基于GREET的純電動(dòng)公交車與傳統(tǒng)公交車全生命周期評估

黎土煜, 余大立, 張洪申

昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650500

基于GREET的純電動(dòng)公交車與傳統(tǒng)公交車全生命周期評估

黎土煜, 余大立, 張洪申*

昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650500

隨著純電動(dòng)公交車在城市公共交通中應(yīng)用越來越廣泛，需要對純電動(dòng)公交車和傳統(tǒng)柴油公交車進(jìn)行全生命周期評估，并分析推廣純電動(dòng)公交的可行性. 通過美國阿貢實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的GREET(greenhouse gases, regulated emissions, and energy use in transportation model)軟件，充分考慮油井-油泵、公交車運(yùn)行、車身系統(tǒng)制造、液體系統(tǒng)制造、ADR (裝配、報(bào)廢和回收質(zhì)量)以及電池制造等6個(gè)階段能耗，結(jié)合公交車車型信息和路況信息，構(gòu)建公交模型，并對公交模型進(jìn)行能耗模擬、排放物模擬和經(jīng)濟(jì)效益評估. 結(jié)果表明，若車身長度為12 m，車身質(zhì)量為18 t時(shí)，純電動(dòng)公交車運(yùn)行過程能耗僅占其總能耗的31.1%. 相較于傳統(tǒng)公交車，純電動(dòng)公交車全生命周期能耗減少29.1%，全生命周期內(nèi)VOC、CO、NOx等污染物排放量分別減少8.7%、36.7%、50.2%，溫室氣體CO2的排放量減少19.7%. 若公交車隊(duì)規(guī)模為20輛，純電動(dòng)公交車使用年限為8 a，則純電動(dòng)公交車比例需超過12.7%才能實(shí)現(xiàn)盈利，單輛純電動(dòng)公交車若實(shí)現(xiàn)盈利至少需要3 a.

全生命周期評估； GREET模型； 傳統(tǒng)柴油公交； 純電動(dòng)公交

Abstract： With the gradual scarcity of global energy resources and rising requirements for the environment, it is necessary to develop clean energy and alternative vehicles. Electric buses have become widely available in city public transportation in recent years. The life cycle assessment of conventional diesel and electric buses was conducted to demonstrate the feasibility of electric buses. A bus model incorporating consumption of stages of well-to-pump, operation, system manufacture, fluid manufacture, Assembly, Disposal and Recycling (ADR), battery manufacture and the survey information of buses and traffic was established. The bus length was 12 m and the weight was 18 t. Based on the Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation model (GREET) software developed by Argonne National Laboratory, a simulation was conducted. The results showed that the life cycle energy consumption of electric buses was 29.1% lower than conventional buses. This means that electric buses can reduce the energy consumption to a certain extent, and the energy consumption tends to decrease significantly with the improvement of energy structure and power technology in China. The operational energy consumption of electric buses accounted for 31.1% of total energy consumption. Compared to conventional buses, the Volatile Organic Compounds (VOC), CO and NOxemissions over the life cycle of electric buses were lower by 8.7%, 36.7% and 50.2%, and the emissions of CO2of electric buses were lower by 19.7%. If a bus fleet has 20 buses, the fleet can make a profit when the proportion of electric buses exceeds 12.7%, because the life span of an electric bus is eight years in general. However, the popularization of electric buses requires a lot of investment to purchase new buses and build infrastructure. Electric buses cannot make a profit for at least for three years, which means that the enterprises barely make any profit in a short time. Therefore, an incentive system should be set up by the government in order to expand the market of electric buses and address the financial stress of the bus companies. With the development of operational information of electric buses, more research will be conducted to accurately calculate the appropriate proportion of electric bus in different areas.

