生命周期分析能源消耗和温室气体排放的自然基于燃气汽车替代燃料在中国

文摘

清华生命周期分析模型(TLCAM)已经被用于检查的主要化石能源消耗和温室气体(GHG)排放天然气——(NG)在中国建立替代汽车燃料。结果表明,(1)压缩NG -和液体NG-powered车辆有类似余尔(WTW)化石能源使用传统的汽油和柴油燃料的车辆,但差异出现NG运输的距离。此外,由于NG碳含量低于石油,天然气,LNG-powered车辆排放10 - 20%和5 - 10%温室气体低于汽油和柴油燃料的车辆,分别;(2)气液- (GTL)驱动车辆涉及多大约50% WTW化石能源使用比传统的汽油和柴油燃料的车辆,主要是因为GTL低效率的生产。不过,自从NG碳含量低于石油、GTL-powered车辆排放约30%的温室气体比传统燃料汽车;(3)液化天然气能源链的碳排放强度对NG液化效率的高度敏感和这一过程所使用的能量形式。

1。背景

1.1。在中国汽车替代燃料

1.1.1。一般的背景

在第十一个五年计划(2006 - 2010),中国汽车市场经历了强劲增长。车辆所有权在此期间每年增加20%,达8700万到2010年底。这种强劲的增长促进了燃料的需求不断增加,因此,石油价格大幅升级。与此同时,污染物和二氧化碳(有限公司₂)与石油相关的燃烧排放也造成重大的环境问题。因此,替代汽车燃料是获得越来越多的利益。

目前,一些非传统燃料一直是作为常规的汽车燃料的替代品进行销售(即。、汽油和柴油);这些包括车辆自然压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)生物柴油,methanol-gasoline混合,混合ethanol-gasoline和煤成燃料。电动汽车也被引入作为一个潜在的解决车辆使用传统燃料的缺点。

研究CAERC (2012) (1)发现天然气车辆的所有权在中国超过500000的2010;每年460万吨的汽油和柴油车辆正在被2010年天然气所取代。

此外,methanol-gasoline混合的年消费量,生物燃料,和煤成燃料是2亿吨,183万吨和33000吨,分别。每年节省汽油和柴油的电动车小于40000吨。总的来说,这些替代燃料取代只有一小部分(3.3%)的中国车用汽油和柴油的消耗。然而,接受替代汽车燃料是深刻地受到工业生产力和政府政策的影响。此外,他们接受可能对当地的液体燃料市场产生重大影响。

1.1.2。当前的状态

两种类型的天然气产品收到了关注替代车辆fuels-CNG和液化天然气。

CNG汽车燃料。根据NGV全球(2012)(4)统计,截至2010年6月,天然气汽车的所有权在中国超过1104000;98.9%的人是CNGV。目前,天然气汽车在使用中国30个省(市、自治区)。截至2010年,天然气汽车正式登记所有权达20000。考虑到未注册的车辆(即。,天然气vehicles converted from regular-fuel autos), the total number of CNG vehicles exceeded 500,000. Meanwhile, CNG station development has made considerable progress. As of 2009, there were 1,055 CNG stations across China, which was 500 more than there were at the end of 2007.

中国液化天然气汽车网的统计数据(CLNGVN, 2012)5)从2010年的一些地区使用CNG汽车(即相对受欢迎。,Sichuan, Chongqing, Harbin, Urumqi, and Xi’an) show that CNG vehicles are primarily used as city buses (replacing diesel buses), taxicabs (replacing gasoline taxis), and governmental automobiles. Approximately 80% of these vehicles were used for commercial purposes.

