個(gè)人乘用車(chē)用可替代燃料與我國(guó)未來(lái)的選擇

劉燦，周開(kāi)壹，方涵瀟

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410015)

1 個(gè)人乘用車(chē)采用新能源對(duì)交通運(yùn)輸節(jié)能減排的意義

全球氣候變化是當(dāng)前威脅整個(gè)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的最大環(huán)境問(wèn)題[1]?？諝庵腥諠u增高的溫室氣體(GHGs，Greenhouse gases)濃度與當(dāng)前因全球平均氣溫上升而造成的氣候變化有緊密聯(lián)系。雖然GHGs有多種，但二氧化碳(CO2)所占的量是最多的，且與人類(lèi)的活動(dòng)存在緊密聯(lián)系。最近5年其在空氣中濃度上漲幅度高達(dá)3.06%。

世界范圍內(nèi)，交通運(yùn)輸行業(yè)是CO2排放的主要源頭行業(yè)之一。2016年交通運(yùn)輸行業(yè)占世界原油總消費(fèi)的57.8%，天然氣總消費(fèi)的7.1%，占當(dāng)年全球CO2總排放量的24.4%[2]。2017年美國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)所排放的GHGs占總排放量的28.7%，排各行業(yè)第1，其中個(gè)人乘用車(chē)(PCs，passenger cars)占交通運(yùn)輸行業(yè)所排放的GHGs的41.3%[3]；2016年歐盟EU-28交通運(yùn)輸行業(yè)所排放的GHGs占總排放的24%，與1990年相比，僅該行業(yè)呈上升趨勢(shì)，且上升幅度達(dá)到60%。因此，交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)當(dāng)前空氣中不斷上升的CO2濃度和全球氣候變化有直接的影響。

根據(jù)2018年國(guó)際能源署(IEA，International Energy Agency)出版的《Key World Energy Statistics》，在整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)中，2016年能耗排名第一的是道路交通，占整個(gè)行業(yè)能耗的74.4%；其次是航空業(yè)，占11.6%；第三是水路運(yùn)輸，占10.7%；其他運(yùn)輸占3.3%[4]。作者根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2017》數(shù)據(jù)分析，我國(guó)“交通運(yùn)輸行業(yè)”(包括倉(cāng)儲(chǔ)和郵政)能源消費(fèi)僅占全國(guó)能源消費(fèi)的9.1%[5]，低于歐美；但是石油類(lèi)能源占本行業(yè)的92.47%，與美國(guó)接近，并且主要用于道路交通運(yùn)輸?shù)钠秃筒裼驼急拘袠I(yè)能源消費(fèi)的80%。因此，中國(guó)、美國(guó)的交通運(yùn)輸行業(yè)中CO2排放的絕對(duì)主力均為道路交通運(yùn)輸，交通運(yùn)輸行業(yè)的綠色化發(fā)展應(yīng)該以降低道路運(yùn)輸能耗，切實(shí)減少其對(duì)化石燃料的依賴(lài)和減少CO2排放為主要抓手。

進(jìn)一步分析美國(guó)道路運(yùn)輸能源消費(fèi)的組成部分發(fā)現(xiàn)：PCs占道路交通能源消費(fèi)比重為33.1%。而在中國(guó)的石油消費(fèi)中，交通運(yùn)輸占其50%左右，其中又以汽油、柴油為交通運(yùn)輸能耗的絕對(duì)主力，PCs的汽油消費(fèi)就占全國(guó)汽油消費(fèi)總量的57%，占全國(guó)總石油類(lèi)燃油消費(fèi)的11%[6]。有研究表明，PCs所排放的溫室氣體中，CO2的比例高達(dá)95%[7-8]。因此，交通運(yùn)輸行業(yè)的綠色發(fā)展應(yīng)該以降低道路運(yùn)輸能耗，切實(shí)減少其對(duì)化石燃料的依賴(lài)和減少CO2排放為主要抓手，其核心任務(wù)就是降低PCs的能耗、減少對(duì)化石燃油的依賴(lài)和減少CO2排放。而可替代燃料(AFs，alternative fuels)是“未來(lái)逐步替代傳統(tǒng)汽油、柴油以實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)吞紲p排重任的最終選擇”[10]。

