LCA模式下乘用车新能源动力与传统动力CO2排放分析

段练 杜维明 王禄

（中国第一汽车股份有限公司产品策划与项目管理部，长春 130013）

主题词：乘用车 CO2排放量 生命周期评价 新能源汽车

缩略语

LCA Life Cycle Assessment

PC Passenger Car

SUV Sport Utility Vehicle

ICEV Internal Combustion Engine Vehicle

ICEV+48V Internal Combustion Engine Vehicle+48V

HEV Hybrid Electric Vehicle

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle

BEV Battery Electric Vehicle

FCV Fuel Cell Vehicle

HICEV Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle

CCUS Carbon Capture，Utilization and Storage

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell

1 前言

传统汽车尾气排放所造成的环境污染已成为全球面临的重大挑战，为满足2030 年碳达峰和2060 年碳中和的目标，乘用车的动力总成从单一内燃机动力向混和动力、纯电动和氢燃料电池动力以及氢内燃机动力发展。大力推广以清洁能源为燃料的环境友好型新能源汽车，逐渐成为我国解决上述问题的重要战略举措。

目前，汽车生命周期环境影响的研究领域相对成熟，但较为缺乏乘用车新能源动力与传统动力横向比较。本文根据现阶段中国电能和氢能的构成和制备方法，在LCA 评价模式下计算不同动力总成乘用车在行驶过程中产生的CO2排放量，但并不涉及不同动力总成乘用车在生产制造过程中所产生的CO2排放量。

2 LCA模式下不同发电方式CO2排放量对比

电能按照输入能源的类型，主要可以分为火电、水电、核电、光电和风电，其它的发电方式（如地热能、潮汐能）发电量很少，本文不详细论述。

不同发电模式其效率和CO2排放量均有很大的差异。全生命周期评价（Life Cycle Assessment,LCA）是主要的CO2排放计算方法。本质上，LCA是一种评估产品生产过程及其使用过程给环境带来的负面效应的客观评价方法，主要是通过检测、识别和评判某种产品在整个生命周期中所带来的环境影响或潜在影响。因此，对工业产品全生命周期深度分析能够有效节约资源、减少能耗和保护环境，具有显著的社会效益和经济效益[1]。在非LCA 评价中，水电、核电、光电和风电在生产电的过程中不产生CO2，但在LCA评价中，上述的发电模式也会产生一定的CO2，其CO2排放量很低。LCA模式下，不同发电方式的CO2排放量见表1[2-7]。

表1 不同发电模式的CO2排放量[2] g/kW·h

2.1 不同发电方式发电量及其占比分析

目前，我国的发电方式主要以火电和水电为主。2011—2021年，我国各种发电模式的发电量和总量如表2 所示，不同发电模式发电量占比见表3。由于地热发电、潮汐海浪发电、燃油发电等发电模式的占比极低，且无准确数据支持，未对这些发电模式发电量及总量进行统计。

2.2 单位电功率CO2排放量

各个国家和地区由于地理位置、GDP 总量、技术水平、能源构成均有很大不同，所以其电能总量和构成均不相同，从而导致单位电功率所产生的CO2的排放量有很大差异。

在计算某年单位电功率（本文单位电功率均按1 kW·h 计算）所产生的CO2排放量β时，需要将各种电力的占比和各种发电模式下单位电功率所产生的CO2排放量的乘积进行加权计算（如，β2020为2020 年单位电功率CO2排放量）。

根据表1 和表3 可以分别计算LCA 和非LCA 这2种方式下CO2排放量，在非LCA 中虽然生物质、水电、核能、风能和光伏发电不产生CO2，但在LCA 评价中，这些发电方式也会产生少量的CO2排放。根据我国2011—2021年的发电量数据，可以计算出每年单位电功率CO2的排放量，计算结果如表4所示。

表3 2011—2021年中国各种发电模式发电量占比 %

从表4可以看出，随着绿能和核能占比的提高，单位电功率CO2排放量逐渐降低。在未来，假设全部使用绿能和核能发电，其CO2的排放量将达到最低值29.90 g/kW·h（假设水电占比为40%，生物质5%、核电、风电各20%和光伏15%）。

