不同能源电网架构下电动汽车减排影响因素及敏感性分析

王子驰，贾 娜，李霁恒，雷炳银，付凌波，苏雨晴，张 靖

(1.国家电网平高集团有限公司，河南 平顶山 467001;2.华北电力大学 环境科学与工程学院，北京 102206;3.广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004;4.清华大学能源互联网创新研究院，北京 100085)

近年来，随着汽车保有量大幅增长，汽车尾气已经成为城市大气污染的主要来源，推广电动汽车将成为解决这一难题的有效措施。2012年，发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，《规划》指出，2015年，纯电动汽车和混合动力汽车累计产销量争取超过50万辆，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至6.9 L/100 km，节能型乘用车燃料消耗量降至5.9 L/100 km以下；预计2020年，无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，其生产和销售等累计总量均出现大幅增长，燃料电池汽车和车用氢能源产业也会与国际同步发展。预计当年生产的乘用车的平均燃料消耗量将降至5.0 L/100 km，节能型乘用车燃料消耗量将降至4.5 L/100 km以下；商用车新车燃料消耗量将降至国际先进水平。

目前国内外对电动汽车减排的研究多集中在电动汽车的单因素影响分析上。国内方面，方肖通过假设全部可再生能源参与发电的情况下，利用“碳夹点”分析两种典型的电动汽车和燃油汽车的碳排放和能耗[1]；刘大鹏，陈轶嵩等，选取某款典型的同级别纯电动汽车与混合动力汽车两种不同汽车作为实证研究对象, 获取二者的主要参数，最终分析得出二者全生命周期各种不同类型的能耗和排放差异结果[2]；齐兴达等通过从减排成本等角度,利用有效性分析纯电动汽车碳排放和减排成本，并针对相关的特性及其相互关系进行了敏感性分析[3]。国外方面，Kenneth P. Laberteaux、Karim Hamza等通过电动汽车替换，分析了温室气体减排判定条件下，利用单因素分析判定轻型车队中电动汽车的类型和占比方案的优劣[4]；Fang Yi、Li等在不同温室气体排放量的判定下，利用单因素分析判定各个地区中电动汽车的减排替代情况[5]；Jihu Zheng、Xin Sun等通过不同的市场分析，对不同电动汽车的销售和二氧化碳排放潜力进行了结合分析[12]。

因此，在中国以煤电为主的电网能源结构背景下，分析电动汽车减排影响因素对减排效果的影响具有极为重要的意义。

以电动汽车生命周期内各阶段的能源利用及温室气体产生机理为基础进行系统研究，建立电动汽车全生命周期温室气体排放评估方法，评估车辆链、燃料链和使用过程等方面温室气体排放量。对电动汽车全生命周期产生的节能减排效益进行测算，并进一步开展了电动汽车减排效果的主要影响因素及其敏感性分析，得到影响电动汽车减排的重要限制因素，为中国电动汽车产业的发展和决策提供了理论依据和技术支持。

1 全生命周期温室气体排放量评估

1.1 生命周期温室气体排放测算方法

基于对电动汽车全生命周期温室气体排放的深入研究，对电动汽车生产阶段，运行阶段以及回收阶段进行量化分析，汇总得到全生命周期温室气体排放计算公式[7]。

1.1.1 生产阶段

生产过程温室气体产生公式

(1)

式中M——车体质量/kg;

i——车体使用材料种类(i=1,2,3,…,n,分别为钢、铸铁、铸铝、煅铝、塑料、玻璃等);

wi——第i种材料占车体质量百分比/[%];

αi——第i种材料生产阶段温室气体产生系数/g·kg-1;

B——电池质量/kg;

j——电池材料种类(j=1,2,3,…,n,分别为铅、镍、硫酸等);

uj——第j中材料占电池质量百分比/[%];

βj——第j种材料生产阶段温室气体产生系数/g·kg-1。

装配过程温室气体产生公式为

Q2=(M+B)(ε1+ε2+ε3)

(2)

式中ε1，ε2，ε3——涂料温室气体产生系数/g·kg-1、安装温室气体产生系数/g·kg-1,以及空气系统和供暖照明温室气体产生系数/g·kg-1。

配送过程温室气体产生公式为

Q3=[(M+B)/T]XLδ

(3)

式中X——装配线到经销店的运输距离/km;

