中國汽車低碳化系統(tǒng)工程研究

張曉艷，王永軍，李駿，付磊

（中國第一汽車股份有限公司，長春 130011）

一、前言

低碳化是中國發(fā)展國民經(jīng)濟、制定國家戰(zhàn)略的重要原則之一，未來中國汽車工業(yè)發(fā)展最大的挑戰(zhàn)是CO2。政府間氣候變化專門委員會研究報告表明，要控制全球氣溫升高不能超過2℃，就必須把CO2排放量控制在3.15×1012t?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)排放了2×1012t。為此，包括中國在內(nèi)的195個國家簽訂《巴黎協(xié)定》。中國在《巴黎協(xié)定》中承諾，到2030年CO2排放達到峰值，單位GDP CO2排放比2005年降低60%～65%。中國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的制定必須考慮低碳化的挑戰(zhàn)，在中國汽車工業(yè)向著節(jié)能減排轉(zhuǎn)型階段具有重要的指導意義[1]，在CO2總量控制的前提下，研究中國汽車低碳化發(fā)展具有重大意義[2]。從汽車產(chǎn)業(yè)全生命周期角度系統(tǒng)地研究低碳化之路是本項研究的基本目的，汽車全產(chǎn)業(yè)鏈，即研發(fā)、制造生產(chǎn)、銷售使用和回收，均涉及和影響原材料、機械、電子、能源、金融、服務(wù)以及基礎(chǔ)建設(shè)等各個領(lǐng)域。

二、中國低碳化系統(tǒng)工程研究

汽車低碳化系統(tǒng)工程研究從六個方面開展，即汽車低碳化系統(tǒng)架構(gòu)、汽車CO2排放現(xiàn)狀、汽車CO2排放預測模型、汽車CO2排放總量預測、汽車CO2排放占整個國家CO2排放的比例，以及汽車CO2排放評價。

低碳化系統(tǒng)構(gòu)建包括能源開采、能源加工、能源運輸，汽車材料制造、汽車生產(chǎn)、汽車使用和汽車廢棄回收環(huán)節(jié)。

根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行綜合分析，2015年中國汽車CO2排放統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖1，其中使用環(huán)節(jié)占整體CO2排放的75%，材料生產(chǎn)占16%，車輛生產(chǎn)占6%，維護保養(yǎng)占1%，廢棄回收占2%。發(fā)達國家汽車使用環(huán)節(jié)CO2排放在整體排放的比例為60%左右。從整體上看，從油井到車輪，我國全過程CO2排放強度普遍都比發(fā)達國家高。

圖1 中國汽車2015年CO2排放統(tǒng)計分析

在使用環(huán)節(jié)，2000年中國汽車CO2排放量為3.2×108t，2008年為6.1×108t，2015年則增加到了8.6×108t，我國汽車工業(yè)碳排放快速增加[3]，而日本2000年汽車CO2排放量為2.37×108t [4]，2008年為2.23×108t，2014年為2.01×108t，日本汽車CO2排放量呈逐年遞減的趨勢。

從日本汽車使用環(huán)節(jié)的碳排放看，總量已處于穩(wěn)定并因技術(shù)進步呈下降趨勢，而中國汽車使用碳排放隨汽車保有量的增加呈現(xiàn)快速增加趨勢。在制造環(huán)節(jié)，中國汽車制造環(huán)節(jié)CO2排放量大，目前中國汽車制造碳排放增加已放緩。日本2013年汽車產(chǎn)量是中國的1/2，但汽車制造碳排放是中國的1/9 [5]。國外汽車公司的單車生產(chǎn)碳排放可低至0.7 t/輛左右，中國汽車制造環(huán)節(jié)CO2排放量雖逐年下降，但仍有2.9 t/輛左右，減排空間較大。在汽車單車材料制造方面，中國汽車材料制造環(huán)節(jié)CO2排放量比美國高，其中中國單車鋼鐵的制造環(huán)節(jié)CO2排放量為3.27 t，而美國為2.49 t，中國汽車鋁制造環(huán)節(jié)CO2排放量為1.46 t，而美國僅為0.28 t。

