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天然气与汽油乘用车碳排放对比探究

[摘要]通过生命周期内对天然气乘用车和汽油乘用车在原材料获取、生产阶段及使用阶段的碳排放对比分析计算,得到天然气车与汽油车在各阶段的碳排放增加或减少变化量,从而确认天然气乘用车碳排放的比较优势。对两款同平台的汽油车和CNG车对比计算分析,CNG车比汽油车在车辆使用阶段的碳排放量有较大幅度的减少,而在原材料获得阶段和整车生产阶段的碳排放量有所增加。生命周期CNG车比汽油车碳排放量减少3655kgCO2e,单位行驶里程减少碳排放24.37gCO2e/km,从而达到了对CNG车减少碳排放量进行定量分析。

关键词:天然气乘用车;汽油乘用车;生命周期;碳排放;对比研究

0引言

汽车行业已成为我国温室气体排放最重要和增长最快的领域之一。有效控制汽车行业碳排放总量,对我国尽早达到碳排放峰值尤为重要。天然气是清洁低碳能源,按单位热值计算天然气汽车较燃油汽车可有效降低CO2排放20%以上。天然气将在我国“碳中和之路”中发挥重要作用,在“双碳”背景下为汽车减碳做贡献。国家政策支持天然气汽车发展,2016年12月发改委印发的《天然气发展“十三五”规划》提出“积极支持天然气汽车发展”[1]。天然气汽车是目前世界上技术最成熟产业链最完善的替代能源汽车。汽车的碳排放是以全生命周期排放的二氧化碳当量来计算的,二氧化碳当量(CO2e)是在辐射强度上与某种温室气体质量相当的二氧化碳的量[2]。通过生命周期内天然气乘用车碳排放量与汽油乘用车碳排放量的对比研究,从而可定量天然气乘用车相比汽油乘用车碳排放减少量。汽车生命周期是产品系统中前后衔接的一系列阶段,从自然界或从自然资源中获取原材料,直至最终处置[3-4]。根据《乘用车生命周期碳排放核算技术规范》,乘用车生命周期是原材料获取阶段、整车生产阶段和使用阶段纳入生命周期碳排放核算,不包括道路与厂房等基础设施、各工序的设备、厂区内人员及生活设施的碳排放。三个阶段边界条件划分为:原材料获取阶段包括钢铁、铸铁、铝合金、铜及铜合金、热塑性塑料、热固性塑料、橡胶、织物、陶瓷/玻璃、铅、硫酸、玻璃纤维、润滑剂、刹车液、冷却液、制冷剂和洗涤液等原材料生产所产生的二氧化碳当量;生产阶段包括冲压、焊接、涂装、总装及动力站房等生产过程中所产生的二氧化碳当量;使用阶段包括燃料生产、燃料使用、轮胎更换、铅酸蓄电池更换、液体更换及制冷剂逸散等所产生的二氧化碳当量。通过对不同阶段碳排放量的比较计算而不是单独计算汽油或天然气乘用车生命周期碳排放量,对比得到天然气乘用车较汽油乘用车每个阶段碳排放的增加或减少量,从而得出生命周期天然气汽车低碳排放的比较优势。

1对比车型对比有效性分析

天然气乘用车为压缩天然气(CNG)汽车,为了实现天然气乘用车与汽油乘用车生命周期碳排放对比的有效性,拟在同平台的汽油车与汽油/CNG两用燃料车上进行对比。因汽油/CNG两用燃料乘用车是在该款汽油车型的基础上通过增加一套CNG燃料系统并经系统匹配和性能标定开发,满足产品公告要求的两用燃料车,对比车型的碳排放具有可比性和有效性。本文拟选北京现代汽车有限公司同一车型平台开发生产的BH7160VMS汽油车(简称汽油车)和BH7165FVMS汽油/CNG两用燃料车(简称CNG车)进行对比分析,该款车型外形尺寸4510×1765×1470(mm),轴距2650(mm)。BH7160VMS型汽油车,整备质量1120kg;发动机型号G4FG,排量1591ml,净功率90.2kw;百公里油耗(WLTC)5.75L。BH7165FVMS型汽油/CNG两用燃料车,整备质量1240kg;发动机型号14FG,排量1591ml,净功率汽油90.2kw/NG79kw;百公里气耗(WLTC)6.15m3。CNG车配置的是90升碳纤维缠绕二型瓶,其中所使用的碳纤维重量4kg。两款对比车型整备质量相差120kg。由于CNG车与汽油车是同一车型平台开发的产品,CNG车较汽油车增加了气瓶、气瓶支架、减压器、充气阀及高压钢管等燃气系统部件,其主要为钢铁件。所以CNG车除4kg碳纤维单独计算碳排放量外,其余增加116kg按钢铁件计算碳排放量。

