基于生命周期評(píng)價(jià)的小型乘用車(chē)動(dòng)力能耗對(duì)比

劉鯤鵬,李方一2,宋 卓,馬大衛(wèi)3,奚振乾

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司,安徽 合肥 230061;2.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230601)

基于生命周期評(píng)價(jià)的小型乘用車(chē)動(dòng)力能耗對(duì)比

劉鯤鵬1,李方一2,宋 卓1,馬大衛(wèi)3,奚振乾1

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司,安徽 合肥 230061;2.合肥工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院,安徽 合肥 230009;3.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司 電力科學(xué)研究院,安徽 合肥 230601)

選取中國(guó)市場(chǎng)上純電動(dòng)、油電混合、燃油和天然氣動(dòng)力四種類(lèi)型的小型乘用車(chē)典型車(chē)型,從全生命周期視角對(duì)比能源效率與環(huán)境影響的差異。從一次能源消耗看,四種動(dòng)力乘用車(chē)單位公里動(dòng)力能耗均值分別為1.74MJ、2.19MJ、2.28MJ、2.94MJ。即在行駛同樣的里程下,純電動(dòng)、混合動(dòng)力車(chē)比傳統(tǒng)燃油車(chē)平均一次能源分別節(jié)省19.7%、4.4%。從動(dòng)力能耗生命周期的環(huán)境影響看,燃油汽車(chē)的酸化潛值和全球變暖潛值都高于其他動(dòng)力車(chē)型,而純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)的推廣有助于降低汽車(chē)行駛過(guò)程中SO2、NOX、CO等污染物的排放。敏感性分析結(jié)果顯示,煤電占比、供電煤耗的降低與火電機(jī)組脫硫脫硝除塵率的提升都有助于純電動(dòng)和混合動(dòng)力乘用車(chē)減排。

電動(dòng)汽車(chē);生命周期評(píng)價(jià);動(dòng)力能耗;大氣污染物

1 引言

近年來(lái),我國(guó)家庭擁有私人汽車(chē)的規(guī)模和比例迅速提升,保有量由2008年的4173萬(wàn)輛增長(zhǎng)到了2016年的1.6559億輛[1],由此引發(fā)的交通能耗持續(xù)攀升、大城市道路擁堵和空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。為了實(shí)現(xiàn)道路交通領(lǐng)域的綠色發(fā)展,我國(guó)在大力發(fā)展公共交通的同時(shí),確定了新能源汽車(chē)的發(fā)展路線(xiàn),并在財(cái)政及稅收等方面給予大力支持。近五年來(lái),多家自主品牌汽車(chē)企業(yè)都已推出各自的插電式混合動(dòng)力和純電動(dòng)乘用車(chē)車(chē)型,取得了良好的市場(chǎng)響應(yīng)。2016年,我國(guó)純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力乘用車(chē)銷(xiāo)量分別達(dá)到25.7萬(wàn)輛和7.9萬(wàn)輛,保持著良好的增長(zhǎng)勢(shì)頭[2],在國(guó)際上保持領(lǐng)先地位。

伴隨著新能源乘用車(chē)的推廣與使用,關(guān)于新能源乘用車(chē)與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的對(duì)比日益引起人們的關(guān)注。自20世紀(jì)末以來(lái),學(xué)者們就開(kāi)始對(duì)比研究了不同類(lèi)型動(dòng)力機(jī)車(chē)的能耗、費(fèi)用與環(huán)境影響,大體圍繞兩個(gè)方面展開(kāi)論述:一是從資源環(huán)境角度考慮,純電動(dòng)車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在多大程度上節(jié)約能源,是否真正能實(shí)現(xiàn)“生態(tài)友好效應(yīng)”[3, 4],爭(zhēng)論的焦點(diǎn)主要是純電動(dòng)汽車(chē)電池生產(chǎn)過(guò)程伴隨嚴(yán)重污染使整車(chē)生產(chǎn)階段的環(huán)境影響比燃油汽車(chē)高[5]，現(xiàn)存的電力結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)行駛階段“零排放”難以令人信服;二是從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮,純電動(dòng)車(chē)的生產(chǎn)和使用是否比燃油汽車(chē)更具有經(jīng)濟(jì)性[6]。2000年前后,研究者開(kāi)始應(yīng)用生命周期模型來(lái)評(píng)估清潔能源代替化石能源對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)行駛階段減排效應(yīng)的影響[7-10]；Webber[11]等通過(guò)比較電動(dòng)汽車(chē)與燃油汽車(chē)的生命周期成本,認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)在不同的駕駛需求和汽油價(jià)格波動(dòng)的情況下都具有成本競(jìng)爭(zhēng)力,是高效率、高性能、低成本的替代品;Mikhail[12]、ReinhartKühne[13]等針對(duì)各類(lèi)新能源汽車(chē)溫室氣體排放的研究表明,在美國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)最多可減排35%以上,而純電動(dòng)汽車(chē)根據(jù)電力來(lái)源的不同可減排40%—90%;王壽兵等[14]以我國(guó)某型號(hào)國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)為實(shí)例,利用生命周期評(píng)價(jià)方法探討了內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)在能源消耗和環(huán)境排放方面的特點(diǎn)。有研究[5,15]表明,電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)的全生命周期綜合環(huán)境影響比內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)高。

