蘇旭東，葛曉華，張 瑤，秦 艷

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，太原 030009）

煤層氣汽車燃料的生命周期溫室氣體排放分析

蘇旭東，葛曉華，張 瑤，秦 艷

（山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，太原 030009）

煤層氣是一種清潔、高效、低碳的替代能源，在我國(guó)交通運(yùn)輸領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。文章基于對(duì)各類運(yùn)輸企業(yè)調(diào)研獲得的實(shí)際運(yùn)營(yíng)能耗數(shù)據(jù)，對(duì)煤層氣車輛和燃油車輛在燃料燃燒階段的CO2、CH4、N2O三種溫室氣體排放情況進(jìn)行了實(shí)際測(cè)算，同時(shí)從生命周期的視角對(duì)煤層氣用作汽車燃料和油品燃料的上游溫室氣體排放進(jìn)行了考查，對(duì)煤層氣汽車相比燃油汽車在溫室氣體減排方面的效益作出了客觀評(píng)價(jià)。

煤層氣；汽車燃料；生命周期；溫室氣體

煤層氣是煤層本身自生自儲(chǔ)式的非常規(guī)天然氣，我國(guó)的煤層氣資源量達(dá)36.8萬(wàn)億立方米，居世界第三位，其中山西省煤層氣資源量達(dá)10萬(wàn)億立方米。隨著“氣化山西”戰(zhàn)略的實(shí)施，煤層氣在山西省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷加快。

煤層氣用作汽車燃料與燃油相比，尾氣中CO、HC、NOx等污染物排放量顯著降低[1]，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，是良好的替代燃料。然而筆者發(fā)現(xiàn)，在評(píng)價(jià)煤層氣汽車的溫室氣體減排效益時(shí)，企業(yè)或相關(guān)單位往往只通過(guò)基于熱值折算的燃料替代關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，并且只計(jì)算了CO2的排放，忽略了CH4和N2O的排放，少有基于各類運(yùn)輸車輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)燃料消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行CO2、CH4、N2O三種溫室氣體的排放測(cè)算。同時(shí)，煤層氣和油品燃料上游生產(chǎn)階段的原料、工藝、運(yùn)輸?shù)韧耆煌?，僅按照燃料燃燒階段的溫室氣體排放量來(lái)評(píng)價(jià)燃料是否低碳顯然是不全面的。

因此，為了客觀評(píng)價(jià)煤層氣汽車的溫室氣體減排效益，本文以山西省晉城市為代表，對(duì)該市煤層氣汽車應(yīng)用較多的貨運(yùn)、客運(yùn)、公交、出租行業(yè)進(jìn)行了企業(yè)調(diào)研，收集了各類車輛的運(yùn)營(yíng)能耗數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確計(jì)算各類車輛在實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的CO2、CH4、N2O三種溫室氣體排放情況，并與燃油汽車進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，借鑒已有相關(guān)研究結(jié)論，從生命周期的視角評(píng)價(jià)煤層氣作為汽車燃料與傳統(tǒng)汽車燃料相比的溫室氣體排放水平。

1 研究對(duì)象與研究邊界

1.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為采用油品燃料以及煤層氣燃料的貨運(yùn)車輛、客運(yùn)車輛、公交車以及出租車。

1.2 研究邊界

本文采用“從井口到車輪”（Well to Wheel）的研究思路，分別對(duì)燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放以及上游階段的溫室氣體排放進(jìn)行測(cè)算，從而獲得燃料的生命周期溫室氣體排放量。研究邊界如圖1所示。

圖1 邊界示意圖

2 溫室氣體排放測(cè)算方法

2.1 燃料燃燒/車輛使用階段溫室氣體排放測(cè)算方法

燃料燃燒/車輛使用階段溫室氣體排放主要包括CO2、CH4、N2O三種溫室氣體類型，其測(cè)算方法采用排放因子法，即：

式中，EFuel為燃料燃燒階段的溫室氣體排放量，以CO2當(dāng)量表示；AD為活動(dòng)水平及燃料的消耗量；EFi為第i種溫室氣體的排放因子，i分別為CO2、CH4和N2O；GWPi為第i種溫室氣體的全球變暖潛勢(shì)值，i分別為CO2、CH4和N2O。根據(jù)IPCC第二次評(píng)估報(bào)告，CH4和N2O的全球變暖潛勢(shì)值分別為21和310。

