基于中國(guó)能源和材料的乘用車(chē)全生命周期溫室氣體排放分析

付 洋，王步宇，帥石金*,2

（1. 清華大學(xué)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 100084，中國(guó)；2. 清華大學(xué)，汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084，中國(guó)）

隨著人類(lèi)對(duì)全球氣候變暖原因及危害認(rèn)識(shí)的加深，“碳中和”已成為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)自身長(zhǎng)久生存和可持續(xù)發(fā)展達(dá)成的重要共識(shí)。近10年，中國(guó)是世界上經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度最快的國(guó)家，也是全球最大的碳排放國(guó)，其中交通運(yùn)輸行業(yè)貢獻(xiàn)了溫室氣體(greenhouse gas，GHG)排放總量的約10%[1]。因此，基于中國(guó)國(guó)情的車(chē)輛全生命周期GHG 排放分析，對(duì)交通運(yùn)輸行業(yè)的節(jié)能與減排具有重要價(jià)值。

CO2是GHG 氣體的主要成分，是減少GHG 氣體排放的焦點(diǎn)。歐訓(xùn)民等[2]使用Tsinghua-CA3EM 模型，計(jì)算了煤電情景下電動(dòng)汽車(chē)能源生產(chǎn)和使用階段CO2排放，認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)具有較好的減排優(yōu)勢(shì)。王恩慈等[3]使用美國(guó)阿貢(Argonne)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的GREET 模型，分析了不同能源場(chǎng)景下的電動(dòng)汽車(chē)GHG 排放，結(jié)果顯示可再生能源比例高的國(guó)家更適合使用電動(dòng)汽車(chē)。喬欽彧等[4-6]分析了汽油車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的生產(chǎn)、使用以及回收再生各階段GHG 排放，但針對(duì)于三元鋰電池生產(chǎn)、回收及再生過(guò)程的分析比較粗略。張毅等[7]基于2018年中國(guó)能源結(jié)構(gòu)，研究了某品牌的汽油機(jī)、甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)及甲醇增程混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛生命周期CO2排放，結(jié)果表明甲醇增程混動(dòng)汽車(chē)具有較好的CO2減排效果。

現(xiàn)有研究一般只針對(duì)特定動(dòng)力系統(tǒng)和能源或者全生命周期中特定環(huán)節(jié)，缺少近年來(lái)系統(tǒng)性的面向中國(guó)車(chē)輛全生命周期GHG 排放數(shù)據(jù)更新，并且缺乏多種能源和動(dòng)力系統(tǒng)車(chē)輛的對(duì)比分析。本文基于2019年中國(guó)能源和材料的生產(chǎn)能耗及排放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了包括車(chē)輛生產(chǎn)、行駛、回收和再生利用的整個(gè)生命周期內(nèi)CO2和GHG 排放結(jié)果，并針對(duì)多種車(chē)輛進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合中國(guó)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)、氫氣生產(chǎn)路徑、甲醇生產(chǎn)路徑、動(dòng)力系統(tǒng)效率變化以及石油開(kāi)采和煉制減碳水平，給出了未來(lái)能源場(chǎng)景下的相關(guān)車(chē)輛GHG 和其中CO2排放結(jié)果預(yù)測(cè)。

1 車(chē)輛全生命周期評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

1.1 研究方法和計(jì)算邊界

全生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)是評(píng)價(jià)產(chǎn)品從原料提取、生產(chǎn)、使用和壽命結(jié)束階段能源和環(huán)境影響的重要方法，需要量化生命周期內(nèi)每個(gè)環(huán)節(jié)的物質(zhì)、能量輸入以及直接產(chǎn)生的污染物排放。

本研究所指的全生命周期評(píng)價(jià)包括能源提取和制備、汽車(chē)材料生產(chǎn)、車(chē)輛組裝以及最終的車(chē)輛回收和材料再生等環(huán)節(jié)，但不考慮工廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（電廠除外）或其他活動(dòng)的相關(guān)能源消耗。

本研究采用美國(guó)能源部Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的針對(duì)中國(guó)數(shù)據(jù)的GREET 模型[8]，對(duì)車(chē)輛全生命周期環(huán)境效益進(jìn)行分析。定義主要溫室氣體CO2，CH4和N2O 的全球變暖潛勢(shì)(global warming potential，GWP)分別為1、30、265[9]，用于統(tǒng)計(jì)GHG 的排放量。

