天然氣與汽油乘用車碳排放對比探究

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[摘要]通過生命周期內(nèi)對天然氣乘用車和汽油乘用車在原材料獲取、生產(chǎn)階段及使用階段的碳排放對比分析計(jì)算，得到天然氣車與汽油車在各階段的碳排放增加或減少變化量，從而確認(rèn)天然氣乘用車碳排放的比較優(yōu)勢。對兩款同平臺的汽油車和CNG車對比計(jì)算分析，CNG車比汽油車在車輛使用階段的碳排放量有較大幅度的減少，而在原材料獲得階段和整車生產(chǎn)階段的碳排放量有所增加。生命周期CNG車比汽油車碳排放量減少3655kgCO2e，單位行駛里程減少碳排放24.37gCO2e/km，從而達(dá)到了對CNG車減少碳排放量進(jìn)行定量分析。

關(guān)鍵詞：天然氣乘用車；汽油乘用車；生命周期；碳排放；對比研究

0引言

汽車行業(yè)已成為我國溫室氣體排放最重要和增長最快的領(lǐng)域之一。有效控制汽車行業(yè)碳排放總量，對我國盡早達(dá)到碳排放峰值尤為重要。天然氣是清潔低碳能源，按單位熱值計(jì)算天然氣汽車較燃油汽車可有效降低CO2排放20%以上。天然氣將在我國“碳中和之路”中發(fā)揮重要作用，在“雙碳”背景下為汽車減碳做貢獻(xiàn)。國家政策支持天然氣汽車發(fā)展，2016年12月發(fā)改委印發(fā)的《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出“積極支持天然氣汽車發(fā)展”[1]。天然氣汽車是目前世界上技術(shù)最成熟產(chǎn)業(yè)鏈最完善的替代能源汽車。汽車的碳排放是以全生命周期排放的二氧化碳當(dāng)量來計(jì)算的，二氧化碳當(dāng)量（CO2e）是在輻射強(qiáng)度上與某種溫室氣體質(zhì)量相當(dāng)?shù)亩趸嫉牧縖2]。通過生命周期內(nèi)天然氣乘用車碳排放量與汽油乘用車碳排放量的對比研究，從而可定量天然氣乘用車相比汽油乘用車碳排放減少量。汽車生命周期是產(chǎn)品系統(tǒng)中前后銜接的一系列階段，從自然界或從自然資源中獲取原材料，直至最終處置[3-4]。根據(jù)《乘用車生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，乘用車生命周期是原材料獲取階段、整車生產(chǎn)階段和使用階段納入生命周期碳排放核算，不包括道路與廠房等基礎(chǔ)設(shè)施、各工序的設(shè)備、廠區(qū)內(nèi)人員及生活設(shè)施的碳排放。三個(gè)階段邊界條件劃分為：原材料獲取階段包括鋼鐵、鑄鐵、鋁合金、銅及銅合金、熱塑性塑料、熱固性塑料、橡膠、織物、陶瓷/玻璃、鉛、硫酸、玻璃纖維、潤滑劑、剎車液、冷卻液、制冷劑和洗滌液等原材料生產(chǎn)所產(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)量；生產(chǎn)階段包括沖壓、焊接、涂裝、總裝及動(dòng)力站房等生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)量；使用階段包括燃料生產(chǎn)、燃料使用、輪胎更換、鉛酸蓄電池更換、液體更換及制冷劑逸散等所產(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)量。通過對不同階段碳排放量的比較計(jì)算而不是單獨(dú)計(jì)算汽油或天然氣乘用車生命周期碳排放量，對比得到天然氣乘用車較汽油乘用車每個(gè)階段碳排放的增加或減少量，從而得出生命周期天然氣汽車低碳排放的比較優(yōu)勢。

