电动汽车与燃油汽车能耗排放对比分析

程冬宏，高有山，弓旭峰，李思超

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

随着近些年汽车数量的显著增加，传统燃料汽车所带来的能源危机和环境污染等问题也越来越受到社会的关注[1-2]。因此国家相关部门出台多项优惠政策，鼓励纯电动汽车的市场推广[3]。然而纯电动汽车虽然使用电能行驶，而我国80%的电能属于火力发电，所以说纯电动汽车并不是完全意义上的“零排放”。因此，本文对比分析了传统汽车与纯电动汽车的能量消耗与温室气体排放方面的问题，这对我国推进汽车行业的发展有重要意义。

1 能量消耗与温室气体排放分析原理

1.1 煤炭、原油、天然气开采能量消耗

国产和进口煤炭、原油、天然气开采综合能量消耗根据各自所占比重加权，煤炭、原油、天然气开采过程的能量消耗Qm：

Qm=α%Qm,d+(1-α%)Qm,a

(1)

式中:Qm,d，Qm,a分别是国内和进口开采每MJ煤炭、原油、天然气的能量消耗(MJ·MJ-1)；α为国内煤炭、原油、天然气开采能耗占国内外总开采能耗的百分比。

1.2 煤炭、原油、天然气运输能量消耗

国产和进口煤炭、原油、天然气运输综合能量消耗根据各自所占比重加权，煤炭、原油、天然气运输过程的能量消耗Qt：

Qt=β%Qt,d+(1-β%)Qt,a

(2)

式中：Qt,d，Qt,a分别是国内和进口运输每MJ煤炭、原油、天然气的能量消耗(MJ·MJ-1)；β为国内煤炭、原油、天然气运输能耗占国内外总运输能耗的百分比。

1.3 炼油与发电能量消耗

火力发电综合能耗根据煤、油、气发电过程中能耗的比重进行加权取平均值，化石燃料发电过程的能量消耗Qe：

Qe=(a%Qe,c+b%Qe,g+c%Qe,o)/3

(3)

式中：Qe,c,Qe,g,Qe,o分别是每MJ煤炭、原油和天然气发电的能量消耗(MJ·MJ-1)；a，b，c分别煤，油，气发电所占火电总量的百分比。

1.4 温室气体排放

煤炭、原油、天然气在开采、运输、炼油及发电过程中产生的第k种温室气体排放是将各个生产过程中的气体排放进行求和，表达式如下：

(4)

式中：i=(1,2,3)分别表示煤炭、原油、天然气三种化石燃料；mi,j,k为第i种化石燃料在第j种工艺过程中排放第k种温室气体所消耗的能源数据(kg)；ui,j,k为第i种化石燃料在第j种工艺过程中排放第k种温室气体的排放因子(kg/kg)；Mk为第k种排放物的总排放量(kg).

2 能量消耗与温室气体排放分析过程

2.1 煤炭、原油、天然气开采能量消耗

2014年我国化石燃料在国内开采与国外进口中的统计情况[4]，见表1。开采1t煤炭需要消耗9.26 kg原煤、0.37 kg汽油、0.26 kg柴油、25.29 kW·h电[5]，原煤、汽油、柴油、电的热值分别按20.9 MJ/kg，43 MJ/kg，46.04 MJ/kg，3.6MJ/kW·h计算[6]，由于国外进口煤炭所占比重比较小，所以忽略不计，则煤炭开采的综合能耗为0.02 MJ/MJ；在我国，1 t原油开采的能耗为157.69 kg标准煤[7]，标准煤的热值按29.27 MJ/kg计算，原油的低热值按41.8 MJ/kg计算，则国内原油开采的综合能耗为0.11 MJ/MJ；进口原油开采能量消耗使用世界的平均值0.08 MJ/MJ[8]，则由式(1)可得综合原油开采能量消耗0.09 MJ/MJ；1 m3天然气开采能耗为0.14 kg标准煤[7]，则天然气开采综合能耗为0.11 MJ/MJ.

表1 2014年我国化石燃料统计情况
Tab.1 National fossil fuel statistics in 2014

2.2 煤炭、原油、天然气运输能量消耗

煤炭在铁路运输过程中约有1%的煤炭因随风抛散而直接浪费[9]，再加上运输工具消耗柴油，运输1 t煤炭需要消耗10.1 kg煤粉、3.49 kg柴油[5]，可计算出煤炭运输能耗为0.01 MJ/MJ；进口原油主要通过海路运输和铁路运输(前苏联2.1103km)[8]，其中海运油轮的油耗率为0.68 g/(km·t)，国外原油主要进口地分别为中东、西非、中南美等地区，海运路线总长为4.9104km[10]，根据我国原油进口的地区、数量以及运输方式可计算出进口原油运输能耗为0.01 MJ/MJ.国内原油以铁路、水路、管道运输方式为主，平均运输分别为9.3102km，4.3102km和3.1102km[11]，其中原油水路，铁路，管道能耗分别为2.13 MJ/(km·t)，0.11MJ/(km·t)，0.003 MJ/(km·t)，则国内原油运输能量消耗为0.01 MJ/MJ，由(2)式得原油运输综合能耗为0.01 MJ/MJ；天然气主要采用管道运输占天然气运输总量的71%(2.3103km)，天然气管道能耗为3.710-3MJ/(t·km)，天然气的热值按35.88 MJ/m3，则其能耗9.310-3MJ/MJ.

