燃料汽車全生命周期的3E分析與評(píng)論

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上燃料汽車全生命周期的3E分析與評(píng)論1 中國(guó)煤制汽車燃料的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境生命周期研究我國(guó)關(guān)于車用燃料生命周期的研究最早始于1995年，是由國(guó)家各部委、清華大學(xué)、福特汽車公司和麻省理工學(xué)院共同組織進(jìn)行的。以山西省和其它富煤地區(qū)為背景，以原油基汽油作為基準(zhǔn)路線，將各種煤基代用燃料路線與基準(zhǔn)路線進(jìn)行對(duì)比，以確定它們的代用性。作為參考，還增加了煤層氣制甲醇鏈和原油基柴油鏈。這樣，在以煤為原料生產(chǎn)車用燃料的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境研究中共包括了8條路線：原油-汽油-汽油車、原油-柴油-柴油車、煤層氣-甲醇-甲醇車、煤-甲醇-甲醇車、焦?fàn)t氣-甲醇-甲醇車、煤-聯(lián)醇-甲醇車、煤-汽油-汽油

2、車、煤-常規(guī)電-電動(dòng)車。每條路線以資源的開采為始點(diǎn)（煤由坑口開始、原油和煤層氣由井口開始），直至汽油在汽車行駛中消耗殆盡。主要研究成果如表1-1所示，表1-1 中國(guó)煤制汽車燃料的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境生命周期研究由表1-4發(fā)現(xiàn)：在車輛的單位運(yùn)行周期上，沒(méi)有一種煤制燃料的生命周期在各個(gè)方面都是絕對(duì)最好的；即便是被普遍認(rèn)為是清潔能源的電力，由于我國(guó)的發(fā)電用能源以煤為主，故其生命周期排放較高，而過(guò)高的電池制造成本和運(yùn)行費(fèi)用使得生命周期成本增加較多。該研究指出：燃料的選擇必須權(quán)衡多種因素，以確定哪些辦法最適合中國(guó)，而且在實(shí)施這些戰(zhàn)略之前，要對(duì)所選擇的燃料技術(shù)進(jìn)行全面的可行性研究。2 中國(guó)清潔能源汽車全生命周

3、期的研究目前我國(guó)處于商業(yè)化應(yīng)用及研究開發(fā)階段的清潔能源汽車主要有：燃?xì)馄嚕–NG、LNG和LPG）、醇類汽車（M85、M85、E85、E10）、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車（HEV）和氫燃料電池汽車等。本文通過(guò)文獻(xiàn)研究，對(duì)上述不同類型清潔能源汽車全生命周期的100km行駛成本、環(huán)境影響和能源轉(zhuǎn)換效率等因素進(jìn)行綜合分析，主要比較了不同清潔能源汽車在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響和能源效率（3E）等方面的差異。清潔能源的生命周期評(píng)價(jià)在生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，利用熱力學(xué)、燃燒學(xué)和大氣污染控制等學(xué)科的原理建立起燃料評(píng)價(jià)模型，有學(xué)者把這種汽車燃料生命周期模型稱為從“井口”到“車輪”的分析（from well to whe

4、els，WTW）。這一模型的評(píng)價(jià)邊界分為2個(gè)階段，即上游階段的一次能源開采、汽車燃料生產(chǎn)和下游階段的燃料使用。圖2-1 清潔能源汽車全生命周期的邊界2.1 研究對(duì)象和評(píng)價(jià)指標(biāo) 為了體現(xiàn)出清潔能源在環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)，表1列舉的方案是我國(guó)不同地區(qū)清潔能源的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用中所實(shí)施的具體例子，從而能夠有爭(zhēng)對(duì)性地運(yùn)用全生命周期分析法，對(duì)清潔能源的使用提供定量的評(píng)價(jià)結(jié)果。清潔能源的全生命周期環(huán)境影響評(píng)估指標(biāo)包括標(biāo)準(zhǔn)排放和溫室氣體排放兩類，涉及5中主要標(biāo)準(zhǔn)大氣污染排放物HC、CO、NOX、PM10、SOX和用一定時(shí)期內(nèi)對(duì)全球變暖具有影響潛力的3種溫室氣體綜合成的指標(biāo)GHGS。GHGS=X1·CO2

