煤層氣汽車燃料的生命周期溫室氣體排放分析

蘇旭東，葛曉華，張 瑤，秦 艷

（山西省生態環境研究中心，太原 030009）

煤層氣汽車燃料的生命周期溫室氣體排放分析

蘇旭東，葛曉華，張 瑤，秦 艷

（山西省生態環境研究中心，太原 030009）

煤層氣是一種清潔、高效、低碳的替代能源，在我國交通運輸領域有非常廣闊的應用前景。文章基于對各類運輸企業調研獲得的實際運營能耗數據，對煤層氣車輛和燃油車輛在燃料燃燒階段的CO2、CH4、N2O三種溫室氣體排放情況進行了實際測算，同時從生命周期的視角對煤層氣用作汽車燃料和油品燃料的上游溫室氣體排放進行了考查，對煤層氣汽車相比燃油汽車在溫室氣體減排方面的效益作出了客觀評價。

煤層氣；汽車燃料；生命周期；溫室氣體

煤層氣是煤層本身自生自儲式的非常規天然氣，我國的煤層氣資源量達36.8萬億立方米，居世界第三位，其中山西省煤層氣資源量達10萬億立方米。隨著“氣化山西”戰略的實施，煤層氣在山西省經濟社會發展中的應用領域不斷拓寬，在交通運輸領域的應用也不斷加快。

煤層氣用作汽車燃料與燃油相比，尾氣中CO、HC、NOx等污染物排放量顯著降低[1]，同時經濟性較優，是良好的替代燃料。然而筆者發現，在評價煤層氣汽車的溫室氣體減排效益時，企業或相關單位往往只通過基于熱值折算的燃料替代關系進行簡單計算，并且只計算了CO2的排放，忽略了CH4和N2O的排放，少有基于各類運輸車輛的實際運營燃料消耗數據進行CO2、CH4、N2O三種溫室氣體的排放測算。同時，煤層氣和油品燃料上游生產階段的原料、工藝、運輸等完全不同，僅按照燃料燃燒階段的溫室氣體排放量來評價燃料是否低碳顯然是不全面的。

因此，為了客觀評價煤層氣汽車的溫室氣體減排效益，本文以山西省晉城市為代表，對該市煤層氣汽車應用較多的貨運、客運、公交、出租行業進行了企業調研，收集了各類車輛的運營能耗數據，以準確計算各類車輛在實際運營狀態下的CO2、CH4、N2O三種溫室氣體排放情況，并與燃油汽車進行對比。在此基礎上，借鑒已有相關研究結論，從生命周期的視角評價煤層氣作為汽車燃料與傳統汽車燃料相比的溫室氣體排放水平。

1 研究對象與研究邊界

1.1 研究對象

本文研究對象為采用油品燃料以及煤層氣燃料的貨運車輛、客運車輛、公交車以及出租車。

1.2 研究邊界

本文采用“從井口到車輪”（Well to Wheel）的研究思路，分別對燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放以及上游階段的溫室氣體排放進行測算，從而獲得燃料的生命周期溫室氣體排放量。研究邊界如圖1所示。

圖1 邊界示意圖

2 溫室氣體排放測算方法

2.1 燃料燃燒/車輛使用階段溫室氣體排放測算方法

燃料燃燒/車輛使用階段溫室氣體排放主要包括CO2、CH4、N2O三種溫室氣體類型，其測算方法采用排放因子法，即：

式中，EFuel為燃料燃燒階段的溫室氣體排放量，以CO2當量表示；AD為活動水平及燃料的消耗量；EFi為第i種溫室氣體的排放因子，i分別為CO2、CH4和N2O；GWPi為第i種溫室氣體的全球變暖潛勢值，i分別為CO2、CH4和N2O。根據IPCC第二次評估報告，CH4和N2O的全球變暖潛勢值分別為21和310。

2.1.1 活動水平數據的獲取

為考察不同用途類型的煤層氣汽車與傳統燃油車相比在燃料燃燒階段的溫室氣體排放情況，選擇了貨運、客運、公交、出租各1家企業，依據企業能源消費統計數據，分別選擇其代表性車型，對車型相同、燃料類型不同的車輛的油耗、氣耗數據進行了收集。調研車型如表1所示。

