程冬宏，高有山，弓旭峰，李思超

(太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

隨著近些年汽車(chē)數(shù)量的顯著增加，傳統(tǒng)燃料汽車(chē)所帶來(lái)的能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題也越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注[1-2]。因此國(guó)家相關(guān)部門(mén)出臺(tái)多項(xiàng)優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)純電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)推廣[3]。然而純電動(dòng)汽車(chē)雖然使用電能行駛，而我國(guó)80%的電能屬于火力發(fā)電，所以說(shuō)純電動(dòng)汽車(chē)并不是完全意義上的“零排放”。因此，本文對(duì)比分析了傳統(tǒng)汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的能量消耗與溫室氣體排放方面的問(wèn)題，這對(duì)我國(guó)推進(jìn)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展有重要意義。

1 能量消耗與溫室氣體排放分析原理

1.1 煤炭、原油、天然氣開(kāi)采能量消耗

國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口煤炭、原油、天然氣開(kāi)采綜合能量消耗根據(jù)各自所占比重加權(quán)，煤炭、原油、天然氣開(kāi)采過(guò)程的能量消耗Qm：

Qm=α%Qm,d+(1-α%)Qm,a

(1)

式中:Qm,d，Qm,a分別是國(guó)內(nèi)和進(jìn)口開(kāi)采每MJ煤炭、原油、天然氣的能量消耗(MJ·MJ-1)；α為國(guó)內(nèi)煤炭、原油、天然氣開(kāi)采能耗占國(guó)內(nèi)外總開(kāi)采能耗的百分比。

1.2 煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸能量消耗

國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸綜合能量消耗根據(jù)各自所占比重加權(quán)，煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸過(guò)程的能量消耗Qt：

Qt=β%Qt,d+(1-β%)Qt,a

(2)

式中：Qt,d，Qt,a分別是國(guó)內(nèi)和進(jìn)口運(yùn)輸每MJ煤炭、原油、天然氣的能量消耗(MJ·MJ-1)；β為國(guó)內(nèi)煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸能耗占國(guó)內(nèi)外總運(yùn)輸能耗的百分比。

1.3 煉油與發(fā)電能量消耗

火力發(fā)電綜合能耗根據(jù)煤、油、氣發(fā)電過(guò)程中能耗的比重進(jìn)行加權(quán)取平均值，化石燃料發(fā)電過(guò)程的能量消耗Qe：

Qe=(a%Qe,c+b%Qe,g+c%Qe,o)/3

(3)

式中：Qe,c,Qe,g,Qe,o分別是每MJ煤炭、原油和天然氣發(fā)電的能量消耗(MJ·MJ-1)；a，b，c分別煤，油，氣發(fā)電所占火電總量的百分比。

1.4 溫室氣體排放

煤炭、原油、天然氣在開(kāi)采、運(yùn)輸、煉油及發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的第k種溫室氣體排放是將各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的氣體排放進(jìn)行求和，表達(dá)式如下：

(4)

式中：i=(1,2,3)分別表示煤炭、原油、天然氣三種化石燃料；mi,j,k為第i種化石燃料在第j種工藝過(guò)程中排放第k種溫室氣體所消耗的能源數(shù)據(jù)(kg)；ui,j,k為第i種化石燃料在第j種工藝過(guò)程中排放第k種溫室氣體的排放因子(kg/kg)；Mk為第k種排放物的總排放量(kg).

2 能量消耗與溫室氣體排放分析過(guò)程

2.1 煤炭、原油、天然氣開(kāi)采能量消耗

2014年我國(guó)化石燃料在國(guó)內(nèi)開(kāi)采與國(guó)外進(jìn)口中的統(tǒng)計(jì)情況[4]，見(jiàn)表1。開(kāi)采1t煤炭需要消耗9.26 kg原煤、0.37 kg汽油、0.26 kg柴油、25.29 kW·h電[5]，原煤、汽油、柴油、電的熱值分別按20.9 MJ/kg，43 MJ/kg，46.04 MJ/kg，3.6MJ/kW·h計(jì)算[6]，由于國(guó)外進(jìn)口煤炭所占比重比較小，所以忽略不計(jì)，則煤炭開(kāi)采的綜合能耗為0.02 MJ/MJ；在我國(guó)，1 t原油開(kāi)采的能耗為157.69 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[7]，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值按29.27 MJ/kg計(jì)算，原油的低熱值按41.8 MJ/kg計(jì)算，則國(guó)內(nèi)原油開(kāi)采的綜合能耗為0.11 MJ/MJ；進(jìn)口原油開(kāi)采能量消耗使用世界的平均值0.08 MJ/MJ[8]，則由式(1)可得綜合原油開(kāi)采能量消耗0.09 MJ/MJ；1 m3天然氣開(kāi)采能耗為0.14 kg標(biāo)準(zhǔn)煤[7]，則天然氣開(kāi)采綜合能耗為0.11 MJ/MJ.