1對比車型對比有效性分析

天然氣乘用車為壓縮天然氣（CNG）汽車，為了實(shí)現(xiàn)天然氣乘用車與汽油乘用車生命周期碳排放對比的有效性，擬在同平臺的汽油車與汽油/CNG兩用燃料車上進(jìn)行對比。因汽油/CNG兩用燃料乘用車是在該款汽油車型的基礎(chǔ)上通過增加一套CNG燃料系統(tǒng)并經(jīng)系統(tǒng)匹配和性能標(biāo)定開發(fā)，滿足產(chǎn)品公告要求的兩用燃料車，對比車型的碳排放具有可比性和有效性。本文擬選北京現(xiàn)代汽車有限公司同一車型平臺開發(fā)生產(chǎn)的BH7160VMS汽油車（簡稱汽油車）和BH7165FVMS汽油/CNG兩用燃料車（簡稱CNG車）進(jìn)行對比分析，該款車型外形尺寸4510×1765×1470（mm)，軸距2650(mm)。BH7160VMS型汽油車，整備質(zhì)量1120kg；發(fā)動(dòng)機(jī)型號G4FG，排量1591ml，凈功率90.2kw；百公里油耗(WLTC)5.75L。BH7165FVMS型汽油/CNG兩用燃料車，整備質(zhì)量1240kg；發(fā)動(dòng)機(jī)型號14FG，排量1591ml，凈功率汽油90.2kw/NG79kw；百公里氣耗(WLTC)6.15m3。CNG車配置的是90升碳纖維纏繞二型瓶，其中所使用的碳纖維重量4kg。兩款對比車型整備質(zhì)量相差120kg。由于CNG車與汽油車是同一車型平臺開發(fā)的產(chǎn)品，CNG車較汽油車增加了氣瓶、氣瓶支架、減壓器、充氣閥及高壓鋼管等燃?xì)庀到y(tǒng)部件，其主要為鋼鐵件。所以CNG車除4kg碳纖維單獨(dú)計(jì)算碳排放量外，其余增加116kg按鋼鐵件計(jì)算碳排放量。

2生命周期內(nèi)CNG車與汽油車碳排放量對比計(jì)算

2.1乘用車生命周期碳排放計(jì)算

根據(jù)《乘用車生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，乘用車生命周期碳排放量C為原材料生產(chǎn)階段碳排放量Cm、整車生產(chǎn)階段碳排放量Cp和車輛使用過程中所產(chǎn)生的碳排放量Cu三者之和，其計(jì)算公式如（1）式。C=Cm+Cp+Cu（1）通過對比計(jì)算各階段CNG車和汽油車碳排放量增加或減少量，從而可得到對比車型生命周期碳排放量的變化量。

2.2原材料獲取階段碳排放當(dāng)量對比計(jì)算

原材料獲取階段，即資源的獲取和材料的生產(chǎn)階段，系統(tǒng)邊界包括資源開采、加工提煉、生產(chǎn)制造等過程[5]。乘用車原材料獲取階段包括部件材料、鉛酸蓄電池、輪胎和液體等4個(gè)部分。原材料獲取階段碳排放量應(yīng)按式（2）進(jìn)行計(jì)算。Cm=ΣCc+Cb+Ct+Cf（2）式中，Cm為所選車型原材料獲取階段的二氧化碳排放當(dāng)量，Cc為部件碳排放量，Cb為鉛酸電池碳排放當(dāng)量，Ct為輪胎碳排放當(dāng)量，Cf為液體碳排放量，單位均為kgCO2e。由于汽油車和CNG車兩款對比車型，除部件材料部分外，其他鉛酸蓄電池、輪胎和液體等3個(gè)部分狀態(tài)相同，沒有差異，對比可以減除，不再列入計(jì)算。CNG車增加116kg鋼鐵件，所以需計(jì)算其增加鋼鐵件部分的原材料獲取階段所產(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)量。部件碳排放量計(jì)算按公式（3）進(jìn)行計(jì)算。Cc=ΣMpi×CEFpmi（3）式中Cc為部件碳排放量，單位為kgCO2e，Mpi表示某種部件材料i的重量，單位kg，CEFpmi表示某種部件材料i的碳排放因子，單位為kgCO2e/kg。根據(jù)《乘用車生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》中材料碳排放因子缺省值，鋼鐵的碳排放因子缺省值為2.38kgCO2e/kg。所以根據(jù)（3）式CNG車增加的鋼鐵部件材料碳排放量計(jì)算為276.08kgCO2e。根據(jù)日本帝人公司對碳纖維進(jìn)行生命周期分析結(jié)果，制造1kg碳纖維時(shí)排放20kgCO2e[6]，CNG氣瓶使用4kg碳纖維，則其產(chǎn)生了80kgCO2e。即CNG車在原材料獲得階段碳排放量相比汽油車的增加了356.08kgCO2e。

