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中国天然气机动车的甲烷排放

注:文末有本文科研思路分析


从2000年的六千辆到2017年的约六百万辆,天然气机动车在中国经历了快速的发展。天然气机动车在空气污染及温室气体排放方面的优势是其快速发展背后主要的因素。然而,天然气机动车的甲烷排放可能会显著提高其温室气体排放带来负面的气候影响。近日,普林斯顿大学Mark Zondlo教授团队通过移动平台实现高频观测,对中国天然气机动车的甲烷排放进行了测量,并评估了后续政策的影响。


天然气传统上被认为是一种较为清洁的化石能源,其有较低的碳和大气污染物排放。因此天然气机动车更容易满足中国日趋严格的机动车排放标准。同时天然气价格相较于汽油和柴油有明显的优势,促进了其在商用领域的快速发展。政府部门也重视到了天然气机动车在治理空气污染方面的潜力,特别是在较难电力化的重型运输行业。在2018年公布的保卫蓝天计划中,中国政府首次提到了促进天然气重卡发展。虽然天然气机动车在减少颗粒物、氮氧化物和二氧化碳排放上有很大的潜力,天然气机动车的甲烷(天然气的主要成分)排放可能会显著提高其温室气体排放带来负面的气候影响。甲烷是一种很强的温室气体,其百年尺度全球变暖潜能值大约为二氧化碳的28-34倍。中国虽然有着全世界最大的天然气机动车保有量,这些天然气机动车的甲烷排放却很少被定量分析。


普林斯顿团队的观测及政策分析弥补了这一空缺。该团队利用便携的开路观测仪器进行高频(10 Hz)道路实测。该团队的观测结果显示中国天然气出租车的甲烷排放显著高于(16倍)美国及欧盟之前的排放数据。出租车等轻型车辆的高甲烷排放主要是源于车辆改装时并未升级尾气处理系统。重型天然气机动车的甲烷排放是国五排放标准的1.9倍。超标的主要原因是使用经济效益较高的稀燃和催化氧化尾气处理技术路线。考虑这部分甲烷排放,天然气机动车目前没有带来温室气体减排。如果目前的排放水平保持不变,天然气机动车的甲烷排放将会增长到330万吨,占中国甲烷人为源排放的7%。因为重型天然气机动车的高气耗和高里程数,它们的排放占天然气机动车甲烷排放的80%以上。

图1. 左:移动观测示例;右:天然气机动车的甲烷排放评估。


近期内推行的重型机动车国六标准对于减少天然气机动车的甲烷排放将会有决定性的作用。严格执行国六标准可以在未来十年内提供等效于5.1亿吨二氧化碳的温室气体减排,相当于十年内1200万轿车的二氧化碳排放。然而在实际使用中达到国六标准十分具有挑战性,并且可能需要积极的监管措施。普林斯顿团队提出的观测方法可以有效、便捷、低成本的实现实际排放的检测,并且可以应用于其他国家及地区。


这一成果近期发表在《自然∙通讯》(Nature Communications)上,文章的第一作者是普林斯顿大学博士研究生潘达


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Methane emissions from natural gas vehicles in China

Da Pan, Lei Tao, Kang Sun, Levi M. Golston, David J. Miller, Tong Zhu, Yue Qin, Yan Zhang, Denise L. Mauzerall, Mark A. Zondlo

Nat. Commun., 2020, 11, 4588, DOI: 10.1038/s41467-020-18141-0


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:我们对这项研究产生兴趣是因为我们在中国进行观测时发现在某些车辆的尾气中有很强的甲烷信号。后来我们发现这些信号与天然气机动车有关。于是我们进行了更详细的观测来定量分析天然气机动车的甲烷排放。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:这项研究主要面临的挑战是如何在实际路况确定哪些尾气的信号是来自于天然气机动车。为此我们进行了多种尝试以及模型的模拟,最后决定用高频二氧化碳和甲烷信号的相关性结合车载记录的方法来确定天然气激动车的尾气。我们的方法可以迅速检测路上行驶的天然气机动车的甲烷排放来减小采样带来的误差。此外,我们还遇到了很多天然气机动车数据稀缺、发动机效率以及尾气处理效率相关的问题,我们通过积极的联系相关领域专家以及广泛的调研解决了相应的困难。


Q:该研究成果可能有哪些重要的应用?哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助?

A:我们的研究对中国机动车温室气体减排有重要的作用,特别是在重型运输行业。最近的研究显示仅靠电力化私人轿车可能不足以满足中国需要的碳减排。在重型运输行业,纯电动以及氢电池路线都还不太成熟。重型天然气机动车理论上能在短期内实现减少空气污染和碳排放的双赢情况。然而我们的研究表明如果不注意甲烷排放,天然气机动车将无法提供预期的碳减排。我们使用的观测方法同时可以给相关部门提供一种有效的监测手段,推动新国标的严格执行。


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