電動(dòng)汽車與燃油汽車能耗排放對(duì)比分析

程冬宏，高有山，弓旭峰，李思超

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

隨著近些年汽車數(shù)量的顯著增加，傳統(tǒng)燃料汽車所帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題也越來越受到社會(huì)的關(guān)注[1-2]。因此國(guó)家相關(guān)部門出臺(tái)多項(xiàng)優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)推廣[3]。然而純電動(dòng)汽車雖然使用電能行駛，而我國(guó)80%的電能屬于火力發(fā)電，所以說純電動(dòng)汽車并不是完全意義上的“零排放”。因此，本文對(duì)比分析了傳統(tǒng)汽車與純電動(dòng)汽車的能量消耗與溫室氣體排放方面的問題，這對(duì)我國(guó)推進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展有重要意義。

1 能量消耗與溫室氣體排放分析原理

1.1 煤炭、原油、天然氣開采能量消耗

國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口煤炭、原油、天然氣開采綜合能量消耗根據(jù)各自所占比重加權(quán)，煤炭、原油、天然氣開采過程的能量消耗Qm：

Qm=α%Qm,d+(1-α%)Qm,a

(1)

式中:Qm,d，Qm,a分別是國(guó)內(nèi)和進(jìn)口開采每MJ煤炭、原油、天然氣的能量消耗(MJ·MJ-1)；α為國(guó)內(nèi)煤炭、原油、天然氣開采能耗占國(guó)內(nèi)外總開采能耗的百分比。

1.2 煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸能量消耗

國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸綜合能量消耗根據(jù)各自所占比重加權(quán)，煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸過程的能量消耗Qt：

Qt=β%Qt,d+(1-β%)Qt,a

(2)

式中：Qt,d，Qt,a分別是國(guó)內(nèi)和進(jìn)口運(yùn)輸每MJ煤炭、原油、天然氣的能量消耗(MJ·MJ-1)；β為國(guó)內(nèi)煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸能耗占國(guó)內(nèi)外總運(yùn)輸能耗的百分比。

1.3 煉油與發(fā)電能量消耗

火力發(fā)電綜合能耗根據(jù)煤、油、氣發(fā)電過程中能耗的比重進(jìn)行加權(quán)取平均值，化石燃料發(fā)電過程的能量消耗Qe：

Qe=(a%Qe,c+b%Qe,g+c%Qe,o)/3

(3)

式中：Qe,c,Qe,g,Qe,o分別是每MJ煤炭、原油和天然氣發(fā)電的能量消耗(MJ·MJ-1)；a，b，c分別煤，油，氣發(fā)電所占火電總量的百分比。

1.4 溫室氣體排放

煤炭、原油、天然氣在開采、運(yùn)輸、煉油及發(fā)電過程中產(chǎn)生的第k種溫室氣體排放是將各個(gè)生產(chǎn)過程中的氣體排放進(jìn)行求和，表達(dá)式如下：

(4)

式中：i=(1,2,3)分別表示煤炭、原油、天然氣三種化石燃料；mi,j,k為第i種化石燃料在第j種工藝過程中排放第k種溫室氣體所消耗的能源數(shù)據(jù)(kg)；ui,j,k為第i種化石燃料在第j種工藝過程中排放第k種溫室氣體的排放因子(kg/kg)；Mk為第k種排放物的總排放量(kg).

2 能量消耗與溫室氣體排放分析過程

2.1 煤炭、原油、天然氣開采能量消耗

2014年我國(guó)化石燃料在國(guó)內(nèi)開采與國(guó)外進(jìn)口中的統(tǒng)計(jì)情況[4]，見表1。開采1t煤炭需要消耗9.26 kg原煤、0.37 kg汽油、0.26 kg柴油、25.29 kW·h電[5]，原煤、汽油、柴油、電的熱值分別按20.9 MJ/kg，43 MJ/kg，46.04 MJ/kg，3.6MJ/kW·h計(jì)算[6]，由于國(guó)外進(jìn)口煤炭所占比重比較小，所以忽略不計(jì)，則煤炭開采的綜合能耗為0.02 MJ/MJ；在我國(guó)，1 t原油開采的能耗為157.69 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[7]，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值按29.27 MJ/kg計(jì)算，原油的低熱值按41.8 MJ/kg計(jì)算，則國(guó)內(nèi)原油開采的綜合能耗為0.11 MJ/MJ；進(jìn)口原油開采能量消耗使用世界的平均值0.08 MJ/MJ[8]，則由式(1)可得綜合原油開采能量消耗0.09 MJ/MJ；1 m3天然氣開采能耗為0.14 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[7]，則天然氣開采綜合能耗為0.11 MJ/MJ.