表4 2011—2021年单位电功率CO2排放量β g/kW·h

2.3 制氢及储运产生的CO2排放量

氢气是一种无污染的燃料，在燃烧的过程中只产生H2O，不产生CO2，但由于氢气仅以各种化合物形式存在于水中、醇类以及各种矿物燃料中，且自然界中也没有任何释放氢气的生物，所以氢气必须通过人工反应才能制取。在制氢过程就会产生一定的CO2，不同的制氢方式会产生不同的CO2排放量。

目前我国工业制氢主要有4种方式：煤制氢、化工副产物中提氢、天然气制氢和电解水制氢[10]。

（1）煤制氢主要以水和煤为原料，制造水煤气，从而制取氢气。

（2）工业副产品制氢主要指焦炉煤气、氯碱尾气、烷脱氢、甲醇、合成氨工业副产氢气，主要分布在钢铁、化工等行业，提纯利用其中的氢气。

（3）天然气制氢是以天然气和水为原料，通过甲烷水蒸气重整法制氢。

（4）电解水制氢主要分为碱水电解（AWE）、固体聚合物（PEM）水电解，固体聚合物阴离子交换膜（AEM）水电解、固体氧化物（SOE）水电解4种模式，目前以碱水电解、固体聚合物水电解为主。

在我国现有的制氢方式中，煤制氢是主要氢气来源，其次是天然气制氢和工业副产品制氢，而电解水的制氢量最低，仅为1%。各种制氢方式所占比例见图1[11]。

图1 我国现有制氢方式占比[11]

煤制氢和天然气制氢这2 种方法，在制氢过程均产生一定量的CO2的排放。目前，煤制氢方式制取单位氢气（单位氢气均按1 kg计算）的CO2排放量为20 kg；天然气重整制单位氢气的CO2排放量为10 kg，如进一步采用碳捕集、利用与封存技术（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技术，则煤制单位氢气CO2排放量降低到2 kg，天然气醇类重整制单位氢气CO2排放量降低到1 kg[12]，但是如果以LCA 模式下评估CCUS 技术，则在捕集、利用与封存每单位的CO2过程（包括直接、间接、上下游、建设和退役过程排放）中，会产生约20%的CO2排放量[13-14]，所以在LCA 模式下如采用CCUS 技术，煤制单位氢气CO2排放量约为5.6 kg，天然气醇类重整制单位氢气CO2排放量为2.8 kg。而采用工业副产品提纯制氢和电解水制氢可以认为在制氢过程中不产生CO2，不同方式制取单位氢气所产生的CO2排放量和成本如图2所示。

图2 不同方式制取单位氢气所产生的CO2排放量[12]

上述数据仅仅是制氢过程中所产生的CO2排放量，在LCA 评价模式下，制氢原材料的开采、运输，制氢后的提纯、压缩和储运环节，以及基础设施建设环节排放的CO2也必须考虑。其中，储运方式影响很大，不同的储运方式排放的CO2有所不同，本文以高压气态储氢方式、20 MPa 长管拖车运氢为基础计算CO2排放[15]。此外，除了电解水制氢的纯度较高以外，其它3种方法制氢的杂质含量较高，需要经过多次提纯后才能应用，这也需要消耗一定的能源和氢气损失，间接造成CO2的排放量增加。这里需要指出的是如采用CCUS 技术后，其制氢过程中的CO2会大大减少，但是其它相关环节所产生的CO2排放依旧不变。

电解水制氢效率较高，一般为75%～85%，制取单位氢气总耗电量为50～55 kW·h（本文取耗电量50 kW·h，按80%效率计算），此外，制取单位氢气需要消耗纯水量为9 kg。虽然电解水制氢的纯度较高，再提纯过程耗能较少可以忽略不计，但是在压缩、储运环节仍需要消耗一定的能量。

目前，单位氢气在原材料开采、提炼、运输，以及制氢后提纯、压缩、储运的各个过程中所产生的CO2暂无准确数据，但是上述过程的整体数值可根据单位电功率电解所得到的氢被加注到FCV 车辆上，仅能产生电量为0.3 kW·h[16]用于驱动电机的实际数值进行推导。