T——运输负荷量/kg;

L——运输装置燃料消耗/L·km-1;

δ——单位燃料消耗温室气体产生系数/g·L-1。

1.1.2 运行阶段

电动汽车的运行阶段分为电能使用和日常维护。电动汽车运行阶段温室气体产生公式

(4)

式中λ——电动汽车单位公里耗电量/kWh·km-1;

S——电动汽车总行驶里程/km;

θ——单位电能温室气体产生系数/g·kWh-1;

p——消耗流体种类(p=1,2,3,…,n)分别为机油、冷却液、润滑油等);

Ep——第p种流体消耗率/kg·km-1;

ηp——生产第p种流体温室气体产生系数/g·kg-1。

1.1.3 报废阶段

电动汽车报废阶段分为处理和回收两部分。报废阶段温室气体产生公式为

(5)

1.1.4 全生命周期

综合以上对电动汽车各阶段温室气体排放的分析，可以得到电动汽车全生命周期温室气体排放评估公式[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)

电动汽车全生命周期温室气体排放评估公式可以量化计算不同阶段电动汽车的温室气体排放，并且有助于对电动汽车全生命周期中不同影响因素进一步研究，评估电动汽车对自然环境的影响[9]。

1.2 电动汽车低碳潜力评估

对某国产M型纯电动汽车、X型传统燃油汽车进行全生命周期温室气体排放测算。已知M型电动车整备质量为1 530 kg，车载电池质量为305 kg，且车体与电池的主要材料质量分布及温室气体产生系数如表1所示;已知X型燃油车整备质量为1 530 kg，发动机质量为120 kg，且车体与发电机的主要材料质量分布及温室气体产生系数如表2所示。

表1 M型电动汽车车体与车载电池组分材料相关系数表

表2 X型燃油汽车车体与发动机组分材料相关系数表

M型电动汽车以及X型燃油车全生命周期温室气体排放测算如表3所示。

表3 全生命周期温室气体排放测算

结果分析如下：将上述汽车的碳排放量从大到小依次排列，得到电动汽车(全煤电)的碳排放量大于燃油汽车大于电动汽车(全清洁能源)。采用清洁电能作为动力源的电动汽车具有较好的低碳效益影响电动汽车全生命周期温室气体排放的因素众多，但其影响程度均不相同，因此，对影响因子进行敏感性参数分析，可以定量计算不同因子对电动汽车全生命周期温室气体排放的影响。分析结果将有助于减少温室气体的排放以及对资源更合理的配置[10]。

2 温室气体排放影响因素敏感性分析

2.1 电动汽车影响因素分析

2.1.1 电源结构和相对经济性

电源结构与燃油经济性对电动汽车的温室气体减排效应存在显著的影响，但增加了材料周期分析后，需要对全生命周期电动汽车使用的盈亏平衡进行综合评价。燃油汽车的相对经济性是在保证动力性能的同时，汽车尽最大限度降低燃料消耗而经济行驶的能力。在行驶过程中，电动汽车温室气体排放主要是来自于对电能的消耗，因此，定义电动汽车的相对经济性为，保证动力性能的同时，汽车最大限度降低电能消耗而经济行驶的能力。

这里电动汽车选取了两种典型的电动汽车，一种是纯电动汽车(BEV)，另一种是混合动力汽车(HEV)。燃油汽车选择了传统全燃油能源汽车。本文所选择的电源结构中除了燃煤发电，其他的均为清洁能源发电，不计入温室气体排放。在煤电比例0～100%变化中电动汽车相对燃油汽车的温室气体排放展示出不同的结果，0煤电时减排率为70%，100%煤电时增排25%。燃油汽车受电源结构影响较小，因而电源结构是电动汽车温室气体减排的关键影响因素。

如图1所示为三种车型全生命周期在不同燃煤发电比例情境下的碳排放情况，可以看出，电动汽车并非在任何煤电比例下减排量都优于煤电汽车。比起混合动力汽车，纯电动汽车随着煤电比例的增加，变化更为剧烈，当用户使用的电动汽车能源效率较低，或常在道路状况较好的道路通行，会造成温室气体排放量整体向上平移。