本文基于汽車全生命周期，分別建立汽車使用（包括燃料制造環(huán)節(jié)碳排放）、生產(chǎn)、材料、維護、回收環(huán)節(jié)的碳排放計算模型，其中：

總體CO2排放量Mco2_tot= Mco2_road + Mco2_Manuf + Mco2_Maint + Mco2_Dis + Mco2_mat

式中，Mco2_tot為汽車相關(guān)碳排放總量；Mco2_road為汽車使用環(huán)節(jié)碳排放總量；Mco2_Manuf 為汽車制造環(huán)節(jié)碳排放總量；Mco2_Maint為汽車維護過程碳排放總量；Mco2_Dis為汽車廢棄過程碳排放總量；Mco2_mat為汽車制造用材料生產(chǎn)過程產(chǎn)生的碳排放總量。

汽車全生命周期CO2排放為道路使用排放,生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)排放，維修保養(yǎng)環(huán)節(jié)排放，處置和回收排放及材料生產(chǎn)過程中CO2排放量的總和。

其中道路上使用產(chǎn)生的CO2Mco2_road =∑Gr×Ak/Ar×ek×mk×et×Ck×lk

式中，Gr為參考年份燃料消耗總量，即已知年份的燃料消耗總量；Ak為未來車輛保有量，即預測年份車輛保有量；Ar為參考車輛保有量，即已知年份車輛保有量；mk為年平均使用里程修正系數(shù)；ek為未來年份保有車輛油耗修正系數(shù)；et為交通效率影響系數(shù)；Ck為單位質(zhì)量燃料CO2排放系數(shù)；lk為生命周期CO2排放系數(shù)。

模型中采用基于年度燃料消耗總量，利用工況油耗的進行修正的方法，規(guī)避了實際油耗值無法統(tǒng)計，工況油耗與實際油耗不符等問題。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)CO2排放總量

式中，Mquantity 為汽車年產(chǎn)量；Cco2_quantity為平均單位汽車生產(chǎn)碳排放量。

參考國外汽油發(fā)動機汽車全生命周期CO2排放比例。根據(jù)各個環(huán)節(jié)特征，做如下假設(shè)：

汽車維護環(huán)節(jié)CO2排放與使用環(huán)節(jié)CO2排放比例為：0.008∶0.769；

材料生產(chǎn)與車輛生產(chǎn)CO2排放比例為：0.131∶0.068；

廢棄回收與使用環(huán)節(jié)CO2排放比例為：0.022∶0.769。

模型的輸入為預測的2020年、2025年和2030年我國汽車產(chǎn)銷規(guī)模達3 000萬、3 500萬和3 800萬輛，《節(jié)能與新能源汽車路線圖》中汽車制造能耗降低目標，即2020年、2025年和2030年單位生產(chǎn)總值能耗比2015年分別降低20%、35%和50%。根據(jù)上述模型、輸入和假設(shè)條件對中國汽車CO2排放進行了預測，結(jié)果表明，無論汽車使用環(huán)節(jié)還是全生命周期，2030年都會有較大降幅（見圖2），提前實現(xiàn)“達峰”，中國汽車制造環(huán)節(jié)CO2排放量從目前開始呈現(xiàn)下降趨勢，但是下降幅度和貢獻度最大的是汽車使用環(huán)節(jié)。汽車制造環(huán)節(jié)碳排放降低得益于汽車產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排力度加大，使用環(huán)節(jié)碳排放幅度的下降主要歸結(jié)為兩方面原因，第一是汽車油耗和電耗在法規(guī)的要求下持續(xù)下降，第二是到2025年以后，汽車年產(chǎn)銷量、年報廢量、汽車保有量等趨向穩(wěn)定。如果不能把使用環(huán)節(jié)中的CO2控制下來，要持續(xù)保持到2030年整車的銷售量繼續(xù)提升，將會困難重重。

