基于能源結(jié)構(gòu)與電力結(jié)構(gòu)的乘用車全周期CO2排放研究

張 毅 李基鳳 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

隨著社會(huì)的日益發(fā)展，能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展成為焦點(diǎn)問題。2017 年，全球一次能源消費(fèi)增長(zhǎng)2.2%，中國(guó)能源消費(fèi)增長(zhǎng)3.1%，連續(xù)17 年成為全球能源消費(fèi)增長(zhǎng)最大的國(guó)家。電力是最大的耗能行業(yè)，2017 年度，全球發(fā)電量增長(zhǎng)2.8%，一次能源消費(fèi)40%用于發(fā)電。但全球電力近20 年沒有結(jié)構(gòu)性變化，化石能源發(fā)電依然是電力的最大構(gòu)成部分，約占66%[1]。

石油的開采、冶煉及管道運(yùn)輸，煤炭的挖掘、運(yùn)輸?shù)染鶗?huì)產(chǎn)生CO2排放。煤炭發(fā)電、天然氣發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電及其他可再生能源發(fā)電、電網(wǎng)傳輸與分配等過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生CO2排放與能量損耗。汽油的加注、燃燒會(huì)產(chǎn)生能量損失與CO2排放。充電樁的充電、電池的放電會(huì)導(dǎo)致能量損失。因此，僅考慮車輛尾氣中的CO2排放，只是考慮了車輛作為污染源終點(diǎn)的排放，沒有考慮從地殼（油井）到車輪端的排放，對(duì)于評(píng)價(jià)車輛CO2排放對(duì)環(huán)境的影響是不合理的。

本文首先分析全球能源結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析中國(guó)與美國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)分析CO2排放總量，獲取化石能源產(chǎn)生的CO2排放；其次分析電力結(jié)構(gòu)以及不同電力結(jié)構(gòu)發(fā)電產(chǎn)生CO2排放的差別；最后結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)工作差異，分析某型號(hào)轎車的汽油車、PHEV（插電式混合動(dòng)力汽車）、EV（純電動(dòng)汽車）等3款車全周期產(chǎn)生CO2的差異，同時(shí)分析尾氣中CO2排放產(chǎn)生的差異。研究結(jié)果對(duì)于國(guó)內(nèi)外汽車生產(chǎn)企業(yè)規(guī)劃選擇動(dòng)力總成，開發(fā)出滿足油耗、能耗與CO2排放法規(guī)要求的乘用車具有指導(dǎo)意義，為環(huán)境監(jiān)管部門和油耗監(jiān)管部門核算汽車生產(chǎn)企業(yè)全周期內(nèi)能耗和CO2排放提供參考。

1 能源結(jié)構(gòu)與電力結(jié)構(gòu)分析[1-2]

1.1 能源結(jié)構(gòu)分析

與2007 年相比，2017 年，全球一次能源消耗增長(zhǎng)17%，達(dá)到13 511 百萬(wàn)t 油當(dāng)量。2007 年～2017年，全球一次能源消耗變化如圖1 所示。

圖1 2007～2017 年全球一次能源消耗變化

2017 年，全球一次能源消耗主要在北美洲和亞太地區(qū)，共占全球一次能源消耗的63%，如圖2 所示。中國(guó)和美國(guó)作為世界上能源消耗最大的2 個(gè)國(guó)家，共占全球40%的一次能源消耗。

圖2 2017 年全球能源消耗

2017 年，美國(guó)和中國(guó)分別消耗了北美洲和亞太地區(qū)81%和55%的能源，新興國(guó)家，如印度的能源消耗也不可小視。

中國(guó)能源消耗持續(xù)增長(zhǎng)，是世界上能源消耗主要增長(zhǎng)國(guó)，美國(guó)能源消耗最近10 年保持穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 2007～2017 年中國(guó)與美國(guó)能源消耗

中國(guó)與美國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)存在明顯差異，具體表現(xiàn)為煤炭在美國(guó)的占比約為15%，在中國(guó)的占比約為61%；美國(guó)的化石能源消費(fèi)以石油、天然氣為主，能源結(jié)構(gòu)組成以低碳能源為主，煤炭為輔，兼有清潔能源。中美2 國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 2007～2017 年中國(guó)與美國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)

