燃油与纯电动汽车流通过程中CO2排放分析

何义团，张鹏博，邵毅明，陶友东

(重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074)

0 引 言

随着经济的发展和汽车保有量的急剧增加，到2017年3月底，全国汽车保有量首次超过3亿辆[1]。2016年，中国对国外燃油的依赖程度达65%[2]，机动车尾气排放一氧化碳达3 000万t，碳氢化物达335万t，氮氧化物达535万t、颗粒物达51.2万t[3]。空气污染已经成为中国大城市的重要环境问题之一。高浓度污染物如颗粒物、SO2、氮氧化物等排放物质已经严重影响人类身心健康[4-5]。新能源汽车利用电能，减少对传统燃油的依赖程度，缓解能源紧张局势，同时降低有害气体的排放。但是，在我国现有条件下，动力电池技术瓶颈尚未突破、充电基础设施不够完善、电力能源储备不足、电池回收及处理技术未能解决等问题成为电动车推广的主要障碍[6]。国际能源组织数据显示，中国是全球最大的碳排放国[7]。面对日益严峻的环境污染问题及持续紧张的能源局势，低碳交通无疑是未来交通发展的重要方向。目前，基于CO2生命周期对电动汽车的发展预测研究还比较少。因此，笔者对传统内燃机汽车和电动车流通过程中CO2排放量进行了对比分析，探讨汽车电动化与优化电网能源结构对CO2排放的影响。

1 燃油与纯电动车流通过程中CO2排放对比

全生命周期指某种产品由自然中获取最初资源、能源，经过开采、冶炼、加工、再加工等生产过程形成最终产品，又经过流通领域进入消费、使用，最终又以各种形式返回环境系统的整个过程[8-9]。传统燃油汽车全生命周期CO2的排放主要包括“矿井-油箱”和“油箱-车轮”两部分。石油开采、贮存、运输、加工、产品运输、使用产生排放等生命周期过程均有CO2气体的产生，而电动汽车全生命周期CO2的排放主要来自于发电过程。因此，针对国内电力能源结构以及不同能源发电所产生的CO2气体排放，可以对电动汽车全生命周期的CO2排放情况进行简单的计算。笔者主要对汽车流通过程中使用不同能源所造成的CO2排放进行对比。

1.1 燃油车流通过程中CO2排放量

机动车数量的快速增加已经加剧了全球能源消耗与温室效应。目前，节能减排成为诸多领域讨论的热点话题[10]。为应对能源危机与温室效应的挑战，许多国家纷纷出台促进传统汽车战略转型的政策。针对C级车CO2排放全生命周期，利用全球经济数据库数据，计算石油炼制过程产物中的CO2及发动机内燃油燃烧产物中的CO2，以汽油每释放1 MJ能量所排放的CO2为基础进行计算。

石油炼制过程中的CO2排放量为12.19 g /MJ，汽油的体积热值为33.37 MJ/L,有：

Q1=α·ε

(1)

式中：α为石油炼制过程中排放量，MJ/L；ε为汽油的体积热值。

因此，石油炼制1 L汽油的CO2排放为406.8 g。而对于传统C级车，城市工况下，平均每百公里需要加油约5.5 L，因此炼制此部分石油每公里所对应的CO2排放为：

Q2=Q1×Vm/100

(2)

每百公里行驶里程中汽油燃烧所产生的CO2排放为：

Q3=Vm×Em×ηm×N×nC

(3)

因此，对于C级车，百公里行驶里程，CO2排放总量为：

Q4=Q2+Q3

(4)

式中：Vm为标准汽油体积，取5.5 L；Em为标准汽油体积燃烧造成的CO2排放量；ηm为燃烧效率；N为CO2摩尔质量；nC为碳摩尔质量；Q1为石油炼制每升汽油的CO2排放量；Q2为炼制C级车每百公里行驶里程所需汽油产生的CO2排放量；Q3为C级汽车百公里行驶里程中汽油燃烧所造成的CO2排放量；Q4为C级车百公里行驶里程CO2排放总量。

通过计算，得到C级车百公里的行驶里程的CO2排放总量约为150 g/km。

1.2 电动车流通过程中CO2排放量

电动汽车与传统内燃机车最大的不同为电动汽车动力来源为电能，而电能往往通过煤、石油、液化天然气、核能、水能等方式发电获得。不同发电方式均会产生一定量的CO2排放。表1为我国电力能源结构与各能源全生命周期CO2排放统计。

