基于GREET模型的新能源汽车污染排放特征分析

王恩慈, 范 松, 吴雪斌, 浦娴娟, 焦 正,, 聂永有

基于GREET模型的新能源汽车污染排放特征分析

王恩慈1, 范 松1, 吴雪斌1, 浦娴娟2, 焦 正1,2, 聂永有1

(1.上海大学经济学院,上海200444;
2.上海大学环境与化学工程学院,上海200444)

利用美国阿贡国家实验室提出的“从油井到轮胎”(well-to-wheel,WTW)评价体系和交通运输中温室气体排放、排放控制和能源使用(greenhouse gases,regulated emissions,and energy use in transportation,GREET)交通运输仿真模型,采用控制变量的方法分析了传统汽车和新能源汽车在排放量和能耗方面的区别,同时以4个能源结构差异明显的国家为例,对电动汽车从能耗和排放两个方面进行了环境性方面的分析.从模拟输出数据可以看出,以新能源为主的国家比较适合发展纯电动车,其排放量明显小于以化石能源为主的国家的排放量,可见研究能源结构和电源结构对新能源汽车的环境性影响意义较大,为政府和企业的决策提供了相应的对策和建议.

新能源汽车;能源结构;GREET模型;WTW评价体系

近年来,中国环境污染与能源短缺问题日渐突出[1].在环境问题上,中国气象局统计数据显示:2013年中国雾霾波及25个省、100多个大中型城市,全国平均雾霾天气天数高达29.9 d,创近52年来之最.而在能源问题上,根据《BP世界能源统计年鉴》统计,2013年中国仍是世界最大的能源消费国,占全球能源消费量的22.4%[2].为了保持经济的平稳发展,面对环境与能源危机,中国政府在“十二五”规划中明确提出了节能减排的目标,即到2015年,单位GDP CO2排放量降低17%,单位GDP能耗下降16%[3].

新能源汽车的推广,无疑对这两方面问题的解决都有一定促进作用.自2001年中国启动“863”计划以来,先后推出鼓励和支持新能源汽车的补贴政策、对企业提高新能源汽车准入门槛的相关标准重大专项以及2009年提出的“十城千辆”计划等举措,其中对纯电动汽车的发展犹为关注,在补贴上给予了更大的优惠空间.因为电动汽车以车载电源为动力,通过电机驱动车轮行驶,在其行驶期间可以减少尾气的排放,同时改变以石油为主要能源的传统汽车的尾气排放的状况,因此纯电动汽车对于中国倡导节能减排,减少对进口石油的依赖,减少CO2,SO2,NOx排放,以及世界汽车产业格局都有一定影响.不少学者指出,发展新能源汽车对解决环境和能源问题是必要的,也是符合中国节能减排政策的,但是由于中国的电源结构是以煤炭为主的,故有学者对新能源汽车在一个生命周期内的环境性问题产生质疑.

近年来,国内外学者对新能源汽车的排放和能耗问题进行了诸多研究,但这些研究的侧重角度有所不同[4-5].在早期国内的研究者中,清华大学刘宏等[6]运用生命周期理论研究了电动汽车的环境性和经济性问题,得出了普通电动汽车比常规汽油汽车在能效、排放、经济性方面都具有相对优势的结论.之后,清华大学Huo等[7]认为,现今如果大量使用电动汽车,不但不会解决污染问题,而且还可能引发大量环境问题.不过,关于电动汽车是否可以减少温室效应的问题,大部分学者还是达成了一致观点,认为电动汽车可以减少CO2等温室气体的排放,从而改善温室效应[8-9].

《2012年环境统计年报》披露,中国机动车主要污染物是一氧化碳、颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物等,其中颗粒物排放量为62.1万t,占总排放量的5%;氮氧化物排放量为640万t,占总排放量的27.4%;碳氢化合物排放量为438.2万t;一氧化碳排放量为3 471.7万t.而污染物排放量较大的是汽车,其一氧化碳、颗粒物、氮氧化物和碳氢化合物排放量分别占机动车排放量的82.5%,95.3%,91.1%和78.7%[10].在年报报道的大气污染防治的重点区域中,以氮氧化物和粉尘颗粒物为例,机动车的排放量占总排放量的比重较大,尤其是部分发达地区,如珠三角等区域的机动车排放量高于全国平均水平(见表1).

