环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (10): 1653-1660  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.02.96

引用本文  

黎土煜, 余大立, 张洪申. 基于GREET的纯电动公交车与传统公交车全生命周期评估[J]. 环境科学研究, 2017, 30(10): 1653-1660.
LI Tuyu, YU Dali, ZHANG Hongshen. Using the GREET Model to Assess the Life Cycle of Electric and Conventional Buses[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(10): 1653-1660.

基金项目

云南省级人才培养项目(KKSY201501060)

责任作者

张洪申(1983-), 男, 河北邢台人, 讲师, 博士, 主要从事可持续设计与制造研究, hongshen@kmust.edu.cn

作者简介

黎土煜(1992-), 男, 海南乐东人, li_tuyu@163.com

文章历史

收稿日期:2016-12-15
修订日期:2017-06-29
基于GREET的纯电动公交车与传统公交车全生命周期评估
黎土煜 , 余大立 , 张洪申     
昆明理工大学机电工程学院, 云南 昆明 650500
摘要:随着纯电动公交车在城市公共交通中应用越来越广泛,需要对纯电动公交车和传统柴油公交车进行全生命周期评估,并分析推广纯电动公交的可行性.通过美国阿贡实验室开发的GREET(greenhouse gases,regulated emissions,and energy use in transportation model)软件,充分考虑油井-油泵、公交车运行、车身系统制造、液体系统制造、ADR(装配、报废和回收质量)以及电池制造等6个阶段能耗,结合公交车车型信息和路况信息,构建公交模型,并对公交模型进行能耗模拟、排放物模拟和经济效益评估.结果表明,若车身长度为12 m,车身质量为18 t时,纯电动公交车运行过程能耗仅占其总能耗的31.1%.相较于传统公交车,纯电动公交车全生命周期能耗减少29.1%,全生命周期内VOC、CO、NOx等污染物排放量分别减少8.7%、36.7%、50.2%,温室气体CO2的排放量减少19.7%.若公交车队规模为20辆,纯电动公交车使用年限为8 a,则纯电动公交车比例需超过12.7%才能实现盈利,单辆纯电动公交车若实现盈利至少需要3 a.
关键词全生命周期评估    GREET模型    传统柴油公交    纯电动公交    
Using the GREET Model to Assess the Life Cycle of Electric and Conventional Buses
LI Tuyu , YU Dali , ZHANG Hongshen     
Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
Abstract: With the gradual scarcity of global energy resources and rising requirements for the environment, it is necessary to develop clean energy and alternative vehicles. Electric buses have become widely available in city public transportation in recent years. The life cycle assessment of conventional diesel and electric buses was conducted to demonstrate the feasibility of electric buses. A bus model incorporating consumption of stages of well-to-pump, operation, system manufacture, fluid manufacture, Assembly, Disposal and Recycling (ADR), battery manufacture and the survey information of buses and traffic was established. The bus length was 12 m and the weight was 18 t. Based on the Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation model (GREET) software developed by Argonne National Laboratory, a simulation was conducted. The results showed that the life cycle energy consumption of electric buses was 29.1% lower than conventional buses. This means that electric buses can reduce the energy consumption to a certain extent, and the energy consumption tends to decrease significantly with the improvement of energy structure and power technology in China. The operational energy consumption of electric buses accounted for 31.1% of total energy consumption. Compared to conventional buses, the Volatile Organic Compounds (VOC), CO and NOx emissions over the life cycle of electric buses were lower by 8.7%, 36.7% and 50.2%, and the emissions of CO2 of electric buses were lower by 19.7%. If a bus fleet has 20 buses, the fleet can make a profit when the proportion of electric buses exceeds 12.7%, because the life span of an electric bus is eight years in general. However, the popularization of electric buses requires a lot of investment to purchase new buses and build infrastructure. Electric buses cannot make a profit for at least for three years, which means that the enterprises barely make any profit in a short time. Therefore, an incentive system should be set up by the government in order to expand the market of electric buses and address the financial stress of the bus companies. With the development of operational information of electric buses, more research will be conducted to accurately calculate the appropriate proportion of electric bus in different areas.
Keywords: life cycle assessment    GREET model    conventional diesel bus    electric bus    

