燃油與純電動(dòng)汽車流通過(guò)程中CO2排放分析

何義團(tuán)，張鵬博，邵毅明，陶友東

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車保有量的急劇增加，到2017年3月底，全國(guó)汽車保有量首次超過(guò)3億輛[1]。2016年，中國(guó)對(duì)國(guó)外燃油的依賴程度達(dá)65%[2]，機(jī)動(dòng)車尾氣排放一氧化碳達(dá)3 000萬(wàn)t，碳?xì)浠镞_(dá)335萬(wàn)t，氮氧化物達(dá)535萬(wàn)t、顆粒物達(dá)51.2萬(wàn)t[3]?？諝馕廴疽呀?jīng)成為中國(guó)大城市的重要環(huán)境問(wèn)題之一。高濃度污染物如顆粒物、SO2、氮氧化物等排放物質(zhì)已經(jīng)嚴(yán)重影響人類身心健康[4-5]。新能源汽車?yán)秒娔?，減少對(duì)傳統(tǒng)燃油的依賴程度，緩解能源緊張局勢(shì)，同時(shí)降低有害氣體的排放。但是，在我國(guó)現(xiàn)有條件下，動(dòng)力電池技術(shù)瓶頸尚未突破、充電基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善、電力能源儲(chǔ)備不足、電池回收及處理技術(shù)未能解決等問(wèn)題成為電動(dòng)車推廣的主要障礙[6]。國(guó)際能源組織數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)是全球最大的碳排放國(guó)[7]。面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題及持續(xù)緊張的能源局勢(shì)，低碳交通無(wú)疑是未來(lái)交通發(fā)展的重要方向。目前，基于CO2生命周期對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展預(yù)測(cè)研究還比較少。因此，筆者對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)車流通過(guò)程中CO2排放量進(jìn)行了對(duì)比分析，探討汽車電動(dòng)化與優(yōu)化電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)對(duì)CO2排放的影響。

1 燃油與純電動(dòng)車流通過(guò)程中CO2排放對(duì)比

全生命周期指某種產(chǎn)品由自然中獲取最初資源、能源，經(jīng)過(guò)開采、冶煉、加工、再加工等生產(chǎn)過(guò)程形成最終產(chǎn)品，又經(jīng)過(guò)流通領(lǐng)域進(jìn)入消費(fèi)、使用，最終又以各種形式返回環(huán)境系統(tǒng)的整個(gè)過(guò)程[8-9]。傳統(tǒng)燃油汽車全生命周期CO2的排放主要包括“礦井-油箱”和“油箱-車輪”兩部分。石油開采、貯存、運(yùn)輸、加工、產(chǎn)品運(yùn)輸、使用產(chǎn)生排放等生命周期過(guò)程均有CO2氣體的產(chǎn)生，而電動(dòng)汽車全生命周期CO2的排放主要來(lái)自于發(fā)電過(guò)程。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)電力能源結(jié)構(gòu)以及不同能源發(fā)電所產(chǎn)生的CO2氣體排放，可以對(duì)電動(dòng)汽車全生命周期的CO2排放情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。筆者主要對(duì)汽車流通過(guò)程中使用不同能源所造成的CO2排放進(jìn)行對(duì)比。

1.1 燃油車流通過(guò)程中CO2排放量

機(jī)動(dòng)車數(shù)量的快速增加已經(jīng)加劇了全球能源消耗與溫室效應(yīng)。目前，節(jié)能減排成為諸多領(lǐng)域討論的熱點(diǎn)話題[10]。為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與溫室效應(yīng)的挑戰(zhàn)，許多國(guó)家紛紛出臺(tái)促進(jìn)傳統(tǒng)汽車戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的政策。針對(duì)C級(jí)車CO2排放全生命周期，利用全球經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，計(jì)算石油煉制過(guò)程產(chǎn)物中的CO2及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)物中的CO2，以汽油每釋放1 MJ能量所排放的CO2為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

石油煉制過(guò)程中的CO2排放量為12.19 g /MJ，汽油的體積熱值為33.37 MJ/L,有：

Q1=α·ε

(1)