图1显示了中国雾霾分布情况,图2为2012年中国各省的民用汽车拥有量分布情况.从图1和2可以看出,汽车分布与雾霾严重程度有很大的相关性.如在图1中,PM2.5污染的分布主要集中在广州、北京、天津、江苏和上海等沿海省市,而图2中这4个地区每平方千米拥有汽车的数量都大于7 834辆,比其他地区高出很多,可见二者的分布区域有明显的重合性,中国城市雾霾形成原因与汽车使用量有很大关系.近两年,中国仅私车数量就以每年1 400万辆的速度增长,如果中国再以现有汽车数量的增长速度继续增长,那么根据古继宝等[11]基于Gompertz模型对中国民用汽车保有量的预测分析,到2015年全国民用汽车保有量将达到1.28亿辆,而到2020年就会达到2.19亿辆.国家统计局的数据显示,2012年的全国民用汽车保有量已经超过1亿辆,故古继宝等[11]的预测数量是非常有可能达到的,这将会导致雾霾大气污染现象更加严重,并可能引发其他一系列环境问题.

表1 大气污染防治重点区域的废气污染物排放Table 1 Waste gas pollutant emmision of key areas for air pollution prevention

图1 中国PM2.5分布Fig.1 Distribution of PM2.5in China

图2 2012年中国各省民用汽车拥有量分布(每平方千米)Fig.2 Provincial private car ownership distribution in 2012(per square kilometer)

本工作利用美国阿贡国家实验室的交通运输中温室气体排放、排放控制和能源使用(greenhouse gases,regulated emissions,and energy use in transportation,GREET)仿真模型和“从油井到轮胎”(well-to-wheel,WTW)评价体系,在目前的能源结构和新能源汽车技术下,通过对比能源和电源结构具有代表性的美国、巴西、中国以及法国的传统汽车和新能源汽车排放量和耗能量,分析新能源汽车的排放问题.由于缺乏中国的汽车排放的相关数据,而中国和美国又都是以化石燃料为主的国家,因此本工作借鉴美国的相关数据分析这种能源结构下的排放特征,为分析中国新能源汽车的排放问题提供参考依据.

1 分析方法和数据

1.1 GREET仿真模型

美国阿贡国家实验室的交通研究中心从20世纪80年代就开始研究交通燃料和车辆技术的燃料周期问题,希望通过一种计算机模拟工具评估在不同交通技术条件下的全生命周期的能源消耗和排放量[12].目前,通过GREET模型,研究人员不仅可以评估多种运输燃料、汽车以及相关技术的全生命周期的排放和能源消耗,而且还可以使用不同方法和参数设置,模拟未来发展趋势,并综合评价新技术的大气污染物排放和能源消耗,即GREET模型允许分析师和研究人员测试自己的方法和假设或比较不同的技术,从而得出精确的预测和结论.

WTW评价体系是依据汽车的全生命周期,即将汽车生命周期分为2个部分:汽车燃料加工阶段(从油井到油箱,well-to-tank,WTT)和汽车使用行驶阶段(从油箱到轮胎,tank-towheel,TTW).整个生命周期是从汽车产业原料源头开始直到汽车使用后完成其职能结束,是一个从“摇篮”到“坟墓”的过程[4].

1.2 数据的选取

1.2.1 污染因素

根据生命周期评价理论,本工作采用美国阿贡国家实验室提出的汽车生命周期理论(WTW的生命周期体系),将从汽车能耗和排放两个方面分析,测量传统汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车以及纯电动汽车的耗能及排放情况,其中排放量主要是汽车整个WTW阶段和城市排放量,主要的排放物则分为温室气体排放和大气污染气体排放两方面.汽车排放的主要温室气体有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)以及氧化亚氮(N2O).主要的空气污染物质有两大类:一类是颗粒污染物,如PM2.5和PM10;另一类是与酸雨有直接关系的污染物,如二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx).由于不同的温室气体对温室效应的影响大小有明显差别,故国际上通常采用全球变暖潜势(global warming potential,GWP)指数来衡量[13].GWP是相对于CO2作为参数的指标量,即CO2,CH4和N2O对温室效应影响的相关系数是1,21,310.对于能耗的计算,根据汽车类型和国家能源结构,不但总能耗有差别,而且各种能源的消耗也有所不同.