總體而言,盡管相關(guān)研究的系統(tǒng)邊界不同,但是在純電動(dòng)汽車(chē)能降低行駛成本費(fèi)用方面的結(jié)論卻是相對(duì)一致的。而在其他污染物減排方面,由于各國(guó)各地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)和動(dòng)力電池在型號(hào)與生產(chǎn)工藝方面存在著較大的差異,造成純電動(dòng)車(chē)和插電式混合動(dòng)力乘用車(chē)消耗電力所產(chǎn)生的間接排放量也有所不同[16-18]。尤其是我國(guó)火力發(fā)電在電源結(jié)構(gòu)中有較高的占比,使推廣純電動(dòng)汽車(chē)難以帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的節(jié)能減排效益。

近年來(lái),由于我國(guó)火電行業(yè)脫硫脫硝設(shè)備安裝率不斷提升[19],在電源結(jié)構(gòu)中水電、核電、風(fēng)力和光伏發(fā)電等可再生能源的比例也不斷提高,電力生產(chǎn)的污染物排放系數(shù)顯著下降,從源頭上減少了純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力乘用車(chē)的污染排放。同時(shí),無(wú)論是傳統(tǒng)燃油乘用車(chē)還是純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力乘用車(chē)都在不斷改進(jìn)技術(shù)以提升能源的利用效率。2017年,由于我國(guó)新能源汽車(chē)的補(bǔ)貼政策退出,新能源汽車(chē)銷(xiāo)量首次出現(xiàn)下滑,再加上充電設(shè)備的利用率低下等問(wèn)題,電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)了增長(zhǎng)動(dòng)力不足的問(wèn)題。因此,有必要根據(jù)我國(guó)最新的電源結(jié)構(gòu)、電力排放和新車(chē)型的能耗數(shù)據(jù),對(duì)不同動(dòng)力乘用車(chē)的能源效率和環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估,以判斷新能源乘用車(chē)的優(yōu)勢(shì)大小,為其發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持。

本文在新的電源結(jié)構(gòu)背景之下,依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)理論,考察小型乘用車(chē)純電動(dòng)、油電混合動(dòng)力、燃油(主要指汽油)和天然氣四種動(dòng)力能耗目前的能源效率和對(duì)環(huán)境的影響。由于同等規(guī)模和配置的小型乘用車(chē)主體原材料生產(chǎn)和制造階段的能源消耗相近,且相對(duì)于使用階段的能源消耗較小[3],因此不考慮車(chē)輛主體生產(chǎn)過(guò)程的能耗,只考慮作為動(dòng)力的能源生命周期的能源效率和對(duì)環(huán)境的影響。

2 研究方法與模型

2.1 生命周期評(píng)價(jià)

基于生命周期評(píng)價(jià)的理論方法,考慮到動(dòng)力能源的開(kāi)采、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)绞褂铆h(huán)節(jié)的能源消耗和污染物排放,比較純電動(dòng)、油電混合、燃油(指汽油)和天然氣四種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛單位公里的能源消耗和對(duì)環(huán)境的影響。依據(jù)生命周期的概念,針對(duì)車(chē)用燃料研究,美國(guó)能源部所屬的阿岡國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了“從井到輪”(Well-to-Wheel,WTW)的評(píng)價(jià)體系。該體系的研究對(duì)象是燃料系統(tǒng),分為燃料生產(chǎn)(Well-to-Tank,WTT)和機(jī)動(dòng)車(chē)使用(Tank-to-Wheel,TTW)兩個(gè)階段,研究機(jī)動(dòng)車(chē)燃料整個(gè)生產(chǎn)和使用過(guò)程中的能源消費(fèi)、相關(guān)的污染物排放和溫室氣體排放情況。油井到油泵的環(huán)境影響是由燃料上游階段開(kāi)采、加工和運(yùn)輸導(dǎo)致的,而油泵到車(chē)輪的環(huán)境影響直接與車(chē)輛行駛有關(guān)。乘用車(chē)四種動(dòng)力能源的生命周期見(jiàn)圖1[20]。

