LCA模式下乘用車新能源動力與傳統動力CO2排放分析

段練 杜維明 王祿

（中國第一汽車股份有限公司產品策劃與項目管理部，長春 130013）

主題詞：乘用車 CO2排放量 生命周期評價 新能源汽車

縮略語

LCA Life Cycle Assessment

PC Passenger Car

SUV Sport Utility Vehicle

ICEV Internal Combustion Engine Vehicle

ICEV+48V Internal Combustion Engine Vehicle+48V

HEV Hybrid Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

BEV Battery Electric Vehicle

FCV Fuel Cell Vehicle

HICEV Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle

CCUS Carbon Capture，Utilization and Storage

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell

1 前言

傳統汽車尾氣排放所造成的環境污染已成為全球面臨的重大挑戰，為滿足2030 年碳達峰和2060 年碳中和的目標，乘用車的動力總成從單一內燃機動力向混和動力、純電動和氫燃料電池動力以及氫內燃機動力發展。大力推廣以清潔能源為燃料的環境友好型新能源汽車，逐漸成為我國解決上述問題的重要戰略舉措。

目前，汽車生命周期環境影響的研究領域相對成熟，但較為缺乏乘用車新能源動力與傳統動力橫向比較。本文根據現階段中國電能和氫能的構成和制備方法，在LCA 評價模式下計算不同動力總成乘用車在行駛過程中產生的CO2排放量，但并不涉及不同動力總成乘用車在生產制造過程中所產生的CO2排放量。

2 LCA模式下不同發電方式CO2排放量對比

電能按照輸入能源的類型，主要可以分為火電、水電、核電、光電和風電，其它的發電方式（如地熱能、潮汐能）發電量很少，本文不詳細論述。

不同發電模式其效率和CO2排放量均有很大的差異。全生命周期評價（Life Cycle Assessment,LCA）是主要的CO2排放計算方法。本質上，LCA是一種評估產品生產過程及其使用過程給環境帶來的負面效應的客觀評價方法，主要是通過檢測、識別和評判某種產品在整個生命周期中所帶來的環境影響或潛在影響。因此，對工業產品全生命周期深度分析能夠有效節約資源、減少能耗和保護環境，具有顯著的社會效益和經濟效益[1]。在非LCA 評價中，水電、核電、光電和風電在生產電的過程中不產生CO2，但在LCA評價中，上述的發電模式也會產生一定的CO2，其CO2排放量很低。LCA模式下，不同發電方式的CO2排放量見表1[2-7]。

表1 不同發電模式的CO2排放量[2] g/kW·h

2.1 不同發電方式發電量及其占比分析

目前，我國的發電方式主要以火電和水電為主。2011—2021年，我國各種發電模式的發電量和總量如表2 所示，不同發電模式發電量占比見表3。由于地熱發電、潮汐海浪發電、燃油發電等發電模式的占比極低，且無準確數據支持，未對這些發電模式發電量及總量進行統計。

2.2 單位電功率CO2排放量

各個國家和地區由于地理位置、GDP 總量、技術水平、能源構成均有很大不同，所以其電能總量和構成均不相同，從而導致單位電功率所產生的CO2的排放量有很大差異。

在計算某年單位電功率（本文單位電功率均按1 kW·h 計算）所產生的CO2排放量β時，需要將各種電力的占比和各種發電模式下單位電功率所產生的CO2排放量的乘積進行加權計算（如，β2020為2020 年單位電功率CO2排放量）。

根據表1 和表3 可以分別計算LCA 和非LCA 這2種方式下CO2排放量，在非LCA 中雖然生物質、水電、核能、風能和光伏發電不產生CO2，但在LCA 評價中，這些發電方式也會產生少量的CO2排放。根據我國2011—2021年的發電量數據，可以計算出每年單位電功率CO2的排放量，計算結果如表4所示。

表3 2011—2021年中國各種發電模式發電量占比 %

從表4可以看出，隨著綠能和核能占比的提高，單位電功率CO2排放量逐漸降低。在未來，假設全部使用綠能和核能發電，其CO2的排放量將達到最低值29.90 g/kW·h（假設水電占比為40%，生物質5%、核電、風電各20%和光伏15%）。