中國(guó)高碳低油氣的能源結(jié)構(gòu)決定了消耗同等油當(dāng)量的能源，中國(guó)的CO2排放量更大，對(duì)環(huán)境的影響更大。2017 年，中國(guó)一次能源消耗是美國(guó)的1.5 倍，CO2排放是美國(guó)的1.9 倍。中國(guó)與美國(guó)最近10 年的CO2排放如圖5 所示。

圖5 2007～2017 年中國(guó)與美國(guó)CO2排放

1.2 電力結(jié)構(gòu)分析

電力行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，每年全球有40%左右的一次能源用于發(fā)電，產(chǎn)生33%左右的CO2排放。

2017 年，全球發(fā)電量達(dá)到25 551 TW·h，其中，北美洲與亞太地區(qū)的發(fā)電量共占66%。如圖6 所示。

圖6 2017 年全球發(fā)電量組成

2017 年，美國(guó)的發(fā)電量占北美洲的81%，為4 284 TW·h，加拿大與墨西哥的發(fā)電量分別占北美洲的13%和6%。

中國(guó)的發(fā)電量占亞太地區(qū)的57%，為6 495 TW·h，其余國(guó)家和地區(qū)的發(fā)電量共占亞太地區(qū)的43%。

中國(guó)與美國(guó)的發(fā)電結(jié)構(gòu)存在明顯差異，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）中國(guó)煤炭發(fā)電占比較大，達(dá)到67%，美國(guó)僅占31%。

2）中國(guó)石油與天然氣發(fā)電占比僅為3%，美國(guó)達(dá)到32%。

3）中國(guó)清潔能源發(fā)電占比為30%，包含水力、核能、可再生能源發(fā)電。其中，水力發(fā)電占比最大，達(dá)到18%；美國(guó)清潔能源發(fā)電占比為37%，其中，核能發(fā)電占比最大，達(dá)到20%。如圖7 所示。

圖7 2017 年美國(guó)與中國(guó)發(fā)電量構(gòu)成

2 汽油與電力產(chǎn)生過(guò)程CO2排放分析

傳統(tǒng)動(dòng)力乘用車（汽油車）與新能源汽車的能源傳遞形式有所不同，如圖8 所示。紅線（虛線）為汽油車的能量傳遞過(guò)程，藍(lán)線（實(shí)線）為EV 的能量傳遞過(guò)程。傳輸至電網(wǎng)的電力組成多樣化，因此，發(fā)電結(jié)構(gòu)的差異會(huì)造成單位電量電力產(chǎn)生過(guò)程中CO2排放的差異。

圖8 地殼-車輪的能量傳遞過(guò)程

2.1 汽油產(chǎn)生過(guò)程（地殼-煉油廠末端）CO2排放計(jì)算

汽油生產(chǎn)過(guò)程，包含油井開采、管道運(yùn)輸、汽油冶煉等過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生CO2。考慮到全周期的開采、運(yùn)輸、冶煉，每生產(chǎn)1 t 汽油，會(huì)產(chǎn)生1.722 tCO2[3]。

2.2 電力產(chǎn)生過(guò)程（地殼-電網(wǎng)）CO2排放計(jì)算

不同發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的CO2存在較大差別，煤炭發(fā)電產(chǎn)生的CO2最多，天然氣發(fā)電次之，核能、水力、風(fēng)能等清潔能源發(fā)電方式會(huì)產(chǎn)生不同程度的CO2排放。各種發(fā)電形式全周期內(nèi)的CO2排放如表1 所示[4]。

表1 不同能源發(fā)電全周期CO2排放

從表1 可知，煤炭發(fā)電是單位發(fā)電量產(chǎn)生CO2最多的發(fā)電方式，其次為天然氣發(fā)電，核能、水力、風(fēng)能等發(fā)電方式產(chǎn)生的CO2較少。

以表1 所示的不同能源發(fā)電全周期中位CO2排放為基準(zhǔn)，結(jié)合圖11 所示的中國(guó)與美國(guó)發(fā)電結(jié)構(gòu)差異，可以得出，每生產(chǎn)1 kW·h 電，中國(guó)產(chǎn)生733 g CO2，美國(guó)產(chǎn)生499 g CO2。

