基于GREET软件的新能源汽车能源消耗与碳排放影响分析

蒋鼎立，宋俐燕，王 玲

（华北电力大学（保定） 数理系，河北 保定 071003）

汽车作为技术成熟的代步工具，已深刻地融进了人民生活之中，据公安部统计，截至2022年3月底，我国汽车保有量已达到3.07亿辆。众所周知，汽车的保有量与种类增长会导致能源过度消耗、温室气体排放等诸多环境问题。为缓解这些问题，我国已逐步出台了许多政策，如传统内燃机汽车限号行驶、推广新能源汽车等。新能源汽车因其污染物减排的效果明显而被广泛推广。2022年3月底，我国新能源汽车保有量达到891.5万辆，其中纯电动汽车保有量为724.5万辆，并呈高速增长态势。虽然新能源汽车在行驶过程中减排效果显著，但其在能源消耗和污染物排放方面是否与传统内燃机汽车相比占优势，需要更进一步的科学分析。

结合当前国内市场分析，传统内燃机汽车仍占汽车市场主体，新能源汽车中以纯电动汽车与插电式混合动力车为代表。本文拟以上述三类汽车为例，从材料生产、组装、行驶、回收等几个阶段对汽车的能源消耗与污染物排放进行对比分析，考证新能源汽车是否在一定程度上优于传统内燃机汽车。

1 软件选择与参数确定

为解决汽车在其生命周期内能源消耗与污染物排放的问题，本文采用生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）的方法对汽车进行分析。关于汽车生命周期评价的方法，目前已有多种不同燃料路径与汽车技术实用化模型。例如美国阿贡国家实验室的GREET模型，多伦多大学的EIOLCA模型，中国汽车全生命周期碳排放核算模型等。其中，GREET模型和相应的“油井到车轮（Well to Wheel, WTW）”评价体系在该领域得到较为广泛的应用。GREET模型可以从汽车生产、组装、行驶、回收等多个阶段对汽车的能源消耗进行分析。而WTW体系通过将能源分为“油井到油泵（Well to Pump, WTP）”与“油泵到车轮（Pump to Wheel, PTW）”两个阶段来对能源消耗与污染物排放进行研究，从而更能清晰地发现不同类型汽车之间的区别。GREET模型框架如图1所示。

1.1 GREET软件概述

GREET软件分析路径有两种，一种为燃料生产消耗路径，另一种为汽车周期排放路径。通过该软件，研究人员可根据燃料与汽车不同的生产路径，设置距离参数，分析一种或多种路径组合下的能源消耗量与污染物排放。

GREET软件中已配备多种燃料与车辆研究模型，并且其数据库具有不同车型及相应默认数据，方便研究人员查找数据。在GREET软件中，汽车生命周期内能源消耗与污染物排放以表格形式输出，方便研究人员对结果进行分析。

GREET软件对能源生成过程分为四个阶段：原材料开采，提取；能源加工转化；能源运输，转化；能源使用。根据此模板设计能源结构用于实现能源使用各个过程，如图2所示。

1.2 汽车研究边界

结合我国汽车保有量及新能源汽车发展趋 势，本文对汽车参数所做的规定如表1所示。

1.3 污染排放方向及处理

根据生命周期评价理论，结合GREET软件分析传统内燃机汽车、插电式混合动力汽车与纯电动汽车行驶百公里内能源消耗情况及污染排放情况。因缺少我国关于能源转化等数据，故在使用GREET软件时只改变GREET模型中一次能源结构，其余数据保持默认值。虽我国与美国能源生产结构存在一定差异，但两国同属以化石能源为主的国家，排放特征具有相似特性。故结合GREET软件提供的基础参数进行计算，其结果相对准确，具有可信度。

参考《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，结合我国主要空气污染因素，选定九种污染物作为汽车排放研究对象，具体结果如表2所示。

