第1章绪论

1.1研究背景
1.1.1交通部门是能源消费和二氧化碳排放的主要部门之一

从全球看，交通部门是能源消费的主要部门之一，如在2007年该部门占石油消费总量的61%，占终端能源消费总量的28%。该部门能源消费（尤其是石油消费）的增长速度在过去30年达到年均2.6%，远超过工业和民用等其他部门的能源消费增长速度（IEA，2009）。从国别上看，中国和东南亚、拉美国家等新兴经济体的增长速度相对更高（Yan and Crookes，2007）。
根据王庆一（2009）测算，中国交通部门能源消费从1980年的2520万吨油当量（ton oil equivalent，toe）增长到2007年的1.9124亿toe，年均增长率达到7.0%，是国内能源消费增长速度最大的部门。在中国终端能源消费量中，交通部门占比从1980年的8.0%增长到2007年的17.2%。但是目前中国该比例还远远低于一些发达国家现有水平（如2005年在日本、欧洲和美国的该比例分别为26.5%、28.7%和40.5%）（APEC，2007）。
道路和航空交通的快速增长使得目前中国交通能源主要依靠石油消费（如2005年其中的石油占比为96%）。据王庆一（2009）测算，中国交通部门2007年石油产品消费量达到1.589亿toe，其中汽油和柴油消费量分别是5120万t和8256万t。汽油主要由道路交通部门消费，而全国柴油消费量中交通部门占比已从2000年的27.5%增至2007年的44.0%（国家统计局，2008a）。
而根据国际能源署（IEA，2008）研究，2005年中国交通部门已占全国石油消费总量的35%，到2030年该占比将增长至超过50%，达到全球平均水平。
目前从全球来看，有20%左右的能源相关的CO2排放源自交通部门； 在欧美国家该比例更高（美国和欧洲分别为32%和26%）（Davis and Diegel，2006； European Commission，2007； IEA，2008）。中国尚无权威官方数据公布，但据国际能源署（IEA，2003； 2008）研究，道路部门在中国CO2总排放量中占比在2000年和2005年分别为6%和8%，且该比例将增至2030年的11%，相比较而言，Cai （2008）的预测值更大，该占比到2020年将达到12%~15%。
1.1.2汽车能源安全问题受到高度重视
随着我国汽车产销量和保有量急速增长，汽车能源安全问题受到高度重视。
改革开放30多年来，随着经济持续快速增长，汽车保有量总体上呈现加速增长趋势。全国民用汽车保有量从1978年的135.84万辆，到2007年增长32倍而达到4358.36万辆，平均每6年翻一番，2008年又比2007年增长14.1%，达到4975.68万辆（国家统计局，2008b）。2009年中国汽车产销量更是增长迅速，中国成为全球汽车产销量第一大国。
我国汽车保有量的急剧增加引起了车用燃料消费量的快速增长，并逐步成为石油能源消费的主体。目前除少量替代燃料之外，我国车用燃料仍然主要来自于传统石化油品（即汽油和柴油）。
和欧美国家的汽车交通能源消费量在交通能源消费总量中占比80%~83%（European Commission，2007； Davis and Diegel，2009）相比，中国虽然已经从1990年的54%提升到2005年的65%，但此比例目前仍较低，处于进一步提升阶段。据国际能源署（IEA，2008）预测，中国该比例到2015年和2030年分别达到71%和77%。从2002年到2007年，汽车消费的汽柴油总量从6021万t增长到9944万t，增长了65.2%，其中汽油消费量从2835万t增长到4894万t，柴油从1890万t增长到5050万t。
目前节流与开源是减少车用石油液体产品消费的两个方面，前者主要是提高传统汽车的燃料经济性，后者主要是通过燃料替代实现车用燃料多元化。
1.1.3我国正在大力发展多种车用替代燃料
顺应车用能源多元化、动力电气化和排放洁净化三大发展趋势，我国正在大力发展多种车用替代燃料（Gan，200； Liu et al.，2009； 胡京南 等，2006； 刘宏 等，2007； 欧阳明高，2006； 谭力红，2007； 万钢，2008； 王贵明 等，2008）。
自20世纪90年代中期以来，我国注意到主要城市的机动车排放污染和能源消费日趋严重的问题。“九五”期间由当时国家科学技术委员会和国家计划委员会等部门负责，制定并实施了“国家清洁汽车行动计划”。到“十五”期间，这个计划实施了一系列研发项目，促进了替代燃料汽车及其基础设施和配套系统的发展，并取得了良好成效（申威，2007）。
目前多个省市实现了生物燃料乙醇的推广使用，通过与汽油以10∶90体积比进行掺混形成E10，直接加注到乘用车中使用； 近几年，公交车领域应用替代燃料技术更是迅速发展，在公交车柴油化同时，压缩天然气（compressed natural gas，CNG）、液化石油气（liquefied petroleum gas，LPG）、二甲醚（dimethyl ether，DME）、甲醇（methanol，M100）公交车在具有资源或者技术优势的地区和城市得到商业化应用，混合动力（hybrid electric vehicle，HEV）、纯电动（electric vehicle，EV）和燃料电池（fuel cell vehicle，FCV）公交车也处于示范运行或技术研发阶段（戈亚群，2009）。
与之对应的是，新能源汽车是相对于传统的燃料汽车而言的，在我国尚未形成统一定义。不过国家工业和信息化部2009年6月17日发布《新能源汽车生产企业产品准入管理规则》中对新能源汽车的概念进行了界定： 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车； 并列出如下产品类型： 混合动力汽车、纯电动汽车（含太阳能汽车）和其他新能源（如二甲醚）汽车等。因此本研究的车用替代燃料及其应用车辆是“新能源汽车行动”中的重要组成部分。
1.1.4问题的提出
正是在保障国家能源安全和应对气候变化的宏观背景下，道路交通部门的未来能源供应和GHG排放情况备受关注，对车用替代燃料发展所带来的能源节约和GHG减排分析的研究范围需要扩展到“从矿井到车轮”的全生命周期分析。
本研究试图回答以下问题： 对中国现有和未来可预见发展条件下，采用不同资源、利用不同技术的各条车用替代燃料路线的全生命周期能源消费和GHG排放情况到底如何？
本书的内容是我们所开展相关研究的梳理与总结。
1.2相关文献综述
1.2.1交通部门车辆/燃料低碳化发展
1. 低碳车辆/燃料的种类

