趙子賢， 邵超峰*， 陳 玨

1.南開大學環(huán)境科學與工程學院， 生物質資源化利用國家地方聯(lián)合工程研究中心， 天津 300350 2.桂林可持續(xù)發(fā)展促進中心， 廣西 桂林 541199

中國現(xiàn)已成為世界汽車大國，2019年中國汽車保有量達2.6億輛[1]，其中私人汽車達2.1億輛[2]. 汽車保有量的急劇增長在為人們生活提供便利的同時也帶來更多的碳排放，影響《中美氣候變化聯(lián)合聲明》和《巴黎協(xié)定》的貫徹落實[3-4]. 當前交通運輸業(yè)已成為中國碳排放重要領域之一[5-6]，根據(jù)國際能源署(IEA, International Energy Agency)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，交通運輸業(yè)碳排放約占中國各部門排放總量的10%[7]. 隨著收入水平和人口的增加，中國私人汽車保有量將在相對長時間內保持增勢[8-9]，如何推動私人汽車碳減排已成為中國交通領域落實“2030年前實現(xiàn)碳達峰”和“2060年前實現(xiàn)碳中和”的重要方向. 以純電動汽車為核心的新能源汽車正成為中國傳統(tǒng)燃油汽車向“低碳化”轉型的重要替代產品. 自2009年我國科學技術部、財政部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部開展“十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應用工程”以來，純電動汽車保有量快速增加[10]. 根據(jù)IEA統(tǒng)計報告，2019年中國純電動汽車保有量達258萬輛，占世界純電動汽車存量的50%以上，位居世界純電動汽車保有量首位[11].

電動汽車是否具有碳減排效果一直是研究討論的焦點. 電動汽車在使用過程中是一種“零排放”車輛. 但從全生命周期角度分析，電動汽車把碳排放轉移到車輛生產、發(fā)電及充電等環(huán)節(jié)中，是碳減排還是碳排放轉移尚待考證，廣大學者應用生命周期方法和GaBi等模型對汽車整車、燃料生命周期和汽車動力系統(tǒng)等相關部件和過程進行研究，希望得到更準確的電動汽車從生產到廢棄的碳排放量. 由于在研究過程中學者對生命周期邊界、清單數(shù)據(jù)和研究對象選擇的不同，出現(xiàn)了2種相反的結論. 周謐等[12]對燃油汽車和電動汽車的汽車制造、燃料生產使用、保養(yǎng)維護以及拆解和回收的生命周期過程進行評估，得出電動汽車可減少26%的碳排放的結論. Yang等[13]對傳統(tǒng)燃油汽車和電動汽車的車輛生產、使用和報廢的生命周期過程進行評估，發(fā)現(xiàn)電動汽車生命周期可減少約6 t的碳排放. Naranjo等[14]發(fā)現(xiàn)，在西班牙電動汽車生命周期(車輛生產制造運輸、分配、使用和報廢階段)內的碳排放比傳統(tǒng)燃油汽車少46%. 黎土煜等[15]對電動公交車生命周期碳排放進行分析發(fā)現(xiàn)，電動公交車的CO2排放量可減少19.7%. Huo等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在中國和美國電動汽車是一種有效的低碳解決方案，其燃料生命周期內可減少碳排放. 馮超等[17]研究發(fā)現(xiàn)，電動汽車在全生命周期過程(包括燃料周期、車輛周期和配套設施周期)中由于使用大量煤炭反而會增加碳排放. Yang等[18]根據(jù)中國現(xiàn)狀對電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車進行全生命周期分析，得出電動汽車由于高能耗和電池生產而具有較高的碳排放. Petrauskiene等[19]研究指出，立陶宛的電動汽車在全生命周期內的碳排放比傳統(tǒng)燃油汽車高26%. 歐洲環(huán)境署(EEA, European Environment Agency)[20]的研究也顯示，如果使用燃煤電廠的電力充電，在全生命周期中電動汽車并不具備碳減排效應，碳排放強度為300 g/km以上(傳統(tǒng)燃油汽車的碳排放不足240 g/km). Wang等[21]通過生命周期方法評估分析得出，電動汽車全生命周期的碳排放略高于傳統(tǒng)燃油汽車. Yu等[22]對電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車的動力系統(tǒng)進行全生命周期碳排放分析得出，當前電動汽車動力系統(tǒng)生命周期的碳排放要高于傳統(tǒng)燃油汽車. Qiao等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在生產階段電動汽車的碳排放遠高于傳統(tǒng)燃油汽車.

