基于中國(guó)能源結(jié)構(gòu)的汽油、甲醇與增程式甲醇轎車CO2排放研究

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

引言

盡管2018 年中國(guó)經(jīng)濟(jì)增速放緩，但中國(guó)一次能源消費(fèi)依然增長(zhǎng)4.3%，占全球能源消費(fèi)量的24%，并貢獻(xiàn)了全球能源消費(fèi)增長(zhǎng)的34%，連續(xù)18 年成為全球能源消費(fèi)增量最大的國(guó)家[1]。隨著汽車工業(yè)與交通網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展[2]，汽車產(chǎn)銷量強(qiáng)勁，2018 年中國(guó)汽車產(chǎn)銷分別完成2 780.9 萬輛和2 808.1 萬輛，其中乘用車產(chǎn)銷分別完成2 352.9 萬輛和2371 萬輛，汽車保有量突破2.4 億輛，其中小型汽車保有量達(dá)到2 億輛[3]。汽油消費(fèi)突破1.28 億t，其中85%為汽車消耗。

石油的開采與運(yùn)輸，汽油的冶煉與儲(chǔ)存，煤礦的挖掘與運(yùn)輸均會(huì)產(chǎn)生CO2排放。煤炭化工業(yè)制甲醇、天然氣制甲醇及焦煤氣制甲醇等過程均會(huì)產(chǎn)生CO2排放與能量損耗。汽油與甲醇的加注，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒同樣會(huì)產(chǎn)生能量的損失與CO2排放，電池的充放電，電機(jī)的運(yùn)行均會(huì)有能量損失，并造成CO2排放。因此僅考慮車輛尾氣中CO2排放，即TTW（Tank to Wheel）CO2排放，不考慮WTT（Well to Tank），即從地殼（油井）到油箱（礦物能源的開采、運(yùn)輸、冶煉與存儲(chǔ)過程）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，也無法評(píng)估能源生命周期內(nèi)地殼到車輪（WTW，Well to Wheel）CO2排放。

本文首先分析了2018 年度全球一次能源消耗與結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了中國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)[4]，同時(shí)結(jié)合工藝分析制取化石能源過程中產(chǎn)生的CO2排放；并結(jié)合汽油車、甲醇車與增程式車輛工作原理的差異。最后以某款轎車為例，分析了汽油車、甲醇車和甲醇增程式車輛尾排和全周期產(chǎn)生CO2的差異。本文所開展的研究對(duì)于能源政策制定部門制定能源政策，環(huán)保監(jiān)察部門與油耗核算部門計(jì)算車企WTW 能耗和CO2排放具有積極意義。

1 一次能源結(jié)構(gòu)與能源消費(fèi)

1.1 一次能源結(jié)構(gòu)[1-2]

2018 年中國(guó)一次能源消費(fèi)3 273 百萬t 油當(dāng)量，與2008 年相比，增長(zhǎng)47%。2008 年至2018 年，中國(guó)一次能源消耗歷年變化如圖1 所示。

圖1 中國(guó)一次能源消耗變化

隨著一次能源消費(fèi)的增長(zhǎng)，CO2排放量也不斷攀升。2018 年，中國(guó)CO2排放量達(dá)到9 429 百萬t，連續(xù)7 年突破9 000 百萬t。中國(guó)CO2排放歷年變化如圖2所示。

圖2 中國(guó)CO2排放變化

煤炭、石油和天然氣分別占到2018 年度中國(guó)一次能源消費(fèi)的58%、20%和8%，核能、水電與可再生能源作為補(bǔ)充[5-6]。中國(guó)一次能源消費(fèi)如表1 所示。

1.2 煤炭消費(fèi)與再加工

煤炭消費(fèi)中72%是動(dòng)力煤，主要用于發(fā)電，占發(fā)電量的67%，26%的煤炭是煉焦煤，被用于冶金行業(yè)制焦，2%的煤炭是化工煤，被用于化工行業(yè)制醇醚、烯烴與化肥等。動(dòng)力煤與化工煤之間，可以根據(jù)市場(chǎng)需求，合理調(diào)配。2018 年中國(guó)煤炭主要消費(fèi)用途與占比如表2 所示。

