杭州市公交車油改電項目碳排放效益核算

應紫敏, 吳 旭,楊 武,*

1 浙江大學環境與資源學院,杭州 310058 2 浙江省經濟信息中心,杭州 310006 3 浙江大學經濟學院,杭州 310058

由溫室氣體(Greenhouse Gas, GHG)大量排放導致的氣候變化已成為全球關注的焦點。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次報告中明確指出：“1983—2012年是過去1400年來最熱的30年。20世紀末期全球平均地表變暖主要取決于累積的CO2排放[1]。” 2013年人源碳排放量達360億t,其中中國占29%,碳排放總量已超過美歐總和[2]。中國碳排放量的激增主要來源于工廠[3]和發電廠[4],而交通運輸行業[5]正成為不斷增大的排放源之一。例如電力生產過程中化石燃料燃燒產生的CO2約占到人類活動碳排量24%[6],鑒于我國以煤炭為主的能源結構以及利用效率等情況,我國電力實際碳排量約占全國總排量的40%[7]。

2015年,我國在《巴黎協定》中承諾到2030年實現單位GDP的CO2排放較2005年下降60%—65%,非化石能源消費占能源消費總量占比達到20%左右的目標[8]。在碳減排背景下,我國各級政府出臺多項鼓勵新能源的政策。科技部在2009年推出“十城千輛”目標,被選中城市將開展示范運行約1000輛新能源汽車[9]。2012年我國制定《節能與新能源汽車產業發展規劃》[10]提出：“我國將以純電動汽車為主要戰略方向,并計劃到2020年新能源汽車占到50%”。2015年1月,浙江省提出對杭州市和寧波市的低碳公交等進行主體性試點項目[11]。同年12月,在《關于印發浙江省創建國家清潔能源示范省行動計劃(2016—2017年)的通知》[12]中指出：“積極推廣電動汽車,2016年和2017年分別增加7500輛以上電動汽車。”杭州市公交集團從2008年就開始應用油電混合動力客車、純電動客車多元化等提升公交綠色環保性能。截至2017年4月,杭州市城區共有公交車4974輛,各類清潔能源、節能與新能源車輛比例達到95.94%。其中混合動力公交車共計856輛,占全部公交車的17.21%,純電動公交車共計2312輛,占全部公交車的46.48%,其中比亞迪有1820輛,上汽萬向有400多輛,長江有14輛,比亞迪占純電動客車總數的78.72%。

