基于GREET软件的不同能源城市客车的燃料全生命周期环境影响评估

李跃娟， 华子清， 冯倜龙， 张筱璐， 卢 强

(1.北京工业大学 材料与制造学部， 北京 100024； 2.中国汽车技术研究中心有限公司， 天津 300300)

为了探究新能源城市客车相比传统柴油城市客车对我国环境以及能源结构的影响，本文利用美国阿贡国家实验室开发的针对车辆及燃料全生命周期评估的软件GREET，对纯电动、CNG、氢燃料电池和传统柴油城市客车所使用的“燃料”进行全生命周期环境效应评估，为相关部门制定新能源城市客车的发展策略提供参考。

1 基于GREET软件的评估方法

汽车的全生命周期分为车辆周期和燃料周期两部分，其中燃料周期是指从燃料开采的源头开始到燃料在汽车使用过程中燃尽为止，是一个从“摇篮”到“坟墓”的过程，包括油井到油泵(WTP)和油泵到车轮(PTW)两个阶段。燃料全生命周期(WTW)的能耗和排放分别等于这两个阶段的能耗总和以及排放总和。本文采用美国GREET软件来比较准确地评估几种城市客车“燃料”的全生命周期环境影响。

1.1 GREET软件概述

电子表格化的GREET软件包含两条路径，一条为丰富的燃料路径，另一条为复杂先进的车辆技术路径。通过该软件，研究人员能够根据不同的“燃料”和车辆技术路径，设置路径过程参数，模拟分析多种组合路径下的能源消耗量和污染物排放。

GREET软件的数据库中有不同车型及其对应的基础默认数据，但该软件数据库仅将美国的相关数据设为默认数据，并无其他国别数据可供选择。虽然美国和中国存在一定差异，但是美国与中国同属以化石燃料为主的国家，其排放特征具有相似性，且软件中已有的美国数据相对准确，其可信度更高。因此，本次研究中燃料的开采及其过程燃料的消耗数据与后续车辆燃料使用的排放物数据，皆保持原软件中的数据默认设定。

在GREET软件中选取相同的城市客车车型，依次改变车辆所使用的动力“燃料”，利用控制变量的方法提取不同“燃料”，驱动车辆行驶100 km，对所消耗的能源和污染物的排放量进行对比分析。GREET软件的交互操作流程为程序启动-燃料及车辆选择-参数编辑-结果输出。

1.2 评估指标的选取

研究在GREET软件中进行，确立以下五类指标作为评估对象：能量消耗(总能耗、化石燃料、非化石燃料)、常规大气污染物(VOC、CO)、主要温室气体(CO)、颗粒污染物(PM、PM)、酸雨污染物(SO、NO)。

其中，WTP与PTW阶段的VOC、CO、NO、SO、PM、PM排放之和构成了整个燃料周期的这几种污染物的排放量，而CO排放采用碳平衡法计算。有关计算公式参见GREET使用手册。

2 结果分析

2.1 全生命周期的能耗分析

基于GREET软件，提取出柴油、CNG、纯电、氢燃料电池四种城市客车使用的“燃料”全生命周期内各种能源的能耗量，见表1。可以看出，在相同能源结构与技术路线下，CNG城市客车的燃料周期能耗最大，其次是传统柴油和氢燃料电池城市客车。纯电动城市客车的燃料周期能耗最小，与CNG城市客车相比减少了57%，与传统柴油城市客车相比减少了49%，与氢燃料电池城市客车相比减少了33%。所以单从节能的角度看，推广纯电动城市客车的使用更有优势。

表1 四种城市客车燃料全生命周期内的能耗量 MJ/100 km

另外还可以看出，纯电动城市客车消耗的煤炭能源占比最多，这是因为美国同我国一样，电能主要是通过火力发电；氢燃料电池城市客车对天然气的消耗量最大，这是由于目前的主要制氢方式是天然气制氢。

燃料生命周期内的总能耗是由WTP和PTW两个阶段的能耗组成。对比WTP阶段燃料生产、加工和运输等阶段的能耗量，氢燃料电动城市客车的能耗最大且与纯电动城市客车能耗相近，传统柴油城市客车和CNG城市客车的能耗较小，纯电动城市客车和氢燃料电池城市客车能耗为传统柴油城市客车和氢燃料电池城市客车能耗的1.6～1.7倍。这是由于目前电力结构中火力发电占比较高且效率相对低下，造成了大量的能源消耗；氢能燃料电池技术是将纯氢或含氢燃料中化学能转化为电能的技术，其中制氢、储氢、运氢等氢能技术的各个环节还未形成规模，也造成能耗比较大；柴油和天然气加工技术发展时间长，成熟度高，能源转换率高，所以以柴油和天然气为主要燃料的传统柴油城市客车和CNG城市客车在WTP阶段的能耗比较小。

虽然在WTP阶段柴油城市客车和CNG城市客车能耗比较小，但在PTW阶段这两种城市客车的能耗远远大于纯电动和氢燃料电池城市客车。这是因为车辆运行阶段，柴油和天然气车内燃机的热效率远远低于电动车和燃料电池车。从能耗占比的角度看，这种差异更明显。PTW阶段的能耗在各自燃料周期总能耗的占比如下：柴油城市客车为84%、CNG城市客车为87%、纯电动城市客车为49%、氢燃料电池城市客车为65%。

