碳达峰目标下的汽车电动化碳减排效果研究_童瑞咏.pdf
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1、第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20220215基金项目:国家自然科学基金项目(71971021)作者简介:童瑞咏(1997),女,江苏扬州人,博士研究生(20114047 )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.029碳达峰目标下的汽车电动化碳减排效果研究童瑞咏1,毛保华1,2,魏润斌1,肖中圣1,黄俊生1(1.北京交通大学交通运输学院,北京100044;2.北京交通大学
2、综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室,北京100044)摘要:围绕 2030 年碳达峰目标,建立了全生命周期下的汽车电动化碳排放测算模型,测算了 20212035 年我国汽车全生命周期的碳排放总量,研究了发电端能源结构、纯电动汽车的综合性能及其投放策略等因素对汽车电动化背景下的碳排放总量水平的影响。结果表明:随着汽车电动化水平的提升,汽车碳排放总量在 2031 年达到峰值 15.53 亿 t;此后由于纯电动汽车生产阶段车辆数稳定,行驶阶段车辆规模将不断扩大,发展至 2035 年时碳排放总量较峰值下降幅度为 3.53%;因汽车电动化发展带来的碳减排效果有所体现,发电端能源结构中火电占
3、比下降 1%和 2%时,汽车碳排放总量峰值较基准情景峰值分别下降 0.64%和 1.16%,达峰时间提前至 2029 年;纯电动汽车的百公里电耗水平在2035 年降至 11.0,9.0 kWh/(100 km)时,碳排放量峰值均较基准情景有所下降且提前至 2029 年,2035 年的碳排放总量相较于各自的峰值分别下降 5.19%和 6.47%;如进一步加大电动汽车投放力度,若新增纯电动汽车占比恒为40%,短期内由于生产阶段碳排放量偏高,汽车碳排放总量将高于基准情景 0.110.31 亿 t,之后因处于行驶阶段的纯电动汽车数量规模化带来的碳减排效应放大,达峰时间提前至 2027 年,这意味着降低
4、发电端能源结构中火电占比、提高纯电动汽车综合性能、合理制订纯电动汽车投放策略,将助力汽车的碳减排。关键词:汽车工程;汽车电动化;碳排放测算;全生命周期;投放策略中图分类号:U461.99文献标识码:A文章编号:10020268(2023)02023808Study on Carbon Emission eduction Effect of Automotive Electrificationunder Goal of Carbon PeakingTONG ui-yong1,MAO Bao-hua1,2,WEI un-bin1,XIAO Zhong-sheng1,HUANG Jun-sheng1
5、(1 School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2 Key Laboratory of Big Data Application Technologies for Comprehensive Transport of Transport Industry,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:Based on the goal of carbon peaking in 2030,the c
6、arbon emission calculation model of automotiveelectrification in entire life cycle is established.The total carbon emissions of Chinas automobiles in entirelife cycle from 2021 to 2035 are calculated.The influences of the factors such as the energy structure at thepower generation end,the comprehens
7、ive performance of battery electric vehicles and the launch strategies onthe total carbon emissions under the background of automotive electrification are studied.The result showsthat(1)The total carbon emissions of automobiles will reach 1.553 billion tons in 2031 at peak with thedevelopment of aut
8、omotive electrification.(2)Since then,due to the stable number of vehicles in productionperiod and the expanding scales of vehicles in driving period,the total carbon emissions of automobiles willdecrease by 3.53%in 2035 compared with the peak.(3)As the carbon emission reduction effect brought bythe
