丁舟波，李彬，牛繼高，李晨旭，張君浩

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 450007)

電動(dòng)汽車燃料生命周期評(píng)價(jià)研究

丁舟波，李彬，牛繼高，李晨旭，張君浩

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，鄭州 450007)

根據(jù)全生命周期理論，以電動(dòng)汽車為實(shí)例，詳細(xì)評(píng)價(jià)三種電氣程度的電動(dòng)汽車燃料的能源消耗和環(huán)境影響評(píng)價(jià)，建立清單模型，給出電動(dòng)汽車燃料周期清單分析的計(jì)算邏輯，對(duì)汽油和電力燃料生命周期和氣體排放進(jìn)行清單核算和結(jié)果比較。結(jié)果表明，能源方面上插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)在燃料周期中消耗能源最少，純電動(dòng)汽車(EV)消耗汽油比例最低；環(huán)境影響上PHEV在燃料周期中溫室氣體排放最低，EV并沒有達(dá)到真正意義上的節(jié)能減排。

電動(dòng)汽車；全生命周期；清單模型；結(jié)果比較

0 引言

近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的貫徹和深入，清潔能源和環(huán)保問題越來越引人注目，而汽車尾氣作為城市空氣污染的主要來源[1]，其解決手段是越來越多的替代燃料的出現(xiàn)，而替代燃料的開采和應(yīng)用同樣會(huì)消耗大量的一次能源以及排放氣體。因此全面分析電動(dòng)汽車燃料消耗和氣體排放情況，必須基于全生命周期理論，開展電動(dòng)汽車燃料周期評(píng)價(jià)研究。

汽車燃料生命周期評(píng)價(jià)最早最系統(tǒng)的理論，它由美國提出的從“井口”到“車輪”(WTW，from well to wheel)[2]全生命周期理論，美國阿貢實(shí)驗(yàn)室針對(duì)汽車替代燃料全生命周期建立了GREET模型[2]，并對(duì)其做了大量的實(shí)例研究。西方發(fā)達(dá)國家對(duì)于車輛的全生命周期的研究一直走在世界的前列，它們的研究主要集中于對(duì)汽車燃料周期的能源消耗和氣體排放分析，并對(duì)其中各個(gè)具體階段進(jìn)行對(duì)比闡述，提出更具價(jià)值的參考選擇，我國對(duì)于汽車領(lǐng)域的全生命周期研究起步尚晚，但是由于可持續(xù)發(fā)展和清潔能源越來越得到政府和學(xué)者重視，所以相關(guān)研究也越來越受到關(guān)注。本文基于全生命周期理論，建立電動(dòng)汽車燃料周期模型，并將模型具體應(yīng)用。

1 清單模型

1.1 基礎(chǔ)參數(shù)

本文評(píng)估電動(dòng)汽車燃料周期能量消耗和氣體排放情況，涉及到的能源主要是汽油和電力，涉及到三個(gè)階段，分別是原料階段、燃料階段以及行駛階段[3]。而原料階段和燃料階段為燃料周期的上游階段，本文主要關(guān)注的則是這個(gè)階段，而汽油的上游階段主要包含了原油開采運(yùn)輸、汽油加工制造、汽油運(yùn)輸?shù)冗^程，電力的上游階段主要包含了原料開采、原料運(yùn)輸、發(fā)電廠發(fā)電和輸配[4]。汽車燃料生命周期清單模型主要關(guān)注三個(gè)特性參數(shù)，它們分別是總能源消耗，總的常規(guī)氣體排放以及總的溫室氣體排放[5]。總的能源包括總的一次能源和化石能源消耗，單位為MJ/MJ產(chǎn)品能源輸出；總的常規(guī)氣體包括VOC、CO、NOX、PM10、PM2.5，單位是g/MJ產(chǎn)品能源輸出；總的溫室氣體排放包括CO2、CH4、N2O，單位是gCO2當(dāng)量(gCO2-eq)/MJ產(chǎn)品能源輸出。

1.2 算法分析

1.2.1 直接能耗計(jì)算

在分析能耗和過程排放之前，首先要明確它們與燃料之間的關(guān)系，大多數(shù)情況下，原料能源既能當(dāng)做生產(chǎn)燃料，也可作為工藝燃料[6]。所以在能耗計(jì)算時(shí)需要視情況而定，這里可以把能源轉(zhuǎn)化分成3種情況來考慮：其一，所有原料能源均在燃燒過程中被消耗，如煤炭發(fā)電；其二，一部分原料能源作為原料輸入，不產(chǎn)生排放，另一部分通過工藝轉(zhuǎn)化成為燃料，參與過程燃燒，排放氣體。如天然氣生產(chǎn)甲醇和氫氣，一部分天然氣當(dāng)作原料使用，而其余部分用于工藝燃料，參與燃燒并排放氣體；其三，所有的原料能源均作為原料輸入，該過程不存在任何化學(xué)過程，如天然氣的壓縮和液化。