Keywords： life cycle assessment; GREET model; conventional diesel bus; electric bus

我國已成為全球最大的能源消費(fèi)國，但是國內(nèi)能源利用效率低下，能源結(jié)構(gòu)不合理，由此引發(fā)了一系列的能源危機(jī)和環(huán)境問題[1- 3]. 國家能源局頒布了《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020)》，提出在能源消費(fèi)方面，至2020年，國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗要比2015年下降15%；在能源結(jié)構(gòu)方面，將非化石能源消費(fèi)比重提高至15%以上；在環(huán)境方面，單位GDP的CO2排放比2015年下降18%. 我國大氣污染中，汽車尾氣污染占比超過一半. 如何降低汽車尾氣污染已成為我國環(huán)保事業(yè)亟待解決的難題之一. 近年來，純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車等新能源汽車不斷發(fā)展，成為交通運(yùn)輸業(yè)緩解能源和城市環(huán)境壓力的突破口.

目前，在我國部分城市，純電動(dòng)公交車已開始投入運(yùn)營. 以云南省昆明市公交車第七公司為例，該公司在運(yùn)營公交車數(shù)量為755輛，包括柴油公交車和純電動(dòng)公交車，其中，柴油公交車占比為77%，純電動(dòng)公交車占比為23%. 純電動(dòng)公交車已經(jīng)開始成為公共運(yùn)輸系統(tǒng)中重要的一部分. 但是，有關(guān)電動(dòng)公交車替代傳統(tǒng)公交車在制造、運(yùn)行和報(bào)廢等階段是否能降低能源消耗、減少污染物排放量以及提高經(jīng)濟(jì)效益等基礎(chǔ)研究仍亟待開展.

目前，國內(nèi)新能源汽車技術(shù)在高速發(fā)展，但是仍然受到很多因素的制約，如區(qū)域發(fā)展差異、基礎(chǔ)設(shè)施、政府津貼等[4- 6]. 汽車動(dòng)力電池經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池3個(gè)階段，目前大多數(shù)電動(dòng)汽車使用的是鋰電池，其中以能量型磷酸鐵鋰電池為主[7]. 然而，電池昂貴的造價(jià)、續(xù)航能力不足以及安全性能存在隱患等難題依舊存在，其性能的好壞將直接影響電動(dòng)汽車的發(fā)展. 研究表明，動(dòng)力電池的安全性和可靠性受限于電池溫度和電池電壓窗口[8]；動(dòng)力電池的熱量損失將會(huì)降低電池壽命和續(xù)航能力，其中電池內(nèi)部短路、電池外部壓力過大、過度充電以及電池工作溫度過高是加速電池?zé)崃繐p失的主要原因[9]；動(dòng)力電池的主要性能參數(shù)，如比能量、比功率、安全性、充電循環(huán)性等主要取決于電極材料和電解液的性能，而采用納米結(jié)構(gòu)作為電極材料將會(huì)對電池性能產(chǎn)生積極影響[10]；增加電池?zé)崃ο到y(tǒng)能夠有效緩解動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下耗電快、壽命短的現(xiàn)象[11- 12]. 電池使用壽命以及續(xù)航時(shí)間的長短主要取決于電源管理系統(tǒng)[13].

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對可替代能源汽車(主要是純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車等)和傳統(tǒng)汽車的能耗做了研究，對新能源汽車的發(fā)展具有重要意義. 美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的GREET- 2016 (greenhouse gases, regulated emissions, and energy use in transportation model- 2016)軟件及清華大學(xué)開發(fā)的Tsinghua-LCAM模型都是分析汽車全生命周期能耗的常用工具，基于這些模型，研究人員[14- 17]計(jì)算出不同汽車模型下、不同階段(主要分為油井-油泵和油泵-汽車兩個(gè)階段)的能耗和污染物排放量. 研究[18- 20]表明，乘用車車型和行駛路況能耗會(huì)受到車型零部件設(shè)計(jì)、駕駛方式、駕駛路況、氣候條件等因素的影響. OU等[21- 23]研究表明，就目前國內(nèi)可替代能源的生產(chǎn)路徑來說，使用新能源并不會(huì)明顯減少溫室氣體的排放量. 預(yù)計(jì)到2015年，純電動(dòng)汽車全生命周期節(jié)能率為46.04%，減排率為28.99%，而到2020年，這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)將分別提高至55.02%和40.83%. Lajunen[24]研究表明，公交車儲(chǔ)能系統(tǒng)的費(fèi)用是提高成本效益的關(guān)鍵因素，而優(yōu)化公交車運(yùn)行調(diào)度和運(yùn)行路線將會(huì)有效改善公交車的能耗. 綜上所述，深入開展不同類別傳統(tǒng)汽車與新能源汽車全生命周期分析研究十分必要. 因此，該研究以傳統(tǒng)公交車和純電動(dòng)公交車為研究對象，基于GREET軟件建立公交模型，計(jì)算純電動(dòng)公交車和傳統(tǒng)柴油公交車的全生命周期能耗和排放量，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果，評估推廣純電動(dòng)公交車的可行性，以期為純電動(dòng)公交車的購置及運(yùn)營提供參考.

