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| 新能源汽车节能减排效益分析 |
| 第616期 作者：□文/阎柄辰1 王 娟2 胡开建3 张 海2 郝玉娇2 郭 栋1 时间：2019/9/1 16:55:12 浏览：456次 |
［提要］ 本文首先引入指数增长模型，分析淄博市新能源汽车未来5年保有量变化趋势；采用车用燃料全生命周期分析法，定量分析淄博市新能源汽车保有量变化所带来的节能减排效益。结果表明：在全生命周期能源消耗和温室气体排放强度中，纯电动汽车节能减排效果最为明显，其次是混合动力和天然气汽车；新能源汽车总能耗和总排放均呈“S”型上升趋势，其中天然气汽车总能耗和总排放最高，然后是纯电动汽车和混合动力汽车。
关键词：新能源汽车；指数增长模型；全生命周期；能耗；排放
中图分类号：U649.7 文献标识码：A
收录日期：2019年5月17日
随着新能源汽车迅速发展，国内外学者对新能源汽车节能减排效益的研究也随之增多。相关研究主要集中于单类汽车的效益分析或对两类汽车进行效益比较，但针对具体城市开展关于新能源汽车保有量变化所带来能耗和温室气体排放的影响研究较少。本文首先引入指数增长模型，分析淄博市新能源汽车未来5年保有量变化趋势；最后采用车用燃料全生命周期分析法，定量分析新能源汽车保有量变化所带来的节能减排效益。
一、新能源汽车发展预测
本文选用指数增长模型对淄博市新能源汽车未来5年的保有量进行预测分析，为定量评价淄博市新能源汽车保有量变化所带来的节能减排效益奠定数据基础。
（一）指数增长模型的建立。指数增长模型是最简单的人口增长模型为人们所熟知，本文将该模型应用到新能源汽车保有量的预测分析。记今年保有量x0，k年后保有量为xk，年增长率为r，则：
xk=x0（1+r）k （1）
将x（t）视为连续可微函数。记初始时刻（t=0）的保有量为x0。假设保有量增长率为常数r，即单位时间内x（t）的增量等于r乘以x（t）。考虑t到t+△t时间内保有量的增量，显然有：
x（t+△t）-x（t）=rx（t）△t （2）
令△t趋于零时，得到x（t）满足微分方程：
■=rx，x（0）＝x0 （3）
由这个方程很容易解出：
x（t）＝x0ert （4）
（二）参数估计。将上述（4）式取对数，可得：
y=rt+a，y=lnx，a=lnx0 （5）
将采用简单的线性最小二乘法，上述（5）式的参数r和x0可以用表1的数据估计，以2007年至2018年的数据拟合（5）式，用MATLAB软件计算可得r=0.9194，x0=1/e1846.5。
（三）结果分析。将计算出的参数r和x0代入（4）式，将计算结果与实际数据做比较，由于2007～2009年的数据拟合误差较大，故不作考虑，表1为2010～2017年计算的保有量与实际保有量，并拟合出2018～2023年保有量数据。（表1、图1）
本文通过MATLAB软件中的拟合工具箱拟合出指数增长模型拟合图形如图1所示，并计算出可决系数R2为0.9935，由此得出指数增长模型与淄博市新能源汽车保有量具有较好地吻合效果，并预测出2018～2023年淄博市新能源汽车保有量，具体预测结果如表1所示，所预测的新能源汽车保有量将作为节能减排效益研究的数据基础。
二、不同汽车类型节能减排效益分析
（一）LCA评价模型构建
1、模型目标定义和范围界定。Well-to-Wheels（简称WTW），是ANL创建的一种应用于交通领域的LCA（全生命周期）方法。LCA主要过程示意图如图2所示，主要对燃料周期、车辆周期等全生命周期的能源消费、环境污染情况进行分析和评价。本文将针对车用燃料的全生命周期进行研究，主要包括两个阶段：WTP（从矿井到加油机）和PTW（从加油机到车轮），前者的研究对象是车用燃料的上游生产阶段，后者的研究对象是车用燃料的下游使用阶段。（图2）
本模型以新能源汽车（NEV）作为研究对象，以动力来源作为分类方式，针对纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（PHEV）和天然气汽车（NGV）开展研究，考虑各类车用燃料生产、运输、使用等环节的能耗和温室气体（GHG）排放，分析淄博市新能源汽车的节能减排效益。
2、能源消费和温室气体清单计算方法。能源消费清单按照WTW过程的阶段和内容进行计算，本文定义汽车燃料LCA能源消费强度为汽车行驶1km所消耗的终端燃料产品（汽油或电力或天然气）LCA所需要消费的一次能源消费总量，单位为MJ/km。假设EEb（MJ/km）为汽车的燃油效率，则整个生命周期阶段的总能耗强度EWTW的计算公式为如下：
EWTW＝EWTP×EEb （6）
EWTP＝■EWTP，i （7）
其中，i表示一次能源消费种类，EWTP，i表示第i种一次能源的LCA能源消费强度。
温室气体清单主要是对PEV、PHEV、NGV的WTW全生命周期温室气体排放的影响进行计算。本文定义汽车燃料LCA温室气体排放强度为汽车行驶1km整个生命周期所排放的温室气体总量，单位为gCO2，e/km。WTW阶段LCA温室气体排放总当量GHGWTW，CO2、CH4和N2O的排放总量CO2，WTW、CH4，WTW、N2OWTW分别为：
