黃 穎,計軍平,馬曉明* (1.北京大學深圳研究生院環(huán)境與能源學院,城市人居環(huán)境科學與技術(shù)重點實驗室,廣東 深圳 518055；2.北京大學環(huán)境科學與工程學院,北京 100871)

人為溫室氣體排放是引起全球氣候變化的重要原因.目前交通部門使用的燃料以汽油和柴油為主,其排放的溫室氣體約占人為排放總量的13%[1].為減少交通部門的排放,低排放和零排放的車用替代能源成為研究熱點.由于電力在使用過程中并不排放溫室氣體,純電動汽車受到廣泛關(guān)注.不過從生命周期的角度看,車用電力引起的溫室氣體排放是否低于普通車用燃料的排放仍存在爭議.部分研究認為,與普通汽油車相比,純電動汽車能減少溫室氣體排放[2-6].然而,世界自然基金會德國分部的分析報告[7]指出,使用舊式燃煤電廠電能的電動汽車比普通柴油汽車排放更多二氧化碳.國內(nèi)有研究[8]核算純電動汽車燃料周期的溫室氣體排放量,認為純電動汽車目前暫不能實現(xiàn)有效減排.并有學者[9]對于國家對電動汽車推廣使用的大力支持提出質(zhì)疑.而我國《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃(2011-2020)》[10]將純電動汽車定為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略取向.純電動轎車作為純電動汽車的重要類型,研究其燃料周期的溫室氣體排放,對于新能源汽車的發(fā)展和交通部門的減排決策具有指導意義.

目前,國內(nèi)外學者主要使用GREET模型對車用燃料進行生命周期評價.清華大學建立了Tsinghua-CA3EM 模型[2-3,6]適用于我國車用電力生命周期評價.然而,傳統(tǒng)的生命周期評價首先需要明確劃定系統(tǒng)邊界,集中研究邊界內(nèi)的環(huán)境影響.因此只有直接的和少數(shù)間接的排放被考慮在內(nèi),結(jié)果存在截斷誤差[11].通常研究純電動轎車燃料周期的溫室氣體排放只計算車用電力生產(chǎn)的直接排放,未包含開采、運輸原料等器械的生產(chǎn)過程的二次間接排放及更上游環(huán)節(jié),因此研究范圍不廣泛.若將邊界范圍擴大,則必導致計算量大幅增加,需投入的人力、物力資源.而眾多研究案例表明,發(fā)生在系統(tǒng)邊界外的環(huán)境影響往往是不容忽視的[12].為克服上述問題,國際上有學者開始結(jié)合經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型對汽車燃料周期的溫室氣體排放進行研究[13-14],而國內(nèi)對此研究不多.

研究針對普通汽油轎車與純電動轎車,使用中國溫室氣體排放 EIO-LCA模型,分別核算燃料周期的溫室氣體排放量.通過2種轎車溫室氣體排放的對比,得出純電動轎車的減排效率;基于模型計算結(jié)果,分析與汽油轎車與純電動轎車燃料周期溫室氣體排放最相關(guān)的行業(yè);并將此研究結(jié)果與傳統(tǒng)生命周期方法所得結(jié)果對比分析.

1 研究方法

1.1 生命周期分析框架

汽車的全生命周期包括燃料周期(燃料上游與燃料使用階段)與車輛周期(車輛制造、車輛運行與車輛后處理)兩部分,如圖1所示.