2.1.1 活動(dòng)水平數(shù)據(jù)的獲取

為考察不同用途類型的煤層氣汽車與傳統(tǒng)燃油車相比在燃料燃燒階段的溫室氣體排放情況，選擇了貨運(yùn)、客運(yùn)、公交、出租各1家企業(yè)，依據(jù)企業(yè)能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別選擇其代表性車型，對(duì)車型相同、燃料類型不同的車輛的油耗、氣耗數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集。調(diào)研車型如表1所示。

表1 不同車輛類型的調(diào)研車型情況

2.1.2 排放因子的確定

（1）CO2排放因子

根據(jù)《省級(jí)溫室氣體清單編制指南（試行）》（發(fā)改辦氣候〔2011〕1041號(hào)）（以下簡(jiǎn)稱《指南》），CO2排放因子計(jì)算方法如下：

其中，汽油、柴油的平均低位發(fā)熱量采用《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T2589-2008）（以下簡(jiǎn)稱《通則》）中提供的數(shù)據(jù)。由于《通則》沒(méi)有提供煤層氣的低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)，因此本文對(duì)晉城市四家加氣站進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研得到煤層氣的平均低位發(fā)熱量；汽油、柴油的單位熱值含碳量采用《指南》中提供的數(shù)據(jù)，煤層氣的單位熱值含碳量數(shù)據(jù)同樣基于調(diào)研獲得；燃料的碳氧化率參照《指南》中提供的數(shù)據(jù)。采用的各類燃料二氧化碳排放因子如表2所示。

表2 各類燃料的CO2排放因子

（2）CH4和N2O排放因子

各類燃料的CH4和N2O排放因子采用《2006年IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》中提供的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各類燃料的CH4和N2O排放因子

2.2 燃料上游階段溫室氣體排放測(cè)算方法

燃料上游階段的溫室氣體排放包括原料開(kāi)采、原料運(yùn)輸、燃料生產(chǎn)、燃料運(yùn)輸儲(chǔ)存和分配等過(guò)程，其溫室氣體排放測(cè)算涉及部門多、數(shù)據(jù)收集難度大、計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。鑒于目前已有許多相關(guān)學(xué)者對(duì)此部分排放進(jìn)行過(guò)研究[2-6]，并且研究結(jié)論類似，因此，借鑒相關(guān)研究結(jié)論對(duì)各類燃料的上游排放進(jìn)行估算，基本可以反映各類燃料上游階段的溫室氣體排放水平，可滿足客觀、全面評(píng)價(jià)煤層氣汽車溫室氣體減排效益的要求。

3 燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放

3.1 貨運(yùn)車輛

3.1.1 溫室氣體排放測(cè)算結(jié)果

基于對(duì)晉城市貨運(yùn)行業(yè)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果，本文選取了兩類代表性車型，分別收集了車輛的平均燃料消耗數(shù)據(jù)，對(duì)兩類貨運(yùn)車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如表4所示。

3.1.2 測(cè)算結(jié)果分析

由表4可見(jiàn)，煤層氣車輛燃料燃燒溫室氣體減排比例僅在2%～3%，減排效果并不明顯。按照交通運(yùn)輸部

煤層氣的單位熱值含碳量明顯低于傳統(tǒng)油品燃料，即提供相同熱量的碳排放低于柴油?；趯?shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，僅燃料類型不同、其他參數(shù)相同的貨運(yùn)車輛，煤層氣車輛的百公里耗熱量約為柴油車輛的1.2倍，這意味著同樣的行駛里程煤層氣車輛需要消耗的熱量更多，實(shí)際的能源替代當(dāng)量比為1.5m3/kg，明顯高于理論當(dāng)量比，增加的煤層氣消耗量抵消了很大一部分溫室氣體

