李躍娟， 華子清， 馮倜龍， 張筱璐， 盧 強(qiáng)

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部， 北京 100024； 2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300)

為了探究新能源城市客車相比傳統(tǒng)柴油城市客車對我國環(huán)境以及能源結(jié)構(gòu)的影響，本文利用美國阿貢國家實驗室開發(fā)的針對車輛及燃料全生命周期評估的軟件GREET，對純電動、CNG、氫燃料電池和傳統(tǒng)柴油城市客車所使用的“燃料”進(jìn)行全生命周期環(huán)境效應(yīng)評估，為相關(guān)部門制定新能源城市客車的發(fā)展策略提供參考。

1 基于GREET軟件的評估方法

汽車的全生命周期分為車輛周期和燃料周期兩部分，其中燃料周期是指從燃料開采的源頭開始到燃料在汽車使用過程中燃盡為止，是一個從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡倪^程，包括油井到油泵(WTP)和油泵到車輪(PTW)兩個階段。燃料全生命周期(WTW)的能耗和排放分別等于這兩個階段的能耗總和以及排放總和。本文采用美國GREET軟件來比較準(zhǔn)確地評估幾種城市客車“燃料”的全生命周期環(huán)境影響。

1.1 GREET軟件概述

電子表格化的GREET軟件包含兩條路徑，一條為豐富的燃料路徑，另一條為復(fù)雜先進(jìn)的車輛技術(shù)路徑。通過該軟件，研究人員能夠根據(jù)不同的“燃料”和車輛技術(shù)路徑，設(shè)置路徑過程參數(shù)，模擬分析多種組合路徑下的能源消耗量和污染物排放。

GREET軟件的數(shù)據(jù)庫中有不同車型及其對應(yīng)的基礎(chǔ)默認(rèn)數(shù)據(jù)，但該軟件數(shù)據(jù)庫僅將美國的相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)為默認(rèn)數(shù)據(jù)，并無其他國別數(shù)據(jù)可供選擇。雖然美國和中國存在一定差異，但是美國與中國同屬以化石燃料為主的國家，其排放特征具有相似性，且軟件中已有的美國數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確，其可信度更高。因此，本次研究中燃料的開采及其過程燃料的消耗數(shù)據(jù)與后續(xù)車輛燃料使用的排放物數(shù)據(jù)，皆保持原軟件中的數(shù)據(jù)默認(rèn)設(shè)定。

在GREET軟件中選取相同的城市客車車型，依次改變車輛所使用的動力“燃料”，利用控制變量的方法提取不同“燃料”，驅(qū)動車輛行駛100 km，對所消耗的能源和污染物的排放量進(jìn)行對比分析。GREET軟件的交互操作流程為程序啟動-燃料及車輛選擇-參數(shù)編輯-結(jié)果輸出。

1.2 評估指標(biāo)的選取

研究在GREET軟件中進(jìn)行，確立以下五類指標(biāo)作為評估對象：能量消耗(總能耗、化石燃料、非化石燃料)、常規(guī)大氣污染物(VOC、CO)、主要溫室氣體(CO)、顆粒污染物(PM、PM)、酸雨污染物(SO、NO)。

其中，WTP與PTW階段的VOC、CO、NO、SO、PM、PM排放之和構(gòu)成了整個燃料周期的這幾種污染物的排放量，而CO排放采用碳平衡法計算。有關(guān)計算公式參見GREET使用手冊。

2 結(jié)果分析

2.1 全生命周期的能耗分析

基于GREET軟件，提取出柴油、CNG、純電、氫燃料電池四種城市客車使用的“燃料”全生命周期內(nèi)各種能源的能耗量，見表1。可以看出，在相同能源結(jié)構(gòu)與技術(shù)路線下，CNG城市客車的燃料周期能耗最大，其次是傳統(tǒng)柴油和氫燃料電池城市客車。純電動城市客車的燃料周期能耗最小，與CNG城市客車相比減少了57%，與傳統(tǒng)柴油城市客車相比減少了49%，與氫燃料電池城市客車相比減少了33%。所以單從節(jié)能的角度看，推廣純電動城市客車的使用更有優(yōu)勢。