20世紀90年代以來,國內外陸續開展關于新能源汽車(純電動汽車、天然氣汽車和混合動力汽車等)替代傳統燃油汽車的碳排放效益分析研究。當前,車輛碳排放研究主要通過美國阿貢實驗室的GREET(Greenhouse Gases,Regulated Emissions,and Energy Use in Transportation)軟件和清華大學的Tsinghua-LCAM(Tsinghua University Life-cycle Analysis Model)模型來進行全生命周期評估(LCA,Life-cycle Assessment)[13]。在此基礎上,研究人員對車輛的不同區域[14-16]、不同類型[17-20]、不同燃料[21-24]、不同生命周期階段[23-25]的碳排放量、能耗和污染物排放量等進行了大量定性和定量研究,已有研究結果表明車輛車型[16- 19]、輕質材料使用情況[25-26]、車輛實際運行工況[27-28](包括駕駛方式、實際路況和氣候條件等)、公交車運行路線[29]、電力生產來源和電池充電行為與運行效率[30]等都會影響純電動車輛和傳統油耗車的碳排放效益比較。當前研究普遍認為車輛油改電后碳減排效益將增加。Arar[15]的研究表明結合美國電力能源結構計算得到美國乘用車和輕型卡車油改電后碳排放量顯著減少,且將在2020年碳減排36%。黎土煜等[13]通過GREET軟件,運用LCA理論構造車輛相應階段并結合車型和路況信息構建公交車模型,研究結果表明純電動公交車替代傳統燃油車將使得CO2排放量減少19.7%。王寧[18]和宋凌珺[19]利用GREET模型分別分析純電動公交車和電動卡車“油井到車輪”CO2排放量,并與傳統柴油公交車對比后得到碳減排率分別為20.2%和5.3%。歐訓民等[31]通過清華LCAM模型對在中國背景下使用的插電式混合動力電動汽車和純電動汽車溫室氣體排放量進行LCA模擬,得到純電動汽車在2015和2020年預計碳減排率分別為28.99%和40.83%。但也有部分研究認為當前中國不同區域電力背景下車輛油改電后碳減排效益差異較大,部分甚至為負效益。李書華等[28]指出電動汽車油改電碳排放效益情況和電力產生來源的不確定性等直接相關。康利平等[32]和宋永華等[33]的研究認為當前東北、華北區域電力背景和全國平均的電力背景下電動汽車油改電后碳排放增加,而南方和華中地區碳減排效益暫不清楚。從以上現有研究成果可知：雖然當前通過LCA理論并借助相應軟件對車輛油改電碳排放情況已有不少研究,但鑒于城市相關基礎設施、能源結構、車輛類型及分析模型的差異性等導致的車輛油改電后碳減排效益并不一致且具有顯著時空差異性,因此深入開展城市層面純電動公交車與柴油公交車LCA碳排放研究對明晰相關地區碳減排政策效益十分必要。本研究針對杭州地區推動公交車純電動車轉型計劃具有一定現實意義。本文以杭州市柴油公交車改電動公交車(簡稱公交車油改電)政策為例,評估政策在全生命周期下的碳減排效益。具體研究目標包括：(1)在生命周期框架下核算杭州市純電動和柴油公交車制造、運營維護與報廢過程、以及電力與柴油的生產、運輸和配送過程中產生的碳排量,通過比較兩者差異來評估公交車油改電政策的碳減排效益;(2)根據未來煤電技術和能源結構預測結果,模擬基準、低碳和強化低碳三種情景下全面推行公交車油改電政策的碳減排效益情況。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

生命周期評價法(Life Cycle Assessment, LCA)是對產品從初始到終結全過程的分析方法,被形象地稱為從“搖籃”到“墳墓”的評估。LCA流程包括原料獲取、生產、運輸、使用維修和報廢回收五部分[34]。生命周期評價框架一般包括4個階段：目標與邊界范圍的確定(確定功能單位)、過程清單分析(數據收集與建模)、影響評價(計算)和結果解釋[28,35]。采用基于詳細過程的生命周期評價方法,通過研究純電動和柴油公交車從原料生產到報廢回收各階段碳輸入和輸出情況,核算相關過程碳排量。

1.1.1 確認評估對象、目標與邊界

評估對象是指被研究的純電動和柴油公交車,涵蓋了從其原材料獲取到生命周期末尾的報廢回收全過程。目標與邊界范圍的確定主要包括系統邊界、功能單位和假設等[36]。所評估的兩類公交車具體參數如表1所示。兩類車主要差異體現在動力系統方面,如圖1所示,其他部分如資源獲取和相近材料碳排系數默認近似相等。

功能單位為公交車行駛1km。研究邊界從車輛材料生產到車輛報廢回收過程中涉及到的各碳排放階段,包括燃料上游階段(如燃料原料生產與運輸和燃料生產與輸送)、燃料下游階段(燃料消耗)、公交車原材料生產與加工(純電動公交車包括電池系統)、裝配與制造、運行、配套設施運營和報廢回收。

1.1.2 建立公交車生命周期模型

純電動和柴油公交車生命周期評估的示意圖如圖2所示。

圖1 純電動公交車和柴油公交車車輛解構圖Fig.1 Deconstruction diagram of pure electric bus and diesel bus

項目Project純電動公交車 Pure electric bus柴油公交車 Diesel bus整車質量Overall vehicle weight12000kg13300kg電機/發動機特征Motor/Engine features永磁同步電機YC6L280-42輪胎數Number of tires68充電/輸油效率Charging/Dispensing efficiency/%90100百公里耗電/油量Power/Oil consumption per 100 kilometers120kWh/100 km40L/100km