表1 2014年我國(guó)化石燃料統(tǒng)計(jì)情況
Tab.1 National fossil fuel statistics in 2014

2.2 煤炭、原油、天然氣運(yùn)輸能量消耗

煤炭在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中約有1%的煤炭因隨風(fēng)拋散而直接浪費(fèi)[9]，再加上運(yùn)輸工具消耗柴油，運(yùn)輸1 t煤炭需要消耗10.1 kg煤粉、3.49 kg柴油[5]，可計(jì)算出煤炭運(yùn)輸能耗為0.01 MJ/MJ；進(jìn)口原油主要通過(guò)海路運(yùn)輸和鐵路運(yùn)輸(前蘇聯(lián)2.1103km)[8]，其中海運(yùn)油輪的油耗率為0.68 g/(km·t)，國(guó)外原油主要進(jìn)口地分別為中東、西非、中南美等地區(qū)，海運(yùn)路線總長(zhǎng)為4.9104km[10]，根據(jù)我國(guó)原油進(jìn)口的地區(qū)、數(shù)量以及運(yùn)輸方式可計(jì)算出進(jìn)口原油運(yùn)輸能耗為0.01 MJ/MJ.國(guó)內(nèi)原油以鐵路、水路、管道運(yùn)輸方式為主，平均運(yùn)輸分別為9.3102km，4.3102km和3.1102km[11]，其中原油水路，鐵路，管道能耗分別為2.13 MJ/(km·t)，0.11MJ/(km·t)，0.003 MJ/(km·t)，則國(guó)內(nèi)原油運(yùn)輸能量消耗為0.01 MJ/MJ，由(2)式得原油運(yùn)輸綜合能耗為0.01 MJ/MJ；天然氣主要采用管道運(yùn)輸占天然氣運(yùn)輸總量的71%(2.3103km)，天然氣管道能耗為3.710-3MJ/(t·km)，天然氣的熱值按35.88 MJ/m3，則其能耗9.310-3MJ/MJ.

2.3 煉油與發(fā)電能量消耗

煉油綜合能耗是指在煉油過(guò)程中被消耗的能量，全國(guó)煉油綜合能耗[12]為63.42 kg標(biāo)油/t，2014年煉油中間消費(fèi)標(biāo)油505.68 Mt，標(biāo)油的熱值按60.79 MJ/kg計(jì)算，則煉油綜合能耗為9.2210-2MJ/MJ.

我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中主要以火力發(fā)電為主[13]，2014年火力發(fā)電量為4.31012kW·h，其中煤電4.0×1012kW·h，氣電1.3×1012kW·h，油電4.4×109kW·h，在火力發(fā)電中所占比重分別為92.55%，3.12%和0.103%[14]，其中還有一部分是煤矸石、生物質(zhì)和生活垃圾等燃料進(jìn)行合理利用發(fā)電，由于比重甚小，此處忽略。由于煤、氣、油發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[15]分別為333 g/(kW·h)、246 g/(kW·h)、293 g/(kW·h)，則由(3)式得發(fā)電綜合能耗為0.863 9 MJ/MJ，表2列出了原煤、原油、天然氣分別在開(kāi)采、運(yùn)輸、煉油及發(fā)電全過(guò)程中的能量消耗清單情況。

表2 原煤、原油、天然氣能量消耗清單情況
Tab.2 Energy consumption of raw coal，crude oil and natural gas

2.4 煤炭、原油、天然氣開(kāi)采、運(yùn)輸、煉油及發(fā)電溫室氣體排放

表3為原煤、原油、汽油、柴油燃燒時(shí)，CO2、CH4、SO2、NOX溫室氣體排放因子[16-18]，則可得煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸、發(fā)電各階段溫室氣體排放情況，再由式(4)計(jì)算出原煤全過(guò)程溫室氣體排放量。原煤、原油、天然氣開(kāi)采、運(yùn)輸、煉油發(fā)電全過(guò)程溫室氣體排放清單結(jié)果，見(jiàn)表4.