式中：α為石油煉制過(guò)程中排放量，MJ/L；ε為汽油的體積熱值。

因此，石油煉制1 L汽油的CO2排放為406.8 g。而對(duì)于傳統(tǒng)C級(jí)車，城市工況下，平均每百公里需要加油約5.5 L，因此煉制此部分石油每公里所對(duì)應(yīng)的CO2排放為：

Q2=Q1×Vm/100

(2)

每百公里行駛里程中汽油燃燒所產(chǎn)生的CO2排放為：

Q3=Vm×Em×ηm×N×nC

(3)

因此，對(duì)于C級(jí)車，百公里行駛里程，CO2排放總量為：

Q4=Q2+Q3

(4)

式中：Vm為標(biāo)準(zhǔn)汽油體積，取5.5 L；Em為標(biāo)準(zhǔn)汽油體積燃燒造成的CO2排放量；ηm為燃燒效率；N為CO2摩爾質(zhì)量；nC為碳摩爾質(zhì)量；Q1為石油煉制每升汽油的CO2排放量；Q2為煉制C級(jí)車每百公里行駛里程所需汽油產(chǎn)生的CO2排放量；Q3為C級(jí)汽車百公里行駛里程中汽油燃燒所造成的CO2排放量；Q4為C級(jí)車百公里行駛里程CO2排放總量。

通過(guò)計(jì)算，得到C級(jí)車百公里的行駛里程的CO2排放總量約為150 g/km。

1.2 電動(dòng)車流通過(guò)程中CO2排放量

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車最大的不同為電動(dòng)汽車動(dòng)力來(lái)源為電能，而電能往往通過(guò)煤、石油、液化天然氣、核能、水能等方式發(fā)電獲得。不同發(fā)電方式均會(huì)產(chǎn)生一定量的CO2排放。表1為我國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)與各能源全生命周期CO2排放統(tǒng)計(jì)。

表1 電力能源結(jié)構(gòu)及周期CO2排放Table 1 Electricity energy structure and CO2 emission in life cycle

參照常用發(fā)電能源全生命周期CO2排放量與國(guó)家電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，可以粗略的計(jì)算出電動(dòng)汽車全生命周期CO2排放量。

C級(jí)汽車行駛百公里消耗電量約21.2 kW·h。因此，可通過(guò)此數(shù)據(jù)粗略計(jì)算電動(dòng)汽車百公里CO2排放量，如式(5)：

(5)

式中：Eg、En、Ew、Eo為各能源全生命周期CO2排放量;Rg、Rn、Rw、Ro為各能源在電力結(jié)構(gòu)中占比；Q5為純電動(dòng)汽車百公里CO2排放量;Q6為純電動(dòng)汽車每公里CO2排放量。

通過(guò)計(jì)算，C級(jí)純電動(dòng)汽車每公里CO2排放量為111.932 g。

2 電能替代2016年50%的石油對(duì)既有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響

針對(duì)C級(jí)車，從相同能量消耗的角度看，汽車行駛里程每百公里消耗汽油5.5 L，每百公里消耗柴油5 L，每百公里消耗電能21.2 kW·h。為便于數(shù)據(jù)計(jì)算與對(duì)比，可以對(duì)石油、柴油、電能消耗作近似當(dāng)量等價(jià)處理。通過(guò)2016年國(guó)內(nèi)汽油消費(fèi)情況可以對(duì)CO2排放量作粗略計(jì)算。

圖1為2016年1—12月期間中國(guó)汽油產(chǎn)量及增長(zhǎng)情況。由圖1可知，中國(guó)汽油總產(chǎn)量為12 843.4萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)6.0%。而2016年汽油實(shí)際消費(fèi)總量達(dá)11 983.1萬(wàn)噸，占總產(chǎn)量的93.3%。

圖1 中國(guó)2016年汽油產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況Fig. 1 Statistics of gasoline production in China in 2016

中國(guó)2016年1—12月全年的汽油消費(fèi)總量及體積計(jì)算公式如式(6)：

V=M/ρ

(6)

式中:V為汽油的體積容量；M為汽油質(zhì)量總量；ρ為汽油密度。通過(guò)2016年汽油產(chǎn)量數(shù)據(jù)并結(jié)合石油消耗與電能的合理當(dāng)量，由式(6)計(jì)算得2016年中國(guó)全年CO2排放為162.4×109L。