圖1 汽車全生命周期階段Fig.1 The automotive life cycle

國內(nèi)外目前普遍采用從“油井到車輪(WTW)”評價法,這種分析方法側(cè)重于研究燃料周期,未考慮車輛周期的影響.主要原因是汽車燃料周期的能源消費和溫室氣體排放約占整個生命周期的 70%以上[3],且不同的技術(shù)路線相差不大.所以,主要研究汽車燃料周期的溫室氣體排放,可簡化研究的復(fù)雜度.燃料周期包括 2個主要階段:從油井到油箱(WTT)和從油箱到車輪(TTW).WTT研究對象是車用燃料的上游生產(chǎn)階段,包括一次能源開采;一次能源運輸;燃料生產(chǎn);燃料運輸、分配和儲存以及燃料加注過程[3].但此研究中并不根據(jù)燃料生產(chǎn)過程依次計算各環(huán)節(jié)的溫室氣體排放,而是將燃料上游階段的邊界擴大到整個經(jīng)濟系統(tǒng),得出各經(jīng)濟部門為支撐燃料生產(chǎn)所產(chǎn)生的間接排放.TTW 研究對象是車用燃料的下游階段,也就是汽車行駛中燃料使用產(chǎn)生的排放.

在WTT階段,運用中國2007溫室氣體排放EIO-LCA (Economic Input-Output Life Cycle Assessment)模型[15],計算得到汽油轎車與純電動轎車的溫室氣體排放量;在TTW階段,純電動轎車并不產(chǎn)生排放,使用排放因子方法計算汽油轎車行駛單位路程所耗燃料的直接排放.最后綜合得到WTW階段溫室氣體排放總量.

1.2 ECO-LCA模型

投入產(chǎn)出法是在經(jīng)濟理論指導下,編制投入產(chǎn)出表,建立相應(yīng)的投入產(chǎn)出模型,綜合系統(tǒng)分析國民經(jīng)濟各部門、再生產(chǎn)各環(huán)節(jié)之間數(shù)量依存關(guān)系的一種經(jīng)濟數(shù)量分析方法[16].EIO-LCA方法是以經(jīng)濟投入產(chǎn)出表為基礎(chǔ)的擴展的生命周期評價方法.EIO-LCA模型評價結(jié)果是包含經(jīng)濟系統(tǒng)中各行業(yè)的環(huán)境影響,整個經(jīng)濟系統(tǒng)水平下經(jīng)濟的、全面的評估[14].解決了傳統(tǒng)生命周期評價面對的問題:(1)邊界定義,由于各行業(yè)與其他所有行業(yè)的交易和排放都包括在內(nèi),其邊界為整個經(jīng)濟系統(tǒng);(2)避免了評價過程只有單一供給鏈,分析中包括各行業(yè)自身交易,使研究完整同時未引起重復(fù)計算[14].

國民經(jīng)濟中各行業(yè)的經(jīng)濟產(chǎn)出可通過經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型得到,因此,環(huán)境產(chǎn)出通過每個階段的經(jīng)濟產(chǎn)出乘以各部門環(huán)境直接影響系數(shù)矩陣Ri得到[14],即將外部信息加入經(jīng)濟投入產(chǎn)出框架.

經(jīng)濟投入產(chǎn)出模型[16]:

式中: X為總產(chǎn)出列向量,元;I為單位向量;A為直接消耗系數(shù)矩陣;Y為最終使用列向量,元.

IPCC規(guī)定的 6 種主要溫室氣體中,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)這3種與車用燃料的生產(chǎn)及使用密切相關(guān)[17],納入此研究.設(shè)ri為i部門的溫室氣體直接排放系數(shù),單位為CO2,e/元,ri計算式:

式中: Qi為i部門的溫室氣體排放量,gCO2,e;Xi為i部門的總產(chǎn)出,元.

文中分別核算了此 3種溫室氣體的排放系數(shù),通過全球增溫潛力值[18]轉(zhuǎn)化為二氧化碳當量(CO2,e),加和得到溫室氣體排放系數(shù) ri,由 ri構(gòu)成溫室氣體直接排放系數(shù)矩陣R.

各部門總溫室氣體排放向量 B,單位為gCO2,e.排放向量B通過方程(1)與(2)相乘獲得:

用EIO-LCA模型計算結(jié)果為各部門為支持此產(chǎn)品而產(chǎn)生的溫室氣體排放量.此文中計算結(jié)果為生產(chǎn)2種車用燃料即WTT階段產(chǎn)生的溫室氣體排放量.