這三種情況的單位能量(1MJ)所需要的能源消耗皆可以由該過程的能量效率計(jì)算得到，即第一情況有E=1/η，而第二、三種情況有E=Efeed+Efuel=1/η-1，其中E是單位過程中輸出單位產(chǎn)品所消耗的能量，MJ；η是單位過程的能量效率；Efeed、Efuel分別是單位過程中需要輸入的原料能量和工藝燃料能量，MJ。

1.2.2 直接排放計(jì)算

燃料周期上游階段排放主要來自于工藝燃燒階段，其余部分來源于非燃燒階段，如化學(xué)反應(yīng)、蒸發(fā)等，關(guān)于這些數(shù)據(jù)和排放系數(shù)國內(nèi)幾乎找不到，因此本文采用美國環(huán)保局AP-42文件[7]中的數(shù)據(jù)。對(duì)于任一單元過程工藝燃料燃燒產(chǎn)生的排放物i可用下式計(jì)算：

(1)

Eprocess，j，k=Ein×αj×βk，j。

(2)

式中：EMc，i為某一單位過程中排放物i的能源輸出，g/MJ；EFi，j，k為第k類能源使用裝置使用燃料j時(shí)的排放因子，g/MJ；Eprocess，j，k為某一單位過程中使用第k類能源裝置工藝燃料j的消耗量，g/MJ；Ein為單位過程總能源消耗量，MJ；βk，j、αj分別為燃料j在總?cè)剂夏芎牡谋壤约叭剂蟡在k裝置中消耗的比例。鑒于目前我國沒有相關(guān)排放物(VOC、CO、NOX、PM10、PM2.5、CH4、N2O)的排放因子的研究數(shù)據(jù)，所以依然采用美國環(huán)保署AP-42文件數(shù)據(jù)[2]。

此外，CO2和SO2的排放因子可由S和C元素質(zhì)量守恒求得，如下式：

EFSO2，j=Dj×LHVj×rS，j×64÷32

(3)

EFCO2，j，k=[Dj×LHVj×rC，j-(EFVOC，j，k×0.85 +EFCO，j，k×0.43+EFCH4，j，k×0.75)] ×44÷12。

(4)

式中：EFSO2，j為燃料j的SO2的排放因子，g/MJ；Dj為燃料j的密度，g/L；LHVj指燃料j的低熱值，MJ/L；rS，j為燃料j的含硫質(zhì)量比；常數(shù)64和32分別是SO2和S的摩爾質(zhì)量；同理EFCO2，j，k、EFCH4，j，k、EFVOC，j，k為在燃燒裝置k中的燃料j燃燒時(shí)的CO2、CH4、VOC的排放因子，g/MJ；rC，j為燃料j的含碳元素質(zhì)量比。

1.2.3 階段生命周期能耗和排放

上游階段的燃料消耗除了工藝燃料燃燒和使用，還包括了燃料在開采和生產(chǎn)所消耗的能量和氣體排放。所以階段生命周期能耗和排放是直接能耗和排放與上游階段間接能耗和排放之和。

(5)

(6)

式中：Eup為上游階段能耗，MJ；EMup，i為上游階段污染物i的排放質(zhì)量，g/MJ；小標(biāo)a為單位過程。公式(5)和公式(6)在計(jì)算時(shí)，所涉及的參數(shù)本身也需要計(jì)算，所以形成反復(fù)迭代的過程，直到計(jì)算結(jié)果偏差小于1/1000時(shí)即可。

1.2.4 車輛行駛階段能耗及排放

車輛行駛階段，即燃料周期下游階段。該階段的能耗可以通過汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和燃料熱值計(jì)算。

Euse=B×LHV×LS。

(7)

式中：Euse為車輛使用階段能耗，MJ/km；B為汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，可通過汽車動(dòng)力匹配得到，L/100 km；LHV為燃料低熱值，MJ/L；LS為燃料損失率。可通過汽車動(dòng)力匹配得到。

該階段的氣體排放可以應(yīng)用GREET軟件中的相應(yīng)數(shù)據(jù)[8-9]核算得到，其中CO2和SO2可根據(jù)碳元素和硫元素平衡原理計(jì)算得到。

2 模型應(yīng)用

將以上建立的模型應(yīng)用于三種電氣程度的車輛燃料生命周期清單分析，本文將選取3種類型的電動(dòng)汽車進(jìn)行對(duì)比分析，分別是混合動(dòng)力汽車(HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)、純電動(dòng)車(EV)。根據(jù)目前國際新能源發(fā)展的現(xiàn)狀，選擇具有代表性的電動(dòng)汽車進(jìn)行分析，其中HEV本文選擇了北京現(xiàn)代第九代索納塔混合動(dòng)力，這輛車同時(shí)搭載2.0 L GDi Engine(Nu)發(fā)動(dòng)機(jī)和38 kw electric motor 電動(dòng)機(jī)。PHEV選擇了一汽豐田普銳斯，它搭載了1.8 L直列四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)采用了三相交流永磁電機(jī)，功率為60 kw。EV選擇經(jīng)典的純電動(dòng)汽車NISSAN LEAF(MY2011)，該車采用鋰離子電池，動(dòng)力電池包含48個(gè)8.4 V的電池模塊組成，總共產(chǎn)生403.2 V的電壓，總質(zhì)量為294 kg，汽車整備質(zhì)量1521 kg。表1為模型對(duì)HEV燃料生命周期核算結(jié)果，表2為PHEV燃料生命周期核算結(jié)果，表3為EV燃料生命周期核算結(jié)果。計(jì)算過程中的原始數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)計(jì)年鑒[10-13]和相關(guān)文獻(xiàn)[14-18]。