1 研究方法

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室于1995年正式發(fā)布GREET軟件，該軟件主要用于計(jì)算燃料和汽車全生命周期能耗與排放等數(shù)據(jù). 通過模擬公交車能耗和污染物排放兩部分，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益評估結(jié)果對推廣電動(dòng)公交車的可行性進(jìn)行分析. 該研究中數(shù)據(jù)主要來源于調(diào)研數(shù)據(jù)、GREET默認(rèn)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)三方面.

1.1 公交建模

1.1.1車型參數(shù)

GREET軟件公交建模主要依據(jù)為公交車型參數(shù). 為便于對純電動(dòng)公交車和傳統(tǒng)柴油公交車全生命周期進(jìn)行評估，結(jié)合實(shí)際走訪調(diào)研，對車型參數(shù)做出如下假定：

a) 公交車長度為12 m.

b) 根據(jù)《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》(商務(wù)部〔2012〕12號)，公交車壽命為13 a. 但是，公交車運(yùn)營到8 a之后，便基本報(bào)廢，故假定兩種公交車壽命均為8 a.

c) 兩種公交車載客數(shù)量相同，均為100人. 但是，公交車載客數(shù)量會(huì)有高低峰期. 因此，在此假定兩種公交車載客量為80人.

d) 假定公交車日均行駛里程為180 km，年均行駛里程為 65 700 km. 由此可得公交車全生命周期總行駛里程為 525 600 km.

e) 兩種公交車駕駛方式、運(yùn)行路況以及運(yùn)行調(diào)度均一致.

純電動(dòng)公交車與傳統(tǒng)柴油公交車在系統(tǒng)組成上差別明顯. 公交車組成系統(tǒng)主要包括車身系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤、牽引電機(jī)、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和液體(除去燃油)，具體如表1所示.

根據(jù)建模需要，對純電動(dòng)公交和傳統(tǒng)柴油公交車型主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[25]，見表2.

表1 公交車組成系統(tǒng)

注：—表示無該系統(tǒng)； √表示配有該系統(tǒng).

表2 車型主要參數(shù)

注：— 表示該項(xiàng)數(shù)據(jù)未定義. 輪胎規(guī)格為27570 R22.5，單個(gè)輪胎質(zhì)量約為60 kg. 此外，單個(gè)100AH磷酸鐵鋰電池質(zhì)量為3.2 kg，純電動(dòng)公交采用9個(gè)電池箱，單個(gè)電池箱由4并20串80個(gè)100AH電池單體組成[25]，電池質(zhì)量合計(jì)為2 304 kg. 附件電源主要為車內(nèi)電子附件提供電力，如車載廣播、喇叭、車門開閉等，其質(zhì)量基于軟件內(nèi)部默認(rèn)質(zhì)量計(jì)算[26].

