不同动力总成的电动汽车能耗温室气体排放评估——以陕西省为例

雷晨阳，高嵩林，白耀东，胡金榜

不同动力总成的电动汽车能耗温室气体排放评估——以陕西省为例

雷晨阳，高嵩林，白耀东，胡金榜

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

为实现2030年碳达峰和2060年碳中和的目标，道路运输部门正在积极推广车辆电气化。文章针对陕西省2020年的电力结构场景，对纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、增程式电动汽车（EREV）、混合动力汽车（HEV）和燃油汽车（ICEV）这五种车辆的温室气体排放和能耗进行了评估分析。研究结果显示，相对于ICEV、BEV、PHEV、EREV、HEV，在车辆生命周期内的减排比例分别为34.7%、27.3%、10.8%和27.6%。同时，它们的能耗也相应降低了33.8%、17.1%、7.45%和29.7%。随着车辆电气化程度的增加，主要的排放转移至电力产生环节。进一步对未来年份的场景进行分析表明，BEV的渗透率增加以及电网中可再生能源比例的提高将有助于实现陕西省在2030年达到碳达峰，并最终在2060年实现碳中和的目标。研究结果表明，在陕西省推广车辆电气化是实现碳减排目标的有效途径。通过减少温室气体排放和能耗，陕西省能够为应对气候变化和实现可持续发展做出积极贡献。

生命周期评估；温室气体；电动汽车；陕西省；动力总成

自巴黎协定以来，各国都在积极努力控制全球气候变暖，并将全球变暖控制在1.5 °C以下[1]。为实现这一目标，汽车行业正积极发展新能源汽车，其中电动汽车是最受欢迎的车型[2]。中国政府也积极响应这一趋势，推动电动汽车产业的发展。根据中国国务院发布的新能源汽车产业发展规划，到2025年，新能源汽车的新车销售量将占到汽车新车销售总量的约20%，并力争到2035年，纯电动汽车将成为新车销售的主流，公共领域的车辆将实现全面电动化。

本研究基于生命周期评估框架，对陕西省纯电动汽车（Battery Electric Vehicles, BEV）、插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV）、增程式电动汽车（Extended-Range Electric Vehicles, EREV）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicles, HEV）、燃油汽车（Internal Combustion Engine Vehicles, ICEV）不同动力总成的电动汽车进行了温室气体排放和能耗核算。研究旨在填补陕西省车辆电气化能耗和温室气体减排研究的空白，揭示车辆电气化在陕西省的减排效益。本文的主要探讨以下两个问题：1）在现阶段能源情景和未来能源情景下，电动汽车能否取代燃油车以缓解气候变化；2）不同动力总成电动汽车在缓解气候变化方面的效果如何。通过基于陕西省的电力能源结构、制造工艺和车辆参数等依据进行分析，研究结果可以提供有关电动汽车温室气体排放和能耗的具体数据，为推动车辆电气化在陕西省的发展提供科学依据，促进实现2030年碳达峰和2060年碳中和的目标。

1 方法和数据

1.1 研究框架

本研究评估了BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV这五种车辆在陕西省的轻型乘用车中的能源消耗和温室气体排放量。图1展示了本研究中不同动力总成车辆的生命周期框架，包括车辆材料生命周期和燃料生命周期，其中的能量消耗和温室气体排放可以追溯到原煤、原油和天然气等能源来源。温室气体排放阶段包括CO2、CH4和N2O，按照它们的全球增温潜势进行CO2当量计算。研究中设定了车辆的总寿命为10年、总行驶里程为150 000公里，电动汽车电池更换次数为1.5次[3]。

1.2 模型参数设定

本研究对陕西省的几种不同动力总成车辆，BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV，进行了能量消耗和温室气体排放的评估。为了选择车辆的数据，根据中国乘用车信息联合会的车辆销售数据，即乘用车市场信息联席会选取了销量最高的车辆作为原始模型。车辆的百公里燃油消耗量、百公里电力消耗量和整备质量等参数，从工业和信息化部政务服务平台中国汽车能源消耗量中查询获得。车辆拆解后的质量分布以及车辆各系统模块的质量，采用了GREET中的比例数值，并将其按比例转化为本地车辆的数值。这些参数是根据美国阿贡实验室对美国车辆拆解所得到的分布数据，并且由于车辆结构的相似性，这些数据在本地具有一定的适用[3-4]。具体各类型车辆的参数如表1所示。

图1 不同动力总成车辆生命周期框架

表1 各类车辆参数信息

参数EREVPHEVBEVICEVHEV 长×宽×高/mm5 030×1 960×1 7604 705×1 890×1 6804 750×1 921×1 6244 733×1 839×1 6734 621×1 855×1 679 轴距/mm2 874.92 684.72 795.62 687.62 648.9 整备质量/kg2 171.51 683.21 847.41 589.41 578.2 百公里耗电量/(kWh/100 km)18.313.112.7 NEDC综合油耗/(L/100 km)1.51.5 6.54.6 电能当量燃料消耗量/(L/100 km) 1.54 电池容量/(kWh)40.58.376.5 电池类型三元锂电池磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池

