基于中國能源結構的汽油、甲醇與增程式甲醇轎車CO2排放研究

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

盡管2018 年中國經濟增速放緩，但中國一次能源消費依然增長4.3%，占全球能源消費量的24%，并貢獻了全球能源消費增長的34%，連續18 年成為全球能源消費增量最大的國家[1]。隨著汽車工業與交通網絡的高速發展[2]，汽車產銷量強勁，2018 年中國汽車產銷分別完成2 780.9 萬輛和2 808.1 萬輛，其中乘用車產銷分別完成2 352.9 萬輛和2371 萬輛，汽車保有量突破2.4 億輛，其中小型汽車保有量達到2 億輛[3]。汽油消費突破1.28 億t，其中85%為汽車消耗。

石油的開采與運輸，汽油的冶煉與儲存，煤礦的挖掘與運輸均會產生CO2排放。煤炭化工業制甲醇、天然氣制甲醇及焦煤氣制甲醇等過程均會產生CO2排放與能量損耗。汽油與甲醇的加注，發動機的燃燒同樣會產生能量的損失與CO2排放，電池的充放電，電機的運行均會有能量損失，并造成CO2排放。因此僅考慮車輛尾氣中CO2排放，即TTW（Tank to Wheel）CO2排放，不考慮WTT（Well to Tank），即從地殼（油井）到油箱（礦物能源的開采、運輸、冶煉與存儲過程）的排放，對于評價車輛CO2排放對環境的影響是不合理的，也無法評估能源生命周期內地殼到車輪（WTW，Well to Wheel）CO2排放。

本文首先分析了2018 年度全球一次能源消耗與結構，重點分析了中國一次能源結構[4]，同時結合工藝分析制取化石能源過程中產生的CO2排放；并結合汽油車、甲醇車與增程式車輛工作原理的差異。最后以某款轎車為例，分析了汽油車、甲醇車和甲醇增程式車輛尾排和全周期產生CO2的差異。本文所開展的研究對于能源政策制定部門制定能源政策，環保監察部門與油耗核算部門計算車企WTW 能耗和CO2排放具有積極意義。

1 一次能源結構與能源消費

1.1 一次能源結構[1-2]

2018 年中國一次能源消費3 273 百萬t 油當量，與2008 年相比，增長47%。2008 年至2018 年，中國一次能源消耗歷年變化如圖1 所示。

圖1 中國一次能源消耗變化

隨著一次能源消費的增長，CO2排放量也不斷攀升。2018 年，中國CO2排放量達到9 429 百萬t，連續7 年突破9 000 百萬t。中國CO2排放歷年變化如圖2所示。

圖2 中國CO2排放變化

煤炭、石油和天然氣分別占到2018 年度中國一次能源消費的58%、20%和8%，核能、水電與可再生能源作為補充[5-6]。中國一次能源消費如表1 所示。

1.2 煤炭消費與再加工

煤炭消費中72%是動力煤，主要用于發電，占發電量的67%，26%的煤炭是煉焦煤，被用于冶金行業制焦，2%的煤炭是化工煤，被用于化工行業制醇醚、烯烴與化肥等。動力煤與化工煤之間，可以根據市場需求，合理調配。2018 年中國煤炭主要消費用途與占比如表2 所示。

表2 2018 年中國煤炭消費用途與占比

甲醇是重要的基礎化工原料之一，近年來中國甲醇產能與產量急劇上升，并成為世界最大的甲醇生產國與消費國。中國甲醇市場歷年消耗變化如圖3所示。甲醇產能利用率并不高，有40%以上的甲醇產能富裕。

圖3 中國甲醇市場歷年變化

1.3 石油消費與市場分析[4，7]

作為世界第一大石油進口國與消費國，2018 年度，中國原油市場達到65 100 萬t，進口依賴度達到71%，原油加工比例達到90%。中國原油市場如表3所示。

表3 2018 年中國原油市場

中國同樣是全球最大的成品油消費國，2018 年，中國成品油加工達到36 800 萬t，其中消費32 500萬t，汽油消費達到12 800 萬t，乘用車消費達到10 880 萬t。成品油市場結構如表4 所示。

因此可以利用甲醇富裕產能3 589 萬t，替代1 800 萬t 汽油消費，從而減少我國原油進口依賴度，改善我國能源消費結構與成品油消費結構。

表4 2018 年中國成品油市場

2 汽油與甲醇產生過程CO2分析

圖4 地殼-車輪的能量傳遞過程

傳統乘用車（汽油車）、甲醇汽車和甲醇增程式車輛能源傳遞形式有所不同，具體如圖4 所示，實線為汽油車的能量傳遞過程，虛線為甲醇汽車和甲醇增程式車輛的傳遞過程。原油冶煉與煤化工制甲醇工藝之間本身存在差異性，因此生產汽油與甲醇帶來的CO2排放量也會有差異。

2.1 汽油生產過程CO2排放（WTT，地殼—油箱）

汽油生產過程中產生的CO2，包含油井的開采、管道的運輸、汽油的冶煉等過程。考慮原油的開采、運輸及冶煉，每生產1 t 汽油產生1.722 t CO2[8]。即每生產1 L 汽油，產生1.27 kg CO2。

