燃油與純電動汽車流通過程中CO2排放分析

何義團，張鵬博，邵毅明，陶友東

(重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

0 引 言

隨著經濟的發展和汽車保有量的急劇增加，到2017年3月底，全國汽車保有量首次超過3億輛[1]。2016年，中國對國外燃油的依賴程度達65%[2]，機動車尾氣排放一氧化碳達3 000萬t，碳氫化物達335萬t，氮氧化物達535萬t、顆粒物達51.2萬t[3]。空氣污染已經成為中國大城市的重要環境問題之一。高濃度污染物如顆粒物、SO2、氮氧化物等排放物質已經嚴重影響人類身心健康[4-5]。新能源汽車利用電能，減少對傳統燃油的依賴程度，緩解能源緊張局勢，同時降低有害氣體的排放。但是，在我國現有條件下，動力電池技術瓶頸尚未突破、充電基礎設施不夠完善、電力能源儲備不足、電池回收及處理技術未能解決等問題成為電動車推廣的主要障礙[6]。國際能源組織數據顯示，中國是全球最大的碳排放國[7]。面對日益嚴峻的環境污染問題及持續緊張的能源局勢，低碳交通無疑是未來交通發展的重要方向。目前，基于CO2生命周期對電動汽車的發展預測研究還比較少。因此，筆者對傳統內燃機汽車和電動車流通過程中CO2排放量進行了對比分析，探討汽車電動化與優化電網能源結構對CO2排放的影響。

1 燃油與純電動車流通過程中CO2排放對比

全生命周期指某種產品由自然中獲取最初資源、能源，經過開采、冶煉、加工、再加工等生產過程形成最終產品，又經過流通領域進入消費、使用，最終又以各種形式返回環境系統的整個過程[8-9]。傳統燃油汽車全生命周期CO2的排放主要包括“礦井-油箱”和“油箱-車輪”兩部分。石油開采、貯存、運輸、加工、產品運輸、使用產生排放等生命周期過程均有CO2氣體的產生，而電動汽車全生命周期CO2的排放主要來自于發電過程。因此，針對國內電力能源結構以及不同能源發電所產生的CO2氣體排放，可以對電動汽車全生命周期的CO2排放情況進行簡單的計算。筆者主要對汽車流通過程中使用不同能源所造成的CO2排放進行對比。

1.1 燃油車流通過程中CO2排放量

機動車數量的快速增加已經加劇了全球能源消耗與溫室效應。目前，節能減排成為諸多領域討論的熱點話題[10]。為應對能源危機與溫室效應的挑戰，許多國家紛紛出臺促進傳統汽車戰略轉型的政策。針對C級車CO2排放全生命周期，利用全球經濟數據庫數據，計算石油煉制過程產物中的CO2及發動機內燃油燃燒產物中的CO2，以汽油每釋放1 MJ能量所排放的CO2為基礎進行計算。

石油煉制過程中的CO2排放量為12.19 g /MJ，汽油的體積熱值為33.37 MJ/L,有：

Q1=α·ε

(1)

式中：α為石油煉制過程中排放量，MJ/L；ε為汽油的體積熱值。

因此，石油煉制1 L汽油的CO2排放為406.8 g。而對于傳統C級車，城市工況下，平均每百公里需要加油約5.5 L，因此煉制此部分石油每公里所對應的CO2排放為：

Q2=Q1×Vm/100

(2)

每百公里行駛里程中汽油燃燒所產生的CO2排放為：

Q3=Vm×Em×ηm×N×nC

(3)

因此，對于C級車，百公里行駛里程，CO2排放總量為：

Q4=Q2+Q3

(4)

式中：Vm為標準汽油體積，取5.5 L；Em為標準汽油體積燃燒造成的CO2排放量；ηm為燃燒效率；N為CO2摩爾質量；nC為碳摩爾質量；Q1為石油煉制每升汽油的CO2排放量；Q2為煉制C級車每百公里行駛里程所需汽油產生的CO2排放量；Q3為C級汽車百公里行駛里程中汽油燃燒所造成的CO2排放量；Q4為C級車百公里行駛里程CO2排放總量。

通過計算，得到C級車百公里的行駛里程的CO2排放總量約為150 g/km。

1.2 電動車流通過程中CO2排放量

電動汽車與傳統內燃機車最大的不同為電動汽車動力來源為電能，而電能往往通過煤、石油、液化天然氣、核能、水能等方式發電獲得。不同發電方式均會產生一定量的CO2排放。表1為我國電力能源結構與各能源全生命周期CO2排放統計。