根据各污染物影响结果不同，本文将排放物分为四种类型：温室气体、酸雨污染物、颗粒污染物和另类污染物。本文将根据上述四类指标对汽车污染排放进行分析。

1.4 电力能源结构

据《中国电力统计年鉴2021》数据，我国2020年发电量达到74 682亿千瓦时，各发电方式占比为燃煤发电61.99%，燃气发电3.38%，燃油发电0.02%，核能发电4.90%，风力发电6.25%，水力发电18.15%，太阳能发电3.50%，生物质能发电1.81%。具体如图3所示。此外，我国电力传输损失率达到5.60%。模型电力结构设置 ，实现电力能源供给。

1.5 汽车组件质量参数

GREET软件基于汽车各种组件质量、数量、更换次数，回收质量等参数用于计算分析汽车生产、组装、回收等阶段能源消耗与污染排放。本文基于GREET软件默认组件质量，结合提供汽车总质量与默认各系统质量占比提供出汽车各配件质量，如表3所示。汽车配件质量公式为

本文基于上述电力发电结构数据，实现GREET

式中，为提供汽车配件质量，kg；为GREET软件默认汽车配件质量，kg；为汽车默认质量，kg；为提供汽车质量。

1.6 污染物排放参数

本文参考文献[8-10]，结合国内汽车排放情况，对汽车行驶过程污染物排放情况进行定量，因纯电汽车在行驶过程中使用能源为电能，在行驶过程中并不产生排放，故污染物排放研究对象为传统内燃机汽车与插电混合动力汽车，结果如表4所示。

1.7 运输过程能耗

GREET软件为模拟能源在长距离运输过程中造成的能源消耗，其设置有能源运输阶段，结合我国能源运输特征，推断出我国能源平均运输水平，如表5所示。

2 结果分析

2.1 全生命周期内传统内燃机汽车与新能源汽车能耗分析

在相同汽车生产技术下，结合上文提供汽车配件质量参数及能源结构，使用GREET软件进行分析得出相应能源消耗量。由图3可知，全生命周期内传统内燃机汽车能源消耗量最大，而纯电动汽车与插电式混合动力车能源效率相差不大。其中纯电动汽车相比于传统内燃机汽车总能耗降低42%。插电式混合动力车情况与纯电动汽车类似，其原因可能与插电混合动力汽车驾驶模式占比不同有关。在本文中，设置CD（纯电动模式）占行驶里程70%，CS（燃油模式）占行驶里程30%，故其主要以电动模型完成形成，与纯电动汽车能源消耗情况类似。

从煤能源消耗情况可知，我国纯电动汽车和插电混合动力汽车能源主要来源仍是以火力发电为主，表明我国能源转化效率仍相对较低，造成大量能源流失。

从能源消耗角度分析，新能源汽车在节约能源方面具有较大优势，能有效缓解当今能源短缺现状，尤其是在石油能源方面。但从化石燃料消耗的角度上，无论是传统燃油汽车还是新能源汽车，化石燃料仍是主要消耗物，这是由我国能源结构导致的，短期内无法解决。

2.2 全生命周期内传统内燃机汽车与新能源汽车排放物分析

同上述条件，通过GREET软件分析得出污染排放量。如表6所示，三种车型各污染物排放量差异较为显著。仅从CO气体的排放量上分析，全生命周期排放量由大到小为传统内燃机汽车、插电混合动力汽车、纯电动汽车，即纯电动汽车排放量最少。纯电动汽车、插电式混动汽车相比于传统内燃机汽车CO气体减排效应分别为21.38%，5.40%。在WTP阶段，传统内燃机汽车所产生CO气体量最少，而纯电动汽车产生CO气体量最多，因纯电动汽车在WTP阶段完成由能源转化电力过程，故其在WTP阶段排放多于传统内燃机汽车。

