不同能源電網架構下電動汽車減排影響因素及敏感性分析

王子馳，賈 娜，李霽恒，雷炳銀，付凌波，蘇雨晴，張 靖

(1.國家電網平高集團有限公司，河南 平頂山 467001;2.華北電力大學 環境科學與工程學院，北京 102206;3.廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004;4.清華大學能源互聯網創新研究院，北京 100085)

近年來，隨著汽車保有量大幅增長，汽車尾氣已經成為城市大氣污染的主要來源，推廣電動汽車將成為解決這一難題的有效措施。2012年，發布了《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)》，《規劃》指出，2015年，純電動汽車和混合動力汽車累計產銷量爭取超過50萬輛，當年生產的乘用車平均燃料消耗量降至6.9 L/100 km，節能型乘用車燃料消耗量降至5.9 L/100 km以下；預計2020年，無論是純電動汽車還是混合動力汽車，其生產和銷售等累計總量均出現大幅增長，燃料電池汽車和車用氫能源產業也會與國際同步發展。預計當年生產的乘用車的平均燃料消耗量將降至5.0 L/100 km，節能型乘用車燃料消耗量將降至4.5 L/100 km以下；商用車新車燃料消耗量將降至國際先進水平。

目前國內外對電動汽車減排的研究多集中在電動汽車的單因素影響分析上。國內方面，方肖通過假設全部可再生能源參與發電的情況下，利用“碳夾點”分析兩種典型的電動汽車和燃油汽車的碳排放和能耗[1]；劉大鵬，陳軼嵩等，選取某款典型的同級別純電動汽車與混合動力汽車兩種不同汽車作為實證研究對象, 獲取二者的主要參數，最終分析得出二者全生命周期各種不同類型的能耗和排放差異結果[2]；齊興達等通過從減排成本等角度,利用有效性分析純電動汽車碳排放和減排成本，并針對相關的特性及其相互關系進行了敏感性分析[3]。國外方面，Kenneth P. Laberteaux、Karim Hamza等通過電動汽車替換，分析了溫室氣體減排判定條件下，利用單因素分析判定輕型車隊中電動汽車的類型和占比方案的優劣[4]；Fang Yi、Li等在不同溫室氣體排放量的判定下，利用單因素分析判定各個地區中電動汽車的減排替代情況[5]；Jihu Zheng、Xin Sun等通過不同的市場分析，對不同電動汽車的銷售和二氧化碳排放潛力進行了結合分析[12]。

因此，在中國以煤電為主的電網能源結構背景下，分析電動汽車減排影響因素對減排效果的影響具有極為重要的意義。

以電動汽車生命周期內各階段的能源利用及溫室氣體產生機理為基礎進行系統研究，建立電動汽車全生命周期溫室氣體排放評估方法，評估車輛鏈、燃料鏈和使用過程等方面溫室氣體排放量。對電動汽車全生命周期產生的節能減排效益進行測算，并進一步開展了電動汽車減排效果的主要影響因素及其敏感性分析，得到影響電動汽車減排的重要限制因素，為中國電動汽車產業的發展和決策提供了理論依據和技術支持。

1 全生命周期溫室氣體排放量評估

1.1 生命周期溫室氣體排放測算方法

基于對電動汽車全生命周期溫室氣體排放的深入研究，對電動汽車生產階段，運行階段以及回收階段進行量化分析，匯總得到全生命周期溫室氣體排放計算公式[7]。

1.1.1 生產階段

生產過程溫室氣體產生公式

(1)

式中M——車體質量/kg;

i——車體使用材料種類(i=1,2,3,…,n,分別為鋼、鑄鐵、鑄鋁、煅鋁、塑料、玻璃等);

wi——第i種材料占車體質量百分比/[%];

αi——第i種材料生產階段溫室氣體產生系數/g·kg-1;

B——電池質量/kg;

j——電池材料種類(j=1,2,3,…,n,分別為鉛、鎳、硫酸等);

uj——第j中材料占電池質量百分比/[%];

βj——第j種材料生產階段溫室氣體產生系數/g·kg-1。

裝配過程溫室氣體產生公式為

Q2=(M+B)(ε1+ε2+ε3)

(2)

式中ε1，ε2，ε3——涂料溫室氣體產生系數/g·kg-1、安裝溫室氣體產生系數/g·kg-1,以及空氣系統和供暖照明溫室氣體產生系數/g·kg-1。

配送過程溫室氣體產生公式為

Q3=[(M+B)/T]XLδ

(3)

式中X——裝配線到經銷店的運輸距離/km;

