蔣鼎立，宋俐燕，王 玲

（華北電力大學(xué)（保定） 數(shù)理系，河北 保定 071003）

汽車作為技術(shù)成熟的代步工具，已深刻地融進(jìn)了人民生活之中，據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，截至2022年3月底，我國汽車保有量已達(dá)到3.07億輛。眾所周知，汽車的保有量與種類增長會(huì)導(dǎo)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(nèi)燃機(jī)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(dá)到891.5萬輛，其中純電動(dòng)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(nèi)燃機(jī)汽車相比占優(yōu)勢，需要更進(jìn)一步的科學(xué)分析。

結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)市場分析，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車仍占汽車市場主體，新能源汽車中以純電動(dòng)汽車與插電式混合動(dòng)力車為代表。本文擬以上述三類汽車為例，從材料生產(chǎn)、組裝、行駛、回收等幾個(gè)階段對汽車的能源消耗與污染物排放進(jìn)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(nèi)燃機(jī)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(nèi)能源消耗與污染物排放的問題，本文采用生命周期評價(jià)（Life Cycle Assessment, LCA）的方法對汽車進(jìn)行分析。關(guān)于汽車生命周期評價(jià)的方法，目前已有多種不同燃料路徑與汽車技術(shù)實(shí)用化模型。例如美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的GREET模型，多倫多大學(xué)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(yīng)的“油井到車輪（Well to Wheel, WTW）”評價(jià)體系在該領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。GREET模型可以從汽車生產(chǎn)、組裝、行駛、回收等多個(gè)階段對汽車的能源消耗進(jìn)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(gè)階段來對能源消耗與污染物排放進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)路徑，設(shè)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(yīng)默認(rèn)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(nèi)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(jié)果進(jìn)行分析。

GREET軟件對能源生成過程分為四個(gè)階段：原材料開采，提取；能源加工轉(zhuǎn)化；能源運(yùn)輸，轉(zhuǎn)化；能源使用。根據(jù)此模板設(shè)計(jì)能源結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)能源使用各個(gè)過程，如圖2所示。

1.2 汽車研究邊界

結(jié)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(jià)理論，結(jié)合GREET軟件分析傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車行駛百公里內(nèi)能源消耗情況及污染排放情況。因缺少我國關(guān)于能源轉(zhuǎn)化等數(shù)據(jù)，故在使用GREET軟件時(shí)只改變GREET模型中一次能源結(jié)構(gòu)，其余數(shù)據(jù)保持默認(rèn)值。雖我國與美國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)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(jié)合GREET軟件提供的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果相對準(zhǔn)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(jié)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(jié)果如表2所示。

根據(jù)各污染物影響結(jié)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(biāo)對汽車污染排放進(jìn)行分析。

1.4 電力能源結(jié)構(gòu)

據(jù)《中國電力統(tǒng)計(jì)年鑒2021》數(shù)據(jù)，我國2020年發(fā)電量達(dá)到74 682億千瓦時(shí)，各發(fā)電方式占比為燃煤發(fā)電61.99%，燃?xì)獍l(fā)電3.38%，燃油發(fā)電0.02%，核能發(fā)電4.90%，風(fēng)力發(fā)電6.25%，水力發(fā)電18.15%，太陽能發(fā)電3.50%，生物質(zhì)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(dá)到5.60%。模型電力結(jié)構(gòu)設(shè)置 ，實(shí)現(xiàn)電力能源供給。

1.5 汽車組件質(zhì)量參數(shù)

GREET軟件基于汽車各種組件質(zhì)量、數(shù)量、更換次數(shù)，回收質(zhì)量等參數(shù)用于計(jì)算分析汽車生產(chǎn)、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(rèn)組件質(zhì)量，結(jié)合提供汽車總質(zhì)量與默認(rèn)各系統(tǒng)質(zhì)量占比提供出汽車各配件質(zhì)量，如表3所示。汽車配件質(zhì)量公式為

