基于能源結構與電力結構的乘用車全周期CO2排放研究

張 毅 李基鳳 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

引言

隨著社會的日益發展，能源與環境可持續發展成為焦點問題。2017 年，全球一次能源消費增長2.2%，中國能源消費增長3.1%，連續17 年成為全球能源消費增長最大的國家。電力是最大的耗能行業，2017 年度，全球發電量增長2.8%，一次能源消費40%用于發電。但全球電力近20 年沒有結構性變化，化石能源發電依然是電力的最大構成部分，約占66%[1]。

石油的開采、冶煉及管道運輸，煤炭的挖掘、運輸等均會產生CO2排放。煤炭發電、天然氣發電、水力發電、核能發電及其他可再生能源發電、電網傳輸與分配等過程均會產生CO2排放與能量損耗。汽油的加注、燃燒會產生能量損失與CO2排放。充電樁的充電、電池的放電會導致能量損失。因此，僅考慮車輛尾氣中的CO2排放，只是考慮了車輛作為污染源終點的排放，沒有考慮從地殼（油井）到車輪端的排放，對于評價車輛CO2排放對環境的影響是不合理的。

本文首先分析全球能源結構，重點分析中國與美國的能源結構，同時分析CO2排放總量，獲取化石能源產生的CO2排放；其次分析電力結構以及不同電力結構發電產生CO2排放的差別；最后結合發動機與電動機工作差異，分析某型號轎車的汽油車、PHEV（插電式混合動力汽車）、EV（純電動汽車）等3款車全周期產生CO2的差異，同時分析尾氣中CO2排放產生的差異。研究結果對于國內外汽車生產企業規劃選擇動力總成，開發出滿足油耗、能耗與CO2排放法規要求的乘用車具有指導意義，為環境監管部門和油耗監管部門核算汽車生產企業全周期內能耗和CO2排放提供參考。

1 能源結構與電力結構分析[1-2]

1.1 能源結構分析

與2007 年相比，2017 年，全球一次能源消耗增長17%，達到13 511 百萬t 油當量。2007 年～2017年，全球一次能源消耗變化如圖1 所示。

圖1 2007～2017 年全球一次能源消耗變化

2017 年，全球一次能源消耗主要在北美洲和亞太地區，共占全球一次能源消耗的63%，如圖2 所示。中國和美國作為世界上能源消耗最大的2 個國家，共占全球40%的一次能源消耗。

圖2 2017 年全球能源消耗

2017 年，美國和中國分別消耗了北美洲和亞太地區81%和55%的能源，新興國家，如印度的能源消耗也不可小視。

中國能源消耗持續增長，是世界上能源消耗主要增長國，美國能源消耗最近10 年保持穩定，如圖3所示。

圖3 2007～2017 年中國與美國能源消耗

中國與美國的一次能源結構存在明顯差異，具體表現為煤炭在美國的占比約為15%，在中國的占比約為61%；美國的化石能源消費以石油、天然氣為主，能源結構組成以低碳能源為主，煤炭為輔，兼有清潔能源。中美2 國的一次能源結構如圖4 所示。

圖4 2007～2017 年中國與美國的一次能源結構

中國高碳低油氣的能源結構決定了消耗同等油當量的能源，中國的CO2排放量更大，對環境的影響更大。2017 年，中國一次能源消耗是美國的1.5 倍，CO2排放是美國的1.9 倍。中國與美國最近10 年的CO2排放如圖5 所示。

圖5 2007～2017 年中國與美國CO2排放

1.2 電力結構分析

電力行業在國民經濟中占有重要地位，每年全球有40%左右的一次能源用于發電，產生33%左右的CO2排放。

2017 年，全球發電量達到25 551 TW·h，其中，北美洲與亞太地區的發電量共占66%。如圖6 所示。

圖6 2017 年全球發電量組成

2017 年，美國的發電量占北美洲的81%，為4 284 TW·h，加拿大與墨西哥的發電量分別占北美洲的13%和6%。

中國的發電量占亞太地區的57%，為6 495 TW·h，其余國家和地區的發電量共占亞太地區的43%。

中國與美國的發電結構存在明顯差異，主要表現為以下幾點：

1）中國煤炭發電占比較大，達到67%，美國僅占31%。

2）中國石油與天然氣發電占比僅為3%，美國達到32%。

3）中國清潔能源發電占比為30%，包含水力、核能、可再生能源發電。其中，水力發電占比最大，達到18%；美國清潔能源發電占比為37%，其中，核能發電占比最大，達到20%。如圖7 所示。