从酸雨污染物角度分析，全生命周期内纯电动汽车排放量最多，传统内燃机汽车其次，插电式混合动力汽车最少。从颗粒污染物角度分析，三种车型PM排放量相差不大，但PM排放量纯电动汽车明显多于其余两种车型，而插电混合动力汽车也较明显多于传统内燃机汽车。从另类污染物上分析，传统燃油汽车多于插电混合动力汽车，而插电混合动力汽车多于纯电动汽车。

经上述分析可知，新能源汽车在温室气体与另类污染物的角度上优于传统内燃机汽车，在酸雨污染物和颗粒污染物的角度上劣于传统内燃机汽车。

2.3 全生命周期内传统内燃机汽车与新能源汽车成本分析

为综合分析不同种类污染物所造成的影响，本文从环境污染治理成本角度分析，以治理污染物的成本作为污染物排放对汽车综合影响。具体污染物对汽车综合影响成本公式为

式中，为治理污染物总成本，元；为相应污染物的单位排放成本，元/kg；为污染物排放量。

结合汽车的行驶能源成本，对汽车行驶中造成总能源成本进行分析，其具体公式为

式中，为汽车行驶总成本，元；为汽车能源消耗成本，元/kWh或元/L；为汽车单位公里行驶消耗能源，L/km或kWh/km。

参考文献[7]提供单位排放成本及汽车行驶成本，综合分析汽车行驶100km所需综合成本，其结果如图5所示。

从能源成本角度分析，传统内燃机汽车成本最高，插电混合动力汽车其次，纯电动汽车最低。传统内燃机汽车成本是纯电动汽车的3.56倍，插电混合动力汽车的1.89倍。故相比于传统内燃机汽车，新能源汽车所需要的成本更加优惠。

从排放物成本分析，其情况与能源成本类似。故总体分析，目前最值得推广汽车为纯电动汽车，其次为插电混合动力汽车，成本最高的为传统内燃机汽车。

3 结论

综上所述，在能耗方面，相同汽车生产技术下全生命周期内传统内燃机汽车能源消耗量最大，而纯电动汽车与插电式混合动力车能源相差不大。其中纯电动汽车相比于传统内燃机汽车总能耗降低42%，插电式混合动力车情况与纯电动汽车类似。从不同的能源种类消耗角度分析，传统内燃机汽车在煤能源消耗上比插电式混合动力车降低66%，比纯电动汽车降低78%。但在石油能源消耗上，传统内燃机汽车比插电式混合动力汽车多消耗336% ，插电式混合动力汽车比纯电动汽车多消耗675%。

在污染排放方面，以CO气体为例，纯电动汽车、插电式混动汽车相比于传统内燃机汽车CO气体减排效应分别为21.38%，5.40%。在另类污染物的角度上，插电式混合动力汽车、纯电动汽车相比于传统内燃机汽车降低52%与53%，但在酸雨污染物和颗粒污染物的角度上，传统内燃机汽车相比于插电式混合动力汽车与纯电动汽车降低60%与73%。

在总成本方面，纯电动汽车与插电式混合动力汽车相较于传统内燃机汽车分别降低79%和51%。在能源消耗成本上，纯电动汽车相比于传统内燃机汽车更是减少87%。

综上所述，新能源汽车的出现在一定程度上利大于弊。新能源汽车在能源消耗的角度上有效解决汽车能源消耗过多问题，但仅限于总体上，在煤能源消耗上，新能源汽车消耗量是多于传统内燃机汽车的。在温室气体减排上，新能源汽车也比传统内燃机汽车具有优势，尤其在行驶阶段，新能源汽车能明显降低温室气体排放效应。在成本方面，新能源汽车更是减少汽车购买成本及后续使用所带来的经济消耗。而新能源汽车所造成酸雨污染物和颗粒污染物问题可通过发展能源生产技术与高新科技来解决。故就目前形势，新能源汽车，尤其是纯电动汽车，是我国汽车种类代步工具中的最佳选择。