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天然氣基車用替代燃料的節(jié)能減排分析
天然氣基車用替代燃料的節(jié)能減排分析 【摘要】以城市公交客車為應用對象,采用生命周期評價的方法,分析了兩種進口天然氣(CNG 和 GTL)利用路徑與傳
統(tǒng)柴油相比的石油節(jié)約和排放降低效果。分析結果表明,在生命周期范圍內,GTL 路徑的石油能耗降低 99.4%,PM、CO、NOx、 SOx、THC 排放分別降低 33.9%、4.8%、7.3%、79.2%、20.9%,但 CO2 排放升高 23.4%;CNG 路徑石油能耗降低 99%,CO2、PM、
NOx 和 SOx 排放分別降低 8.5%、84.7%、26%、64.5%,但 CO 和 THC 排放分別升高 52.9%和 197.9%。因此,天然氣的利用可以 大幅度降低石油燃料的消耗和污染物的排放量,其中壓縮天然氣路徑的綜合節(jié)能減排效果優(yōu)于目前的 GTL 技術路徑。
主題詞 生命周期評價 城市客車 節(jié)能減排 GTL CNG
Energy Conservation and Emission Reduction of Natural Gas Based Alternative
Vehicle Fuels
HAO Han, WANG Hewu, LI Xihao,OUYANG Minggao
(State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University)
Abstract: The petroleum-saving and emission-reduction effects of two imported natural gas pathways (CNG and GTL) were
analyzed and compared with traditional diesel pathway in city bus using life cycle assessment method. The results showed that within
the full life cycle, the GTL pathway decreased petroleum consumption by 99.4%, and the amount of PM, CO, NOx, SOx and THC emission decreased by 33.9%, 4.8%, 7.3%, 79.2% and 20.9% respectively, while the CO2 emission increased by 23.4%. The CNG pathway decreased petroleum consumption by 99%, and the amount of CO2, PM, NOx and SOx emission decreased by 8.5%, 84.7%,
26% and 64.5% respectively, while the amount of CO and THC emission increased by 52.9% and 197.9%. Therefore, natural gas
based alternative vehicle fuels could substantially reduce the petroleum demands and pollution emission, while the CNG pathway had the better general performance than the current GTL pathway.
Key words: Life Cycle Assessment; City Bus; Energy Conservation and Emission Reduction; GTL; CNG
1. 引言
