基于GREET軟件的新能源汽車能源消耗與碳排放影響分析

蔣鼎立，宋俐燕，王 玲

（華北電力大學（保定） 數(shù)理系，河北 保定 071003）

汽車作為技術成熟的代步工具，已深刻地融進了人民生活之中，據(jù)公安部統(tǒng)計，截至2022年3月底，我國汽車保有量已達到3.07億輛。眾所周知，汽車的保有量與種類增長會導致能源過度消耗、溫室氣體排放等諸多環(huán)境問題。為緩解這些問題，我國已逐步出臺了許多政策，如傳統(tǒng)內燃機汽車限號行駛、推廣新能源汽車等。新能源汽車因其污染物減排的效果明顯而被廣泛推廣。2022年3月底，我國新能源汽車保有量達到891.5萬輛，其中純電動汽車保有量為724.5萬輛，并呈高速增長態(tài)勢。雖然新能源汽車在行駛過程中減排效果顯著，但其在能源消耗和污染物排放方面是否與傳統(tǒng)內燃機汽車相比占優(yōu)勢，需要更進一步的科學分析。

結合當前國內市場分析，傳統(tǒng)內燃機汽車仍占汽車市場主體，新能源汽車中以純電動汽車與插電式混合動力車為代表。本文擬以上述三類汽車為例，從材料生產、組裝、行駛、回收等幾個階段對汽車的能源消耗與污染物排放進行對比分析，考證新能源汽車是否在一定程度上優(yōu)于傳統(tǒng)內燃機汽車。

1 軟件選擇與參數(shù)確定

為解決汽車在其生命周期內能源消耗與污染物排放的問題，本文采用生命周期評價（Life Cycle Assessment, LCA）的方法對汽車進行分析。關于汽車生命周期評價的方法，目前已有多種不同燃料路徑與汽車技術實用化模型。例如美國阿貢國家實驗室的GREET模型，多倫多大學的EIOLCA模型，中國汽車全生命周期碳排放核算模型等。其中，GREET模型和相應的“油井到車輪（Well to Wheel, WTW）”評價體系在該領域得到較為廣泛的應用。GREET模型可以從汽車生產、組裝、行駛、回收等多個階段對汽車的能源消耗進行分析。而WTW體系通過將能源分為“油井到油泵（Well to Pump, WTP）”與“油泵到車輪（Pump to Wheel, PTW）”兩個階段來對能源消耗與污染物排放進行研究，從而更能清晰地發(fā)現(xiàn)不同類型汽車之間的區(qū)別。GREET模型框架如圖1所示。

1.1 GREET軟件概述

GREET軟件分析路徑有兩種，一種為燃料生產消耗路徑，另一種為汽車周期排放路徑。通過該軟件，研究人員可根據(jù)燃料與汽車不同的生產路徑，設置距離參數(shù)，分析一種或多種路徑組合下的能源消耗量與污染物排放。

GREET軟件中已配備多種燃料與車輛研究模型，并且其數(shù)據(jù)庫具有不同車型及相應默認數(shù)據(jù)，方便研究人員查找數(shù)據(jù)。在GREET軟件中，汽車生命周期內能源消耗與污染物排放以表格形式輸出，方便研究人員對結果進行分析。

GREET軟件對能源生成過程分為四個階段：原材料開采，提?。荒茉醇庸まD化；能源運輸，轉化；能源使用。根據(jù)此模板設計能源結構用于實現(xiàn)能源使用各個過程，如圖2所示。

1.2 汽車研究邊界

結合我國汽車保有量及新能源汽車發(fā)展趨 勢，本文對汽車參數(shù)所做的規(guī)定如表1所示。

1.3 污染排放方向及處理

根據(jù)生命周期評價理論，結合GREET軟件分析傳統(tǒng)內燃機汽車、插電式混合動力汽車與純電動汽車行駛百公里內能源消耗情況及污染排放情況。因缺少我國關于能源轉化等數(shù)據(jù)，故在使用GREET軟件時只改變GREET模型中一次能源結構，其余數(shù)據(jù)保持默認值。雖我國與美國能源生產結構存在一定差異，但兩國同屬以化石能源為主的國家，排放特征具有相似特性。故結合GREET軟件提供的基礎參數(shù)進行計算，其結果相對準確，具有可信度。

參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，結合我國主要空氣污染因素，選定九種污染物作為汽車排放研究對象，具體結果如表2所示。