9、 development of automobile electrification is reflected,when the proportion of thermal power in the energy第 2 期童瑞咏,等:碳达峰目标下的汽车电动化碳减排效果研究structure of electricity generation end decreases by 1%and 2%,the peak of automobilescarbon emissionswill decrease by 0.64%and 1.16%respectively compared with the b
10、aseline scenario,and the total carbonemissions of automobiles will reach the peak in 2029.(4)When power consumption per 100 kilometers ofbattery electric vehicles reduces to 11.0,9.0 kWh/(100 km)in 2035,the peak of automobilescarbonemissions will be lower than the baseline scenario and will appear i
11、n 2029,and the total carbon emissions willdecrease by 5.19%and 6.47%in 2035 respectively compared with their respective peaks.(5)If we furtherincrease the launch of electric vehicles,when the proportion of new battery electric vehicles is 40%constantly,due to the higher carbon emissions in the produ
12、ction stage in the short term,the total carbonemissions of automobiles will be 1131 million tons higher than the baseline scenario.Then,the carbonemissions reduction effect will be amplified due to the large-scale number of battery electric vehicles indriving period,and the total carbon emissions of
13、 automobiles will reach the peak in 2027 which is advanced.It means that reducing the proportion of thermal power at the power generation end,improving thecomprehensive performance of battery electric vehicles,and reasonably formulating the battery electricvehicles launch strategies will help reduce
14、 carbon emissions.Key words:automobile engineering;automobile electrification;carbon emission calculation;entire lifecycle;launch strategy0引言近年来,我国机动化发展迅速,汽车保有量逐年上升。2020 年底汽车保有量达 2.81 亿 veh,其中燃油车保有量为 2.76 亿 veh,新能源汽车保有量492.05 万 veh1。中国汽车工程学会预测未来汽车保有量将继续上升,2025 年、2030 年、2035 年的汽车保有量分别为 4,4.5,4.8 亿 ve
15、h2。汽车保有量的增长将对环境产生不利影响3。为加速推进碳达峰进程4,汽车需朝着“低碳化”方向发展2,国务院拟定了具体工作计划,印发了 2030 年前碳达峰行动方案,提出了“运输工具装备低碳转型、大力推广新能源汽车”的倡议,设定了“到 2030 年,当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到 40%左右”的目标5。这意味着未来 15 a 内,新增新能源汽车占新增汽车总数的比例将提升 35%5。实现我国可持续交通的行业革命之一即为汽车电动化6。很多学者从单一车辆全生命周期角度研究了新能源汽车与传统燃油车相比的碳减排效果与潜力,范围涉及车辆生产、行驶和报废的全生命周期阶段,采用的方法包括生命周
16、期评价7、分层混合生命周期评估8、油井至车轮分析9 方法等。研究发现,相较于燃油车,新能源汽车行驶过程接近零排放10,但从全生命周期角度来看,行驶过程的碳排放转移至电力供应端11,且车辆生产阶段的碳排放量大于燃油车12,通过进一步分析比较,新能源汽车行驶阶段的优势大于生产阶段的劣势,传统燃油车全生命周期单位里程碳排放高于混合动力汽车和纯电动汽车13,这与其他国家的测算结论14 类似。此外,从全生命周期来看,新能源汽车在行驶阶段并非零排放,驱动车辆运行的电力在供应阶段将产生二氧化碳,使得汽车电动化的减排效果将受到发电端能源结构中煤电占比等因素的影响15,高煤电占比地区新能源汽车推广产生的减排效果
17、并不显著16。汽车全生命周期各阶段只会产生二氧化碳,故把握汽车全生命周期的碳排放总量水平,利于达成碳减排、碳达峰的目标。当前单一车辆全生命周期各阶段的二氧化碳排放水平在国内外已被广泛研究,而“碳达峰”是针对一定地域范围的生态环境发展目标,因此某区域汽车全生命周期的碳排放量及发展趋势有待深入测算与评估。本研究在燃油车、纯电动汽车全生命周期各阶段碳排放水平既有研究基础上,结合当前我国交通运输行业的碳达峰工作计划及相关部门为实现碳达峰制定的具体行动方案,考虑将未来汽车保有量结构与所处生命周期的阶段相匹配,测算大力推广新能源汽车背景下我国汽车的未来二氧化碳排放总量水平,分析影响碳排放量的因素,探寻汽车