GHGWTW＝CO2，WTW+34CH4，WTW+298N2OWTW （8）
（二）不同车型能源消费和GHG气体分析。根据《国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案》得出PEV、NGV及PHEV行驶单位里程所消耗的能量，及对应的年均行驶里程等相关数据。
1、NGV乘用车：每百公里用气负荷指标为9.0m3，平均日行驶里程为40km，即平均每年行驶里程为1.46×104km。
2、纯电动乘用车的1天平均行驶里程为20～50km。假设日行驶里程为30km，即平均每年行驶里程为1.1×104km，其百公里电耗为15kwh。
3、本文所研究的PHEV是以市面上销量较好的比亚迪唐作为研究对象，其百公里电耗和百公里油耗分别为10kwh和1.8L。PHEV的年平均行驶里程大约为1.03×104km。
PEV、PHEV、NGV三种不同车用燃料WTW全生命周期能源消费强度可由公式（6）、（7）计算得出，具体结果见表2。与PHEV相比，PEV在WTP和PTW两阶段均具有较低的能源消费强度，WTW阶段能源消耗强度为PHEV的76.7%；CNG的能耗是新能源汽车中最高的，分别为PEV和PHEV的1.6倍和1.2倍；PHEV是介于PEV和NGV两者之间的。在全生命周期能源消费强度中，PEV的节能效果最为明显，仅为2.04MJ/km，其次是PHEV和NGV，相比于GICEV，三者能源消费强度分别提高了75%、34.6%和9%。（表2）
（三）GHG气体排放清单分析。根据上式计算出PEV、PHEV、NGV三种车型的燃料在WTW全生命周期内的温室气体排放强度，结果见表3。综合三种新能源汽车，PEV的WTW阶段燃料全生命周期温室气体排放总强度为113.7gCO2-eq/km，NGV为131.7gCO2-eq/km，PEV是NGV的86%。PHEV的温室气体排放情况处于PEV和NGV之间，其温室气体排放强度为120CO2-eq/km，是PEV的1.05倍，是NGV的91%。在全生命周期温室气体排放强度中，PEV的减排效果最为明显，其次是PHEV和NGV，与GICEV相比，三者GHG排放强度分别提高了58.3%、50%和36.7%。（表3）
三、新能源汽车节能减排效益分析
（一）节能效益分析。以分析得到的单辆汽车行驶单位里程的全生命周期能源消费强度为基础，结合淄博市新能源汽车保有量和各车型的年平均行驶里程，计算出不同新能源汽车类型的总能耗，结果见图3、图4。（图3、图4）
由图4得出，随着纯电动汽车迅速发展，其总能耗呈先缓后急的趋势发展，由2014年0.13×107MJ增长至2023年21.3×107MJ；2023年天然气汽车的能耗量分别是纯电动汽车和混合动力汽车的1.6倍和6.6倍左右；对于混合动力汽车而言，其发展过程受纯电动汽车的影响较大，总体发展趋势较为平缓。
（二）减排效益分析。以分析得到的单辆汽车行驶单位里程的全生命周期GHG排放强度为基础，结合淄博市新能源汽车保有量和各车型的年平均行驶里程，计算出不同类型新能源汽车的总排放，结果见图5、图6。（图5、图6）
由图6得出，预计到2022年，纯电动汽车总排放将达到10.5×103t；天然气汽车虽然发展趋势较为平缓，但由于保有量基数较大，其温室气体排放量总体上处于较高状态；混合动力汽车由于其保有量较小的缘故，所以其发展趋势较为平缓，温室气体排放量维持在较低状态。
四、总结
本文首先引入短期预测精度较高的指数增长模型，分析淄博市新能源汽车未来5年的保有量变化趋势；最后采用车用燃料全生命周期分析法，定量分析新能源汽车保有量变化所带来的节能减排效益。具体研究结论：（一）淄博市新能源汽车的发展呈线性增长趋势，年增长率高达43.8%，其中纯电动汽车占新能源汽车总量的20.7%。（二）新能源汽车单车相对于传统汽车节能减排效益明显。PEV的节能减排效果最为明显，仅为2.04MJ/km和113.7g/km，PHEV介于PEV和NGV两者之间的。（三）通过与相同数量传统汽油车进行比较，其总能耗和总排放分别降低了8.7×108MJ和9.5×103t，节能效率和减排效率分别提高了21.6%和5.4%。
（作者单位：1.淄博市环境污染防控中心；2.山东理工大学交通与车辆工程学院；3.济南汽车检测中心有限公司）
主要参考文献：
［1］苏利阳，王毅，陈茜.未来中国纯电动汽车的节能减排效益分析［J］.气候变化研究进展，2013.9（4）.
［2］施晓清，李笑诺，杨建新.低碳交通电动汽车碳减排潜力及其影响因素分析［J］.环境科学，2013.34（1）.
［3］黄颖，计军平，马晓明.基于EIO-LCA模型的纯电动轿车温室气体减排分析［J］.中国环境科学，2012.32（5）.
［4］Sharma R，Manzie C，Bessede M，et al.Conventional，hybrid and electric vehicles for Australian driving conditions.Part2：Life cycle CO2-e emissions［J］.Transportation Research Part C，2013.28（3）.
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