中国职称论文咨询网,正规可靠专业的中高级职称论文发表机构!

400-6800-558

服务热线
当前位置:首页 > 论文范文 > 职称论文范文 > 小型乘用车生命周期与动力能耗对比

小型乘用车生命周期与动力能耗对比

来源:中国职称论文咨询网作者:kaiting时间:2018-08-11 15:01

  摘要:选取中国市场上纯电动、油电混合、燃油和天然气动力四种类型的小型乘用车典型车型,从全生命周期视角对比能源效率与环境影响的差异。从一次能源消耗看,四种动力乘用车单位公里动力能耗均值分别为1.74MJ、2.19MJ、2.28MJ、2.94MJ。即在行驶同样的里程下,纯电动、混合动力车比传统燃油车平均一次能源分别节省19.7%、4.4%。从动力能耗生命周期的环境影响看,燃油汽车的酸化潜值和全球变暖潜值都高于其他动力车型,而纯电动和混合动力汽车的推广有助于降低汽车行驶过程中SO2、NOX、CO等污染物的排放。敏感性分析结果显示,煤电占比、供电煤耗的降低与火电机组脱硫脱硝除尘率的提升都有助于纯电动和混合动力乘用车减排。

  关键词:电动汽车;生命周期评价;动力能耗;大气污染物

  1引言

  近年来,我国家庭拥有私人汽车的规模和比例迅速提升,保有量由2008年的4173万辆增长到了2016年的1.6559亿辆[1],由此引发的交通能耗持续攀升、大城市道路拥堵和空气污染问题日益严重。为了实现道路交通领域的绿色发展,我国在大力发展公共交通的同时,确定了新能源汽车的发展路线,并在财政及税收等方面给予大力支持。近五年来,多家自主品牌汽车企业都已推出各自的插电式混合动力和纯电动乘用车车型,取得了良好的市场响应。2016年,我国纯电动和插电式混合动力乘用车销量分别达到25.7万辆和7.9万辆,保持着良好的增长势头[2],在国际上保持领先地位。

  伴随着新能源乘用车的推广与使用,关于新能源乘用车与传统燃油汽车的对比日益引起人们的关注。自20世纪末以来,学者们就开始对比研究了不同类型动力机车的能耗、费用与环境影响,大体围绕两个方面展开论述:一是从资源环境角度考虑,纯电动车相对于传统燃油汽车在多大程度上节约能源,是否真正能实现“生态友好效应”[3,4],争论的焦点主要是纯电动汽车电池生产过程伴随严重污染使整车生产阶段的环境影响比燃油汽车高[5],现存的电力结构导致电动汽车行驶阶段“零排放”难以令人信服;二是从经济成本角度考虑,纯电动车的生产和使用是否比燃油汽车更具有经济性[6]。2000年前后,研究者开始应用生命周期模型来评估清洁能源代替化石能源对机动车行驶阶段减排效应的影响[7-10];Webber[11]等通过比较电动汽车与燃油汽车的生命周期成本,认为电动汽车在不同的驾驶需求和汽油价格波动的情况下都具有成本竞争力,是高效率、高性能、低成本的替代品;Mikhail[12]、ReinhartKühne[13]等针对各类新能源汽车温室气体排放的研究表明,在美国混合动力汽车最多可减排35%以上,而纯电动汽车根据电力来源的不同可减排40%—90%;王寿兵等[14]以我国某型号国产内燃机轿车为实例,利用生命周期评价方法探讨了内燃机轿车在能源消耗和环境排放方面的特点。有研究[5,15]表明,电动汽车的动力系统的全生命周期综合环境影响比内燃机汽车动力系统高。

  2研究方法与模型

  2.1生命周期评价

  基于生命周期评价的理论方法,考虑到动力能源的开采、生产、运输到使用环节的能源消耗和污染物排放,比较纯电动、油电混合、燃油(指汽油)和天然气四种动力驱动车辆行驶单位公里的能源消耗和对环境的影响。依据生命周期的概念,针对车用燃料研究,美国能源部所属的阿冈国家实验室提出了“从井到轮”(Well-to-Wheel,WTW)的评价体系。该体系的研究对象是燃料系统,分为燃料生产(Well-to-Tank,WTT)和机动车使用(Tank-to-Wheel,TTW)两个阶段,研究机动车燃料整个生产和使用过程中的能源消费、相关的污染物排放和温室气体排放情况。油井到油泵的环境影响是由燃料上游阶段开采、加工和运输导致的,而油泵到车轮的环境影响直接与车辆行驶有关。乘用车四种动力能源的生命周期见图1[20]。

  t1

  2.2指标选取与计算方法

  动力能耗计算:本文定义的动力能耗是指汽车行驶单位公里一次能源的消耗量,即追溯上游最终消耗的一次能源总热值,用PE表示。kp代表乘用车百公里电耗、百公里油耗和百公里气耗;p代表动力能源种类;ep分别代表单位电力、单位汽油和单位天然气生产所需要的一次能源消耗量;q代表一次能源种类;cq分别代表原煤、燃油和天然气等一次能源的单位平均低位发热量。