1.3 排放因子方法

燃料下游階段中,純電動轎車行駛并不排放溫室氣體.汽油轎車使用 93號汽油,溫室氣體排放量由燃料消費量乘以排放因子得出,公式:

分別核算上述 3種溫室氣體的排放量后轉(zhuǎn)化為二氧化碳當量,加和得到汽油車 TTW 溫室氣體排放總量.

2 數(shù)據(jù)與參數(shù)

此研究的假定情景為中國2007年經(jīng)濟與技術(shù)水平,因此采集轎車性能與物價等相關(guān)數(shù)據(jù),均基于2007年水平.

中國2007溫室氣體排放EIO-LCA模型中投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)引用《中國投入產(chǎn)出表2007》(135部門表).為使投入產(chǎn)出表和能源統(tǒng)計年鑒的部門分類相對應(yīng),依據(jù)《國民經(jīng)濟行業(yè)分類與代碼》(GB/T 4754-2002)[19]合并了部分部門,調(diào)整后共有 43個部門[15].模型中,各產(chǎn)品部門的溫室氣體排放量根據(jù)《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[20]的參考方法進行估算,包括的溫室氣體種類為CO2、N2O、CH4.考慮的排放活動為能源使用、工業(yè)生產(chǎn)過程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市廢物處理等4類,未考慮土地利用變化和林業(yè)活動引起的碳儲量的變化.

模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取自各部門的統(tǒng)計年鑒,包括《中國能源統(tǒng)計年鑒 2008》、《中國鋼鐵統(tǒng)計2008》及《中國化學工業(yè)年鑒2008》等.溫室氣體排放系數(shù)參考了張強[21]、Zhang[22]、Chen[23]、國家發(fā)展和改革委員會應(yīng)對氣候變化司[24]及能源研究所[25]的成果,盡可能采用中國化的系數(shù)(大部分系數(shù)比IPCC缺省值小2%~16%),計算結(jié)果較貼近中國的實際情況.結(jié)果顯示,2007年中國的溫室氣體排放總量為 7946.9 MtCO2,e,其中生產(chǎn)活動排放 7703.4MtCO2,e[15],與國內(nèi)研究[26]以及國際上主要機構(gòu)計算的排放數(shù)據(jù)基本一致.

汽油轎車與純電動轎車均選定普通級轎車.根據(jù)國內(nèi)車用燃料性質(zhì)以及2007年大城市實際工況的燃油經(jīng)濟性,確定普通汽油轎車的油耗為8.5L/100km[3].參照國家863計劃“節(jié)能與新能源汽車”重大項目中,電動汽車新型整車技術(shù)研發(fā)有關(guān)純電動轎車各項技術(shù)指標指南[27],及有關(guān)電動轎車性能的報道,再考慮充電損失[28],從充電端計耗電情況,確定純電動轎車的經(jīng)濟性為0.22kW?h/km.

中國2007年93號汽油成本價參考發(fā)改委油價調(diào)控文件[29-30]加權(quán)平均為5.073元/kg,電力價格使用國家電網(wǎng)監(jiān)管委員會公布上網(wǎng)電價[31]為0.336元/kW?h.各溫室氣體的排放因子均使用IPCC公布值[20],取各燃料排放因子的 95%置信區(qū)間下限值.文中使用的具體參數(shù)如表1所示.

表1 各項參數(shù)明細Table 1 Parameters list

確定汽油轎車行駛單位路程的耗油量,根據(jù)中國的汽油價格轉(zhuǎn)換為貨幣值y油.確定純電動轎車行駛單位路程的耗電量,根據(jù)中國的電價轉(zhuǎn)換為貨幣值y電.

3 結(jié)果與分析

3.1 兩種轎車溫室氣體排放量對比

WTT階段,分別將汽油轎車和純電動轎車最終消費列向量Y油和Y電,帶入EIO-LCA模型計算,得出汽油轎車溫室氣體排放量為 85gCO2,e/ km,純電動轎車為124gCO2,e/km.