減排量，造成減排效益的降低。同時(shí)，由表4可見(jiàn)煤層氣車輛的CH4排放量明顯高于燃油車輛，但由于燃料燃燒CH4和N2O排放量?jī)H占到溫室氣體排放總量的4.7%左右，因此CH4和N2O排放并不是影響溫室氣體減排效益的主要原因。

表4 貨運(yùn)車輛燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測(cè)算結(jié)果

表5 客運(yùn)車輛燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測(cè)算結(jié)果

表6 公交車燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測(cè)算結(jié)果

表7 出租車燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測(cè)算結(jié)果

3.2 客運(yùn)車輛

3.2.1 溫室氣體排放測(cè)算結(jié)果

基于對(duì)晉城市客運(yùn)行業(yè)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果，煤層氣客車在晉城市應(yīng)用比較普遍，基本涵蓋了各類車型，本文選取了三類代表性車型，分別收集了車輛的平均燃料消耗數(shù)據(jù)，對(duì)三類客運(yùn)車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如表5所示。

圖書(shū)館信息服務(wù)社會(huì)化芻議…………………………………………………………………………………………田會(huì)新（1.59）

3.2.2 測(cè)算結(jié)果分析

由表5可見(jiàn)，采用煤層氣作燃料的客運(yùn)車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平明顯低于柴油車輛，平均減排比例達(dá)到10.8%，減排效果明顯好于貨運(yùn)車輛?；跍y(cè)算數(shù)據(jù)，煤層氣客車的百公里耗熱量約為柴油車輛的1.1倍，僅略高于柴油車輛。由3.1節(jié)分析結(jié)果可知，煤層氣客車的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒熱量轉(zhuǎn)化為有用功的效率接近傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，做等量的功消耗的煤層氣更少，與煤層氣貨車相比，燃料替代當(dāng)量比由1.5m3/kg左右下降至1.4m3/kg左右，即用更少的煤層氣可替代等量的柴油消耗，從而提升了溫室氣體減排效益。

3.3 公交車

3.3.1 溫室氣體排放測(cè)算結(jié)果

基于對(duì)晉城市公交行業(yè)企業(yè)的調(diào)研結(jié)果，煤層氣公交車在晉城市應(yīng)用比較普遍，本文選取了三類代表性車型，分別收集了車輛的平均燃料消耗數(shù)據(jù)，對(duì)三類公交車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平進(jìn)行測(cè)算，測(cè)算結(jié)果如表6所示。

3.3.2 測(cè)算結(jié)果分析

如表6所示，煤層氣公交車燃料燃燒溫室氣體排放水平顯著低于柴油公交車，平均減排比例達(dá)到21.6%，已接近按照《核算細(xì)則》計(jì)算的理論減排比例。基于測(cè)算數(shù)據(jù)，三個(gè)等級(jí)的煤層氣公交車與柴油公交車百公里耗熱量水平基本相當(dāng)，燃料替代當(dāng)量比平均為1.22m3/kg，已經(jīng)接近《核算細(xì)則》中1.2m3/kg的理論值，說(shuō)明煤層氣公交車和柴油公交車行駛同樣的里程消耗的熱量基本相同，在此情況下，煤層氣單位熱值含碳量低的優(yōu)勢(shì)得以充分顯現(xiàn)，使得煤層氣公交車的溫室氣體減排效益明顯。

3.4 出租車

3.4.1 溫室氣體排放測(cè)算結(jié)果

與煤層氣貨車、客車、公交車僅采用煤層氣作燃料不同，本次調(diào)研的燃?xì)獬鲎廛嚲鶠槠?煤層氣混合動(dòng)力車型，其中煤層氣為主要燃料，少量汽油作為輔助燃料。為準(zhǔn)確計(jì)算溫室氣體排放量，本文對(duì)兩種燃料的消耗都進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與測(cè)算，結(jié)果如表7所示。

3.4.2 測(cè)算結(jié)果分析

由表7可見(jiàn)，油氣混合動(dòng)力出租車燃料燃燒溫室氣體排放水平低于汽油出租車，減排比例約為11.8%?；跍y(cè)算數(shù)據(jù)，油氣混合動(dòng)力出租車和汽油出租車的百公里耗熱量基本相同，因此，行駛相同里程油氣混合動(dòng)力出租車與汽油單燃料出租車所需的熱量基本相同，油氣混合動(dòng)力出租車以煤層氣為主要燃料，所需熱量的96%由煤層氣提供，煤層氣單位熱值含碳量低的優(yōu)勢(shì)得以顯現(xiàn)，因此取得了明顯的溫室氣體減排效果。