表2 2018 年中國(guó)煤炭消費(fèi)用途與占比

甲醇是重要的基礎(chǔ)化工原料之一，近年來中國(guó)甲醇產(chǎn)能與產(chǎn)量急劇上升，并成為世界最大的甲醇生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)。中國(guó)甲醇市場(chǎng)歷年消耗變化如圖3所示。甲醇產(chǎn)能利用率并不高，有40%以上的甲醇產(chǎn)能富裕。

圖3 中國(guó)甲醇市場(chǎng)歷年變化

1.3 石油消費(fèi)與市場(chǎng)分析[4，7]

作為世界第一大石油進(jìn)口國(guó)與消費(fèi)國(guó)，2018 年度，中國(guó)原油市場(chǎng)達(dá)到65 100 萬t，進(jìn)口依賴度達(dá)到71%，原油加工比例達(dá)到90%。中國(guó)原油市場(chǎng)如表3所示。

表3 2018 年中國(guó)原油市場(chǎng)

中國(guó)同樣是全球最大的成品油消費(fèi)國(guó)，2018 年，中國(guó)成品油加工達(dá)到36 800 萬t，其中消費(fèi)32 500萬t，汽油消費(fèi)達(dá)到12 800 萬t，乘用車消費(fèi)達(dá)到10 880 萬t。成品油市場(chǎng)結(jié)構(gòu)如表4 所示。

因此可以利用甲醇富裕產(chǎn)能3 589 萬t，替代1 800 萬t 汽油消費(fèi)，從而減少我國(guó)原油進(jìn)口依賴度，改善我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與成品油消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

表4 2018 年中國(guó)成品油市場(chǎng)

2 汽油與甲醇產(chǎn)生過程CO2分析

圖4 地殼-車輪的能量傳遞過程

傳統(tǒng)乘用車（汽油車）、甲醇汽車和甲醇增程式車輛能源傳遞形式有所不同，具體如圖4 所示，實(shí)線為汽油車的能量傳遞過程，虛線為甲醇汽車和甲醇增程式車輛的傳遞過程。原油冶煉與煤化工制甲醇工藝之間本身存在差異性，因此生產(chǎn)汽油與甲醇帶來的CO2排放量也會(huì)有差異。

2.1 汽油生產(chǎn)過程CO2排放（WTT，地殼—油箱）

汽油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2，包含油井的開采、管道的運(yùn)輸、汽油的冶煉等過程?？紤]原油的開采、運(yùn)輸及冶煉，每生產(chǎn)1 t 汽油產(chǎn)生1.722 t CO2[8]。即每生產(chǎn)1 L 汽油，產(chǎn)生1.27 kg CO2。

2.2 甲醇生產(chǎn)過程CO2排放（WTT，地殼—油箱）

煤多氣少的一次能源結(jié)構(gòu)決定了中國(guó)低碳產(chǎn)業(yè)鏈中的眾多產(chǎn)品依賴煤進(jìn)行加工合成，甲醇作為一種重要的化工產(chǎn)品亦是如此，國(guó)內(nèi)以煤作為主要原料的甲醇生產(chǎn)占比高達(dá)77%[7]。制甲醇的原料分布如表5 所示。

表5 制備甲醇的原料分布 %

不同原料制備甲醇產(chǎn)生的CO2有所不同，如表6 所示[9]。

表6 不同原料制備甲醇產(chǎn)生CO2 t/t

以表6 所示的不同原料制備甲醇產(chǎn)生CO2排放為基準(zhǔn)，結(jié)合表5 所示的中國(guó)甲醇制備原料比例，每生產(chǎn)1 t 甲醇產(chǎn)生0.76 t CO2。即中國(guó)每生產(chǎn)1 L 甲醇，產(chǎn)生0.6 kg CO2。

3 汽油車、甲醇車與甲醇增程式車輛能耗與CO2排放

3.1 油耗、醇耗與尾排（TTW）CO2、全周期CO2（WTW）排放

汽油燃燒化學(xué)反應(yīng)方程為[10]：

根據(jù)碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 汽油產(chǎn)生TTW CO2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 WTT CO2。