1.1.2各系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)

GREET軟件已設(shè)定傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車各系統(tǒng)質(zhì)量占比，但并未設(shè)定純電動(dòng)汽車各系統(tǒng)質(zhì)量占比. 在此根據(jù)純電動(dòng)公交車電池質(zhì)量，計(jì)算電池占整車質(zhì)量比例為12.8%. 結(jié)合軟件內(nèi)部默認(rèn)的各系統(tǒng)質(zhì)量占比，求出各系統(tǒng)質(zhì)量. 系統(tǒng)比例計(jì)算公式：

PS=MS/Mt×100%

(1)

式中：PS為系統(tǒng)比例，%；MS為軟件默認(rèn)各系統(tǒng)質(zhì)量，kg；Mt為軟件默認(rèn)汽車總質(zhì)量(不包括液體和輪胎質(zhì)量)，kg. 輪胎質(zhì)量如1.1.1節(jié)所述. 液體質(zhì)量可根據(jù)汽車總質(zhì)量比例估算得到. 軟件內(nèi)部汽車總質(zhì)量約為1.5 t，公交模型總質(zhì)量為18 t，故假定公交模型中各液體質(zhì)量為軟件內(nèi)部汽車各液體質(zhì)量的10倍.

為使公交模型全生命周期能耗計(jì)算更準(zhǔn)確，需要定義公交模型各組成部分更換次數(shù)，主要包括電池組、輪胎和液體. 此次模擬電池組壽命為5 a，根據(jù)公交車報(bào)廢年限，在此設(shè)定電池組更換次數(shù)為1次. 在壽命周期內(nèi)，公交車輪胎一般需要更換2次. 模型中各液體更換次數(shù)采用軟件內(nèi)部默認(rèn)數(shù)據(jù).

經(jīng)由式(1)計(jì)算和上述假定估算得到公交模型質(zhì)量參數(shù)和液體更換次數(shù)(見表3).

1.1.3熱值計(jì)算

GREET軟件能耗根據(jù)能源熱值(低位熱值)計(jì)算. 由表2可知，純電動(dòng)公交車能耗為1.1 kW·h/km，柴油公交車能耗為0.42 L/km. 由GB/T 2589—2008《綜合能耗計(jì)算通則》可知，電力熱值為 3 600 kJ/(kW·h)，柴油熱值為 42 652 kJ/kg. 其中柴油密度為0.84～0.86 kg/L，模擬取柴油密度為0.85 kg/L.

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得純電動(dòng)公交車和傳統(tǒng)柴油公交車的熱值分別為 3 960 和 15 227 J/m.

1.2 能耗模擬設(shè)定

GREET軟件環(huán)境為美國標(biāo)準(zhǔn)，在模擬前需要對軟件環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，使其與我國實(shí)際情況基本保持一致. 該研究全生命周期能耗模擬總共考慮公交車全生命周期6個(gè)階段，包括油井-油泵階段、公交車運(yùn)行階段、車身系統(tǒng)制造階段、液體系統(tǒng)制造階段、ADR階段以及電池制造階段. 其中，ADR為汽車裝配、報(bào)廢和回收質(zhì)量，油井-油泵階段采用GREET軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)，其余階段數(shù)據(jù)則通過調(diào)研、文獻(xiàn)查閱以及計(jì)算

表3 公交模型質(zhì)量參數(shù)和液體更換次數(shù)

注：ADR質(zhì)量根據(jù)汽車材料回收率計(jì)算得到. 目前，汽車可回收材料占汽車材料的90%以上，其中塑料、玻璃等材料的回收率可以達(dá)到50%以上，絕大多數(shù)企業(yè)的汽車材料回收率可達(dá)85%以上[27- 29]. 此次模擬選取汽車材料回收率為85%，故ADR質(zhì)量為15 300 kg.

得到. 此次模擬年份為2015年.

該模擬需對上述6個(gè)生命周期階段的電力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置. 我國實(shí)際電力結(jié)構(gòu)[30]如圖1(a)所示，主要以火電為主，軟件默認(rèn)的我國電力結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，二者差別不大，但軟件默認(rèn)結(jié)構(gòu)分類較為齊全，故此次模擬使用軟件內(nèi)部電力結(jié)構(gòu). 未來隨著清潔電力的發(fā)展，超臨界發(fā)電、太陽能發(fā)電、水電以及核電等發(fā)電模式份額將會(huì)逐步增加[31- 33].