2 當(dāng)前可供交通運(yùn)輸使用的可替代燃料

周開(kāi)壹[9]的研究顯示，在美國(guó)實(shí)際上真正有一定使用量的AFs并不多，主要包括以下8種：壓縮天然氣(CNG，compressed natural gas)、液化天然氣(LNG，liquefied natural gas)、液化石油氣(LPG，liquefied petroleum gas)、85%乙醇(Ethanol，85%)、100%乙醇(Ethanol-neat)、生物柴油(Bio-diesel)、電力(Electricity)、氫(Hydrogen)。

理論上講，AFs適用于交通運(yùn)輸?shù)母鞣N模式和各種運(yùn)距，但實(shí)際應(yīng)用中特定的AFs一般只在經(jīng)濟(jì)上適用于某種交通運(yùn)輸模式和特定運(yùn)距。根據(jù)SHELL公司、Le Fevre et al(2014)[10]、美國(guó)加利福尼亞能源局(California Energy Commission)和歐盟委員會(huì)(2015)[8]的調(diào)研，LNG主要使用者是重型車(chē)輛(1)在此“重型車(chē)輛”是指美國(guó)第8類(lèi)車(chē)輛(Class 8 Vehicles)，全車(chē)重量在15噸(3萬(wàn)3千磅)以上。和船舶；而美國(guó)能源部(US DoE，Department of Energy)的《Clean Cities 2016 Vehicle Buyer’s Guide》推薦大型“皮卡”和中小型貨車(chē)(短途貨運(yùn)車(chē)輛)用LPG和CNG替代當(dāng)前的石化燃油。因此，當(dāng)前適用于個(gè)人乘用車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、低碳性都可接受的AFs是：(1)生物柴油；(2)燃料乙醇；(3)氫和(4)電。其中，生物柴油可在不需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行任何改裝的情況下用于任何2001年后生產(chǎn)的符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)的普通柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；而生物汽油雖適用于汽油車(chē)輛，但需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改裝；而氫和電則是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛而非傳統(tǒng)汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3 個(gè)人乘用車(chē)可替代燃料的CO2減排效果和經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 生物燃油(biofuels)—生物柴油和生物汽油(燃料乙醇)

3.1.1 減排分析

根據(jù)美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的研究，采用全生命周期方法(WTW，Well to Wheel(2)Well-to-Wheel，從油井到車(chē)輪，指從燃油的開(kāi)采到最終通過(guò)內(nèi)燃機(jī)或電機(jī)做功到車(chē)輪的全過(guò)程。)計(jì)算得出使用純生物柴油(B100)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其溫室氣體排放比使用傳統(tǒng)柴油減少74%。而根據(jù)歐盟(2015)，純生物柴油的CO2排放約為傳統(tǒng)石化柴油的29%～70%；純生物汽油的這一比例是5%～90%。

3.1.2 燃料價(jià)格和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本

表1為美國(guó)2019年1月份普通汽柴油和生物燃油的實(shí)際平均零售價(jià)格比較和將生物燃油換算成汽油后的價(jià)格比較[11]，以及氫和電換算后與汽油(E10)的價(jià)格比較。

表1 AFs的零售價(jià)格(物理單位)與換算成定量汽油價(jià)格的比較

來(lái)源：美國(guó)能源部US DoE，2019。

說(shuō)明：GGE：Gasoline Gallon Equivalent。電：美國(guó)能源部US DoE，2019；2019年1月，用于交通運(yùn)輸電價(jià)每kW·h為0.098美元(EIA electric power monthly)。1kW·h電=0.031GGE(https：//epact．energy．gov/fuel-conversion-factors)。

在美國(guó)，建設(shè)生物燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施所需的裝備、施工方法和適用的法律都與建設(shè)傳統(tǒng)汽油、柴油加注基礎(chǔ)設(shè)施相同。據(jù)測(cè)算，如果將美國(guó)全國(guó)傳統(tǒng)汽油、柴油使用量的1/3替換成生物燃油，對(duì)加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資約為200億～400億美元(包括必要的轉(zhuǎn)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè))。