3 不同類型車輛能耗與CO2排放

3.1 不同類型車輛能量傳遞損失

汽油車與EV 從地殼一次能源到驅(qū)動(dòng)車輪的能量傳遞形式及能量損失有所區(qū)別[5]。結(jié)合圖8 所示的能量傳遞示意圖，對(duì)某型號(hào)轎車的汽油車款和電動(dòng)汽車款進(jìn)行能量傳遞過(guò)程損失與能量效率分析。

圖9 為汽油車從地殼一次能源傳遞至車輪的能量效率示意圖。

圖9 汽油車能量傳遞與損失

汽油車全周期能量效率計(jì)算公式為：

式中：η1為提煉效率，90%；η2為從煉油廠分配至加油站的效率，95%；η3為汽油機(jī)熱效率，22%；η4為傳動(dòng)系統(tǒng)效率，95%～98%。

利用公式（1）可以計(jì)算出汽油車的全周期能量效率為17.87%～18.43%。能耗損失主要由汽油機(jī)的熱效率所決定。

EV 全周期能量損失主要表現(xiàn)為發(fā)電過(guò)程的損失，其次為電池充放電的損失。

圖10 為EV 從地殼一次能源傳遞至車輪的能量效率示意圖。

圖10 EV 能量傳遞與損失

EV 全周期能量效率計(jì)算公式為：

式中：η1為提煉效率，90%～97%；η4為傳動(dòng)系統(tǒng)效率，95%～98%；η5為發(fā)電效率，33%～40%；η6為電力傳送和分配效率，90%～92%；η7為電池充電機(jī)效率，85%～90%；η8為電池充放電效率，75%；η9為電力交換器和電機(jī)效率，80%～85%。

利用公式（2）可以計(jì)算出EV 的全周期能量效率為12.95%～20.07%。能耗損失主要由發(fā)電效率所決定。

PHEV 的能源傳遞包含圖9 與圖10 所示的2條路徑，暨電廠發(fā)電效率與汽油機(jī)熱效率均對(duì)PHEV的能量傳遞損失具有重要的影響。

3.2 電耗與油耗轉(zhuǎn)化分析

根據(jù)能量守恒原理，電能與汽油消耗量的轉(zhuǎn)化公式為：

式中：a 為汽油消耗量，L；W 為電能，kJ；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；Hu 為汽油低熱值，kJ/kg，其值為42 750。

利用公式（3）可計(jì)算出，1 kW·h 電能相當(dāng)于0.113 5 L 汽油。

汽油車與EV 的能量傳遞效率不同，全周期內(nèi)，汽油車的能量損失主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率決定，EV 的能量損失主要由發(fā)電廠的發(fā)電效率所決定。在考慮能量傳遞效率的前提下，汽油車的能量效率取21%（圖9 中，從加油槍至車輪，汽油車的能量效率為20.9%～21.56%），EV 的能量效率取60%（圖10 中，從充電樁至車輪，EV 的能量效率為57%～62.48%）。

在考慮能量傳遞效率的前提下，電能與汽油消耗量的轉(zhuǎn)化公式為：

式中：b 為汽油消耗量，L。

利用公式（4）可計(jì)算出，在考慮能量傳遞效率的前提下，1 kW·h 電能相當(dāng)于0.324 3 L 汽油。

3.3 油耗、電耗與尾氣中CO2排放、全周期CO2排放

標(biāo)準(zhǔn)汽油燃燒反應(yīng)方程[6]為：

根據(jù)碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 汽油產(chǎn)生的尾氣中CO2排放為23.6 g/km。

綜合2.1 分析所得，每生產(chǎn)1 kg 汽油，產(chǎn)生1.722 kg CO2。

汽油車每消耗1 L 汽油，全周期所產(chǎn)生的CO2的計(jì)算公式為：

式中：m1為全周期所產(chǎn)生的CO2，g/km；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；η2為煉油廠分配運(yùn)輸至加油站的效率，其值為0.95。