資源我國石油能源相對緊缺,隨著汽車保有量的持續(xù)增加,車用能源安全供應壓力劇增,環(huán)境空氣質 量惡化日趨嚴重,節(jié)能減排成為本世紀汽車工業(yè)的主要議題之一[1] 。大力發(fā)展替代燃料,實現(xiàn)車用燃料的 多元化是應對這些挑戰(zhàn)的有效途徑[2] 。我國天然氣儲量相對石油比較豐富,同時天然氣的全球資源儲量遠 高于石油,天然氣在全球能源供應中正逐步占據(jù)越來越重要的位置[3] 。
天然氣在交通領域的應用已有相當長的歷史,目前的主要利用方式是壓縮天然氣汽車(CNGV)[4] , 隨著天然氣合成液體燃料(GTL)技術的成熟和產業(yè)化發(fā)展,GTL 燃料開始批量供應,一種新的利用方式 正在興起[5] ,這為我國能源多元化的實現(xiàn)提供了更多的選擇。本文從節(jié)能減排的角度,利用全生命周期分 析評價的方法[6] ,在公交客車試驗結果的基礎上,對包括這一路徑在內的天然氣基車用燃料進行了分析并 與傳統(tǒng)石油基燃料路徑進行了比較。
2. 燃料特性與生產供應路徑
2.1. 燃料特性比較
由表 1 可以看出,GTL 燃料與傳統(tǒng)柴油燃料特性的主要區(qū)別以及 CNG 燃料特性可以總結為以下幾點:
(1) GTL 燃料的十六烷值高,與傳統(tǒng)柴油相比,十六烷值高出 20 個單位,有利于改善燃料的燃燒性質;
(2) GTL 燃料的芳香烴含量幾乎為零,有利于降低 THC 和顆粒排放;
(3) GTL 燃料和 CNG 燃料硫含量幾乎為零,有利于降低顆粒物排放;
(4) CNG 燃料的辛烷值高,與廣泛使用的 97 號汽油相比,辛烷值高出 23 個單位,有利于提高壓縮比,提
高燃燒效率。
2.2. 供應路徑設定
石油方面,目前我國石油進口依存度接近 50%,其中約有 60%的進口原油來自中東地區(qū)[7] ,因此設
定原油從中東地區(qū)海運至中國,然后在國內煉油廠生產加工,最后供國內柴油客車使用。
天然氣方面,2007 年我國進口 291 萬噸 LNG,其中有 248 萬噸來自澳大利亞,占總進口量的 85%[8] 。 因此設定 LNG 從澳大利亞海運至中國,在國內加氣站氣化生產 CNG 供客車使用。
由于澳大利亞正在建設 GTL 工廠[9] ,為盡量統(tǒng)一燃料來源,設定 GTL 燃料利用澳大利亞的天然氣生 產,然后從澳大利亞海運至中國。
圖 1 為三條燃料原料開采-產品生產-運輸-利用的路徑設定。
圖 1 供應路徑設定
3. 車輛描述與運行路線
3.1. 車輛描述 為了獲得客車在運行時的能耗和排放數(shù)據(jù),本文選擇在北京市公交系統(tǒng)中廣泛使用的
CNG 公交開展研究,具體參數(shù)見表 2:
表 2 客車參數(shù)對比
3.2. 運行路線
為了全面反映北京市公共交通的運行狀況,經過調研,選取了包含城市交通擁堵路段、市內快速交通
路段、城鄉(xiāng)結合路段在內的試驗線路,具體線路如圖 2。試驗線路總長 44km,其中擁堵路段 18km,快速 交通路段 15km,城鄉(xiāng)結合路段 11km。
圖 2 運行路線
分析模型
模型設定 在全生命周期評價模型分析中,在對結果的影響可以忽略的前提下,做如下設定:
忽略除海運以外的運輸和分配環(huán)節(jié)。
忽略 LNG 氣化制取 CNG 環(huán)節(jié)的能耗和排放。
在計算上游階段某環(huán)節(jié)排放時,除電力生產外,只考慮該環(huán)節(jié)過程燃料燃燒所產生的排放,不考慮生 產過程燃料時產生的排放。
每種過程燃料只設定一種最具代表性的燃燒裝置。
上游階段數(shù)據(jù)
(1) 能耗數(shù)據(jù) 能耗數(shù)據(jù)包括原料開采、燃料生產以及運輸分配等環(huán)節(jié)的能量效率以及消耗的過程燃料的比例。 其中,原油的開采在中東地區(qū)進行,考慮到該地區(qū)石油儲量豐富,將其開采效率設為 96%[10] 。原油
從中東 地區(qū) 通過遠 洋油 輪運輸 到中 國,設 定其 海運距 離 為 10556 公里, 油輪 的能量 消耗 率 為
0.7J/(MJ?km)[11] ,使用的燃料為重油,相應的運輸過程能量效率約為 99.3%。柴油、汽油、渣油的生產在 國內煉油廠進行,其效率根據(jù)國內情況分別設定為 95%、88%、95.5%[12] 。所有環(huán)節(jié)的過程燃料比例參考 GREET 模型[11] 并根據(jù)國內情況做適當修改[12] 。