圖2 純電動公交車和柴油公交車生命周期各階段Fig.2 Life cycle assessment of pure electric bus and diesel bus at all stages

(1)燃料周期：燃料生命周期也稱井到輪(Wells-to-Wheels, WTW),對井到輪階段的研究通常細化為井到泵(Well-to-Pump, WTP)也稱燃料上游周期和泵到輪(Pump-to-Wheels, PTW)也稱燃料下游周期[40]。涉及的燃料包括柴油公交車和純電動公交車所使用的柴油和電力。柴油上游階段包括原油開采和運輸[13,28,41]、煉油生產和柴油輸送[29-30]。我國柴油煉油生產階段每噸消耗71.629kg燃料油[42],生產損耗為0.5%[28]。我國柴油生產工廠到柴油補充站總共涉及8個環節的損耗,損耗率為0.27%[28],電力生命周期碳排與杭州市電力能源結構緊密相關。電力上游階段包括原煤開采與生產[13,28,41,43-45]、電煤運輸[46-48]和其他原料生產與運輸[28,37,43],電網輸電線路平均損失率6.47%[49]。燃料下游即車輛燃料柴油和電力消耗[28,40],將此過程放置車輛周期運行階段進行核算,此處不重復核算。

(2)車輛周期：車輛生命周期包括原料生產與加工、裝配與制造、車輛運行、設施運營與維護、報廢與回收。柴油原料生產與加工階段包括鋼、鐵、軋鋁、鑄鋁、銅、玻璃、塑料、橡膠等[28,46-47,49],而純電動公交車還需考慮電池。目前市場上電動車電池的循環使用壽命已達到2000次或10年以上[10],設定其生命周期內將更換一次電池。裝配與制造在生產流程上兩類車沒有太多區別。整車制造涉及沖壓、焊接、涂裝和總裝四大工藝。四大工藝最終通過電力、空氣壓縮量、水量、蒸汽量、天然氣量和循環水量的消耗產生碳排放[13],假設兩種公交車裝配階段工藝一致。車輛運行階段考慮生命周期內柴油和電力消耗。設施運營與維護階段中柴油公交車涉及基礎設施建設和運營,碳排放分別為0.014g CO2eq/km和0.024g CO2eq/km[50],純電動公交車需新建充電樁和換電站等設施,其中充電樁建設和運營碳排放為4.74g CO2eq/km[51],兩階段碳排放比例分配參照柴油公交車,換電站建設碳排量參照單位面積建筑碳排放[52]。將就公交車維護中典型產品輪胎[53-54]進行核算。一般情況,綜合路況下輪胎行駛里程不超過6萬km。根據《機動車強制報廢標準規定》,公交車使用年限13年。柴油公交車和純電動公交車運行階段假設每天行駛200km,生命周期里程約95萬km。純電動公交車耗電量為120kWh/100km,充電效率為90%,柴油公交車耗油量為40L/100km,加油效率本文設定為100%[37-39,55],柴油燃燒碳排量為2.645kg/L[42,56]。報廢與回收階段主要有直接同用、翻新回用、材料重熔、用于其他、能量回收和填埋六種途徑,80%以上涉及材料回收利用[57-58],因此對車輛鑄鐵、長鋼、扁碳、鋼、軋鋁、擠壓、鋁鑄和鋁[28,47]六種主要回收材料進行核算。柴油和純電動公交車車輛材料[28,16]和電池材料[28]的質量分布、制造產率Y和材料碳排放系數如表2和表3所示,回收材料[47]的質量分布、汽車報廢回收比、回收相關碳排系數β(當β大于0則表示材料在車輛周期外的初級生產即可抵消車輛在生產制造和使用階段的碳排放)和材料碳排系數(其中Ip和Is分別代表車輛材料生產過程中和報廢后回收的單位碳排量)如表4所示。

表2柴油公交車和純電動公交車材料重量分布、制造產率和材料碳排放系數

Table2Weightdistribution,manufacturingyields,andcarbondioxideemissioncoefficientsformaterialproductionfordieselbusandpureelectricbus

