天然氣與汽油乘用車(chē)碳排放對(duì)比探究

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[摘要]通過(guò)生命周期內(nèi)對(duì)天然氣乘用車(chē)和汽油乘用車(chē)在原材料獲取、生產(chǎn)階段及使用階段的碳排放對(duì)比分析計(jì)算，得到天然氣車(chē)與汽油車(chē)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(chē)碳排放的比較優(yōu)勢(shì)。對(duì)兩款同平臺(tái)的汽油車(chē)和CNG車(chē)對(duì)比計(jì)算分析，CNG車(chē)比汽油車(chē)在車(chē)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(chē)生產(chǎn)階段的碳排放量有所增加。生命周期CNG車(chē)比汽油車(chē)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(duì)CNG車(chē)減少碳排放量進(jìn)行定量分析。

關(guān)鍵詞：天然氣乘用車(chē)；汽油乘用車(chē)；生命周期；碳排放；對(duì)比研究

0引言

汽車(chē)行業(yè)已成為我國(guó)溫室氣體排放最重要和增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。有效控制汽車(chē)行業(yè)碳排放總量，對(duì)我國(guó)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(chē)較燃油汽車(chē)可有效降低CO2排放20%以上。天然氣將在我國(guó)“碳中和之路”中發(fā)揮重要作用，在“雙碳”背景下為汽車(chē)減碳做貢獻(xiàn)。國(guó)家政策支持天然氣汽車(chē)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(chē)發(fā)展”[1]。天然氣汽車(chē)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(chē)。汽車(chē)的碳排放是以全生命周期排放的二氧化碳當(dāng)量來(lái)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(guò)生命周期內(nèi)天然氣乘用車(chē)碳排放量與汽油乘用車(chē)碳排放量的對(duì)比研究，從而可定量天然氣乘用車(chē)相比汽油乘用車(chē)碳排放減少量。汽車(chē)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(chē)生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，乘用車(chē)生命周期是原材料獲取階段、整車(chē)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(rùn)滑劑、剎車(chē)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(guò)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(guò)對(duì)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(chē)生命周期碳排放量，對(duì)比得到天然氣乘用車(chē)較汽油乘用車(chē)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(chē)低碳排放的比較優(yōu)勢(shì)。

1對(duì)比車(chē)型對(duì)比有效性分析

天然氣乘用車(chē)為壓縮天然氣（CNG）汽車(chē)，為了實(shí)現(xiàn)天然氣乘用車(chē)與汽油乘用車(chē)生命周期碳排放對(duì)比的有效性，擬在同平臺(tái)的汽油車(chē)與汽油/CNG兩用燃料車(chē)上進(jìn)行對(duì)比。因汽油/CNG兩用燃料乘用車(chē)是在該款汽油車(chē)型的基礎(chǔ)上通過(guò)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(kāi)發(fā)，滿足產(chǎn)品公告要求的兩用燃料車(chē)，對(duì)比車(chē)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(chē)有限公司同一車(chē)型平臺(tái)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的BH7160VMS汽油車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)汽油車(chē)）和BH7165FVMS汽油/CNG兩用燃料車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)CNG車(chē)）進(jìn)行對(duì)比分析，該款車(chē)型外形尺寸4510×1765×1470（mm)，軸距2650(mm)。BH7160VMS型汽油車(chē)，整備質(zhì)量1120kg；發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)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(chē)，整備質(zhì)量1240kg；發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)14FG，排量1591ml，凈功率汽油90.2kw/NG79kw；百公里氣耗(WLTC)6.15m3。CNG車(chē)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(duì)比車(chē)型整備質(zhì)量相差120kg。由于CNG車(chē)與汽油車(chē)是同一車(chē)型平臺(tái)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，CNG車(chē)較汽油車(chē)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(chē)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(chē)與汽油車(chē)碳排放量對(duì)比計(jì)算