18、电动化趋势下有效的碳减排策略。1全生命周期下的汽车电动化碳排放测算模型本研究对象为全生命周期下的汽车电动化二氧化碳排放总量,不讨论其他温室气体的排放。首先需界定测算边界,从车辆类型来看,包括传统燃油932公路交通科技第 40 卷车和新能源汽车;从车辆全生命周期的各阶段来看,包括车辆生产制造阶段、行驶阶段、报废回收阶段。车辆生产制造阶段考虑每年制造新车所需原材料的开采加工、新车的生产装配及配送等过程产生的二氧化碳排放;车辆行驶阶段主要考虑不同类型车辆对应使用的燃料全生命周期的二氧化碳排放;车辆报废回收阶段考虑不同类型车辆的报废车辆零部件拆分存放及运输等过程的二氧化碳排放。生产制造阶段、行驶阶段、
19、报废回收阶段的汽车数量分别基于新增车辆数、汽车保有量数、报废车辆数。汽车保有量的增减与该年新增车辆数、报废车辆数有关17,汽车保有量测算模型为:Ui,k=Ui,k1+Vi,k Wi,k,(1)式中,k 为测算年份;i 为不同车辆类型,i=1,2 分别为传统燃油车、新能源汽车;Ui,k为第 k 年类型 i的保有量数;Vi,k为第 k 年类型 i 的新增车辆数;Wi,k第 k 年类型 i 的报废车辆数。为研究碳达峰目标下考虑全生命周期的汽车二氧化碳排放量发展趋势,以年度二氧化碳排放总量为研究对象,建立汽车碳排放测算模型:E总,k=2i=1(Ei,1,kVi,k+Ei,2,kLi,kUi,k+Ei,
20、3,kWi,k),(2)式中,Ei,1,k为第 k 年生产制造第 i 种车辆的单位碳排放;Ei,2,k为第 k 年车辆类型 i 行驶单位里程的碳排放;Li,k为第 k 年车辆类型 i 的平均行驶里程;Ei,3,k为第 k年报废回收阶段第 i 种车辆的单位碳排放。2020 年 新 能 源 汽 车 中 纯 电 动 汽 车 占 比 达81.30%,未来纯电动汽车规模将进一步扩大18。假设新能源汽车均为纯电动汽车,行驶阶段纯电动汽车单位里程的碳排放与发电端能源结构、百公里电耗水平等因素有关,测算模型为:E2,2,k=(lMk,lk,lQk,lCk,lok,l)4412Pk1001 k,(3)式中,Mk
21、,l为第 k 年第 l 种发电方式下的单位煤炭消费量;k,l为第 k 年发电方式 l 的发电量与总发电量之比;Qk,l为第 k 年第 l 种发电方式下单位质量的煤完全的燃烧时所产生的热量;Ck,l为第 k 年第 l 种发电方式下的单位热值含碳量;ok,l为第 k 年第 l 种发电方式下燃料中的碳氧化率;l=1,2,3,4 时分别对应火电、水电、核电、风电形式;4412为二氧化碳与碳的相对分子质量之比;Pk为第 k 年纯电动汽车百公里电耗水平;100 为单位换算系数;k为第 k年电网线损率。2碳达峰目标下我国汽车电动化碳排放测算设置基准测算情景为,传统燃油车和新能源汽车在生产制造、行驶、报废回收
22、各阶段的碳排放因子均与现状年一致,2 种车辆类型处于各阶段的车辆数逐年变化。首先,测算纯电动汽车行驶阶段单位里程碳排放水平,从现状年的发电端能源结构、百公里电耗水平出发。假设发电端能源结构中仅火电产生二氧化碳19,且火力发电均采用燃煤方式。参考国家能源局、发改委等国家有关部门发布的统计数据、行业标准等资料,本研究测算模型相关参数取值如表 1 所示。表 1纯电动汽车行驶阶段单位里程碳排放测算模型参数取值Tab.1Parameter values for carbon emission calculation model of electric vehicles per unit mileage
23、during driving参数名称Mk,l/g(kWh)1k,l/%Qk,l/(MJkg1)Ck,l/(kgGJ1)ok,l/%Pk/kWh/(100 km)1k/%取值304.9016 6919 29.307 620 25.5021 9822 14.5016 5.6016 基准测算情景下,未来年燃油车全生命周期、纯电动汽车生产制造阶段和报废回收阶段单位碳排放及 2 种车辆类型的年平均行驶里程取值受汽车电动化的影响较小,参考文献 89、2324 取为定值,纯电动汽车行驶阶段单位里程的碳排放通过式(3)测算得到。表 2 给出了汽车碳排放测算相关参数取值。依据汽车未来的技术路线中的未来年汽车保有
24、量总量预测值,假设车辆投入使用后 15 a 报废,结合历年不同车辆类型的新增车辆数,得到未来年不同车辆类型的报废车辆数,进而根据国家下发的碳表 2全生命周期下的汽车电动化碳排放测算模型参数取值Tab.2Parameter values for carbon emission calculationmodel of automobile electrification in entire life cycle参数名称Ei,1,k/(kgCO2veh1)Ei,2,k/gCO2(vehkm)1Ei,3,k/(kgCO2veh1)Li,k/km传统燃油车7 878.289,23 207.195 189
25、,23 391.989,23 15 0008,24 纯电动汽车11 542.689,23 86.066 5130.489,23 15 0008,24 达峰行动方案中的未来年新增新能源交通工具占比,得到不同车辆类型的新增车辆数,从而推算得到分类别的汽车保有量。20212035 年我国汽车保有量结构预测如图 1 所示。042第 2 期童瑞咏,等:碳达峰目标下的汽车电动化碳减排效果研究图 1我国汽车保有量结构Fig.1Structure of automobile ownership in China进一步测算得到基准情景的碳达峰目标下汽车全生命周期二氧化碳排放总量水平结果,如图 2 所示。可以看出
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