TTW 階段,將各數(shù)據(jù)(包括汽油車經(jīng)濟性,93號汽油密度,低熱值,各溫室氣體排放因子)帶入計算試(4),得出汽油轎車 TTW 溫室氣體排放總量為180gCO2,e/km.轎車評價結(jié)果對比見表2.

WTT階段,純電動轎車的溫室氣體排放高于汽油轎車,純電動轎車的溫室氣體排放只發(fā)生在此階段.汽油轎車在 TTW 階段的溫室氣體排放比WTT階段高,占整個燃料周期排放的68%;但其2個階段排放量絕對值均較高.汽油轎車燃料周期的CH4排放主要在WTT階段,N2O排放主要在TTW階段.

表2 汽油轎車與純電動轎車燃料周期溫室氣體排放(gCO2,e/km)Table 2 GHG emissions in fuel cycle of gasoline automobiles and battery electric automobiles (gCO2,e/km)

綜合看來,在中國2007年經(jīng)濟與技術(shù)水平下,從燃料周期角度,純電動轎車與汽油轎車相比,溫室氣體減排率為53%,表現(xiàn)出良好的減排效率.若轎車每年行駛1萬km,則每輛汽油轎車全年溫室氣體排放約為2.65t,而每輛純電動轎車年均排放溫室氣體約為1.24t.即在2007年水平下,每輛純電動轎車一年能減少溫室氣體排放約1.41t.

隨著中國經(jīng)濟和技術(shù)水平的發(fā)展以及能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整,電動轎車的車用電力溫室氣體排放必將會進一步下降,純電動轎車能擺脫人類對汽油類化石燃料的依賴,解決能源危機的同時,減少溫室氣體排放.若使純電動轎車制造、使用規(guī)?；?無疑對降低中國交通行業(yè)溫室氣體減排有重大意義.

3.2 各行業(yè)與兩種轎車 WTT階段溫室氣體排放的相關(guān)性分析

WTT階段使用EIO-LCA模型,計算結(jié)果包含經(jīng)濟系統(tǒng)中各經(jīng)濟部門為支撐生產(chǎn) 2種轎車的車用燃料所排放的溫室氣體量.表3列出汽油轎車與純電動轎車WTT階段溫室氣體排放最高的前4個行業(yè),分別占2種轎車WTT階段排放量的85%以上.

汽油轎車WTT階段電力行業(yè)和煤炭行業(yè)溫室氣體的高排放,是因為汽油制造過程中需消耗大量電力能源提供動力,同時生產(chǎn)汽油使用的蒸汽鍋爐以煤為主要燃料,且燃煤效率約為80%,而世界平均水平為 90%[2].石油和天然氣開采業(yè)與石油加工、煉焦及核燃料加工業(yè)2個行業(yè)的各個工藝對應(yīng)的是汽油開采制造的主要過程,溫室氣體排量放也較高.

表3 與汽油轎車和純電動轎車WTT階段溫室氣體排放相關(guān)的前4個行業(yè)的溫室氣體排放量 (gCO2,e/km)Table 3 GHG emissions of the most related four sectors with emissions of gasoline automobiles and battery electric automobiles in WTT (gCO2,e/km)

WTT階段為燃料生產(chǎn)過程,純電動轎車燃料周期溫室氣體排放相當于電力生產(chǎn)的全生命周期排放.中國的能源結(jié)構(gòu)以煤為主,2007年中國燃煤發(fā)電量占中國電力的80%以上[32],煤的碳含量高于天然氣和石油,在提供等量的能源時排放更多CO2,因此電力行業(yè)直接排放很高.除電力行業(yè)自身,與其最相關(guān)的為煤炭開采和洗選業(yè),由于煤為供應(yīng)發(fā)電的主要能源,因此與電力行業(yè)的相關(guān)度非常高.其次為黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè),因為電力生產(chǎn)中需要鋼鐵(黑色金屬)制造設(shè)備、工具,而在中國冶煉加工黑色金屬主要以煤為燃料,從而導致排放大量溫室氣體.中國交通運輸?shù)哪茉葱枨笙鄬^高,高能耗則引起高排放,因此交通運輸行業(yè)也成為影響純電動轎車排放的主要行業(yè)之一.

