電動汽車使用環節碳足跡研究及影響因素分析

關鍵詞： 電動汽車 碳排放 碳足跡 車網互動 碳交易

汽車碳排放占我國交通領域碳排放80% 以上，占全社會碳排放7.5% 左右。根據中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，預計我國汽車產業碳排放將于2028 年左右達到峰值。到2035 年，碳排放總量較峰值將下降20% 以上。為實現這一目標，我國已從汽車行業積分政策、碳排放核算、碳足跡應用等方面開展了相關工作，但對于電動汽車使用環節碳排放的研究較少。

1 研究現狀

1.1 政策推動方面

在飛速發展的科學技術及生產力推動下，日益增長的汽車數量，導致了石油資源儲量的減少，加劇與空氣污染程度，這也是新能源汽車被提出的背景[1] 。在當前中國可以量產的新能源汽車，還是以油電混合及純電動為主，而其價值在科技進步與環境保護方面體現得比較明顯[2]。電動汽車的研發、快速占領汽車市場不僅是對聯合國環境規劃署頒布的環境保護政策的響應，同時也是我國產業升級步伐加快、推動產業與環境協調和可持續發展機制的體現。提升消費者對低碳偏好的水平，從制造者角度而言，可以提高總利潤的獲取，但是若從政府角度來分析，應該把低碳補貼控制在合理的范圍內，這樣方可有助于汽車市場的轉型[3]。

政府當前推行的各項電動汽車政策，包括限購燃油汽車、限行等措施，推進了電動汽車在市場上的普及。從消費者角度而言，充電功率提高、縮短充電時間是電動汽車未來技術突破方向[4]。在由政策驅動轉向市場驅動的過渡時期，電動汽車應該站在消費者需求角度，對私人需求進行引導，這樣更加有利于電動汽車產業推廣與能源安全的保障[5]。

1.2 碳排放核算方面

得益于電動汽車技術的創新，碳減排效果比較顯著，如果廣東省在2020—2025 年新增電動乘用車普及應用創新技術及結合創新運用模式后，可累計減少310 814 t 的CO2 排放量[6]。碳排放在區域之間的流動會被加劇，而這是電動汽車發展的結果，如果設置發展受阻、基準、快速發展這3 個情景，將會使全國的電動汽車造成的碳排放轉移量將會是5.85×106 tCO2 當量、9.37×106 tCO2 當量及23.43×106 tCO2當量[7]。電動汽車的知名度與美譽度，消費者還是比較認可的，節能減排與生態保護是被普遍認同的[8]。電動汽車是治理氣候變化與推動綠色發展的較好機制[9]。

針對汽車行業，較為成熟的碳排放體系為汽車制造行業碳排放核算規范。通用、比亞迪等不少車企也將碳減排范圍拓展到全產業鏈，包括汽車原材料采購、供應鏈、生產、使用乃至回收環節。在使用環節，主要采取碳足跡的方式開展碳排放表征。我國還沒有制定碳足跡相關標準，但通過核證自愿減排量交易體系，已開展相關方法學的研究，例如通過電動和混合動力汽車實現減排（CMS-048-V01）、商用車隊中引入低排放車輛/技術（CMS-053-V01）、電動汽車充電站及充電樁溫室氣體減排方法學（CM-098-V01）。2021 年11 月，中國汽車工程學會已發布《電動汽車出行碳減排核算方法》（T/CSAE235—2021）。

2 碳足跡分析

電動汽車使用環節碳排放方法學是燃料替代類型方法學，基準線情景是傳統燃油車出行環節所產生的碳排放，項目情景為電動汽車出行環節所產生的碳排放。通過電動汽車運營平臺業務訂單，可獲得包含充電量、充電時間、充電地點等維度的信息，按照充電訂單的形式可呈現電動汽車使用環節產生的碳足跡。

2.1 基準線排放量計算方法

式（1）中：BEy 為y 年總的基準線排放量，單位：tCO2；SFCi 為基準線車輛類型i 燃料消耗量，單位：L/km；EF 油為單位燃油碳排放因子，單位：kgCO2/L；DDiy 為y 年項目車輛類別i 的年總行駛距離，單位：km。

2.2 電動汽車項目排放量計算方法

式（2）中：PEy 為y 年純電動汽車項目總排放量，單位：tCO2；SECPJiy 為y 年項目車輛類型i 總電力消耗量，單位：MWh；EF 電為中國電網平均排放因子，單位：tCO2/MWh，采用官方最新公布數據；n 為項目車輛充電的電力輸配的平均損耗，單位：%，文章暫不考慮。

燃油汽車按不同車型依據工業和信息化部《道路機動車輛生產企業及產品公告》等官方機構發布的綜合工況百公里油耗數據，計算不同車輛類別的單位燃油消耗量。電動汽車自身產生的碳排放，主要取決于電動汽車所消耗電能的來源，該部分排放量可以根據充電樁所在地區業務發生時間的區域電網排放因子進行計算，各省電網排放因子參考值如表1 所示。

根據中國汽車工業協會各類汽車銷售數據、工信部汽車單位里程能耗數據，加權平均計算近3 年銷量排名前50% 的汽車品牌可得：電動汽車平均能耗0.14 kW?h/km，燃油車平均能耗0.09 L/km。

汽油的碳排放系數為2.925 1 kgCO2/kg，每升汽油重量約為750 g，燃燒會產生2.194 kgCO2，其計算過程為0.75×2.9251=2.194 kgCO2。由此，燃油車百公里產生的二氧化碳為19.75 kg，其計算過程為9×2.194=19.75 kg。以華北電網碳排放因子為基準，電動汽車百公里產生的二氧化碳量為9.97 kg，其計算過程為0.7119×14=9.97 kg。