表1 电力能源结构及周期CO2排放Table 1 Electricity energy structure and CO2 emission in life cycle

参照常用发电能源全生命周期CO2排放量与国家电网能源结构数据，可以粗略的计算出电动汽车全生命周期CO2排放量。

C级汽车行驶百公里消耗电量约21.2 kW·h。因此，可通过此数据粗略计算电动汽车百公里CO2排放量，如式(5)：

(5)

式中：Eg、En、Ew、Eo为各能源全生命周期CO2排放量;Rg、Rn、Rw、Ro为各能源在电力结构中占比；Q5为纯电动汽车百公里CO2排放量;Q6为纯电动汽车每公里CO2排放量。

通过计算，C级纯电动汽车每公里CO2排放量为111.932 g。

2 电能替代2016年50%的石油对既有电网结构的影响

针对C级车，从相同能量消耗的角度看，汽车行驶里程每百公里消耗汽油5.5 L，每百公里消耗柴油5 L，每百公里消耗电能21.2 kW·h。为便于数据计算与对比，可以对石油、柴油、电能消耗作近似当量等价处理。通过2016年国内汽油消费情况可以对CO2排放量作粗略计算。

图1为2016年1—12月期间中国汽油产量及增长情况。由图1可知，中国汽油总产量为12 843.4万吨，同比增长6.0%。而2016年汽油实际消费总量达11 983.1万吨，占总产量的93.3%。

图1 中国2016年汽油产量统计情况Fig. 1 Statistics of gasoline production in China in 2016

中国2016年1—12月全年的汽油消费总量及体积计算公式如式(6)：

V=M/ρ

(6)

式中:V为汽油的体积容量；M为汽油质量总量；ρ为汽油密度。通过2016年汽油产量数据并结合石油消耗与电能的合理当量，由式(6)计算得2016年中国全年CO2排放为162.4×109L。

CO2排放可大致从过程产物及燃烧排放两部分所包含的CO2排放量计算，如式(7)：

(7)

式中：q1为过程产物CO2排放量;q2为燃烧排放物中CO2排放量;q3为CO2排放总量。通过计算，得出CO2排放总量为402.91×106t，其中燃烧过程CO2产量占比83.88%。

绝大部分CO2产物在汽车运行过程中通过尾气释放出来。通过优化发动机尾气排放过程，合理提高汽车尾气处理效率对于降低CO2排放有重要意义。对汽油和电能进行当量等价处理，消耗的电能为：

(8)

式中：E为电能；V为体积容量；η为电能传输及汽车充电效率，此处假定为90%。计算得到的电量为695.53×109kW·h。

同样，2016年中国全年柴油产量及同比增长情况如图2。

图2 中国2016年柴油产量统计情况Fig. 2 Statistics of diesel production in China in 2016

2016年1—12月期间，中国柴油消耗量为16 469万吨，对应的体积容量为196.06×109L。通过汽油与柴油适当的当量关系处理，此部分柴油近似等价为215.67×109L汽油,对应的CO2排放总量为588.53×106t，相当于年耗电量为923.67×109kW·h。则2016年全年，由汽车造成的CO2排放量为991.44×106t，等量消耗1619.2×109kW·h的电能。如果2016年全年汽车燃油消耗量的一半由电能取代，则需要新增发电量为809.6×109kW·h。2016年全年中国发电总量为61 425×108kW·h,新增部分电量占2016年全年发电总量的13.18%。

表2 2016年石油消耗与能量等价转换Table 2 Fuel consumption and power equivalent conversion in 2016

由表2可以看出，2016年全年中国的燃油消耗总量为358.46×109L,其中柴油消耗量高于汽油消耗量。此部分燃油所产生的CO2排放总量为588.53×106t。将此部分燃油近似等价为电能消耗，总量可达1 619.2×109kW·h。若将2016年的燃油消耗量降低一半，即另一半全部由电能替代，则2016年需要新增电能809.6×109kW·h，占该年发电总量的13.18%。

2016年中国机动车保有量达2.95亿辆，其中汽油车为16 324.7万辆，占比88.5%；柴油车为1 878.4万辆，占比10.2%；燃气车为232.7万辆[8]，占比1.3%。消耗柴油比汽油多20.73%。相同体积下，柴油燃料比汽油燃料排放的CO2多10%，而消耗柴油造成的CO2排放总数比汽油多46.07%。通过近似等价换算，2016年全年总汽油当量消耗量为378.066×109L。