5、+X2·CH4+ X3·N2O試中X1、X2、X3分別為CO2、CH4、N2O在一定時(shí)期內(nèi)全球變暖影響潛力指數(shù)。設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度為100年，則X1=1，X2=21，X3=310表2-1 我國(guó)清潔能源實(shí)施方案編號(hào)初始能源車用能源產(chǎn)品制備子系統(tǒng)終端利用子系統(tǒng)1天然氣壓縮天然氣天然氣壓縮天然氣汽車2天然氣液化天然氣天然氣液化改裝轎車3石油液化石油氣原油蒸餾分餾改裝轎車4煤甲醇M85直接制備法靈活燃料汽車5木薯乙醇E10木薯制備乙醇普通汽車6天然氣二甲醚直接合成法靈活燃料汽車7煤電能火力發(fā)電蓄電池轎車8天然氣氫氣燃料天然氣重整燃料電池汽車9石油汽油CAS原油制備普通汽車10石油柴油原油

6、制備柴油汽車22 我國(guó)清潔能源經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能源效率評(píng)估數(shù)據(jù)表2-2列舉的數(shù)據(jù)是我國(guó)清潔能源通過(guò)全生命周期分析法（LCA）對(duì)清潔能源汽車的使用成本與環(huán)境影響及能源轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行評(píng)估所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)。表2-2 我國(guó)清潔能源3E評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)2.3 我國(guó)清潔能源汽車全生命周期的3E分析與評(píng)論根據(jù)LCA方法及表2-1、2-2中所列的8中清潔能源方案，對(duì)我國(guó)清潔能源汽車的100km行駛成本與排放和能源效率等因素之間的關(guān)系進(jìn)行了分析和評(píng)論。圖2-1 清潔能源汽車全生命周期 圖2-2 清潔能源汽車全生命周100km行駛成本與溫室氣體排放 100km行駛成本與CO排放圖2-3 清潔能源汽車全生命周期 圖2-4 清潔能

7、源汽車全生命周期100km行駛成本與SOX排放 100km行駛成本與PM10排放圖2-5 清潔能源汽車全生命周期 圖2-6 清潔能源汽車全生命周期100km行駛成本與臭氧前驅(qū)物排放 100km行駛成本與PM10排放基于前述圖表的，可得以下結(jié)論：（1）從燃料生產(chǎn)到車輛使用的完整生命周期內(nèi)，清潔能源汽車的溫室氣體標(biāo)準(zhǔn)排放物的各項(xiàng)指標(biāo)整體上優(yōu)于汽車的100km行駛成本和能源轉(zhuǎn)換效率也優(yōu)于石油燃料汽車，但煤基甲醇汽車在SOX、PM10排放上的表現(xiàn)不盡人意。（2）燃?xì)馄囋跍厥覛怏w和顆粒物排放量上的表現(xiàn)都比傳統(tǒng)液化石油燃料汽車好，能源效率也較高，但存在著燃料儲(chǔ)存和供應(yīng)的問(wèn)題，而且燃?xì)饽茉吹纳a(chǎn)和使用都是

8、在天然氣蘊(yùn)含豐富的地區(qū)進(jìn)行的，這就相應(yīng)地減少了燃料儲(chǔ)存和運(yùn)輸階段的生命周期排放指標(biāo)，因此有一定的利用局限性。（3）醇類汽車技術(shù)基本成熟，但溫室氣體排放量有待改善，初始能源的供應(yīng)和制備工藝在很大程度上決定了生命周期的排放表現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)業(yè)化程度還要加強(qiáng)。二甲醚汽車溫室氣體排放較多，但顆粒物污染少，是柴油機(jī)優(yōu)良的代用燃料，但其儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用成本高。（4）氫燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車降低排放的功效十分顯著，與傳統(tǒng)燃料汽車相比，二者在溫室氣體和其它標(biāo)準(zhǔn)污染物的排放上都有大幅度的降低，如果不考慮純電動(dòng)汽車電能來(lái)源的環(huán)境污染，那電動(dòng)汽車可以說(shuō)是“零排放”，同時(shí)這兩種汽車的能源轉(zhuǎn)換效率很高，但成本問(wèn)題是制約其發(fā)

9、展的關(guān)鍵。根據(jù)我國(guó)目前國(guó)情，對(duì)我國(guó)發(fā)展清潔汽車提出以下建議：（1） 強(qiáng)化富產(chǎn)天然氣汽車的優(yōu)勢(shì)，支持燃?xì)馄嚨耐茝V。（2） 改善二甲醚的使用方法，探索新的合成方法，降低使用運(yùn)輸成本。（3）完善甲醇燃料的生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化，加強(qiáng)燃料乙醇汽油的應(yīng)用。（4）加快突破制約電動(dòng)汽車與燃料汽車發(fā)展的成本問(wèn)題，并在政策上給予一定的優(yōu)惠。3 多種能源公交車全生命周期的研究為全面評(píng)價(jià)我國(guó)幾種主要新能源公交車的能耗及污染物排放水平，清華車用能源研究中心使用清華大學(xué)Tsinghua-CA3EM模型中的“從礦井到車輪(WTW)”模塊，對(duì)壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)、煤制甲醇(M100)、煤制二甲醚