我国已成为全球最大的能源消费国,但是国内能源利用效率低下,能源结构不合理,由此引发了一系列的能源危机和环境问题[1-3].国家能源局颁布了《能源发展“十三五”规划(2016—2020)》,提出在能源消费方面,至2020年,国内生产总值能耗要比2015年下降15%;在能源结构方面,将非化石能源消费比重提高至15%以上;在环境方面,单位GDP的CO2排放比2015年下降18%.我国大气污染中,汽车尾气污染占比超过一半.如何降低汽车尾气污染已成为我国环保事业亟待解决的难题之一.近年来,纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等新能源汽车不断发展,成为交通运输业缓解能源和城市环境压力的突破口.

目前,在我国部分城市,纯电动公交车已开始投入运营.以云南省昆明市公交车第七公司为例,该公司在运营公交车数量为755辆,包括柴油公交车和纯电动公交车,其中,柴油公交车占比为77%,纯电动公交车占比为23%.纯电动公交车已经开始成为公共运输系统中重要的一部分.但是,有关电动公交车替代传统公交车在制造、运行和报废等阶段是否能降低能源消耗、减少污染物排放量以及提高经济效益等基础研究仍亟待开展.

目前,国内新能源汽车技术在高速发展,但是仍然受到很多因素的制约,如区域发展差异、基础设施、政府津贴等[4-6].汽车动力电池经历了铅酸电池、镍氢电池和锂电池3个阶段,目前大多数电动汽车使用的是锂电池,其中以能量型磷酸铁锂电池为主[7].然而,电池昂贵的造价、续航能力不足以及安全性能存在隐患等难题依旧存在,其性能的好坏将直接影响电动汽车的发展.研究表明,动力电池的安全性和可靠性受限于电池温度和电池电压窗口[8];动力电池的热量损失将会降低电池寿命和续航能力,其中电池内部短路、电池外部压力过大、过度充电以及电池工作温度过高是加速电池热量损失的主要原因[9];动力电池的主要性能参数,如比能量、比功率、安全性、充电循环性等主要取决于电极材料和电解液的性能,而采用纳米结构作为电极材料将会对电池性能产生积极影响[10];增加电池热力系统能够有效缓解动力电池在低温环境下耗电快、寿命短的现象[11-12].电池使用寿命以及续航时间的长短主要取决于电源管理系统[13].

近年来,国内外众多学者针对可替代能源汽车(主要是纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等)和传统汽车的能耗做了研究,对新能源汽车的发展具有重要意义.美国阿贡国家实验室开发的GREET-2016 (greenhouse gases, regulated emissions, and energy use in transportation model-2016) 软件及清华大学开发的Tsinghua-LCAM模型都是分析汽车全生命周期能耗的常用工具,基于这些模型,研究人员[14-17]计算出不同汽车模型下、不同阶段(主要分为油井-油泵和油泵-汽车两个阶段)的能耗和污染物排放量.研究[18-20]表明,乘用车车型和行驶路况能耗会受到车型零部件设计、驾驶方式、驾驶路况、气候条件等因素的影响. OU等[21-23]研究表明,就目前国内可替代能源的生产路径来说,使用新能源并不会明显减少温室气体的排放量.预计到2015年,纯电动汽车全生命周期节能率为46.04%,减排率为28.99%,而到2020年,这两项数据将分别提高至55.02%和40.83%. Lajunen[24]研究表明,公交车储能系统的费用是提高成本效益的关键因素,而优化公交车运行调度和运行路线将会有效改善公交车的能耗.综上所述,深入开展不同类别传统汽车与新能源汽车全生命周期分析研究十分必要.因此,该研究以传统公交车和纯电动公交车为研究对象,基于GREET软件建立公交模型,计算纯电动公交车和传统柴油公交车的全生命周期能耗和排放量,并结合经济效益计算结果,评估推广纯电动公交车的可行性,以期为纯电动公交车的购置及运营提供参考.