在本研究中，使用GREET模型作为参考，其中的大量燃料数据基于美国本土地区的情景。然而，为了使研究结果更具本地适用性，对燃料生命周期中的各种原料数据进行了陕西省本地化参数更新。

根据2021年的数据，陕西省榆林地区的煤炭产量达到5.5亿吨，占全国煤炭总产量的13.6%，使其成为全国煤炭的重要产地。该地区的煤炭主要通过铁路和公路进行运输。另外，中国作为全球最大的石油进口国，2021年主要从沙特阿拉伯进行海运和从俄罗斯进行管道运输，进口了约5.12亿吨原油，占总进口量的60%。陕西省的原油通过俄罗斯管道运输至榆林地区，并进行原油加工炼化工序，而当地生产的天然气则通过管道运输到其他省份和地区。综上所述，陕西省的煤炭、原油、天然气和汽油的运输方式如表2所示。我们在研究中更新了这些本地化参数，以确保研究结果的准确性和适用性。

表2 煤炭、原油、天然气和汽油的运输方式与比例

运输方式比例与距离原煤原油天然气汽油 铁路距离/km390420 320 铁路份额/%2025 30 水运距离/km 水运份额/% 公路距离/km140 80 公路份额/%80 70 管道距离/km 1 0501 000 管道份额/% 75100

陕西省的消费电力能源结构、电力传输损失和电动汽车充电效率参数会对车辆的能源消耗和温室气体排放产生影响。以2017年为例，宁夏的火力发电占比达到83%，而云南的火力发电占比仅为8%，水力发电占比高达84%[5]。根据陕西省的十四五规划，该省将调整和优化煤电布局，积极推进风电、光电和生物质发电等可再生能源的发展。然而，由于陕西省是煤炭资源富集地区，其煤炭发电比例高于全国平均水平[6]。据2020年的数据，陕西省的煤炭发电占比为75.26%，天然气发电占比为10.46%，原油发电占比为6.37%，而水电、风电和其他可再生能源发电仅占比7.91%。关于未来电力能源结构的变化，目前很难得出准确的结果。不同的研究人员对未来做出了保守或积极的假设，但整体趋势是陕西省的电力清洁能源渗透率将逐年提高。在本研究中，设定了未来2030年到2050年的保守场景和激进场景，并参考了学术出版物和陕西省能源政策资料来设定具体的能源结构。综上所述，陕西省的消费电力能源结构、电力传输损失和电动汽车充电效率参数对车辆的能源消耗和温室气体排放具有重要影响。随着清洁能源的不断发展，陕西省的电力清洁能源比例将逐渐提高，这将对降低车辆的环境影响产生积极作用。

1.3 未来电力场景设定

为了深入研究陕西省未来车辆电气化的影响，本研究设定了2030年至2050年的场景，并评估了陕西省在这期间的减排潜力。目前，电力行业采用超临界燃烧技术（Supercritical Combus- tion Technology, SCT）、超超临界技术（Ultra Super Critical Technology, USCT）和综合气化联合循环（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）技术来提高燃煤发电的效率并减少温室气体排放。此外，采用碳捕集与封存技术也能减少温室气体排放。这些技术的共同应用有助于未来电力系统的脱碳过程。未来电力组合场景的设计如图2所示。

在保守场景和激进场景中，同时设定了每十年的电动汽车渗透比例和可再生能源增长比例。根据陕西省2020年的数据，电动汽车渗透率为1.84%。在保守场景中，电动汽车渗透率每十年增加10%，而在激进场景中，电动汽车渗透率每十年增加15%。陕西省乘用车保有量的数据参考了陕西省统计年鉴。通过对这些场景的设定，将能够评估陕西省未来几十年内的车辆电气化对减排的潜力。这将有助于更好地了解电动汽车和可再生能源在陕西省未来能源系统中的作用，以及对温室气体排放的影响。