圖1 常見(jiàn)乘用車(chē)動(dòng)力能源的生命周期

2.2 指標(biāo)選取與計(jì)算方法

動(dòng)力能耗計(jì)算:本文定義的動(dòng)力能耗是指汽車(chē)行駛單位公里一次能源的消耗量,即追溯上游最終消耗的一次能源總熱值,用PE表示。kp代表乘用車(chē)百公里電耗、百公里油耗和百公里氣耗；p代表動(dòng)力能源種類(lèi)；ep分別代表單位電力、單位汽油和單位天然氣生產(chǎn)所需要的一次能源消耗量；q代表一次能源種類(lèi)；cq分別代表原煤、燃油和天然氣等一次能源的單位平均低位發(fā)熱量。對(duì)于某一種車(chē)型,行駛百公里所需動(dòng)力能耗的計(jì)算公式為:

PE=ΣpΣqkp×eq×cq

(1)

(2)

數(shù)據(jù)來(lái)源:能源熱值系數(shù)來(lái)自于化石能源生命周期分析相關(guān)研究[20],一次能源為石油、煤炭和天然氣的熱值均來(lái)自中國(guó)石油網(wǎng)站，能源及各類(lèi)乘用車(chē)排放數(shù)據(jù),燃油(僅研究汽油)、天然氣和電力的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)生命周期參考數(shù)據(jù)庫(kù)(Chinese Reference Life Cycle Database,CLCD)[21]。其中,煤炭發(fā)電全生命周期中的發(fā)電環(huán)節(jié),最新的排放數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)公布的最新數(shù)據(jù)[19]。

3 研究過(guò)程與結(jié)果

3.1 樣本選取

由于市場(chǎng)上乘用車(chē)車(chē)型具有多樣性,調(diào)查難以覆蓋所有車(chē)型的數(shù)據(jù)。為了使研究具有可操作性,選取了市場(chǎng)上較常見(jiàn)、銷(xiāo)量較好的相同或相近配置的車(chē)型,獲取其基礎(chǔ)能耗數(shù)據(jù),最后篩選出5種純電動(dòng)、4種油電混合、4種燃油和3種天然氣動(dòng)力的乘用車(chē),見(jiàn)表1。

表1 4種動(dòng)力多種典型車(chē)型的相關(guān)能耗參數(shù)

注:百公里能耗是廠家在客觀環(huán)境中,用安裝在車(chē)輛底盤(pán)的測(cè)功機(jī)測(cè)得的值轉(zhuǎn)換為速度參數(shù),在指定速度行駛的情況下,計(jì)算出車(chē)型的理論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);對(duì)外公布的理論能耗通常為90km/h的百公里能耗、百公里油耗、百公里電耗和百公里氣耗,該數(shù)據(jù)均來(lái)自各廠商官網(wǎng)所公布的數(shù)據(jù)。

本研究計(jì)算的能耗是基于能源產(chǎn)品全生命周期分析所得到的全部一次能源,包括整個(gè)過(guò)程的能量損失、生產(chǎn)消耗、副產(chǎn)品分配等,單位為焦耳(J)。已知三種能源的單位平均低位發(fā)熱量分別為：石油Qo=41.87MJ/kg、原煤Qe=20.93MJ/kg、天然氣Qg=38.97MJ/kg[20]?？紤]到電力傳輸?shù)娜珖?guó)平均線(xiàn)損率為6.64%[19],得到能源供應(yīng)階段的資源消耗生命周期清單見(jiàn)表2。

表2 不同動(dòng)力能耗生產(chǎn)過(guò)程中的一次能源投入量

注:混合電力指2015年全國(guó)電源結(jié)構(gòu)下的平均水平。由于本研究主要關(guān)注能源生產(chǎn)過(guò)程中的大氣污染物排放,因此一次能源消耗僅包括化石能源,不包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒑四艿确腔茉础?/p>