1 研究方法

美国阿贡国家实验室于1995年正式发布GREET软件,该软件主要用于计算燃料和汽车全生命周期能耗与排放等数据.通过模拟公交车能耗和污染物排放两部分,结合经济效益评估结果对推广电动公交车的可行性进行分析.该研究中数据主要来源于调研数据、GREET默认数据以及文献数据三方面.

1.1 公交建模 1.1.1 车型参数

GREET软件公交建模主要依据为公交车型参数.为便于对纯电动公交车和传统柴油公交车全生命周期进行评估,结合实际走访调研,对车型参数做出如下假定:

a) 公交车长度为12 m.

b) 根据《机动车强制报废标准规定》(商务部〔2012〕12号),公交车寿命为13 a.但是,公交车运营到8 a之后,便基本报废,故假定两种公交车寿命均为8 a.

c) 两种公交车载客数量相同,均为100人.但是,公交车载客数量会有高低峰期.因此,在此假定两种公交车载客量为80人.

d) 假定公交车日均行驶里程为180 km,年均行驶里程为65 700 km.由此可得公交车全生命周期总行驶里程为525 600 km.

e) 两种公交车驾驶方式、运行路况以及运行调度均一致.

纯电动公交车与传统柴油公交车在系统组成上差别明显.公交车组成系统主要包括车身系统、动力系统、传动系统、底盘、牵引电机、发电机、电控系统、电池系统和液体(除去燃油),具体如表 1所示.

表 1 公交车组成系统 Table 1 Components of the buses

根据建模需要,对纯电动公交和传统柴油公交车型主要参数进行设定[25],见表 2.

表 2 车型主要参数 Table 2 Main parameters of the buses
1.1.2 各系统质量参数

GREET软件已设定传统内燃机汽车各系统质量占比,但并未设定纯电动汽车各系统质量占比.在此根据纯电动公交车电池质量,计算电池占整车质量比例为12.8%.结合软件内部默认的各系统质量占比,求出各系统质量.系统比例计算公式:

${P_{\rm{S}}} = {M_{\rm{S}}}/{M_{\rm{t}}} \times 100\% $ (1)

式中:PS为系统比例,%;MS为软件默认各系统质量,kg;Mt为软件默认汽车总质量(不包括液体和轮胎质量),kg.轮胎质量如1.1.1节所述.液体质量可根据汽车总质量比例估算得到.软件内部汽车总质量约为1.5 t,公交模型总质量为18 t,故假定公交模型中各液体质量为软件内部汽车各液体质量的10倍.

为使公交模型全生命周期能耗计算更准确,需要定义公交模型各组成部分更换次数,主要包括电池组、轮胎和液体.此次模拟电池组寿命为5 a,根据公交车报废年限,在此设定电池组更换次数为1次.在寿命周期内,公交车轮胎一般需要更换2次.模型中各液体更换次数采用软件内部默认数据.

经由式(1) 计算和上述假定估算得到公交模型质量参数和液体更换次数(见表 3).

表 3 公交模型质量参数和液体更换次数 Table 3 Mass parameters and fluid change times of the bus models
1.1.3 热值计算

GREET软件能耗根据能源热值(低位热值)计算.由表 2可知,纯电动公交车能耗为1.1 kW·h/km,柴油公交车能耗为0.42 L/km.由GB/T 2589—2008《综合能耗计算通则》可知,电力热值为3 600 kJ/(kW·h),柴油热值为42 652 kJ/kg.其中柴油密度为0.84~0.86 kg/L,模拟取柴油密度为0.85 kg/L.

根据以上数据可得纯电动公交车和传统柴油公交车的热值分别为3 960和15 227 J/m.

1.2 能耗模拟设定

GREET软件环境为美国标准,在模拟前需要对软件环境进行设置,使其与我国实际情况基本保持一致.该研究全生命周期能耗模拟总共考虑公交车全生命周期6个阶段,包括油井-油泵阶段、公交车运行阶段、车身系统制造阶段、液体系统制造阶段、ADR阶段以及电池制造阶段.其中,ADR为汽车装配、报废和回收质量,油井-油泵阶段采用GREET软件内部数据,其余阶段数据则通过调研、文献查阅以及计算得到.此次模拟年份为2015年.