10、(DME)、天然氣制氫氣等，在資源開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸分配，以及在公交車(包括燃料電池車FCV)最終使用過(guò)程中，電力生產(chǎn)和電動(dòng)客車(EV)運(yùn)行過(guò)程中能耗、溫室氣體和主要污染物排放情況，進(jìn)行定量計(jì)算。3.1 WTW研究方法3.11 采用Well to Wheel研究框架能耗及污染物WTW分析模塊（同中國(guó)清潔能源汽車全生命周期分析法）主要從微觀角度研究車用燃料的能源使用和污染物排放問(wèn)題，包括兩個(gè)主要階段：從礦井到加油機(jī)WTP(Well to Pump)和從加油機(jī)到車輪PTW(Pump to Wheel)。公交車燃料從礦井到車輪WTW研究框架如表3-1所示。表3-1 公交車燃料從礦井到車輪WTW研究框架

11、3.12 確立統(tǒng)一的功能單位在WTP階段，將功能單位統(tǒng)一設(shè)定為“在加油(氣、氫)機(jī)、充電口，低熱值為1MJ(兆焦耳)的燃料”；在PTW階段，功能單位設(shè)定為“客車行駛1km”，兩者之間通過(guò)客車的燃料經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系。如:客車行駛1km的WTW能耗=客車1公里燃料耗量×(單位燃料燃燒的能耗+生產(chǎn)單位燃料所導(dǎo)致的能耗)；機(jī)動(dòng)車行駛1km的WTW某種污染物排放二機(jī)動(dòng)車1公里燃料耗量×(單位燃料燃燒的該種污染物排放量+生產(chǎn)單位燃料所導(dǎo)致的該種污染物排放量)。1）WTP階段數(shù)據(jù)比較（1）常規(guī)能源開采和運(yùn)輸、燃料生產(chǎn)轉(zhuǎn)化和輸配數(shù)據(jù)石油開采、運(yùn)輸、煉制和品油輸配情況如表3-2、3-3和圖

12、3-1、3-2所示。表3-2 石油開采、煉制能效相關(guān)參數(shù)表3-3 石油運(yùn)輸與成品油輸配參數(shù)圖3-1 石油開采能耗比例 圖3-1 原油煉制能耗比例天然氣和煤炭的開采、處理輸配情況，以及電力生產(chǎn)和輸情況與石油類似，在此不贅述。（2）煤基燃料、天然氣制氫數(shù)據(jù)煤基燃料甲醇、二甲醚生產(chǎn)效和天然氣制氫數(shù)據(jù)參見(jiàn)表3-4、3-5。表3-4 煤基燃料參數(shù)表3-5 天然氣制氫參數(shù)2）公交車PTW排放數(shù)據(jù)比較新能源公交車燃料消耗與污染物排放情況見(jiàn)表3-6表3-6 新能源公交車燃料消耗與污染物排放情況注：1.車輛標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為：12m車場(chǎng)、額定載客量70人；2.M100混合燃料中汽油：甲醇體積比為1:9；3.HEV車為柴

13、油、電輕度混合。3.2 結(jié)果評(píng)價(jià)3.2.1 WTP階段能耗及溫室氣體排放在WTP階段能耗(不含燃料本身熱值)及溫室氣體排放(含非燃燒排放)如圖2-2所示。得到一個(gè)MJ(兆焦)的熱值:圖3-3 燃料WTP階段總能耗及溫室氣體排放情況(1)油氣基傳統(tǒng)燃料能量投入、溫室氣體排放較少；(2)煤制甲醇、二甲醚都需要投入較多的能量，并排出較多的溫室氣體；(3)電力生產(chǎn)需要投入最多的能量，排出最多的溫室氣體；（4）另外，天然氣制取氫氣的能效、溫室氣體排放量居于中等水平。3.2.2 PTW階段能耗、溫室氣體及主要污染物排放在PTW階段能耗及溫室氣體排放(含非燃燒排放)如圖3-4所示。表3-4燃料PTW階段總能