圖7 2017 年美國與中國發電量構成

2 汽油與電力產生過程CO2排放分析

傳統動力乘用車（汽油車）與新能源汽車的能源傳遞形式有所不同，如圖8 所示。紅線（虛線）為汽油車的能量傳遞過程，藍線（實線）為EV 的能量傳遞過程。傳輸至電網的電力組成多樣化，因此，發電結構的差異會造成單位電量電力產生過程中CO2排放的差異。

圖8 地殼-車輪的能量傳遞過程

2.1 汽油產生過程（地殼-煉油廠末端）CO2排放計算

汽油生產過程，包含油井開采、管道運輸、汽油冶煉等過程，會產生CO2。考慮到全周期的開采、運輸、冶煉，每生產1 t 汽油，會產生1.722 tCO2[3]。

2.2 電力產生過程（地殼-電網）CO2排放計算

不同發電系統在發電過程中產生的CO2存在較大差別，煤炭發電產生的CO2最多，天然氣發電次之，核能、水力、風能等清潔能源發電方式會產生不同程度的CO2排放。各種發電形式全周期內的CO2排放如表1 所示[4]。

表1 不同能源發電全周期CO2排放

從表1 可知，煤炭發電是單位發電量產生CO2最多的發電方式，其次為天然氣發電，核能、水力、風能等發電方式產生的CO2較少。

以表1 所示的不同能源發電全周期中位CO2排放為基準，結合圖11 所示的中國與美國發電結構差異，可以得出，每生產1 kW·h 電，中國產生733 g CO2，美國產生499 g CO2。

3 不同類型車輛能耗與CO2排放

3.1 不同類型車輛能量傳遞損失

汽油車與EV 從地殼一次能源到驅動車輪的能量傳遞形式及能量損失有所區別[5]。結合圖8 所示的能量傳遞示意圖，對某型號轎車的汽油車款和電動汽車款進行能量傳遞過程損失與能量效率分析。

圖9 為汽油車從地殼一次能源傳遞至車輪的能量效率示意圖。

圖9 汽油車能量傳遞與損失

汽油車全周期能量效率計算公式為：

式中：η1為提煉效率，90%；η2為從煉油廠分配至加油站的效率，95%；η3為汽油機熱效率，22%；η4為傳動系統效率，95%～98%。

利用公式（1）可以計算出汽油車的全周期能量效率為17.87%～18.43%。能耗損失主要由汽油機的熱效率所決定。

EV 全周期能量損失主要表現為發電過程的損失，其次為電池充放電的損失。

圖10 為EV 從地殼一次能源傳遞至車輪的能量效率示意圖。

圖10 EV 能量傳遞與損失

EV 全周期能量效率計算公式為：

式中：η1為提煉效率，90%～97%；η4為傳動系統效率，95%～98%；η5為發電效率，33%～40%；η6為電力傳送和分配效率，90%～92%；η7為電池充電機效率，85%～90%；η8為電池充放電效率，75%；η9為電力交換器和電機效率，80%～85%。

利用公式（2）可以計算出EV 的全周期能量效率為12.95%～20.07%。能耗損失主要由發電效率所決定。

PHEV 的能源傳遞包含圖9 與圖10 所示的2條路徑，暨電廠發電效率與汽油機熱效率均對PHEV的能量傳遞損失具有重要的影響。

3.2 電耗與油耗轉化分析

根據能量守恒原理，電能與汽油消耗量的轉化公式為：

式中：a 為汽油消耗量，L；W 為電能，kJ；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；Hu 為汽油低熱值，kJ/kg，其值為42 750。

利用公式（3）可計算出，1 kW·h 電能相當于0.113 5 L 汽油。

汽油車與EV 的能量傳遞效率不同，全周期內，汽油車的能量損失主要由汽油發動機的熱效率決定，EV 的能量損失主要由發電廠的發電效率所決定。在考慮能量傳遞效率的前提下，汽油車的能量效率取21%（圖9 中，從加油槍至車輪，汽油車的能量效率為20.9%～21.56%），EV 的能量效率取60%（圖10 中，從充電樁至車輪，EV 的能量效率為57%～62.48%）。