本研究中，車(chē)輛全生命周期GHG 排放計(jì)算邊界包括車(chē)輛生產(chǎn)、車(chē)輛行駛和車(chē)輛回收、再生等3 個(gè)階段。車(chē)輛生產(chǎn)階段包括汽車(chē)原材料的生產(chǎn)、零部件加工和車(chē)輛組裝等過(guò)程；車(chē)輛行駛階段包括能源的生產(chǎn)和消耗兩個(gè)過(guò)程；車(chē)輛回收、再生階段則分別考慮車(chē)身、輪胎和電池材料的回收和再生利用。車(chē)輛全生命周期也可以分為能源周期和車(chē)輛周期：能源周期指車(chē)輛行駛階段，車(chē)輛周期指車(chē)輛生產(chǎn)、回收和再生階段。

本研究重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)燃動(dòng)力、混合動(dòng)力、燃料電池動(dòng)力和純電動(dòng)力等4 類(lèi)車(chē)型，其中內(nèi)燃動(dòng)力車(chē)型根據(jù)燃料不同可以分為汽油車(chē)、甲醇車(chē)和藍(lán)色甲醇車(chē)；混合動(dòng)力車(chē)型根據(jù)燃料不同可以分為汽油混動(dòng)車(chē)、甲醇混動(dòng)車(chē)和藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)；燃料電池動(dòng)力車(chē)型以氫氣為能源；純電動(dòng)車(chē)型以中國(guó)電力供應(yīng)為電力來(lái)源。本文提到的甲醇和藍(lán)色甲醇分別指中國(guó)甲醇和通過(guò)工業(yè)副產(chǎn)氫結(jié)合碳捕獲技術(shù)生產(chǎn)的甲醇。

1.2 單車(chē)GHG 排放模型

在車(chē)輛生產(chǎn)環(huán)節(jié)，整車(chē)被分解為零件，零件再分解為各個(gè)材料。通過(guò)計(jì)算不同材料的生產(chǎn)排放以及車(chē)輛組裝的排放，結(jié)合不同車(chē)型的材料組成，可以最終確定車(chē)輛生產(chǎn)的排放。

汽車(chē)原材料主要有鋼、鐵、鋁、鎂、塑料、玻璃、橡膠、車(chē)用液體和電池材料等。部分材料在車(chē)輛使用過(guò)程中多次維修更換，例如輪胎、鉛酸蓄電池、液體等，在評(píng)估時(shí)需要多次計(jì)算。

在車(chē)輛行駛環(huán)節(jié)，主要考慮能源的生產(chǎn)和消耗，不考慮充電站、加油站和相關(guān)能源生產(chǎn)工廠(電廠除外)等其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的排放。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放經(jīng)后處理裝置處理后，所含碳煙、NOx、HC、CO 排放極低，忽略污染物排放。

在車(chē)輛回收再生環(huán)節(jié)，車(chē)輛通過(guò)報(bào)廢經(jīng)歷拆卸、清洗和分類(lèi)等機(jī)械處理后，會(huì)分別得到發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、車(chē)身、輪胎和電池等零部件研究中分別考慮車(chē)身、輪胎和電池的回收，回收材料的再生利用可以有效減少初次生產(chǎn)過(guò)程中的排放[10]。車(chē)身的金屬材料廢鋼、廢鋁和廢銅回收后冶煉再生。輪胎的廢鐵回收后冶煉再生，橡膠則通過(guò)熔融重塑等工藝再次投入使用。鋰電池拆解破碎后進(jìn)入濕法冶煉工序，分別回收廢銅、廢鋁、廢石墨和碳酸鋰，其中廢銅、廢鋁冶煉再生，碳酸鋰用于磷酸鐵鋰正極材料再生，廢石墨由于再生率低不考慮再生利用。由于輪胎在車(chē)輛使用過(guò)程中需多次維修更換，因此在回收和材料再生過(guò)程也需多次考慮。

2 數(shù)據(jù)清單

考慮到2020—2022年新冠疫情引起的數(shù)據(jù)特殊性，研究中以中國(guó)版GREET 模型[8]為基礎(chǔ)，引入了針對(duì)中國(guó)2019年交通運(yùn)輸行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，更新了GREET 絕大部分計(jì)算數(shù)據(jù)，其他少量參數(shù)仍采用模型中的默認(rèn)值[8]。

2.1 能源

1) 燃料熱值。原油、汽油、柴油和天然氣的低熱值數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2019》[11]。

2) 電力。2019年中國(guó)電力組成如表1 所示，數(shù)據(jù)來(lái)源為《中國(guó)電力統(tǒng)計(jì)年鑒—2020》[12]和國(guó)際能源署(IEA)世界能源統(tǒng)計(jì)和平衡(World Energy Statistics and Balance)數(shù)據(jù)庫(kù)[13]。

