燃料汽车全生命周期的3E分析与评论

燃料汽车全生命周期的3E分析与评论

1 中国煤制汽车燃料的经济、能源、环境生命周期研究

我国关于车用燃料生命周期的研究最早始于1995年，是由国家各部委、清华大学、福特汽车公司和麻省理工学院共同组织进行的。以山西省和其它富煤地区为背景，以原油基汽油作为基准路线，将各种煤基代用燃料路线与基准路线进行对比，以确定它们的代用性。作为参考，还增加了煤层气制甲醇链和原油基柴油链。这样，在以煤为原料生产车用燃料的经济、能源、环境研究中共包括了8条路线：原油-汽油-汽油车、原油-柴油-柴油车、煤层气-甲醇-甲醇车、煤-甲醇-甲醇车、焦炉气-甲醇-甲醇车、煤-联醇-甲醇车、煤-汽油-汽油车、煤-常规电-电动车。每条路线以资源的开采为始点（煤由坑口开始、原油和煤层气由井口开始），直至汽油在汽车行驶中消耗殆尽。主要研究成果如表1-1所示，

表1-1 中国煤制汽车燃料的经济、能源、环境生命周期研究

由表1-4发现：在车辆的单位运行周期上，没有一种煤制燃料的生命周期在各个方面都是绝对最好的；即便是被普遍认为是清洁能源的电力，由于我国的发电用能源以煤为主，故其生命周期排放较高，而过高的电池制造成本和运行费用使得生命周期成本增加较多。该研究指出：燃料的选择必须权衡多种因素，以确定哪些办法最适合中国，而且在实施这些战略之前，要对所选择的燃料技术进行全面的可行性研究。

2 中国清洁能源汽车全生命周期的研究

目前我国处于商业化应用及研究开发阶段的清洁能源汽车主要有：燃气汽车（CNG、LNG和LPG）、醇类汽车（M85、M85、E85、E10）、电动汽车、混合动力汽

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车（HEV）和氢燃料电池汽车等。本文通过文献研究，对上述不同类型清洁能源汽车全生命周期的100km行驶成本、环境影响和能源转换效率等因素进行综合分析，主要比较了不同清洁能源汽车在经济、环境影响和能源效率（3E）等方面的差异。

清洁能源的生命周期评价在生命周期评价标准的指导下，利用热力学、燃烧学和大气污染控制等学科的原理建立起燃料评价模型，有学者把这种汽车燃料生命周期模型称为从“井口”到“车轮”的分析（from well to wheels，WTW）。这一模型的评价边界分为2个阶段，即上游阶段的一次能源开采、汽车燃料生产和下游阶段的燃料使用。

图2-1 清洁能源汽车全生命周期的边界

2.1 研究对象和评价指标

为了体现出清洁能源在环保方面的优势，表1列举的方案是我国不同地区清洁能源的生产、运输、使用中所实施的具体例子，从而能够有争对性地运用全生命周期分析法，对清洁能源的使用提供定量的评价结果。

清洁能源的全生命周期环境影响评估指标包括标准排放和温室气体排放两类，涉及5中主要标准大气污染排放物HC、CO、NOX、PM10、SOX和用一定时期内对全球变暖具有影响潜力的3种温室气体综合成的指标GHGS。

GHGS=X1·CO2+X2·CH4+ X3·N2O

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试中X1、X2、X3分别为CO2、CH4、N2O在一定时期内全球变暖影响潜力指数。设定时间长度为100年，则X1=1，X2=21，X3=310

表2-1 我国清洁能源实施方案

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 初始能源 天然气 天然气 石油 煤 木薯 天然气 煤 天然气 石油 石油 车用能源产品 压缩天然气 液化天然气 液化石油气 甲醇M85 乙醇E10 二甲醚 电能 氢气燃料 汽油CAS 柴油 制备子系统 天然气压缩 天然气液化 原油蒸馏分馏 直接制备法 木薯制备乙醇 直接合成法 火力发电 天然气重整 原油制备 原油制备 终端利用子系统 天然气汽车 改装轿车 改装轿车 灵活燃料汽车 普通汽车 灵活燃料汽车 蓄电池轿车 燃料电池汽车 普通汽车 柴油汽车 2．2 我国清洁能源经济、环境和能源效率评估数据

表2-2列举的数据是我国清洁能源通过全生命周期分析法（LCA）对清洁能源汽车的使用成本与环境影响及能源转换效率进行评估所得到的相关数据。

表2-2 我国清洁能源3E评价数据

2.3 我国清洁能源汽车全生命周期的3E分析与评论

根据LCA方法及表2-1、2-2中所列的8中清洁能源方案，对我国清洁能源汽车的100km行驶成本与排放和能源效率等因素之间的关系进行了分析和评论。

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图2-1 清洁能源汽车全生命周期 100km行驶成本与温室气体排放 100km图2-3 清洁能源汽车全生命周期 100km行驶成本与SOX排放 100km

图2-2 清洁能源汽车全生命周行驶成本与CO排放

图2-4 清洁能源汽车全生命周期行驶成本与PM10排放

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图2-5 清洁能源汽车全生命周期 图2-6 清洁能源汽车全生命周期 100km行驶成本与臭氧前驱物排放 100km行驶成本与PM10排放