圖1 我國電力結(jié)構(gòu)Fig.1 The power structure of China

傳統(tǒng)公交使用0號低硫柴油. 目前，我國柴油主要源于原油提煉，因此，GREET軟件中柴油來源設(shè)置為原油提煉路徑. 我國能源運(yùn)輸以管道運(yùn)輸和海上運(yùn)輸為主，其中管道運(yùn)輸占運(yùn)輸量的95%以上[34]. 在能源運(yùn)輸技術(shù)和效率方面，我國與美國無明顯差異，故模擬中能源運(yùn)輸方式和效率均采用軟件默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn).

GREET軟件包括汽油和柴油兩種基本燃料. 柴油公交以燃油經(jīng)濟(jì)性作為主要輸入，而確定燃油經(jīng)濟(jì)性之后，便能計(jì)算不同階段的能耗，其計(jì)算公式：

(2)

式中：E為能耗，J/km；f為能源類型，包括汽油、柴油、天然氣等；F為能源集合；s(f)為不同階段能源配額，%；hv(f)為能源熱值，J/gal；fe為燃油經(jīng)濟(jì)性，是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型而確定的比例因子.

GREET軟件電能驅(qū)動(dòng)模式包括電量耗盡模式和電量維持模式. 該研究采用電量耗盡模式，因?yàn)殡娏亢谋M模式適用于純電能驅(qū)動(dòng)汽車，而電量維持模式適用于混動(dòng)汽車領(lǐng)域. 單位距離耗電量計(jì)算公式：

(3)

式中：eel為單位距離耗電量，J/km；B為電量耗盡模式下的耗電量，J/km；η為充電效率(軟件默認(rèn)所有車型充電效率均為85%)，%.

單位距離總能耗計(jì)算公式：

eCD=eel+ef

(4)

式中：eCD為電量耗盡模式下單位距離總能耗，J/km；ef為所需燃料能耗，J/km.

全生命周期能耗需要將公交生命周期各階段的能耗相加，總能耗計(jì)算公式：

(5)

式中：ETotal為公交模型總能耗，J/(h·km)；EWTP為油井-油泵階段能耗，包括能源開采、能源運(yùn)輸和發(fā)電能耗，J/(h·km)；EO為車輛運(yùn)行過程能耗，J/(h·km)；EM為車輛各系統(tǒng)制造能耗，J/(h·km)；EF為車輛各液體制造能耗，J/(h·km)；EADR為車輛裝配、報(bào)廢和回收能耗，J/(h·km)；EB為車輛電池制造能耗，J/(h·km).1.3排放物模擬設(shè)定

公交車全生命周期主要標(biāo)準(zhǔn)污染物包括VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)、CO、NOx(氮氧化物)、SOx(硫氧化物)以及BC(微小顆粒物炭黑)、POC(有機(jī)碳)、PM2.5和PM10；溫室氣體排放物包括CO2、CH4和N2O.

GREET模擬過程中將以上排放物分為兩類：①尾氣排放物，包括VOC、CO、CO2、NOx、PM2.5、PM10、BC、POC、CH4和N2O；②非尾氣排放物，包括汽油和柴油揮發(fā)(Evap)的有機(jī)化合物(VOC_Evap)以及輪胎和剎車磨損(TBW)產(chǎn)生的炭黑(BC_TBW)、有機(jī)碳(POC_TBW)、PM2.5(PM2.5_TBW)、PM10(PM10_TBW). 根據(jù)GREET內(nèi)部數(shù)據(jù)，對純電動(dòng)公交車和柴油公交車的排放物進(jìn)行定量(見表4). CO2排放無需定量，軟件內(nèi)部會(huì)獨(dú)立計(jì)算.