2生命周期内CNG车与汽油车碳排放量对比计算

2.1乘用车生命周期碳排放计算

根据《乘用车生命周期碳排放核算技术规范》,乘用车生命周期碳排放量C为原材料生产阶段碳排放量Cm、整车生产阶段碳排放量Cp和车辆使用过程中所产生的碳排放量Cu三者之和,其计算公式如(1)式。C=Cm+Cp+Cu(1)通过对比计算各阶段CNG车和汽油车碳排放量增加或减少量,从而可得到对比车型生命周期碳排放量的变化量。

2.2原材料获取阶段碳排放当量对比计算

原材料获取阶段,即资源的获取和材料的生产阶段,系统边界包括资源开采、加工提炼、生产制造等过程[5]。乘用车原材料获取阶段包括部件材料、铅酸蓄电池、轮胎和液体等4个部分。原材料获取阶段碳排放量应按式(2)进行计算。Cm=ΣCc+Cb+Ct+Cf(2)式中,Cm为所选车型原材料获取阶段的二氧化碳排放当量,Cc为部件碳排放量,Cb为铅酸电池碳排放当量,Ct为轮胎碳排放当量,Cf为液体碳排放量,单位均为kgCO2e。由于汽油车和CNG车两款对比车型,除部件材料部分外,其他铅酸蓄电池、轮胎和液体等3个部分状态相同,没有差异,对比可以减除,不再列入计算。CNG车增加116kg钢铁件,所以需计算其增加钢铁件部分的原材料获取阶段所产生的二氧化碳当量。部件碳排放量计算按公式(3)进行计算。Cc=ΣMpi×CEFpmi(3)式中Cc为部件碳排放量,单位为kgCO2e,Mpi表示某种部件材料i的重量,单位kg,CEFpmi表示某种部件材料i的碳排放因子,单位为kgCO2e/kg。根据《乘用车生命周期碳排放核算技术规范》中材料碳排放因子缺省值,钢铁的碳排放因子缺省值为2.38kgCO2e/kg。所以根据(3)式CNG车增加的钢铁部件材料碳排放量计算为276.08kgCO2e。根据日本帝人公司对碳纤维进行生命周期分析结果,制造1kg碳纤维时排放20kgCO2e[6],CNG气瓶使用4kg碳纤维,则其产生了80kgCO2e。即CNG车在原材料获得阶段碳排放量相比汽油车的增加了356.08kgCO2e。

2.3车辆生产阶段碳排放当量对比计算

汽车生产过程的碳排放主要包括制造生产过程中冲压、焊接、涂装和总装四大工艺能源消耗发生的碳排放和物料移动产生的碳排放[7]。汽油车参照《乘用车生命周期碳排放核算技术规范》中推荐的每辆550kgCO2e的整车生产碳排放因子缺省值进行计算。因乘用车整车生产阶段碳排放基数相对于原材料获取和使用阶段的碳排放基数较小,对两个车型的对比分析,为计算简便以及体现对比车型的差异,拟按单位质量计算碳排放因子。汽油车整车生产阶段单位质量所产生的碳排放因子为0.491kgCO2e/kg,则CNG车整车生产过程中的碳排放量为608.8kgCO2e。即CNG车在车辆生产阶段碳排放量相比汽油车增加了58.8kgCO2e。