表1 四種城市客車燃料全生命周期內(nèi)的能耗量 MJ/100 km

另外還可以看出，純電動城市客車消耗的煤炭能源占比最多，這是因為美國同我國一樣，電能主要是通過火力發(fā)電；氫燃料電池城市客車對天然氣的消耗量最大，這是由于目前的主要制氫方式是天然氣制氫。

燃料生命周期內(nèi)的總能耗是由WTP和PTW兩個階段的能耗組成。對比WTP階段燃料生產(chǎn)、加工和運輸?shù)入A段的能耗量，氫燃料電動城市客車的能耗最大且與純電動城市客車能耗相近，傳統(tǒng)柴油城市客車和CNG城市客車的能耗較小，純電動城市客車和氫燃料電池城市客車能耗為傳統(tǒng)柴油城市客車和氫燃料電池城市客車能耗的1.6～1.7倍。這是由于目前電力結(jié)構(gòu)中火力發(fā)電占比較高且效率相對低下，造成了大量的能源消耗；氫能燃料電池技術(shù)是將純氫或含氫燃料中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，其中制氫、儲氫、運氫等氫能技術(shù)的各個環(huán)節(jié)還未形成規(guī)模，也造成能耗比較大；柴油和天然氣加工技術(shù)發(fā)展時間長，成熟度高，能源轉(zhuǎn)換率高，所以以柴油和天然氣為主要燃料的傳統(tǒng)柴油城市客車和CNG城市客車在WTP階段的能耗比較小。

雖然在WTP階段柴油城市客車和CNG城市客車能耗比較小，但在PTW階段這兩種城市客車的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純電動和氫燃料電池城市客車。這是因為車輛運行階段，柴油和天然氣車內(nèi)燃機(jī)的熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電動車和燃料電池車。從能耗占比的角度看，這種差異更明顯。PTW階段的能耗在各自燃料周期總能耗的占比如下：柴油城市客車為84%、CNG城市客車為87%、純電動城市客車為49%、氫燃料電池城市客車為65%。

對比純電動和氫燃料電池城市客車，雖然在燃料生產(chǎn)運輸階段兩種車消耗的能源幾乎相同，但在車輛運行階段，燃料電池城市客車的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純電動城市客車的能耗。這是因為燃料電池中的電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心組件，其中電堆效率和電池系統(tǒng)效率共同影響了氫耗水平，相比純電動車的動力系統(tǒng)效率，處于起步階段的燃料電池車效率會低。所以使用電能作為驅(qū)動能源，可明顯降低城市客車在運行過程中的能量消耗。

2.2 全生命周期幾種污染物排放量分析

1) 大氣污染物排放分析。表2為傳統(tǒng)柴油城市客車與三種新能源城市客車常規(guī)大氣污染物VOC和CO排放量對比?？梢钥闯鏊姆N“燃料”城市客車的VOC排放主要集中在生命周期的WTP階段。在整個生命周期內(nèi)CNG城市客車VOC排放量最大，約是純電動城市客車的3.27倍。四種城市客車的CO排放量差異明顯，柴油和CNG城市客車的CO排放量要比純電動和氫燃料電池城市客車高很多。其中，氫燃料電池城市客車在整個生命周期內(nèi)排放的CO量最少，CNG城市客車最多，高達(dá)1.51 kg/100 km，約是氫燃料電池城市客車的59.45倍，并且主要集中在PTW階段。純電動和氫燃料電池城市客車在PTW階段常規(guī)大氣污染物VOC和CO的排放都是0。