3.2 動(dòng)力能耗對(duì)比

根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)方法與式(1),計(jì)算得到4種動(dòng)力乘用車(chē)的單位公里動(dòng)力能耗,結(jié)果見(jiàn)圖2。其中,BEV1、HEV1代表火力發(fā)電情景下(全國(guó)平均)的純電動(dòng)和混合動(dòng)力乘用車(chē),BEV2、HEV2代表混合電力情景下(2015年全國(guó)電源結(jié)構(gòu))的純電動(dòng)和混合動(dòng)力乘用車(chē),CPV、NGV分別為燃油和天然氣乘用車(chē)。結(jié)果顯示,BEV1、BEV2、HEV1、HEV2、CPV、NGV的單位公里動(dòng)力能耗均值分別為1.74MJ、1.43MJ、2.19MJ、1.94MJ、2.28MJ、2.94MJ。從動(dòng)力能源的全生命周期看,天然氣和燃油動(dòng)力乘用車(chē)的單位公里能耗相對(duì)較高,天然氣乘用車(chē)能耗高的原因是上游天然氣開(kāi)采和生產(chǎn)階段的損失較多。即使完全由火電提供動(dòng)力,純電動(dòng)乘用車(chē)的單位公里能耗仍是最低的。在行駛同樣的里程下,純電動(dòng)和混合動(dòng)力乘用車(chē)相對(duì)傳統(tǒng)燃油動(dòng)力乘用車(chē)分別節(jié)省一次能源23.68%、3.95%。與完全用火電相比,若考慮非化石能源在電力結(jié)構(gòu)中為26.29%的占比[19],純電動(dòng)和混合動(dòng)力乘用車(chē)的單位公里一次能耗將顯著降低,分別比傳統(tǒng)燃油乘用車(chē)低37.28%、14.91%。

圖2 不同機(jī)動(dòng)車(chē)行駛單位公里的動(dòng)力能耗

汽油與電力作為乘用車(chē)能耗效率差異的原因:一是大型汽輪發(fā)電機(jī)組在超臨界、超超臨界運(yùn)行下,加上排汽余熱的充分利用,熱效率達(dá)50%以上，而汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)的最高熱效率僅為35%左右,增壓柴油機(jī)也只有45%左右。二是在城市工況下,內(nèi)燃機(jī)處于非經(jīng)濟(jì)區(qū)工況下運(yùn)行,燃油汽車(chē)的頻繁啟動(dòng)、怠速和剎車(chē)使油耗很高,而汽輪發(fā)電機(jī)基本上處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,效率將始終保持較高水平,同時(shí)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)效率高、怠速時(shí)損失為零,且減速時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量回收,大大提高了電能利用率,尤其在當(dāng)今交通擁堵情況下,純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)明顯[22]。

3.3 環(huán)境效應(yīng)對(duì)比

生命周期內(nèi)的污染物排放量計(jì)算:基于中國(guó)生命周期參考數(shù)據(jù)庫(kù)[21],對(duì)能源相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集與整理,能源生產(chǎn)的各項(xiàng)大氣污染物排放清單見(jiàn)表3。乘用車(chē)的排放數(shù)據(jù)主要與車(chē)輛的類(lèi)型、大小、車(chē)齡、行駛速度、滿(mǎn)足的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)有關(guān),而真實(shí)反映車(chē)輛的污染物排放水平的直接指標(biāo)是車(chē)輛行駛時(shí)尾氣排放的檢測(cè)結(jié)果。本文采用其他研究中現(xiàn)場(chǎng)采集的排放數(shù)據(jù)[23-27],得到燃油汽車(chē)與天然氣汽車(chē)單位公里CO、NOX、煙塵等各項(xiàng)污染物的排放因子,見(jiàn)表4?？疾烊剂仙a(chǎn)階段及汽車(chē)行駛階段整個(gè)生命周期,計(jì)算得出純電動(dòng)、油電混合動(dòng)力、燃油和天然氣乘用車(chē)行駛單位公里所排放的各項(xiàng)污染物,結(jié)果見(jiàn)圖3。

表3 動(dòng)力能源WTT階段污染物排放清單

表4 動(dòng)力能耗TTW階段各項(xiàng)污染物排放清單(g/km)