该模拟需对上述6个生命周期阶段的电力结构进行设置.我国实际电力结构[30]图 1(a)所示,主要以火电为主,软件默认的我国电力结构如图 1(b)所示,二者差别不大,但软件默认结构分类较为齐全,故此次模拟使用软件内部电力结构.未来随着清洁电力的发展,超临界发电、太阳能发电、水电以及核电等发电模式份额将会逐步增加[31-33].

图 1 我国电力结构 Figure 1 The power structure of China

传统公交使用0号低硫柴油.目前,我国柴油主要源于原油提炼,因此,GREET软件中柴油来源设置为原油提炼路径.我国能源运输以管道运输和海上运输为主,其中管道运输占运输量的95%以上[34].在能源运输技术和效率方面,我国与美国无明显差异,故模拟中能源运输方式和效率均采用软件默认标准.

GREET软件包括汽油和柴油两种基本燃料.柴油公交以燃油经济性作为主要输入,而确定燃油经济性之后,便能计算不同阶段的能耗,其计算公式:

$E = [{\sum _{f \in F}}s\left( f \right){\rm{hv}}\left( f \right)]/{f_{\rm{e}}}$ (2)

式中:E为能耗,J/km;f为能源类型,包括汽油、柴油、天然气等;F为能源集合;s(f)为不同阶段能源配额,%;hv(f)为能源热值,J/gal;fe为燃油经济性,是根据发动机类型而确定的比例因子.

GREET软件电能驱动模式包括电量耗尽模式和电量维持模式.该研究采用电量耗尽模式,因为电量耗尽模式适用于纯电能驱动汽车,而电量维持模式适用于混动汽车领域.单位距离耗电量计算公式:

${e_{{\rm{el}}}} = 3.412B/\eta $ (3)

式中:eel为单位距离耗电量,J/km;B为电量耗尽模式下的耗电量,J/km;η为充电效率(软件默认所有车型充电效率均为85%),%.

单位距离总能耗计算公式:

${e_{{\rm{CD}}}} = {e_{{\rm{el}}}} + {e_{\rm{f}}}$ (4)

式中:eCD为电量耗尽模式下单位距离总能耗,J/km;ef为所需燃料能耗,J/km.

全生命周期能耗需要将公交生命周期各阶段的能耗相加,总能耗计算公式:

${E_{{\rm{Total}}}} = {E_{{\rm{WTP}}}} + {E_{\rm{O}}} + {E_{\rm{M}}} + {E_{\rm{F}}} + {E_{{\rm{ADR}}}} + {E_{\rm{B}}}$ (5)

式中:ETotal为公交模型总能耗,J/(h·km);EWTP为油井-油泵阶段能耗,包括能源开采、能源运输和发电能耗,J/(h·km);EO为车辆运行过程能耗,J/(h·km);EM为车辆各系统制造能耗,J/(h·km);EF为车辆各液体制造能耗,J/(h·km);EADR为车辆装配、报废和回收能耗,J/(h·km);EB为车辆电池制造能耗,J/(h·km).

1.3 排放物模拟设定

公交车全生命周期主要标准污染物包括VOC(挥发性有机化合物)、CO、NOx(氮氧化物)、SOx(硫氧化物)以及BC(微小颗粒物炭黑)、POC(有机碳)、PM2.5和PM10;温室气体排放物包括CO2、CH4和N2O.

GREET模拟过程中将以上排放物分为两类:① 尾气排放物,包括VOC、CO、CO2、NOx、PM2.5、PM10、BC、POC、CH4和N2O;② 非尾气排放物,包括汽油和柴油挥发(Evap)的有机化合物(VOC_Evap)以及轮胎和刹车磨损(TBW)产生的炭黑(BC_TBW)、有机碳(POC_TBW)、PM2.5(PM2.5_TBW)、PM10(PM10_TBW).根据GREET内部数据,对纯电动公交车和柴油公交车的排放物进行定量(见表 4). CO2排放无需定量,软件内部会独立计算.

