個人乘用車用可替代燃料與我國未來的選擇

劉燦，周開壹，方涵瀟

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，長沙 410015)

1 個人乘用車采用新能源對交通運輸節(jié)能減排的意義

全球氣候變化是當前威脅整個人類可持續(xù)發(fā)展的最大環(huán)境問題[1]?？諝庵腥諠u增高的溫室氣體(GHGs，Greenhouse gases)濃度與當前因全球平均氣溫上升而造成的氣候變化有緊密聯(lián)系。雖然GHGs有多種，但二氧化碳(CO2)所占的量是最多的，且與人類的活動存在緊密聯(lián)系。最近5年其在空氣中濃度上漲幅度高達3.06%。

世界范圍內(nèi)，交通運輸行業(yè)是CO2排放的主要源頭行業(yè)之一。2016年交通運輸行業(yè)占世界原油總消費的57.8%，天然氣總消費的7.1%，占當年全球CO2總排放量的24.4%[2]。2017年美國交通運輸行業(yè)所排放的GHGs占總排放量的28.7%，排各行業(yè)第1，其中個人乘用車(PCs，passenger cars)占交通運輸行業(yè)所排放的GHGs的41.3%[3]；2016年歐盟EU-28交通運輸行業(yè)所排放的GHGs占總排放的24%，與1990年相比，僅該行業(yè)呈上升趨勢，且上升幅度達到60%。因此，交通運輸行業(yè)對當前空氣中不斷上升的CO2濃度和全球氣候變化有直接的影響。

根據(jù)2018年國際能源署(IEA，International Energy Agency)出版的《Key World Energy Statistics》，在整個交通運輸行業(yè)中，2016年能耗排名第一的是道路交通，占整個行業(yè)能耗的74.4%；其次是航空業(yè)，占11.6%；第三是水路運輸，占10.7%；其他運輸占3.3%[4]。作者根據(jù)《中國能源統(tǒng)計年鑒2017》數(shù)據(jù)分析，我國“交通運輸行業(yè)”(包括倉儲和郵政)能源消費僅占全國能源消費的9.1%[5]，低于歐美；但是石油類能源占本行業(yè)的92.47%，與美國接近，并且主要用于道路交通運輸?shù)钠秃筒裼驼急拘袠I(yè)能源消費的80%。因此，中國、美國的交通運輸行業(yè)中CO2排放的絕對主力均為道路交通運輸，交通運輸行業(yè)的綠色化發(fā)展應(yīng)該以降低道路運輸能耗，切實減少其對化石燃料的依賴和減少CO2排放為主要抓手。

進一步分析美國道路運輸能源消費的組成部分發(fā)現(xiàn)：PCs占道路交通能源消費比重為33.1%。而在中國的石油消費中，交通運輸占其50%左右，其中又以汽油、柴油為交通運輸能耗的絕對主力，PCs的汽油消費就占全國汽油消費總量的57%，占全國總石油類燃油消費的11%[6]。有研究表明，PCs所排放的溫室氣體中，CO2的比例高達95%[7-8]。因此，交通運輸行業(yè)的綠色發(fā)展應(yīng)該以降低道路運輸能耗，切實減少其對化石燃料的依賴和減少CO2排放為主要抓手，其核心任務(wù)就是降低PCs的能耗、減少對化石燃油的依賴和減少CO2排放。而可替代燃料(AFs，alternative fuels)是“未來逐步替代傳統(tǒng)汽油、柴油以實現(xiàn)交通運輸?shù)吞紲p排重任的最終選擇”[10]。

2 當前可供交通運輸使用的可替代燃料

周開壹[9]的研究顯示，在美國實際上真正有一定使用量的AFs并不多，主要包括以下8種：壓縮天然氣(CNG，compressed natural gas)、液化天然氣(LNG，liquefied natural gas)、液化石油氣(LPG，liquefied petroleum gas)、85%乙醇(Ethanol，85%)、100%乙醇(Ethanol-neat)、生物柴油(Bio-diesel)、電力(Electricity)、氫(Hydrogen)。