注:燃油和天然氣乘用車(chē)的排放數(shù)據(jù)從相關(guān)參考文獻(xiàn)[23-27]中獲取,混合動(dòng)力汽車(chē)的排放數(shù)據(jù)根據(jù)燃油消耗量估算而來(lái)。

圖3 不同機(jī)動(dòng)車(chē)行駛單位公里的污染物排放量對(duì)比

結(jié)果顯示,燃油汽車(chē)各項(xiàng)污染物的排放量都明顯高于其他動(dòng)力汽車(chē)。對(duì)比燃料生產(chǎn)和汽車(chē)行駛階段發(fā)現(xiàn),燃油汽車(chē)行駛過(guò)程中的CO、NOX、煙塵、CO2排放量在總過(guò)程中的占比分別為93.04%、28.44%、42.86%、87.05%,SO2和CH4的排放主要來(lái)自于燃料生產(chǎn)階段。當(dāng)燃油汽車(chē)負(fù)重過(guò)大、慢速行駛或空擋運(yùn)行時(shí),燃料不能充分燃燒,尾氣中污染物含量會(huì)明顯增加。相關(guān)研究表明,當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)的運(yùn)行速度由20km/h提高到40km/h時(shí),CO和HC的排放因子可降低50%以上[28];天然氣汽車(chē)行駛過(guò)程中的CO、NOX、CO2排放量的占比分別為98.59%、67.33%、89.54%,煙塵、SO2和CH4的排放主要來(lái)自生產(chǎn)階段。由于天然氣汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)作時(shí)需要混合空氣燃燒,因此也有較高的NOX和CO等污染物排放,混合氣體的濃度不同則會(huì)影響尾氣中的污染物含量。相關(guān)研究表明,在混合氣濃度較高時(shí),尤其是在“高溫富養(yǎng)”狀況下,NOX的排放較高,而CO和HC的排放相對(duì)較低;當(dāng)混合氣濃度降低,NOX排放降低而HC排放升高,這是由燃燒室燃燒不完全和燃燒溫度降低所引起的[29],同時(shí)天然氣開(kāi)采階段存在燃?xì)庑孤兑约捌?chē)行駛階段氣體的不完全燃燒,也會(huì)造成整個(gè)階段的CH4高排放。相比之下,純電動(dòng)車(chē)的排放全部來(lái)自于電力的生產(chǎn)階段,便于將污染物從數(shù)量眾多的流動(dòng)污染源轉(zhuǎn)移到數(shù)量有限的固定污染源(大型火電廠),有助于提高能源利用效率、污染物的監(jiān)測(cè)和集中減排。由于油電混合動(dòng)力汽車(chē)的排放數(shù)據(jù)較難收集,按燃油的消耗比例估算行駛過(guò)程中的排放,分析結(jié)果介于燃油和電動(dòng)汽車(chē)之間。

歸一化結(jié)果:通過(guò)生命周期影響評(píng)價(jià)模型對(duì)各項(xiàng)污染物進(jìn)行特征化和歸一化計(jì)算,采用環(huán)境影響類(lèi)別當(dāng)量值與全國(guó)總當(dāng)量數(shù)之比,將環(huán)境影響轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱物理量(圖4),得到主要的環(huán)境影響類(lèi)型為溫室效應(yīng)(GWP)和酸化因子(AP)。純電動(dòng)車(chē)行駛階段(TTW)的環(huán)境影響為0,其環(huán)境影響主要來(lái)源于WWT階段;油電混合車(chē)型由于消耗部分電力,同樣其環(huán)境影響主要來(lái)源于WTT階段;天然氣和燃油乘用車(chē)燃料生產(chǎn)和行駛階段的環(huán)境影響相當(dāng)。酸化環(huán)境影響產(chǎn)生的主要原因在于SO2、NOX等酸性氣體的排放。由于天然氣相對(duì)火電和汽油較清潔,其酸化潛值總量最低為2.99×10-13,燃油乘用車(chē)的酸化潛值總量最高為6.52×10-13,電網(wǎng)平均電力下的純電動(dòng)乘用車(chē)酸化潛值總量為3.04×10-13,比燃油乘用車(chē)低53.37%。全球變暖環(huán)境影響產(chǎn)生的主要原因在于CO2、CH4等溫室氣體的排放,受天然氣和汽油燃燒過(guò)程產(chǎn)生大量的CO2以及部分CH4的不完全燃燒,天然氣和燃油乘用車(chē)在TTW階段對(duì)全球變暖潛值貢獻(xiàn)比較大,純電動(dòng)乘用車(chē)則受上游火電生產(chǎn)大量排放的CO2,其動(dòng)力能源在WTT階段的全球變暖潛值較高。總體來(lái)說(shuō),燃油汽車(chē)和天然氣汽車(chē)在全球變暖特征方面貢獻(xiàn)明顯高于其他動(dòng)力汽車(chē),純電動(dòng)車(chē)的污染物減排優(yōu)勢(shì)較明顯。