CO2排放可大致從過(guò)程產(chǎn)物及燃燒排放兩部分所包含的CO2排放量計(jì)算，如式(7)：

(7)

式中：q1為過(guò)程產(chǎn)物CO2排放量;q2為燃燒排放物中CO2排放量;q3為CO2排放總量。通過(guò)計(jì)算，得出CO2排放總量為402.91×106t，其中燃燒過(guò)程CO2產(chǎn)量占比83.88%。

絕大部分CO2產(chǎn)物在汽車運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)尾氣釋放出來(lái)。通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放過(guò)程，合理提高汽車尾氣處理效率對(duì)于降低CO2排放有重要意義。對(duì)汽油和電能進(jìn)行當(dāng)量等價(jià)處理，消耗的電能為：

(8)

式中：E為電能；V為體積容量；η為電能傳輸及汽車充電效率，此處假定為90%。計(jì)算得到的電量為695.53×109kW·h。

同樣，2016年中國(guó)全年柴油產(chǎn)量及同比增長(zhǎng)情況如圖2。

圖2 中國(guó)2016年柴油產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)情況Fig. 2 Statistics of diesel production in China in 2016

2016年1—12月期間，中國(guó)柴油消耗量為16 469萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)的體積容量為196.06×109L。通過(guò)汽油與柴油適當(dāng)?shù)漠?dāng)量關(guān)系處理，此部分柴油近似等價(jià)為215.67×109L汽油,對(duì)應(yīng)的CO2排放總量為588.53×106t，相當(dāng)于年耗電量為923.67×109kW·h。則2016年全年，由汽車造成的CO2排放量為991.44×106t，等量消耗1619.2×109kW·h的電能。如果2016年全年汽車燃油消耗量的一半由電能取代，則需要新增發(fā)電量為809.6×109kW·h。2016年全年中國(guó)發(fā)電總量為61 425×108kW·h,新增部分電量占2016年全年發(fā)電總量的13.18%。

表2 2016年石油消耗與能量等價(jià)轉(zhuǎn)換Table 2 Fuel consumption and power equivalent conversion in 2016

由表2可以看出，2016年全年中國(guó)的燃油消耗總量為358.46×109L,其中柴油消耗量高于汽油消耗量。此部分燃油所產(chǎn)生的CO2排放總量為588.53×106t。將此部分燃油近似等價(jià)為電能消耗，總量可達(dá)1 619.2×109kW·h。若將2016年的燃油消耗量降低一半，即另一半全部由電能替代，則2016年需要新增電能809.6×109kW·h，占該年發(fā)電總量的13.18%。

2016年中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.95億輛，其中汽油車為16 324.7萬(wàn)輛，占比88.5%；柴油車為1 878.4萬(wàn)輛，占比10.2%；燃?xì)廛嚍?32.7萬(wàn)輛[8]，占比1.3%。消耗柴油比汽油多20.73%。相同體積下，柴油燃料比汽油燃料排放的CO2多10%，而消耗柴油造成的CO2排放總數(shù)比汽油多46.07%。通過(guò)近似等價(jià)換算，2016年全年總汽油當(dāng)量消耗量為378.066×109L。

假設(shè)電動(dòng)車所需要的電能全部來(lái)自于太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生清潔能源，且主要把汽油車替換成電動(dòng)車，為使CO2排放量降至一半，則需要新增電動(dòng)車數(shù)目N*為：

(9)

式中：N*為新增加電動(dòng)汽車數(shù)目；Qc為年總當(dāng)量汽油消耗量；Ng為年總當(dāng)量汽油車數(shù)目，計(jì)算得需要新增加電動(dòng)車1.9×108余輛。

從目前的電動(dòng)車發(fā)展情況看，電動(dòng)車的充電時(shí)間較長(zhǎng)，而且多輛電動(dòng)車同時(shí)充電的可能性很大。假定每輛電動(dòng)車的充電功率為P0，則新增電動(dòng)車總計(jì)所需要的充電功率為N*·P0，若P0=3 kW，需新增充電功率為570.06×106kW，將對(duì)當(dāng)年的電網(wǎng)負(fù)荷提出更高的要求。

3 降低電網(wǎng)中煤炭使用比例與汽車電動(dòng)化對(duì)CO2排放的影響

為使石油能源消耗減少一半，即CO2排放降低一半，則需要新增發(fā)電量為809.6×109kW·h才能滿足電動(dòng)車充電的需要。表3為2016年的電力結(jié)構(gòu)。