根据NGV全球(2012)(4),截至2012年6月,天然气汽车的所有权在中国超过110万;98.9%的人是CNGV。

目前的高油价加强CNG汽车的经济优势。因此,这些车辆都销售地区丰富的天然气资源。然而,由于技术上的限制(例如,燃料的可用性和困难在加油站建设),CNG汽车主要适用于城市公交车和短途运输。截至2010年,中国有600000 CNG汽车每年消耗60亿立方米的天然气作为替代276万吨汽油,260000吨柴油。

液化天然气汽车燃料。液化天然气汽车在中国没有被广泛使用,主要是由于液化天然气来源的缺乏,高成本的液化天然气,液化天然气燃料站和缺乏。在2010年的一项调查显示,中国7个城市,2800液化天然气车辆操作,其中56%是城市公交车;很大比例的其余部分被重型卡车占。例如,400液化天然气重型卡车使用广绘工业投资集团(中国新疆)液化天然气交付,以及燃煤电厂之间点对点传输。2010年,一些城市(如鄂尔多斯、珠海)进行了试点项目促进重型柴油卡车的液化天然气替代品的出现。

迄今为止,液化天然气车辆主要是操作在示范阶段。尽管2011年在江苏和大连液化天然气接收站开始操作,他们主要针对特定的工业用户。

最近2年,液化天然气汽车市场迅速发展,液化天然气车辆的所有权在中国超过700亿;液化天然气充气站的数量达到了500 2012年10月底(CLNGVN, 2012)5]。

因此,液化天然气方面发挥了越来越重要的作用作为替代柴油作为汽车燃料。

1.1.3。汽车替代燃料对汽油需求的影响在中国

2010年,上述替代燃料作为替代大约3.3%(即。710万吨)的年度常规汽车燃料的消耗。具体地说,汽油的替代品(天然气、甲醇、乙醇和电力)年度车辆汽油消费量减少了大约6.6%(即。60000吨)。柴油的替代品(液化天然气、煤成燃料和生物柴油)被用来取代大约1.8%的年度车辆柴油消费。的各种替代汽车燃料,天然气似乎是最成功的,占83%的汽油替代和71%的柴油。

1.2。对汽车燃料的生命周期的研究

生命周期分析(lca)的能源消耗和温室气体(GHG)排放评估汽车燃料通路的一个重要组成部分。许多研究产生了成效,属于特定的地理位置(Zhang et al ., 2008)2]。

在过去二十年里,有密集的替代燃料及相关汽车技术的研究。模型用于分析各种替代燃料的燃料的使用和碳排放的路线,如生命周期(LEM)和温室气体排放模型,交通管制排放和能源消耗能量(迎接)模型(6- - - - - -9]。许多组织和研究小组使用两个模型的lca的替代燃料汽车在不同的地区,如欧洲和北美(10,11]。他们的发现是高度地区特定的,因此不能直接应用到其他地方。通过使用不同的模型,研究人员调查了LCA的结果不同的能量通道,包括全球天然气通路(12- - - - - -21]。

早些时候在中国,LCA研究集中在条路分析轿车,新能源汽车,车辆操作(例如,发动机台架试验)。最近的研究越来越关注两年期和multiple-route比较。然而,这些最近的研究缺乏统计信息或基本的数据反映实际车辆操作;从实验中得出了许多的结论或预测。因此,很难直接比较不同研究的结果。

最近,清华大学与福特、通用汽车、中国汽车技术研究中心(CATARC)来执行比较具有多燃料和车辆车辆使用问候模型的途径。因为原始迎接模型和缺省参数设计基于能源生产链条在美国,中国研究团队最大限度地整合本地化数据分析。因此,通常的结果反映了中国的实际操作条件(2,3,22]。

2。清华生命周期分析模型和关键排放强度

本研究调查了各种汽车燃料的能源使用量和温室气体排放量通路使用余尔(WTW)方法和相关的LCA的工具。本研究只关注LCA,包括没有后续评估。

工作组制定了LCA模型称为清华生命周期分析模型(TLCAM),这是专门设计来分析中国汽车燃料。模型类似于迎接模型(王1999)——交通能源模型具体实现略逊一筹使用Microsoft Excel(美国微软,微软,佤邦)。TLCAM被应用到WTW分析车辆燃料在中国的本地化条件下(23- - - - - -28]。