敏感性分析:已知模型變量之間的關(guān)系,通過(guò)改變模型的設(shè)定參數(shù),如煤電比例、供電煤耗、機(jī)組脫硫脫硝除塵率和機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放進(jìn)行敏感性分析,得到主要參數(shù)變化對(duì)各項(xiàng)污染物排放的影響大小,結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示,煤電比例和供電煤耗下降都有助于純電動(dòng)車(chē)燃料生命周期污染物的減排。相關(guān)研究表明，在清潔電力占比較高的地區(qū),純電動(dòng)車(chē)的環(huán)境效益明顯高于以火電為主的地區(qū)[30,31]；相關(guān)研究也證實(shí)了火力發(fā)電的效率(可用供電煤耗表示)是另一種重要因素[32]。因此,當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力車(chē)的減排潛力主要取決于所屬地區(qū)電力結(jié)構(gòu)和火力發(fā)電的技術(shù)水平[15,33,34]。在減排目標(biāo)下,可進(jìn)一步提升火電中大容量高效機(jī)組的比重,以及用電量中水電、核電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源的比重。

圖4 不同機(jī)動(dòng)車(chē)燃料生命周期的環(huán)境影響歸一化結(jié)果

指標(biāo)(g/km) 煤電比例(每下降1.0%) 供電煤耗(每下降1.0g/kW·h) BEVHEVCPVNGVBEVHEVCPVNGVCO-0.00022-0.0001900-0.00007-0.0000600NOX-0.00088-0.0007400-0.00029-0.0002400煙塵-0.00016-0.0001400-0.00005-0.0000400CO2-1.38170-1.1658100-0.45154-0.3809800SO2-0.00088-0.0007400-0.00029-0.0002400CH4-0.00292-0.0024600-0.00095-0.0008100指標(biāo)(g/km) 脫硫脫硝除塵率(每提升1.0%) 機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放(每下降1.0%) BEVHEVCPVNGVBEVHEVCPVNGVCO00000-0.00070-0.00140-0.00294NOX-0.01000-0.00844-0.00844-0.010000-0.00007-0.00068-0.00031煙塵-0.00023-0.00020-0.00020-0.000230-0.00002-0.00001-0.00009CO200000-0.33700-1.35625-1.41804SO2-0.01180-0.00995-0.00995-0.011800-0.00000-0.00001-0.00003CH400000-0.00004-0.00219-0.00017

由表5可知,純電動(dòng)車(chē)的環(huán)境效益與火電廠的燃煤機(jī)組脫硫脫硝和除塵裝置安裝投運(yùn)率有著密切的關(guān)系,我們將本文的研究結(jié)果與孔維政等[35]、蘇利陽(yáng)等[36]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可看出近年來(lái)純電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)燃油、天然氣和混合動(dòng)力汽車(chē)減排優(yōu)勢(shì)明顯,電動(dòng)汽車(chē)行駛階段的SO2和NOX排放有明顯下降。變化原因主要是近年來(lái)對(duì)火力發(fā)電污染排放的集中控制。截止2015年,我國(guó)已完成煤電機(jī)組總?cè)萘?1.20%的脫硫改造和84.53%的脫硝改造,大幅降低了煤電生產(chǎn)的污染物排放,實(shí)現(xiàn)每千瓦時(shí)火電發(fā)電量的SO2、NOX和煙塵同比分別減少67.7%、71.0%、59.2%[19]。此外,國(guó)外研究也顯示,純電動(dòng)汽車(chē)替代燃油汽車(chē)可有效減少VOCs和CO等污染物質(zhì)的排放[37];而天然氣與燃油乘用車(chē)行駛階段的污染物減排潛力較小,只能依賴(lài)安裝汽車(chē)尾氣催化處理裝置以降低尾氣中污染物的排放,與純電動(dòng)車(chē)相比,成本較高且監(jiān)管和治理難度大。