表1 2014年我國(guó)化石燃料統(tǒng)計(jì)情況
Tab.1 National fossil fuel statistics in 2014

2.2 煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸能量消耗

煤炭在鐵路運(yùn)輸過程中約有1%的煤炭因隨風(fēng)拋散而直接浪費(fèi)[9]，再加上運(yùn)輸工具消耗柴油，運(yùn)輸1 t煤炭需要消耗10.1 kg煤粉、3.49 kg柴油[5]，可計(jì)算出煤炭運(yùn)輸能耗為0.01 MJ/MJ；進(jìn)口原油主要通過海路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸(前蘇聯(lián)2.1103km)[8]，其中海運(yùn)油輪的油耗率為0.68 g/(km·t)，國(guó)外原油主要進(jìn)口地分別為中東、西非、中南美等地區(qū)，海運(yùn)路線總長(zhǎng)為4.9104km[10]，根據(jù)我國(guó)原油進(jìn)口的地區(qū)、數(shù)量以及運(yùn)輸方式可計(jì)算出進(jìn)口原油運(yùn)輸能耗為0.01 MJ/MJ.國(guó)內(nèi)原油以鐵路、水路、管道運(yùn)輸方式為主，平均運(yùn)輸分別為9.3102km，4.3102km和3.1102km[11]，其中原油水路，鐵路，管道能耗分別為2.13 MJ/(km·t)，0.11MJ/(km·t)，0.003 MJ/(km·t)，則國(guó)內(nèi)原油運(yùn)輸能量消耗為0.01 MJ/MJ，由(2)式得原油運(yùn)輸綜合能耗為0.01 MJ/MJ；天然氣主要采用管道運(yùn)輸占天然氣運(yùn)輸總量的71%(2.3103km)，天然氣管道能耗為3.710-3MJ/(t·km)，天然氣的熱值按35.88 MJ/m3，則其能耗9.310-3MJ/MJ.

2.3 煉油與發(fā)電能量消耗

煉油綜合能耗是指在煉油過程中被消耗的能量，全國(guó)煉油綜合能耗[12]為63.42 kg標(biāo)油/t，2014年煉油中間消費(fèi)標(biāo)油505.68 Mt，標(biāo)油的熱值按60.79 MJ/kg計(jì)算，則煉油綜合能耗為9.2210-2MJ/MJ.

我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中主要以火力發(fā)電為主[13]，2014年火力發(fā)電量為4.31012kW·h，其中煤電4.0×1012kW·h，氣電1.3×1012kW·h，油電4.4×109kW·h，在火力發(fā)電中所占比重分別為92.55%，3.12%和0.103%[14]，其中還有一部分是煤矸石、生物質(zhì)和生活垃圾等燃料進(jìn)行合理利用發(fā)電，由于比重甚小，此處忽略。由于煤、氣、油發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[15]分別為333 g/(kW·h)、246 g/(kW·h)、293 g/(kW·h)，則由(3)式得發(fā)電綜合能耗為0.863 9 MJ/MJ，表2列出了原煤、原油、天然氣分別在開采、運(yùn)輸、煉油及發(fā)電全過程中的能量消耗清單情況。

表2 原煤、原油、天然氣能量消耗清單情況
Tab.2 Energy consumption of raw coal，crude oil and natural gas

2.4 煤炭、原油、天然氣開采、運(yùn)輸、煉油及發(fā)電溫室氣體排放

表3為原煤、原油、汽油、柴油燃燒時(shí)，CO2、CH4、SO2、NOX溫室氣體排放因子[16-18]，則可得煤炭開采、運(yùn)輸、發(fā)電各階段溫室氣體排放情況，再由式(4)計(jì)算出原煤全過程溫室氣體排放量。原煤、原油、天然氣開采、運(yùn)輸、煉油發(fā)電全過程溫室氣體排放清單結(jié)果，見表4.