关于未来车用能源供应，全球基本形成一致看法，即2030年前石油仍将处于主要地位，而在未来远期（晚于2030年）氢或电是最终解决方案，两者过渡期内能源多元化是必然发展趋势（Ally and Pryor，2009； Campanari et al.，2009； Chen et al.，2007； Collantes and Sperling，2008； Frenette and Forthoffer，2009； Karamangil，2007； Stepp et al.，2009； Tzeng et al.，2005； van Mierlo et al.，2006； Wang and Ouyang，2007； Yeh，2007； Zhao and Melaina，2006）。
与全球发展趋势类似，我国车用能源技术的发展方向也是车辆综合节能化、动力电气化和能源多元化，相应的低碳车辆技术主要包括综合节能技术、电气化节能技术和替代燃料使用技术三大类（Cai，2008； Collantes，2008； 国家发展与改革委员会替代能源研究项目组，2006； 张毅，2008）。
2. 车辆综合节能技术及作用
车辆综合节能技术主要包括传统汽油机节能技术、先进柴油机技术、车辆传动系节能技术以及整车节能技术等方面（国家能源办，2008）： 
（1） 传统汽油机通过向低摩擦化、高压缩比化、多气门化、可变配气比化、直喷化和轻量化等多方面发展，实现节能减排，如应用多气门技术，可提升燃油经济性（fuel economy，FE）3%~5%； 应用可变气门正时技术，可提升FE 1%~3%； 应用燃油直喷技术，可提升FE 10%~20%。
（2） 与点燃式汽油车相比，同种类型和相同排量的柴油车平均节油30%； 先进柴油车节油能力则达到30%~40%。
（3） 车辆传动系向多速比和无级化发展，能有效降低燃油消耗，如在变速器中增加一个挡位可提高FE 2%~3%。
（4） 降低整车重量也是非常重要的节能技术： 自身质量下降10%，燃油消耗可降低6%~8%。
3. 低碳车辆动力系统的发展
广义的电动汽车是现有车辆动力系统（压燃式和点燃式内燃机（internal combustion engine，ICE））向电气化驱动的动力系统转变的主要载体，包括纯电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCV） （Edwards，2006）。
其中纯电动汽车EV虽然出现年份早，结构简单，但其发展受制于电池技术的进展，其动力性和续航能力仍然是瓶颈。不过，纯电动汽车的单位里程能源消耗水平非常低，且行驶过程中可实现真正的零排放。电动乘用车的燃油经济性被认为是同期类似车型汽油车的300%以上。根据计算，目前示范运行电动公交车的百公里电耗为150kW·h，而同样大小车型的柴油公交车百公里油耗为45L，因此前者燃油经济性（km/MJ）为后者的300%左右； 从全生命周期来看，在使用综合网电情况下，一次化石能源使用节约27%，GHG减排10%。但随着电池技术的发展，电动汽车的节能减排优势将更加明显，从全生命周期来看，2015年左右利用综合网电的电动乘用车节能50%，减排35%左右； 利用水电、风电和太阳能等可再生能源发电的电力方式驱动的电动汽车与传统汽油车相比，全生命周期节能减排效果更加显著，甚至可以达到100%。
如果应用了CO2捕获与封存技术（CO2 capture and storage，CCS），电动汽车节能减排优势将更明显。根据IPCC（2005）的测算，煤电厂应用CCS技术后虽发电效率有所降低但电力生产过程中产生的90%的CO2可被捕获后封存。应用CCS技术后的煤电驱动电动汽车，从全生命周期与传统汽油车相比，能源使用相差不大，并可以减排70%左右的GHG（张阿玲 等，2008）。
乘用车和大型客车应用HEV技术的研发和产业化，在我国是节能汽车近期发展重点，国内多家单位已经完成样车开发，陆续进入示范运行阶段，节油率达到15%~30%（国家能源办，2008）。而张阿玲等（2008）认为到2020年左右应用HEV技术的车辆节油率可达到35%~45%，达到美国现有水平。
FCV利用氢气和空气进行化学反应提供驱动力，虽然其运行能效低于纯电动汽车，但远高于传统内燃机汽车。根据计算，北京奥运期间示范运行的FCV公交车的百公里耗氢（通过天然气所制氢气）为10.76kg，同样大小车型的柴油公交车百公里油耗为45L，前者燃油经济性（km/MJ）为后者的120%左右，从全生命周期来看，一次化石能源消耗增加10%，但GHG减排10%。张阿玲等（2008）预测，在车载储氢方式下，2020年FCV燃油经济性（km/MJ）比先进汽油车高出130%； 如应用煤制氢技术路线，FCV的全生命周期化石能源使用与汽油车相比低了33%，但GHG排放高出10%； 在对煤制氢技术路线应用CCS技术的情景下，全生命周期化石能源使用与汽油车相比减少达30%左右，GHG减排则达75%； 如采用核能和风电、生物质能等新能源和可再生能源制氢技术路线，FCV的全生命周期化石能源使用与汽油车相比可降低90%左右，并减排GHG 80%左右。