表1 2019年中國(guó)電力各發(fā)電方式占比

風(fēng)、光、水、核、煤電廠數(shù)據(jù)基于中國(guó)文獻(xiàn)研究[14-17]，油、天然氣、生物質(zhì)、地?zé)犭姀S數(shù)據(jù)基于GREET2021 版。電廠GHG 排放主要包括電廠建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、廢料處理(核電廠)等過(guò)程，排放數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同類(lèi)型發(fā)電方式電廠排放

中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2020》[18]中發(fā)布：電力傳輸線損率5.93%，供電煤耗率為標(biāo)煤306.4 g / (kWh)。

3) 煤及煤焦化。根據(jù)IEA 世界能源統(tǒng)計(jì)和平衡數(shù)據(jù)庫(kù)[13]，分析中國(guó)煤開(kāi)采耗能，計(jì)算得到2019年開(kāi)采時(shí)能量利用率為98.86%。

中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)《2019 煤炭行業(yè)發(fā)展年度報(bào)告》[19]中發(fā)布，2019年中國(guó)煤產(chǎn)量38.5 億t，其中鐵路運(yùn)輸24.6 億t，道路運(yùn)輸6.1 億t，港口運(yùn)輸7.8 億t。由《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒—2019》和ZHENG Yali 等[20-21]研究可知，鐵路運(yùn)煤平均651 km，道路運(yùn)輸180 km，港口運(yùn)輸6 410 km。

煤焦化過(guò)程能耗數(shù)據(jù)來(lái)自酒泉金源礦業(yè)100 萬(wàn)t焦化項(xiàng)目，142.6 萬(wàn)t 原料煤，約產(chǎn)生106.9 萬(wàn) t 焦炭、5萬(wàn) t 焦油、1.2 萬(wàn) t 粗苯和471 MN·m3焦?fàn)t煤氣，其中254 MN·m3焦?fàn)t煤氣將燃燒用于供能，217 MN·m3焦?fàn)t煤氣外供。此外，該過(guò)程消耗47.5 GWh 電力。

4) 石油。基于S. M. Masnadi 等研究[22]中國(guó)原油涉及來(lái)自20 個(gè)國(guó)家的146 個(gè)大型油田，結(jié)合從中國(guó)海關(guān)總署[23]獲得的原油進(jìn)口數(shù)據(jù)和《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2019》[11]中獲得的中國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可得到2019年中國(guó)的原油供應(yīng)份額，其中通過(guò)管道運(yùn)輸占51.41%，通過(guò)遠(yuǎn)洋油輪運(yùn)輸占48.58%，具體如表3 和表4 所示。

表4 2019年中國(guó)原油油輪供應(yīng)份額

參考S. M. Masnadi 等[22]研究中146 個(gè)大型油田的運(yùn)輸距離和方法，計(jì)算2019年基于原油供應(yīng)份額加權(quán)的原油運(yùn)輸平均距離，其中通過(guò)管道運(yùn)輸平均距離為 1 535 km，通過(guò)遠(yuǎn)洋油輪運(yùn)輸平均距離為7 982 km。

根據(jù)GAN Yu 等[8]估算基于原油供應(yīng)份額加權(quán)平均原油采收率的公式，計(jì)算得2019年平均原油采收率為95.14%。

根據(jù)IEA 世界能源統(tǒng)計(jì)和平衡數(shù)據(jù)庫(kù)[13]中石油開(kāi)采的特定能源消耗數(shù)據(jù)，得出單個(gè)原油供應(yīng)國(guó)家的原油開(kāi)采的能源份額，再根據(jù)其相應(yīng)的原油供應(yīng)份額加權(quán)計(jì)算中國(guó)原油開(kāi)采的能源份額。中國(guó)原油開(kāi)采的能源中原油、殘油、柴油、汽油、天然氣、液化石油氣和電力分別占比14.55%、0.05%、5.40%、0.34%、62.32%、1.41%和15.93%。中國(guó)原油開(kāi)采的電力中燃煤發(fā)電、燃油發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、核電、生物質(zhì)發(fā)電、水電、地?zé)崮馨l(fā)電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物廢棄物發(fā)電分別占比21.93%、13.53%、35.66%、3.98%、1.09%、20.26%、6.52×10-5、2.32%、1.15%和0.09%。

