（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

盡管2018 年中國經(jīng)濟增速放緩，但中國一次能源消費依然增長4.3%，占全球能源消費量的24%，并貢獻了全球能源消費增長的34%，連續(xù)18 年成為全球能源消費增量最大的國家[1]。隨著汽車工業(yè)與交通網(wǎng)絡的高速發(fā)展[2]，汽車產銷量強勁，2018 年中國汽車產銷分別完成2 780.9 萬輛和2 808.1 萬輛，其中乘用車產銷分別完成2 352.9 萬輛和2371 萬輛，汽車保有量突破2.4 億輛，其中小型汽車保有量達到2 億輛[3]。汽油消費突破1.28 億t，其中85%為汽車消耗。

石油的開采與運輸，汽油的冶煉與儲存，煤礦的挖掘與運輸均會產生CO2排放。煤炭化工業(yè)制甲醇、天然氣制甲醇及焦煤氣制甲醇等過程均會產生CO2排放與能量損耗。汽油與甲醇的加注，發(fā)動機的燃燒同樣會產生能量的損失與CO2排放，電池的充放電，電機的運行均會有能量損失，并造成CO2排放。因此僅考慮車輛尾氣中CO2排放，即TTW（Tank to Wheel）CO2排放，不考慮WTT（Well to Tank），即從地殼（油井）到油箱（礦物能源的開采、運輸、冶煉與存儲過程）的排放，對于評價車輛CO2排放對環(huán)境的影響是不合理的，也無法評估能源生命周期內地殼到車輪（WTW，Well to Wheel）CO2排放。

本文首先分析了2018 年度全球一次能源消耗與結構，重點分析了中國一次能源結構[4]，同時結合工藝分析制取化石能源過程中產生的CO2排放；并結合汽油車、甲醇車與增程式車輛工作原理的差異。最后以某款轎車為例，分析了汽油車、甲醇車和甲醇增程式車輛尾排和全周期產生CO2的差異。本文所開展的研究對于能源政策制定部門制定能源政策，環(huán)保監(jiān)察部門與油耗核算部門計算車企WTW 能耗和CO2排放具有積極意義。

1 一次能源結構與能源消費

1.1 一次能源結構[1-2]

2018 年中國一次能源消費3 273 百萬t 油當量，與2008 年相比，增長47%。2008 年至2018 年，中國一次能源消耗歷年變化如圖1 所示。

圖1 中國一次能源消耗變化

隨著一次能源消費的增長，CO2排放量也不斷攀升。2018 年，中國CO2排放量達到9 429 百萬t，連續(xù)7 年突破9 000 百萬t。中國CO2排放歷年變化如圖2所示。

圖2 中國CO2排放變化

煤炭、石油和天然氣分別占到2018 年度中國一次能源消費的58%、20%和8%，核能、水電與可再生能源作為補充[5-6]。中國一次能源消費如表1 所示。

1.2 煤炭消費與再加工

煤炭消費中72%是動力煤，主要用于發(fā)電，占發(fā)電量的67%，26%的煤炭是煉焦煤，被用于冶金行業(yè)制焦，2%的煤炭是化工煤，被用于化工行業(yè)制醇醚、烯烴與化肥等。動力煤與化工煤之間，可以根據(jù)市場需求，合理調配。2018 年中國煤炭主要消費用途與占比如表2 所示。

表2 2018 年中國煤炭消費用途與占比

甲醇是重要的基礎化工原料之一，近年來中國甲醇產能與產量急劇上升，并成為世界最大的甲醇生產國與消費國。中國甲醇市場歷年消耗變化如圖3所示。甲醇產能利用率并不高，有40%以上的甲醇產能富裕。

圖3 中國甲醇市場歷年變化

1.3 石油消費與市場分析[4，7]

作為世界第一大石油進口國與消費國，2018 年度，中國原油市場達到65 100 萬t，進口依賴度達到71%，原油加工比例達到90%。中國原油市場如表3所示。

表3 2018 年中國原油市場

中國同樣是全球最大的成品油消費國，2018 年，中國成品油加工達到36 800 萬t，其中消費32 500萬t，汽油消費達到12 800 萬t，乘用車消費達到10 880 萬t。成品油市場結構如表4 所示。

因此可以利用甲醇富裕產能3 589 萬t，替代1 800 萬t 汽油消費，從而減少我國原油進口依賴度，改善我國能源消費結構與成品油消費結構。

表4 2018 年中國成品油市場

2 汽油與甲醇產生過程CO2分析

圖4 地殼-車輪的能量傳遞過程

傳統(tǒng)乘用車（汽油車）、甲醇汽車和甲醇增程式車輛能源傳遞形式有所不同，具體如圖4 所示，實線為汽油車的能量傳遞過程，虛線為甲醇汽車和甲醇增程式車輛的傳遞過程。原油冶煉與煤化工制甲醇工藝之間本身存在差異性，因此生產汽油與甲醇帶來的CO2排放量也會有差異。

2.1 汽油生產過程CO2排放（WTT，地殼—油箱）

汽油生產過程中產生的CO2，包含油井的開采、管道的運輸、汽油的冶煉等過程?？紤]原油的開采、運輸及冶煉，每生產1 t 汽油產生1.722 t CO2[8]。即每生產1 L 汽油，產生1.27 kg CO2。