基本平台在这个模型是改编自迎接模型,虽然它具有中国特色。平台允许用户确定生命周期化石燃料强度和温室气体排放强度主要最终用途的能量通过迭代计算。

在目前的研究中,三个主要的化石燃料被认为是:煤、石油和天然气(NG)。九形式的最终用途的能量进行了分析,包括煤炭、石油、NG-based燃料和电力。生命周期分为四个阶段进行分析:原材料生产、原材料运输、燃料生产和运输燃料。

在我们的分析中,系统边界扩展到覆盖(即直接使用燃料。,用于处理和运输),LCA的能源消耗和温室气体排放。然而,间接能源消耗(如工厂基础设施建设和车辆制造)被忽视了。

显然这个模型包含循环引用。例如,石油开采和运输需要柴油,这本身就是从石油生产。我们解决了这个问题(即使用循环引用函数。迭代计算)提供的Microsoft Excel。最后,平台输出数据详细lca的各种最终用途的能源和碳排放强度的能量。

在当前的研究中,这个模型是用于生成生命周期主要化石燃料强度和最终用途的能量除了他们的碳排放强度。由此产生的数据被用作基础(见部分3为后续分析)。

3所示。基本数据

3.1。能源数据

3.1.1。石油和成品油

表1总结相关数据石油开采、运输和炼制。表2提出了成品油的运输和分布的细节。应该注意的是,石油炼制过程需要使用干气,这不是,然而,一个九最终使用的能量被认为是在这个研究。因此这种情况需要特殊考虑:在目前的研究中,干气被认为是原材料,没有额外的消费主要化石燃料,它有一个65 g / MJ的温室气体排放量。

3.1.2。天然气

表3和4总结相关数据提取、加工、运输和分配的天然气。

3.2。碳Emission-Related估计

为我们的模型中,不同类型的碳含量和氧化率的能量收集从一个权威的工作包含基础数据在中国的温室气体排放。甲烷(CH₄)石油和天然气燃料的燃烧排放因素从IPCC报告得到了不同设施条件下29日)发表的一份报告3 e-thu (2003) (30.]。这份报告是由中国科技部和与专家合作完成石油石化行业。与各种相关的报告估计甲烷排放过程的提取、加工、运输、消费在中国的石油和天然气。此外,煤炭燃烧不同设施条件下的甲烷排放因素也收集。一氧化二氮(N₂O)排放因素在不同条件下模型中使用的默认值由联合国政府间气候变化专门委员会发布(2006)(29日]。

应该注意的是,天然气提取操作涉及一小部分(约0.34%)的甲烷到大气中。

4所示。WTW NG燃料分类阶段

提取和纯化后,NG是送到工厂,加工成液体燃料或CNG汽车使用。图1总结了NG燃料的生命周期阶段。

本节主要关注的是能源使用和温室气体排放的燃料。具体地说,我们的分析集中在两个阶段:泵(WTP)和泵轮(PTW)。WTP指的是上游汽车燃料生产过程,包括资源开采、运输、资源和生产、运输、分配、存储、和向储备库注油的燃料产品。PTW指的下游过程,包括主要由车辆使用(燃烧)的燃料和废气排放。

在我们的分析中,系统边界直接使用(即覆盖。,process and traffic purposes) of fuels, as well as the LCA energy consumption and GHG emissions. Indirect energy consumption (e.g., plant infrastructure construction and vehicle production) was ignored. However, our analyses considered methane loss (i.e., leakage to the atmosphere) during the production of coal, raw natural gas, and crude oil.