根據(jù)各污染物影響結果不同，本文將排放物分為四種類型：溫室氣體、酸雨污染物、顆粒污染物和另類污染物。本文將根據(jù)上述四類指標對汽車污染排放進行分析。

1.4 電力能源結構

據(jù)《中國電力統(tǒng)計年鑒2021》數(shù)據(jù)，我國2020年發(fā)電量達到74 682億千瓦時，各發(fā)電方式占比為燃煤發(fā)電61.99%，燃氣發(fā)電3.38%，燃油發(fā)電0.02%，核能發(fā)電4.90%，風力發(fā)電6.25%，水力發(fā)電18.15%，太陽能發(fā)電3.50%，生物質能發(fā)電1.81%。具體如圖3所示。此外，我國電力傳輸損失率達到5.60%。模型電力結構設置 ，實現(xiàn)電力能源供給。

1.5 汽車組件質量參數(shù)

GREET軟件基于汽車各種組件質量、數(shù)量、更換次數(shù)，回收質量等參數(shù)用于計算分析汽車生產、組裝、回收等階段能源消耗與污染排放。本文基于GREET軟件默認組件質量，結合提供汽車總質量與默認各系統(tǒng)質量占比提供出汽車各配件質量，如表3所示。汽車配件質量公式為

本文基于上述電力發(fā)電結構數(shù)據(jù)，實現(xiàn)GREET

式中，為提供汽車配件質量，kg；為GREET軟件默認汽車配件質量，kg；為汽車默認質量，kg；為提供汽車質量。

1.6 污染物排放參數(shù)

本文參考文獻[8-10]，結合國內汽車排放情況，對汽車行駛過程污染物排放情況進行定量，因純電汽車在行駛過程中使用能源為電能，在行駛過程中并不產生排放，故污染物排放研究對象為傳統(tǒng)內燃機汽車與插電混合動力汽車，結果如表4所示。

1.7 運輸過程能耗

GREET軟件為模擬能源在長距離運輸過程中造成的能源消耗，其設置有能源運輸階段，結合我國能源運輸特征，推斷出我國能源平均運輸水平，如表5所示。

2 結果分析

2.1 全生命周期內傳統(tǒng)內燃機汽車與新能源汽車能耗分析

在相同汽車生產技術下，結合上文提供汽車配件質量參數(shù)及能源結構，使用GREET軟件進行分析得出相應能源消耗量。由圖3可知，全生命周期內傳統(tǒng)內燃機汽車能源消耗量最大，而純電動汽車與插電式混合動力車能源效率相差不大。其中純電動汽車相比于傳統(tǒng)內燃機汽車總能耗降低42%。插電式混合動力車情況與純電動汽車類似，其原因可能與插電混合動力汽車駕駛模式占比不同有關。在本文中，設置CD（純電動模式）占行駛里程70%，CS（燃油模式）占行駛里程30%，故其主要以電動模型完成形成，與純電動汽車能源消耗情況類似。

從煤能源消耗情況可知，我國純電動汽車和插電混合動力汽車能源主要來源仍是以火力發(fā)電為主，表明我國能源轉化效率仍相對較低，造成大量能源流失。

從能源消耗角度分析，新能源汽車在節(jié)約能源方面具有較大優(yōu)勢，能有效緩解當今能源短缺現(xiàn)狀，尤其是在石油能源方面。但從化石燃料消耗的角度上，無論是傳統(tǒng)燃油汽車還是新能源汽車，化石燃料仍是主要消耗物，這是由我國能源結構導致的，短期內無法解決。

2.2 全生命周期內傳統(tǒng)內燃機汽車與新能源汽車排放物分析

同上述條件，通過GREET軟件分析得出污染排放量。如表6所示，三種車型各污染物排放量差異較為顯著。僅從CO氣體的排放量上分析，全生命周期排放量由大到小為傳統(tǒng)內燃機汽車、插電混合動力汽車、純電動汽車，即純電動汽車排放量最少。純電動汽車、插電式混動汽車相比于傳統(tǒng)內燃機汽車CO氣體減排效應分別為21.38%，5.40%。在WTP階段，傳統(tǒng)內燃機汽車所產生CO氣體量最少，而純電動汽車產生CO氣體量最多，因純電動汽車在WTP階段完成由能源轉化電力過程，故其在WTP階段排放多于傳統(tǒng)內燃機汽車。