轎車的 CH4排放都主要集中在煤炭開采和洗選業(yè),此行業(yè)排放的CH4分別占汽油轎車與純電動轎車WTT階段溫室氣體排放的15%與6%.主要由于汽油和電力生產(chǎn)都與煤炭行業(yè)相關(guān)度很高,煤炭開采過程中CH4的泄露占據(jù)了CH4排放的很大部分[33].而N2O對于2種轎車WTT 階段溫室氣體排放的貢獻很小.

3.3 與傳統(tǒng)生命周期評價結(jié)果對比

3.3.1 WTT階段結(jié)果對比 國內(nèi)對轎車的車用燃料生命周期溫室氣體排放的研究,基本選定3種溫室氣體CO2、CH4、N2O,但主要分析溫室氣體排放總量,并未將3種溫室氣體核算結(jié)果分別列出.整理中國各研究結(jié)果[2-6,17,34-35],將必要參數(shù)與此研究統(tǒng)一,主要包括汽車的經(jīng)濟性、汽油密度、低熱值等,折合成可比的溫室氣體總量排放結(jié)果,估算到十位.將研究結(jié)果整合與此研究對比,見表4.

表4 WTT階段的溫室氣體排放總量計算結(jié)果與國內(nèi)其他研究結(jié)果對比 (gCO2,e/km)Table 4 The comparison between the results with other similar researches on GHG emissions in WTT (gCO2,e/km)

傳統(tǒng)生命周期評價,由于存在劃分系統(tǒng)邊界的問題,并且難以獲取生命周期各個過程詳細的清單數(shù)據(jù),各研究得出結(jié)果相差較大.

汽油轎車:EIO-LCA模型評價結(jié)果大于傳統(tǒng)生命周期評價結(jié)果.

傳統(tǒng)生命周期評價通常將汽油轎車WTT階段(即汽油制造)劃分為原油開采,原油運輸,汽油生產(chǎn),汽油運輸、分配和儲存以及汽油加注幾個過程,逐一計算各個過程的溫室氣體排放.但系統(tǒng)邊界劃分并未計算采油器械等金屬制品的生產(chǎn)引起的溫室氣體排放,也并未考慮所有電力引起的溫室氣體排放.因此,計算結(jié)果僅包含部分的間接排放,系統(tǒng)完整性較差.

EIO-LCA方法包括整個經(jīng)濟系統(tǒng),上述傳統(tǒng)生命周期評價忽略的因素,在經(jīng)濟系統(tǒng)中,對應(yīng)電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)行業(yè)與黑色金屬冶煉及壓延加工業(yè)2個行業(yè).從EIO-LCA評價結(jié)果得出,上述2個行業(yè)分別占汽油轎車WTT階段排放的38%與 6%.傳統(tǒng)生命周期評價劃分評價系統(tǒng)邊界后,并不能完全考慮生產(chǎn)汽油引起的這2個行業(yè)的排放.因此,傳統(tǒng)生命周期評價得出汽油轎車WTT階段的溫室氣體排放普遍偏低,EIO-LCA模型包含的影響因素更全面,評價結(jié)果更接近實際情況.

純電動轎車:EIO-LCA模型評價結(jié)果在傳統(tǒng)生命周期評價結(jié)果數(shù)值范圍內(nèi).傳統(tǒng)生命周期評價各計算結(jié)果存在較大差異,這是因為供應(yīng)電力生產(chǎn)的一次能源種類有區(qū)別.全部考慮為煤電的計算結(jié)果偏大,而煤電比重過小或劃分系統(tǒng)邊界不廣泛則計算結(jié)果較低;且煤電生產(chǎn)工藝不同也會影響計算結(jié)果[3].傳統(tǒng)生命周期評價通常逐一計算車用電力生命周期各個過程的溫室氣體排放,但由于參數(shù)復(fù)雜且不統(tǒng)一等問題,各研究所得結(jié)果差距較大,較難準確計算出各種電力來源以及煤電各種生產(chǎn)工藝的溫室氣體排放.而EIO-LCA模型擺脫了復(fù)雜的參數(shù),解決了系統(tǒng)邊界劃分的問題,包含整個經(jīng)濟系統(tǒng),在此層面,計算結(jié)果較準確.