图2 未来年电力结构中可再生能源份额图

2 2020年不同总成动力车辆生命周期结果评估

2.1 不同动力总成系统电动汽车的温室气体排放

图3为研究中每种车辆的碳足迹，其中电动汽车生命周期内的碳足迹低于其他几种动力总成的车辆，BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV的碳足迹分别为207.3 gCO2eq/km，231.1 gCO2eq/km，283.5 gCO2eq/km，229.9 gCO2eq/km，317.9 gCO2eq/km。这项结果说明，在陕西省部署各种动力总成的新能源汽车有助于减少碳排放。BEV、PHEV、EREV、HEV与ICEV相比减排比例分别为34.7%，27.3%，10.8%，27.6%。以前的研究中，车辆电气化的温室气体排放总量为150 gCO2eq/km～300 gCO2eq/km，每千米温室气体排放总量主要由CO2贡献，N2O贡献率极低，基本忽略不计，而BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV的CH4贡献率分别为8.7%，5.2%，4.5%，3.9%，3.6%。CH4排放是仅次于CO2排放的第二大温室气体，但是其全球增温潜势是CO2的84倍，同时其产生主要源自化石燃料燃烧，其趋势基本与车辆电气化趋势相同。

图3 不同动力总成车辆每公里生命周期不同阶段温室气体排放量

在BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV中，燃料生命周期（Well To Wheels, WTW）阶段的温室气体排放比例分别为78.2%、76.4%、80.1%、80.3%和84.3%，这些是车辆生命周期内的主要排放来源。BEV的主要排放来自消耗化石能源产生的电力排放。由于2020年陕西省电力结构中化石能源占比较高， BEV的油井到油箱（Well To Tank, WTT）阶段的排放量高于其他动力总成车辆。同时，BEV的排放与电网的清洁程度密切相关，电力中可再生能源的比例与智能电网的使用将有助于BEV的脱碳。随着车辆电气化程度的增加， WTT阶段的温室气体排放比例也相应增加， BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV中的比例分别为15.2%、16.8%、20.7%、38.7%和78.6%。由此可见，BEV的温室气体排放主要发生在上游的电力产生阶段。而ICEV的温室气体排放主要集中在油箱到车轮（Tank To Wheels, TTW）阶段，占比例为69.8%。因此，为了减少温室气体排放，需要提高燃油汽车的燃油经济性，并使用碳含量较低的燃料作为动力来源。

2.2 不同动力总成系统电动汽车的能量消耗

在图4中，我们量化了BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV在单位距离内的能量消耗和化石燃料消耗。根据数据显示，BEV的能量消耗为3.25 MJ/km，PHEV为4.08 MJ/km，EREV为4.55 MJ/km，HEV为3.45 MJ/km，ICEV为4.92 MJ/km。相较于ICEV，BEV的能源消耗降低了33.8%，PHEV降低了17.1%，EREV降低了7.45%，而HEV汽车降低了29.7%。车辆的电气化程度与能耗密切相关，随着电气化程度的提高，车辆的能量消耗量也会相应降低。在WTT阶段，BEV和EREV的能量消耗占比分别为42.6%和47.8%，这是因为它们的动力主要由电力提供，而陕西省的电力结构中化石燃料的比重较高，从提取、炼制、加工到运输过程中会消耗大量能量。PHEV、ICEV和HEV在TTW阶段的能耗占比分别为59.7%、67.6%和65.8%，这主要是因为在能量消耗过程中，化石燃料的碳排放占比较高。在不同动力总成的车辆中，BEV和EREV对原煤的依赖度分别为58.1%和50.6%，显示陕西省煤炭发电的比例相对较高。PHEV、HEV和ICEV对汽油的依赖度分别为66.5%、71.5%和73.2%，这是因为它们的动力主要来自内燃机中的汽油，在进气、压缩、做功和排气的过程中产生推动力。因此，推动EREV和BEV的部署可以减少对石油的依赖，缓解能源危机。

图4 不同动力总成车辆每公里生命周期能量消耗与化石燃料消耗比例

总体而言，根据2020年的能源结构，在陕西省BEV的生命周期内能源消耗最低。然而，由于清洁能源在电力系统中的占比仍不足10%，因此，其未来的减排潜力非常巨大，是一种值得推广的车辆类型。而EREV的能量消耗较高，这主要是由于其整备质量较大，同时车身和电池材料的消耗也相对较高[7]。

3 未来电力场景温室气体能耗排放评估

在陕西省未来的年份场景中，预计车辆材料质量将减少。由于ICEV的燃油经济性提高以及电力能源结构中可再生能源比例的增加，车辆的生命周期内温室气体排放量将减少。同时，随着电力结构改进、更先进电力技术的采用以及热电联产比例的增加，根据图5中的数据，在2030年、2040年和2050年的保守场景和激进场景中，BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV的每公里温室气体排放量也会减少。根据数据显示，保守场景和激进场景中，BEV在2030年、2040年和2050年分别可以实现8.6%、13.7%、21.1%、25.0%、36.7%、42.3%的减排。EREV在未来年份中的减排潜力为5.1%、8.9%、15.1%、19.2%、25.8%、32.2%。PHEV的减排潜力为5.8%、10.2%、18.2%、21.4%、28.6%、36.1%。HEV的减排潜力分别为11.4%、13.8%、22.7%、27.8%、34.5%、38.9%。而ICEV的减排潜力为6.5%、8.3%、12.3%、16.5%、21.2%、28.7%。综上所述，从以上减排数据可以看出，BEV在各种动力总成车辆中具有最大的减排潜力，因此是最值得部署的车辆类型。