表 4 纯电动公交车和柴油公交车污染物排放量 Table 4 Tailpipe and non-exhaust emissions of the buses

排放计算包括上游排放、技术性排放、非技术性排放,以及能源泄漏和汽化排放,其计算公式:

$\begin{array}{l} {\rm{Em}}\left( f \right) = a\left( f \right){\rm{E}}{{\rm{m}}_{{\rm{up}}}}\left( f \right) + a\left( f \right)\sum\limits_{t \in T} {\left[ {s\left( {f,t} \right) \times } \right.} \\ \quad \quad \quad \quad {\rm{Ef}}\left( {f,t} \right)] + {\rm{E}}{{\rm{m}}_{{\rm{other}}}} \end{array}$ (6)

式中:t为获取能源的相关技术;Em(f)为能源排放量,g;a(f)为能源数量,J;Emup(f)为能源上游排放矢量,g/J;s(f, t)为能源份额,%;Emother为能源其他排放矢量,g/J;Ef(f, t)为不同生产工艺下该能源的排放矢量,g/J.

1.4 纯电动公交车经济效益评估设定

公交车经济指标主要有公交购置费、基础设施建设费、运行能耗费、政策补贴费以及运营收入.据调研可知,车身长度为12 m的纯电动公交车单价为90×104元(除去30×104元补贴),其中动力电池成本约为整车价格的1/4.纯电动公交车全生命周期内需要更换1次电池,故纯电动公交购置费为115×104元.车身长度为12 m的柴油公交单价为60×104元.纯电动公交车和柴油公交车费用信息见表 5.

表 5 公交车费用信息 Table 5 Cost information of the buses

纯电动公交车经济效益评估主要依据是纯电动公交车最终实现盈利所需年限.该年限计算公式:

$Y = ({O_{\rm{p}}} + {O_{\rm{c}}} + {O_{\rm{i}}})/\left( {{I_{\rm{b}}} + {I_{\rm{s}}}} \right)$ (7)

式中:Y为盈利所需年限,a;Op为公交购置费,104元;Oc为年能耗费,104元;Oi为基础设施建设费,104元;Ib为年运营收入,104元;Is为纯电动公交车相较柴油公交车年均节省的能耗费,合计11.2×104元.

2 结果与讨论 2.1 能耗模拟结果

根据调研数据,设置纯电动公交车和传统柴油公交车比例分别为23%和77%,并定义能耗、电池组件以及各系统和各液体质量参数(见表 3),对公交模型开展能耗模拟,模拟结果见表 6.

表 6 公交车全生命周期能耗 Table 6 Life cycle energy consumption of the buses

表 6可见,纯电动公交车全生命周期能耗较传统柴油公交车减少29.1%,表明纯电动公交车在一定程度上能降低能源消耗;在油井-油泵阶段,纯电动公交车能耗约为传统柴油公交车能耗的2倍,并占其总能耗的49.8%,原因是我国电力结构主要为火力发电.因此未来电能供应需要减少一次能源的消耗、提高输电效率,从而改善我国电力结构;传统柴油运行能耗占其总能耗的72.0%,而纯电动公交车运行能耗仅占其总能耗的31.1%,主要原因是纯电动公交车动力为电能,属于清洁能源; 而传统柴油公交燃料为柴油,柴油的提取需要消耗大量的能源(尤其是原油).降低传统柴油公交车运行阶段能耗的关键在于合理规划公交运行路线和运行时间、合理设置公交站台区间距离并研究科学的驾驶模式.降低纯电动公交车运行能耗的关键则在于电源管理系统,先进的电源管理系统能够对电能进行合理分配、保证电池充放电效率;在电池制造阶段,动力电池(磷酸铁锂电池)制造能耗远超过普通车载蓄电池(铅酸电池)制造能耗,约为传统柴油公交车普通车载蓄电池的400倍.因此,在动力电池制造过程中,应采用先进技术、研发先进材料、合理利用和回收能源,以此降低动力电池的制造能耗.