设定电解水制氢的效率为80%，PEMFC 燃料电池的系统效率为45%，则在压缩、储运过程的效率为85%（实际数值为83.3%），则单位电功率电解所得到的氢被输送到FCV 车辆上，在压缩、储运过程中需要消耗的能量折合成电量为0.12 kW·h，则单位氢气在提纯、压缩、储运过程中需要消耗的电量为5.825 kW·h（以1 kg 氢气理论上可产生33 kW·h 计算）。对于采用化石原料制氢由于还有原材料开采、提炼、运输和氢气提纯过程，这些过程的CO2排放量占比为20%[17]计算（参考汽油制取过程），则化石原料制氢在原材料开采、提炼、运输，以及制氢后提纯、压缩、储运的各个过程中需要消耗电量为7.28 kW·h，这些电所产生的CO2按照2021 年中国的电力构成可折算出CO2排放量。

按照上述制氢总量比例、每种制氢方式的CO2排放量以及过程损耗，按4种模式计算将单位氢气输加注到FCV车辆所产生的CO2排放量如表5所示，4种模式如下。

表5 LCA评价下不同制氢方式所产生的CO2排放量 kg

（1）按照国内目前不同制氢方式所占的比例计算CO2排放量，并采用现有的电力构成方式计算其在开采、提纯、压缩和储运过程的CO2排放量，2 者之和为最终的CO2排放量。

（2）按照国内目前不同制氢方式所占的比例计算CO2排放量，但对于化石材料制氢增加CCUS方式，并采用现有的电力构成方式计算其在开采、提纯、压缩和储运过程的CO2排放量，2者之和为最终的CO2排放量。

（3）按照国内目前的不同发电模式比例所获得电能，仅采用电解水的方式制氢，并采用现有的电力构成方式计算其在压缩、储运过程的CO2排放量，2 者之和为最终的CO2排放量。

（4）全部采用绿能+核能所产生的电能，并采用电解水的方式制氢，并全部采用绿能和核能的电力进行压缩、储运等过程，2者之和为最终的CO2排放量。

3 不同动力总成的乘用车CO2排放量

3.1 计算对象、数据来源和系数

随着车用新能源技术的发展，动力总成也由传统的内燃机（Internal Combustion Engine,ICE）向纯电动化多种模式发展。目前车用动力总成可分为6 种动力：传统动力汽车（Internal Combustion Engine Vehicle,ICEV）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV）、插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）、纯电动汽车（Battery Electric Vehicle,BEV）和氢燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle,FCV）、氢内燃机汽车（Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle，HICEV）。在LCA 评价模式下，对这6 种动力乘用车在使用过程中所产生的CO2排放量进行计算。在计算时，仅考虑以下车型及使用工况：

（1）仅对小型乘用车进行计算，不考虑大型公交车、商用车的使用；

（2）不同轴距车型（从A00级到C级）；

（4）不同使用工况（NEDC、城市、高速和综合）的对比；

（5）不同使用环境（常温状态和冬季寒冷环境）。

各种车型典型的油耗和电耗均来自公开发表的数据，但这些数据目前绝大部分都是在NEDC 循环下所测量和计算的数据，其能耗与实际值偏低。所以在计算实际使用油耗和电耗过程中一般在NEDC 的基础上按照一定的系数进行增加,由于实际能耗与车重、风阻系数、动力系统、轮胎、使用环境、工况、驾驶习惯都相关，所以这些系数只是一个平均估算数值。

3.2 车辆的计算模型

3.2.1 ICEV

对于以汽油发动机为主的传统动力ICEV 以及HEV，在车辆使用过程中不消耗电能，只消耗汽油燃料，在计算CO2的排放量时，1 L 汽油完全燃烧产生CO2排放量为2.3 kg，在LCA评价模式下，汽油的开采、提炼以及运输过程的CO2排放量占比为20%[17]。其计算公式如式（1）～式（4）。