當前研究主要關注電動汽車生產使用的某一環(huán)節(jié)，對于全環(huán)節(jié)、全壽命周期的系統(tǒng)評估較少. 為使電動汽車全壽命碳減排效果的研究更加精準、完整，以及體現(xiàn)區(qū)域電力來源的差異性，該文對不同省份私人電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排效果進行全生命周期評估. 為使研究結果能夠充分代表私人電動汽車整體碳減排效果，盡量采用中國本土化數(shù)據(jù)和汽車行業(yè)平均數(shù)據(jù)構建中國私人電動汽車生命周期模型，并采用碳減排量和碳減排率2個指標來表征私人電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排效果，最后結合情景分析方法識別不同地區(qū)影響私人電動汽車生命周期碳減排效果的關鍵環(huán)節(jié)和階段，以期為新時期私人電動汽車差異化推行政策的制定提供依據(jù).

1 研究方法

該研究采用生命周期方法進行私人電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車碳減排量和碳減排率的核算，以分析私人電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排效果. 在研究過程中采用GREET模型和Simapro軟件中的數(shù)據(jù)庫進行相關清單數(shù)據(jù)收集[24-25]. 最后，結合相關研究報告和文獻中的數(shù)據(jù)構建碳排放核算清單，包括汽車全生命周期的材料輸入、基本參數(shù)和排放因子等.

1.1 系統(tǒng)邊界

生命周期系統(tǒng)邊界分為汽車材料周期、燃料開采到使用的燃料周期和汽車報廢回收3個階段. 其中，汽油的燃料周期包括原油開采運輸、原油煉制加工、成品油運輸和汽油燃燒使用；燃煤電力的燃料周期包括煤炭開采加工、煤炭運輸、電廠發(fā)電、電力輸配和汽車充電等過程，由于中國火電多數(shù)以煤炭作為燃料，該文假設火力發(fā)電全部來自煤炭[26]. 汽車材料周期考慮原材料開采加工、汽車生產裝配和汽車配送等過程，考慮私人電動汽車電池作為汽車組裝的一部分，將電池生產過程納入汽車材料周期中，并考慮電池的更換. 因數(shù)據(jù)準確性低且已有研究成果[17,22]證明私人電動汽車的銷售、維護和工廠設備建設等間接碳排放與傳統(tǒng)汽車基本一致，對整體分析影響不大，因此該文暫不考慮這些環(huán)節(jié)，該研究汽車生命周期系統(tǒng)邊界如圖1所示.

注： 圖中斜線代表暫不考慮的階段.圖1 汽車生命周期系統(tǒng)邊界Fig.1 Vehicles life cycle system boundary

1.2 計算方法

1.2.1碳排放量計算方法

燃料周期、汽車材料周期和汽車報廢回收階段碳排放量需根據(jù)碳排放因子和相應的使用量計算，計算公式：

EMp=EFp×PCp

(1)

EMm,i=EFm,i×MMi

(2)

(3)

(4)

EMs=EFs×M

(5)

式中：EMp為燃料開采加工階段的碳排放量，kg；EFp為燃料開采加工階段的碳排放因子，kg/kg或kg/L；PCp為燃料開采加工量，kg或L；EMm,i為第i種汽車原材料制造過程的碳排放量，kg；EFm,i為第i種汽車原材料制造過程的碳排放因子，kg/kg；MMi為第i種汽車原材料制造過程的消耗量，kg；EMO，F(xiàn)為傳統(tǒng)燃油汽車行駛過程的碳排放量，kg；EFO,F為傳統(tǒng)燃油汽車行駛過程的碳排放因子，kg/L；PCO,F為傳統(tǒng)燃油汽車燃油經濟性，L/(100 km)；EMO,E為發(fā)電過程碳排放量，kg;EFO,E為發(fā)電過程的碳排放因子，kg/(kW·h)；PCO,E為私人電動汽車的百公里電耗，kW·h/(100 km)；K為汽車生命周期里程，km；j為充電效率，%；y為輸配電損失，%；EMs為汽車報廢回收階段的碳排放量，kg；EFs為汽車報廢回收階段的碳排放因子，kg/kg；M為汽車質量，kg.

