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摘 要：根据全生命周期理论，以电动汽车为实例，详细评价三种电气程度的电动汽车燃料的能源消耗和环境影响评价，建立清单模型，给出电动汽车燃料周期清单分析的计算逻辑，对汽油和电力燃料生命周期和气体排放进行清单核算和结果比较。结果表明，能源方面上插电式混合动力汽车（PHEV）在燃料周期中消耗能源最少，纯电动汽车（EV）消耗汽油比例最低；环境影响上PHEV在燃料周期中温室气体排放最低，EV并没有达到真正意义上的节能减排。
关键词：电动汽车；全生命周期；清单模型；结果比较
中图分类号：S 776.36；U 469.72；X 82 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2017）06-0056-04
Research on Life Cycle Assessment of Electric Vehicle Fuel
Ding Zhoubo，Li Bin，Niu Jigao，Li Chenxu，Zhang Junhao
（Mechanical and Electrical College，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007）
Abstract：According to the whole life cycle theory，taking electric vehicles as an example，the energy consumption and environmental impact assessment of electric vehicle fuel with different electrical degrees are evaluated in detail.The inventory model is established to give the computational logic of fuel cycle inventory analysis of the electric vehicle，and the inventory and the results are compared for the life cycle and the gas emission of the gasoline and power fuel.Results show that the energy on the plug-in hybrid electric vehicles（PHEV）consume the least energy in the fuel cycle，with pure electric vehicles（EV）consuming the lowest petrol.In terms of environmental impact，PHEV has the lowest greenhouse gas emissions in the fuel cycle，and EV does not achieve the real energy-saving emission reduction.
Keywords：Electric vehicle；life cycle；list model；results comparison
0 引言
近年來，随着可持续发展理念的贯彻和深入，清洁能源和环保问题越来越引人注目，而汽车尾气作为城市空气污染的主要来源[1]，其解决手段是越来越多的替代燃料的出现，而替代燃料的开采和应用同样会消耗大量的一次能源以及排放气体。因此全面分析电动汽车燃料消耗和气体排放情况，必须基于全生命周期理论，开展电动汽车燃料周期评价研究。
汽车燃料生命周期评价最早最系统的理论，它由美国提出的从“井口”到“车轮”（WTW，from well to wheel）[2]全生命周期理论，美国阿贡实验室针对汽车替代燃料全生命周期建立了GREET模型[2]，并对其做了大量的实例研究。西方发达国家对于车辆的全生命周期的研究一直走在世界的前列，它们的研究主要集中于对汽车燃料周期的能源消耗和气体排放分析，并对其中各个具体阶段进行对比阐述，提出更具价值的参考选择，我国对于汽车领域的全生命周期研究起步尚晚，但是由于可持续发展和清洁能源越来越得到政府和学者重视，所以相关研究也越来越受到关注。本文基于全生命周期理论，建立电动汽车燃料周期模型，并将模型具体应用。
1 清单模型
1.1 基础参数
本文评估电动汽车燃料周期能量消耗和气体排放情况，涉及到的能源主要是汽油和电力，涉及到三个阶段，分别是原料阶段、燃料阶段以及行驶阶段[3]。而原料阶段和燃料阶段为燃料周期的上游阶段，本文主要关注的则是这个阶段，而汽油的上游阶段主要包含了原油开采运输、汽油加工制造、汽油运输等过程，电力的上游阶段主要包含了原料开采、原料运输、发电厂发电和输配[4]。汽车燃料生命周期清单模型主要关注三个特性参数，它们分别是总能源消耗，总的常规气体排放以及总的温室气体排放[5]。总的能源包括总的一次能源和化石能源消耗，单位为MJ/MJ产品能源输出；总的常规气体包括VOC、CO、NOX、PM10、PM2.5，单位是g/MJ产品能源输出；总的温室气体排放包括CO2、CH4、N2O，单位是gCO2当量（gCO2-eq）/MJ产品能源输出。
1.2 算法分析
1.2.1 直接能耗计算
在分析能耗和过程排放之前，首先要明确它们与燃料之间的关系，大多数情况下，原料能源既能当做生产燃料，也可作为工艺燃料[6]。所以在能耗计算时需要视情况而定，这里可以把能源转化分成3种情况来考虑：其一，所有原料能源均在燃烧过程中被消耗，如煤炭发电；其二，一部分原料能源作为原料输入，不产生排放，另一部分通过工艺转化成为燃料，参与过程燃烧，排放气体。如天然气生产甲醇和氢气，一部分天然气当作原料使用，而其余部分用于工艺燃料，参与燃烧并排放气体；其三，所有的原料能源均作为原料输入，该过程不存在任何化学过程，如天然气的压缩和液化。