表1 電力能源結構及周期CO2排放Table 1 Electricity energy structure and CO2 emission in life cycle

參照常用發電能源全生命周期CO2排放量與國家電網能源結構數據，可以粗略的計算出電動汽車全生命周期CO2排放量。

C級汽車行駛百公里消耗電量約21.2 kW·h。因此，可通過此數據粗略計算電動汽車百公里CO2排放量，如式(5)：

(5)

式中：Eg、En、Ew、Eo為各能源全生命周期CO2排放量;Rg、Rn、Rw、Ro為各能源在電力結構中占比；Q5為純電動汽車百公里CO2排放量;Q6為純電動汽車每公里CO2排放量。

通過計算，C級純電動汽車每公里CO2排放量為111.932 g。

2 電能替代2016年50%的石油對既有電網結構的影響

針對C級車，從相同能量消耗的角度看，汽車行駛里程每百公里消耗汽油5.5 L，每百公里消耗柴油5 L，每百公里消耗電能21.2 kW·h。為便于數據計算與對比，可以對石油、柴油、電能消耗作近似當量等價處理。通過2016年國內汽油消費情況可以對CO2排放量作粗略計算。

圖1為2016年1—12月期間中國汽油產量及增長情況。由圖1可知，中國汽油總產量為12 843.4萬噸，同比增長6.0%。而2016年汽油實際消費總量達11 983.1萬噸，占總產量的93.3%。

圖1 中國2016年汽油產量統計情況Fig. 1 Statistics of gasoline production in China in 2016

中國2016年1—12月全年的汽油消費總量及體積計算公式如式(6)：

V=M/ρ

(6)

式中:V為汽油的體積容量；M為汽油質量總量；ρ為汽油密度。通過2016年汽油產量數據并結合石油消耗與電能的合理當量，由式(6)計算得2016年中國全年CO2排放為162.4×109L。

CO2排放可大致從過程產物及燃燒排放兩部分所包含的CO2排放量計算，如式(7)：

(7)

式中：q1為過程產物CO2排放量;q2為燃燒排放物中CO2排放量;q3為CO2排放總量。通過計算，得出CO2排放總量為402.91×106t，其中燃燒過程CO2產量占比83.88%。

絕大部分CO2產物在汽車運行過程中通過尾氣釋放出來。通過優化發動機尾氣排放過程，合理提高汽車尾氣處理效率對于降低CO2排放有重要意義。對汽油和電能進行當量等價處理，消耗的電能為：

(8)

式中：E為電能；V為體積容量；η為電能傳輸及汽車充電效率，此處假定為90%。計算得到的電量為695.53×109kW·h。

同樣，2016年中國全年柴油產量及同比增長情況如圖2。

圖2 中國2016年柴油產量統計情況Fig. 2 Statistics of diesel production in China in 2016

2016年1—12月期間，中國柴油消耗量為16 469萬噸，對應的體積容量為196.06×109L。通過汽油與柴油適當的當量關系處理，此部分柴油近似等價為215.67×109L汽油,對應的CO2排放總量為588.53×106t，相當于年耗電量為923.67×109kW·h。則2016年全年，由汽車造成的CO2排放量為991.44×106t，等量消耗1619.2×109kW·h的電能。如果2016年全年汽車燃油消耗量的一半由電能取代，則需要新增發電量為809.6×109kW·h。2016年全年中國發電總量為61 425×108kW·h,新增部分電量占2016年全年發電總量的13.18%。

表2 2016年石油消耗與能量等價轉換Table 2 Fuel consumption and power equivalent conversion in 2016

由表2可以看出，2016年全年中國的燃油消耗總量為358.46×109L,其中柴油消耗量高于汽油消耗量。此部分燃油所產生的CO2排放總量為588.53×106t。將此部分燃油近似等價為電能消耗，總量可達1 619.2×109kW·h。若將2016年的燃油消耗量降低一半，即另一半全部由電能替代，則2016年需要新增電能809.6×109kW·h，占該年發電總量的13.18%。