本文基于上述電力發(fā)電結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)GREET

式中，為提供汽車配件質(zhì)量，kg；為GREET軟件默認(rèn)汽車配件質(zhì)量，kg；為汽車默認(rèn)質(zhì)量，kg；為提供汽車質(zhì)量。

1.6 污染物排放參數(shù)

本文參考文獻(xiàn)[8-10]，結(jié)合國內(nèi)汽車排放情況，對汽車行駛過程污染物排放情況進(jìn)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(chǎn)生排放，故污染物排放研究對象為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與插電混合動(dòng)力汽車，結(jié)果如表4所示。

1.7 運(yùn)輸過程能耗

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

2 結(jié)果分析

2.1 全生命周期內(nèi)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與新能源汽車能耗分析

在相同汽車生產(chǎn)技術(shù)下，結(jié)合上文提供汽車配件質(zhì)量參數(shù)及能源結(jié)構(gòu)，使用GREET軟件進(jìn)行分析得出相應(yīng)能源消耗量。由圖3可知，全生命周期內(nèi)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車能源消耗量最大，而純電動(dòng)汽車與插電式混合動(dòng)力車能源效率相差不大。其中純電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車總能耗降低42%。插電式混合動(dòng)力車情況與純電動(dòng)汽車類似，其原因可能與插電混合動(dòng)力汽車駕駛模式占比不同有關(guān)。在本文中，設(shè)置CD（純電動(dòng)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(dòng)模型完成形成，與純電動(dòng)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(dòng)汽車和插電混合動(dòng)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(zhuǎn)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(dāng)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，短期內(nèi)無法解決。

2.2 全生命周期內(nèi)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)汽車、插電混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車，即純電動(dòng)汽車排放量最少。純電動(dòng)汽車、插電式混動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車CO氣體減排效應(yīng)分別為21.38%，5.40%。在WTP階段，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車所產(chǎn)生CO氣體量最少，而純電動(dòng)汽車產(chǎn)生CO氣體量最多，因純電動(dòng)汽車在WTP階段完成由能源轉(zhuǎn)化電力過程，故其在WTP階段排放多于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。

從酸雨污染物角度分析，全生命周期內(nèi)純電動(dòng)汽車排放量最多，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車其次，插電式混合動(dòng)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(dòng)汽車明顯多于其余兩種車型，而插電混合動(dòng)力汽車也較明顯多于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(dòng)力汽車，而插電混合動(dòng)力汽車多于純電動(dòng)汽車。

經(jīng)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(nèi)燃機(jī)汽車，在酸雨污染物和顆粒污染物的角度上劣于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。

2.3 全生命周期內(nèi)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(yīng)污染物的單位排放成本，元/kg；為污染物排放量。

結(jié)合汽車的行駛能源成本，對汽車行駛中造成總能源成本進(jìn)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(xiàn)[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(jié)果如圖5所示。

從能源成本角度分析，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車成本最高，插電混合動(dòng)力汽車其次，純電動(dòng)汽車最低。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車成本是純電動(dòng)汽車的3.56倍，插電混合動(dòng)力汽車的1.89倍。故相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(dòng)汽車，其次為插電混合動(dòng)力汽車，成本最高的為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。

3 結(jié)論

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

在污染排放方面，以CO氣體為例，純電動(dòng)汽車、插電式混動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車CO氣體減排效應(yīng)分別為21.38%，5.40%。在另類污染物的角度上，插電式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)汽車相比于插電式混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車降低60%與73%。

在總成本方面，純電動(dòng)汽車與插電式混合動(dòng)力汽車相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車分別降低79%和51%。在能源消耗成本上，純電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)汽車的。在溫室氣體減排上，新能源汽車也比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(yīng)。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(jīng)濟(jì)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(chǎn)技術(shù)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(dòng)汽車，是我國汽車種類代步工具中的最佳選擇。