4 燃料的生命周期溫室氣體排放評(píng)價(jià)

煤層氣從原料開(kāi)采、燃料生產(chǎn)到燃料運(yùn)輸和分配等各上游階段的工藝、技術(shù)和能源消費(fèi)情況與傳統(tǒng)油品燃料相比存在很大差異，要全面、客觀地評(píng)價(jià)煤層氣汽車的溫室氣體減排效益，必須考慮燃料上游階段的溫室氣體排放。

4.1 燃料上游階段的溫室氣體排放

按照本文的研究邊界，燃料上游階段包括原料開(kāi)采、原料運(yùn)輸、燃料生產(chǎn)以及燃料運(yùn)輸、儲(chǔ)存和分配四個(gè)階段。煤層氣作為汽車燃料通常有CNG和LNG兩種形式，二者的差異在于物理狀態(tài)和儲(chǔ)存方式的不同，但由于二者在燃料生產(chǎn)、燃料運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)存在顯著差異，必須分別考慮其上游環(huán)節(jié)的溫室氣體排放。

已有研究者對(duì)汽油、柴油、CNG、LPG等燃料上游環(huán)節(jié)的溫室氣體排放進(jìn)行了研究[2]，考慮了各上游環(huán)節(jié)的CO2、CH4和N2O三種溫室氣體排放，并同樣基于IPCC第二次評(píng)估報(bào)告提供的GWP值給出了各上游環(huán)節(jié)溫室氣體排放的CO2當(dāng)量，因此其研究結(jié)論可以與本文燃料燃燒/車輛使用階段的測(cè)算結(jié)果進(jìn)行合理對(duì)接。

山西省汽油、柴油消費(fèi)基本依賴外部調(diào)入，因此本文汽油、柴油的燃料上游階段溫室氣體排放直接借鑒了上述研究結(jié)論；由于國(guó)內(nèi)暫未見(jiàn)到關(guān)于煤層氣開(kāi)采階段溫室氣體排放的相關(guān)研究，因此暫時(shí)借鑒了天然氣開(kāi)采階段的溫室氣體排放研究結(jié)論；LNG的壓縮液化、運(yùn)

輸、儲(chǔ)存和分配與LPG類似，因此借鑒了LPG在上述環(huán)節(jié)的溫室氣體排放研究結(jié)論。汽油、柴油、CNG、LNG燃料上游階段溫室氣體排放情況如圖2所示。

圖2 各類燃料上游階段的溫室氣體排放

由圖2可見(jiàn)，CNG、LNG在原料開(kāi)采、原料運(yùn)輸階段的溫室氣體排放水平高于汽油和柴油，同時(shí)，LNG的液化過(guò)程能耗較高，因此LNG上游階段溫室氣體排放在四種燃料中最高；CNG雖然不需液化，但其壓縮過(guò)程能耗也較高，因此其上游階段溫室氣體排放接近汽油；汽油和柴油雖然在原料開(kāi)采、原料運(yùn)輸階段的溫室氣體排放較低，但燃料生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)涉及化工生產(chǎn)工藝，是其上游階段的溫室氣體排放的主要來(lái)源；柴油在燃料生產(chǎn)階段的溫室氣體排放水平低于汽油，其他環(huán)節(jié)與汽油相同，使其成為四種燃料中上游階段溫室氣體排放最低的燃料類型。