5。在不同阶段能源消耗和碳排放

5.1。NG提取和处理

在先前的研究中,CATARC (2007) (3NG)分析四个主要领域的中石油(领域占70%的天然气在中国生产力)和预言NG开采的能源效率将是大约2015年的96.4%。鉴于这种能量效率的变化有限,我们在分析将其设置为96%。此外,沈et al。(2012)22)报道,能源消耗为NG提取和处理(即。在中国,净化)大约是10%。因此,能源效率的处理(即自然。、净化)估计为94%;也就是说,(100% - -10%)/ 96% = 94%。与此同时,NG提取和加工主要NG和电力消费;后者通常是由燃气发电站提供相同的NG字段和加工厂。

NG包含主要是甲烷,一个主要的温室气体。因此,甲烷泄漏在NG提取和处理过程中温室气体排放的主要因素。这个泄漏的水平影响能源效率和减排NG燃料作为汽车替代燃料的性能。

5.2。天然气生产

CNG加油站主要使用电、水和其他资源。此外,它们涉及NG在清空容器或管道。根据CATARC (2007) (3],NG压缩的能源效率是96.9%,这个过程涉及的损失NG (0.038 MJ / m³NG)和其他能源(0.56 MJ / m³NG)。

5.3。液化天然气生产

LNG-related流程主要包括液化工厂和液化天然气接收电台。这些过程所涉及的能源消费包括电、水和其他资源。对进口液化天然气,相关的能源消耗和效率得到从迎接模型。综合能耗是确定为90.2%,其中包括主要NG(98%)和电力的一小部分(2%)。液化天然气在中国生产,有两个技术可能性:(1)附近的液化天然气领域之后,短途运输和配送车辆使用;(2)长距离管道运输的NG其次是液化和短途运输和配送车辆使用。在与中国海洋石油总公司协商后,我们设置了综合能源效率为液化天然气生产在中国为95%。主要液化天然气生产消耗电能。

5.4。气液(GTL)燃料生产

目前,没有GTL燃料生产在中国,这一过程的能源消耗和数据相关迎接模型得到。这个过程的综合能耗是定为54.2%。这个过程消耗主要NG(99.7%)和一个小比例(0.3%)的正丁烷。

5.5。NG运输燃料和产品运输和分布

净化后,NG一般由长途运输管道达到工业用户或城市中心。分娩后城市中心,NG进一步运输和分发到最终用户。近年来,NG的平均距离管道运输在中国已迅速增加到217公里,1998年2005年2004年496公里800公里。此外,构造了长距离管道,如西天然气传输工程(3900公里)、中哈管道(3000公里)。根据这一趋势,NG管道运输的平均距离是1500公里。

因为WTW NG-based汽车燃料的分析是敏感模式和NG运输的距离,不同的传输距离为天然气,液化天然气,GTL。传输距离对天然气生产通常是NG国内运输的平均距离。自CNG汽车主要是目前用于NG资源丰富的地区,典型的管道运输的距离大约是300公里(例如,Kaixian气田和重庆之间的距离),和随后的交付是通过汽车运输。

类似于早期的分析(部分5。3),三个路线NG供应的应用被认为是:海外进口;当地液化紧随其后的车辆运输;管道运输液化和后续运输和配送车辆使用。第一条路线,平均传输距离是6700公里(沈et al ., 2012)22]。第二条路线,车辆平均传输距离是假定为100公里。第三条路线,运输和分布的距离也设定在100公里。

GTL燃料,一个适当的供应和生产应用程序由附近油气田其次是运输和分发给最终用户。在这项研究中,典型的气田和生产工厂之间的距离被假定为100公里,和随后的运输和分配被认为是类似于柴油。

此外,以下假设是为估算NG运输的能耗:管道运输是由燃气轮机使用主要NG(90%)和外部电网的电力(10%)。数据相关海外装运液化天然气的能源消费从迎接获得模型。

5.6。在不同阶段碳排放NG-Based燃料的生产和使用

在本节中,碳排放模式与NG-based燃料的生产和使用的各个阶段(即。NG,天然气,液化天然气,GTL)进行了分析。

5.6.1。天然气

根据我们的计算,上游过程生命周期温室气体排放的14.1%占NG生产和使用:这包括12.6%排放在NG提取和处理和后续运输的1.5%。结合温室气体排放在上游过程和最终的应用程序,NG能源链产生碳排放总量的67.1 g/乔丹。