图1 不同煤电比例下两种汽车温室气体排放对比

根据相关统计，我国现阶段华北地区(96%)、东北地区(89%)的煤电比例不能很好的体现出电动汽车的碳减排效益，而华中(61%)、华南(63%)地区则拥有充分的CO2减排潜力(数据来源于网络)。不同地区应据此进行差异化的电动汽车技术路线的选择。各地区短期电源结构不易发生显著性改变，若希望达到电动汽车使用的盈亏平衡或获得更大的减排效益，改善电动汽车的相对经济性尤为重要。

因为煤电比例对汽车动力要求影响较大，所以特别分析一下电动汽车中的纯电动汽车和混合动力汽车在煤电比例不同情况下的温室气体排放情况。如图2所示，相比于纯电动汽车，煤电比例较低的情况下，纯电动汽车在温室气体排放方面更有优势，但煤电比例超过一定限度后，混合动力汽车则更有优势。煤电结构对不同的电力汽车也有较大的影响，在煤电占比过高的情况下，建议电动汽车从混合动力汽车过渡到纯电动汽车。

图2 不同煤电比例下两种电动汽车温室气体排放对比

2.1.2 使用年限

由于电动汽车的动力电池的生产会带来大量的温室气体排放，电动汽车的出行里程和使用年限也是影响电动汽车生命周期温室气体减排的主要因素。

调研私家车出行的日均里程为44.6 km，对应年均里程为1.6万km。根据2013年发布的《机动车强制报废标准规定》，小型私家车无使用年限限制，但是行驶60万km后将引导报废。电动汽车行使10万km后需更换电池。

由于电池生命的限制，本文设定在运行10万km(约7年)更换电池。但是因为更换电池，各类电动汽车的生命周期温室气体排放逐步上升。如图3所示为两种车型全生命周期下在不同使用年限情境下的碳排放情况，电动汽车在初期温室气体排放量低于燃油汽车，但当电池使用生命达到后由于更换电池，导致电动汽车全生命周期温室气体排放量逐渐增加，超过燃油汽车。

图3 不同使用年数下两种汽车温室气体排放对比

因此，提高电动汽车电池质量及使用寿命，或者进行充电电池以及充电桩的研发，对于电动汽车发展以及其全生命周期温室气体减排具有重要作用。

2.1.3 平均速度

考虑拥堵、正常、畅通或是快速路跨区通行等多种运行状态，日常汽车出行的特征平均速度为30 km/h(正常状态)。如图4所示为不同出行速度条件下，M型电动汽车生命周期温室气体排放的变化趋势。

图4 不同时速下两种汽车温室气体排放对比

在实际燃油经济性测试中，X型燃油汽车对速度的敏感程度更高，尤其在低速阶段。因此电动汽车在拥堵状态下，可以获得更高的减排收益。另一方面，平均速度也对运行阶段结果产生一定的影响。平均速度降低带来相对经济性降低，进而单次充电的续驶里程减少，电池寿命也因此减少，电池更换趋于频繁。燃油汽车在拥堵情况下会产生较正常情况更多的温室气体，而电动汽车受到速度影响比燃油汽车更小，因此运行阶段电动汽车温室气体排放会抵消一部分拥堵造成的额外效益。但电动汽车拥堵状态的减排趋势并不会改变。

在“正常状态”下，M型电动汽车相对X型燃油汽车削减7 %的温室气体排放，当在“拥堵状态”时，削减率可达26%。相反，假设车辆一直在快速行使状态下，X型燃油汽车生命周期温室气体排放更低。因为运行阶段的温室气体排放优势甚至可能实现对电动汽车的反转。

2.1.4 行驶里程

行驶里程重要的影响因素之一，随着行驶里程的增加，不同种类汽车呈现出不同的温室气体排放特性。

因为混合动力汽车的动力复杂性和随着行驶排放性质变得比较复杂，所以行驶里程主要考虑纯电动汽车，随着里程的增加，纯电动汽车的单位里程温室气体排放量也会随之增长。尤其是电池的充放电等消耗因素，更是对纯电动汽车的温室气体排放造成了很大的影响。纯电动汽车在小里程的温室气体减排效果更为明显，而长途里程将导致其温室气体排放增加，甚至未必会比温室气体排放稳定的燃油汽车更有优势。