2.3 炼油与发电能量消耗

炼油综合能耗是指在炼油过程中被消耗的能量，全国炼油综合能耗[12]为63.42 kg标油/t，2014年炼油中间消费标油505.68 Mt，标油的热值按60.79 MJ/kg计算，则炼油综合能耗为9.2210-2MJ/MJ.

我国电力结构中主要以火力发电为主[13]，2014年火力发电量为4.31012kW·h，其中煤电4.0×1012kW·h，气电1.3×1012kW·h，油电4.4×109kW·h，在火力发电中所占比重分别为92.55%，3.12%和0.103%[14]，其中还有一部分是煤矸石、生物质和生活垃圾等燃料进行合理利用发电，由于比重甚小，此处忽略。由于煤、气、油发电标准煤耗率[15]分别为333 g/(kW·h)、246 g/(kW·h)、293 g/(kW·h)，则由(3)式得发电综合能耗为0.863 9 MJ/MJ，表2列出了原煤、原油、天然气分别在开采、运输、炼油及发电全过程中的能量消耗清单情况。

表2 原煤、原油、天然气能量消耗清单情况
Tab.2 Energy consumption of raw coal，crude oil and natural gas

2.4 煤炭、原油、天然气开采、运输、炼油及发电温室气体排放

表3为原煤、原油、汽油、柴油燃烧时，CO2、CH4、SO2、NOX温室气体排放因子[16-18]，则可得煤炭开采、运输、发电各阶段温室气体排放情况，再由式(4)计算出原煤全过程温室气体排放量。原煤、原油、天然气开采、运输、炼油发电全过程温室气体排放清单结果，见表4.

表3 温室气体排放因子
Tab.3 Greenhouse gas emission factors

能源种类排放因子/( kg/kg)CO2CH4SO2NOX原煤2.010.020.030.03汽油2.990.130.030.01柴油3.160.130.030.06

表4 原煤、原油、天然气全过程温室气体排放量
Tab.4 Greenhouse gas emissions of raw coal，crude oil and natural gas during the whole process

能源种类温室气体/( kg/MJ)CO2CH4SO2NOX原煤1.29×10-12.72×10-50.15×10-28.96×10-4原油3.363.28×10-48.61×10-38.36×10-3 天然气2.682.62×10-16.85×10-36.71×10-3

3 车辆百公里能耗与温室气体排放对比分析

3.1 车辆百公里能量消耗

计算百公里能耗除了汽车本身行驶一百公里所消耗的能耗外，还要追溯到上游从原料开采到炼油厂和发电厂进行炼油发电整个生命周期的能量消耗。选取国内同一车型的汽油车和电动车为评价对象，其中汽油车综合工况油耗为5.9 L/100 km，汽油密度为ρ=0.725 kg/L，则百公里能耗为219 MJ/100 km.电动车综合工况用电为12 kW·h/100 km，则百公里能耗为91 MJ/100 km.

3.2 车辆百公里温室气体排放

纯电动汽车虽然自身所需电能是无污染能源，但电能产生过程中的温室气体也要向上游追溯。据相关资料，中石油、中石化两大石油企业每吨原油可炼制汽油分别为0.215 t，0.177 t，本文取二者的平均值为0.196 t，则炼制5.9 L汽油需要原油912.24 MJ.汽油车百公里温室气体排放应为5.9 L汽油与912.24 MJ原油产生的气体总和。上文提到煤、气、油在火力发电中的比重分别为92.55%，3.12%和0.103%，则每MJ 电能生成的温室气体分别为0.206 kg CO2、0.008 kg CH4、0.002 kg SO2、0.001 kg NOx.表5列出了两种车辆百公里能量消耗与温室气体排放对比情况，与传统汽车相比，纯电动汽车在能量消耗与温室气体排放方面仅为传统汽车的41.5%和6.1%.

表5 车辆百公里能量消耗与温室气体排放
Tab.5 Vehicle 100 km energy consumption and greenhouse gas emissions

车辆种类能量消耗/(MJ/100 km)气体排放(kg/100 km)CO2CH4SO2NOX汽油车2193 077.890.630.190.09电动车91187.670.740.140.09

4 结 论

通过分析煤炭、原油和天然气从开采到使用过程中的能量消耗及温室气体的排放情况，计算得到了国内同一车型的汽油车和电动车百公里的能量消耗和温室气体排放量，主要得出以下结论：

(1)在CO2、CH4、SO2、NOx四种温室气体中，CO2气体排放量所占比重最大，均超过90%，因此对CO2排放量的有效控制，可以大幅度降低温室效应所带来的危害。

(2)煤炭、原油、天然气开采的综合能耗分别为0.02 MJ/MJ、0.09 MJ/MJ、0.11 MJ/MJ，说明由于固态、液态、气态三种化石燃料的属性不同，其在开采过程中的能耗依次增大。

(3)在能源利用和温室气体排放方面，纯电动汽车百公里能耗与温室气体排放量仅为传统汽车的41.5%和6.1%，进一步说明发展电动汽车对资源利用与环境保护都有重要的意义，但是也反映出纯电动汽车并非真正意义上的“零排放”，排放的温室气体主要集中在生成电能的上游环节，若从上游环节进行治理，将会进一步降低温室气体的排放。