4.2 各類車輛的燃料生命周期溫室氣體排放

基于各類車輛燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放測(cè)算結(jié)果以及各類燃料上游階段的溫室氣體排放分析結(jié)果，分別選取四類車型為例，其車輛燃料生命周期溫室氣體排放情況如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)考慮到燃料上游的溫室氣體排放時(shí)，煤層氣貨車的生命周期排放甚至超過(guò)了柴油車輛，尤其是LNG貨車，其生命周期溫室氣體排放高于柴油和CNG貨車。在客運(yùn)車輛方面，雖然煤層氣車輛在燃料燃燒/車輛使用階段具有一定的溫室氣體減排效果，但當(dāng)計(jì)入CNG和LNG的上游溫室氣體排放時(shí)，其生命周期溫室氣體排放并沒(méi)有比柴油明顯降低。在公交車方面，由于煤層氣公交車在燃料燃燒/車輛使用階段的減排效果比較明顯，當(dāng)考慮到燃料上游的溫室氣體排放時(shí)，雖然CNG和LNG公交車的燃料上游溫室氣體排放高于柴油公交車，減排效益仍比較明顯。在出租車方面，CNG雙燃料出租車的溫室氣體減排效果由僅考慮燃料燃燒/車輛使用階段的11.2%下降至8.9%，仍具有一定的減排效益。

圖3 各類車輛的燃料生命周期溫室氣體排放情況

5 結(jié)論

（1）在采用基于企業(yè)調(diào)研的實(shí)際運(yùn)營(yíng)燃料消耗數(shù)據(jù)計(jì)算燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放時(shí)，不同類型煤層氣車輛的減排效益差別較大，煤層氣貨運(yùn)車輛減排效果最不明顯，煤層氣客運(yùn)車輛和出租車具有一定的減排效果，煤層氣公交車減排效果最好。

（2）煤層氣作為車用燃料在上游的原料開(kāi)采、原料運(yùn)輸階段的溫室氣體排放高于汽油、柴油，其中LNG燃料由于液化過(guò)程耗能量較大，上游階段的溫室氣體排放最高，其次為汽油、CNG，柴油在燃料上游階段的溫室氣體排放最低。

（3）在考慮燃料的生命周期溫室氣體排放時(shí)，采用煤層氣作燃料的貨運(yùn)車輛燃料生命周期溫室氣體排放甚至高于柴油車輛；煤層氣客運(yùn)車輛的燃料生命周期溫室氣體排放與柴油車輛相近，減排效果并不明顯；煤層氣公交車和出租車的燃料生命周期溫室氣體減排效益雖然低于僅考慮燃料燃燒階段溫室氣體排放時(shí)的減排效益，但仍具有一定的減排效益。

綜上所述，雖然煤層氣本身是一種低碳燃料，但其燃料上游階段的溫室氣體排放并不比傳統(tǒng)油品燃料低，同時(shí)，由于煤層氣燃料應(yīng)用于不同種類的車輛時(shí)，車輛的技術(shù)類型、運(yùn)營(yíng)模式、駕駛方式等都會(huì)對(duì)燃料燃燒階段的溫室氣體排放造成影響。因此，在對(duì)煤層氣用作車用燃料的溫室氣體減排效益進(jìn)行核算時(shí)，并不能一概而論，而必須基于實(shí)際的燃料替代數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)需考慮燃料上游的溫室氣體排放，才能對(duì)煤層氣燃料的實(shí)際溫室氣體減排效益作出客觀而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

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Analysis on Greenhouse Gas Emission of Lifecycle for Automobile Fuel of Coal Bed Gas

SU Xu-dong, GE Xiao-hua, ZHANG Yao, QIN Yan
(Shanxi Research Center of Eco-environment, Taiyuan 030009, China)

The coal bed is a substituting energy in the fields of cleanness, high efficiency and low carbon, it has a very wider application prospect in the transportation area. Based on the actual operation energy consumption data obtained in the investigation and research of all kinds of the transportation enterprises, the paper carries out the actual measures of three kinds of greenhouse gas emission status of CO2、CH4、N2O in the fuel incineration phase on coal bed gas vehicle and fuel vehicle. At the same time, from the angle of view of lifecycle, the coal bed gas which is used as greenhouse gas emissions at top stream of automobile fuel and oil fuel, is examined and the objective assessment in the benefits of the greenhouse gas emission is made in comparison between automobile of coal bed gas vehicle and fuel vehicle.

coal bed gas; automobile fuel; lifecycle; greenhouse gas

X382.1

A

1006-5377（2015）08-0025-06