在考慮能量傳遞效率的前提下，電能與汽油消耗量的轉化公式為：

式中：b 為汽油消耗量，L。

利用公式（4）可計算出，在考慮能量傳遞效率的前提下，1 kW·h 電能相當于0.324 3 L 汽油。

3.3 油耗、電耗與尾氣中CO2排放、全周期CO2排放

標準汽油燃燒反應方程[6]為：

根據碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 汽油產生的尾氣中CO2排放為23.6 g/km。

綜合2.1 分析所得，每生產1 kg 汽油，產生1.722 kg CO2。

汽油車每消耗1 L 汽油，全周期所產生的CO2的計算公式為：

式中：m1為全周期所產生的CO2，g/km；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；η2為煉油廠分配運輸至加油站的效率，其值為0.95。

利用公式（6）可計算出，汽油車全周期所產生的CO2為37.1 g/km。

EV 消耗電能，汽車尾氣中CO2排放為0。

全周期內，電耗產生CO2是因為發電過程中產生CO2、電廠至電網之間傳輸以及充電樁的電能損耗。基于中國電力結構，如2.2 所述，每生產1 kW·h電，產生733 gCO2。因此，EV 每耗電1 kW·h，全周期內所產生的CO2為：

式中：η6為電廠傳遞至電網的效率，取90%；η7為充電樁的充電效率，取90%。

利用公式（7）可計算出，EV 每耗電1 kW·h，全周期產生905 g CO2。

基于以上分析，汽油車油耗與電耗、CO2的轉換如表2 所示。

表2 汽油車油耗與電耗、CO2轉換

EV 電耗與油耗、CO2的轉換如表3 所示。

表3 EV 電耗與油耗、CO2轉換

3.4 不同類型車輛CO2排放分析

以上述某型號轎車的汽油車、EV 和PHEV 等3款車為例，分析尾氣中CO2排放與全周期CO2排放。車型信息如表4 所示。表4 中，條件a 為儲能裝置處于充電終止的最高荷電狀態；條件b 為儲能裝置處于運行放電結束的最低荷電狀態。

表4 某型號轎車的汽油車、EV 和PHEV 車型信息

PHEV 的燃油消耗量加權平均值C 與電能消耗量加權平均值E 根據條件a 與條件b 計算[7]，計算公式分別為公式（8）與公式（9）。

燃油消耗量加權平均值C 為：

電能消耗量加權平均值E 為：

式中：De為PHEV 純電續駛里程，km，其值為63；Dav為2 次充電之間的平均行駛里程，km，其值為25；c1為條件a 下的燃油消耗量，L/100 km；e1為條件a 下的電能消耗量，W·h；c2為條件b 下的燃油消耗量，L/100 km；e4為條件b 下的電能消耗量，W·h。

通過公式（8）與公式（9），可計算出PHEV 的燃油消耗量加權平均值C 為1.33 L/100 km，電能消耗量加權平均值E 為123 W·h/km。

某型號轎車3 款車的油耗、電耗與CO2排放如表5 所示。

表5 某型號轎車汽油車、EV 和PHEV 等3 款車的油耗、電耗與CO2排放

由此可見，汽油車尾氣中CO2排放最高，PHEV次之，EV 尾氣中CO2排放為零。

4 結論

本文介紹了全球一次能源消耗，分析了中國與美國的能源結構及電力結構差異，并分析了發電和冶煉汽油產生的CO2排放差異，研究了汽油車與EV油耗與電能、尾氣中CO2排放和全周期CO2排放之間的換算關系。對某型號轎車的汽油車、PHEV 和EV 等3 款車的能耗、尾氣中CO2排放以及全周期CO2排放進行了分析。結論如下：

1）基于能源結構與電力結構現狀，中國發電所產生的CO2為733 g/（kW·h），中國生產汽油所產生的CO2為1.27 kg/L。

2）車輛消耗1 L 汽油，全周期產生的CO2為37.1 g/km；車輛消耗1 kW·h 電能，全周期產生的CO2為9.05 g/km。

3）通過對某型號轎車的汽油車、PHEV 和EV 等3 款車進行分析，結果表明，全周期內，汽油車、PHEV、EV 的CO2排放分別為219 g/km、161 g/km、163 g/km；汽油車、PHEV、EV 的尾氣中CO2排放分別為139 g/km，31 g/km，0。

4）從目前中國的能源結構與電力結構來計算，新能源汽車尾氣中CO2排放與全周期內CO2排放均優于汽油車。