and Diesel Heavy－duty Commercial Vehicle’s Life Cycle Environment Emission［J］.China Mechanical Engineering，2013，24(11):1525-1530.