表3 中國(guó)2016年電力結(jié)構(gòu)Table 3 Electricity structure of China in 2016

圖3 不同能源全生命周期CO2排放Fig. 3 CO2 emission of different energy source in life cycle

圖3為2016年中國(guó)不同能源發(fā)電量及對(duì)應(yīng)的CO2排放。若新增的809.6×109kW·h發(fā)電量用來(lái)替代原有電網(wǎng)煤炭的發(fā)電量，而且這部分電量全部來(lái)自于太陽(yáng)能和風(fēng)能等清潔的可再生能源，從而降低煤炭的使用比例，這樣電網(wǎng)總的供電能力不變，同時(shí)仍然采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，不采用電動(dòng)車，由式(5)計(jì)算，可得全年CO2的排放總量Q7為512.782 5 g/kW·h。新增電量用于純電動(dòng)車充電導(dǎo)致的CO2排放變化情況計(jì)算如式(10)：

(10)

若新增電量ΔPf用來(lái)給電動(dòng)汽車充電，傳統(tǒng)燃油汽車數(shù)目減少，此部分電能由煤炭燃燒發(fā)電產(chǎn)生，則CO2的排放情況計(jì)算如式(11)：

(11)

式中：Pf為火力發(fā)電量;ΔPf為新增發(fā)電量;Pw為年發(fā)電總量;Q7為2016年發(fā)電造成的CO2排放；Q8為新增電能由清潔能源發(fā)電產(chǎn)生且總的發(fā)電量保持不變時(shí)不使用電動(dòng)汽車造成的CO2排放總量。Q9為新增電能用于電動(dòng)汽車充電，傳統(tǒng)燃油汽車數(shù)目減少，此部分電能由煤炭燃燒發(fā)電產(chǎn)生所造成的CO2排放總量；ΔQ1、ΔQ2為CO2排放的相對(duì)變化量。

通過(guò)計(jì)算，Q8

4 結(jié) 論

結(jié)合國(guó)內(nèi)2016年石油資源的消耗量及國(guó)家電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)，城市工況下，對(duì)傳統(tǒng)燃油車及純電動(dòng)汽對(duì)全生命周期CO2的排放情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)論如下：

1)對(duì)于C級(jí)車百公里行駛里程，傳統(tǒng)燃油車全生命周期CO2排放量為150 g，純電動(dòng)汽車全生命周期CO2排放量為111.932 g。

2)若2016年國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車所消耗的石油資源中50%由電能替代，對(duì)于C級(jí)車，從相同能量消耗角度看，汽車行駛百公里能耗等價(jià)，即可認(rèn)為5.5 L(汽油)=5 L(柴油)=21.2 kW·h(電能)。2016年消耗汽油產(chǎn)生的CO2排放量為402.91×106噸，等價(jià)消耗電能695.53×109kW·h。

3)對(duì)2016年石油(僅包括汽油和柴油)與電能進(jìn)行當(dāng)量處理，基于全生命周期CO2排放情況，全年由汽車排放造成的CO2排放量為991.44×106t，等量消耗1 619.2×109kW·h的電能。

4)若2016年全年汽車燃油消耗量的一半由電能取代，則需要新增發(fā)電量為809.6×109kW·h,占2016年全年發(fā)電總量的13.18%。

5)2016年總汽油當(dāng)量消耗量為378.066×109L。為使CO2排放量降至一半，且主要把汽油車替換成電動(dòng)車，需要新增電動(dòng)車1.9×108余輛，新增充電功率為570.06×106kW，將對(duì)當(dāng)年的電網(wǎng)負(fù)荷提出更高的要求。

6)相比傳統(tǒng)燃油車電動(dòng)化，合理減少電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中煤炭的使用量對(duì)于降低CO2排放有更積極的意義。

計(jì)算過(guò)程均基于理論情況下，為了便于分析全生命周期CO2的排放情況，不同的能源全生命周期所產(chǎn)生的CO2排放視為定值。此外，電能的傳送效率等具體細(xì)節(jié)考慮還遠(yuǎn)不夠完善，在后續(xù)的研究工作中將進(jìn)一步討論。