材料Material柴油公交車 Diesel bus/kg純電動公交車 Pure electric bus/kg制造產率Y Manufacturing yieldCO2排放系數 CO2 emission factor/(g/kg)鋼Steel747688310.76821鑄鐵Cast iron13082660.81209鍛鋁Wrought aluminum2641330.619436鑄鋁Cast aluminum5527320.820588銅Copper2286250.53670玻璃Glass3484650.51954塑料Plastic133216090.56478橡膠Rubber2762390.53951

1.1.3 碳排放情景模擬

基于未來我國能源結構優化[43-45,59-60]和煤電技術發展[46-47,60-64],在2020、2035和2050年的基準、低碳、強化低碳情景下,對杭州市公交車油改電項目進行碳減排模擬。基準、低碳、強化低碳情景設定基于我國超高壓機組(UU)和亞臨界機組(SU)和國際先進的超臨界機組(SC)、超超臨界機組(USC)和煤氣化聯合循環的煤電技術組合(IGCC),IGCC電站可通過在煤炭燃燒前分離和捕集CO2顯著減少單位電力生產的碳排放量。此外當前碳捕集和封存技術(Carbon Capture and Storage, CCS)發展迅速,該技術可將捕集的CO2長期封存在地下,碳減排率可達90%[46],具體如表5所示。

表3純電動公交車電池材料重量分布、制造產率和材料生產碳排放系數

Table3Weightdistribution,manufacturingyields,andcarbondioxideemissioncoefficientsforbatterymaterialproductionforpureelectricbus

電池材料Battery material質量Weight/kg制造產率YManufacturing yieldCO2排放系數CO2 emission factor/(g/kg)磷酸鐵鋰Lithium iron phosphate78612843石墨Graphite34311117粘合劑Adhesives5913339銅Copper2560.53065鍛鋁Wrought aluminum4490.611200鋼Steel330.72279電子元件Electronic component28140472六氟磷酸鋰 LiPF642120616碳酸乙烯酯Ethylene carbonate12512019碳酸二甲酯Dimethyl carbonate12512019塑料:聚丙烯 Plastic: Polypropylene400.54887塑料;PE Plastic:PE280.55411冷卻液∶乙二醇Coolant∶Ethylene glycol2411775

表4柴油公交車和純電動公交車回收材料質量分布、汽車報廢回收比、回收相關碳排系數和材料碳排系數

Table4Massdistribution,carscraprecoveryratio,carbonrecoveryratio,andmaterialcarbonemissioncoefficientofrecycledmaterialsfordieselbusandpureelectricbus

材料Materials柴油公交車Diesel bus/kg純電動公交車Pure electric bus/kg汽車報廢回收比Vehicle scrap and recycling ratio/%回收相關系數βRelevant recycling factor/%生產過程回收碳排放LpCarbon emissions of recycling during production/(g CO2/kg)報廢過程回收碳排放LsCarbon emissions of recycling during Scrap/(g CO2/kg)鑄鐵Cast iron5320480091.60-8.501.870.399長鋼Long steel1995180092.005.401.870.399扁碳鋼Flat carbon steel5719516093.3078.301.870.399軋鋁Rolled aluminum13312085.1076.5010.510.69擠壓鋁Extruded aluminum13312081.3073.1010.510.69鑄鋁Cast aluminum66560081.30-3.4010.510.69

表5 2020、2035和2050年煤電技術情景設定[46]

當前杭州市有2312輛純電動公交車,混合電動公交車折合1/2純電動公交車核算。我們假設杭州市公交車總量恒定在5000輛, 且到2050年全城均為純電動公交車,則2020年車輛數約3000輛,2035年約4000輛。