14、耗及溫室氣體排放情況車輛行駛1km:（1）能效方面，電動(dòng)車能量消耗最少，燃料電池車為傳統(tǒng)車的2/3左右，傳統(tǒng)油氣燃料車的能耗差距不大，煤基DME略優(yōu)于柴油車、煤基甲醇略差于柴油車； （2）溫室氣體排放方面，CNG、DME略少于傳統(tǒng)石油基車輛，煤基甲醇略多于傳統(tǒng)石油基車輛，電動(dòng)車、燃料電池汽車運(yùn)行階段無(wú)溫室氣體排放；（3）另外，HEV相對(duì)傳統(tǒng)柴油車而言，節(jié)能減排量約為1/8。圖3-5 車輛運(yùn)行（PTW）階段HC、CO排放情況圖3-6 車輛運(yùn)行（PTW）階段NOX、PM排放情況在PTW階段主要常規(guī)污染物如圖3-5、3-6所示。車輛行駛1km：（1）電動(dòng)車、燃料電池車基本沒(méi)有排放；（2）汽油車與柴油

15、車相比，在NOX和PM方面有優(yōu)勢(shì)；（3）柴油車的劣勢(shì)恰恰在于，NOX和PM排放量比較多；（4）CNG、LPG汽車NOX少于柴油車，但是CO多于柴油車；（5）二甲醚除HC外，其它污染物都少于柴油車；（6）甲醇車HC、CO多于柴油車，NOX和PM少于柴油車；（7）HEV減排1/8。3.2.3 全生命周期(WTW)評(píng)價(jià)從全生命周期來(lái)看，能效及溫室氣體排放情況如圖3-7、3-8、3-9所示。圖3-7 全生命周期WTW能耗及溫室氣體圖3-8 全生命周期化石能源及石油消耗情況圖3-9 全生命周期石油、煤炭和天然氣消耗情況車輛行駛1km：（1）煤基燃料能耗最多、溫室氣體排放也最多，化石能源消耗多(主要是煤炭

16、)，但是油氣資源消耗少，尤其是DME在運(yùn)行階段可以純燒，不需要摻混，節(jié)約石油效果更好；（2）天然氣制取氫氣驅(qū)動(dòng)燃料電池車的能耗和溫室氣體排放與柴油車水平接近；（3）電動(dòng)汽車節(jié)能效果最好，能量消耗、溫室氣體排放量分別比傳統(tǒng)車輛減少30%、20%左右；（4）CNG汽車總體能耗與傳統(tǒng)汽車相差不大，但主要消耗天然氣，很少消耗石油；（5）HEV車節(jié)能和溫室氣體減排水平為1/8。從全生命周期來(lái)看，污染物排放情況如圖3-10、3-11、3-12所示。圖3-10 全生命周期污染物排放情況圖3-11 全生命周期NOX排放情況車輛行駛1km：（1）電動(dòng)車幾乎沒(méi)有排放，只有少許NOX和PM，并且不在市區(qū)；（2）燃料

17、電池車在燃料制取階段有較多PM排放，使得全生命周期排放水平高于傳統(tǒng)汽、柴油車，但主要不在市區(qū)排放；（3）和車輛運(yùn)行階段類似，汽油車與柴油車相比，在NOX和PM方面有優(yōu)勢(shì)，后者這兩種污染物的排放量較多，而且主要在市區(qū)排放；（4）CNG、LPG汽車CO、HC多于柴油車，但NOX和PM少于柴油車，尤其市區(qū)排放少；（5）二甲醚除HC外，在市區(qū)的其它污染物都少于柴油車；（6）甲醇車日HC、CO多于柴油車，NOX和PM少于柴油車，但全生命周期的PM量較多；（7）HEV減排1/8。3.3結(jié)論從全生命周期分析來(lái)看：（1）各種車輛的溫室氣體排放水平基本和總能耗成比例關(guān)系；（2）電力驅(qū)動(dòng)公文車節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)明顯；（3）天然氣制取氫氣驅(qū)動(dòng)燃料電車的能耗和溫室氣體排放與柴油水平接近，除了pM排放，其它排放物也很少；（4）煤基燃料雖然總能耗和溫室氣體排放水平增加，但是能節(jié)約石油和天然氣；在污染物排放方面，DME除HC外，在市區(qū)的其它污染都少于柴油車，而甲醇車HC、CO多于柴油車，NOX和PM少于柴油車，但全生命周期的PM量較多；（5）傳統(tǒng)油氣資源所制燃料車輛能基本相等；但CNG、LPG汽車CO、HC排放多于柴油車，