5) 天然氣。中國(guó)天然氣由國(guó)產(chǎn)天然氣、國(guó)產(chǎn)頁(yè)巖氣、進(jìn)口管道天然氣和進(jìn)口液化天然氣組成，占比分別為54.66%、5.51%、14.37%和25.46% (見(jiàn)表5 和表6)。本研究考慮了從4 個(gè)國(guó)家進(jìn)口的管道氣和11 個(gè)國(guó)家進(jìn)口的液化天然氣[24](見(jiàn)表5 和表6)，占中國(guó)天然氣進(jìn)口總量的91.25%。天然氣進(jìn)口數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)海關(guān)總署[23]，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家能源局發(fā)布的《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告2020》[25]。

表5 2019年中國(guó)管輸天然氣供應(yīng)份額

表6 2019年中國(guó)海外液化天然氣供應(yīng)份額

6) 氫氣。根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告2020》[26]中數(shù)據(jù)，煤炭是使用最廣泛的制氫材料，占比62%；其次是天然氣重整制氫占比19%；石油制氫和工業(yè)副產(chǎn)物制氫占比18%；電解水制氫占比最低，僅為1%。

本研究的煤制氫采用廣泛應(yīng)用的氣流床氣化工藝，天然氣制氫在集中制氫廠生產(chǎn)，煤制氫、天然氣制氫和氯堿副產(chǎn)氫的工藝能耗來(lái)自REN Lei 等[27]的研究。電解水制氫工藝根據(jù)技術(shù)成熟度，選擇堿水電解法(alkaline electrolysis，AEL)，電解槽制備每千克氫的能量消耗約為51 kWh[28]，使用壽命為20年，材料消耗參考E. Cetinkaya[29]等的研究。

為了將生產(chǎn)的氫氣用于燃料電池車(chē)，還需要對(duì)氫氣加壓、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，最后進(jìn)行加注。運(yùn)輸前將氫氣從1 MPa 加壓至20 MPa，利用Aspen Plus 軟件模擬可得1 MJ 氫氣耗能 0.07 MJ。氫氣在高壓儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中，可能發(fā)生泄漏，泄漏率為 0.000024%[27]。根據(jù)制氫廠與北京、上海、佛山—云浮、張家口等地加氫站的平均距離，確定氫氣管拖車(chē)的運(yùn)輸距離為130 km[27]。將氫氣壓力由20 MPa 提升至45 MPa 儲(chǔ)存，加氫站處理1 MJ 氫氣耗能約為0.07 MJ[30]，泄漏率約為1.32%。

7) 甲醇。目前，甲醇的制備工藝主要為煤制甲醇、焦?fàn)t氣制甲醇及天然氣制甲醇。中國(guó)以煤制甲醇為主，2019年煤制甲醇約占69.51%，焦?fàn)t氣制甲醇約占16.52%，天然氣制甲醇約占13.97%[31]。煤制甲醇、天然氣制甲醇和焦?fàn)t煤氣制甲醇的能耗數(shù)據(jù)主要參考CHEN Zhou 等[32]的研究。

8) 藍(lán)色甲醇和綠色甲醇。本文藍(lán)色甲醇是指利用工業(yè)副產(chǎn)氫結(jié)合CO2捕集工藝合成甲醇。其中H2原料一部分來(lái)自焦?fàn)t氣，一部分來(lái)自焦?fàn)t氣制液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)的副產(chǎn)物富氫尾氣，共同經(jīng)過(guò)變壓吸附裝置提取；CO2原料來(lái)自工業(yè)煙氣，經(jīng)過(guò)碳捕集裝置提取。本文綠色甲醇指采用電解水制H2結(jié)合CO2捕集工藝合成甲醇，假設(shè)制備過(guò)程中電力均為風(fēng)電。需要指出的是，由于CO2捕集避免了將其向大氣直接排放，因此給予相應(yīng)的碳積分，按照負(fù)值計(jì)算[33-35]。藍(lán)色甲醇和綠色甲醇的工藝及生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)均來(lái)源FU Yang 等[36]的研究。

2.2 車(chē)輛各系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)

中國(guó)國(guó)內(nèi)主要車(chē)型的部件質(zhì)量分布數(shù)據(jù)參考乘用車(chē)生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范[37]，假設(shè)內(nèi)燃動(dòng)力車(chē)整備質(zhì)量1.4 t，混合動(dòng)力車(chē)整備質(zhì)量1.5 t，燃料電池動(dòng)力車(chē)整備質(zhì)量1.6 t，純電動(dòng)力車(chē)整備質(zhì)量1.6 t，車(chē)輛壽命里程均假設(shè)為20 萬(wàn)km，每輛汽車(chē)裝配過(guò)程排放的溫室氣體為550 kg[37]。在整車(chē)壽命里程內(nèi)，汽車(chē)輪胎、鉛酸蓄電池需更換2 次，機(jī)油需補(bǔ)充19 次，其他液體需補(bǔ)充2次[37]。使用GREET計(jì)算時(shí)，由于缺乏數(shù)據(jù)來(lái)源，針對(duì)熱固性塑料和熱塑性塑料，均統(tǒng)一按照塑料進(jìn)行計(jì)算，織物未考慮。此外，車(chē)用粘合劑參考GREET 默認(rèn)值。