T——運輸負荷量/kg;

L——運輸裝置燃料消耗/L·km-1;

δ——單位燃料消耗溫室氣體產生系數/g·L-1。

1.1.2 運行階段

電動汽車的運行階段分為電能使用和日常維護。電動汽車運行階段溫室氣體產生公式

(4)

式中λ——電動汽車單位公里耗電量/kWh·km-1;

S——電動汽車總行駛里程/km;

θ——單位電能溫室氣體產生系數/g·kWh-1;

p——消耗流體種類(p=1,2,3,…,n)分別為機油、冷卻液、潤滑油等);

Ep——第p種流體消耗率/kg·km-1;

ηp——生產第p種流體溫室氣體產生系數/g·kg-1。

1.1.3 報廢階段

電動汽車報廢階段分為處理和回收兩部分。報廢階段溫室氣體產生公式為

(5)

1.1.4 全生命周期

綜合以上對電動汽車各階段溫室氣體排放的分析，可以得到電動汽車全生命周期溫室氣體排放評估公式[8]

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(6)

(M+B)(ε1+ε2+ε3)+[(M+B)/T]XLδ+

λS[φ(θY+θS+θX+θP)+(1-φ)(θX+θP)]+

(7)

電動汽車全生命周期溫室氣體排放評估公式可以量化計算不同階段電動汽車的溫室氣體排放，并且有助于對電動汽車全生命周期中不同影響因素進一步研究，評估電動汽車對自然環境的影響[9]。

1.2 電動汽車低碳潛力評估

對某國產M型純電動汽車、X型傳統燃油汽車進行全生命周期溫室氣體排放測算。已知M型電動車整備質量為1 530 kg，車載電池質量為305 kg，且車體與電池的主要材料質量分布及溫室氣體產生系數如表1所示;已知X型燃油車整備質量為1 530 kg，發動機質量為120 kg，且車體與發電機的主要材料質量分布及溫室氣體產生系數如表2所示。

表1 M型電動汽車車體與車載電池組分材料相關系數表

表2 X型燃油汽車車體與發動機組分材料相關系數表

M型電動汽車以及X型燃油車全生命周期溫室氣體排放測算如表3所示。

表3 全生命周期溫室氣體排放測算

結果分析如下：將上述汽車的碳排放量從大到小依次排列，得到電動汽車(全煤電)的碳排放量大于燃油汽車大于電動汽車(全清潔能源)。采用清潔電能作為動力源的電動汽車具有較好的低碳效益影響電動汽車全生命周期溫室氣體排放的因素眾多，但其影響程度均不相同，因此，對影響因子進行敏感性參數分析，可以定量計算不同因子對電動汽車全生命周期溫室氣體排放的影響。分析結果將有助于減少溫室氣體的排放以及對資源更合理的配置[10]。

2 溫室氣體排放影響因素敏感性分析

2.1 電動汽車影響因素分析

2.1.1 電源結構和相對經濟性

電源結構與燃油經濟性對電動汽車的溫室氣體減排效應存在顯著的影響，但增加了材料周期分析后，需要對全生命周期電動汽車使用的盈虧平衡進行綜合評價。燃油汽車的相對經濟性是在保證動力性能的同時，汽車盡最大限度降低燃料消耗而經濟行駛的能力。在行駛過程中，電動汽車溫室氣體排放主要是來自于對電能的消耗，因此，定義電動汽車的相對經濟性為，保證動力性能的同時，汽車最大限度降低電能消耗而經濟行駛的能力。

這里電動汽車選取了兩種典型的電動汽車，一種是純電動汽車(BEV)，另一種是混合動力汽車(HEV)。燃油汽車選擇了傳統全燃油能源汽車。本文所選擇的電源結構中除了燃煤發電，其他的均為清潔能源發電，不計入溫室氣體排放。在煤電比例0～100%變化中電動汽車相對燃油汽車的溫室氣體排放展示出不同的結果，0煤電時減排率為70%，100%煤電時增排25%。燃油汽車受電源結構影響較小，因而電源結構是電動汽車溫室氣體減排的關鍵影響因素。

如圖1所示為三種車型全生命周期在不同燃煤發電比例情境下的碳排放情況，可以看出，電動汽車并非在任何煤電比例下減排量都優于煤電汽車。比起混合動力汽車，純電動汽車隨著煤電比例的增加，變化更為劇烈，當用戶使用的電動汽車能源效率較低，或常在道路狀況較好的道路通行，會造成溫室氣體排放量整體向上平移。