表4 2011—2021年單位電功率CO2排放量β g/kW·h

2.3 制氫及儲運產生的CO2排放量

氫氣是一種無污染的燃料，在燃燒的過程中只產生H2O，不產生CO2，但由于氫氣僅以各種化合物形式存在于水中、醇類以及各種礦物燃料中，且自然界中也沒有任何釋放氫氣的生物，所以氫氣必須通過人工反應才能制取。在制氫過程就會產生一定的CO2，不同的制氫方式會產生不同的CO2排放量。

目前我國工業制氫主要有4種方式：煤制氫、化工副產物中提氫、天然氣制氫和電解水制氫[10]。

（1）煤制氫主要以水和煤為原料，制造水煤氣，從而制取氫氣。

（2）工業副產品制氫主要指焦爐煤氣、氯堿尾氣、烷脫氫、甲醇、合成氨工業副產氫氣，主要分布在鋼鐵、化工等行業，提純利用其中的氫氣。

（3）天然氣制氫是以天然氣和水為原料，通過甲烷水蒸氣重整法制氫。

（4）電解水制氫主要分為堿水電解（AWE）、固體聚合物（PEM）水電解，固體聚合物陰離子交換膜（AEM）水電解、固體氧化物（SOE）水電解4種模式，目前以堿水電解、固體聚合物水電解為主。

在我國現有的制氫方式中，煤制氫是主要氫氣來源，其次是天然氣制氫和工業副產品制氫，而電解水的制氫量最低，僅為1%。各種制氫方式所占比例見圖1[11]。

圖1 我國現有制氫方式占比[11]

煤制氫和天然氣制氫這2 種方法，在制氫過程均產生一定量的CO2的排放。目前，煤制氫方式制取單位氫氣（單位氫氣均按1 kg計算）的CO2排放量為20 kg；天然氣重整制單位氫氣的CO2排放量為10 kg，如進一步采用碳捕集、利用與封存技術（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技術，則煤制單位氫氣CO2排放量降低到2 kg，天然氣醇類重整制單位氫氣CO2排放量降低到1 kg[12]，但是如果以LCA 模式下評估CCUS 技術，則在捕集、利用與封存每單位的CO2過程（包括直接、間接、上下游、建設和退役過程排放）中，會產生約20%的CO2排放量[13-14]，所以在LCA 模式下如采用CCUS 技術，煤制單位氫氣CO2排放量約為5.6 kg，天然氣醇類重整制單位氫氣CO2排放量為2.8 kg。而采用工業副產品提純制氫和電解水制氫可以認為在制氫過程中不產生CO2，不同方式制取單位氫氣所產生的CO2排放量和成本如圖2所示。

圖2 不同方式制取單位氫氣所產生的CO2排放量[12]

上述數據僅僅是制氫過程中所產生的CO2排放量，在LCA 評價模式下，制氫原材料的開采、運輸，制氫后的提純、壓縮和儲運環節，以及基礎設施建設環節排放的CO2也必須考慮。其中，儲運方式影響很大，不同的儲運方式排放的CO2有所不同，本文以高壓氣態儲氫方式、20 MPa 長管拖車運氫為基礎計算CO2排放[15]。此外，除了電解水制氫的純度較高以外，其它3種方法制氫的雜質含量較高，需要經過多次提純后才能應用，這也需要消耗一定的能源和氫氣損失，間接造成CO2的排放量增加。這里需要指出的是如采用CCUS 技術后，其制氫過程中的CO2會大大減少，但是其它相關環節所產生的CO2排放依舊不變。

電解水制氫效率較高，一般為75%～85%，制取單位氫氣總耗電量為50～55 kW·h（本文取耗電量50 kW·h，按80%效率計算），此外，制取單位氫氣需要消耗純水量為9 kg。雖然電解水制氫的純度較高，再提純過程耗能較少可以忽略不計，但是在壓縮、儲運環節仍需要消耗一定的能量。

目前，單位氫氣在原材料開采、提煉、運輸，以及制氫后提純、壓縮、儲運的各個過程中所產生的CO2暫無準確數據，但是上述過程的整體數值可根據單位電功率電解所得到的氫被加注到FCV 車輛上，僅能產生電量為0.3 kW·h[16]用于驅動電機的實際數值進行推導。