2.3 材料生產(chǎn)、回收和再生能耗

1) 材料生產(chǎn)能耗。整車(chē)所用的主要材料如鋼、鐵、鋁、鎂、塑料、玻璃、橡膠和粘合劑等生產(chǎn)能耗數(shù)據(jù)，均參考喬欽彧等[38]的研究。磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)所用的主要材料如磷酸鐵鋰、磷酸鐵和碳酸鋰等生產(chǎn)能耗基于QUAN Jiawei 等[39]的研究。

2) 車(chē)輛回收能耗。車(chē)身和輪胎回收工藝及能耗參考喬欽彧等[38]的研究。廢鋼、廢鋁、廢鐵、廢銅和橡膠的回收率分別為92%[40]、81%[40]、92%[40]、78%[38]和100%[38]。

在磷酸鐵鋰電池回收過(guò)程中，能耗及材料回收率采用安徽道明能源科技有限公司環(huán)境影響報(bào)告書(shū)數(shù)據(jù)[41]。廢舊鋰電池首先經(jīng)放電機(jī)放電處理，拆解破碎后通過(guò)3 次篩選分別產(chǎn)出銅粒、鋁粒和電池粉，電池粉經(jīng)濕法冶煉工序產(chǎn)出碳酸鋰，分離出酸浸濾渣負(fù)極石墨材料。回收1 kg 磷酸鐵鋰電池，消耗鹽酸0.03 kg，過(guò)氧化氫0.10 kg，氫氧化鈉0.09 kg，碳酸鈉0.15 kg，氯化鈣0.36 kg，水0.53 kg，電0.49 kWh。鋰元素、廢銅、廢鋁和廢石墨的回收率分別98%、99%、71%和65%。

3) 材料再生能耗。材料再生是指將回收獲得的鋼、鐵、鋁、銅和碳酸鋰等材料進(jìn)行再生處理，加工后可再次用于汽車(chē)生產(chǎn)，這部分材料再生處理后可以產(chǎn)生全生命周期GHG 排放的收益。

本研究主要考慮廢鋼、廢鋁、廢銅、橡膠、廢鐵、正極材料磷酸鐵鋰的材料再生。相關(guān)材料再生率為：廢鋼95.9%、廢鋁96.8%、廢銅77.6%、橡膠40%、廢鐵100%和碳酸鋰100%[38-39]。

廢鋼、廢鋁、廢鐵再生的能耗數(shù)據(jù)參考喬欽彧等[38]的研究。廢銅、橡膠和碳酸鋰的再生不需要額外的能耗。其中橡膠的再生率顯著低于其他材料，原因是精煉過(guò)程本質(zhì)上是把性能不足的部分橡膠剔除，僅留下符合原產(chǎn)材料標(biāo)準(zhǔn)的部分。石墨再生率較低，能耗較大，因此不考慮再生循環(huán)利用。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 2019年多種乘用車(chē)全生命周期CO2 和GHG排放結(jié)果

1) 能源生產(chǎn)CO2、GHG 排放因子和能源消耗數(shù)據(jù)。本研究在計(jì)算多種車(chē)輛全生命周期CO2和GHG 排放過(guò)程中涉及的能源有汽油、甲醇、藍(lán)色甲醇、氫氣和中國(guó)電力。

表7為車(chē)用能源生產(chǎn)排放因子和車(chē)輛能源消耗數(shù)據(jù)。在內(nèi)燃動(dòng)力車(chē)燃料消耗中，汽油車(chē)油耗6.5 L / (100 km)；假設(shè)不同能源點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率不變，甲醇車(chē)的燃料消耗根據(jù)GREET 中的熱值換算得為13.0 L / (100 km)。在混合動(dòng)力車(chē)燃料消耗中，汽油混動(dòng)車(chē)油耗為4.6 L /(100 km)，甲醇混動(dòng)車(chē)甲醇消耗為9.2 L / (100 km)。燃料電池動(dòng)力車(chē)氫耗0.7 kg / (100 km)，純電動(dòng)力車(chē)電耗為15 kWh / (100 km)。

表7 車(chē)用能源生產(chǎn)排放因子和車(chē)輛能源消耗數(shù)據(jù)