汽車100 km 每消耗1 L 汽油，產(chǎn)生的WTW CO2為：

式中：m1為全周期（WTW）所產(chǎn)生的CO2，g/km；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；η1為煉油廠分配運(yùn)輸至加油站的效率，取0.95。

甲醇燃燒化學(xué)反應(yīng)方程為：

根據(jù)碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 甲醇產(chǎn)生TTW CO2為10.9 g/km。

綜合2.2 分析所得，每生產(chǎn)1 kg 甲醇，產(chǎn)生0.76 kg WTT CO2。

汽車100 km 每消耗1 L 甲醇，WTW CO2為：

式中：m2為WTW CO2，g/km；ρ 為甲醇密度，kg/L，其值為0.79；η2為制醇廠分配運(yùn)輸至甲醇站的效率，取0.95。

基于以上分析，汽油耗與CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)如表7所示。甲醇耗與CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)如表8 所示.

表7 汽油耗與CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)

表8 甲醇耗與CO2轉(zhuǎn)換系數(shù)

3.2 不同類型車輛CO2排放分析

以某品牌同一車型，汽油版、甲醇版和甲醇增程器版為例，分析TTW CO2排放與WTW CO2排放。

甲醇增程器車輛動(dòng)力結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在增程模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力。

圖5 甲醇增程器車輛結(jié)構(gòu)示意圖

甲醇車輛與汽油車輛運(yùn)行工況如圖6 所示，搭載同一款車與變速箱的運(yùn)行工況點(diǎn)相同，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)高效率區(qū)域更靠近外特性。

甲醇增程器車輛運(yùn)行工況與甲醇車輛運(yùn)行工況如圖7 所示，采用增程器后，將低速、低負(fù)荷區(qū)域的運(yùn)行工況點(diǎn)提升，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)主要集中在高效率區(qū)域。

圖6 傳統(tǒng)車輛運(yùn)行工況圖（甲醇、汽油車）

圖7 增程器與傳統(tǒng)車運(yùn)行工況對(duì)比（甲醇機(jī)）

增程器車輛信息如表9 所示。

表9 某車型不同版本車輛信息

結(jié)合表7 與表8 可以分別計(jì)算出3 種不同類型車輛TTW CO2排放與WTW CO2排放，如表10 所示。

表10 某車型汽油版、甲醇版和甲醇增程器版車輛

由此可見，汽油版的車型TTW CO2最高，其次為甲醇版車輛，甲醇增程器CO2排放最低。甲醇汽車的TTW CO2排放與WTW CO2排放均為汽油車的86%，甲醇增程器的TTW CO2排放與WTW CO2為汽油車的71%。造成3 種不同類型車輛CO2排放差異的因素包含以下幾點(diǎn)：

1）甲醇辛烷值高，抗爆性更強(qiáng)，可以獲得更高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，文中車輛所用的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒甲醇時(shí)，最高熱效率比燃燒汽油高2%。

2）甲醇含碳量為37.5%，密度為0.79 kg/L，熱值為19.9 MJ/kg，汽油含碳量為86.6%，密度為0.742 kg/L，熱值為42.75 MJ/kg。因此單位熱值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

3）甲醇增程器發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域，進(jìn)一步降低了醇耗和CO2排放。

4 結(jié)論

1）基于中國(guó)能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，每生產(chǎn)1 kg 汽油，產(chǎn)生1.722 kg CO2；生產(chǎn)1 kg 甲醇，產(chǎn)生0.76 kg CO2。

2）車輛汽油消耗率為1 L/100 km，產(chǎn)生WTW CO2為37.1 g/km，甲醇消耗率為1 L/100 km，產(chǎn)生WTW CO2為17.2 g/km。

3）汽油車、甲醇車、甲醇增程器車輛的WTW CO2排放分別為219 g/km、189 g/km、155 g/km。汽油車、甲醇車、甲醇增程器車的TTW CO2尾排為139 g/km，120 g/km，98 g/km。

4）從目前中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與化石能源加工工藝結(jié)構(gòu)來計(jì)算，甲醇汽車TTW CO2排放與WTW CO2排放均優(yōu)于汽油車，發(fā)展甲醇汽車對(duì)改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，消耗過量甲醇產(chǎn)能和降低CO2排放均有顯著意義。