对比纯电动和氢燃料电池城市客车，虽然在燃料生产运输阶段两种车消耗的能源几乎相同，但在车辆运行阶段，燃料电池城市客车的能耗远远大于纯电动城市客车的能耗。这是因为燃料电池中的电堆是燃料电池系统的核心组件，其中电堆效率和电池系统效率共同影响了氢耗水平，相比纯电动车的动力系统效率，处于起步阶段的燃料电池车效率会低。所以使用电能作为驱动能源，可明显降低城市客车在运行过程中的能量消耗。

2.2 全生命周期几种污染物排放量分析

1) 大气污染物排放分析。表2为传统柴油城市客车与三种新能源城市客车常规大气污染物VOC和CO排放量对比。可以看出四种“燃料”城市客车的VOC排放主要集中在生命周期的WTP阶段。在整个生命周期内CNG城市客车VOC排放量最大，约是纯电动城市客车的3.27倍。四种城市客车的CO排放量差异明显，柴油和CNG城市客车的CO排放量要比纯电动和氢燃料电池城市客车高很多。其中，氢燃料电池城市客车在整个生命周期内排放的CO量最少，CNG城市客车最多，高达1.51 kg/100 km，约是氢燃料电池城市客车的59.45倍，并且主要集中在PTW阶段。纯电动和氢燃料电池城市客车在PTW阶段常规大气污染物VOC和CO的排放都是0。

表2 四种城市客车常规大气污染物排放量对比 kg/100 km

2) 温室气体排放分析。传统柴油城市客车与新能源城市客车主要温室气体CO的排放量对比见表3。

表3 四种城市客车温室气体排放量对比 kg/100 km

可以看出，在整个燃料生命周期过程中，传统柴油城市客车的CO排放量高居榜首，分别是CNG、纯电、氢燃料电池城市客车的1.18、2.34、1.70倍。新能源城市客车相比传统柴油城市客车的温室气体减排效应分别为15%、57%、41%，纯电动城市客车CO的排放量最少。传统柴油城市客车和CNG城市客车的CO主要集中在车辆行驶阶段，而纯电动城市客车和氢燃料电池城市客车在行驶阶段的CO排放为0，这两种车型的CO排放主要集中在WTP燃料生命周期生产运输阶段，因为它们的动力燃料主要来自于火力发电和甲烷制氢。

3) 酸雨污染物排放分析。表4为传统柴油城市客车与新能源城市客车酸雨污染物NO和SO的排放量对比，从表中可以看到，CNG城市客车的NO排量最大，柴油城市客车紧随其后，氢燃料电池城市客车最小。在酸雨污染物SO的排放方面，纯电动城市客车并没有占优势，而是存在明显劣势，纯电动城市客车的SO排放量最高的原因是火力发电时，煤炭虽然经过了脱硫、脱硝处理，但仍会产生数量可观的硫氧化物。这也导致了纯电动城市客车的SO排放主要集中在WTP阶段。氢燃料电池城市客车在NO排放方面具有明显优势，NO和SO两种污染物的排放均发生在燃料周期的WTP阶段。

表4 四种城市客车酸雨污染物排放量对比 kg/100 km

4) 固体颗粒污染物排放分析。表5为四种城市客车PM和PM固体颗粒物的排放量对比。可以看出，纯电动城市客车的这两种固体颗粒物的排放量最大，并且基本上集中在WTP上游阶段，这是因为在发电过程产生大量的灰尘。CNG城市客车在PM和PM排放量方面具有明显优势，全生命周期内PM和PM固体颗粒物排放量分别是纯电动城市客车的63%和35%，在WTP阶段这两个数字下降到32%和20%。但随着发电效率的提高以及新能源发电的推进，纯电动城市客车的固体颗粒物的排放量将会大幅度减少。

表5 四种城市客车固体颗粒污染物排放量对比 kg/100 km

对比四种车的WTP和PTW阶段的所有污染物的排放，不难发现，传统柴油城市客车和CNG城市客车的排放主要出现在PTW阶段，排放来源主要是燃料燃烧所释放的尾气；而纯电动城市客车和氢燃料电池城市客车的污染物排放主要出现在WTP阶段，在PTW阶段基本实现零排放，污染物主要来源于电源和氢燃料电池的生产。

3 结 论

本文根据GREET软件对我国四种能源城市客车所使用的不同“燃料”进行了全生命周期评估对比，主要结论如下：

1) CNG城市客车在能源生产阶段能量消耗最低，但在全生命周期内能耗最大；温室气体的排放以及颗粒物的排放相比柴油燃料有所降低；硫化物与氮氧化物等能够形成酸雨等自然灾害的气体排放量比柴油燃料多。

2) 纯电动城市客车在能源生产阶段能量消耗较大，但在全生命周期内能耗最小；其污染物排放主要集中在WTP阶段。其VOC、CO、CO的排放量较小，而在NO和SO的排放上并没有优势，尤其是颗粒物的排放在四种城市客车中最高，约为柴油城市客车的3倍。

3) 氢燃料电池城市客车在能源生产阶段能量消耗最大，基本与纯电动城市客车相等；但在全生命周期内能耗较小，仅高于纯电动城市客车；在行驶阶段几乎不排放任何污染物，排放主要集中在燃料生产阶段；除了颗粒物的排放外，氢燃料电池城市客车都要比传统城市客车具有优势。随着制氢技术的成熟，氢燃料电池城市客车的排放优势会越来越明显。