本研究計(jì)算的多種車(chē)用能源生產(chǎn)排放因子與文獻(xiàn)[5,27,32-35,42-46]范圍接近。汽油的GHG 排放高于文獻(xiàn)范圍[5,46]，主要是本文的CH4排放明顯較高，這和更加準(zhǔn)確的天然氣逃逸的預(yù)估有關(guān)。電解水制氫與文獻(xiàn)相比偏低主要由于文獻(xiàn)電力排放和制氫能耗均高于本文[27]。

2) 多種乘用車(chē)全生命周期CO2和GHG 排放結(jié)果多種乘用車(chē)全生命周期CO2和GHG 排放結(jié)果如圖1 所示，凈值指車(chē)輛全生命周期排放結(jié)果。2019年中國(guó)甲醇車(chē)溫室氣體排放最高，為384.7 g/km；藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)溫室氣體排放最低，為123.5 g/km。對(duì)于車(chē)輛全生命周期排放，能源生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)貢獻(xiàn)了最多的排放，汽車(chē)生產(chǎn)、回收和再生過(guò)程排放占比較小。

圖1 不同車(chē)輛全生命周期CO2 和GHG 排放結(jié)果

結(jié)合DAI Qiang 等[47]和TAO Yanqiu 等[48]研究的鎳鈷錳三元鋰電池(NCM)在生產(chǎn)和回收階段的能源、材料消耗數(shù)據(jù)，計(jì)算得到采用NCM622 作為動(dòng)力電池正極材料的電動(dòng)車(chē)全生命周期的CO2排放為129.1 g/km，GHG 排放為141.2 g/km，與采用磷酸鐵鋰作為動(dòng)力電池的電動(dòng)車(chē)結(jié)果相近，因此本文以磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為例進(jìn)行電動(dòng)車(chē)生命周期排放分析。

本研究計(jì)算的車(chē)輛全生命周期排放結(jié)果與文獻(xiàn)[38,49-51]相比偏低，主要原因?yàn)槲墨I(xiàn)100 km 能源消耗量偏高及未充分考慮車(chē)輛的回收、再生過(guò)程。其中，喬欽彧等[38]和YANG Lai 等[49]使用的油/電耗均高于本文；SHI Sainan 等[50]和M. Shafique 等[51]不僅使用的油/電耗高于本文，并且未考慮回收、再生過(guò)程。

在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，甲醇、氫、電力的生產(chǎn)排放較高，汽油較少。對(duì)于藍(lán)色甲醇生產(chǎn)工藝，由于CO2是從煙氣中通過(guò)碳捕獲得到，H2生成時(shí)伴隨有液化天然氣、焦炭、焦油、粗苯等副產(chǎn)物生成，根據(jù)不同產(chǎn)物的熱值將排放進(jìn)行分?jǐn)偅C合計(jì)算后藍(lán)色甲醇生產(chǎn)的排放最終為負(fù)值。

在能源使用環(huán)節(jié)，氫和電力不產(chǎn)生CO2排放，汽油車(chē)的燃燒使用排放最高，依次是甲醇/藍(lán)色甲醇車(chē)、汽油混動(dòng)車(chē)、甲醇/藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)。

本研究計(jì)算的能源周期(即能源生產(chǎn)和使用過(guò)程)的排放結(jié)果與文獻(xiàn)[7-8,27,52-53]相比偏低，主要原因?yàn)槲墨I(xiàn)100 km 能源消耗量偏高。其中， GAN Yu 等[8]計(jì)算的汽油車(chē)、純電動(dòng)車(chē)和汽油混動(dòng)車(chē)使用過(guò)程的排放均高于本研究結(jié)果，主要是由于其針對(duì)實(shí)際工況，在工信部報(bào)告發(fā)布的油/電耗的基礎(chǔ)上放大1.2 或1.4 倍，導(dǎo)致其計(jì)算使用的油/電耗數(shù)值偏高。對(duì)于車(chē)輛周期(即車(chē)輛生產(chǎn)、回收和再生過(guò)程)，不同動(dòng)力系統(tǒng)的排放結(jié)果存在差異： 純電動(dòng)力排放最多，依次是燃料電池動(dòng)力、混合動(dòng)力和內(nèi)燃動(dòng)力，這主要和汽車(chē)的重量和材料分布有關(guān)。2019年車(chē)輛周期溫室氣體的排放分別為純電動(dòng)力39.3 g / km，燃料電池動(dòng)力31.2 g / km，混合動(dòng)力29.4 g / km，內(nèi)燃動(dòng)力26.4 g / km，本研究計(jì)算的車(chē)輛周期結(jié)果基本位于文獻(xiàn)范圍之內(nèi)，而又由于本文充分考慮了各項(xiàng)材料的回收和再生過(guò)程，車(chē)輛回收和再生的減排效益明顯高于文獻(xiàn)結(jié)果[38,49-50]。