一輛電動汽車行駛百公里減少的碳排放為9.78 kg，其計算過程為19.75-9.97=9.78 kg。換算為：電動汽車隨機充電1 MW·h，減少二氧化碳排放0.699 t。以600萬輛常用電動車、月度行程1 000 km 估算，每年電動汽車使用環節碳排放可達到586.80萬t。

3 影響因素

3.1 有序充電場景下的碳減排影響

有序充電情景下，電動汽車運營平臺中的單位電量消費將產生電網峰谷因子差所帶來的電網側碳減排。傳統充電模式下，電動汽車充電功率需求大部分與生活用電高峰時段重合，增加了調度成本和排放成本。當有序充電樁通過遠程智能策略規避峰時用電，增加谷時用電后，相當于間接減少峰時非可再生能源發電功率爬坡出力，將該需求遷移至用電平谷時段釋放。

《國家發展改革委 國家能源局關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》（發改能源〔2019〕807 號）指出“北京地區2020 年綠電上網比例不低于15%”。北京電網排放因子0.712 tCO2/MW·h，通過有序用電策略規避峰時用電后，有序用電排放因子降低至0.605 tCO2/MW·h，其計算過程為0.712×（1-15%）=0.605 tCO2/MW·h。有序充電業務訂單每充電1 MWh，進一步降低了二氧化碳排放0.107 t。相對隨機充電出行減排效果提升15.03%。

隨著研究不斷深入，有序充電業務的碳排放計算將會整合電網調度側、交易側數據，通過全天96點（15 min/次）電網源端出力結構采樣的方式，對電動汽車運營平臺電力消耗水平與二氧化碳減排效果量化關系生成時間函數，保障計算結果的準確性、權威性。

3.2 V2G 場景下的碳減排影響

V2G 是電動汽車與智能電網間的雙向互動技術。隨著低碳交通的提出和發展，V2G 技術將成為新能源汽車中最具發展前景的領域。對V2G 促進二氧化碳減排、整合可再生能源、平衡電網峰谷等一系列節能降碳作用進行研究。V2G 情景下，由車載電池供電替代峰時非可再生能源發電功率爬坡出力，直接減少非可再生能源消耗，實現碳排放因子歸零替換。根據國家政策要求，在計算碳減排量時必須明確減排主體。電動汽車充電行為的減排主體是充電賬戶（車主）；V2G 業務發生過程中，由于電動汽車運營平臺已經和V2G 供電方（車主）進行了財務結算，因此V2G 業務的碳減排主體為電動汽車運營平臺。

根據《節能發電調度辦法（試行）》（國辦發〔2007〕53 號）——“優先調度火電機組”；根據京津唐電網調度數據——“京外300 MW/600 MW 超臨界煤電機組為主”；根據《常規燃煤發電機組單位產品能源消耗限額》（GB 21258-2017）——“發電煤耗限額283 g/kW?h”；根據2021 年1～6 月份全國電力工業統計數據——“火電廠用電率5.7%”。綜合計算可得，當V2G 業務替代峰時非可再生能源發電功率爬坡出力時，減排量等效計算為0.778 tCO2/MW·h，V2G 業務訂單每放電1 MW·h，產生二氧化碳減排0.778 t。

3.3 綠色溯源消納場景下的碳減排影響

綠電溯源是電動汽車運營平臺利用區塊鏈技術進行綠電合約數據上鏈操作，精確回溯電網實時數據中清潔能源占比的技術手段。由于傳統電網業務模式為“計劃+調度”，用電負載按照用電計劃產生，調節能力較差，對綠電上網功率的時序特征極不友好。而通過電動汽車運營平臺整合源端、荷端大數據能力后，通過用電過程智能管理，實現負荷靈活可調，能夠實現電力供需在更復雜時空環境下的精確匹配，顯著減少綠電資源浪費。因此，對應區塊鏈溯源部分的綠電電量碳減排主體為電動汽車運營平臺，碳減排能力由電動汽車運營平臺業務能力產生。電動汽車碳排放量在可溯源綠電通過充電訂單消納后會進一步降低，訂單數據中的綠電部分排放因子按零計算，加權平均得出排放因子的實際數據。

以北京地區為例，假設電動汽車行駛20 萬km 報廢，耗電總量約2.8 萬kWh。隨機充電模式下電動汽車碳排放約19.94 t。若參與實現充電，將降低碳減排為3.06 t。若通過綠電溯源，實現清潔用電占比達到50%，則電動汽車碳排放降低至8.44 t。相對隨機充電出行減排效果提升57.67%。

4 結語

優化汽車產品結構，大力推廣節能與新能源汽車，是實現汽車行業低碳發展的重要舉措。影響電動汽車使用環節碳排放量的關鍵因素包括充電樁所在地區的區域電網排放因子、電動汽車百公里電耗以及同類型燃油車的百公里油耗。在當前煤電為主的發電結構下，電動汽車隨機充電時，碳排放量相比傳統燃油車優勢并不明顯。只有通過大范圍、規模化、精準高效的車網互動，對電動汽車進行有效的調度和控制，才能實現清潔綠電的充分消納，才能充分發揮電動汽車的碳減排優勢。同時，鼓勵開展負荷聚合系統、電力交易平臺、充電運營平臺等跨平臺數據融合，建立碳減排資源庫。推動充電行業自主參與全國碳交易市場相關引導政策制定、行業標準制定及實施，推動建立充電行業碳交易服務代理平臺，聚合碳配額、綠電消納、CCER 等碳資產積極參與碳市場交易，實現充電設施碳資產價值流通。