燃料汽車全生命周期的3E分析與評論

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分析與評論1 中國煤制汽車燃料的經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境生命周期研究我國關(guān)于車用燃料生命周期的研究最早始于1995年，是由國家各部委、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-電動車。每條路線以資源的開采為始點（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)：在車輛的單位運行周期上，沒有一種煤制燃料的生命周期在各個方面都是絕對最好的；即便是被普遍認(rèn)為是清潔能源的電力，由于我國的發(fā)電用能源以煤為主，故其生命周期排放較高，而過高的電池制造成本和運行費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，而且在實施這些戰(zhàn)略之前，要對所選擇的燃料技術(shù)進(jìn)行全面的可行性研究。2 中國清潔能源汽車全生命周

3、期的研究目前我國處于商業(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）、電動汽車、混合動力汽車（HEV）和氫燃料電池汽車等。本文通過文獻(xiàn)研究，對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價在生命周期評價標(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價模型，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）。這一模型的評價邊界分為2個階段，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 研究對象和評價指標(biāo) 為了體現(xiàn)出清潔能源在環(huán)保方面的優(yōu)勢，表1列舉的方案是我國不同地區(qū)清潔能源的生產(chǎn)、運輸、使用中所實施的具體例子，從而能夠有爭對性地運用全生命周期分析法，對清潔能源的使用提供定量的評價結(jié)果。清潔能源的全生命周期環(huán)境影響評估指標(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和用一定時期內(nèi)對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在一定時期內(nèi)全球變暖影響潛力指數(shù)。設(shè)定時間長度為100年，則X1=1，X2=21，X3=310表2-1 我國清潔能源實施方案編號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 我國清潔能源經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和能源效率評估數(shù)據(jù)表2-2列舉的數(shù)據(jù)是我國清潔能源通過全生命周期分析法（LCA）對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)行評估所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)。表2-2 我國清潔能源3E評價數(shù)據(jù)2.3 我國清潔能源汽車全生命周期的3E分析與評論根據(jù)LCA方法及表2-1、2-2中所列的8中清潔能源方案，對我國清潔能源汽車的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，但存在著燃料儲存和供應(yīng)的問題，而且燃?xì)饽茉吹纳a(chǎn)和使用都是

8、在天然氣蘊含豐富的地區(qū)進(jìn)行的，這就相應(yīng)地減少了燃料儲存和運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)，同時產(chǎn)業(yè)化程度還要加強。二甲醚汽車溫室氣體排放較多，但顆粒物污染少，是柴油機優(yōu)良的代用燃料，但其儲存、運輸、使用成本高。（4）氫燃料電池汽車和純電動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，如果不考慮純電動汽車電能來源的環(huán)境污染，那電動汽車可以說是“零排放”，同時這兩種汽車的能源轉(zhuǎn)換效率很高，但成本問題是制約其發(fā)

9、展的關(guān)鍵。根據(jù)我國目前國情，對我國發(fā)展清潔汽車提出以下建議：（1） 強化富產(chǎn)天然氣汽車的優(yōu)勢，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，降低使用運輸成本。（3）完善甲醇燃料的生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步加強產(chǎn)業(yè)化，加強燃料乙醇汽油的應(yīng)用。（4）加快突破制約電動汽車與燃料汽車發(fā)展的成本問題，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價我國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)、運輸分配，以及在公交車(包括燃料電池車FCV)最終使用過程中，電力生產(chǎn)和電動客車(EV)運行過程中能耗、溫室氣體和主要污染物排放情況，進(jìn)行定量計算。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題，包括兩個主要階段：從礦井到加油機WTP(Well to Pump)和從加油機到車輪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、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)；機動車行駛1km的WTW某種污染物排放二機動車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)能源開采和運輸、燃料生產(chǎn)轉(zhuǎn)化和輸配數(shù)據(jù)石油開采、運輸、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、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)果評價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，電動車、燃料電池汽車運行階段無溫室氣體排放；（3）另外，HEV相對傳統(tǒng)柴油車而言，節(jié)能減排量約為1/8。圖3-5 車輛運行（PTW）階段HC、CO排放情況圖3-6 車輛運行（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）電動車、燃料電池車基本沒有排放；（2）汽油車與柴油

15、車相比，在NOX和PM方面有優(yōu)勢；（3）柴油車的劣勢恰恰在于，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)評價從全生命周期來看，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）電動車幾乎沒有排放，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）和車輛運行階段類似，汽油車與柴油車相比，在NOX和PM方面有優(yōu)勢，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)動公文車節(jié)能減排優(yōu)勢明顯；（3）天然氣制取氫氣驅(qū)動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，