圖3和圖4分別是全球道路運輸產(chǎn)生碳排放在總量中的占比[6]，和中國道路運輸產(chǎn)生碳排放在總量中的占比。全球道路運輸CO2排放量平均占總量的17%左右，而中國2005年占4.6%，2010年占5.3%，2015年則增加到了7.0%。由于我國碳排放基數(shù)大，雖然CO2占比不大，但是占比增長迅速，2005—2015年增長較為明顯，汽車CO2排放總量巨大。

本文從汽車低碳化系統(tǒng)工程角度，建立了包含7項一級指標和32項二級指標的汽車低碳化評價體系。一級指標包括產(chǎn)業(yè)低碳化、產(chǎn)品低碳化、能源低碳化、基礎(chǔ)設(shè)施低碳化、出行低碳化、政策環(huán)境低碳化和文化低碳化，如圖5所示。

通過設(shè)計各級指標的權(quán)重并進行專家打分，得到綜合評價結(jié)果，總體評價結(jié)果表明，在汽車低碳化國家整體發(fā)展水平上，日本和德國的分數(shù)領(lǐng)先，中國與發(fā)達國家還有明顯差距，從評價結(jié)果可以看出，日本和德國超過8.5分，位于低碳化的第一陣營；我國低于7分，為第三陣營。我國除了政策環(huán)境低碳化之外，其余分數(shù)都較低?！栋屠鑵f(xié)定》后主要國家都進行碳排放控制測算，為滿足生態(tài)發(fā)展需求，一些國家已提出2030年左右停售純?nèi)加蛙?；研究顯示，中國汽車有望在2028年CO2排放總量提前達到峰值，總碳排放量要控制在1.5×109t，汽車碳排放占國家總的碳排放的比例大致在12%。

圖2 中國汽車CO2排放總量預測結(jié)果

圖3 全球道路運輸產(chǎn)生碳排放在總量中占比

圖4 中國道路運輸產(chǎn)生碳排放在總量中占比

圖5 國家汽車低碳化評價指標體系

三、中國乘用車低碳化技術(shù)路線

我國已經(jīng)制定了嚴格的汽車油耗法規(guī)（見圖6）來限制汽車CO2排放[7]，這是我國乘用車CO2排放強制法規(guī)，商用車馬上也要實施強制性法規(guī)。過去我國油耗只是商業(yè)性的，排放污染物控制是強制性的。現(xiàn)在我國高度重視CO2排放，出臺了嚴格的油耗法規(guī)來控制乘用車CO2排放，中國油耗法規(guī)有三個門檻：第一個是準入，達不到一定的條件不能準入，企業(yè)不能銷售汽車；第二個是企業(yè)車隊碳排放必須控制在一個水平下；第三個是如果企業(yè)銷售車隊達不到油耗目標，企業(yè)必須去購買碳配額。目前中國的油耗法規(guī)（CO2法規(guī)）對所有企業(yè)是有效的，是中國汽車工業(yè)最嚴格的法規(guī)，這個法規(guī)是關(guān)系到企業(yè)生死存亡的法規(guī)。這體現(xiàn)了中國政府重視汽車工業(yè)節(jié)能減排工作，從圖6可看到，從第三階段到第四階段油耗降低27%，到第五階段油耗降幅將超過20%以上。

全社會都要為汽車節(jié)能減排承擔責任，包括政府、企業(yè)和消費者。降低油耗使產(chǎn)品成本增加，顧客是否愿意承受成本增加來購買達到油耗法規(guī)的汽車產(chǎn)品，是企業(yè)生存的關(guān)鍵。在考慮產(chǎn)品生命周期回報的前提下，根據(jù)對消費者購買意愿調(diào)查，對于乘用車顧客只愿意在3年內(nèi)得到的降油耗的收益來付初始購置費。最后得出降低0.1 L油需要增加的成本（見圖7），如A0級車每降低0.1 L油耗需要成本增加230元，而C級車每降低0.1 L油則需要成本增加474元，企業(yè)要在這樣的成本增加前提下達標。中國汽車企業(yè)在推廣節(jié)油技術(shù)實現(xiàn)第四階段油耗的同時，面臨技術(shù)創(chuàng)新所帶來的成本壓力，成本壓力也制約了汽車企業(yè)產(chǎn)品電動化的進程。