理論上講，AFs適用于交通運輸?shù)母鞣N模式和各種運距，但實際應(yīng)用中特定的AFs一般只在經(jīng)濟上適用于某種交通運輸模式和特定運距。根據(jù)SHELL公司、Le Fevre et al(2014)[10]、美國加利福尼亞能源局(California Energy Commission)和歐盟委員會(2015)[8]的調(diào)研，LNG主要使用者是重型車輛(1)在此“重型車輛”是指美國第8類車輛(Class 8 Vehicles)，全車重量在15噸(3萬3千磅)以上。和船舶；而美國能源部(US DoE，Department of Energy)的《Clean Cities 2016 Vehicle Buyer’s Guide》推薦大型“皮卡”和中小型貨車(短途貨運車輛)用LPG和CNG替代當前的石化燃油。因此，當前適用于個人乘用車的經(jīng)濟性、低碳性都可接受的AFs是：(1)生物柴油；(2)燃料乙醇；(3)氫和(4)電。其中，生物柴油可在不需要對車輛進行任何改裝的情況下用于任何2001年后生產(chǎn)的符合歐盟標準的普通柴油發(fā)動機；而生物汽油雖適用于汽油車輛，但需對發(fā)動機控制系統(tǒng)進行改裝；而氫和電則是采用電機驅(qū)動車輛而非傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機驅(qū)動。

3 個人乘用車可替代燃料的CO2減排效果和經(jīng)濟性分析

3.1 生物燃油(biofuels)—生物柴油和生物汽油(燃料乙醇)

3.1.1 減排分析

根據(jù)美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究，采用全生命周期方法(WTW，Well to Wheel(2)Well-to-Wheel，從油井到車輪，指從燃油的開采到最終通過內(nèi)燃機或電機做功到車輪的全過程。)計算得出使用純生物柴油(B100)的柴油發(fā)動機，其溫室氣體排放比使用傳統(tǒng)柴油減少74%。而根據(jù)歐盟(2015)，純生物柴油的CO2排放約為傳統(tǒng)石化柴油的29%～70%；純生物汽油的這一比例是5%～90%。

3.1.2 燃料價格和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本

表1為美國2019年1月份普通汽柴油和生物燃油的實際平均零售價格比較和將生物燃油換算成汽油后的價格比較[11]，以及氫和電換算后與汽油(E10)的價格比較。

表1 AFs的零售價格(物理單位)與換算成定量汽油價格的比較

來源：美國能源部US DoE，2019。

說明：GGE：Gasoline Gallon Equivalent。電：美國能源部US DoE，2019；2019年1月，用于交通運輸電價每kW·h為0.098美元(EIA electric power monthly)。1kW·h電=0.031GGE(https：//epact．energy．gov/fuel-conversion-factors)。

在美國，建設(shè)生物燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施所需的裝備、施工方法和適用的法律都與建設(shè)傳統(tǒng)汽油、柴油加注基礎(chǔ)設(shè)施相同。據(jù)測算，如果將美國全國傳統(tǒng)汽油、柴油使用量的1/3替換成生物燃油，對加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資約為200億～400億美元(包括必要的轉(zhuǎn)運基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè))。

3.2 氫

3.2.1 減排分析

在行駛過程中，使用氫燃料電池的車輛(Hydrogen Fuel Cell Vehicle，HFCV)不排放任何溫室氣體。氫作為車輛燃料時只在其生產(chǎn)期間排放CO2，并且因為生產(chǎn)方法的不同，其CO2排放的強度有巨大的差別。通過對不同制氫方法的CO2排放值與傳統(tǒng)汽柴油排放值進行比較，可知其排放值從最低的風(fēng)電僅7gCO2eq/km直到最高的煤氣化128gCO2eq/km。這反映了兩個事實：第一，歐洲和美國對于汽車使用氫燃料的CO2減排量因為研究方法和生產(chǎn)燃料的不同有差別。在歐洲，“天然氣熱氣法制氫”的排放是62gCO2eq/km，而美國使用“分布式天然制氫”的排放高達124gCO2eq/km，但沒有標明具體制氫方法。第二，HFCV的CO2減排效果非常明顯，高于生物燃油，當采用風(fēng)電并通過電解法制氫時其CO2排放量僅為傳統(tǒng)汽油、柴油的4%和5%。

3.2.2 燃料價格和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本

用GGE(Gasoline Gallon Equivalent)計算，氫的價格比E10汽油價格高5倍。氫加注基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本因加注設(shè)施的加注能力、運輸?shù)姆绞?氣態(tài)或液態(tài))以及生產(chǎn)所采用的工藝存在巨大的差別[12]。當前氫加注站的建設(shè)成本均在100萬美元以上，最高的接近1000萬美元。并且生產(chǎn)加注一體站的建設(shè)成本比工廠集成生產(chǎn)然后運輸?shù)某杀疽咭恍?/p>