表1 HEV 燃料周期環(huán)境清單Tab.1 Listing HEV fuel cycle environment

表2 PHEV 燃料周期環(huán)境清單Tab.2 Listing PHEV fuel cycle environment

表3 EV 燃料周期環(huán)境清單Tab.3 Listing EV fuel cycle environment

從上表1至表3看出，PHEV消耗的總能源是最少的，同比HEV減少了4.5%，EV減少了9.5%；HEV、PHEV、EV的化石能耗占比分別是97.4%、96.1%、94.2%，所以EV在WTW中的可再生能源利用率最高，然而煤炭消耗量是EV最多，占到了化石能源總量的99.5%，主要因?yàn)槊禾堪l(fā)電的結(jié)果。溫室氣體排放主要以CO2和GHG為主，其他幾乎可以忽略不計(jì)，從中可以看出純電動(dòng)汽車的WTW中排放的氣體以溫室氣體為主，均占到排放總氣體的99.2%以上，這個(gè)過程都發(fā)生在燃料周期上游階段，可見煤炭大量燃燒會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體，而PHEV排放最少。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，VOC的排放成明顯下降趨勢(shì)，而PM10卻隨之越來越高。在CO排放方面EV表現(xiàn)最好，而SO2排放最多，NOX和PM2.5的排放各個(gè)車輛技術(shù)類型都差不多。

圖1可以直觀反映各個(gè)車輛技術(shù)類型能量損耗與氣體排放，由圖1可知，車輛的整個(gè)燃料周期(WTW)能源消耗和氣體排放總體趨勢(shì)一致，除了一些常規(guī)氣體排放。從整體燃料周期來看，EV消耗能源并不是最少的，反而占到最多，這主要原因是燃料周期上游階段需要大量的電力和汽油原料，而下游車輛行駛階段，EV是最節(jié)能的，這也可以說明WTW上游階段汽油能源轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電力的能源轉(zhuǎn)化率。

圖1 車輛WTW一次能源消耗以及溫室氣體、常規(guī)氣體排放情況對(duì)比Fig.1 Vehicle WTW primary energy comsumption and comparison of greenhouse gas and conventional gas emission

3 結(jié)論

本文根據(jù)全生命周期理論并建立模型完成了關(guān)于電動(dòng)汽車燃料周期數(shù)據(jù)整理和仿真分析。研究各個(gè)不同電氣程度的電動(dòng)汽車在燃料周期的能耗和氣體排放。研究表明，隨著電氣化程度越來越高，車輛消耗的汽油比例越來越小，但是消耗煤炭越來越多，而且總的能源消耗并不是EV最低，而是PHEV，能源消耗的主體在燃料周期上游階段，其根本原因是我國的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)決定的。因此要真正做到新能源汽車節(jié)能減排，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注燃料周期上游階段的能源消耗，改善能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高燃料周期上游階段電力的能源轉(zhuǎn)化率，優(yōu)先發(fā)展插電式電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，然后再向純電動(dòng)汽車慢慢過渡。

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ResearchonLifeCycleAssessmentofElectricVehicleFuel

Ding Zhoubo，Li Bin，Niu Jigao，Li Chenxu，Zhang Junhao

(Mechanical and Electrical College，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007)

According to the whole life cycle theory，taking electric vehicles as an example，the energy consumption and environmental impact assessment of electric vehicle fuel with different electrical degrees are evaluated in detail.The inventory model is established to give the computational logic of fuel cycle inventory analysis of the electric vehicle，and the inventory and the results are compared for the life cycle and the gas emission of the gasoline and power fuel.Results show that the energy on the plug-in hybrid electric vehicles(PHEV)consume the least energy in the fuel cycle，with pure electric vehicles(EV)consuming the lowest petrol.In terms of environmental impact，PHEV has the lowest greenhouse gas emissions in the fuel cycle，and EV does not achieve the real energy-saving emission reduction.

Electric vehicle；life cycle；list model；results comparison

S 776.36；U 469.72；X 82

A

1001-005X(2017)06-0056-04

2017-07-28

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃(17B120003)

丁舟波，博士，講師。研究方向：新能源汽車及電池SOC分析。E-mail：810891691@qq.com

丁舟波，李彬，牛繼高，等.電動(dòng)汽車燃料生命周期評(píng)價(jià)研究[J].森林工程，2017，33(6)：56-59.