設定電解水制氫的效率為80%，PEMFC 燃料電池的系統效率為45%，則在壓縮、儲運過程的效率為85%（實際數值為83.3%），則單位電功率電解所得到的氫被輸送到FCV 車輛上，在壓縮、儲運過程中需要消耗的能量折合成電量為0.12 kW·h，則單位氫氣在提純、壓縮、儲運過程中需要消耗的電量為5.825 kW·h（以1 kg 氫氣理論上可產生33 kW·h 計算）。對于采用化石原料制氫由于還有原材料開采、提煉、運輸和氫氣提純過程，這些過程的CO2排放量占比為20%[17]計算（參考汽油制取過程），則化石原料制氫在原材料開采、提煉、運輸，以及制氫后提純、壓縮、儲運的各個過程中需要消耗電量為7.28 kW·h，這些電所產生的CO2按照2021 年中國的電力構成可折算出CO2排放量。

按照上述制氫總量比例、每種制氫方式的CO2排放量以及過程損耗，按4種模式計算將單位氫氣輸加注到FCV車輛所產生的CO2排放量如表5所示，4種模式如下。

表5 LCA評價下不同制氫方式所產生的CO2排放量 kg

（1）按照國內目前不同制氫方式所占的比例計算CO2排放量，并采用現有的電力構成方式計算其在開采、提純、壓縮和儲運過程的CO2排放量，2 者之和為最終的CO2排放量。

（2）按照國內目前不同制氫方式所占的比例計算CO2排放量，但對于化石材料制氫增加CCUS方式，并采用現有的電力構成方式計算其在開采、提純、壓縮和儲運過程的CO2排放量，2者之和為最終的CO2排放量。

（3）按照國內目前的不同發電模式比例所獲得電能，僅采用電解水的方式制氫，并采用現有的電力構成方式計算其在壓縮、儲運過程的CO2排放量，2 者之和為最終的CO2排放量。

（4）全部采用綠能+核能所產生的電能，并采用電解水的方式制氫，并全部采用綠能和核能的電力進行壓縮、儲運等過程，2者之和為最終的CO2排放量。

3 不同動力總成的乘用車CO2排放量

3.1 計算對象、數據來源和系數

隨著車用新能源技術的發展，動力總成也由傳統的內燃機（Internal Combustion Engine,ICE）向純電動化多種模式發展。目前車用動力總成可分為6 種動力：傳統動力汽車（Internal Combustion Engine Vehicle,ICEV）、混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle,HEV）、插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）、純電動汽車（Battery Electric Vehicle,BEV）和氫燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle,FCV）、氫內燃機汽車（Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle，HICEV）。在LCA 評價模式下，對這6 種動力乘用車在使用過程中所產生的CO2排放量進行計算。在計算時，僅考慮以下車型及使用工況：

（1）僅對小型乘用車進行計算，不考慮大型公交車、商用車的使用；

（2）不同軸距車型（從A00級到C級）；

（4）不同使用工況（NEDC、城市、高速和綜合）的對比；

（5）不同使用環境（常溫狀態和冬季寒冷環境）。

各種車型典型的油耗和電耗均來自公開發表的數據，但這些數據目前絕大部分都是在NEDC 循環下所測量和計算的數據，其能耗與實際值偏低。所以在計算實際使用油耗和電耗過程中一般在NEDC 的基礎上按照一定的系數進行增加,由于實際能耗與車重、風阻系數、動力系統、輪胎、使用環境、工況、駕駛習慣都相關，所以這些系數只是一個平均估算數值。

3.2 車輛的計算模型

3.2.1 ICEV

對于以汽油發動機為主的傳統動力ICEV 以及HEV，在車輛使用過程中不消耗電能，只消耗汽油燃料，在計算CO2的排放量時，1 L 汽油完全燃燒產生CO2排放量為2.3 kg，在LCA評價模式下，汽油的開采、提煉以及運輸過程的CO2排放量占比為20%[17]。其計算公式如式（1）～式（4）。