结合上个因素，中国主要城市机动车保有量的快速增长带来更加拥堵的交通出行，电动汽车的低怠速功耗和制动力回收系统的存在，使其在频繁启停的拥堵情况下具有更多优势。如果电动汽车频繁使用在城间通勤的长距离高速度情况，则其生命周期的温室气体减排优势下降。

2.1.5 电池特征

使用不同的动力电池，会对生命周期结果产生差异化影响。电池大小对温室气体排放的影响是显著的，相对经济性相应下降，当电动汽车的电池模块材料质量升高时，用户需要更长的时间实现生命周期温室气体减排。同时，满载相对于空载质量增加21%，电耗增加了约14%。据此修正不同电池增重的相对经济性影响。

电池生命周期排放强度和系统能量密度共同决定电池的生命周期温室气体排放量。当能量密度或循环数发生变化时，电池更换将带来生命周期温室气体排放的显著变化。增加电池循环数无疑是更好的方式，因为当循环数存在瓶颈时，增大容量意味着增加电池单体数，这对运行阶段和生产阶段都是不利的。

2.2 电动汽车温室气体排放参数敏感性分析

对电动汽车温室气体排放参数进行敏感性分析，可以得到电动汽车温室气体排放的主要影响参数，为电力汽车以及相关产业发展提供技术支撑。

因为混合动力汽车的电池重量和行使里程影响性均根据车型和动力不同有比较大的区别和限制，所以这里敏感性分析主要是针对纯电动汽车进行分析，选取的基本案例也以纯电动汽车发展的影响性。

选用单因素分析法对纯电动汽车进行敏感性参数分析，根据同种参数不同取值的计算结果与基准案例取值计算结果进行比较分析，得到影响电动汽车温室气体排放的关键参数[11]。选取的基准案例如表4所示，参数敏感性分析如表5所示。

表4 基准案例

表5 敏感性参数分析

需要说明的是，图表中每个参数的第三列标“*”的为基准案例的相关参数。其他的是在调整相关单因素后，调研和计算所得的参数值。不同因素下的温室气体排放量如图5所示，以及排放量变化率如图6所示。为了方便查看温室气体的正向和负向变化率大小，图中使用温室气体排放量的绝对值进行绘图。

图5 不同因素变化下的温室气体排放量

图6 不同因素变化下的温室气体排放量变化率

从变化上可以看出，平均速度是唯一一个随着速度增大，温室气体排放产生负增长的指标，煤电结构。使用年限和行使里程均有较大程度的温室气体变化，尤其是行驶里程因素随着里程的增加和减少温室气体排放最为明显。减少使用年限和行驶里程的减排量均大于增加参数后的增排量。平均速度和电池重量相比之下对温室气体排放量变化的影响较小，煤电结构的比例增减对温室气体的排放增减影响趋于线性。

根据分析结果可见，电动汽车的使用年数，行驶里程以及电源煤电比例是其全生命周期温室气体排放的主要影响因素。提高电池质量，增加充电桩以及充电速率，增加新能源发电比例以及更多将电动汽车推广与城市内交通将能有效减少温室气体的排放。

3 结论

分析建立不同阶段电动汽车温室气体排放评估公式，并最终得到全生命周期温室气体排放评估公式。对电动汽车和燃油汽车进行了全生命周期温室气体排放对比，对比两种汽车不同因素下的温室气体排放，并对电动汽车进行影响因素敏感性分析。得到了以下结论：

(1)以全火力发电为电力来源情况下的电动汽车全生命周期温室气体排量为77.3 t，燃油汽车全生命周期温室气体排量为61.57 t，电动汽车全生命周期温室气体排量高于燃油汽车。

(2)煤电比例低于73%且比例越低时，电动汽车具有更好的节能减排效益；使用年限低于6年的情况下，电动汽车具有较好的温室气体减排效果；当电动汽车在频繁启停的拥堵工况条件下具有良好的温室气体减排效果，而如果长期在城间通勤的长距离高速度情况下，电动汽车生命周期的温室气体减排可能很难实现；电动汽车电池的更换对温室气体排放有显著影响，若无法提高电池质量或充电技术，对于电动汽车温室气体减排将有较大困难。

(3)以煤电比例，使用年限，行驶里程，平均速度和电池重量作为基本影响参数对电动汽车全生命周期温室气体排放进行敏感性分析，煤电比例，使用年限以及行驶里程是电动汽车温室气体排放的主要影响因素。