運輸階段需結合相應階段的碳排放因子和運輸距離計算，計算公式：

EMt,u=EFt,u×L

(6)

式中：EMt,u為第u個運輸過程的碳排放量，kg；EFt,u為第u個運輸過程的碳排放因子，kg/km；L為運輸距離，km.

最后將各部分碳排放量進行加和，計算公式：

(7)

式中：EM為汽車生命周期的碳排放量，kg；EMO為汽車行駛過程的碳排放量，kg；h為整車配送和汽車報廢回收階段參與運輸過程的數(shù)量，個；n為汽車所需原材料種類數(shù)量，種.

1.2.2私人電動汽車碳減排計算方法

用私人電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排量和碳減排率來表征碳減排效果，碳減排量為傳統(tǒng)燃油汽車與私人電動汽車碳排放量的差值，碳減排率為私人電動汽車碳減排量占傳統(tǒng)燃油汽車碳排放量的比例，計算公式：

EMr=EMF-EME

(8)

(9)

式中：EMr為私人電動汽車相較于傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排量，kg；e為私人電動汽車相較于傳統(tǒng)燃油汽車的碳減排率，%；EMF為傳統(tǒng)燃油汽車的碳排放量，kg；EME為私人電動汽車的碳排放量，kg.

1.3 研究對象

考慮電動汽車發(fā)展趨勢和我國新能源汽車的純電動戰(zhàn)略，結合《中國統(tǒng)計年鑒》和IEA的統(tǒng)計基礎[2,7]，該文所研究的私人電動汽車為私人純電動汽車，不考慮混合動力汽車. 在研究對象選擇中，為使研究結果具有普適性和整體性，選取汽車行業(yè)平均數(shù)據(jù)進行研究分析[27-29]，但在數(shù)據(jù)缺失情況下，使用特定車型數(shù)據(jù)進行適當補充[30-31]. 具體參數(shù)如表1所示.

表1 私人電動汽車和傳統(tǒng)燃油汽車參數(shù)

1.4 清單數(shù)據(jù)

1.4.1汽車原材料質量

為減少由于工藝過程和材料等方面的不同給研究結果造成的影響，增強可比性，根據(jù)GREET模型將傳統(tǒng)燃油汽車和私人電動汽車除電池外的部分進行一致性處理，忽略占比較少材料對車輛生命周期的影響，確定汽車材料組成為鋼、鐵、鋁、銅、塑料、玻璃和橡膠等[32-33]. 根據(jù)質量比例分配確定汽車各類材料平均質量，具體數(shù)值如表2所示.

表2 汽車原材料質量

1.4.2汽車運輸距離

整車配送過程和報廢回收過程運輸工具選擇柴油貨車，整車配送過程運輸距離選擇 1 600 km，汽車報廢回收過程運輸距離為500 km[34]，在此過程中不考慮汽車行駛時間.

1.4.3碳排放因子

研究中碳排放因子來自IPCC報告、GREET模型和相關文獻[35-38]，發(fā)電過程的平均煤炭消耗為0.33 kg/(kW·h)[39]. 不同省份發(fā)電過程以及生命周期各階段碳排放因子具體數(shù)值如表3、4所示.

表3 不同省份發(fā)電過程碳排放因子

表4 生命周期各階段碳排放因子

2 結果與討論

用三分法根據(jù)碳減排率把不同地區(qū)分為低減排區(qū)域(碳減排率為0～33.33%)、中減排區(qū)域(碳減排率為33.33%～66.67%)和高減排區(qū)域(碳減排率為66.67%～100.00%). 在私人電動汽車全生命周期碳排放核算基礎上，選擇不同減排區(qū)域的代表城市(河北省和北京市代表低減排區(qū)域，重慶市代表中減排區(qū)域，云南省代表高減排區(qū)域)來梳理、分析不同階段和關鍵因素對私人電動汽車生命周期碳減排效果的影響和地區(qū)差異性.