4. 替代燃料使用技术
车用替代燃料除了配合动力系统转换的电、氢路线之外，还主要包括CNG/LPG气体燃料、煤基液体燃料和生物质液体燃料等技术路线（将在第4章和第5章进行详细阐述）。
1.2.2车用替代燃料的全生命周期分析
由于能源使用和GHG排放的全生命周期分析（life cycle analysis，LCA）是车用燃料路线综合评价的重要方面，国内外学者较早就开始研究，并取得了一系列具有地域特征的研究成果（柴沁虎，2008； 王寿兵 等，1998； 张阿玲 等，2008）。
在过去近20年间，对于替代燃料/车辆，国际上除了在车辆和能源技术上进行大量科学研究和试验之外，对不同路线的能源使用与污染物排放情况，许多研究机构和专家学者也进行了研究，并建立起专门的LCA模型，如GREET（Greenhouse gas，Regulated Emissions and Energy use of Transportation energy）和LEM（Lifecycle Emission Model）模型（Delluchi，1991，1993，1997，1998，2003； Delluchi and Lipman，2003b； Wang，1999，2001，2004； Wang and Santini，1993）。基于这两种模型，有许多机构和学者进行了基于北美和欧洲等地区情况的技术路线的LCA研究（Concawe et al.，2007； Wang and Weber，2001），研究结论具有非常明显的地域差异性，不能简单地应用到其他地区（Brjesson，2009； Granovskii et al.，2006； Hekkert et al.，2005； Jaramillo et al.，2009； Nguyen et al.，2008； Odeh and Cockerill，2008； Samaras and Meisterling，2008； Semelsberger et al.，2006； Shiau et al.，2009； Steenberghen and López，2008； van Mierlo et al.，2006； van Vliet et al.，2009）。
国内LCA工作主要包括早年对车辆运行阶段（包括发动机台架试验）、新能源商用车和乘用车的单路线分析（Huang and Zhang，2006； Zhang and Huang，2005，2007），和近几年来两条或者多条路线间的对比分析（董进宁 等，2007； 宋雯 等，2008； 张成，2003； 张亮，2007； 张亮 等，2007）。在这些研究中，或由于缺乏大量的、基础的关于实际运行或者统计的数据支撑，许多结论主要是基于试验数据或者对未来情况的发展预测（Hu et al.，2007a，b； Zhang et al.，2005； 束庆 等，2003），因此很难简单地把来自不同文献的研究结果放到同一平台上进行比较而得到科学结论。近年来，清华大学和福特公司，中国汽车技术研究中心和通用公司分别通过科研机构和汽车厂商、燃料供应商合作的形式，主要利用GREET模型（该模型基于美国能源生产链结构开发，参数的默认赋值为美国情况），并进一步采用尽可能多的中国本地化数据，进行了基本反映中国实际情况、基于同一计算平台的多燃料/车辆路线的全生命周期综合比较，并取得了一系列研究成果（CATARC and GM，2008； 柴沁虎，2008； 申威 等，2006； 张阿玲 等，2008）。
1.2.3重要研究方向
如陈胜震等（2008）和张阿玲等（2008）所述，车用燃料LCA工作至少还要在以下方面进一步加强工作： 
（1） 采集并整理更多的中国本地化的燃料/车辆周期相关数据，尤其是车辆运行的实际能耗数据，就单路线分析研究而言需要得到更为准确的研究结果，就多路线对比研究而言需要提供统一的数据平台； 
（2） 将车辆制造周期纳入LCA中，增强燃料/车辆组合路线分析的科学性和全面性。
1.3研究路径、内容安排和现实意义
本研究通过建立起清华大学中国车用能源LCA模型TLCAM （Tsinghua China automotive energy LCA model），对我国道路交通部门各种车用燃料供应进行全生命周期一次化石能源消费与GHG排放分析。
在内容安排上： 
第1章为绪论，主要阐明研究背景、目的及思路，阐释研究内容之间的关系，并对重要概念及特殊定义进行了界定。
第2章介绍所开发的TLCAM模型的设计思路、框架结构、计算原理方程和输出结果及用途。
第3章计算我国主要终端能源的全生命周期化石能源和GHG排放强度清单，为后续章节提供数据基础。
第4章至第6章对不同燃料/车辆组合路线进行LCA微观分析和综合比较。
第7章是研究结论和政策建议。
1.4重要概念界定和关键定义
从研究严谨性的角度出发，对包含研究对象和研究方法的一些概念进行了界定，并就化石能源强度和GHG排放强度（碳强度）进行了特别定义。
1.4.1研究对象
1. 道路交通部门