據(jù)測算，如果將美國全國傳統(tǒng)汽、柴油使用量的1/3替換成氫燃料，需要對加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資約為2750億～4300億美元。

3.3 電

3.3.1 減排分析

與HFCV相同，純電動汽車(EV，Electric Vehicle)在行駛過程中不排放任何的溫室氣體和其他空氣污染物。但是，因所使用電力的生產(chǎn)方式不同，EV全壽命周期所排放的CO2差別巨大。EV的平均CO2排放水平是傳統(tǒng)汽油車的53%，但如果電力的來源是燃煤發(fā)電，那么EV的CO2排放水平甚至超過傳統(tǒng)柴油車的排放水平。若電力來自光伏或是風(fēng)力發(fā)電，EV的排放為零。

3.3.2 燃料價格和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本

電的GGE價格比E10汽油高39%。與生物燃油和氫的集中式加注站不同，充電設(shè)施還有家庭式的充電樁。在美國，建設(shè)一個家庭Level 2等級的充電樁成本為1200美元，而公共充電站的成本約為每充電端口5500美元。價格最高的Tesla 4車位常規(guī)超級充電站(Supercharger Station)的平均建設(shè)成本則為27萬美元(官方給出的建設(shè)成本是常規(guī)版本為15萬美元，附加太陽能充電系統(tǒng)的為30萬美元)。與氫加注站不同，充電站的建設(shè)成本與其充電能力關(guān)系不大。據(jù)測算，如果全美1/3車輛使用電力，需要對充電設(shè)施建設(shè)投資約700億～1300億美元。

3.4 綜合比較

AFs與傳統(tǒng)石化汽油、柴油CO2排放的比較分別見圖1和圖2；AFs的價格，依據(jù)熱量單位和物理單位進行的比較分析分別見圖3和圖4。對于使用傳統(tǒng)柴油的PCs，從減排能力、燃油使用成本和加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的成本角度，使用由“地溝油”(廢棄油脂)生產(chǎn)的生物柴油是當前綠色化性價比最高的選擇；而對于使用汽油的PCs，當前還不存在類似于“地溝油”生物柴油這樣極具性價比的直接可替代方案。在未來，無論是使用氫還是電作為普通PCs的燃料，從低碳減排的角度來看，最優(yōu)的方法是通過風(fēng)能/光伏發(fā)電制氫或是直接生產(chǎn)電力。

圖1 可替代燃油CO2排放水平(與石化柴油比較)

圖2 可替代燃油CO2排放水平(與石化汽油比較)

圖3 AFs的價格(熱量單位，2016美元/MBtu)

圖4 AFs的價格(物理單位，2016美元/GGE)

4 歐盟和美國的可替代燃料加注基礎(chǔ)設(shè)施布局策略和建設(shè)成績

4.1 歐洲的布局和加注設(shè)施建設(shè)成績

截至2019年7月，歐盟EU-28國家有充電樁170149個，其中快充樁(>22kW)27245個，排名前5位的國家荷蘭、德國、法國、英國和挪威的充電樁數(shù)量占歐盟EU-28總數(shù)量的74.21%；有加氫站274座，其中于2019年新建的加氫站為123座，出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展；有E85生物汽油加注站3834座，分布于11個國家，其中瑞典有1700座[13](3)本段數(shù)據(jù)根據(jù)https：//www．eafo．eu/alternative-fuels/hydrogen/filling-stations-stats的原始數(shù)據(jù)由作者綜合而成。。

4.2 美國普通個人乘用車可替代燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成績

截至2019年5月30日，美國全國建成的可用于PCs的AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施見表2[14]。