排放計(jì)算包括上游排放、技術(shù)性排放、非技術(shù)性排放，以及能源泄漏和汽化排放，其計(jì)算公式：

(6)

式中：t為獲取能源的相關(guān)技術(shù)；Em(f)為能源排放量，g；a(f)為能源數(shù)量，J；Emup(f)為能源上游排放矢量，g/J；s(f,t)為能源份額，%；Emother為能源其他排放矢量，g/J；Ef(f,t)為不同生產(chǎn)工藝下該能源的排放矢量，g/J.

表4 純電動(dòng)公交車和柴油公交車污染物排放量

Table 4 Tailpipe and non-exhaust emissions of the buses gkm

表4 純電動(dòng)公交車和柴油公交車污染物排放量

排放物純電動(dòng)公交車柴油公交車VOC00.029CO00.260NOx00.860PM2.500.018PM1000.020BC00.002POC00.003CH400.031N2O00.001VOC_Evap0.0280.035BC_TBW0.0010.002POC_TBW0.0010.003PM2.5_TBW0.0080.017PM10_TBW0.0300.067

1.4 純電動(dòng)公交車經(jīng)濟(jì)效益評估設(shè)定

公交車經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要有公交購置費(fèi)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)、運(yùn)行能耗費(fèi)、政策補(bǔ)貼費(fèi)以及運(yùn)營收入. 據(jù)調(diào)研可知，車身長度為12 m的純電動(dòng)公交車單價(jià)為90×104元(除去30×104元補(bǔ)貼)，其中動(dòng)力電池成本約為整車價(jià)格的1/4. 純電動(dòng)公交車全生命周期內(nèi)需要更換1次電池，故純電動(dòng)公交購置費(fèi)為115×104元. 車身長度為12 m的柴油公交單價(jià)為60×104元. 純電動(dòng)公交車和柴油公交車費(fèi)用信息見表5.

表5 公交車費(fèi)用信息

注：由于城市內(nèi)加油站設(shè)施已完善，故購入柴油公交車后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)為0元. 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)假定：一輛公交車每d運(yùn)行4趟,每趟載客100人次,搭乘費(fèi)用為每人2元. 由此可知一輛公交車年均運(yùn)營收入為29.2×104元.

純電動(dòng)公交車經(jīng)濟(jì)效益評估主要依據(jù)是純電動(dòng)公交車最終實(shí)現(xiàn)盈利所需年限. 該年限計(jì)算公式：

(7)

式中：Y為盈利所需年限，a；Op為公交購置費(fèi)，104元；Oc為年能耗費(fèi)，104元；Oi為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)，104元；Ib為年運(yùn)營收入，104元；Is為純電動(dòng)公交車相較柴油公交車年均節(jié)省的能耗費(fèi)，合計(jì)11.2×104元.

2 結(jié)果與討論

2.1 能耗模擬結(jié)果

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，設(shè)置純電動(dòng)公交車和傳統(tǒng)柴油公交車比例分別為23%和77%，并定義能耗、電池組件以及各系統(tǒng)和各液體質(zhì)量參數(shù)(見表3)，對公交模型開展能耗模擬，模擬結(jié)果見表6.

表6 公交車全生命周期能耗

Table 6 Life cycle energy consumption of the buses MJ(h·km)

表6 公交車全生命周期能耗

階段純電動(dòng)公交車傳統(tǒng)柴油公交車油井-油泵745.0325.0運(yùn)行過程466.01523.0系統(tǒng)制造159.0187.0液體制造5.624.0ADR56.056.0電池制造68.00.2合計(jì)1499.02115.0