图5 2030年、2040年、2050年保守场景与激进场景中各类车型每公里温室气体排放量

根据图6中的数据，该图展示了2030年、2040年和2050年在保守场景和激进场景下的温室气体总减排量。这些数据是通过考虑过去陕西省车辆年增长率、未来车辆年行驶里程的变化，以及电动汽车的渗透率和陕西省电动汽车产业规划以及《陕西省电动汽车充电基础设施“十四五”发展规划》的研究得出的。根据这些因素，可以预测2030年、2040年和2050年陕西省的温室气体减排总量。在保守场景下，预计2030年、2040年和2050年的减排量分别为120万吨、310万吨和790万吨。而在激进场景下，预计2030年、2040年和2050年的减排量分别为190万吨、530万吨和1 130万吨。为了尽早实现碳达峰和碳中和的目标，陕西省应不断提高电动汽车的渗透率。

图6 2030年、2040年、2050年保守场景与激进场景中温室气体总减排量

4 结果与讨论

综上所述，现阶段能源情景与未来能源情景下BEV取代ICEV能缓解气候变化，不同动力总成电动汽车中，BEV缓解气候效益最好，在陕西省大力推广BEV有助于减少温室气体排放，减少能源消耗。

[1] DUAN H,ZHOU S,JIANG K,et al.Assessing China's Efforts to Pursue the 1.5 °C Warming Limit[J].Science, 2021,372(6540):378-385.

[2] HE X,ZHANG S,WU Y,et al. Economic and Climate Benefits of Electric Vehicles in China,the United States, and Germany[J]. Environmental Science & Technology, 2019,53(18):11013-11022.

[3] YANG L,YU B,YANG B,et al.Life Cycle Environm- ental Assessment of Electric and Internal Combustion Engine Vehicles in China[J].Journal of Cleaner Pro- duction,2021,285:124899.

[4] QIAO Q, ZHAO F, LIU Z, et al.Life Cycle Cost and GHG Emission Benefits of Electric Vehicles in China [J].Transportation Research Part D:Transport and Environment,2020,86(1):102418.

[5] GAN Y, LU Z,HE X, et al. Provincial Greenhouse Gas Emissions of Gasoline and Plug-in Electric Vehicles in China:Comparison from the Consumption-Based Electricity Perspective[J].Environmental Science & Technology,2021,55(10):6944-6956.

[6] SHEN W,HAN W,WALLINGTON T J,et al. China Electricity Generation Greenhouse Gas Emission Intensity in 2030:Implications for Electric Vehicles[J]. Environmental Science & Technology,2019,53(10): 6063-6072.

[7] XIONG S,WANG Y,BAI B,et al.A Hybrid Life Cycle Assessment of the Large-scale Application of Electric Vehicles[J].Energy,2021,216:119314.

Assessment of Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions of Electric Vehicles with Different Powertrains－Taking Shaanxi Province as an Example

LEI Chenyang, GAO Songlin, BAI Yaodong, HU Jinbang

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

To achieve the goals of carbon peaking by 2030 and carbon neutrality by 2060, the transportation department is actively promoting vehicle electrification. This paper analyzes the greenhouse gas emissions and energy consumption of five types of vehicles: battery electric vehicles (BEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), extended range electric vehicles (EREV), hybrid electric vehicles (HEV), and internal combustion engine vehicles (ICEV) in the context of the power structure in Shaanxi province in 2020.The research results indicate that compared to ICEV, BEV, PHEV, EREV, and HEV achieve reductions in emissions by 34.7%, 27.3%, 10.8%, and 27.6%, respectively, over the life cycle of the vehicles. Additionally, their energy consumption is reduced by 33.8%, 17.1%, 7.45%, and 29.7%, respectively. As the degree of vehicle electrification increases, the primary emissions shift to the electricity generation stage. Further analysis of future scenarios reveals that increasing the penetration rate of BEV and improving the proportion of renewable energy in the grid will contribute to achieving Shaanxi province's carbon peaking target by 2030 and carbon neutrality target by 2060.These research findings demonstrate that promoting vehicle electrification in Shaanxi province is an effective pathway to achieving carbon reduction goals. By reducing greenhouse gas emissions and energy consumption, Shaanxi province can make positive contri- butions to addressing climate change and achieving sustainable development.

Life cycle assessment;Greenhouse gas;Electric vehicles;Shaanxi province;Powertrain

U469.7

A

1671-7988(2023)12-203-07

雷晨阳（1999－），男，硕士研究生，研究方向为交通污染，E-mail:1098917230@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.038