1.2 數據來源

本研究涉及的數據包括燃料周期的燃料上游、燃料下游和車輛生命周期包括原料生產與加工、裝配與制造、車輛運行、設施運營與維護、報廢與回收各階段的物質和活動等碳排系數及消耗量。相關數據來源主要是文獻、比亞迪官網、杭州公交車集團、杭州市能源發展“十三五”規劃、國家技術監督局、國家統計局、國家能源局、國家發改委能源研究所、全國電力工業統計快報(2016)、中國能源統計年鑒(2015)、美國阿貢國家實驗室GREET模型等。公交車全生命期排放的CO2占溫室氣體排放量的99.8%,且鑒于本文研究尺度,只計算生命周期CO2排放量,不包括其他溫室氣體。

1.3 計算模型

本文基于生命周期框架,采用排放系數法計算碳排量,單位為克二氧化碳當量每千克物質(CO2eq/kg)。公交車生命周期各階段計算公式如下所示：

(1)燃料生產運輸生命周期碳排放計算公式[28]為：

If=Ce×E×S

(1)

式中,If表示燃料生產運輸過程中碳排放量;Ce表示燃料當量排碳放系數;E表示能源利用效率;S表示能源消費結構比例。

(2)公交車原料生產與加工碳排放計算公式[28,47]為：

(2)

式中,Ip表示公交車原料生產與加工碳排放量;Mi表示材料生產質量;Ci表示材料碳排系數;Yi表示材料生產產率。

(3)公交車運行階段碳排放計算公式[67]為：

(3)

式中,Iu表示公交車運行階段碳排放量;FE表示公交車百公里耗油/電量;EF表示單位電力或柴油碳排量;U為公交車行駛里程;TE表示充電效率/輸油效率。

(4)公交車運營設施建設和維護階段碳排放計算公式為：

Ic&m=(Ic+Im)×U

(4)

式中,Ic&m表示公交車運營設施建設和維護階段碳排放量;Ic表示公交車公交車運營設施建設階段碳排系數;Im表示公交車運營設施維護階段碳排系數;U為公交車行駛里程。

(5)公交車回收過程中碳排放計算公式[47]為：

(5)

式中,Ire表示公交車回收過程中碳排放量;Ipi代表車輛材料生產過程中回收的單位碳排量;Isi代表車輛材料報廢后的回收單位碳排量;Mi代表不同材料質量;β表示回收相關碳排系數,當β大于0則表示材料在車輛周期外的初級生產即可抵消車輛在生產制造和使用階段的碳排放。

1.4 不確定性分析

由于部分數據缺乏和涉及核算條目繁瑣等原因,生命周期評估中部分非核心過程如車輛運輸和車輛運營維護中除電池和輪胎外等階段碳排量核算暫時忽略,部分過程如柴油生產、車輛原料生產、動力電池生產和報廢車輛材料回收等只核算重點原料和零部件。部分參數缺乏時采用其他相關參數替代或設定一定假設前提如因柴油加工過程數據缺乏而使用石油制品加工業平均水平數據來替代和用全國電力輸送平均損耗率替代杭州市電力輸送損耗率等,此外如柴油輸送過程中的漏油和車輛加油過程中的揮發等損耗量等也暫時被忽略。因此本文生命周期碳排量核算結果存在不確定性,但這些不確定過程產生的碳排量相比生命周期內其他排量占比非常小,因此這種不確定性不足以影響研究的結論。

2 核算結果與討論

2.1 單輛公交車碳排放核算結果與討論

根據已有數據,對杭州市柴油公交車和純電動公交車全生命周期碳排放量進行了評估,具體評估結果如下。

2.1.1 燃料周期碳排情況

原油開采和運輸過程中CO2排放量分別為89.179t和25.252t。柴油加工過程CO2排放量為86.380t。柴油運輸階段CO2排放量為12.066t。因此,柴油的燃料生命周期CO2排放總量為212.877t(表6)。

電力生產中原煤生產和電煤運輸階段CO2排放量分別為39.429t和5.299t,其他原料生產和運輸階段CO2排放量為18.648t。2016年電廠煤電和水電碳排系數分別為769.704g CO2·kWh-1和173.3g CO2·kWh-1,天然氣碳排比煤炭低43%[51],天然氣電碳排系數為438.731g CO2·kWh-1。電力生產過程CO2排放量為704.442t,電力運輸過程CO2排放量為49.678t。因此,電力生命周期CO2排放總量為817.497t(表6)。