3.3.2 TTW 階段結(jié)果對比 TTW 階段只有汽油轎車行駛時燃料燃燒引起的直接排放.根據(jù)整理折算各研究結(jié)果,得出傳統(tǒng)生命周期評價中汽油轎車TTW溫室氣體排放為180~200gCO2,e/km,與此研究所得180gCO2,e/km基本一致.

3.4 純電動轎車溫室氣體減排途徑

各行業(yè)與純電動轎車燃料周期溫室氣體排放的相關(guān)性分析表明,影響純電動轎車排放的行業(yè)主要包括電力、熱力的生產(chǎn)和供應(yīng)(90%)與煤炭開采和洗選業(yè)(7%).因此,純電動轎車燃料周期溫室氣體減排方案,首先考慮優(yōu)化電力行業(yè)能源結(jié)構(gòu),提高整個電網(wǎng)的綜合效率,優(yōu)化電源配置,提高電力裝備和運輸水平,整體向低碳、高效、環(huán)保的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變.發(fā)展智能電網(wǎng)[36],也可為我國電力行業(yè)在減少能源消耗、降低溫室氣體排放的提供有效路徑.而且,我國以燃煤發(fā)電為主,應(yīng)繼續(xù)深化潔凈煤技術(shù)[37]和CCS技術(shù)的使用[3]提高燃料效率.其次,煤炭開采中 CH4的排放也占較大比例,提高煤炭開采技術(shù),降低開采過程中 CH4泄露也能對減少溫室氣體排放有較好效果.

4 討論

運用EIO-LCA方法計算的不確定因素有:目前,中國編制的投入產(chǎn)出表中,未將電力與熱力行業(yè)分開,因此計算結(jié)果略低;主要依據(jù)的是經(jīng)濟數(shù)據(jù),能源價格對于碳排放有直接影響;EIO-LCA為自上而下模型,主要依靠統(tǒng)計數(shù)據(jù),有可能不完整.

此研究未包含汽車的車輛周期.綜合計算車輛周期的溫室氣體排放,可以得到全生命周期溫室氣體排放結(jié)果;同時可加入汽車的能源消耗和經(jīng)濟效益研究,全面評價其環(huán)境經(jīng)濟損益,更好地促進汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.

5 結(jié)論

5.1 WTT階段,純電動轎車溫室氣體排放總量為 124 gCO2,e/km,汽油轎車為 85gCO2,e/km;在TTW 階段,汽油轎車溫室氣體排放總量為 180 gCO2,e/km,純電動轎車不排放溫室氣體.從燃料周期角度,純電動轎車的總體減排效率為53%,具有明顯的減排優(yōu)勢,可以促進低碳交通的發(fā)展,對中國的減排具有重大意義,值得使用與推廣.

5.2 與傳統(tǒng)評價方法得出的兩種轎車溫室氣體排放相比,此研究汽油轎車 WTT階段溫室氣體排放量較大,這是由于傳統(tǒng)方法評價燃料周期沒有包含對電力消耗與黑色金屬制品使用引起的潛在排放,計算結(jié)果偏小.傳統(tǒng)評價得出的純電動轎車燃料周期溫室氣體排放互相差距較大,此研究結(jié)果在其范圍內(nèi).

5.3 與純電動轎車燃料周期溫室氣體排放相關(guān)度高的行業(yè)主要為電力、熱力的生產(chǎn)業(yè)和供應(yīng)與煤炭開采和洗選業(yè).因此減少純電動轎車溫室氣體排放的主要途徑為優(yōu)化電力行業(yè)的一次能源結(jié)構(gòu)、提高電網(wǎng)綜合效率等.

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