2.3車輛生產(chǎn)階段碳排放當(dāng)量對比計(jì)算

汽車生產(chǎn)過程的碳排放主要包括制造生產(chǎn)過程中沖壓、焊接、涂裝和總裝四大工藝能源消耗發(fā)生的碳排放和物料移動(dòng)產(chǎn)生的碳排放[7]。汽油車參照《乘用車生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》中推薦的每輛550kgCO2e的整車生產(chǎn)碳排放因子缺省值進(jìn)行計(jì)算。因乘用車整車生產(chǎn)階段碳排放基數(shù)相對于原材料獲取和使用階段的碳排放基數(shù)較小，對兩個(gè)車型的對比分析，為計(jì)算簡便以及體現(xiàn)對比車型的差異，擬按單位質(zhì)量計(jì)算碳排放因子。汽油車整車生產(chǎn)階段單位質(zhì)量所產(chǎn)生的碳排放因子為0.491kgCO2e/kg，則CNG車整車生產(chǎn)過程中的碳排放量為608.8kgCO2e。即CNG車在車輛生產(chǎn)階段碳排放量相比汽油車增加了58.8kgCO2e。

2.4使用過程碳排放量對比計(jì)算

乘用車使用過程中碳排放量Cu主要是消耗的燃料所產(chǎn)生的碳排放，包括燃料生產(chǎn)所產(chǎn)生的碳排放Cfp和使用過程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功所產(chǎn)生的碳排放量Cfu，還包括輪胎更換產(chǎn)生的碳排放量Ctr、鉛酸電池更換產(chǎn)生的碳排放量Cbr以及液體更換和制冷劑逸散產(chǎn)生的碳排放量Cfr，單位均為kgCO2e。乘用車使用過程碳排放量應(yīng)按式（4）進(jìn)行計(jì)算。Cu=Cfp+Cfu+Ctr+Cbr+Cfr(4)因輪胎、鉛酸電池及液體等使用條件相同，產(chǎn)生的碳排放量相當(dāng)而不再對比計(jì)算。只對比計(jì)算汽油和天然氣燃料生產(chǎn)和使用階段時(shí)所產(chǎn)生的碳排放量。2.4.1燃料生產(chǎn)階段碳排放量計(jì)算。乘用車燃料生產(chǎn)碳排放量按式（5）進(jìn)行計(jì)算。Cfp=FC×CEFf×L÷100（5）式中，Cfp為燃料生產(chǎn)的碳排放量，單位kgCO2e；FC為燃料消耗量，單位為升每百公里（L/100km）或立方米每百公里(m3/100km），所選對比車型汽油車FC=5.75L/100km，CNG車FC=6.15m3/100km；CEFf為單位燃料生產(chǎn)的碳排放因子，單位為kgCO2e/L或kgCO2e/m3，汽油燃料生產(chǎn)的碳排放因子包括石油開采、加工、運(yùn)輸?shù)冗^程（未考慮生產(chǎn)過程中溢散排放）CEFf=0.487kgCO2e/L，天然氣燃料生產(chǎn)的碳排放因子包括天然氣開采、加工、運(yùn)輸?shù)冗^程（未考慮生產(chǎn)過程中溢散排放）CEF=0.07kgCO2e/m3；L為乘用車生命周期行駛里程，按150000km計(jì)算。燃料生產(chǎn)階段碳排放量取決于百公里燃料消耗量和燃料生產(chǎn)的碳排放因子兩個(gè)因素所決定，根據(jù)（5）式計(jì)算結(jié)果，汽油車燃料生產(chǎn)碳排放量為4200.38kgCO2e，CNG車燃料生產(chǎn)階段碳排放量為645.75kgCO2e。即生命周期內(nèi)燃料生產(chǎn)階段碳排放量CNG車較汽油車減少了3554.63kgCO2e。汽油在燃料生產(chǎn)階段的碳排放因子是天然氣的約6.96倍，即天然氣燃料生產(chǎn)階段的碳排放因子是汽油的14.37%，所以作為汽車替代燃料的天然氣在生產(chǎn)階段比汽油生產(chǎn)階段具有更清潔低碳特性。2.4.2燃料使用階段碳排放量計(jì)算。燃料使用階段中的碳排放量計(jì)算，即車輛在行駛過程中消耗的燃料所直接產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量。乘用車燃料使用階段的碳排放量Cfu按式（6）進(jìn)行計(jì)算。Cfu=FC×Kc×L÷100（6）式中，F(xiàn)C為燃料消耗量，單位為升每百公里（L/100km）或立方米每百公里（m3/100km）；Kc為燃料碳排放因子，參考GB27999，對于汽油乘用車為2.37kgCO2e/L[8]。使用階段碳排放量取決于百公里燃料消耗量和燃料使用階段的碳排放因子兩個(gè)因素所決定，根據(jù)（6）式計(jì)算得該對比汽油車型使用階段碳排放量為20441.25kgCO2e。根據(jù)燃料使用階段的碳排放因子公式（7）計(jì)算CNG車天然氣燃料使用階段的碳排放因子[9]。Kc=Qn×CC×OF×44÷12(7)式中，CC為單位熱值含碳量，單位為kg/GJ，天然氣CC為15.3kg/GJ；Qn為單位體積低位發(fā)熱量,單位為GJ/m3,天然氣的低位發(fā)熱量Qn為389.31×10-4GJ/m3；OF為碳氧化率%，天然氣碳氧化率為99%；Kc天然氣碳排放因子，單位為kgCO2e/m3。根據(jù)（7）計(jì)算天然氣使用階段的碳排放因子為2.16kgCO2e/m3。根據(jù)（6）式計(jì)算CNG車使用階段碳排放量為19926kgCO2e。所以燃料使用階段CNG車較汽油車減少碳排放量為515.25kgCO2e。汽油車在使用階段的碳排放因子與CNG車在使用階段的碳排放因子之比約為1L/1.1m3，即消耗1L汽油所產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量與1.1m3天然氣所產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量相當(dāng)。當(dāng)CNG車與汽油車的百公里燃料消耗的氣油比大于1.1時(shí)，則CNG車在使用階段所產(chǎn)生的碳排放會(huì)超過汽油車，所以降低CNG車百公里氣耗是減碳的關(guān)鍵。根據(jù)（4）式，使用過程中CNG車較汽油車減少碳排放量為燃料生產(chǎn)階段和使用階段時(shí)的碳排放減少量之和，即4069.88kgCO2e。