天然氣的開采和處理以及 LNG 和 GTL 的生產均在澳大利亞進行,認為其生產效率與美國接近,所以 主要采用 GREET 模型中的數(shù)據(jù)[11] ,同時參考國外相關報告數(shù)據(jù)[13] 。LNG 和 GTL 從澳大利亞通過遠洋
油輪運輸?shù)街袊?設定其海運距離為 5334 公里,油輪的能量消耗率分別為 1.35J/(MJ?km) 和 1.02
J/(MJ?km)[11] ,相應的運輸過程能量效率分別為 99.3%和 99.5%。LNG 和 GTL 的生產效率分別為 90%和
65%,并認為使用單一天然氣作為過程燃料[10] 。電力生產方面使用天然氣進行火力發(fā)電,效率設定為 40%[11] 。各種燃料路徑上游階段的能耗如表 3 所示。
(2) 排放數(shù)據(jù)
排放數(shù)據(jù)包括各種燃燒裝置的排放因子,每種過程燃料只設定一種最具代表性的燃燒裝置,排放因子
參考 GREET 模型根據(jù)國內實際情況做一定調整[12] ,具體的設定如表 4 所示。
4.3. 下游階段數(shù)據(jù)
(1) 燃料消耗
車輛的燃料消耗來自于 12 米柴油和 CNG 公交車實際運行結果。其中,柴油客車的平均百公里油耗量
為 40.12 升,GTL 燃料客車的平均百公里油耗量為 40.56 升,CNG 燃料客車的平均百公里油耗量為 35kg。 為便于比較,根據(jù)各燃料的質量密度和能量密度,將其轉化為百公里能耗,具體結果見表 5。
(2) 排放
利用實驗室發(fā)動機 ESC 循環(huán)測試,獲得了三種燃料在對應發(fā)動機上應用的綜合排放和綜合能源消耗, 由于循環(huán)測試工況來自于道路運行路譜的分析,具有比較廣泛的代表性,因此認為實際道路運行的排放與 實驗室 ESC 測試排放具有對應關系。利用 ESC 循環(huán)的燃料消耗和道路運行的百公里油耗,將 ESC 排放轉 換到車輛道路運行排放[14] 。各種燃料車輛運行階段的 CO2 排放量采用碳平衡的方法計算獲得。三種車輛 的排放的具體數(shù)值見表 5。
表 5 下游車輛使用階段主要數(shù)據(jù)
總能耗(kJ/100km)或排放(g/100km)
5. 全生命周期分析結果比較
根據(jù)上述的設定和實際測試結果,通過模型計算,獲得了三種燃料的在公交客車上使用的能源消耗、
污染物排放等指標的全生命周期分析結果,具體數(shù)值如表 6 所示。表 6 還給出了 GTL 路徑與 CNG 路徑相
對于傳統(tǒng)柴油路徑的節(jié)能減排效果。
表 6 生命周期分析結果
總能耗(kJ/100km)或排放(g/100km)
5.1. 總能源消耗
如圖 3 所示,在全生命周期內,兩種天然氣基燃料路徑的總能源消耗均高于傳統(tǒng)柴油路徑。其中,GTL
路徑的能耗超過柴油路徑 38.3%,其原因是 GTL 燃料在生產階段的效率僅為 65%,遠低于傳統(tǒng)柴油生產階
段 95%的能源效率,而其在使用階段采用了效率基本相同的發(fā)動機技術。而 CNG 路徑的能耗超過柴油路
徑 23.9%,其原因是上游階段和下游使用階段的能源效率都比較低,天然氣開采、處理和 LNG 生產的綜合 效率只有 87.3%,而傳統(tǒng)柴油從原油開采到產品生產的綜合效率為 91.2%,二者在上游階段相比有 4 個百 分點的能源效率差距;而在車輛使用階段,CNG 路徑使用的發(fā)動機為火花點火式,受爆震等因素的限制, 其壓縮比相比傳統(tǒng)壓縮著火式柴油發(fā)動機要低,導致車輛使用階段燃油消耗高、能源效率較低。
從圖 3 還可以看出,天然氣基的兩種燃料路徑相比,CNG 路徑的總能源效率要高于 GTL 路徑。其主 要原因是 GTL 燃料在生產過程中要經過氣化、FT 合成等化工過程,消耗大量過程能源,僅在此過程就要 消耗 35%的過程能源,而 CNG 路徑只需要經過燃料的液化這一物理過程,能源消耗相對低得多。盡管在 車輛使用階段,GTL 路徑的燃料消耗比 CNG 路徑低,但也不能彌補燃料生產階段的大量能源消耗,因此 GTL 路徑的總能源效率較低。如果能夠改進燃料生產階段。高效利用化工過程的余熱,提高 GTL 生產過 程的能源利用效率,發(fā)揮 GTL 燃料與傳統(tǒng)燃料供應體系和車輛技術完全兼容的特性,GTL 燃料路徑仍然 具有獨特的競爭優(yōu)勢。