基于前述图表的，可得以下结论：

（1）从燃料生产到车辆使用的完整生命周期内，清洁能源汽车的温室气体标准排放物的各项指标整体上优于汽车的100km行驶成本和能源转换效率也优于石油燃料汽车，但煤基甲醇汽车在SOX、PM10排放上的表现不尽人意。 （2）燃气汽车在温室气体和颗粒物排放量上的表现都比传统液化石油燃料汽车好，能源效率也较高，但存在着燃料储存和供应的问题，而且燃气能源的生产和使用都是在天然气蕴含丰富的地区进行的，这就相应地减少了燃料储存和运输阶段的生命周期排放指标，因此有一定的利用局限性。

（3）醇类汽车技术基本成熟，但温室气体排放量有待改善，初始能源的供应和制备工艺在很大程度上决定了生命周期的排放表现，同时产业化程度还要加强。二甲醚汽车温室气体排放较多，但颗粒物污染少，是柴油机优良的代用燃料，但其储存、运输、使用成本高。

（4）氢燃料电池汽车和纯电动汽车降低排放的功效十分显著，与传统燃料汽车相比，二者在温室气体和其它标准污染物的排放上都有大幅度的降低，如果不考虑纯电动汽车电能来源的环境污染，那电动汽车可以说是“零排放”，同时这两种汽车的能源转换效率很高，但成本问题是制约其发展的关键。

根据我国目前国情，对我国发展清洁汽车提出以下建议： （1） 强化富产天然气汽车的优势，支持燃气汽车的推广。

（2） 改善二甲醚的使用方法，探索新的合成方法，降低使用运输成本。 （3）完善甲醇燃料的生产工艺，进一步加强产业化，加强燃料乙醇汽油的应用。

（4）加快突破制约电动汽车与燃料汽车发展的成本问题，并在政策上给予一定的优惠。

3 多种能源公交车全生命周期的研究

为全面评价我国几种主要新能源公交车的能耗及污染物排放水平，清华车用能源研究中心使用清华大学Tsinghua-CA3EM模型中的“从矿井到车轮(WTW)”模块，对压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、煤制甲醇(M100)、煤制二甲醚(DME)、

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图3-9 全生命周期石油、煤炭和天然气消耗情况

车辆行驶1km：

（1）煤基燃料能耗最多、温室气体排放也最多，化石能源消耗多(主要是煤炭)，但是油气资源消耗少，尤其是DME在运行阶段可以纯烧，不需要掺混，节约石油效果更好；

（2）天然气制取氢气驱动燃料电池车的能耗和温室气体排放与柴油车水平接近；

（3）电动汽车节能效果最好，能量消耗、温室气体排放量分别比传统车辆减少30%、20%左右；

（4）CNG汽车总体能耗与传统汽车相差不大，但主要消耗天然气，很少消耗石油；

（5）HEV车节能和温室气体减排水平为1/8。

从全生命周期来看，污染物排放情况如图3-10、3-11、3-12所示。

图3-10 全生命周期污染物排放情况

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图3-11 全生命周期NOX排放情况

车辆行驶1km：

（1）电动车几乎没有排放，只有少许NOX和PM，并且不在市区；

（2）燃料电池车在燃料制取阶段有较多PM排放，使得全生命周期排放水平高于传统汽、柴油车，但主要不在市区排放；

（3）和车辆运行阶段类似，汽油车与柴油车相比，在NOX和PM方面有优势，后者这两种污染物的排放量较多，而且主要在市区排放；

（4）CNG、LPG汽车CO、HC多于柴油车，但NOX和PM少于柴油车，尤其市区排放少；

（5）二甲醚除HC外，在市区的其它污染物都少于柴油车；

（6）甲醇车日HC、CO多于柴油车，NOX和PM少于柴油车，但全生命周期的PM量较多；

（7）HEV减排1/8。 3.3结论

从全生命周期分析来看：

（1）各种车辆的温室气体排放水平基本和总能耗成比例关系； （2）电力驱动公文车节能减排优势明显；

（3）天然气制取氢气驱动燃料电车的能耗和温室气体排放与柴油水平接近，除了pM排放，其它排放物也很少；

（4）煤基燃料虽然总能耗和温室气体排放水平增加，但是能节约石油和天然气；在污染物排放方面，DME除HC外，在市区的其它污染都少于柴油车，而甲醇车HC、CO多于柴油车，NOX和PM少于柴油车，但全生命周期的PM量较多；

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（5）传统油气资源所制燃料车辆能基本相等；但CNG、LPG汽车CO、HC排放多于柴油车，而NOX和PM少于柴油车，尤其市区排放少；

（6）汽油车、柴油车的全生命周期分析，不改变在运行阶段的比较结果，在NOX和PM方面前者有优势，在CO、HC后者有优势；

（7）HEV节能减排方面都是1/8左右，因此具有一定优势。 4 参考文献

[1] 张亮．车用燃料煤基二甲醚的生命周期能源消耗、环境排放与经济性研究[J]．上海交通大学博士论文，2007

[2] 陈胜震，陈铭．中国清洁能源汽车全生命周期的3E分析与评论[J]．汽车工程，2008（6）：466～469

[3] 欧训亮，张希良，常世彦．多种新能源公交车能耗与主要污染物排放全生命周期对比分析[J]．新能源汽车，2008：16～20

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sqa.html