2.1.2 車輛周期碳排情況

柴油公交車和純電動公交車車輛原料生產和加工階段CO2排放量為120.054t和213.457t,其中純電動公交車每組電池生產需產生CO2排放量14.713t,生命周期內產生CO2排放總量為88.280t。兩種公交車裝配和制造階段工藝一致,其CO2排放量均為1.580t。柴油公交車和純電動公交車運行過程CO2排放量分別為1005.670t和0t。柴油公交車基礎設施建設和運營CO2排放量分別為0.532t和0.912t,運營CO2總排放量為1.444t。純電動公交車需新建充電樁和換電站等設施,其充電樁建設和運營階段CO2排放量分別為1.702t和2.917t,換電站建設CO2排放量為7.800t,運營CO2排放總量為12.618t。柴油公交車和純電動公交車維護過程中輪胎生命周期CO2排放量分別為69.160t和51.870t。柴油公交車和純電動公交車報廢與回收階段CO2排放量分別為-8.311t和-10.876t。

2.1.3 生命周期碳排情況匯總

杭州市純電動和柴油公交車生命周期CO2排放量分別為1103.237t和1401.319t,燃料生命周期和車輛生命周期碳排放核算結果匯總如表6所示,各階段占比如圖3所示。

表6 兩種公交車生命周期各階段碳排放量

圖3 杭州市柴油公交車和純電動公交車生命周期各階段碳排量比例Fig.3 Carbon emission of the diesel bus and pure electric bus at all life cycle stages at Hangzhou City

根據上文核算結果發現杭州市純電動公交車相比柴油公交車LCA碳減排率達21.27%,其產生的巨大碳排差距主要來自燃料周期,該階段碳減排率高達32.91%。Hawkins 等[66]在歐洲電力背景下對20萬里程的純電動汽車與柴油車碳排放進行LCA碳排放比較后得出車輛碳減排比例在17%—20%之間,并根據不同里程設定而略微浮動。黎土煜[13]、王寧[19]和宋凌珺[18]利用GREET模型分析后得到純電動汽車比柴油汽車的CO2排放量分別減少了19.7%(約160t)、20.2%和5.3%,核算結果與前兩者碳減排比例基本一致,但與最后一個結果有明顯差異,這主要是由于宋凌珺研究的車型是卡車,巨大的載重量造成的油改電碳排放效益明顯降低,因此總體來說本研究結果準確可靠。

純電動公交車原料生產和加工階段碳排量明顯高出柴油公交車,單輛車碳排放超額比例為77.80%,巨大碳排量差距的來源除了兩類車材料質量分布差異外主要來自純電動公交車動力電池生產與制造,超額比例為73.53%。這是因為電池制造涉及材料眾多,組裝工藝復雜,動力電池原料生產和制造組裝過程中產生碳排量同樣較高,且考慮當前動力電池效能技術限制,車輛生命周期內需更換一次動力電池。資源回收再重造相當于在有效減少下一輛公交車部分原料生產的碳排放,因此兩類公交車報廢與回收階段碳排放均為負值,純電動公交車由于動力電池使用材料種類較多、質量較大且資源回收率高,因此報廢與回收階段碳排量略低于柴油公交車,但當前動力電池精細回收再利用依然有不少技術瓶頸,該部分是增加純電動公交車碳減排效益的重要過程,因此未來純電動公交車動力電池生產和回收技術的發展將會極大提升碳減排效益。由于純電動公交車需新建充電樁和換電站等設施,因此純電動公交車充電樁建設和運營碳排量要比柴油公交車基礎設施建設和運營階段碳排量高38.38%。需要指出的是換電站建設雖然會產生巨大碳排放,但車均碳排量并不大。因此杭州市公交車油改電過程中新建充電站和換電站額外增加的碳排量相對有限,加快充電樁等配套設施建設有助于盡快實現碳減排。