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)力能耗的整個(gè)生命周期進(jìn)行了分析,從動(dòng)力能耗和環(huán)境效應(yīng)兩個(gè)方面對(duì)四種動(dòng)力的小型乘用車(chē)車(chē)型進(jìn)行了比較分析,得出以下結(jié)論:①?gòu)膭?dòng)力能耗看,純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃油汽車(chē)、天然氣汽車(chē)的單位公里動(dòng)力能耗均值分別為1.74MJ、2.19MJ、2.28MJ、2.94MJ。在行駛同樣的里程下,純電動(dòng)、混合動(dòng)力車(chē)相對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)平均分別節(jié)省一次能源19.7%、4.4%。純電動(dòng)汽車(chē)行駛的一次能源能耗最低,主要受益于電力行業(yè)生產(chǎn)效率的提升,天然氣汽車(chē)行駛的一次能源能耗最高,主要受制于開(kāi)采和燃燒過(guò)程中天然氣的泄漏損失。②從動(dòng)力能耗生命周期的環(huán)境效應(yīng)看,燃油汽車(chē)的酸化潛值和全球變暖潛值高于其他動(dòng)力車(chē)型,純電動(dòng)車(chē)的碳減排優(yōu)勢(shì)最明顯,純電動(dòng)汽車(chē)的推廣有助于降低汽車(chē)行駛過(guò)程中SO2、NOX、CO等污染物的排放,緩解人口密集城市的空氣污染問(wèn)題。③根據(jù)敏感性分析發(fā)現(xiàn),煤電比例、供電煤耗的降低與火電機(jī)組脫硫脫硝除塵率的提升都有助于純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)的減排,而燃油汽車(chē)的減排潛力與機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣處理率有關(guān),相對(duì)前者而言減排潛力較小。目前純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力能耗與環(huán)境影響都優(yōu)于其他動(dòng)力汽車(chē),尤其明顯優(yōu)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē),電動(dòng)汽車(chē)的普及有助于降低交通系統(tǒng)污染物的排放,解決城市地區(qū)汽車(chē)尾氣近地排放不易擴(kuò)散帶來(lái)的大氣污染問(wèn)題。

隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟、電力結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化、清潔可再生能源的充分利用,純電動(dòng)汽車(chē)替代燃油所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益將會(huì)逐漸顯現(xiàn)。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步提升清潔電力的比例,提高動(dòng)力系統(tǒng)的能量傳遞效率,如充電效率、放電效率、機(jī)械傳動(dòng)效率等,以降低乘用車(chē)動(dòng)力能耗生命周期內(nèi)的能源損耗和污染物排放量。

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ComparativeStudyofPowerSourcesofSmallPassengerCarsBasedonLifeCycleAssessment

LIU Kun-peng1,LI Fang-yi2,SONG Zhuo1,MA Da-wei3,XI Zhen-qian1

(1.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei 230061,China;2.School of Management,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;3.State Grid Anhui Electric Power Research Institute,Hefei 230061,China)

Typical models of pure electric vehicle,hybrid vehicle,fuel vehicle and natural gas vehicle in China were selected,and the energy consumption and environmental impacts were quantified and compared by life cycle assessment method.The average primary energy consumption of pure electric vehicles,hybrid vehicles,fuel vehicles and natural gas vehicles per kilometer were 1.74MJ,2.19MJ,2.28MJ,2.94MJ respectively,which meant pure electric vehicles and hybrid vehicles could save primary energy by 19.7% and 4.4% compared with fuel vehicles for the same distance.From the perspective of life cycle environmental impact,acidification potential and global warming potential of fuel vehicles were higher than other vehicles,and the promotion of pure electric vehicles and hybrid vehicles could reduce emissions in SO2,NOX,CO and other pollutants.According to the sensitivity analysis,reduction of proportion of coal power,coal consumption for electricity generation,increase of the rates of desulfurization and denigration could contribute to emissions reduction of pure electric vehicles and hybrid vehicles.

electric vehicles;life cycle assessment;power consumption;air pollutants

2017-11-09；

2017-12-23

國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司科技項(xiàng)目(編號(hào):SGAH0000FJJS1600572);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):41401126)。

劉鯤鵬(1978-),男,安徽省合肥人,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)及其自動(dòng)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)。

李方一(1985-),男,湖南省常德人,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榭沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與管理。

10.3969/j.issn.1005-8141.2018.01.002

TK411+.7

A

1005-8141(2018)01-0006-06