2.2 甲醇生產過程CO2排放（WTT，地殼—油箱）

煤多氣少的一次能源結構決定了中國低碳產業鏈中的眾多產品依賴煤進行加工合成，甲醇作為一種重要的化工產品亦是如此，國內以煤作為主要原料的甲醇生產占比高達77%[7]。制甲醇的原料分布如表5 所示。

表5 制備甲醇的原料分布 %

不同原料制備甲醇產生的CO2有所不同，如表6 所示[9]。

表6 不同原料制備甲醇產生CO2 t/t

以表6 所示的不同原料制備甲醇產生CO2排放為基準，結合表5 所示的中國甲醇制備原料比例，每生產1 t 甲醇產生0.76 t CO2。即中國每生產1 L 甲醇，產生0.6 kg CO2。

3 汽油車、甲醇車與甲醇增程式車輛能耗與CO2排放

3.1 油耗、醇耗與尾排（TTW）CO2、全周期CO2（WTW）排放

汽油燃燒化學反應方程為[10]：

根據碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 汽油產生TTW CO2為23.6 g/km。

綜合2.1 分析所得，每生產1 kg 汽油，產生1.722 kg WTT CO2。

汽車100 km 每消耗1 L 汽油，產生的WTW CO2為：

式中：m1為全周期（WTW）所產生的CO2，g/km；ρ 為汽油密度，kg/L，其值為0.742；η1為煉油廠分配運輸至加油站的效率，取0.95。

甲醇燃燒化學反應方程為：

根據碳原子守恒，燃燒1 L/100 km 甲醇產生TTW CO2為10.9 g/km。

綜合2.2 分析所得，每生產1 kg 甲醇，產生0.76 kg WTT CO2。

汽車100 km 每消耗1 L 甲醇，WTW CO2為：

式中：m2為WTW CO2，g/km；ρ 為甲醇密度，kg/L，其值為0.79；η2為制醇廠分配運輸至甲醇站的效率，取0.95。

基于以上分析，汽油耗與CO2的轉化系數如表7所示。甲醇耗與CO2轉換系數如表8 所示.

表7 汽油耗與CO2轉換系數

表8 甲醇耗與CO2轉換系數

3.2 不同類型車輛CO2排放分析

以某品牌同一車型，汽油版、甲醇版和甲醇增程器版為例，分析TTW CO2排放與WTW CO2排放。

甲醇增程器車輛動力結構如圖5 所示。在增程模式下，發動機驅動發電機發電給驅動電機提供動力。

圖5 甲醇增程器車輛結構示意圖

甲醇車輛與汽油車輛運行工況如圖6 所示，搭載同一款車與變速箱的運行工況點相同，甲醇發動機高效率區域更靠近外特性。

甲醇增程器車輛運行工況與甲醇車輛運行工況如圖7 所示，采用增程器后，將低速、低負荷區域的運行工況點提升，發動機運行工況點主要集中在高效率區域。

圖6 傳統車輛運行工況圖（甲醇、汽油車）

圖7 增程器與傳統車運行工況對比（甲醇機）

增程器車輛信息如表9 所示。

表9 某車型不同版本車輛信息

結合表7 與表8 可以分別計算出3 種不同類型車輛TTW CO2排放與WTW CO2排放，如表10 所示。

表10 某車型汽油版、甲醇版和甲醇增程器版車輛

由此可見，汽油版的車型TTW CO2最高，其次為甲醇版車輛，甲醇增程器CO2排放最低。甲醇汽車的TTW CO2排放與WTW CO2排放均為汽油車的86%，甲醇增程器的TTW CO2排放與WTW CO2為汽油車的71%。造成3 種不同類型車輛CO2排放差異的因素包含以下幾點：

1）甲醇辛烷值高，抗爆性更強，可以獲得更高的發動機熱效率，文中車輛所用的發動機燃燒甲醇時，最高熱效率比燃燒汽油高2%。

2）甲醇含碳量為37.5%，密度為0.79 kg/L，熱值為19.9 MJ/kg，汽油含碳量為86.6%，密度為0.742 kg/L，熱值為42.75 MJ/kg。因此單位熱值燃料的含碳量，甲醇低于汽油。

3）甲醇增程器發動機運行于發動機經濟區域，進一步降低了醇耗和CO2排放。

4 結論

1）基于中國能源結構現狀，每生產1 kg 汽油，產生1.722 kg CO2；生產1 kg 甲醇，產生0.76 kg CO2。

2）車輛汽油消耗率為1 L/100 km，產生WTW CO2為37.1 g/km，甲醇消耗率為1 L/100 km，產生WTW CO2為17.2 g/km。

3）汽油車、甲醇車、甲醇增程器車輛的WTW CO2排放分別為219 g/km、189 g/km、155 g/km。汽油車、甲醇車、甲醇增程器車的TTW CO2尾排為139 g/km，120 g/km，98 g/km。

4）從目前中國的能源結構與化石能源加工工藝結構來計算，甲醇汽車TTW CO2排放與WTW CO2排放均優于汽油車，發展甲醇汽車對改善我國能源結構，消耗過量甲醇產能和降低CO2排放均有顯著意義。