2.2 甲醇生產過程CO2排放（WTT，地殼—油箱）

煤多氣少的一次能源結構決定了中國低碳產業(yè)鏈中的眾多產品依賴煤進行加工合成，甲醇作為一種重要的化工產品亦是如此，國內以煤作為主要原料的甲醇生產占比高達77%[7]。制甲醇的原料分布如表5 所示。

表5 制備甲醇的原料分布 %

不同原料制備甲醇產生的CO2有所不同，如表6 所示[9]。

表6 不同原料制備甲醇產生CO2 t/t

以表6 所示的不同原料制備甲醇產生CO2排放為基準，結合表5 所示的中國甲醇制備原料比例，每生產1 t 甲醇產生0.76 t CO2。即中國每生產1 L 甲醇，產生0.6 kg CO2。

3 汽油車、甲醇車與甲醇增程式車輛能耗與CO2排放

3.1 油耗、醇耗與尾排（TTW）CO2、全周期CO2（WTW）排放

汽油燃燒化學反應方程為[10]：

根據(jù)碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 汽油產生TTW CO2為23.6 g/km。

綜合2.1 分析所得，每生產1 kg 汽油，產生1.722 kg WTT CO2。

汽車100 km 每消耗1 L 汽油，產生的WTW CO2為：

式中：m1為全周期（WTW）所產生的CO2，g/km；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；η1為煉油廠分配運輸至加油站的效率，取0.95。

甲醇燃燒化學反應方程為：

根據(jù)碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 甲醇產生TTW CO2為10.9 g/km。

綜合2.2 分析所得，每生產1 kg 甲醇，產生0.76 kg WTT CO2。

汽車100 km 每消耗1 L 甲醇，WTW CO2為：

式中：m2為WTW CO2，g/km；ρ 為甲醇密度，kg/L，其值為0.79；η2為制醇廠分配運輸至甲醇站的效率，取0.95。

基于以上分析，汽油耗與CO2的轉化系數(shù)如表7所示。甲醇耗與CO2轉換系數(shù)如表8 所示.

表7 汽油耗與CO2轉換系數(shù)

表8 甲醇耗與CO2轉換系數(shù)

3.2 不同類型車輛CO2排放分析

以某品牌同一車型，汽油版、甲醇版和甲醇增程器版為例，分析TTW CO2排放與WTW CO2排放。

甲醇增程器車輛動力結構如圖5 所示。在增程模式下，發(fā)動機驅動發(fā)電機發(fā)電給驅動電機提供動力。

圖5 甲醇增程器車輛結構示意圖

甲醇車輛與汽油車輛運行工況如圖6 所示，搭載同一款車與變速箱的運行工況點相同，甲醇發(fā)動機高效率區(qū)域更靠近外特性。

甲醇增程器車輛運行工況與甲醇車輛運行工況如圖7 所示，采用增程器后，將低速、低負荷區(qū)域的運行工況點提升，發(fā)動機運行工況點主要集中在高效率區(qū)域。

圖6 傳統(tǒng)車輛運行工況圖（甲醇、汽油車）

圖7 增程器與傳統(tǒng)車運行工況對比（甲醇機）

增程器車輛信息如表9 所示。

表9 某車型不同版本車輛信息

結合表7 與表8 可以分別計算出3 種不同類型車輛TTW CO2排放與WTW CO2排放，如表10 所示。

表10 某車型汽油版、甲醇版和甲醇增程器版車輛

由此可見，汽油版的車型TTW CO2最高，其次為甲醇版車輛，甲醇增程器CO2排放最低。甲醇汽車的TTW CO2排放與WTW CO2排放均為汽油車的86%，甲醇增程器的TTW CO2排放與WTW CO2為汽油車的71%。造成3 種不同類型車輛CO2排放差異的因素包含以下幾點：

1）甲醇辛烷值高，抗爆性更強，可以獲得更高的發(fā)動機熱效率，文中車輛所用的發(fā)動機燃燒甲醇時，最高熱效率比燃燒汽油高2%。

2）甲醇含碳量為37.5%，密度為0.79 kg/L，熱值為19.9 MJ/kg，汽油含碳量為86.6%，密度為0.742 kg/L，熱值為42.75 MJ/kg。因此單位熱值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

3）甲醇增程器發(fā)動機運行于發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域，進一步降低了醇耗和CO2排放。

4 結論

1）基于中國能源結構現(xiàn)狀，每生產1 kg 汽油，產生1.722 kg CO2；生產1 kg 甲醇，產生0.76 kg CO2。

2）車輛汽油消耗率為1 L/100 km，產生WTW CO2為37.1 g/km，甲醇消耗率為1 L/100 km，產生WTW CO2為17.2 g/km。

3）汽油車、甲醇車、甲醇增程器車輛的WTW CO2排放分別為219 g/km、189 g/km、155 g/km。汽油車、甲醇車、甲醇增程器車的TTW CO2尾排為139 g/km，120 g/km，98 g/km。

4）從目前中國的能源結構與化石能源加工工藝結構來計算，甲醇汽車TTW CO2排放與WTW CO2排放均優(yōu)于汽油車，發(fā)展甲醇汽車對改善我國能源結構，消耗過量甲醇產能和降低CO2排放均有顯著意義。