式中：

Fcity為城市工況實際油耗；

Fhighway為高速工況實際油耗；

策略：判斷通電螺線管中的電流方向或N極、S極，應根據“安培定則”和“異名磁極相互吸引”的特點，用右手握住螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。

FSW為綜合加權油耗；

FNEDC為官方NEDC循環油耗；

CFICE為燃油車輛在LCA 模式評價綜合工況的CO2排放量。

3.2.2 HEV及ICEV+48V

對于HEV，其油耗對比ICEV 最高可降低28%[18]，對于采用48 V 技術的弱混車輛其油耗一般比ICEV 降低5%～10%，計算時取值7%[18]。計算公式如式（5）、式（6）：

式中CFHEV為HEV 在LCA 模式評價綜合工況的CO2排放量；CFICEV+48V為ICEV+48 V在LCA模式評價綜合工況的CO2排放量。

3.2.3 PHEV

PHEV 包括2 種驅動方式：電機驅動和內燃機驅動。由于PHEV 使用多變靈活、情況復雜，其能耗介于BEV 和HEV 之間，本文不進行具體的計算，但是要指出的是，由于車整備質量較大和ICE 動力偏小的原因，如僅使用電驅動方式，其電耗要比BEV 略高。如僅使用ICE驅動方式，其油耗也比傳統的ICEV略高。

3.2.4 BEV

對于BEV，雖然電耗也同樣來自于官方公布的NEDC循環測試下電耗數據，但是在計算實際的電耗時，還需要考慮充電效率（慢充為93%～94%、快充88%）和能量回收因素。由于BEV車輛在冬季低溫下的乘員艙采暖耗電、電池低溫加熱耗電及電池自身低溫損耗，導致了BEV在不同的使用環境溫度對實際的電耗差別很大，因此計算分為常溫和低溫（-15 ℃以下）2種工況進行。此外，由于高速工況下車輛風阻的增大、電驅系統效率下降，以及能量回收很少的原因，也導致了BEV高速工況下電耗較高。而對于日常的電池自放電損耗，由于數值很低（1%以下）而不考慮。其計算公式如式（7）～式（14）：

常溫工況下：

對于冬季低溫工況：

式中：

Pcity為城市工況實際電耗；

Phighway為高速工況實際電耗；

PSW為綜合加權電耗；

PNEDC為官方NEDC循環電耗；

CP為BEV在LCA模式評價綜合工況的CO2排放量；

η為充電效率，取值94%；

β2021為2021年每生產1 kW·h電的CO2排放量。

3.2.5 FCV

FCV 是使用高壓儲氣瓶中的氫與空氣中的氧通過燃料電池產生電能，并以電動機驅動車輛。由于目前投入市場應用的車型極少，本文以豐田第1 代Mirai(A 級車)和第2 代Mirai(B 級車)進行計算，同樣在實際使用中考慮其實際的氣耗，由于該車未在中國國內銷售，表中所列出的續駛里程為在WLTC 測試工況下數據，由于其更接近實際應用數值，故系數偏小，而且第2 代Mirai 車由于電堆效率的提升，其氫耗也有所下降。計算公式如式（15）～式（18）：

式中：

Hcity為城市工況下FCV氫氣耗氣量；

Hhighway為高速工況下FCV氫氣耗氣量；

Hsw為綜合加權FCV氫氣耗氣量；

HWLTC為官方WLTC循環氣耗；

CH為FCVLCA 模式評價下綜合工況的CO2排放量；

γ2021為2021年加注單位氫氣的CO2排放量。

對于FCV的CO2排放計算，按4種模式進行計算：

（1）現有各種不同制氫比例下制氫+使用現有電力構成模式儲運；

（2）現有各種不同制氫比例下制氫+CCUS+使用現有電力構成模式儲運；

（3）現有電力構成模式下全部使用電解方法制氫+使用現有電力構成模式儲運；

（4）綠電+核能電力模式下電解制氫+綠能（+核能）模式下儲運。

第2代Mirai在美國實際使用的數值為：城市工況氫耗為1.08 kg/100 km，高速工況氫耗為1.02 kg/100 km，綜合工況氫耗為1.06 kg/100 km。