利用公式（6）可計(jì)算出，汽油車全周期所產(chǎn)生的CO2為37.1 g/km。

EV 消耗電能，汽車尾氣中CO2排放為0。

全周期內(nèi)，電耗產(chǎn)生CO2是因?yàn)榘l(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生CO2、電廠至電網(wǎng)之間傳輸以及充電樁的電能損耗。基于中國(guó)電力結(jié)構(gòu)，如2.2 所述，每生產(chǎn)1 kW·h電，產(chǎn)生733 gCO2。因此，EV 每耗電1 kW·h，全周期內(nèi)所產(chǎn)生的CO2為：

式中：η6為電廠傳遞至電網(wǎng)的效率，取90%；η7為充電樁的充電效率，取90%。

利用公式（7）可計(jì)算出，EV 每耗電1 kW·h，全周期產(chǎn)生905 g CO2。

基于以上分析，汽油車油耗與電耗、CO2的轉(zhuǎn)換如表2 所示。

表2 汽油車油耗與電耗、CO2轉(zhuǎn)換

EV 電耗與油耗、CO2的轉(zhuǎn)換如表3 所示。

表3 EV 電耗與油耗、CO2轉(zhuǎn)換

3.4 不同類型車輛CO2排放分析

以上述某型號(hào)轎車的汽油車、EV 和PHEV 等3款車為例，分析尾氣中CO2排放與全周期CO2排放。車型信息如表4 所示。表4 中，條件a 為儲(chǔ)能裝置處于充電終止的最高荷電狀態(tài)；條件b 為儲(chǔ)能裝置處于運(yùn)行放電結(jié)束的最低荷電狀態(tài)。

表4 某型號(hào)轎車的汽油車、EV 和PHEV 車型信息

PHEV 的燃油消耗量加權(quán)平均值C 與電能消耗量加權(quán)平均值E 根據(jù)條件a 與條件b 計(jì)算[7]，計(jì)算公式分別為公式（8）與公式（9）。

燃油消耗量加權(quán)平均值C 為：

電能消耗量加權(quán)平均值E 為：

式中：De為PHEV 純電續(xù)駛里程，km，其值為63；Dav為2 次充電之間的平均行駛里程，km，其值為25；c1為條件a 下的燃油消耗量，L/100 km；e1為條件a 下的電能消耗量，W·h；c2為條件b 下的燃油消耗量，L/100 km；e4為條件b 下的電能消耗量，W·h。

通過(guò)公式（8）與公式（9），可計(jì)算出PHEV 的燃油消耗量加權(quán)平均值C 為1.33 L/100 km，電能消耗量加權(quán)平均值E 為123 W·h/km。

某型號(hào)轎車3 款車的油耗、電耗與CO2排放如表5 所示。

表5 某型號(hào)轎車汽油車、EV 和PHEV 等3 款車的油耗、電耗與CO2排放

由此可見，汽油車尾氣中CO2排放最高，PHEV次之，EV 尾氣中CO2排放為零。

4 結(jié)論

本文介紹了全球一次能源消耗，分析了中國(guó)與美國(guó)的能源結(jié)構(gòu)及電力結(jié)構(gòu)差異，并分析了發(fā)電和冶煉汽油產(chǎn)生的CO2排放差異，研究了汽油車與EV油耗與電能、尾氣中CO2排放和全周期CO2排放之間的換算關(guān)系。對(duì)某型號(hào)轎車的汽油車、PHEV 和EV 等3 款車的能耗、尾氣中CO2排放以及全周期CO2排放進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：

1）基于能源結(jié)構(gòu)與電力結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，中國(guó)發(fā)電所產(chǎn)生的CO2為733 g/（kW·h），中國(guó)生產(chǎn)汽油所產(chǎn)生的CO2為1.27 kg/L。

2）車輛消耗1 L 汽油，全周期產(chǎn)生的CO2為37.1 g/km；車輛消耗1 kW·h 電能，全周期產(chǎn)生的CO2為9.05 g/km。

3）通過(guò)對(duì)某型號(hào)轎車的汽油車、PHEV 和EV 等3 款車進(jìn)行分析，結(jié)果表明，全周期內(nèi)，汽油車、PHEV、EV 的CO2排放分別為219 g/km、161 g/km、163 g/km；汽油車、PHEV、EV 的尾氣中CO2排放分別為139 g/km，31 g/km，0。

4）從目前中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與電力結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算，新能源汽車尾氣中CO2排放與全周期內(nèi)CO2排放均優(yōu)于汽油車。