2.5生命周期CNG車與汽油車碳排放對比結(jié)果

生命周期碳排放量CNG車在原材料獲得階段增加了356.08kgCO2e，在整車生產(chǎn)階段增加了58.8kgCO2e，在汽車使用階段減少4069.88kgCO2e。即CNG車較汽油車生命周期內(nèi)減少碳排放當(dāng)量為3655kgCO2e。生命周期CNG車單位行駛里程碳排放量比汽油車的減少了0.02437kgCO2e/km，即24.37gCO2e/km。

3結(jié)束語

天然氣是清潔低碳能源，同型號天然氣乘用車與汽油車相比，全生命周期天然氣乘用車較汽油車減少3655kgCO2e，生命周期單位行駛里程天然氣乘用車減少的碳排放量24.37gCO2e/km，從而達(dá)到了天然氣乘用車減碳效果的定量分析結(jié)果。從原材獲取和整車生產(chǎn)碳排放對比分析，因天然氣乘用車增加了燃?xì)庀到y(tǒng)部件而導(dǎo)致其在原材料獲取和整車生產(chǎn)階段的碳排放較汽油車碳排放量增加。生命周期內(nèi)車輛使用過程是產(chǎn)生碳排放的最主要因素，其碳排放量取決于百公里燃料消耗量和燃料生產(chǎn)及使用階段的碳排放因子三個(gè)因素所決定，所以降低百公里燃料消耗量、選用燃料生產(chǎn)和使用階段所產(chǎn)生的碳排放因子少的燃料是減少碳排放的關(guān)鍵。根據(jù)天然氣汽車的專門設(shè)計(jì)開發(fā)天然氣汽車底盤及氣瓶布置，將可減少整車重量，不僅可減少原材料獲得和整車生產(chǎn)階段的碳排放產(chǎn)生，而且可降低百公里燃料消耗量，從而可更進(jìn)一步減少碳排放，更加體現(xiàn)天然氣汽車的清潔低碳特性，為汽車實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做貢獻(xiàn)。

作者:張德福 鄒博文 樂中耀 蘭楠 李靜波 陳萬應(yīng) 單位:中國汽車工程研究院股份有限公司