表1 不同車輛類型的調研車型情況

2.1.2 排放因子的確定

（1）CO2排放因子

根據《省級溫室氣體清單編制指南（試行）》（發改辦氣候〔2011〕1041號）（以下簡稱《指南》），CO2排放因子計算方法如下：

其中，汽油、柴油的平均低位發熱量采用《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2008）（以下簡稱《通則》）中提供的數據。由于《通則》沒有提供煤層氣的低位發熱量數據，因此本文對晉城市四家加氣站進行了實地調研得到煤層氣的平均低位發熱量；汽油、柴油的單位熱值含碳量采用《指南》中提供的數據，煤層氣的單位熱值含碳量數據同樣基于調研獲得；燃料的碳氧化率參照《指南》中提供的數據。采用的各類燃料二氧化碳排放因子如表2所示。

表2 各類燃料的CO2排放因子

（2）CH4和N2O排放因子

各類燃料的CH4和N2O排放因子采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中提供的數據，如表3所示。

表3 各類燃料的CH4和N2O排放因子

2.2 燃料上游階段溫室氣體排放測算方法

燃料上游階段的溫室氣體排放包括原料開采、原料運輸、燃料生產、燃料運輸儲存和分配等過程，其溫室氣體排放測算涉及部門多、數據收集難度大、計算過程復雜。鑒于目前已有許多相關學者對此部分排放進行過研究[2-6]，并且研究結論類似，因此，借鑒相關研究結論對各類燃料的上游排放進行估算，基本可以反映各類燃料上游階段的溫室氣體排放水平，可滿足客觀、全面評價煤層氣汽車溫室氣體減排效益的要求。

3 燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放

3.1 貨運車輛

3.1.1 溫室氣體排放測算結果

基于對晉城市貨運行業企業的調研結果，本文選取了兩類代表性車型，分別收集了車輛的平均燃料消耗數據，對兩類貨運車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平進行測算，測算結果如表4所示。

3.1.2 測算結果分析

由表4可見，煤層氣車輛燃料燃燒溫室氣體減排比例僅在2%～3%，減排效果并不明顯。按照交通運輸部

煤層氣的單位熱值含碳量明顯低于傳統油品燃料，即提供相同熱量的碳排放低于柴油。基于實際調研數據，僅燃料類型不同、其他參數相同的貨運車輛，煤層氣車輛的百公里耗熱量約為柴油車輛的1.2倍，這意味著同樣的行駛里程煤層氣車輛需要消耗的熱量更多，實際的能源替代當量比為1.5m3/kg，明顯高于理論當量比，增加的煤層氣消耗量抵消了很大一部分溫室氣體

減排量，造成減排效益的降低。同時，由表4可見煤層氣車輛的CH4排放量明顯高于燃油車輛，但由于燃料燃燒CH4和N2O排放量僅占到溫室氣體排放總量的4.7%左右，因此CH4和N2O排放并不是影響溫室氣體減排效益的主要原因。

表4 貨運車輛燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測算結果

表5 客運車輛燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測算結果

表6 公交車燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測算結果

表7 出租車燃料燃燒/車輛使用階段GHG排放測算結果

3.2 客運車輛

3.2.1 溫室氣體排放測算結果

基于對晉城市客運行業企業的調研結果，煤層氣客車在晉城市應用比較普遍，基本涵蓋了各類車型，本文選取了三類代表性車型，分別收集了車輛的平均燃料消耗數據，對三類客運車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平進行測算，測算結果如表5所示。

圖書館信息服務社會化芻議…………………………………………………………………………………………田會新（1.59）

3.2.2 測算結果分析

由表5可見，采用煤層氣作燃料的客運車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平明顯低于柴油車輛，平均減排比例達到10.8%，減排效果明顯好于貨運車輛。基于測算數據，煤層氣客車的百公里耗熱量約為柴油車輛的1.1倍，僅略高于柴油車輛。由3.1節分析結果可知，煤層氣客車的燃氣發動機燃料燃燒熱量轉化為有用功的效率接近傳統柴油發動機，做等量的功消耗的煤層氣更少，與煤層氣貨車相比，燃料替代當量比由1.5m3/kg左右下降至1.4m3/kg左右，即用更少的煤層氣可替代等量的柴油消耗，從而提升了溫室氣體減排效益。