假设电动车所需要的电能全部来自于太阳能和风能等可再生清洁能源，且主要把汽油车替换成电动车，为使CO2排放量降至一半，则需要新增电动车数目N*为：

(9)

式中：N*为新增加电动汽车数目；Qc为年总当量汽油消耗量；Ng为年总当量汽油车数目，计算得需要新增加电动车1.9×108余辆。

从目前的电动车发展情况看，电动车的充电时间较长，而且多辆电动车同时充电的可能性很大。假定每辆电动车的充电功率为P0，则新增电动车总计所需要的充电功率为N*·P0，若P0=3 kW，需新增充电功率为570.06×106kW，将对当年的电网负荷提出更高的要求。

3 降低电网中煤炭使用比例与汽车电动化对CO2排放的影响

为使石油能源消耗减少一半，即CO2排放降低一半，则需要新增发电量为809.6×109kW·h才能满足电动车充电的需要。表3为2016年的电力结构。

表3 中国2016年电力结构Table 3 Electricity structure of China in 2016

图3 不同能源全生命周期CO2排放Fig. 3 CO2 emission of different energy source in life cycle

图3为2016年中国不同能源发电量及对应的CO2排放。若新增的809.6×109kW·h发电量用来替代原有电网煤炭的发电量，而且这部分电量全部来自于太阳能和风能等清洁的可再生能源，从而降低煤炭的使用比例，这样电网总的供电能力不变，同时仍然采用传统内燃机汽车，不采用电动车，由式(5)计算，可得全年CO2的排放总量Q7为512.782 5 g/kW·h。新增电量用于纯电动车充电导致的CO2排放变化情况计算如式(10)：

(10)

若新增电量ΔPf用来给电动汽车充电，传统燃油汽车数目减少，此部分电能由煤炭燃烧发电产生，则CO2的排放情况计算如式(11)：

(11)

式中：Pf为火力发电量;ΔPf为新增发电量;Pw为年发电总量;Q7为2016年发电造成的CO2排放；Q8为新增电能由清洁能源发电产生且总的发电量保持不变时不使用电动汽车造成的CO2排放总量。Q9为新增电能用于电动汽车充电，传统燃油汽车数目减少，此部分电能由煤炭燃烧发电产生所造成的CO2排放总量；ΔQ1、ΔQ2为CO2排放的相对变化量。

通过计算，Q8

4 结 论

结合国内2016年石油资源的消耗量及国家电网能源结构，城市工况下，对传统燃油车及纯电动汽对全生命周期CO2的排放情况进行计算，结论如下：

1)对于C级车百公里行驶里程，传统燃油车全生命周期CO2排放量为150 g，纯电动汽车全生命周期CO2排放量为111.932 g。

2)若2016年国内机动车所消耗的石油资源中50%由电能替代，对于C级车，从相同能量消耗角度看，汽车行驶百公里能耗等价，即可认为5.5 L(汽油)=5 L(柴油)=21.2 kW·h(电能)。2016年消耗汽油产生的CO2排放量为402.91×106吨，等价消耗电能695.53×109kW·h。

3)对2016年石油(仅包括汽油和柴油)与电能进行当量处理，基于全生命周期CO2排放情况，全年由汽车排放造成的CO2排放量为991.44×106t，等量消耗1 619.2×109kW·h的电能。

4)若2016年全年汽车燃油消耗量的一半由电能取代，则需要新增发电量为809.6×109kW·h,占2016年全年发电总量的13.18%。

5)2016年总汽油当量消耗量为378.066×109L。为使CO2排放量降至一半，且主要把汽油车替换成电动车，需要新增电动车1.9×108余辆，新增充电功率为570.06×106kW，将对当年的电网负荷提出更高的要求。

6)相比传统燃油车电动化，合理减少电网结构中煤炭的使用量对于降低CO2排放有更积极的意义。

计算过程均基于理论情况下，为了便于分析全生命周期CO2的排放情况，不同的能源全生命周期所产生的CO2排放视为定值。此外，电能的传送效率等具体细节考虑还远不够完善，在后续的研究工作中将进一步讨论。