2.4使用过程碳排放量对比计算

乘用车使用过程中碳排放量Cu主要是消耗的燃料所产生的碳排放,包括燃料生产所产生的碳排放Cfp和使用过程中发动机燃烧做功所产生的碳排放量Cfu,还包括轮胎更换产生的碳排放量Ctr、铅酸电池更换产生的碳排放量Cbr以及液体更换和制冷剂逸散产生的碳排放量Cfr,单位均为kgCO2e。乘用车使用过程碳排放量应按式(4)进行计算。Cu=Cfp+Cfu+Ctr+Cbr+Cfr(4)因轮胎、铅酸电池及液体等使用条件相同,产生的碳排放量相当而不再对比计算。只对比计算汽油和天然气燃料生产和使用阶段时所产生的碳排放量。2.4.1燃料生产阶段碳排放量计算。乘用车燃料生产碳排放量按式(5)进行计算。Cfp=FC×CEFf×L÷100(5)式中,Cfp为燃料生产的碳排放量,单位kgCO2e;FC为燃料消耗量,单位为升每百公里(L/100km)或立方米每百公里(m3/100km),所选对比车型汽油车FC=5.75L/100km,CNG车FC=6.15m3/100km;CEFf为单位燃料生产的碳排放因子,单位为kgCO2e/L或kgCO2e/m3,汽油燃料生产的碳排放因子包括石油开采、加工、运输等过程(未考虑生产过程中溢散排放)CEFf=0.487kgCO2e/L,天然气燃料生产的碳排放因子包括天然气开采、加工、运输等过程(未考虑生产过程中溢散排放)CEF=0.07kgCO2e/m3;L为乘用车生命周期行驶里程,按150000km计算。燃料生产阶段碳排放量取决于百公里燃料消耗量和燃料生产的碳排放因子两个因素所决定,根据(5)式计算结果,汽油车燃料生产碳排放量为4200.38kgCO2e,CNG车燃料生产阶段碳排放量为645.75kgCO2e。即生命周期内燃料生产阶段碳排放量CNG车较汽油车减少了3554.63kgCO2e。汽油在燃料生产阶段的碳排放因子是天然气的约6.96倍,即天然气燃料生产阶段的碳排放因子是汽油的14.37%,所以作为汽车替代燃料的天然气在生产阶段比汽油生产阶段具有更清洁低碳特性。2.4.2燃料使用阶段碳排放量计算。燃料使用阶段中的碳排放量计算,即车辆在行驶过程中消耗的燃料所直接产生的碳排放当量。乘用车燃料使用阶段的碳排放量Cfu按式(6)进行计算。Cfu=FC×Kc×L÷100(6)式中,FC为燃料消耗量,单位为升每百公里(L/100km)或立方米每百公里(m3/100km);Kc为燃料碳排放因子,参考GB27999,对于汽油乘用车为2.37kgCO2e/L[8]。使用阶段碳排放量取决于百公里燃料消耗量和燃料使用阶段的碳排放因子两个因素所决定,根据(6)式计算得该对比汽油车型使用阶段碳排放量为20441.25kgCO2e。根据燃料使用阶段的碳排放因子公式(7)计算CNG车天然气燃料使用阶段的碳排放因子[9]。Kc=Qn×CC×OF×44÷12(7)式中,CC为单位热值含碳量,单位为kg/GJ,天然气CC为15.3kg/GJ;Qn为单位体积低位发热量,单位为GJ/m3,天然气的低位发热量Qn为389.31×10-4GJ/m3;OF为碳氧化率%,天然气碳氧化率为99%;Kc天然气碳排放因子,单位为kgCO2e/m3。根据(7)计算天然气使用阶段的碳排放因子为2.16kgCO2e/m3。根据(6)式计算CNG车使用阶段碳排放量为19926kgCO2e。所以燃料使用阶段CNG车较汽油车减少碳排放量为515.25kgCO2e。汽油车在使用阶段的碳排放因子与CNG车在使用阶段的碳排放因子之比约为1L/1.1m3,即消耗1L汽油所产生的碳排放当量与1.1m3天然气所产生的碳排放当量相当。当CNG车与汽油车的百公里燃料消耗的气油比大于1.1时,则CNG车在使用阶段所产生的碳排放会超过汽油车,所以降低CNG车百公里气耗是减碳的关键。根据(4)式,使用过程中CNG车较汽油车减少碳排放量为燃料生产阶段和使用阶段时的碳排放减少量之和,即4069.88kgCO2e。

2.5生命周期CNG车与汽油车碳排放对比结果

生命周期碳排放量CNG车在原材料获得阶段增加了356.08kgCO2e,在整车生产阶段增加了58.8kgCO2e,在汽车使用阶段减少4069.88kgCO2e。即CNG车较汽油车生命周期内减少碳排放当量为3655kgCO2e。生命周期CNG车单位行驶里程碳排放量比汽油车的减少了0.02437kgCO2e/km,即24.37gCO2e/km。

3结束语

天然气是清洁低碳能源,同型号天然气乘用车与汽油车相比,全生命周期天然气乘用车较汽油车减少3655kgCO2e,生命周期单位行驶里程天然气乘用车减少的碳排放量24.37gCO2e/km,从而达到了天然气乘用车减碳效果的定量分析结果。从原材获取和整车生产碳排放对比分析,因天然气乘用车增加了燃气系统部件而导致其在原材料获取和整车生产阶段的碳排放较汽油车碳排放量增加。生命周期内车辆使用过程是产生碳排放的最主要因素,其碳排放量取决于百公里燃料消耗量和燃料生产及使用阶段的碳排放因子三个因素所决定,所以降低百公里燃料消耗量、选用燃料生产和使用阶段所产生的碳排放因子少的燃料是减少碳排放的关键。根据天然气汽车的专门设计开发天然气汽车底盘及气瓶布置,将可减少整车重量,不仅可减少原材料获得和整车生产阶段的碳排放产生,而且可降低百公里燃料消耗量,从而可更进一步减少碳排放,更加体现天然气汽车的清洁低碳特性,为汽车实现“双碳”目标做贡献。

作者:张德福 邹博文 乐中耀 兰楠 李静波 陈万应 单位:中国汽车工程研究院股份有限公司

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