由表6可見，純電動(dòng)公交車全生命周期能耗較傳統(tǒng)柴油公交車減少29.1%，表明純電動(dòng)公交車在一定程度上能降低能源消耗；在油井-油泵階段，純電動(dòng)公交車能耗約為傳統(tǒng)柴油公交車能耗的2倍，并占其總能耗的49.8%，原因是我國電力結(jié)構(gòu)主要為火力發(fā)電. 因此未來電能供應(yīng)需要減少一次能源的消耗、提高輸電效率，從而改善我國電力結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)柴油運(yùn)行能耗占其總能耗的72.0%，而純電動(dòng)公交車運(yùn)行能耗僅占其總能耗的31.1%，主要原因是純電動(dòng)公交車動(dòng)力為電能，屬于清潔能源;而傳統(tǒng)柴油公交燃料為柴油，柴油的提取需要消耗大量的能源(尤其是原油). 降低傳統(tǒng)柴油公交車運(yùn)行階段能耗的關(guān)鍵在于合理規(guī)劃公交運(yùn)行路線和運(yùn)行時(shí)間、合理設(shè)置公交站臺(tái)區(qū)間距離并研究科學(xué)的駕駛模式. 降低純電動(dòng)公交車運(yùn)行能耗的關(guān)鍵則在于電源管理系統(tǒng)，先進(jìn)的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行合理分配、保證電池充放電效率；在電池制造階段，動(dòng)力電池(磷酸鐵鋰電池)制造能耗遠(yuǎn)超過普通車載蓄電池(鉛酸電池)制造能耗，約為傳統(tǒng)柴油公交車普通車載蓄電池的400倍. 因此，在動(dòng)力電池制造過程中，應(yīng)采用先進(jìn)技術(shù)、研發(fā)先進(jìn)材料、合理利用和回收能源，以此降低動(dòng)力電池的制造能耗.

2.2 排放物模擬結(jié)果

根據(jù)排放物定量數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)公交模型，其全生命周期標(biāo)準(zhǔn)污染物和溫室氣體排放量模擬結(jié)果分別如圖2、3所示.

圖2 標(biāo)準(zhǔn)污染物排放量Fig.2 Criteria pollutant emissions of the buses

圖3 溫室氣體排放量Fig.3 Greenhouse gas emissions of the buses

由圖2可見，純電動(dòng)公交車SOx排放量是柴油公交車的3.4倍，該類污染物主要產(chǎn)生于純電動(dòng)公交車的發(fā)電階段，究其原因是我國電力結(jié)構(gòu)主要為火力發(fā)電，期間燃燒的化石燃料會(huì)產(chǎn)生大量的硫氧化物；相較于柴油公交車，純電動(dòng)公交車在VOC、CO和NOx的排放量上分別減少8.7%、36.7%和50.2%，這說明純電動(dòng)公交車能減少一定的污染物排放量. 由圖3可知，公交車全生命周期排放的溫室氣體主要為CO2，占溫室氣體排放量的99.8%. 純電動(dòng)公交車比柴油公交車的CO2排放量減少了19.7%，約為160 t. 相關(guān)污染物排放量的減少有利于改善我國的環(huán)境污染狀況，尤其是對汽車保有量較大的城市來說，污染物排放量減少有利于提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈铜h(huán)境質(zhì)量.

2.3 純電動(dòng)公交車經(jīng)濟(jì)效益評估

根據(jù)純電動(dòng)公交車經(jīng)濟(jì)效益評估設(shè)定的相關(guān)數(shù)據(jù)，此模擬假定一條公交線路擁有20輛公交車，出勤率為100%. 則該線路中純電動(dòng)公交車比例和其盈利所需年限關(guān)系如圖4所示.

圖4 純電動(dòng)公交運(yùn)營比例與盈利所需年限的關(guān)系Fig.4 Relations between the proportion of electric bus and the required number of years for profit