5.2. 石油替代
圖 4 為三種燃料路徑在全生命周期內,石油消耗的比較。由圖可以看出,無論是 GTL 路徑還是 CNG 路徑,均能大幅度降低石油能源的消耗,降低幅度均超過 99%。其中不足 1%的石油消耗來自于天然氣開 采機具使用的柴油和海洋運輸過程中油輪燃燒的渣油。因此,使用天然氣基車用燃料是大幅度降低車用石 油需求的有效途徑之一。
5.3. 污染物排放比較
圖 5 比較了三種燃料路徑在不同階段和全生命周期內的常規(guī)污染物排放和硫化物(SOx)排放�？傮w 上,與傳統(tǒng)柴油路徑相比,除 CNG 路徑的 CO 和 THC 排放外,兩種天然氣基燃料路徑的排放物都得有所 降低,具有減排的能力。
(1) PM 排放
在全生命周期 PM 排放的比較中,三種燃料路徑的差別主要體現(xiàn)在車輛使用階段。GTL 路徑 PM 排放 量相比柴油路徑減少了 33.9%,其原因是 GTL 燃料的芳香烴含量幾乎為零,遠少于傳統(tǒng)柴油 17.4%的含量, 因此在車輛使用階段的 PM 排放相比柴油路徑降低 36.1%,而兩條路徑在燃料生產階段 PM 排放基本相同, 所以全生命周期排放 GTL 路徑低于柴油路徑。CNG 路徑 PM 排放量相比柴油路徑減少了 84.7%,其原因
是 CNG 發(fā)動機采用火花點火方式,在車輛使用階段不產生 PM 排放,比柴油路徑降低 92.9%,所以全生命 周期 PM 排放大大降低。同時可以看出,天然氣基的兩種燃料路徑相比,CNG 路徑的 PM 排放量要小于 GTL 路徑。
(2) CO 排放
在全生命周期 CO 排放的比較中,GTL 路徑 CO 排放量與柴油路徑大體相當,只減少了 4.8%,其原因
是 GTL 燃料生產效率較低,燃燒了 35%的過程燃料,產生了較多的 CO 排放,但是在車輛使用階段,由
于 GTL 燃料的碳含量為 85%,低于柴油燃料的 86.6%,在相同的發(fā)動機技術條件下,GTL 燃料的燃燒更 加充分,CO 排放減少 23.1%,所以綜合排放還是低于柴油路徑的排放。CNG 路徑 CO 排放量比柴油路徑 提高 52.9%,其主要原因是 CNG 發(fā)動機采用火花點火的方式,在氣缸壁附近容易燃燒不充分,在車輛使 用階段造成較多的 CO 排放,比柴油路徑提高 87.4%,雖然在生產階段 CNG 路徑的 CO 排放量相對較低,
但是綜合排放仍高于柴油路徑。
(3) THC 排放
在全生命周期 THC 排放的比較中,三種燃料路徑在燃料生產階段的排放較少,主要的區(qū)別體現(xiàn)在車 輛使用階段。GTL 路徑的 THC 排放量比柴油路徑降低 20.9%,其原因是 GTL 燃料芳香烴含量較少,有利 于降低車輛使用階段的 THC 排放,比柴油路徑減少 23.5%,所以全生命周期排放較低。CNG 路徑的 THC 排放量比柴油路徑升高 197.9%,其原因是 CNG 發(fā)動機采用火花點火的方式,容易產生氣缸壁壁面淬熄效 應,在車輛使用階段造成較多的 THC 排放,比柴油路徑高出 230%,導致全生命周期排放較高。
(4) NOx 排放
在全生命周期 NOx 排放的比較中,車輛使用階段的排放占主要部分。GTL 路徑的 NOx 排放量比柴油 路徑降低 7.3%,其原因是 GTL 燃料的體積熱值相對較小,發(fā)動機燃燒溫度相對較低,所以在車輛使用階 段產生的 NOx 排放量比柴油路徑低 9.6%。CNG 路徑的 NOx 排放量比柴油路徑降低 26%,其原因是 CNG 發(fā)動機燃燒溫度較低,降低了車輛使用階段的 NOx 排放,比柴油路徑降低了 27%。同時可以看出天然氣 基的兩種燃料路徑相比,CNG 路徑的 NOx 排放量要小于 GTL 路徑,其原因是 CNG 發(fā)動機的燃燒溫度更 低一些。
(5) SOx 排放