表2 美國已建成的可用于普通PCs的AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量和分布

5 歐美可替代燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施布局分析和中國未來的選擇

2013年，生物汽油占歐盟所有成員國總汽油用量的3.42%，生物柴油占5.37%，兩者共占交通運輸燃料消耗的4.80%。2011年美國交通運輸行業(yè)生物燃油的消費占其全部傳統(tǒng)石化汽油、柴油消費總量(包括傳統(tǒng)和生物汽油、柴油)的5.64%(4)原始數(shù)據(jù)來源于US Transport Statistics 2015，Table 4—10，包括E85，B100和Ethanol in gasohol。。2015年該值上升到7.78%[15]，而2012年全美生物燃油消費占全世界生物燃油消費的47.01%。根據(jù)歐盟委員會(2016)和美國能源部(US DoE)的數(shù)據(jù)，2012年我國生物燃油占“交通運輸、倉儲和郵政”大領(lǐng)域中傳統(tǒng)石化汽油、柴油消費總量的1.9%(其中汽油占比5.3%)，占全世界生物燃油消費的3.20%(其中汽油占比3.00%)[13，16]。最新數(shù)據(jù)表明，2017年我國可再生液體燃料消費只有300萬噸，不到全國成品油消費的1%[5]。

數(shù)據(jù)表明：我國交通運輸行業(yè)AFs的使用與歐洲和美國差距明顯。首先是我國AFs消費的總量較小，其次是其在交通運輸行業(yè)能源消費的比重過低。歐美之所以能夠?qū)Fs在交通運輸行業(yè)的使用率提升至5%甚至以上是由于其執(zhí)行從燃油加注基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開始的推廣政策，而非我國首先從車輛的推廣著手。近年來我國正在實施車輛推廣與能源加注站共同發(fā)展的系列政策。2018年，我國新能源汽車銷售125.6萬輛，同比增長61.7%；新能源汽車保有量大約300萬輛，保有量占全球的50%以上。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模持續(xù)高速增長，截至2018年12月底，公共充電樁保有數(shù)量33.1萬個，私人充電樁數(shù)量47.7萬個，規(guī)模持續(xù)保持世界首位[17]。根據(jù)《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020年)》，到2020年，我國將新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個，滿足全國500萬輛電動汽車充電需求[18]。2018年我國充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增速有所放緩，充電行業(yè)的發(fā)展已由初期的“跑馬圈地”“超前投建”，逐漸調(diào)整為目前的“切合需求”“合理超前”的模式。因此，為促進交通運輸行業(yè)綠色發(fā)展，實現(xiàn)生態(tài)文明，必須進一步加強AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)。

歐美國家個人乘用車中柴油車占較大的比例，而我國所占比例則很小。因此，未來可以不用考慮在該領(lǐng)域使用生物柴油。我國目前生物汽油在“交通運輸、倉儲和郵政”的大領(lǐng)域占傳統(tǒng)石化汽油總消費的5.3%，但美國生物汽油從2006年至2010年飛速增長過后，2013年至2015年的增長不明顯，3年間增長幅度僅5.5%[19]，增速明顯放緩；而歐盟EU-28在經(jīng)過2012年和2013年生物汽油消費量的下降后，從2014年開始就沒有回升而是保持穩(wěn)定。雖然沒有最近幾年美國和歐洲交通運輸行業(yè)的用電量數(shù)據(jù)，但美國道路交通運輸能源加注設(shè)施中充電樁/站數(shù)量從2011年開始出現(xiàn)爆發(fā)式增長，從2014年開始純電動汽車的銷量在美國和歐洲均穩(wěn)步增長。與此同時，歐盟 EU-28國家的氫加注站在2019年呈井噴式增長。這些現(xiàn)象均表明，電力和氫取代其他各種可替代能源并成為未來乘用車主要能源是一個必然趨勢。

6 總結(jié)

根據(jù)上述對歐盟和美國的AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施布局策略分析和對我國新能源在車輛中的實際應(yīng)用情況研究，建議我國跳過歐美國家走過的“傳統(tǒng)石化汽油→可再生能源(生物燃油)→可替代能源(電、氫)”路線，直接從傳統(tǒng)石化汽油跨越至氫和/或電，將其作為未來個人乘用車的燃料。

雖然氫或電能源的車輛在使用過程中不排放任何的溫室氣體，但是如果生產(chǎn)AFs使用的能源是煤，減排效應(yīng)將非常不明顯。電解法制氫是氫燃料生產(chǎn)的一個重要方法，不論我國最終選擇氫或是電作為PCs的替代能源，都應(yīng)該將新能源發(fā)電，特別是太陽能光伏發(fā)電與AFs加注基礎(chǔ)設(shè)施相融合，以實現(xiàn)道路交通運輸?shù)吞及l(fā)展，助力我國實現(xiàn)2030年碳達峰和2060年前碳中和愿景。