  3研究过程与结果

  3.1样本选取

  由于市场上乘用车车型具有多样性,调查难以覆盖所有车型的数据。为了使研究具有可操作性,选取了市场上较常见、销量较好的相同或相近配置的车型,获取其基础能耗数据,最后筛选出5种纯电动、4种油电混合、4种燃油和3种天然气动力的乘用车,见表1。

  b1

  3.2动力能耗对比

  根据生命周期评价方法与式(1),计算得到4种动力乘用车的单位公里动力能耗,结果见图2。其中,BEV1、HEV1代表火力发电情景下(全国平均)的纯电动和混合动力乘用车,BEV2、HEV2代表混合电力情景下(2015年全国电源结构)的纯电动和混合动力乘用车,CPV、NGV分别为燃油和天然气乘用车。结果显示,BEV1、BEV2、HEV1、HEV2、CPV、NGV的单位公里动力能耗均值分别为1.74MJ、1.43MJ、2.19MJ、1.94MJ、2.28MJ、2.94MJ。从动力能源的全生命周期看,天然气和燃油动力乘用车的单位公里能耗相对较高,天然气乘用车能耗高的原因是上游天然气开采和生产阶段的损失较多。即使完全由火电提供动力,纯电动乘用车的单位公里能耗仍是最低的。在行驶同样的里程下,纯电动和混合动力乘用车相对传统燃油动力乘用车分别节省一次能源23.68%、3.95%。与完全用火电相比,若考虑非化石能源在电力结构中为26.29%的占比[19],纯电动和混合动力乘用车的单位公里一次能耗将显著降低,分别比传统燃油乘用车低37.28%、14.91%。

  t2

  汽油与电力作为乘用车能耗效率差异的原因:一是大型汽轮发电机组在超临界、超超临界运行下,加上排汽余热的充分利用,热效率达50%以上,而汽车内燃机的最高热效率仅为35%左右,增压柴油机也只有45%左右。二是在城市工况下,内燃机处于非经济区工况下运行,燃油汽车的频繁启动、怠速和刹车使油耗很高,而汽轮发电机基本上处于经济运行,效率将始终保持较高水平,同时电机启动时效率高、怠速时损失为零,且减速时可实现能量回收,大大提高了电能利用率,尤其在当今交通拥堵情况下,纯电动汽车的优势明显[22]。

  3.3环境效应对比

  生命周期内的污染物排放量计算:基于中国生命周期参考数据库[21],对能源相关数据进行搜集与整理,能源生产的各项大气污染物排放清单见表3。乘用车的排放数据主要与车辆的类型、大小、车龄、行驶速度、满足的环境排放标准等指标有关,而真实反映车辆的污染物排放水平的直接指标是车辆行驶时尾气排放的检测结果。本文采用其他研究中现场采集的排放数据[23-27],得到燃油汽车与天然气汽车单位公里CO、NOX、烟尘等各项污染物的排放因子,见表4。考察燃料生产阶段及汽车行驶阶段整个生命周期,计算得出纯电动、油电混合动力、燃油和天然气乘用车行驶单位公里所排放的各项污染物,结果见图3。

  b3

  t3

  4结论与讨论

  本文对机动车动力能耗的整个生命周期进行了分析,从动力能耗和环境效应两个方面对四种动力的小型乘用车车型进行了比较分析,得出以下结论:①从动力能耗看,纯电动汽车、混合动力汽车、燃油汽车、天然气汽车的单位公里动力能耗均值分别为1.74MJ、2.19MJ、2.28MJ、2.94MJ。在行驶同样的里程下,纯电动、混合动力车相对传统燃油车平均分别节省一次能源19.7%、4.4%。纯电动汽车行驶的一次能源能耗最低,主要受益于电力行业生产效率的提升,天然气汽车行驶的一次能源能耗最高,主要受制于开采和燃烧过程中天然气的泄漏损失。②从动力能耗生命周期的环境效应看,燃油汽车的酸化潜值和全球变暖潜值高于其他动力车型,纯电动车的碳减排优势最明显,纯电动汽车的推广有助于降低汽车行驶过程中SO2、NOX、CO等污染物的排放,缓解人口密集城市的空气污染问题。③根据敏感性分析发现,煤电比例、供电煤耗的降低与火电机组脱硫脱硝除尘率的提升都有助于纯电动和混合动力汽车的减排,而燃油汽车的减排潜力与机动车尾气处理率有关,相对前者而言减排潜力较小。目前纯电动汽车的动力能耗与环境影响都优于其他动力汽车,尤其明显优于传统燃油汽车,电动汽车的普及有助于降低交通系统污染物的排放,解决城市地区汽车尾气近地排放不易扩散带来的大气污染问题。

  随着电动汽车产业发展的成熟、电力结构的调整优化、清洁可再生能源的充分利用,纯电动汽车替代燃油所带来的经济效益、社会效益和环境效益将会逐渐显现。未来应进一步提升清洁电力的比例,提高动力系统的能量传递效率,如充电效率、放电效率、机械传动效率等,以降低乘用车动力能耗生命周期内的能源损耗和污染物排放量。



更多>>

优质职称论文发表期刊推荐