根据运输工具分类，交通部门可进一步细分为道路交通、航空交通、水路交通、铁路交通和管道交通。其中道路交通以机动车辆为运输工具，主要包括客运和货运活动。
本研究中定义道路交通部门为使用高速车辆完成客运和货运任务的部门，对应能量消费为各类民用汽车（包括商用车和乘用车）和摩托车对应的能源消费。
本研究视道路交通能源消费等同于车用能源，不做具体区分。
2. 车用替代燃料
本研究中，对车用替代燃料采用广义内涵，指对传统车用柴油、汽油具备替代能力的燃料，不仅包括在传统内燃机汽车上使用的天然气基、煤基和生物质基的液体或者气体替代燃料，还包括电动车所使用的电力和FCV所使用的氢气等，前一类燃料不需要根本性地改变车辆驱动结构，但后一类燃料需要从根本上改变车辆驱动系统。
3. 一次化石能源
本研究中计算的一次化石能源是一次能源和化石能源的交集，包括原煤、原油和原始天然气三类（即不包括天然铀矿或核燃料、水能等能源）。
4. 终端能源
本研究中，终端能源为终端利用的4类能源： 固体、液体、气体和电力（不包括热力）。其中在第3章中重点分析的主要民用终端能源为煤、油、气基燃料及电力（共计9种）； 第4章至第6章分析的各类车用燃料也是终端能源，但其中大部分燃料种类不属于前述9种主要民用终端能源范畴。
5. 温室气体GHG
在本研究中GHG排放分析重点考虑CO2、CH4和N2O排放，并按照全球增温潜力系数折算成CO2当量（CO2 equivalent，CO2，e）。
1.4.2研究方法
本研究中沿袭国际上成熟的车用燃料/车辆制造的能源使用和污染物排放LCA微观分析。如图1.1所示，前一部分是燃料周期，又称为WTW （welltowheels，从矿井到车轮），主要包括两个主要阶段： WTP （welltopump，从矿井到油泵）和PTW （pumptowheels，从油泵到车轮），WTP研究对象是车用燃料的上游生产阶段，包括资源开采、资源运输、燃料生产、燃料运输、分配和储存，以及燃料加注过程，PTW的研究对象是车用燃料的下游使用阶段，也就是机动车行驶过程中的燃料燃烧和排放。后一部分是车辆周期，主要包括制造材料的上游生产阶段、车辆零部件制造组装阶段和车辆报废处理阶段。