由于純電動(dòng)公交車使用年限為8 a，因此盈利所需年限8 a是盈利臨界點(diǎn)，只有盈利所需年限小于8 a，該比例的純電動(dòng)公交車才會(huì)盈利. 由圖4可知，該臨界值位于10%～15%的純電動(dòng)公交車比例之間，求出該段直線方程，由計(jì)算結(jié)果可知純電動(dòng)公交車要實(shí)現(xiàn)盈利，其運(yùn)營比例臨界值約為12.7%. 結(jié)果表明，當(dāng)公交車隊(duì)規(guī)模為20輛時(shí)，純電動(dòng)公交車比例至少需要12.7%才能實(shí)現(xiàn)盈利目標(biāo)，若純電動(dòng)公交車比例小于12.7%，則純電動(dòng)公交車所需盈利年數(shù)要超過8 a，意味著純電動(dòng)公交車在盈利之前已經(jīng)報(bào)廢. 單輛純電動(dòng)公交車實(shí)現(xiàn)盈利至少需要3 a，因此企業(yè)購入純電動(dòng)公交車后并不能在短時(shí)間內(nèi)得到相應(yīng)的利潤回報(bào). 對相關(guān)企業(yè)來說，應(yīng)該將純電動(dòng)公交車的投資視為長期投資，并將節(jié)能環(huán)保作為企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo). 由于各城市不同的補(bǔ)貼政策以及基礎(chǔ)設(shè)施造價(jià)，其純電動(dòng)公交車的初始投資價(jià)格均不一樣. 通過經(jīng)濟(jì)效益的分析，有利于各城市公交車隊(duì)根據(jù)自身情況合理配置純電動(dòng)公交車數(shù)量，使純電動(dòng)公交車取代傳統(tǒng)柴油公交車的進(jìn)程更科學(xué).

3 結(jié)論

a) 純電動(dòng)公交車能耗比傳統(tǒng)柴油公交車減少了29.1%，表明純電動(dòng)公交車相對傳統(tǒng)公交車可以明顯減少能耗量. 傳統(tǒng)柴油公交車和純電動(dòng)公交車運(yùn)行過程能耗分別占其總能耗的72.0%和31.1%，表明采用電能作為驅(qū)動(dòng)源，能夠明顯降低公交車在運(yùn)行過程中的能耗. 能耗的減少對汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義，而隨著我國能源結(jié)構(gòu)的改善以及電池技術(shù)的突破，純電動(dòng)汽車在環(huán)保節(jié)能方面將為我國帶來巨大利益.

b) 公交模型模擬結(jié)果顯示，由于我國電力結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主，致使純電動(dòng)公交車產(chǎn)生的SOx主要源于發(fā)電階段，其排放量是柴油公交的3.4倍. 相較于柴油公交車，純電動(dòng)公交車在VOC、CO和NOx的排放量上分別減少8.7%、36.7%和50.2%，尤其CO2的排放量較傳統(tǒng)柴油公交車減少19.7%. CO2排放量的減少對于緩解全球氣候變暖、降低我國碳排放配額具有重要意義.

c) 經(jīng)濟(jì)效益分析表明，單輛純電動(dòng)公交車若實(shí)現(xiàn)盈利至少需要3 a. 當(dāng)公交車隊(duì)規(guī)模為20輛時(shí)，純電動(dòng)公交車比例至少需要12.7%才能實(shí)現(xiàn)盈利. 未來可以通過降低純電動(dòng)公交車造價(jià)、基礎(chǔ)設(shè)施造價(jià)以及制定相應(yīng)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策等方式，逐步提高純電動(dòng)公交車的市場份額，從而推動(dòng)我國新能源汽車的發(fā)展.

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Using the GREET Model to Assess the Life Cycle of Electric and Conventional Buses

LI Tuyu, YU Dali, ZHANG Hongshen*

Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China

X2

1001- 6929(2017)10- 1653- 08

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.96

2016-12-15

2017-06-29

云南省級人才培養(yǎng)項(xiàng)目(KKSY201501060)

黎土煜(1992-),男，海南樂東人，li_tuyu@163.com.

*責(zé)任作者，張洪申(1983-)，男，河北邢臺(tái)人，講師，博士，主要從事可持續(xù)設(shè)計(jì)與制造研究，hongshen@kmust.edu.cn

黎土煜,余大立,張洪申.基于GREET的純電動(dòng)公交車與傳統(tǒng)公交車全生命周期評估[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(10):1653- 1660.

LI Tuyu,YU Dali,ZHANG Hongshen.Using the GREET model to assess the life cycle of electric and conventional buses[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(10):1653- 1660.