2.2 杭州市純電動公交車碳減排核算結果與討論

目前杭州市在營電動公交車生命周期內碳減排量達到68.917萬t,公交車油改電進行約3.5年后才能真正實現相對碳減排,如圖4所示。

圖4 不同運營年限下的兩類公交車碳排放對比 Fig.4 Comparison of carbon emission between diesel bus and pure electric bus under different operating years

由上述核算結果可知當前杭州全城純電動公交車年均減排5.301萬t,相當于每年植樹近50萬棵或者停開近4萬輛經濟型轎車,產生的碳減排效益巨大。部分城市如南京市也對電動車替換燃油車碳減排量進行了評估,結果顯示南京市在2014—2015年共增設4300輛電動車,在一年內碳減排量達到24.6萬t[67]。此外有部分采訪指出杭州市年均減少燃油消耗4144.66萬升以上,年均減少碳排放10.9萬t以上[68]。以上城市層面碳減排結果和本文有較大差異,這些差異的產生原因各不相同。本文碳減排結果明顯少于南京市,這主要是不同城市之間由于電動車輛類型(電動公交車和電動汽車)、數量(3000輛與4300輛)和城市之間的車輛配套設施的配備情況(充電樁數量和位置設置)等產生的綜合結果。采訪中的杭州公交車碳減排量大于本研究結果可能是該采訪人并未用LCA方法全面分析,只核算了燃料替代產生的碳減排量,而忽略了車輛制造及電力生產等過程中的碳排放量,導致結果偏大。其次在杭州市公交車油改電進程中,碳減排效益在車輛生命周期的中前期便可達到目的,碳排放潛力客觀。此外杭州市全城純電動公交車還涉及到充電行駛最短總路程的最優解問題,充電樁的高效科學配置有助于減少消耗,增加碳減排效益。復雜城市工況下的純電動公交車運行會消耗更多電力,產生更多碳排放,城市交通環境的優化將使純電動車輛電力額外消耗和車輛磨損等減少,有助于加強純電動公交車碳減排效益。

2.3 杭州市碳排放情景模擬結果與討論

基于未來我國能源結構優化和煤電技術發展預測結果,2020、2035和2050年我國單位發電碳排量在基準情景下分別是601.191、537.066g/kWh和474.163g/kWh;在低碳情景下分別是414.351、273.606g/kWh和212.548g/kWh;在強化低碳情景下分別是302.435、208.660g/kWh和182.558 g/kWh,如圖5所示。

圖5 2020、2035和2050年不同情景下煤電碳排放系數Fig.5 Coal and electricity technology scenario settings in 2020, 2035 and 2050

基于不同煤電技術發展及發電能源結構優化,三種情景下純電動公交車在2020、2035和2050年的生命周期CO2排放量結果如圖6所示。在基準情景下,CO2排放量分別是1047.248t、966.024t和886.346t,碳減排率分別為25.27%、31.06%和36.75%;在低碳情景下,CO2排放量分別是810.585t、632.308t和554.967t,碳減排率分別為42.16%、54.88%和60.40%;在強化低碳情景下,CO2排放量分別是668.824t、550.043t和517.980t,碳減排率分別為52.27%、60.75%和63.11%。2050年強化低碳情景下,每輛純電動公交車生命周期CO2排放量約為當前純電動和柴油公交車生命周期CO2排放量的46.86%和36.89%。

圖6 2020、2035和2050年三種情景下每輛純電動公交車生命周期碳排放量及相對柴油公交車減排比例Fig.6 Life cycle carbon emission amounts of each pure electric bus and emission reduction ratio relative to diesel bus under different scenarios in 2020, 2035 and 2050

3種情景下,純電動公交車在2020、2035和2050年的LCA碳減排總量如圖7所示。在基準情景下,杭州市在2020、2035和2050年全城純電動公交車碳減排總量分別為106.191、174.078和257.436萬t;在低碳情景下分別為177.190、307.564和423.126萬t;在強化低碳情景下分別為219.719、340.470和442.119萬t。2020、2035和2050年杭州市公交車油改電年均碳減排量在基準情景下分別為8.169、13.630和16.901萬t;在低碳情景下分別為13.391、23.659和26.190萬t;在強化低碳情景下分別為19.803、32.548和34.009萬t。