3.2 氫

3.2.1 減排分析

在行駛過(guò)程中，使用氫燃料電池的車(chē)輛(Hydrogen Fuel Cell Vehicle，HFCV)不排放任何溫室氣體。氫作為車(chē)輛燃料時(shí)只在其生產(chǎn)期間排放CO2，并且因?yàn)樯a(chǎn)方法的不同，其CO2排放的強(qiáng)度有巨大的差別。通過(guò)對(duì)不同制氫方法的CO2排放值與傳統(tǒng)汽柴油排放值進(jìn)行比較，可知其排放值從最低的風(fēng)電僅7gCO2eq/km直到最高的煤氣化128gCO2eq/km。這反映了兩個(gè)事實(shí)：第一，歐洲和美國(guó)對(duì)于汽車(chē)使用氫燃料的CO2減排量因?yàn)檠芯糠椒ê蜕a(chǎn)燃料的不同有差別。在歐洲，“天然氣熱氣法制氫”的排放是62gCO2eq/km，而美國(guó)使用“分布式天然制氫”的排放高達(dá)124gCO2eq/km，但沒(méi)有標(biāo)明具體制氫方法。第二，HFCV的CO2減排效果非常明顯，高于生物燃油，當(dāng)采用風(fēng)電并通過(guò)電解法制氫時(shí)其CO2排放量?jī)H為傳統(tǒng)汽油、柴油的4%和5%。

3.2.2 燃料價(jià)格和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本

用GGE(Gasoline Gallon Equivalent)計(jì)算，氫的價(jià)格比E10汽油價(jià)格高5倍。氫加注基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本因加注設(shè)施的加注能力、運(yùn)輸?shù)姆绞?氣態(tài)或液態(tài))以及生產(chǎn)所采用的工藝存在巨大的差別[12]。當(dāng)前氫加注站的建設(shè)成本均在100萬(wàn)美元以上，最高的接近1000萬(wàn)美元。并且生產(chǎn)加注一體站的建設(shè)成本比工廠集成生產(chǎn)然后運(yùn)輸?shù)某杀疽咭恍?/p>

據(jù)測(cè)算，如果將美國(guó)全國(guó)傳統(tǒng)汽、柴油使用量的1/3替換成氫燃料，需要對(duì)加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資約為2750億～4300億美元。

3.3 電

3.3.1 減排分析

與HFCV相同，純電動(dòng)汽車(chē)(EV，Electric Vehicle)在行駛過(guò)程中不排放任何的溫室氣體和其他空氣污染物。但是，因所使用電力的生產(chǎn)方式不同，EV全壽命周期所排放的CO2差別巨大。EV的平均CO2排放水平是傳統(tǒng)汽油車(chē)的53%，但如果電力的來(lái)源是燃煤發(fā)電，那么EV的CO2排放水平甚至超過(guò)傳統(tǒng)柴油車(chē)的排放水平。若電力來(lái)自光伏或是風(fēng)力發(fā)電，EV的排放為零。

3.3.2 燃料價(jià)格和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本

電的GGE價(jià)格比E10汽油高39%。與生物燃油和氫的集中式加注站不同，充電設(shè)施還有家庭式的充電樁。在美國(guó)，建設(shè)一個(gè)家庭Level 2等級(jí)的充電樁成本為1200美元，而公共充電站的成本約為每充電端口5500美元。價(jià)格最高的Tesla 4車(chē)位常規(guī)超級(jí)充電站(Supercharger Station)的平均建設(shè)成本則為27萬(wàn)美元(官方給出的建設(shè)成本是常規(guī)版本為15萬(wàn)美元，附加太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的為30萬(wàn)美元)。與氫加注站不同，充電站的建設(shè)成本與其充電能力關(guān)系不大。據(jù)測(cè)算，如果全美1/3車(chē)輛使用電力，需要對(duì)充電設(shè)施建設(shè)投資約700億～1300億美元。