1.2.2 能源结构

根据2013年《BP世界能源统计年鉴》得出了美国、巴西、中国及法国4个国家的一次能源的消费结构(见表2),从一次能源的消费结构可以看出4个国家在能源消费方面有很大差异.本工作将劳伦斯-利弗莫尔国家实验室绘制的2012年美国能源结构图以及美国能源情报署2012电源数据[14-15]作为参照数据来分析美国电源结构.通过表2可以看到,美国电源结构主要是以煤炭、核能和天然气为主,三者占总电源结构87%左右,其中煤炭占了50%左右.中国国家统计局2011年数据显示,水电、火电、核电、风电生产电力量分别为6 989.5,38 337,863.5和703.3亿kW·h,分别占中国电力能源的14.83%,81.34%,1.83%和1.49%[16].有数据显示,中国的煤炭占电力能源总量的81%.根据中国《2011年国外电力市场化改革分析报告》分析,巴西电源结构以水电为主,水电发电占了总发电量的71%[17].根据法国电力企业RTE报告,法国电力中核电占73.3%,可再生能源(包括水电)占了总电力的18.6%(见表3).这4个国家的具体数据对比如表2和3所示.

表2 4国的一次能源结构Table 2 Primary energy structures of four countries

2 仿真分析

本工作采用控制变量的方法计算排放量和能耗.在模拟模型数据时,只改变GREET模型中能源和电源结构,在一定的能源结构条件下,选取4种汽车类型作为对比,计算4类汽车的全生命周期的排放量和能耗,尤其是根据GREET模型计算出4类汽车在城市区域的污染物排放量,同时对比在汽车行驶时4类汽车的排放差异.以电动汽车为代表,选取美国、巴西、中国以及法国4个能源和电源结构差异较大的国家,在相同技术条件下的新能源汽车的排放和能耗(见表3).

表3 4国的电源结构对比Table 3 Comparisons of the power structure of four countries %

由于运用GREET模型分析传统汽车和新能源汽车需要前期的数据,而中国关于能源转化和单位排放量的数据相对比较缺乏,故本工作在计算中国的全生命周期的传统汽车与新能源汽车的能耗和排放量、TTW阶段排放量以及全生命周期的城市排放量时都借鉴美国.这是因为:①美国与中国同属以化石燃料为主的国家,其排放特征具有一致性;②美国作为一个高新技术发达的国家,其在汽油标准和电力发电污染排放管理方面相对中国比较严格,故其模拟的数据整体会优于中国;③GREET模型的原有数据中美国的数据相对准确,因此更具有可信度.

2.1 情景1(在现今美国能源结构和汽车技术的条件下)

(1)全生命周期的传统汽车与新能源汽车的能耗分析.

在相同的能源结构和技术背景条件下,以美国为典型案例,可以得到传统汽车与新能源汽车在能耗上有显著差异,新能源汽车总能耗明显少于传统汽车(见表4).而电动汽车在新能源汽车中能耗量是最低的,比传统汽车减少了近50%.由此可见,在中国推广电动汽车是可以达到节能目的的.

表4 美国新能源汽车与传统汽车的能耗对比Table 4 Energy consumption comparisons of new energy vehicles and the traditional vehicles in the U.S. kJ/(100 km)

(2)全生命周期的传统汽车与新能源汽车的排放量分析.

在汽车的全生命周期中,4类汽车的排放量差异显著.从全球温室气体(global greenhouse gas,GHG)的排放量来看,新能源汽车优于传统汽车.而电动汽车的GHG排放量比传统汽车减少了42%,这个削减量是巨大的;VOC,CO和NOx的排放量的情况与GHG相同.表5为美国新能源汽车与传统汽车的排放对比,可以看出在固体颗粒物的排放方面,美国电动汽车不具有优势,原因可能在于美国的电源结构,尤其是SO2的排放可能与电源结构中40%多的煤炭使用有很大关系.而作为同是以化石燃料为主的中国,其电源结构中煤炭的占比为80%,远高于美国,故不难推测在SO2等污染物的排放方面传统汽车是优于电动汽车的.

(3)TTW阶段的传统汽车与新能源汽车的排放量分析.