2.2 排放物模拟结果

根据排放物定量数据,结合相应公交模型,其全生命周期标准污染物和温室气体排放量模拟结果分别如图 23所示.

图 2 标准污染物排放量 Figure 2 Criteria pollutant emissions of the buses

图 3 温室气体排放量 Figure 3 Greenhouse gas emissions of the buses

图 2可见,纯电动公交车SOx排放量是柴油公交车的3.4倍,该类污染物主要产生于纯电动公交车的发电阶段,究其原因是我国电力结构主要为火力发电,期间燃烧的化石燃料会产生大量的硫氧化物;相较于柴油公交车,纯电动公交车在VOC、CO和NOx的排放量上分别减少8.7%、36.7%和50.2%,这说明纯电动公交车能减少一定的污染物排放量.由图 3可知,公交车全生命周期排放的温室气体主要为CO2,占温室气体排放量的99.8%.纯电动公交车比柴油公交车的CO2排放量减少了19.7%,约为160 t.相关污染物排放量的减少有利于改善我国的环境污染状况,尤其是对汽车保有量较大的城市来说,污染物排放量减少有利于提高当地居民的生活和环境质量.

2.3 纯电动公交车经济效益评估

根据纯电动公交车经济效益评估设定的相关数据,此模拟假定一条公交线路拥有20辆公交车,出勤率为100%.则该线路中纯电动公交车比例和其盈利所需年限关系如图 4所示.

图 4 纯电动公交运营比例与盈利所需年限的关系 Figure 4 Relations between the proportion of electric bus and the required number of years for profit

由于纯电动公交车使用年限为8 a,因此盈利所需年限8 a是盈利临界点,只有盈利所需年限小于8 a,该比例的纯电动公交车才会盈利.由图 4可知,该临界值位于10%~15%的纯电动公交车比例之间,求出该段直线方程,由计算结果可知纯电动公交车要实现盈利,其运营比例临界值约为12.7%.结果表明,当公交车队规模为20辆时,纯电动公交车比例至少需要12.7%才能实现盈利目标,若纯电动公交车比例小于12.7%,则纯电动公交车所需盈利年数要超过8 a,意味着纯电动公交车在盈利之前已经报废.单辆纯电动公交车实现盈利至少需要3 a,因此企业购入纯电动公交车后并不能在短时间内得到相应的利润回报.对相关企业来说,应该将纯电动公交车的投资视为长期投资,并将节能环保作为企业发展的战略目标.由于各城市不同的补贴政策以及基础设施造价,其纯电动公交车的初始投资价格均不一样.通过经济效益的分析,有利于各城市公交车队根据自身情况合理配置纯电动公交车数量,使纯电动公交车取代传统柴油公交车的进程更科学.

3 结论

a) 纯电动公交车能耗比传统柴油公交车减少了29.1%,表明纯电动公交车相对传统公交车可以明显减少能耗量.传统柴油公交车和纯电动公交车运行过程能耗分别占其总能耗的72.0%和31.1%,表明采用电能作为驱动源,能够明显降低公交车在运行过程中的能耗.能耗的减少对汽车行业可持续发展具有积极意义,而随着我国能源结构的改善以及电池技术的突破,纯电动汽车在环保节能方面将为我国带来巨大利益.

b) 公交模型模拟结果显示,由于我国电力结构以火力发电为主,致使纯电动公交车产生的SOx主要源于发电阶段,其排放量是柴油公交的3.4倍.相较于柴油公交车,纯电动公交车在VOC、CO和NOx的排放量上分别减少8.7%、36.7%和50.2%,尤其CO2的排放量较传统柴油公交车减少19.7%. CO2排放量的减少对于缓解全球气候变暖、降低我国碳排放配额具有重要意义.

c) 经济效益分析表明,单辆纯电动公交车若实现盈利至少需要3 a.当公交车队规模为20辆时,纯电动公交车比例至少需要12.7%才能实现盈利.未来可以通过降低纯电动公交车造价、基础设施造价以及制定相应经济激励政策等方式,逐步提高纯电动公交车的市场份额,从而推动我国新能源汽车的发展.

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