圖6 中國乘用車油耗法規(guī)

圖7 中國乘用車油耗成本評估

從未來各個油耗階段汽油機達到CO2排放和成本增加限值的可行技術(shù)來看，在2020年前，為達到汽油機熱效率38%，實現(xiàn)5 L/100 km油耗的第四階段油耗目標，可用的技術(shù)包括Miller循環(huán)、啟停技術(shù)、可變氣門升程（VVL）、整體式排氣管、高效增壓、低摩擦和輕量化技術(shù)。2025年實現(xiàn)第五階段油耗目標，油耗要降到4 L/100 km，汽油機熱效率須達到42%，可用的技術(shù)包括可變氣門執(zhí)行機構(gòu)（VVA）、熱管理、48 V（混合動力HEV或插電式混合動力汽車PHEV）、電子增壓、廢氣再循環(huán)（EGR）、停缸、可變壓縮比（VCR）、廢氣能量回收（WHR）、缸內(nèi)噴水冷卻、稀薄燃燒技術(shù)。預計到2030年，實現(xiàn)油耗為3.2 L/100 km的第六階段，發(fā)動機熱效率須達到45%，更高成本的技術(shù)包括低溫燃燒、大沖程缸徑比、廢熱能量回收、絕熱技術(shù)、發(fā)動機電動化和HEV/PHEV技術(shù)。

這些技術(shù)與當前的新能源電動化相結(jié)合，中國一汽提出了發(fā)動機電動化概念，考慮了發(fā)動機電動化的成本和節(jié)油的潛力，一代發(fā)動機結(jié)合了集成啟動/發(fā)電機技術(shù)（BSG），二代發(fā)動機在一代發(fā)動機基礎(chǔ)上進行發(fā)動機附件電動化技術(shù)創(chuàng)新（見圖8）。

變速器的電動化創(chuàng)新性也存在很大空間，創(chuàng)新性的核心在于電機與變速器的高度集成。變速器的電動化可以帶來強混合動力和插電式混合動力。48V輕混系統(tǒng)能夠使B級車達到第四階段目標，比高壓深混系統(tǒng)更具性價比優(yōu)勢，采用基于變速器電動化的混合動力技術(shù)，能使B/C級HEV車型達到第四階段油耗目標，B/C級PHEV車型達到第五階段油耗目標。

圖8 發(fā)動機電動化

純電動汽車對于每個油耗法規(guī)的階段都有很大貢獻。1輛A0級純電動車，可平衡7.9輛B級傳統(tǒng)車達到第四階段油耗目標，可平衡2.3輛B級傳統(tǒng)車達到第五階段油耗目標。1輛A0級純電動車，可平衡6.1輛C級傳統(tǒng)車達到第四階段油耗目標，可平衡2輛C級傳統(tǒng)車達到第五階段油耗目標。如考慮目前國家乘用車企業(yè)平均燃料消耗量（CAFC）獎勵政策，純電動車平衡CAFC的潛力還將成倍增加。

對氫燃料電池電動汽車的三種形式，即能量補償型、功率混合型和全功率型進行了對比研究：認為對于全功率燃料電池發(fā)動機，低碳貢獻是最合理的。全功率燃料電池汽車無需外接充電，通過快速加氫補充燃料，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車使用性能相當，是國際上低碳汽車發(fā)展的主流技術(shù)趨勢。