圖1 不同煤電比例下兩種汽車溫室氣體排放對比

根據相關統計，我國現階段華北地區(96%)、東北地區(89%)的煤電比例不能很好的體現出電動汽車的碳減排效益，而華中(61%)、華南(63%)地區則擁有充分的CO2減排潛力(數據來源于網絡)。不同地區應據此進行差異化的電動汽車技術路線的選擇。各地區短期電源結構不易發生顯著性改變，若希望達到電動汽車使用的盈虧平衡或獲得更大的減排效益，改善電動汽車的相對經濟性尤為重要。

因為煤電比例對汽車動力要求影響較大，所以特別分析一下電動汽車中的純電動汽車和混合動力汽車在煤電比例不同情況下的溫室氣體排放情況。如圖2所示，相比于純電動汽車，煤電比例較低的情況下，純電動汽車在溫室氣體排放方面更有優勢，但煤電比例超過一定限度后，混合動力汽車則更有優勢。煤電結構對不同的電力汽車也有較大的影響，在煤電占比過高的情況下，建議電動汽車從混合動力汽車過渡到純電動汽車。

圖2 不同煤電比例下兩種電動汽車溫室氣體排放對比

2.1.2 使用年限

由于電動汽車的動力電池的生產會帶來大量的溫室氣體排放，電動汽車的出行里程和使用年限也是影響電動汽車生命周期溫室氣體減排的主要因素。

調研私家車出行的日均里程為44.6 km，對應年均里程為1.6萬km。根據2013年發布的《機動車強制報廢標準規定》，小型私家車無使用年限限制，但是行駛60萬km后將引導報廢。電動汽車行使10萬km后需更換電池。

由于電池生命的限制，本文設定在運行10萬km(約7年)更換電池。但是因為更換電池，各類電動汽車的生命周期溫室氣體排放逐步上升。如圖3所示為兩種車型全生命周期下在不同使用年限情境下的碳排放情況，電動汽車在初期溫室氣體排放量低于燃油汽車，但當電池使用生命達到后由于更換電池，導致電動汽車全生命周期溫室氣體排放量逐漸增加，超過燃油汽車。

圖3 不同使用年數下兩種汽車溫室氣體排放對比

因此，提高電動汽車電池質量及使用壽命，或者進行充電電池以及充電樁的研發，對于電動汽車發展以及其全生命周期溫室氣體減排具有重要作用。

2.1.3 平均速度

考慮擁堵、正常、暢通或是快速路跨區通行等多種運行狀態，日常汽車出行的特征平均速度為30 km/h(正常狀態)。如圖4所示為不同出行速度條件下，M型電動汽車生命周期溫室氣體排放的變化趨勢。

圖4 不同時速下兩種汽車溫室氣體排放對比

在實際燃油經濟性測試中，X型燃油汽車對速度的敏感程度更高，尤其在低速階段。因此電動汽車在擁堵狀態下，可以獲得更高的減排收益。另一方面，平均速度也對運行階段結果產生一定的影響。平均速度降低帶來相對經濟性降低，進而單次充電的續駛里程減少，電池壽命也因此減少，電池更換趨于頻繁。燃油汽車在擁堵情況下會產生較正常情況更多的溫室氣體，而電動汽車受到速度影響比燃油汽車更小，因此運行階段電動汽車溫室氣體排放會抵消一部分擁堵造成的額外效益。但電動汽車擁堵狀態的減排趨勢并不會改變。

在“正常狀態”下，M型電動汽車相對X型燃油汽車削減7 %的溫室氣體排放，當在“擁堵狀態”時，削減率可達26%。相反，假設車輛一直在快速行使狀態下，X型燃油汽車生命周期溫室氣體排放更低。因為運行階段的溫室氣體排放優勢甚至可能實現對電動汽車的反轉。

2.1.4 行駛里程

行駛里程重要的影響因素之一，隨著行駛里程的增加，不同種類汽車呈現出不同的溫室氣體排放特性。

因為混合動力汽車的動力復雜性和隨著行駛排放性質變得比較復雜，所以行駛里程主要考慮純電動汽車，隨著里程的增加，純電動汽車的單位里程溫室氣體排放量也會隨之增長。尤其是電池的充放電等消耗因素，更是對純電動汽車的溫室氣體排放造成了很大的影響。純電動汽車在小里程的溫室氣體減排效果更為明顯，而長途里程將導致其溫室氣體排放增加，甚至未必會比溫室氣體排放穩定的燃油汽車更有優勢。