2.1乘用車(chē)生命周期碳排放計(jì)算

根據(jù)《乘用車(chē)生命周期碳排放核算技術(shù)規(guī)范》，乘用車(chē)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(chē)生產(chǎn)階段碳排放量Cp和車(chē)輛使用過(guò)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(guò)對(duì)比計(jì)算各階段CNG車(chē)和汽油車(chē)碳排放量增加或減少量，從而可得到對(duì)比車(chē)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(duì)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(kāi)采、加工提煉、生產(chǎn)制造等過(guò)程[5]。乘用車(chē)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(chē)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(chē)和CNG車(chē)兩款對(duì)比車(chē)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(méi)有差異，對(duì)比可以減除，不再列入計(jì)算。CNG車(chē)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(chē)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(chē)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(duì)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(chē)在原材料獲得階段碳排放量相比汽油車(chē)的增加了356.08kgCO2e。

2.3車(chē)輛生產(chǎn)階段碳排放當(dāng)量對(duì)比計(jì)算

汽車(chē)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放主要包括制造生產(chǎn)過(guò)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(chē)參照《乘用車(chē)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(chē)生產(chǎn)碳排放因子缺省值進(jìn)行計(jì)算。因乘用車(chē)整車(chē)生產(chǎn)階段碳排放基數(shù)相對(duì)于原材料獲取和使用階段的碳排放基數(shù)較小，對(duì)兩個(gè)車(chē)型的對(duì)比分析，為計(jì)算簡(jiǎn)便以及體現(xiàn)對(duì)比車(chē)型的差異，擬按單位質(zhì)量計(jì)算碳排放因子。汽油車(chē)整車(chē)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(chē)整車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放量為608.8kgCO2e。即CNG車(chē)在車(chē)輛生產(chǎn)階段碳排放量相比汽油車(chē)增加了58.8kgCO2e。

2.4使用過(guò)程碳排放量對(duì)比計(jì)算

乘用車(chē)使用過(guò)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(guò)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(chē)使用過(guò)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(duì)比計(jì)算。只對(duì)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(chē)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(duì)比車(chē)型汽油車(chē)FC=5.75L/100km，CNG車(chē)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(kāi)采、加工、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程（未考慮生產(chǎn)過(guò)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(kāi)采、加工、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程（未考慮生產(chǎn)過(guò)程中溢散排放）CEF=0.07kgCO2e/m3；L為乘用車(chē)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(chē)燃料生產(chǎn)碳排放量為4200.38kgCO2e，CNG車(chē)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(chē)較汽油車(chē)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(chē)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(chē)輛在行駛過(guò)程中消耗的燃料所直接產(chǎn)生的碳排放當(dāng)量。乘用車(chē)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(duì)于汽油乘用車(chē)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(duì)比汽油車(chē)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(chē)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(chē)使用階段碳排放量為19926kgCO2e。所以燃料使用階段CNG車(chē)較汽油車(chē)減少碳排放量為515.25kgCO2e。汽油車(chē)在使用階段的碳排放因子與CNG車(chē)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(chē)與汽油車(chē)的百公里燃料消耗的氣油比大于1.1時(shí)，則CNG車(chē)在使用階段所產(chǎn)生的碳排放會(huì)超過(guò)汽油車(chē)，所以降低CNG車(chē)百公里氣耗是減碳的關(guān)鍵。根據(jù)（4）式，使用過(guò)程中CNG車(chē)較汽油車(chē)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(chē)與汽油車(chē)碳排放對(duì)比結(jié)果

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

3結(jié)束語(yǔ)

天然氣是清潔低碳能源，同型號(hào)天然氣乘用車(chē)與汽油車(chē)相比，全生命周期天然氣乘用車(chē)較汽油車(chē)減少3655kgCO2e，生命周期單位行駛里程天然氣乘用車(chē)減少的碳排放量24.37gCO2e/km，從而達(dá)到了天然氣乘用車(chē)減碳效果的定量分析結(jié)果。從原材獲取和整車(chē)生產(chǎn)碳排放對(duì)比分析，因天然氣乘用車(chē)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(chē)生產(chǎn)階段的碳排放較汽油車(chē)碳排放量增加。生命周期內(nèi)車(chē)輛使用過(guò)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(chē)的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)天然氣汽車(chē)底盤(pán)及氣瓶布置，將可減少整車(chē)重量，不僅可減少原材料獲得和整車(chē)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(chē)的清潔低碳特性，為汽車(chē)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做貢獻(xiàn)。

作者:張德福 鄒博文 樂(lè)中耀 蘭楠 李靜波 陳萬(wàn)應(yīng) 單位:中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司