5.6.2。天然气

CNG,上游过程占21.2%的生命周期温室气体排放。其中,NG提取、NG运输、NG压缩,和天然气运输达11.6%,0.3%,9.3%,和0.0%,分别占总数的温室气体排放。结合温室气体排放从上游过程和最终的应用程序,这种能量链完全排放73.2 g/乔丹。

5.6.3。液化天然气燃料

如前所述,三个补给线被认为(部分5。5)。我们的计算表明,第一路线(海外进口之后,供应当地城市车辆使用),上游过程生命周期温室气体排放的24.0%金额:这包括11.2%天然提取,从NG压缩9.4%,2.6%来自液化天然气运输,0.8%来自液化天然气分布。这条路线下,液化天然气能源链完全排放75.7 g/乔丹。

第二路线附近(液化天然气田其次是卡车运输车辆使用),上游过程生命周期温室气体排放占25.7%:这包括从NG提取10.9%,14.0%来自液化,0.8%来自液化天然气运输和分布。结合上游过程和最终的应用程序,这条路线能源链完全排放77.5 g/乔丹。

第三条(NG管道运输液化和进一步的运输和配送车辆使用),上游过程生命周期温室气体排放占26.7%:这包括10.8% NG提取和处理,1.3%来自NG运输和分销,13.8%来自液化,0.8%来自液化天然气的运输和分配。结合上游过程和最终的应用程序,这条路线能源链完全排放78.5 g/乔丹。

5.6.4。GTL燃料

GTL的应用程序作为一个替代汽车燃料,上游过程生命周期温室气体排放的48.0%金额:这包括从NG提取7.7%,0.1%来自NG运输,从GTL生产40.1%,0.2%来自GTL运输和分布。结合上游过程和最终使用,GTL能源链完全排放146.8 g/乔丹。

6。生命周期温室气体排放:分析和总结

使用一个中型客车8公升的汽油消耗的能源效率每100公里为基准模型,我们可以计算出WTW化石能源输入和温室气体排放等途径的基于燃气燃料。为不同的车辆和燃料技术途径,提出了比使用汽油燃料经济形势火花点火(SI)车辆作为基线:柴油是110%,天然气是95.0%,液化天然气是99.1%,和GTL是110%。应该注意的是,在假设条件下车辆测量与暖气和空调的使用。真正的操作条件是约15%的燃料消耗高于内部实验室测试内燃机(ICE)车辆。

数据2和3总结各种NG-based燃料汽车的温室气体排放行为。CNG, LNG-powered车辆有类似WTW化石能源使用传统的汽油和柴油燃料的车辆,但差异出现NG运输的距离。此外,由于NG碳含量低于石油,天然气,LNG-powered车辆排放10 - 20%和5 - 10%温室气体低于汽油和柴油燃料的车辆,分别。我们在建模的假设错误天然气和液化天然气燃料将主要出现运输的实际距离。

然而,GTL-powered车辆涉及多大约50% WTW化石能源消耗比传统的汽油和柴油燃料的车辆,主要是因为GTL低效率的生产。不过,自从NG碳含量低于石油、GTL-powered车辆排放约30%的温室气体比传统燃料汽车。我们考虑不确定性未来GTL生产技术效率代表错误在我们分析的一个重要领域。

由于液化天然气主要是针对商用车辆,我们努力把这对重型卡车和公共汽车替代燃料的应用。然而,由于缺乏一致的数据,很难作出准确的比较。一项研究显示,唐et al . (2011), NG的柴油替代率是90:100(净能量而言)。然而,根据另一个源(http://wenku.baidu.com/view/75a1357e168884868762d6ba.html # # #),diesel-to-NG替代率应该是78:100(净能量)。因为这种不一致,我们执行计算使用这两个值上限和下限。我们发现,根据替代率,LNG-powered车辆排放减少5%或12%的温室气体比传统燃料汽车。