結合上個因素，中國主要城市機動車保有量的快速增長帶來更加擁堵的交通出行，電動汽車的低怠速功耗和制動力回收系統的存在，使其在頻繁啟停的擁堵情況下具有更多優勢。如果電動汽車頻繁使用在城間通勤的長距離高速度情況，則其生命周期的溫室氣體減排優勢下降。

2.1.5 電池特征

使用不同的動力電池，會對生命周期結果產生差異化影響。電池大小對溫室氣體排放的影響是顯著的，相對經濟性相應下降，當電動汽車的電池模塊材料質量升高時，用戶需要更長的時間實現生命周期溫室氣體減排。同時，滿載相對于空載質量增加21%，電耗增加了約14%。據此修正不同電池增重的相對經濟性影響。

電池生命周期排放強度和系統能量密度共同決定電池的生命周期溫室氣體排放量。當能量密度或循環數發生變化時，電池更換將帶來生命周期溫室氣體排放的顯著變化。增加電池循環數無疑是更好的方式，因為當循環數存在瓶頸時，增大容量意味著增加電池單體數，這對運行階段和生產階段都是不利的。

2.2 電動汽車溫室氣體排放參數敏感性分析

對電動汽車溫室氣體排放參數進行敏感性分析，可以得到電動汽車溫室氣體排放的主要影響參數，為電力汽車以及相關產業發展提供技術支撐。

因為混合動力汽車的電池重量和行使里程影響性均根據車型和動力不同有比較大的區別和限制，所以這里敏感性分析主要是針對純電動汽車進行分析，選取的基本案例也以純電動汽車發展的影響性。

選用單因素分析法對純電動汽車進行敏感性參數分析，根據同種參數不同取值的計算結果與基準案例取值計算結果進行比較分析，得到影響電動汽車溫室氣體排放的關鍵參數[11]。選取的基準案例如表4所示，參數敏感性分析如表5所示。

表4 基準案例

表5 敏感性參數分析

需要說明的是，圖表中每個參數的第三列標“*”的為基準案例的相關參數。其他的是在調整相關單因素后，調研和計算所得的參數值。不同因素下的溫室氣體排放量如圖5所示，以及排放量變化率如圖6所示。為了方便查看溫室氣體的正向和負向變化率大小，圖中使用溫室氣體排放量的絕對值進行繪圖。

圖5 不同因素變化下的溫室氣體排放量

圖6 不同因素變化下的溫室氣體排放量變化率

從變化上可以看出，平均速度是唯一一個隨著速度增大，溫室氣體排放產生負增長的指標，煤電結構。使用年限和行使里程均有較大程度的溫室氣體變化，尤其是行駛里程因素隨著里程的增加和減少溫室氣體排放最為明顯。減少使用年限和行駛里程的減排量均大于增加參數后的增排量。平均速度和電池重量相比之下對溫室氣體排放量變化的影響較小，煤電結構的比例增減對溫室氣體的排放增減影響趨于線性。

根據分析結果可見，電動汽車的使用年數，行駛里程以及電源煤電比例是其全生命周期溫室氣體排放的主要影響因素。提高電池質量，增加充電樁以及充電速率，增加新能源發電比例以及更多將電動汽車推廣與城市內交通將能有效減少溫室氣體的排放。

3 結論

分析建立不同階段電動汽車溫室氣體排放評估公式，并最終得到全生命周期溫室氣體排放評估公式。對電動汽車和燃油汽車進行了全生命周期溫室氣體排放對比，對比兩種汽車不同因素下的溫室氣體排放，并對電動汽車進行影響因素敏感性分析。得到了以下結論：

(1)以全火力發電為電力來源情況下的電動汽車全生命周期溫室氣體排量為77.3 t，燃油汽車全生命周期溫室氣體排量為61.57 t，電動汽車全生命周期溫室氣體排量高于燃油汽車。

(2)煤電比例低于73%且比例越低時，電動汽車具有更好的節能減排效益；使用年限低于6年的情況下，電動汽車具有較好的溫室氣體減排效果；當電動汽車在頻繁啟停的擁堵工況條件下具有良好的溫室氣體減排效果，而如果長期在城間通勤的長距離高速度情況下，電動汽車生命周期的溫室氣體減排可能很難實現；電動汽車電池的更換對溫室氣體排放有顯著影響，若無法提高電池質量或充電技術，對于電動汽車溫室氣體減排將有較大困難。

(3)以煤電比例，使用年限，行駛里程，平均速度和電池重量作為基本影響參數對電動汽車全生命周期溫室氣體排放進行敏感性分析，煤電比例，使用年限以及行駛里程是電動汽車溫室氣體排放的主要影響因素。