图1.1车用燃料/车辆制造全生命周期阶段划分


1.4.3特殊定义
1. 化石能源强度

本研究定义，终端能源（包括车用燃料）基于热值的全生命周期化石能源强度为1MJ终端能源获取过程中包括原料投入的一次化石能源总消费量（MJ/MJ）； 如果考虑到车辆驱动系统的能源利用效率的差异性，车用燃料基于交通服务的化石能源强度定义为车辆行驶1km的全生命周期能源总消耗量（MJ/km）。





其他研究定义的化石能耗系数与本研究定义的终端能源的化石能源强度存在以下主要差别： 前者一般只汇总计算生产、运输过程中的能量消耗，而后者还包含作为原料投入的化石能源，体现终端能源从获取到被使用的全生命周期中对化石能源的总体消费量。

2. GHG排放强度（碳强度）
本研究定义，终端能源（包括车用燃料）基于热值的全生命周期GHG排放强度为1MJ终端能源获取和利用过程中导致的GHG排放量（gCO2，e/MJ）； 如果考虑到车辆驱动系统的能源利用效率的差异性，车用燃料基于交通服务的GHG排放强度定义为车辆行驶1km的全生命周期GHG排放量（gCO2，e/km）。此处，因CO2为最主要GHG，GHG排放强度又被简称为碳排放强度或碳强度。





本研究定义的终端能源的GHG排放强度中包含其被使用过程中的直接排放，体现其全生命周期排放情况。







第2章模型平台的建立
本章介绍TLCAM模型结构及计算原理，以及输出结果及主要用途。
2.1设计思路
模型的开发目的是为道路交通部门能源消费与GHG排放的综合分析工作提供LCA方面科学便捷的统一计算平台，其设计思路如下： 
（1） 首先以国际上成熟的GREET交通能源微观计算模型（Wang，1999，2001，2004）为原型，对部分模型结构进行调整并尽可能采用中国实际参数数据基础上，形成中国主要终端能源的LCA能源及GHG排放强度的基础平台； 
（2） 通过计算机迭代运算方法求算出终端能源的强度数据清单； 
（3） 然后运用自主开发的计算程序，基于车用燃料路线和车辆制造路线的各子阶段的终端能源消耗情况的研究，并结合已经获取的终端能源LCA强度数据清单，求算出具体燃料/车辆路线的全生命周期能耗与GHG排放微观数据。
关于模型中相关变量和参数的列表，参见附录A。
2.2模型结构和计算原理
2.2.1模块组成

模型由层次递进的两个部分组成： ①中国主要终端能源的LCA能源及GHG排放强度计算的基础平台（以下简称基础平台）； ②具体燃料/车辆路线的LCA能耗与GHG排放微观计算的分析程序（以下简称分析程序）。
“基础平台”以国际上成熟的GREET交通能源微观计算模型为原型，充分考虑中国国情，部分调整已有模型结构并实现内部参数充分本地化。利用此平台，并采用基于计算机Excel软件的迭代运算方法，可求算出我国主要终端能源的全生命周期（或上游阶段）化石能源及GHG排放强度数据清单。