式中：

Fcity为城市工况实际油耗；

Fhighway为高速工况实际油耗；

策略：判断通电螺线管中的电流方向或N极、S极，应根据“安培定则”和“异名磁极相互吸引”的特点，用右手握住螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。

FSW为综合加权油耗；

FNEDC为官方NEDC循环油耗；

CFICE为燃油车辆在LCA 模式评价综合工况的CO2排放量。

3.2.2 HEV及ICEV+48V

对于HEV，其油耗对比ICEV 最高可降低28%[18]，对于采用48 V 技术的弱混车辆其油耗一般比ICEV 降低5%～10%，计算时取值7%[18]。计算公式如式（5）、式（6）：

式中CFHEV为HEV 在LCA 模式评价综合工况的CO2排放量；CFICEV+48V为ICEV+48 V在LCA模式评价综合工况的CO2排放量。

3.2.3 PHEV

PHEV 包括2 种驱动方式：电机驱动和内燃机驱动。由于PHEV 使用多变灵活、情况复杂，其能耗介于BEV 和HEV 之间，本文不进行具体的计算，但是要指出的是，由于车整备质量较大和ICE 动力偏小的原因，如仅使用电驱动方式，其电耗要比BEV 略高。如仅使用ICE驱动方式，其油耗也比传统的ICEV略高。

3.2.4 BEV

对于BEV，虽然电耗也同样来自于官方公布的NEDC循环测试下电耗数据，但是在计算实际的电耗时，还需要考虑充电效率（慢充为93%～94%、快充88%）和能量回收因素。由于BEV车辆在冬季低温下的乘员舱采暖耗电、电池低温加热耗电及电池自身低温损耗，导致了BEV在不同的使用环境温度对实际的电耗差别很大，因此计算分为常温和低温（-15 ℃以下）2种工况进行。此外，由于高速工况下车辆风阻的增大、电驱系统效率下降，以及能量回收很少的原因，也导致了BEV高速工况下电耗较高。而对于日常的电池自放电损耗，由于数值很低（1%以下）而不考虑。其计算公式如式（7）～式（14）：

常温工况下：

对于冬季低温工况：

式中：

Pcity为城市工况实际电耗；

Phighway为高速工况实际电耗；

PSW为综合加权电耗；

PNEDC为官方NEDC循环电耗；

CP为BEV在LCA模式评价综合工况的CO2排放量；

η为充电效率，取值94%；

β2021为2021年每生产1 kW·h电的CO2排放量。

3.2.5 FCV

FCV 是使用高压储气瓶中的氢与空气中的氧通过燃料电池产生电能，并以电动机驱动车辆。由于目前投入市场应用的车型极少，本文以丰田第1 代Mirai(A 级车)和第2 代Mirai(B 级车)进行计算，同样在实际使用中考虑其实际的气耗，由于该车未在中国国内销售，表中所列出的续驶里程为在WLTC 测试工况下数据，由于其更接近实际应用数值，故系数偏小，而且第2 代Mirai 车由于电堆效率的提升，其氢耗也有所下降。计算公式如式（15）～式（18）：

式中：

Hcity为城市工况下FCV氢气耗气量；

Hhighway为高速工况下FCV氢气耗气量；

Hsw为综合加权FCV氢气耗气量；

HWLTC为官方WLTC循环气耗；

CH为FCVLCA 模式评价下综合工况的CO2排放量；

γ2021为2021年加注单位氢气的CO2排放量。

对于FCV的CO2排放计算，按4种模式进行计算：

（1）现有各种不同制氢比例下制氢+使用现有电力构成模式储运；

（2）现有各种不同制氢比例下制氢+CCUS+使用现有电力构成模式储运；

（3）现有电力构成模式下全部使用电解方法制氢+使用现有电力构成模式储运；

（4）绿电+核能电力模式下电解制氢+绿能（+核能）模式下储运。

第2代Mirai在美国实际使用的数值为：城市工况氢耗为1.08 kg/100 km，高速工况氢耗为1.02 kg/100 km，综合工况氢耗为1.06 kg/100 km。