3.4 綜合比較

AFs與傳統(tǒng)石化汽油、柴油CO2排放的比較分別見(jiàn)圖1和圖2；AFs的價(jià)格，依據(jù)熱量單位和物理單位進(jìn)行的比較分析分別見(jiàn)圖3和圖4。對(duì)于使用傳統(tǒng)柴油的PCs，從減排能力、燃油使用成本和加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本角度，使用由“地溝油”(廢棄油脂)生產(chǎn)的生物柴油是當(dāng)前綠色化性?xún)r(jià)比最高的選擇；而對(duì)于使用汽油的PCs，當(dāng)前還不存在類(lèi)似于“地溝油”生物柴油這樣極具性?xún)r(jià)比的直接可替代方案。在未來(lái)，無(wú)論是使用氫還是電作為普通PCs的燃料，從低碳減排的角度來(lái)看，最優(yōu)的方法是通過(guò)風(fēng)能/光伏發(fā)電制氫或是直接生產(chǎn)電力。

圖1 可替代燃油CO2排放水平(與石化柴油比較)

圖2 可替代燃油CO2排放水平(與石化汽油比較)

圖3 AFs的價(jià)格(熱量單位，2016美元/MBtu)

圖4 AFs的價(jià)格(物理單位，2016美元/GGE)

4 歐盟和美國(guó)的可替代燃料加注基礎(chǔ)設(shè)施布局策略和建設(shè)成績(jī)

4.1 歐洲的布局和加注設(shè)施建設(shè)成績(jī)

截至2019年7月，歐盟EU-28國(guó)家有充電樁170149個(gè)，其中快充樁(>22kW)27245個(gè)，排名前5位的國(guó)家荷蘭、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)和挪威的充電樁數(shù)量占?xì)W盟EU-28總數(shù)量的74.21%；有加氫站274座，其中于2019年新建的加氫站為123座，出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展；有E85生物汽油加注站3834座，分布于11個(gè)國(guó)家，其中瑞典有1700座[13](3)本段數(shù)據(jù)根據(jù)https：//www．eafo．eu/alternative-fuels/hydrogen/filling-stations-stats的原始數(shù)據(jù)由作者綜合而成。。

4.2 美國(guó)普通個(gè)人乘用車(chē)可替代燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成績(jī)

截至2019年5月30日，美國(guó)全國(guó)建成的可用于PCs的AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施見(jiàn)表2[14]。

表2 美國(guó)已建成的可用于普通PCs的AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量和分布

5 歐美可替代燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施布局分析和中國(guó)未來(lái)的選擇

2013年，生物汽油占?xì)W盟所有成員國(guó)總汽油用量的3.42%，生物柴油占5.37%，兩者共占交通運(yùn)輸燃料消耗的4.80%。2011年美國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)生物燃油的消費(fèi)占其全部傳統(tǒng)石化汽油、柴油消費(fèi)總量(包括傳統(tǒng)和生物汽油、柴油)的5.64%(4)原始數(shù)據(jù)來(lái)源于US Transport Statistics 2015，Table 4—10，包括E85，B100和Ethanol in gasohol。。2015年該值上升到7.78%[15]，而2012年全美生物燃油消費(fèi)占全世界生物燃油消費(fèi)的47.01%。根據(jù)歐盟委員會(huì)(2016)和美國(guó)能源部(US DoE)的數(shù)據(jù)，2012年我國(guó)生物燃油占“交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和郵政”大領(lǐng)域中傳統(tǒng)石化汽油、柴油消費(fèi)總量的1.9%(其中汽油占比5.3%)，占全世界生物燃油消費(fèi)的3.20%(其中汽油占比3.00%)[13，16]。最新數(shù)據(jù)表明，2017年我國(guó)可再生液體燃料消費(fèi)只有300萬(wàn)噸，不到全國(guó)成品油消費(fèi)的1%[5]。