四、中國商用車低碳化技術(shù)路線

商用車面臨著巨大的降低油耗挑戰(zhàn)任務(wù)，中國商用車2020年要實施第三階段油耗法規(guī)，2025年將實施第四階段油耗法規(guī)，兩個階段油耗將降低15%。美國將在2021年實施第二階段法規(guī)，歐盟目前正在收集CO2排放數(shù)據(jù)，預計在2022年會發(fā)布商用車CO2排放限值。

目前商用車油耗占整體車輛CO2排放的比例為53%，而保有量大的乘用車才占到47%，中國對外石油依賴度高達65%，大量進口原油被用于商用車。提升商用車燃油經(jīng)濟性分兩步走，第一步是發(fā)動機熱效率要達到47%，因為對于商用車來說，柴油發(fā)動機仍然是主要的動力源，目前還沒有大容量的動力電池，來解決高速公路運輸?shù)纳逃密嚨吞蓟瘑栴}。對于47%的發(fā)動機熱效率，主要還是改進發(fā)動機的燃燒過程。關(guān)鍵是在三個非常重要的方面改進，一是燃燒室改進，二是共軌系統(tǒng)的改進，三是增壓器的改進。三個方面中非常重要的就是必須要實現(xiàn)噴油速率可變的共軌，中國一汽研發(fā)了雙軌噴油系統(tǒng)，一個高壓軌，一個低壓軌。通過兩個軌的組合和控制系統(tǒng)，產(chǎn)生3種不同的噴油速率，目前已經(jīng)獲得了國家專利。燃燒過程優(yōu)化最重要的就是要把NOx和油耗同時降下來。增壓器必須在低速和高速都有高的效率，雙流道非對稱增壓器是最佳方案。

第四階段就是柴油機熱效率要達到50%。其中最重要的技術(shù)路線之一就是廢氣能量回收，這一技術(shù)路線能夠有2%～4%熱效率提升潛力。

商用車低碳化的重要技術(shù)路線要用清潔燃料，發(fā)動機使用天然氣，可以顯著降低CO2排放，按C-WTVC測試循環(huán)，天然氣發(fā)動機可以降低約7%的CO2排放。未來商用車發(fā)動機開發(fā)應(yīng)以天然氣發(fā)動機為基本型，柴油機是變型，這是非常大的創(chuàng)舉。

商用車采用混合動力降低CO2排放在未來有7%～10%的效果，是重要的低碳化技術(shù)路線。商用車智能化對于降低油耗有很大潛力，一個是智能預測，預測道路工況；另外一個就是智能編隊減少風阻，具有約20%的降低油耗潛力。

五、對策建議

本文對中國汽車低碳化系統(tǒng)工程做了一定研究，根據(jù)研究結(jié)果及研究中遇到的問題，未來加速中國汽車低碳化進程，對中國汽車低碳化工程建設(shè)提出了如下建議。

第一，建立低碳汽車產(chǎn)業(yè)體系，包括低碳數(shù)據(jù)庫建設(shè)、產(chǎn)業(yè)鏈低碳體系建設(shè)和低碳管理體系；第二，能源和汽車要協(xié)同發(fā)展，包括電力系統(tǒng)布局與電動車發(fā)展相協(xié)調(diào)，氫能發(fā)展與氫燃料電池汽車發(fā)展相協(xié)調(diào)，代用燃料與商用車技術(shù)發(fā)展相協(xié)調(diào)；第三，制定商用車低碳化戰(zhàn)略，通過提高現(xiàn)有產(chǎn)品熱效率，實現(xiàn)低碳化，通過低碳燃料使用實現(xiàn)低碳化，通過燃料電池，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)低碳化；第四，實現(xiàn)綠色制造，在制造環(huán)節(jié)上把碳排放降下來，推進汽車企業(yè)綠色制造進程，建立與汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模相適應(yīng)的廢棄回收體系，大幅推廣綠色、可循環(huán)再生原材料；第五，推動智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展，加速智能汽車開發(fā)，加速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，擴展行業(yè)合作；第六、通過大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等進一步降低汽車在使用環(huán)節(jié)的碳排放。

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