这三种情况的单位能量（1MJ）所需要的能源消耗皆可以由该过程的能量效率计算得到，即第一情况有E=1/η，而第二、三种情况有E=Efeed+Efuel=1/η-1，其中E是单位过程中输出单位产品所消耗的能量，MJ；η是单位过程的能量效率；Efeed、Efuel 分别是单位过程中需要输入的原料能量和工艺燃料能量，MJ。
1.2.2 直接排放计算
燃料周期上游阶段排放主要来自于工艺燃烧阶段，其余部分来源于非燃烧阶段，如化学反应、蒸发等，关于这些数据和排放系数国内几乎找不到，因此本文采用美国环保局AP-42文件[7]中的数据。对于任一单元过程工艺燃料燃烧产生的排放物i可用下式计算：
式中：EMc，i为某一单位过程中排放物i的能源输出，g/MJ；EFi，j，k为第k类能源使用装置使用燃料j时的排放因子，g/MJ；Eprocess，j，k为某一单位过程中使用第k类能源装置工艺燃料j的消耗量，g/MJ；Ein为单位过程总能源消耗量，MJ；βk，j、αj 分别为燃料j在总燃料能耗的比例以及燃料j在k装置中消耗的比例。鉴于目前我国没有相关排放物（VOC、CO、NOX、PM10、PM2.5、CH4、N2O）的排放因子的研究数据，所以依然采用美国环保署AP-42文件数据[2]。
此外，CO2和SO2的排放因子可由S和C元素质量守恒求得，如下式：
式中：EFSO2，j为燃料j的SO2的排放因子，g/MJ；Dj为燃料j的密度，g/L；LHVj指燃料j的低热值，MJ/L；rS，j为燃料j的含硫质量比；常数64和32分別是SO2和S的摩尔质量；同理EFCO2，j，k 、EFCH4，j，k、EFVOC，j，k为在燃烧装置k中的燃料j燃烧时的CO2、CH4、VOC的排放因子，g/MJ；rC，j为燃料j的含碳元素质量比。
1.2.3 阶段生命周期能耗和排放
上游阶段的燃料消耗除了工艺燃料燃烧和使用，还包括了燃料在开采和生产所消耗的能量和气体排放。所以阶段生命周期能耗和排放是直接能耗和排放与上游阶段间接能耗和排放之和。
式中：Eup为上游阶段能耗，MJ；EMup，i为上游阶段污染物i的排放质量，g/MJ；小标a为单位过程。公式（5）和公式（6）在计算时，所涉及的参数本身也需要计算，所以形成反复迭代的过程，直到计算结果偏差小于1/1000时即可。
1.2.4 车辆行驶阶段能耗及排放
车辆行驶阶段，即燃料周期下游阶段。该阶段的能耗可以通过汽车燃油经济性和燃料热值计算。
式中：Euse为车辆使用阶段能耗，MJ/km；B为汽车燃油经济性，可通过汽车动力匹配得到，L/100 km；LHV为燃料低热值，MJ/L；LS为燃料损失率。可通过汽车动力匹配得到。
该阶段的气体排放可以应用GREET软件中的相应数据[8-9]核算得到，其中CO2和SO2可根据碳元素和硫元素平衡原理计算得到。
2 模型应用
将以上建立的模型应用于三种电气程度的车辆燃料生命周期清单分析，本文将选取3种类型的电动汽车进行对比分析，分别是混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、纯电动车（EV）。根据目前国际新能源发展的现状，选择具有代表性的电动汽车进行分析，其中HEV本文选择了北京现代第九代索纳塔混合动力，这辆车同时搭载2.0 L GDi Engine（Nu）发动机和38 kw electric motor 电动机。PHEV选择了一汽丰田普锐斯，它搭载了1.8 L直列四缸汽油发动机，电机采用了三相交流永磁电机，功率为60 kw。EV选择经典的纯电动汽车NISSAN LEAF（MY2011），该车采用锂离子电池，动力电池包含48个8.4 V的电池模块组成，总共产生403.2 V的电压，总质量为294 kg，汽车整备质量1521 kg。表1为模型对HEV燃料生命周期核算结果，表2为PHEV燃料生命周期核算结果，表3为EV燃料生命周期核算结果。计算过程中的原始数据来源于统计年鉴[10-13]和相关文献[14-18]。
从上表1至表3看出，PHEV消耗的总能源是最少的，同比HEV减少了4.5%，EV减少了9.5%；HEV、PHEV、EV的化石能耗占比分别是97.4%、96.1%、94.2%，所以EV在WTW中的可再生能源利用率最高，然而煤炭消耗量是EV最多，占到了化石能源总量的99.5%，主要因为煤炭发电的结果。温室气体排放主要以CO2和GHG为主，其他几乎可以忽略不计，从中可以看出纯电动汽车的WTW中排放的气体以温室气体为主，均占到排放总气体的99.2%以上，这个过程都发生在燃料周期上游阶段，可见煤炭大量燃烧会产生大量温室气体，而PHEV排放最少。随着新能源技术的发展，VOC的排放成明显下降趋势，而PM10却随之越来越高。在CO排放方面EV表现最好，而SO2排放最多，NOX和PM2.5的排放各个车辆技术类型都差不多。
图1可以直观反映各个车辆技术类型能量损耗与气体排放，由图1可知，车辆的整个燃料周期（WTW）能源消耗和气体排放总体趋势一致，除了一些常规气体排放。从整体燃料周期来看，EV消耗能源并不是最少的，反而占到最多，这主要原因是燃料周期上游阶段需要大量的电力和汽油原料，而下游车辆行驶阶段，EV是最节能的，这也可以说明WTW上游阶段汽油能源转化率远远高于电力的能源转化率。
3 结论
本文根据全生命周期理论并建立模型完成了关于电动汽车燃料周期数据整理和仿真分析。研究各个不同电气程度的电动汽车在燃料周期的能耗和气体排放。研究表明，随着电气化程度越来越高，车辆消耗的汽油比例越来越小，但是消耗煤炭越来越多，而且总的能源消耗并不是EV最低，而是PHEV，能源消耗的主体在燃料周期上游阶段，其根本原因是我国的能源产业结构决定的。因此要真正做到新能源汽车节能减排，应该重点关注燃料周期上游阶段的能源消耗，改善能源产业结构，提高燃料周期上游阶段电力的能源转化率，优先发展插电式电动汽车和混合动力汽车，然后再向纯电动汽车慢慢过渡。
【参 考 文 献】
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