從酸雨污染物角度分析，全生命周期內純電動汽車排放量最多，傳統(tǒng)內燃機汽車其次，插電式混合動力汽車最少。從顆粒污染物角度分析，三種車型PM排放量相差不大，但PM排放量純電動汽車明顯多于其余兩種車型，而插電混合動力汽車也較明顯多于傳統(tǒng)內燃機汽車。從另類污染物上分析，傳統(tǒng)燃油汽車多于插電混合動力汽車，而插電混合動力汽車多于純電動汽車。

經上述分析可知，新能源汽車在溫室氣體與另類污染物的角度上優(yōu)于傳統(tǒng)內燃機汽車，在酸雨污染物和顆粒污染物的角度上劣于傳統(tǒng)內燃機汽車。

2.3 全生命周期內傳統(tǒng)內燃機汽車與新能源汽車成本分析

為綜合分析不同種類污染物所造成的影響，本文從環(huán)境污染治理成本角度分析，以治理污染物的成本作為污染物排放對汽車綜合影響。具體污染物對汽車綜合影響成本公式為

式中，為治理污染物總成本，元；為相應污染物的單位排放成本，元/kg；為污染物排放量。

結合汽車的行駛能源成本，對汽車行駛中造成總能源成本進行分析，其具體公式為

式中，為汽車行駛總成本，元；為汽車能源消耗成本，元/kWh或元/L；為汽車單位公里行駛消耗能源，L/km或kWh/km。

參考文獻[7]提供單位排放成本及汽車行駛成本，綜合分析汽車行駛100km所需綜合成本，其結果如圖5所示。

從能源成本角度分析，傳統(tǒng)內燃機汽車成本最高，插電混合動力汽車其次，純電動汽車最低。傳統(tǒng)內燃機汽車成本是純電動汽車的3.56倍，插電混合動力汽車的1.89倍。故相比于傳統(tǒng)內燃機汽車，新能源汽車所需要的成本更加優(yōu)惠。

從排放物成本分析，其情況與能源成本類似。故總體分析，目前最值得推廣汽車為純電動汽車，其次為插電混合動力汽車，成本最高的為傳統(tǒng)內燃機汽車。

3 結論

綜上所述，在能耗方面，相同汽車生產技術下全生命周期內傳統(tǒng)內燃機汽車能源消耗量最大，而純電動汽車與插電式混合動力車能源相差不大。其中純電動汽車相比于傳統(tǒng)內燃機汽車總能耗降低42%，插電式混合動力車情況與純電動汽車類似。從不同的能源種類消耗角度分析，傳統(tǒng)內燃機汽車在煤能源消耗上比插電式混合動力車降低66%，比純電動汽車降低78%。但在石油能源消耗上，傳統(tǒng)內燃機汽車比插電式混合動力汽車多消耗336% ，插電式混合動力汽車比純電動汽車多消耗675%。

在污染排放方面，以CO氣體為例，純電動汽車、插電式混動汽車相比于傳統(tǒng)內燃機汽車CO氣體減排效應分別為21.38%，5.40%。在另類污染物的角度上，插電式混合動力汽車、純電動汽車相比于傳統(tǒng)內燃機汽車降低52%與53%，但在酸雨污染物和顆粒污染物的角度上，傳統(tǒng)內燃機汽車相比于插電式混合動力汽車與純電動汽車降低60%與73%。

在總成本方面，純電動汽車與插電式混合動力汽車相較于傳統(tǒng)內燃機汽車分別降低79%和51%。在能源消耗成本上，純電動汽車相比于傳統(tǒng)內燃機汽車更是減少87%。

綜上所述，新能源汽車的出現(xiàn)在一定程度上利大于弊。新能源汽車在能源消耗的角度上有效解決汽車能源消耗過多問題，但僅限于總體上，在煤能源消耗上，新能源汽車消耗量是多于傳統(tǒng)內燃機汽車的。在溫室氣體減排上，新能源汽車也比傳統(tǒng)內燃機汽車具有優(yōu)勢，尤其在行駛階段，新能源汽車能明顯降低溫室氣體排放效應。在成本方面，新能源汽車更是減少汽車購買成本及后續(xù)使用所帶來的經濟消耗。而新能源汽車所造成酸雨污染物和顆粒污染物問題可通過發(fā)展能源生產技術與高新科技來解決。故就目前形勢，新能源汽車，尤其是純電動汽車，是我國汽車種類代步工具中的最佳選擇。