在車(chē)輛生產(chǎn)過(guò)程中，汽車(chē)部件貢獻(xiàn)了最多的排放，電池次之，車(chē)輛裝配和液體等貢獻(xiàn)的排放較少。汽車(chē)部件中車(chē)體生產(chǎn)貢獻(xiàn)了主要的排放，約占汽車(chē)部件排放的90%。液體中機(jī)油生產(chǎn)貢獻(xiàn)了主要的排放，約占液體生產(chǎn)排放的80%。對(duì)于混合動(dòng)力車(chē)、燃料電池動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)力車(chē)，90%以上電池生產(chǎn)排放來(lái)自動(dòng)力電池，僅少量排放來(lái)自鉛酸電池。本研究計(jì)算的車(chē)輛生產(chǎn)結(jié)果與文獻(xiàn)[38, 52]結(jié)果相近。

3.2 未來(lái)不同乘用車(chē)全生命周期CO2 和GHG 排放結(jié)果

1) 預(yù)測(cè)能源場(chǎng)景。本研究以2030年、2050年和2060年為預(yù)測(cè)基準(zhǔn)年，根據(jù)預(yù)測(cè)的發(fā)電能源結(jié)構(gòu)、能源消耗數(shù)據(jù)、石油開(kāi)采和煉制過(guò)程減碳潛力、氫氣生產(chǎn)路徑以及甲醇生產(chǎn)路徑，對(duì)不同能源場(chǎng)景下的多種車(chē)型進(jìn)行全生命周期CO2和GHG 排放分析。

2030年、2050年和2060年發(fā)電能源結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)2030年能源電力發(fā)展規(guī)劃研究及2060年展望》 報(bào)告[54]。

表8 為不同車(chē)輛的能源消耗數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，除純電動(dòng)車(chē)外，其他車(chē)輛2030年、2050年油耗數(shù)據(jù)根據(jù)乘用車(chē)第4 階段油耗法規(guī)和第5 階段油耗法規(guī)預(yù)測(cè)，假設(shè)各車(chē)輛2060年油耗相較上一階段下降3%。假設(shè)純電動(dòng)車(chē)2030年、2050年、2060年電耗相較上一階段分別下降10%、5%和3%。

表8 不同車(chē)輛4年的能源消耗數(shù)據(jù)

結(jié)合文獻(xiàn)關(guān)于原油開(kāi)采和煉制過(guò)程減碳潛力的分析，估測(cè)未來(lái)原油開(kāi)采和煉制排放。在嚴(yán)格減少開(kāi)采過(guò)程的甲烷燃除和逸散排放的情景下，全球原油開(kāi)采排放最多可減少43%[55]。在高投資情景下，通過(guò)調(diào)整原油供應(yīng)份額，優(yōu)化原油煉制減排工藝，全球原油煉制排放最多可減少58%[56]。以2019年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，假設(shè)2030年、2050年和2060年全球原油開(kāi)采和全球原油煉制過(guò)程的排放與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相比，減碳能力分別達(dá)到減碳潛力的40%、90%和100%。

采用IEA 關(guān)于中國(guó)氫氣產(chǎn)量展望比例數(shù)據(jù)[57]。針對(duì)化石能源中煤、天然氣的占比，仍采用2019年比例。碳捕集和封存能耗采用某工廠數(shù)據(jù)，產(chǎn)生每噸CO2蒸汽耗為2.2 GJ、電耗為60 kWh，捕集率為90%。2019年電解水制氫效率約為65%。根據(jù)G.M.Rasul 等[58]的研究，2030年電解水制氫效率將提高到80%。假設(shè)到2050年和2060年，效率仍將保持在80%。

未來(lái)中國(guó)不同甲醇生產(chǎn)方式的比例數(shù)據(jù)參考LI Yinan 等[31]的研究結(jié)果，預(yù)計(jì)2050年后綠色甲醇將超過(guò)煤制甲醇成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。

2) 多種能源生產(chǎn)CO2和GHG 排放預(yù)測(cè)結(jié)果。表9 為基于預(yù)測(cè)的能源場(chǎng)景下，多種能源生產(chǎn)的CO2和GHG 排放情況。