表6为美国新能源汽车与传统汽车的TTW阶段排放对比.从(2)中的数据可以看出,电动汽车在WTW全生命周期的部分污染物排放量偏高,故比较其中的TTW阶段,在美国电动汽车的排放量一栏所有的排放量数据都为0,因此(2)中的部分排放量数据偏高的阶段应该是属于WTT阶段,即汽车燃料的加工阶段.电动汽车的燃料就是电力,故证明了电动汽车的排放量与美国电源结构有关系,可见只有优化电源结构才可以减少电动汽车排放量.而对于中国来说,优化电源结构更为重要.

表5 美国新能源汽车与传统汽车的排放对比Table 5 Emissions comparisons of new energy vehicles and the traditional vehicles in the U.S. g/(100 km)

表6 美国新能源汽车与传统汽车的TTW阶段排放对比Table 6 Emissions comparisons of new energy vehicles and the traditional vehicles at TTW stage in the U.S. g/(100 km)

(4)全生命周期的传统汽车与新能源汽车的城市排放量分析.

即使在(2)中电动汽车的排放量不是全部最小,通过计算美国汽车在城市区域的排放量可以发现,除SO2排放量增大,其余的污染物排放量也均降低,尤其是PM2.5和PM10这两种固体颗粒物的排放(见表7),可见电动汽车可以局部缓解城市地区的空气问题.对于中国来说,推广电动汽车应该可以缓解城市雾霾等空气污染问题,但是可能会对电力输出地产生污染,尤其是对类似山西省这种区域发电自给的地区,推广电动汽车对缓解空气污染的作用可能就不明显了.

表7 美国新能源汽车与传统汽车的城市排放对比Table 7 Urban emissions comparisons of new energy vehicles and the traditional vehicles in the U.S. g/(100 km)

2.2 情景2(在一定的电动汽车的技术水平下)

(1)电动汽车的全生命周期的耗能量.

通过控制变量,仅改变美国、巴西、中国和法国4国的能源和电源结构,在汽车行驶阶段的能耗一定的情况下,关注4国的能耗量(见表8).由于美国和中国均以化石能源为主,尤其是中国仍以煤炭为主,因此总耗能高于其他两个国家;巴西电源结构中以水能为主,法国则以核能为主,两国的能耗较低,因此可以说在能耗上巴西和法国发展电动汽车的优势比中国和美国更明显.

(2)电动汽车的全生命周期的排放量.

表9为4国的电动汽车的总排放情况.以核能为主要电力来源的法国,几种汽车的排放量几乎都是最低,尤其是固体颗粒物一类的排放量远低于中国和美国,以PM2.5为例,分别比中国和美国减少了88%和77%;而以水能为主的巴西的排放量也偏低,尤其是GHG排放量,巴西仅占中国和美国排放量的8%和12%,因此巴西温室气体的排放量明显更低.表9更能说明电源结构对电动汽车的排放量有直接影响,也说明了发展电动汽车仅是改变环境问题的末端环节,中国想要从根本上改变环境问题,还是要从源头抓起,改变能源结构、提高能源利用率以及降低能源转化中的污染物排放.

表8 4国的电动汽车的总能耗Table 8 Total energy consumptions of electric vehicles of four countriesg/(100 km)

表9 4国的电动汽车的总排放Table 9 Total emissions of electric vehicles of four countries g/(100 km)

3 结论

根据GREET模型的数据输出,在对比6组数据后得出如下结论.

(1)能源消耗上看,传统汽车的能耗总量为421 153.464 kJ/(100 km),而电动汽车则为224 727.547 kJ/(100 km),因此每100 km可节约能源196 425.917 kJ.如果一辆汽车的使用年限为10年,在行驶里程为10万km的情况下,则可节约的能源为1.96×108kJ.由此可见,电动汽车相对于传统汽车,其能耗节省量是惊人的,因此发展新能源汽车能够达到节能的效果,这对中国的能源战略有着重要意义.

(2)比较新能源汽车和传统汽车的气体排放量,使用新能源汽车GHG排放量会有明显的降低,如以电动汽车为例,在WTW阶段GHG的排放量相当于传统汽车排放量的60%.电动汽车在汽车两阶段生命周期中SOx等排放量反而出现增大,但是在TTW阶段即使用阶段的排放为0,排放量也明显低于传统汽车,因此电动汽车的推广和发展可以局部缓解大气污染.如在中国北京、上海这样的汽车拥有量大的大城市中发展新能源汽车,尤其是电动汽车,可以局部缓解这些地区的雾霾现象.当然对于像北京、上海这样的城市来说,对降低PM2.5有一定作用,但是对于电力输出地的污染并不能起到缓解作用,甚至会带来更多污染.