3.2.6 HICEV

對于使用氫作為燃料的ICE，也要考慮氫的逃逸、制氫過程的電能消耗，這些都與FCV 相同，但是由于ICE 的效率偏低（同現有ICE 熱效率為39%，低于現有PEMFC 的綜合效率45%），且沒有具體車型投入市場銷售，缺乏足夠的數據支持，本文不做計算。

3.3 計算結果

根據上述公式計算綜合工況結果見表6～表9。由于在相同類型的車輛中，不同廠家的車輛油耗和電耗均有所不同，所以只是選取了一些典型車型進行計算。

表6 為ICEV 車型，并以此為基礎計算ICEV+48V以及HEV 的CO2排放量，表7 為BEV 車型CO2排放量，表8 和表9 分別為豐田Mirai 一代和二代車型的CO2排放量，表10 為綜合對比數據。圖3 和圖4 是以表10 計算結果得出的對比曲線。以上數據均為實際綜合工況。

圖3 A級車不同動力總成CO2排放量（綜合工況）

圖4 B級車不同動力總成CO2排放量（綜合工況）

表6 LCA評價下不同系列的ICEV、HEV及ICEV+48 V CO2排放量

表7 LCA評價下不同系列的BEV CO2排放量

表8 Mirai車（1代，A級車）不同制氫方式CO2排放量

表9 Mirai車（2代，B級車）不同制氫方式下的CO2排放量

表10 不同動力總成乘用車CO2排放量綜合對比分析 kg/100 km

圖5 和圖6 為城市工況對比曲線，圖7 和圖8 為高速工況對比曲線。

圖5 A級車不同動力總成CO2排放量（城市工況）

圖6 B級車不同動力總成CO2排放量（城市工況）

圖7 A級車不同動力總成CO2排放量（高速工況）

圖8 B級車不同動力總成CO2排放量（高速工況）

4 結束語

從上述計算數據中可以看出，在LCA 評價模式下，在現有電能構成模式和制氫、加氫模式下，不同類型和級別的車型其CO2排放量均不同：

（1）在綜合工況下，對于A級PC車輛，BEV在常溫下使用其CO2排放對比同級別的HEV 車可降低28%，相對于ICEV 可以降低48%；對于B 級PC 車輛，其降低CO2效果更大，相對于ICEV 可以降低57%。如果進一步降低，需要提升綠電和核電在現有電能中的占比。

（2）在綜合工況下，如在低溫情況下使用，BEV 可比HEV 降低2%～17%的CO2排放量。隨著降低電池低溫損耗技術的進步，BEV的CO2排放量將進一步降低。

（3）在綜合工況下，對于FCV 車輛，如采用現有的制氫和儲運方式，其CO2排放量比HEV 車型低10%，是純電動車常溫下的1.5～1.6 倍。如采用現有的制氫+CCUS 和儲運方式，其CO2排放量為現有BEV 常溫下使用CO2排放量的71%～78%。但隨著現有發電模式中綠電與核電占比的升高，其優勢將逐漸降低，當電能全部采用綠電和核電以后，FCV 車輛的CO2排放量將高于同級別的BEV車輛3倍以上。

（4）城市工況下，BEV在常溫下使用其CO2排放對比同級別的HEV 車可降低35%和46%；相對于ICEV可以降低53%和61%；在低溫下，CO2排放對比同級別的HEV 車可降低10%和25%，相對于ICEV 可以降低38%和49%。

（5）高速工況下，BEV在常溫下使用其CO2排放對比同級別的HEV 車可降低7%和22%；相對于ICEV 可以降低33%和44%；在低溫下，CO2排放對比同級別的HEV 車高出24%和4%，但相對于ICEV 可以降低11%和27%。

（6）隨著發電模式中綠電與核電占比的升高，當電能全部采用綠電和核電以后，BEV 車輛的CO2排放量約為現有ICEV車輛的2%。

（7）在LCA 模式下，下一步將各種不同動力系統車輛的全生命周期CO2排放量（包括回收過程、維修保養過程等的CO2排放量）與本文所提及的使用過程中CO2排放量相結合，計算不同動力系統車輛在生命期內不同使用里程的CO2排放量，并將研究的目標車輛范圍擴展到商用車領域。