表9 多種能源生產(chǎn)CO2 和GHG 排放

3) 多種乘用車(chē)全生命周期CO2和GHG 排放預(yù)測(cè)結(jié)果。圖2 和圖3 展示了在各種能源場(chǎng)景下預(yù)測(cè)的多種車(chē)輛CO2和GHG 排放結(jié)果。從2 圖中可見(jiàn)，隨著年份的增加，多種車(chē)輛各環(huán)節(jié)及全生命周期GHG 排放量均呈下降趨勢(shì)，其中能源生產(chǎn)和能源使用環(huán)節(jié)的排放量下降比例較大，車(chē)輛生產(chǎn)和車(chē)輛回收、再生環(huán)節(jié)排放量下降比例較小。在2019年甲醇車(chē)、甲醇混動(dòng)車(chē)、汽油車(chē)、氫燃料電池車(chē)、汽油混動(dòng)車(chē)、藍(lán)色甲醇車(chē)、純電動(dòng)車(chē)和藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)的GHG 排放分別為384.7、283.4、226.6、180.9、171.1、158.7、139.4 和123.5 g / km。面向未來(lái)能源場(chǎng)景，甲醇車(chē)、甲醇混動(dòng)車(chē)和汽油車(chē)排放始終保持較高，在2060年，氫燃料電池車(chē)、純電動(dòng)車(chē)和藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)排放相當(dāng)，低于其他動(dòng)力系統(tǒng)。

圖2 在各種能源場(chǎng)景下預(yù)測(cè)的多種車(chē)輛CO2 排放

圖3 在各種能源場(chǎng)景下預(yù)測(cè)的多種車(chē)輛全生命周期GHG 排放

4 結(jié) 論

本文基于2019年中國(guó)能源和材料的生產(chǎn)能耗及排放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地分析了采用4 種動(dòng)力系統(tǒng)的8 輛乘用車(chē)型全生命周期的CO2和GHG 排放結(jié)果，并結(jié)合發(fā)電能源結(jié)構(gòu)、制氫路徑、甲醇生產(chǎn)路徑、動(dòng)力系統(tǒng)效率變化以及石油開(kāi)采和煉制減碳水平給出了基于預(yù)測(cè)的能源場(chǎng)景下的排放結(jié)果，并得到以下結(jié)論。

1) 2019年中國(guó)甲醇車(chē)溫室氣體排放最高，為384.7 g/km；藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)溫室氣體排放最低，為123.5 g/km。對(duì)于車(chē)輛全生命周期排放，能源生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)貢獻(xiàn)了最多的排放，汽車(chē)生產(chǎn)、回收和再生過(guò)程排放占比較小。

2) 不同動(dòng)力系統(tǒng)的車(chē)輛周期排放存在差異：純電動(dòng)力排放最多，依次是燃料電池動(dòng)力、混合動(dòng)力和內(nèi)燃動(dòng)力，這主要和汽車(chē)的重量和材料分布有關(guān)。2019年車(chē)輛周期溫室氣體的排放分別為純電動(dòng)力39.3 g/km，燃料電池動(dòng)力31.2 g/km，混合動(dòng)力29.4 g/km，內(nèi)燃動(dòng)力26.4 g/km。

3) 在車(chē)輛生產(chǎn)過(guò)程中，汽車(chē)部件貢獻(xiàn)了最多的排放，電池次之，車(chē)輛裝配和液體等貢獻(xiàn)的排放較少。汽車(chē)部件中車(chē)體生產(chǎn)貢獻(xiàn)了主要的排放，約占汽車(chē)部件排放的90%。液體中機(jī)油生產(chǎn)貢獻(xiàn)了主要的排放，約占液體生產(chǎn)排放的80%。對(duì)于混合動(dòng)力車(chē)、燃料電池動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)力車(chē)，90%以上電池生產(chǎn)排放來(lái)自動(dòng)力電池，僅少量排放來(lái)自鉛酸電池。

4) 隨著時(shí)間的增加，多種乘用車(chē)全生命周期及各環(huán)節(jié)對(duì)于溫室氣體的貢獻(xiàn)均呈下降趨勢(shì)，其中能源生產(chǎn)和能源使用環(huán)節(jié)的排放量下降比例較大，車(chē)輛生產(chǎn)和車(chē)輛回收、再生環(huán)節(jié)排放量下降比例較小。面向未來(lái)能源場(chǎng)景，甲醇車(chē)、甲醇混動(dòng)車(chē)和混油車(chē)排放始終保持較高，在2060年，氫燃料電池車(chē)、純電動(dòng)車(chē)和藍(lán)色甲醇混動(dòng)車(chē)排放相當(dāng)，低于其他動(dòng)力系統(tǒng)。