(3)观察美国、巴西、中国以及法国4国的排放数据后可以发现,对于都有以化石燃料为主的能源结构和电源结构的中国和美国来说,电动汽车的发展可以减少GHG的排放,缓解温室效应.但是从数据中还可以看出,只有像巴西、法国这些以非化石燃料为主的电源结构的国家,其生命周期总排放量才能真正降低,发展电动汽车才能从真正意义上进一步解决大气污染问题,因此优化能源和电源结构对中国和美国都是势在必行的.

综上所述,仅从污染物的排放和能耗来说,发展新能源汽车尤其是电动汽车,对中国解决环境问题,特别是大气污染问题,是利大于弊的.一方面,GHG和能耗等方面都是降低的,同时可以缓解城市空气污染;另一方面,由于能源结构问题,部分污染物排放量是增大的,会恶化对电力输出地的污染,但是如果加强管理,如对所产生的烟尘采用脱硫除尘处理等方式,还是可以缓解对电力输出地的污染情况的.

对于像中国这样的以化石燃料为主的国家,无论是煤炭、石油还是天然气,电动汽车污染总排放量可能大于传统汽车,要想从根本上改变环境问题,首先要改变能源结构或是在提高燃料原料的源头上减少污染,这样发展和推广新能源汽车才可以做到对环境保护的事半功倍的效果.同时,要支持发展新能源汽车,尤其是电动汽车,因为电动汽车对于中国来说是符合“节能减排”政策要求,可以节约能耗,减少CO2等温室气体的排放,缓解电力净输入城市的空气污染问题.另外,大力发展电动汽车,还可以改变当今中国汽车产业发展格局,为汽车企业抢占机遇.

要保护环境,减少污染物排放,就要分别对两类汽车制订针对性政策:①对于传统汽车而言,其污染物的排放主要在汽车使用阶段,因此为了减少排放,就要针对使用阶段的燃料以及排放量对传统汽车进行征税,同时大力发展公共交通以及鼓励拼车;②对于新能源汽车而言,实现减排首先要关注技术,在降低新能源汽车购买成本和原料转化燃料两方面进行技术攻关,如果可以减少转化燃料过程中的排放,则新能源汽车在整个生命期内污染物排放量就可以降低,而汽车技术的提高可以保证汽车价格的降低,这可以通过从国家层面增加购车补贴、完善基础设施和增加其他方面的补贴来实现.

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GREET-based model for analyzing pollutant emissions characteristic of new energy vehicles

WANG Enci1,FAN Song1,WU Xuebin1,PU Xianjuan2,JIAO Zheng1,2,NIE Yongyou1
(1.School of Economics,Shanghai University,Shanghai 200444,China;2.School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Using an evaluation system of from the well-to-wheel(WTW)and the greenhouse gases,regulated emissions,and energy use in transportation(GREET)model proposed by the Argonne National Laboratory,USA,controlling variables,emissions and energy consumption of both traditional and electric vehicles can be calculated.The WTW calculation methods and GREET model put forward by the U.S.Department of Argonne National Laboratory are used to compare environmental and economic implications of conventional,hybrid,electric and hydrogen fuel cell vehicles in their whole life cycle.Four countries are then compared with dif f erent energy structures,dif f erences about electric cars can be seen from energy consumption and emissions.Dif f erences in energy consumption and emission exist in pure electric vehicles between countries using fossil energy and countries using new energy.From the data,it can be concluded that countries using new energy is given priority to develop pure electric vehicles with less emissions.Thus energy and power structures af f ect the environmental implication of new energy vehicles.

new energy vehicle;energy structure;greenhouse gases,regulated emissions,and energy use in transportation(GREET)model;well-to-wheel(WTW)evaluation system

X 734.2

A

1007-2861(2017)05-0810-11

10.12066/j.issn.1007-2861.1723

2015-11-25

焦 正(1972–),男,教授,博士生导师,研究方向为环境与化学工程.E-mail:zjiao@shu.edu.cn

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