表3 溫室氣體排放因子
Tab.3 Greenhouse gas emission factors

能源種類排放因子/( kg/kg)CO2CH4SO2NOX原煤2.010.020.030.03汽油2.990.130.030.01柴油3.160.130.030.06

表4 原煤、原油、天然氣全過(guò)程溫室氣體排放量
Tab.4 Greenhouse gas emissions of raw coal，crude oil and natural gas during the whole process

能源種類溫室氣體/( kg/MJ)CO2CH4SO2NOX原煤1.29×10-12.72×10-50.15×10-28.96×10-4原油3.363.28×10-48.61×10-38.36×10-3 天然氣2.682.62×10-16.85×10-36.71×10-3

3 車(chē)輛百公里能耗與溫室氣體排放對(duì)比分析

3.1 車(chē)輛百公里能量消耗

計(jì)算百公里能耗除了汽車(chē)本身行駛一百公里所消耗的能耗外，還要追溯到上游從原料開(kāi)采到煉油廠和發(fā)電廠進(jìn)行煉油發(fā)電整個(gè)生命周期的能量消耗。選取國(guó)內(nèi)同一車(chē)型的汽油車(chē)和電動(dòng)車(chē)為評(píng)價(jià)對(duì)象，其中汽油車(chē)綜合工況油耗為5.9 L/100 km，汽油密度為ρ=0.725 kg/L，則百公里能耗為219 MJ/100 km.電動(dòng)車(chē)綜合工況用電為12 kW·h/100 km，則百公里能耗為91 MJ/100 km.

3.2 車(chē)輛百公里溫室氣體排放

純電動(dòng)汽車(chē)雖然自身所需電能是無(wú)污染能源，但電能產(chǎn)生過(guò)程中的溫室氣體也要向上游追溯。據(jù)相關(guān)資料，中石油、中石化兩大石油企業(yè)每噸原油可煉制汽油分別為0.215 t，0.177 t，本文取二者的平均值為0.196 t，則煉制5.9 L汽油需要原油912.24 MJ.汽油車(chē)百公里溫室氣體排放應(yīng)為5.9 L汽油與912.24 MJ原油產(chǎn)生的氣體總和。上文提到煤、氣、油在火力發(fā)電中的比重分別為92.55%，3.12%和0.103%，則每MJ 電能生成的溫室氣體分別為0.206 kg CO2、0.008 kg CH4、0.002 kg SO2、0.001 kg NOx.表5列出了兩種車(chē)輛百公里能量消耗與溫室氣體排放對(duì)比情況，與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，純電動(dòng)汽車(chē)在能量消耗與溫室氣體排放方面僅為傳統(tǒng)汽車(chē)的41.5%和6.1%.

表5 車(chē)輛百公里能量消耗與溫室氣體排放
Tab.5 Vehicle 100 km energy consumption and greenhouse gas emissions

車(chē)輛種類能量消耗/(MJ/100 km)氣體排放(kg/100 km)CO2CH4SO2NOX汽油車(chē)2193 077.890.630.190.09電動(dòng)車(chē)91187.670.740.140.09

4 結(jié) 論

通過(guò)分析煤炭、原油和天然氣從開(kāi)采到使用過(guò)程中的能量消耗及溫室氣體的排放情況，計(jì)算得到了國(guó)內(nèi)同一車(chē)型的汽油車(chē)和電動(dòng)車(chē)百公里的能量消耗和溫室氣體排放量，主要得出以下結(jié)論：

(1)在CO2、CH4、SO2、NOx四種溫室氣體中，CO2氣體排放量所占比重最大，均超過(guò)90%，因此對(duì)CO2排放量的有效控制，可以大幅度降低溫室效應(yīng)所帶來(lái)的危害。

(2)煤炭、原油、天然氣開(kāi)采的綜合能耗分別為0.02 MJ/MJ、0.09 MJ/MJ、0.11 MJ/MJ，說(shuō)明由于固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種化石燃料的屬性不同，其在開(kāi)采過(guò)程中的能耗依次增大。

(3)在能源利用和溫室氣體排放方面，純電動(dòng)汽車(chē)百公里能耗與溫室氣體排放量?jī)H為傳統(tǒng)汽車(chē)的41.5%和6.1%，進(jìn)一步說(shuō)明發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)對(duì)資源利用與環(huán)境保護(hù)都有重要的意義，但是也反映出純電動(dòng)汽車(chē)并非真正意義上的“零排放”，排放的溫室氣體主要集中在生成電能的上游環(huán)節(jié)，若從上游環(huán)節(jié)進(jìn)行治理，將會(huì)進(jìn)一步降低溫室氣體的排放。