在全生命周期 SOx 排放的比較中,燃料生產階段的排放占主要部分,其中運輸環(huán)節(jié)遠洋油輪燃燒渣油
的排放因子為 1.42g/kJ,原油鍋爐的排放因子是 0.37 g/kJ,其他燃燒裝置的 SOx 排放因子均不超過 0.01g/kJ,
因此 SOx 排放主要取決于原油燃燒量以及海洋運輸環(huán)節(jié)。GTL 路徑的 SOx 排放量相比柴油路徑降低 79.2%, 其原因是柴油在燃料生產過程中消耗了大量的原油作為過程燃料,其中原油開采環(huán)節(jié)有 60%的過程燃料是 原油,柴油生產環(huán)節(jié) 75%的過程燃料是原油;同時,由于柴油海運的距離為 10556 公里,而 GTL 的海運 距離為 5334 公里,所以消耗的渣油量也高于 GTL 路徑,綜合以上原因,柴油路徑的生命周期 SOx 排放高
于 GTL 路徑。CNG 路徑的 SOx 排放量相比柴油路徑降低 64.5%,其原因 GTL 路徑。同時可以看出天然氣 基的兩種燃料路徑相比,CNG 路徑的 SOx 排放量要高于 GTL 路徑,由于兩者在燃料生產過程中不使用原 油,同時車輛使用階段基本不產生 SOx,差別主要體現(xiàn)在海運使用的渣油量上。LNG 油輪和 GTL 油輪的 能量消耗率分別為 1.35J/(MJ?km)和 1.02 J/(MJ?km),而且兩者海運距離相同,所以 LNG 海運使用的渣油更 多,造成了其 SOx 排放更高。
5.4. CO2 排放比較
由圖 6 三種燃料的 CO2 排放的比較可以看出,與傳統(tǒng)柴油路徑相比,CNG 路徑能夠降低 CO2 排放,
而 GTL 路徑增加了 CO2 的排放。
CNG 路徑降低 CO2 排放的原因主要來自于 CNG 燃料較低的碳含量。由表 6 的數(shù)據(jù)可知,CNG 路徑 的總化石能源消耗量比傳統(tǒng)柴油高 23.9%,但由于 CNG 的碳含量只有 75%,而傳統(tǒng)柴油碳含量高達 86.6%, 其綜合效果是 CNG 路徑的 CO2 排放量比傳統(tǒng)柴油降低了 8.5%。
GTL 路徑導致 CO2 排放上升的原因在于燃料的生產階段消耗了額外 35%的天然氣作為過程燃料,這 些天然氣燃燒產生大量的 CO2 排放。盡管生產 GTL 的原料天然氣的碳含量低,會降低 CO2 排放量,但仍 然不能彌補過多的過程燃料燃燒導致的 CO2 排放升高。如果過程燃料采用其他可再生能源,如風能、水能 等,GTL 路徑的 CO2 排放可以降低到與 CNG 相同的水平。
全生命周期CO2排放比較
5.5. 綜合節(jié)能減排效果評價
根據(jù)上述分析,將減少石油消耗、降低污染物排放和溫室氣體排放等效果進行綜合考慮,獲得了表 7
的評價結果。GTL 路徑和 CNG 路徑都能夠有效降低石油能耗和常規(guī)污染物排放。但在溫室氣體排放方面,目前的 GTL 技術路徑與當前抑制全球氣候變化的要求不相符,CNG 路徑是一種節(jié)能減排效果十分顯著的
方案。
6. 結論
(1) 在全生命周期內,兩種天然氣基燃料路徑的總能源消耗均高于傳統(tǒng)柴油路徑。但無論是 GTL 路徑還
是 CNG 路徑,均能大幅度降低石油能源的消耗,降低幅度均超過 99%。因此,使用天然氣基車用燃 料是大幅度降低車用石油需求的有效途徑之一。
(2) 與傳統(tǒng)柴油路徑相比,除 CNG 路徑的 CO 和 THC 排放外,兩種天然氣基燃料路徑的排放物都得有所 降低,具有減排的能力。
(3) 與傳統(tǒng)柴油路徑相比,CNG 路徑的 CO2 排放量比傳統(tǒng)柴油降低了 8.5%,而 GTL 路徑提高了 23.4%, 因此在溫室氣體排放方面,CNG 技術路線更加具有優(yōu)勢。
(4) 將減少石油消耗、降低污染物排放和溫室氣體排放等效果進行綜合考慮,CNG 路徑的節(jié)能減排效果更 加突出。如果能夠改進 GTL 路徑的燃料生產階段,發(fā)揮 GTL 燃料與傳統(tǒng)燃料供應體系和車輛技術完 全兼容的特性,GTL 燃料路徑仍然具有獨特的競爭優(yōu)勢。
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