數(shù)據(jù)表明：我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)AFs的使用與歐洲和美國(guó)差距明顯。首先是我國(guó)AFs消費(fèi)的總量較小，其次是其在交通運(yùn)輸行業(yè)能源消費(fèi)的比重過(guò)低。歐美之所以能夠?qū)Fs在交通運(yùn)輸行業(yè)的使用率提升至5%甚至以上是由于其執(zhí)行從燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開(kāi)始的推廣政策，而非我國(guó)首先從車(chē)輛的推廣著手。近年來(lái)我國(guó)正在實(shí)施車(chē)輛推廣與能源加注站共同發(fā)展的系列政策。2018年，我國(guó)新能源汽車(chē)銷(xiāo)售125.6萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)61.7%；新能源汽車(chē)保有量大約300萬(wàn)輛，保有量占全球的50%以上。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模持續(xù)高速增長(zhǎng)，截至2018年12月底，公共充電樁保有數(shù)量33.1萬(wàn)個(gè)，私人充電樁數(shù)量47.7萬(wàn)個(gè)，規(guī)模持續(xù)保持世界首位[17]。根據(jù)《電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020年)》，到2020年，我國(guó)將新增集中式充換電站超過(guò)1.2萬(wàn)座，分散式充電樁超過(guò)480萬(wàn)個(gè)，滿(mǎn)足全國(guó)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)充電需求[18]。2018年我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增速有所放緩，充電行業(yè)的發(fā)展已由初期的“跑馬圈地”“超前投建”，逐漸調(diào)整為目前的“切合需求”“合理超前”的模式。因此，為促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)綠色發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明，必須進(jìn)一步加強(qiáng)AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)。

歐美國(guó)家個(gè)人乘用車(chē)中柴油車(chē)占較大的比例，而我國(guó)所占比例則很小。因此，未來(lái)可以不用考慮在該領(lǐng)域使用生物柴油。我國(guó)目前生物汽油在“交通運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和郵政”的大領(lǐng)域占傳統(tǒng)石化汽油總消費(fèi)的5.3%，但美國(guó)生物汽油從2006年至2010年飛速增長(zhǎng)過(guò)后，2013年至2015年的增長(zhǎng)不明顯，3年間增長(zhǎng)幅度僅5.5%[19]，增速明顯放緩；而歐盟EU-28在經(jīng)過(guò)2012年和2013年生物汽油消費(fèi)量的下降后，從2014年開(kāi)始就沒(méi)有回升而是保持穩(wěn)定。雖然沒(méi)有最近幾年美國(guó)和歐洲交通運(yùn)輸行業(yè)的用電量數(shù)據(jù)，但美國(guó)道路交通運(yùn)輸能源加注設(shè)施中充電樁/站數(shù)量從2011年開(kāi)始出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，從2014年開(kāi)始純電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量在美國(guó)和歐洲均穩(wěn)步增長(zhǎng)。與此同時(shí)，歐盟 EU-28國(guó)家的氫加注站在2019年呈井噴式增長(zhǎng)。這些現(xiàn)象均表明，電力和氫取代其他各種可替代能源并成為未來(lái)乘用車(chē)主要能源是一個(gè)必然趨勢(shì)。

6 總結(jié)

根據(jù)上述對(duì)歐盟和美國(guó)的AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施布局策略分析和對(duì)我國(guó)新能源在車(chē)輛中的實(shí)際應(yīng)用情況研究，建議我國(guó)跳過(guò)歐美國(guó)家走過(guò)的“傳統(tǒng)石化汽油→可再生能源(生物燃油)→可替代能源(電、氫)”路線，直接從傳統(tǒng)石化汽油跨越至氫和/或電，將其作為未來(lái)個(gè)人乘用車(chē)的燃料。

雖然氫或電能源的車(chē)輛在使用過(guò)程中不排放任何的溫室氣體，但是如果生產(chǎn)AFs使用的能源是煤，減排效應(yīng)將非常不明顯。電解法制氫是氫燃料生產(chǎn)的一個(gè)重要方法，不論我國(guó)最終選擇氫或是電作為PCs的替代能源，都應(yīng)該將新能源發(fā)電，特別是太陽(yáng)能光伏發(fā)電與AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施相融合，以實(shí)現(xiàn)道路交通運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年前碳中和愿景。