3.3 公交車

3.3.1 溫室氣體排放測算結果

基于對晉城市公交行業企業的調研結果，煤層氣公交車在晉城市應用比較普遍，本文選取了三類代表性車型，分別收集了車輛的平均燃料消耗數據，對三類公交車輛燃料燃燒溫室氣體排放水平進行測算，測算結果如表6所示。

3.3.2 測算結果分析

如表6所示，煤層氣公交車燃料燃燒溫室氣體排放水平顯著低于柴油公交車，平均減排比例達到21.6%，已接近按照《核算細則》計算的理論減排比例。基于測算數據，三個等級的煤層氣公交車與柴油公交車百公里耗熱量水平基本相當，燃料替代當量比平均為1.22m3/kg，已經接近《核算細則》中1.2m3/kg的理論值，說明煤層氣公交車和柴油公交車行駛同樣的里程消耗的熱量基本相同，在此情況下，煤層氣單位熱值含碳量低的優勢得以充分顯現，使得煤層氣公交車的溫室氣體減排效益明顯。

3.4 出租車

3.4.1 溫室氣體排放測算結果

與煤層氣貨車、客車、公交車僅采用煤層氣作燃料不同，本次調研的燃氣出租車均為汽油-煤層氣混合動力車型，其中煤層氣為主要燃料，少量汽油作為輔助燃料。為準確計算溫室氣體排放量，本文對兩種燃料的消耗都進行了統計與測算，結果如表7所示。

3.4.2 測算結果分析

由表7可見，油氣混合動力出租車燃料燃燒溫室氣體排放水平低于汽油出租車，減排比例約為11.8%。基于測算數據，油氣混合動力出租車和汽油出租車的百公里耗熱量基本相同，因此，行駛相同里程油氣混合動力出租車與汽油單燃料出租車所需的熱量基本相同，油氣混合動力出租車以煤層氣為主要燃料，所需熱量的96%由煤層氣提供，煤層氣單位熱值含碳量低的優勢得以顯現，因此取得了明顯的溫室氣體減排效果。

4 燃料的生命周期溫室氣體排放評價

煤層氣從原料開采、燃料生產到燃料運輸和分配等各上游階段的工藝、技術和能源消費情況與傳統油品燃料相比存在很大差異，要全面、客觀地評價煤層氣汽車的溫室氣體減排效益，必須考慮燃料上游階段的溫室氣體排放。

4.1 燃料上游階段的溫室氣體排放

按照本文的研究邊界，燃料上游階段包括原料開采、原料運輸、燃料生產以及燃料運輸、儲存和分配四個階段。煤層氣作為汽車燃料通常有CNG和LNG兩種形式，二者的差異在于物理狀態和儲存方式的不同，但由于二者在燃料生產、燃料運輸等環節存在顯著差異，必須分別考慮其上游環節的溫室氣體排放。

已有研究者對汽油、柴油、CNG、LPG等燃料上游環節的溫室氣體排放進行了研究[2]，考慮了各上游環節的CO2、CH4和N2O三種溫室氣體排放，并同樣基于IPCC第二次評估報告提供的GWP值給出了各上游環節溫室氣體排放的CO2當量，因此其研究結論可以與本文燃料燃燒/車輛使用階段的測算結果進行合理對接。

山西省汽油、柴油消費基本依賴外部調入，因此本文汽油、柴油的燃料上游階段溫室氣體排放直接借鑒了上述研究結論；由于國內暫未見到關于煤層氣開采階段溫室氣體排放的相關研究，因此暫時借鑒了天然氣開采階段的溫室氣體排放研究結論；LNG的壓縮液化、運

輸、儲存和分配與LPG類似，因此借鑒了LPG在上述環節的溫室氣體排放研究結論。汽油、柴油、CNG、LNG燃料上游階段溫室氣體排放情況如圖2所示。

圖2 各類燃料上游階段的溫室氣體排放

由圖2可見，CNG、LNG在原料開采、原料運輸階段的溫室氣體排放水平高于汽油和柴油，同時，LNG的液化過程能耗較高，因此LNG上游階段溫室氣體排放在四種燃料中最高；CNG雖然不需液化，但其壓縮過程能耗也較高，因此其上游階段溫室氣體排放接近汽油；汽油和柴油雖然在原料開采、原料運輸階段的溫室氣體排放較低，但燃料生產加工環節涉及化工生產工藝，是其上游階段的溫室氣體排放的主要來源；柴油在燃料生產階段的溫室氣體排放水平低于汽油，其他環節與汽油相同，使其成為四種燃料中上游階段溫室氣體排放最低的燃料類型。