表3 溫室氣體排放因子
Tab.3 Greenhouse gas emission factors

能源種類排放因子/( kg/kg)CO2CH4SO2NOX原煤2.010.020.030.03汽油2.990.130.030.01柴油3.160.130.030.06

表4 原煤、原油、天然氣全過程溫室氣體排放量
Tab.4 Greenhouse gas emissions of raw coal，crude oil and natural gas during the whole process

能源種類溫室氣體/( kg/MJ)CO2CH4SO2NOX原煤1.29×10-12.72×10-50.15×10-28.96×10-4原油3.363.28×10-48.61×10-38.36×10-3 天然氣2.682.62×10-16.85×10-36.71×10-3

3 車輛百公里能耗與溫室氣體排放對(duì)比分析

3.1 車輛百公里能量消耗

計(jì)算百公里能耗除了汽車本身行駛一百公里所消耗的能耗外，還要追溯到上游從原料開采到煉油廠和發(fā)電廠進(jìn)行煉油發(fā)電整個(gè)生命周期的能量消耗。選取國(guó)內(nèi)同一車型的汽油車和電動(dòng)車為評(píng)價(jià)對(duì)象，其中汽油車綜合工況油耗為5.9 L/100 km，汽油密度為ρ=0.725 kg/L，則百公里能耗為219 MJ/100 km.電動(dòng)車綜合工況用電為12 kW·h/100 km，則百公里能耗為91 MJ/100 km.

3.2 車輛百公里溫室氣體排放

純電動(dòng)汽車雖然自身所需電能是無污染能源，但電能產(chǎn)生過程中的溫室氣體也要向上游追溯。據(jù)相關(guān)資料，中石油、中石化兩大石油企業(yè)每噸原油可煉制汽油分別為0.215 t，0.177 t，本文取二者的平均值為0.196 t，則煉制5.9 L汽油需要原油912.24 MJ.汽油車百公里溫室氣體排放應(yīng)為5.9 L汽油與912.24 MJ原油產(chǎn)生的氣體總和。上文提到煤、氣、油在火力發(fā)電中的比重分別為92.55%，3.12%和0.103%，則每MJ 電能生成的溫室氣體分別為0.206 kg CO2、0.008 kg CH4、0.002 kg SO2、0.001 kg NOx.表5列出了兩種車輛百公里能量消耗與溫室氣體排放對(duì)比情況，與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車在能量消耗與溫室氣體排放方面僅為傳統(tǒng)汽車的41.5%和6.1%.

表5 車輛百公里能量消耗與溫室氣體排放
Tab.5 Vehicle 100 km energy consumption and greenhouse gas emissions

車輛種類能量消耗/(MJ/100 km)氣體排放(kg/100 km)CO2CH4SO2NOX汽油車2193 077.890.630.190.09電動(dòng)車91187.670.740.140.09

4 結(jié) 論

通過分析煤炭、原油和天然氣從開采到使用過程中的能量消耗及溫室氣體的排放情況，計(jì)算得到了國(guó)內(nèi)同一車型的汽油車和電動(dòng)車百公里的能量消耗和溫室氣體排放量，主要得出以下結(jié)論：

(1)在CO2、CH4、SO2、NOx四種溫室氣體中，CO2氣體排放量所占比重最大，均超過90%，因此對(duì)CO2排放量的有效控制，可以大幅度降低溫室效應(yīng)所帶來的危害。

(2)煤炭、原油、天然氣開采的綜合能耗分別為0.02 MJ/MJ、0.09 MJ/MJ、0.11 MJ/MJ，說明由于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種化石燃料的屬性不同，其在開采過程中的能耗依次增大。

(3)在能源利用和溫室氣體排放方面，純電動(dòng)汽車百公里能耗與溫室氣體排放量?jī)H為傳統(tǒng)汽車的41.5%和6.1%，進(jìn)一步說明發(fā)展電動(dòng)汽車對(duì)資源利用與環(huán)境保護(hù)都有重要的意義，但是也反映出純電動(dòng)汽車并非真正意義上的“零排放”，排放的溫室氣體主要集中在生成電能的上游環(huán)節(jié)，若從上游環(huán)節(jié)進(jìn)行治理，將會(huì)進(jìn)一步降低溫室氣體的排放。