表2 四種城市客車常規(guī)大氣污染物排放量對比 kg/100 km

2) 溫室氣體排放分析。傳統(tǒng)柴油城市客車與新能源城市客車主要溫室氣體CO的排放量對比見表3。

表3 四種城市客車溫室氣體排放量對比 kg/100 km

可以看出，在整個燃料生命周期過程中，傳統(tǒng)柴油城市客車的CO排放量高居榜首，分別是CNG、純電、氫燃料電池城市客車的1.18、2.34、1.70倍。新能源城市客車相比傳統(tǒng)柴油城市客車的溫室氣體減排效應(yīng)分別為15%、57%、41%，純電動城市客車CO的排放量最少。傳統(tǒng)柴油城市客車和CNG城市客車的CO主要集中在車輛行駛階段，而純電動城市客車和氫燃料電池城市客車在行駛階段的CO排放為0，這兩種車型的CO排放主要集中在WTP燃料生命周期生產(chǎn)運輸階段，因為它們的動力燃料主要來自于火力發(fā)電和甲烷制氫。

3) 酸雨污染物排放分析。表4為傳統(tǒng)柴油城市客車與新能源城市客車酸雨污染物NO和SO的排放量對比，從表中可以看到，CNG城市客車的NO排量最大，柴油城市客車緊隨其后，氫燃料電池城市客車最小。在酸雨污染物SO的排放方面，純電動城市客車并沒有占優(yōu)勢，而是存在明顯劣勢，純電動城市客車的SO排放量最高的原因是火力發(fā)電時，煤炭雖然經(jīng)過了脫硫、脫硝處理，但仍會產(chǎn)生數(shù)量可觀的硫氧化物。這也導(dǎo)致了純電動城市客車的SO排放主要集中在WTP階段。氫燃料電池城市客車在NO排放方面具有明顯優(yōu)勢，NO和SO兩種污染物的排放均發(fā)生在燃料周期的WTP階段。

表4 四種城市客車酸雨污染物排放量對比 kg/100 km

4) 固體顆粒污染物排放分析。表5為四種城市客車PM和PM固體顆粒物的排放量對比。可以看出，純電動城市客車的這兩種固體顆粒物的排放量最大，并且基本上集中在WTP上游階段，這是因為在發(fā)電過程產(chǎn)生大量的灰塵。CNG城市客車在PM和PM排放量方面具有明顯優(yōu)勢，全生命周期內(nèi)PM和PM固體顆粒物排放量分別是純電動城市客車的63%和35%，在WTP階段這兩個數(shù)字下降到32%和20%。但隨著發(fā)電效率的提高以及新能源發(fā)電的推進(jìn)，純電動城市客車的固體顆粒物的排放量將會大幅度減少。

表5 四種城市客車固體顆粒污染物排放量對比 kg/100 km

對比四種車的WTP和PTW階段的所有污染物的排放，不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)柴油城市客車和CNG城市客車的排放主要出現(xiàn)在PTW階段，排放來源主要是燃料燃燒所釋放的尾氣；而純電動城市客車和氫燃料電池城市客車的污染物排放主要出現(xiàn)在WTP階段，在PTW階段基本實現(xiàn)零排放，污染物主要來源于電源和氫燃料電池的生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)GREET軟件對我國四種能源城市客車所使用的不同“燃料”進(jìn)行了全生命周期評估對比，主要結(jié)論如下：

1) CNG城市客車在能源生產(chǎn)階段能量消耗最低，但在全生命周期內(nèi)能耗最大；溫室氣體的排放以及顆粒物的排放相比柴油燃料有所降低；硫化物與氮氧化物等能夠形成酸雨等自然災(zāi)害的氣體排放量比柴油燃料多。

2) 純電動城市客車在能源生產(chǎn)階段能量消耗較大，但在全生命周期內(nèi)能耗最??；其污染物排放主要集中在WTP階段。其VOC、CO、CO的排放量較小，而在NO和SO的排放上并沒有優(yōu)勢，尤其是顆粒物的排放在四種城市客車中最高，約為柴油城市客車的3倍。

3) 氫燃料電池城市客車在能源生產(chǎn)階段能量消耗最大，基本與純電動城市客車相等；但在全生命周期內(nèi)能耗較小，僅高于純電動城市客車；在行駛階段幾乎不排放任何污染物，排放主要集中在燃料生產(chǎn)階段；除了顆粒物的排放外，氫燃料電池城市客車都要比傳統(tǒng)城市客車具有優(yōu)勢。隨著制氫技術(shù)的成熟，氫燃料電池城市客車的排放優(yōu)勢會越來越明顯。