圖7 2020、2035和2050年3種情景下杭州市所有純電動公交車生命周期內碳減排量和年均碳減排量Fig.7 Total carbon reduction amount and per year reduction amount within the entire life cycle of the pure electric bus relative to diesel bus under different scenarios in 2020, 2035 and 2050

根據以上碳排放模擬結果,研究發現純電動公交車生命周期碳減排效益與新煤電技術的運用和杭州市電力能源結構緊密相關,清潔煤電和良好電力能源結構將使2020、2035和2050年車輛碳排放量減少25.27%—63.11%,不同的電源情景碳減排模擬結果相比施曉清等[67]認為的57%—81.2%略低,兩者的差異主要由研究的車型不同(公交車和出租車)和電力結構(杭州市和北京市)造成的,質量相對較輕的出租車油改電碳減排效益更顯著,不同城市的電力結構也會對碳減排效益產生影響。Arar[14]和歐訓民[33]模擬的2020年碳減排率分別為36%和40.83%,均在本文2020年3種模擬情景下的碳減排率25.27%—52.27%之間,這表明本文模擬結果具有較強可信度。至于模擬結果差異,前者主要是中美兩國在電力能源結構和清潔能源政策等上的差異,而后者主要是采取的模型和數據更新等導致的差異。2017年末,杭州市電力本地生產約占20%(其中煤電、天然氣電、核電和其他能源分別占比21%、53%、22%和4%)[44],外地調入約占80%(其中煤電、水電、核電和其他能源分別占比71.60%、19.71%、3.56%和5.13%)[45]。雖然發電能源結構中煤電占比較低,產生碳排量有限,但調入電力的能源結構由調出地電力能源結構決定,電力主要調入地如安徽和寧夏的電力碳排因子相對較高,發電能源結構中煤電占比較高且煤電技術落后,優化以煤電為主的發電結構和采用IGCC等新煤電技術將對杭州市公交車油改電產生顯著碳減排效益。最后,當前關于電動公交車的節能減排研究仍存在一定的不足,其環境效益研究尚不夠系統化,定量的研究較少,尤其是節能減排政策對電動公交車推廣的環境效應的定量研究比較缺乏,對其背后的社會、經濟和環境驅動因素和驅動機理認識更是知之甚少。因此未來此方面研究應著重于：(1)開展基于中國國情的電動公交車生命周期社會經濟反饋研究。城市公交車油改電進程不僅僅只是科學層面的問題,還涉及到社會反響、多元化融資渠道等方面;(2)從系統化的角度、綜合交叉學科的方法、選取量化指標著重分析節能減排政策的作用效應和機理,以便為節能減排政策的頂層設計、實施方案、效果評估以及政策修訂和出臺新政策提供科學依據。

3 結論

(1)杭州市單輛純電動公交車相比柴油公交車在全生命周期尺度碳減排有明顯優勢,其產生的巨大碳排差距主要來自燃料周期(電力與柴油生產到消耗過程差異),而動力電池生產技術和精細回收再利用能力的提升也將是增加未來純電動公交車碳減排效益的關鍵之一。此外新建充電站和換電站額外增加的碳排量相對有限,加快杭州市充電樁等配套設施建設有助于盡快實現碳減排。

(2)在杭州市油改電進程中,碳減排效益需在純電動公交車運行一定年限后才能顯現,但基本在車輛生命周期的中前期便可達到目的,結合當前杭州市在營運的純電動公交車生命周期內碳減排總量及年均碳減排量,碳減排潛力較為可觀。充電樁的高效空間配置和城市交通環境的優化有助于減少消耗,增加碳減排效益。

(3)純電動公交車生命周期碳減排效益與新煤電技術運用和城市電力能源結構緊密相關,清潔煤電和良好電力能源結構將使2020—2050年車輛碳排放量顯著減少,優化以煤電為主的發電結構和采用IGCC等新煤電技術將對杭州市公交車油改電產生顯著碳減排效益。