3.2.6 HICEV

对于使用氢作为燃料的ICE，也要考虑氢的逃逸、制氢过程的电能消耗，这些都与FCV 相同，但是由于ICE 的效率偏低（同现有ICE 热效率为39%，低于现有PEMFC 的综合效率45%），且没有具体车型投入市场销售，缺乏足够的数据支持，本文不做计算。

3.3 计算结果

根据上述公式计算综合工况结果见表6～表9。由于在相同类型的车辆中，不同厂家的车辆油耗和电耗均有所不同，所以只是选取了一些典型车型进行计算。

表6 为ICEV 车型，并以此为基础计算ICEV+48V以及HEV 的CO2排放量，表7 为BEV 车型CO2排放量，表8 和表9 分别为丰田Mirai 一代和二代车型的CO2排放量，表10 为综合对比数据。图3 和图4 是以表10 计算结果得出的对比曲线。以上数据均为实际综合工况。

图3 A级车不同动力总成CO2排放量（综合工况）

图4 B级车不同动力总成CO2排放量（综合工况）

表6 LCA评价下不同系列的ICEV、HEV及ICEV+48 V CO2排放量

表7 LCA评价下不同系列的BEV CO2排放量

表8 Mirai车（1代，A级车）不同制氢方式CO2排放量

表9 Mirai车（2代，B级车）不同制氢方式下的CO2排放量

表10 不同动力总成乘用车CO2排放量综合对比分析 kg/100 km

图5 和图6 为城市工况对比曲线，图7 和图8 为高速工况对比曲线。

图5 A级车不同动力总成CO2排放量（城市工况）

图6 B级车不同动力总成CO2排放量（城市工况）

图7 A级车不同动力总成CO2排放量（高速工况）

图8 B级车不同动力总成CO2排放量（高速工况）

4 结束语

从上述计算数据中可以看出，在LCA 评价模式下，在现有电能构成模式和制氢、加氢模式下，不同类型和级别的车型其CO2排放量均不同：

（1）在综合工况下，对于A级PC车辆，BEV在常温下使用其CO2排放对比同级别的HEV 车可降低28%，相对于ICEV 可以降低48%；对于B 级PC 车辆，其降低CO2效果更大，相对于ICEV 可以降低57%。如果进一步降低，需要提升绿电和核电在现有电能中的占比。

（2）在综合工况下，如在低温情况下使用，BEV 可比HEV 降低2%～17%的CO2排放量。随着降低电池低温损耗技术的进步，BEV的CO2排放量将进一步降低。

（3）在综合工况下，对于FCV 车辆，如采用现有的制氢和储运方式，其CO2排放量比HEV 车型低10%，是纯电动车常温下的1.5～1.6 倍。如采用现有的制氢+CCUS 和储运方式，其CO2排放量为现有BEV 常温下使用CO2排放量的71%～78%。但随着现有发电模式中绿电与核电占比的升高，其优势将逐渐降低，当电能全部采用绿电和核电以后，FCV 车辆的CO2排放量将高于同级别的BEV车辆3倍以上。

（4）城市工况下，BEV在常温下使用其CO2排放对比同级别的HEV 车可降低35%和46%；相对于ICEV可以降低53%和61%；在低温下，CO2排放对比同级别的HEV 车可降低10%和25%，相对于ICEV 可以降低38%和49%。

（5）高速工况下，BEV在常温下使用其CO2排放对比同级别的HEV 车可降低7%和22%；相对于ICEV 可以降低33%和44%；在低温下，CO2排放对比同级别的HEV 车高出24%和4%，但相对于ICEV 可以降低11%和27%。

（6）随着发电模式中绿电与核电占比的升高，当电能全部采用绿电和核电以后，BEV 车辆的CO2排放量约为现有ICEV车辆的2%。

（7）在LCA 模式下，下一步将各种不同动力系统车辆的全生命周期CO2排放量（包括回收过程、维修保养过程等的CO2排放量）与本文所提及的使用过程中CO2排放量相结合，计算不同动力系统车辆在生命期内不同使用里程的CO2排放量，并将研究的目标车辆范围扩展到商用车领域。