2016年中國機動車保有量達2.95億輛，其中汽油車為16 324.7萬輛，占比88.5%；柴油車為1 878.4萬輛，占比10.2%；燃氣車為232.7萬輛[8]，占比1.3%。消耗柴油比汽油多20.73%。相同體積下，柴油燃料比汽油燃料排放的CO2多10%，而消耗柴油造成的CO2排放總數比汽油多46.07%。通過近似等價換算，2016年全年總汽油當量消耗量為378.066×109L。

假設電動車所需要的電能全部來自于太陽能和風能等可再生清潔能源，且主要把汽油車替換成電動車，為使CO2排放量降至一半，則需要新增電動車數目N*為：

(9)

式中：N*為新增加電動汽車數目；Qc為年總當量汽油消耗量；Ng為年總當量汽油車數目，計算得需要新增加電動車1.9×108余輛。

從目前的電動車發展情況看，電動車的充電時間較長，而且多輛電動車同時充電的可能性很大。假定每輛電動車的充電功率為P0，則新增電動車總計所需要的充電功率為N*·P0，若P0=3 kW，需新增充電功率為570.06×106kW，將對當年的電網負荷提出更高的要求。

3 降低電網中煤炭使用比例與汽車電動化對CO2排放的影響

為使石油能源消耗減少一半，即CO2排放降低一半，則需要新增發電量為809.6×109kW·h才能滿足電動車充電的需要。表3為2016年的電力結構。

表3 中國2016年電力結構Table 3 Electricity structure of China in 2016

圖3 不同能源全生命周期CO2排放Fig. 3 CO2 emission of different energy source in life cycle

圖3為2016年中國不同能源發電量及對應的CO2排放。若新增的809.6×109kW·h發電量用來替代原有電網煤炭的發電量，而且這部分電量全部來自于太陽能和風能等清潔的可再生能源，從而降低煤炭的使用比例，這樣電網總的供電能力不變，同時仍然采用傳統內燃機汽車，不采用電動車，由式(5)計算，可得全年CO2的排放總量Q7為512.782 5 g/kW·h。新增電量用于純電動車充電導致的CO2排放變化情況計算如式(10)：

(10)

若新增電量ΔPf用來給電動汽車充電，傳統燃油汽車數目減少，此部分電能由煤炭燃燒發電產生，則CO2的排放情況計算如式(11)：

(11)

式中：Pf為火力發電量;ΔPf為新增發電量;Pw為年發電總量;Q7為2016年發電造成的CO2排放；Q8為新增電能由清潔能源發電產生且總的發電量保持不變時不使用電動汽車造成的CO2排放總量。Q9為新增電能用于電動汽車充電，傳統燃油汽車數目減少，此部分電能由煤炭燃燒發電產生所造成的CO2排放總量；ΔQ1、ΔQ2為CO2排放的相對變化量。

通過計算，Q8

4 結 論

結合國內2016年石油資源的消耗量及國家電網能源結構，城市工況下，對傳統燃油車及純電動汽對全生命周期CO2的排放情況進行計算，結論如下：

1)對于C級車百公里行駛里程，傳統燃油車全生命周期CO2排放量為150 g，純電動汽車全生命周期CO2排放量為111.932 g。

2)若2016年國內機動車所消耗的石油資源中50%由電能替代，對于C級車，從相同能量消耗角度看，汽車行駛百公里能耗等價，即可認為5.5 L(汽油)=5 L(柴油)=21.2 kW·h(電能)。2016年消耗汽油產生的CO2排放量為402.91×106噸，等價消耗電能695.53×109kW·h。

3)對2016年石油(僅包括汽油和柴油)與電能進行當量處理，基于全生命周期CO2排放情況，全年由汽車排放造成的CO2排放量為991.44×106t，等量消耗1 619.2×109kW·h的電能。

4)若2016年全年汽車燃油消耗量的一半由電能取代，則需要新增發電量為809.6×109kW·h,占2016年全年發電總量的13.18%。

5)2016年總汽油當量消耗量為378.066×109L。為使CO2排放量降至一半，且主要把汽油車替換成電動車，需要新增電動車1.9×108余輛，新增充電功率為570.06×106kW，將對當年的電網負荷提出更高的要求。

6)相比傳統燃油車電動化，合理減少電網結構中煤炭的使用量對于降低CO2排放有更積極的意義。

計算過程均基于理論情況下，為了便于分析全生命周期CO2的排放情況，不同的能源全生命周期所產生的CO2排放視為定值。此外，電能的傳送效率等具體細節考慮還遠不夠完善，在后續的研究工作中將進一步討論。