4.2 各類車輛的燃料生命周期溫室氣體排放

基于各類車輛燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放測算結果以及各類燃料上游階段的溫室氣體排放分析結果，分別選取四類車型為例，其車輛燃料生命周期溫室氣體排放情況如圖3所示。

由圖3可見，當考慮到燃料上游的溫室氣體排放時，煤層氣貨車的生命周期排放甚至超過了柴油車輛，尤其是LNG貨車，其生命周期溫室氣體排放高于柴油和CNG貨車。在客運車輛方面，雖然煤層氣車輛在燃料燃燒/車輛使用階段具有一定的溫室氣體減排效果，但當計入CNG和LNG的上游溫室氣體排放時，其生命周期溫室氣體排放并沒有比柴油明顯降低。在公交車方面，由于煤層氣公交車在燃料燃燒/車輛使用階段的減排效果比較明顯，當考慮到燃料上游的溫室氣體排放時，雖然CNG和LNG公交車的燃料上游溫室氣體排放高于柴油公交車，減排效益仍比較明顯。在出租車方面，CNG雙燃料出租車的溫室氣體減排效果由僅考慮燃料燃燒/車輛使用階段的11.2%下降至8.9%，仍具有一定的減排效益。

圖3 各類車輛的燃料生命周期溫室氣體排放情況

5 結論

（1）在采用基于企業調研的實際運營燃料消耗數據計算燃料燃燒/車輛使用階段的溫室氣體排放時，不同類型煤層氣車輛的減排效益差別較大，煤層氣貨運車輛減排效果最不明顯，煤層氣客運車輛和出租車具有一定的減排效果，煤層氣公交車減排效果最好。

（2）煤層氣作為車用燃料在上游的原料開采、原料運輸階段的溫室氣體排放高于汽油、柴油，其中LNG燃料由于液化過程耗能量較大，上游階段的溫室氣體排放最高，其次為汽油、CNG，柴油在燃料上游階段的溫室氣體排放最低。

（3）在考慮燃料的生命周期溫室氣體排放時，采用煤層氣作燃料的貨運車輛燃料生命周期溫室氣體排放甚至高于柴油車輛；煤層氣客運車輛的燃料生命周期溫室氣體排放與柴油車輛相近，減排效果并不明顯；煤層氣公交車和出租車的燃料生命周期溫室氣體減排效益雖然低于僅考慮燃料燃燒階段溫室氣體排放時的減排效益，但仍具有一定的減排效益。

綜上所述，雖然煤層氣本身是一種低碳燃料，但其燃料上游階段的溫室氣體排放并不比傳統油品燃料低，同時，由于煤層氣燃料應用于不同種類的車輛時，車輛的技術類型、運營模式、駕駛方式等都會對燃料燃燒階段的溫室氣體排放造成影響。因此，在對煤層氣用作車用燃料的溫室氣體減排效益進行核算時，并不能一概而論，而必須基于實際的燃料替代數據進行計算，同時需考慮燃料上游的溫室氣體排放，才能對煤層氣燃料的實際溫室氣體減排效益作出客觀而準確的評價。

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Analysis on Greenhouse Gas Emission of Lifecycle for Automobile Fuel of Coal Bed Gas

SU Xu-dong, GE Xiao-hua, ZHANG Yao, QIN Yan
(Shanxi Research Center of Eco-environment, Taiyuan 030009, China)

The coal bed is a substituting energy in the fields of cleanness, high efficiency and low carbon, it has a very wider application prospect in the transportation area. Based on the actual operation energy consumption data obtained in the investigation and research of all kinds of the transportation enterprises, the paper carries out the actual measures of three kinds of greenhouse gas emission status of CO2、CH4、N2O in the fuel incineration phase on coal bed gas vehicle and fuel vehicle. At the same time, from the angle of view of lifecycle, the coal bed gas which is used as greenhouse gas emissions at top stream of automobile fuel and oil fuel, is examined and the objective assessment in the benefits of the greenhouse gas emission is made in comparison between automobile of coal bed gas vehicle and fuel vehicle.

coal bed gas; automobile fuel; lifecycle; greenhouse gas

X382.1

A

1006-5377（2015）08-0025-06