7所示。灵敏度液化天然气的碳足迹

本节分析的敏感性液化天然气作为替代汽车燃料的碳足迹。

7.1。液化天然气供应路线的影响

如前所述(部分5。5),三个液化天然气供应路线被认为在这项研究中:(1)海外进口(平均运输距离6700公里(沈et al ., 2012)其次是供应给当地城市(平均传输距离100公里);(2)附近的液化天然气领域之后,卡车运输(平均距离100公里)最终车辆使用;(3)NG管道运输液化、运输和分销(距离100公里)车辆使用。我们的分析表明,第一路线涉及最低碳排放强度(75.7 g/ MJ)和第二个最高的碳排放强度(78.5克/乔丹)。第三条中间的碳排放强度77.5克/乔丹。

7.2。能源效率和能源NG液化的影响

液化天然气能源链的碳排放强度差异很大的能量用于NG液化的类型。我们的计算表明,在第一个补给线,假设液化工厂使用电力的综合能源效率95.2%,上游过程贡献生命周期温室气体排放的27.5%。结合这些上游过程和随后的液化天然气应用,液化天然气能源链完全排放79.3 g/乔丹。这个值相当于4.8%的碳排放强度高于另一个假定情况(液化主要使用NG)。

第二路线下,假设植物主要使用NG综合能源效率为90.2%,上游过程贡献生命周期温室气体排放的21.6%。结合这些上游过程和最终的应用程序中,液化天然气能源链将排放73.5 g/乔丹。这个值意味着碳排放强度降低5.2%,而不是另一种情况(液化用电)。

此外,随着第三路线,主要假设液化装置使用NG的综合能源效率90.2%,上游过程贡献生命周期温室气体排放的22.7%。考虑到上游的过程和最终的应用程序,这种能量链完全排放74.4 g/乔丹。这种排放水平导致碳排放强度降低5.2%,而不是另一个假定的操作情况(液化使用电力)。

7.3。NG运输的影响

根据三种供应模式,减少对NG和液化天然气的运输距离50%降低碳强度如下:从75.7 g/乔丹74.5 g/乔丹(第一个模式,减少1.7%);从77.5克/乔丹77.2 g/乔丹(第二模式,减少0.4%);从78.5克/乔丹77.7 g/乔丹(第三模式,下降1.1%)。

7.4。灵敏度分析的总结

我们的计算表明,液化天然气能源链的碳排放强度对NG液化效率的高度敏感和这一过程所使用的能量形式。此外,这个碳排放强度是中度敏感,不同的原料供应和燃料生产途径但相对不敏感的距离NG运输和液化天然气的运输和分配。

8。结束语

(1)天然气、LNG-powered车辆也有类似的WTW化石能源使用传统的汽油和柴油燃料的车辆,但差异出现NG运输的距离。此外,由于NG碳含量低于石油,天然气,LNG-powered车辆排放10 - 20%和5 - 10%温室气体低于汽油和柴油燃料的车辆,分别。

(2)然而,GTL-powered车辆涉及多大约50% WTW化石能源使用比传统的汽油和柴油燃料的车辆,主要是因为GTL低效率的生产。不过,自从NG碳含量低于石油、GTL-powered车辆排放约30%的温室气体比传统燃料汽车。

(3)液化天然气能源链的碳排放强度对NG液化效率的高度敏感和这一过程所使用的能量形式。

确认

这个项目是cosupported由中国国家自然科学基金(批准号71041028,71041028,71073095),中国国家社会科学基金(09 & ZD029), MOE项目重点研究大学人文社会科学学院在中国(2009 jjd790029),和CAERC计划(清华/通用/ SAIC-China)。

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