2.1 中國不同地區(qū)私人電動汽車碳減排效果

2.1.1全生命周期的碳減排效果

考慮不同地區(qū)電力來源和輸配電方式的差異性[40]，按照省級地域劃分并結合當?shù)氐呐欧乓蜃舆M行私人電動汽車全生命周期碳減排效果分析(見表5)，結果表明我國31個省(自治區(qū)、直轄市)都具備碳減排效果(不包括港澳臺地區(qū)數(shù)據(jù)，下同). 其中，四川省和云南省屬于高減排區(qū)域，云南省私人電動汽車全生命周期碳減排量可達27.74 t，碳減排率達70.69%；甘肅省、浙江省等11個省份屬于中減排區(qū)域，碳減排量為13.61～22.25 t，碳減排率為34.69%～56.69%；北京市、河北省等18個省份屬于低減排區(qū)域，河北省的碳減排量僅為1.26 t，碳減排率為3.20%. 造成不同區(qū)域碳減排效果差異的主要原因是電力來源不同，碳減排效果較好的區(qū)域往往使用清潔能源發(fā)電的比例較高，使得該地區(qū)發(fā)電過程具有較低的碳排放因子.

表5 全生命周期碳減排效果

2.1.2燃料周期的碳減排效果

燃料周期作為汽車生命周期最重要的減排階段[41]，不同地區(qū)燃料周期的碳減排效果如表6所示. 由表6可見：我國31個省(自治區(qū)、直轄市)在燃料周期內都具有碳減排效果，碳減排量為3.64～30.12 t，碳減排率為10.58%～87.63%. 云南省碳減排效果最好，河北省碳減排效果欠佳. 私人電動汽車燃料周期的碳減排效果優(yōu)于同地區(qū)私人電動汽車全生命周期的碳減排效果，這是因為私人電動汽車生產制造等環(huán)節(jié)會帶來更多的碳排放，減弱其全生命周期的碳減排效果.

表6 燃料周期碳減排效果

2.1.3生命周期不同階段碳排放分析

不同地區(qū)分階段的碳排放結果如圖2所示. 在中、低減排區(qū)域，傳統(tǒng)燃油汽車和私人電動汽車的燃料周期階段為生命周期最主要的碳排放階段，傳統(tǒng)燃油汽車燃料周期碳排放占比在85.00%以上，私人電動汽車燃料周期碳排放占比為57.33%～80.91%(見圖2)；而在高減排區(qū)域(四川省和云南省)，私人電動汽車的汽車材料周期為最主要的碳排放階段，占比分別為58.40%和60.22%. 在所有生命周期階段中，除汽車材料周期外，其他生命周期階段都具有碳減排效果，減排率為6.46%～87.63%(見圖2)，這是因為私人電動汽車相對傳統(tǒng)燃油汽車增加了電池這一碳排放較高的部件.

圖2 典型省份私人電動汽車分階段碳排放量及碳減排率Fig.2 Phased carbon emissions and carbon reduction rates of private electric vehicles in typical provinces

2.2 關鍵參數(shù)情景分析

私人電動汽車的報廢里程、百公里電耗和汽車質量是其能否帶來碳減排效果以及碳減排效果大小的關鍵參數(shù)[42-43]. 該研究對不同區(qū)域的關鍵參數(shù)進行情景分析.

2.2.1報廢里程情景分析

報廢里程數(shù)將直接影響私人電動汽車相對于傳統(tǒng)燃油汽車全生命周期的碳減排效果[44]. 在實際過程中，根據(jù)《機動車強制報廢標準》和具體運行情況，汽車報廢里程數(shù)為0～600 000 km. 由圖3可見，不同地區(qū)私人電動汽車的碳減排量和碳減排率均隨著報廢里程的增加而呈增長趨勢，但碳減排率增速緩慢. 其中，碳減排率增長速度最快的是云南省，增長速度最慢的是河北省，說明當區(qū)域私人電動汽車碳減排效果越優(yōu)時，碳減排效果隨報廢里程增長的速度越快. 這是因為隨著汽車報廢里程的增加，燃料周期的碳減排量會隨之提升，使得整個生命周期的碳減排量也不斷升高，且高減排區(qū)域中更綠色的電力能源結構使得減排效果提升更明顯.

圖3 典型省份報廢里程對碳減排效果的影響Fig.3 The impact of discarded mileage on carbon emission reduction in typical provinces

2.2.2百公里電耗情景分析

在私人電動汽車的生命周期中，百公里電耗對燃料周期碳排放影響較大[45]. 在實際過程中百公里電耗因車型、季節(jié)和交通情況的不同而改變，選擇5～30 kW·h/(100 km)作為私人電動汽車百公里電耗來開展情景分析. 由圖4可見，隨著私人電動汽車百公里電耗的提升，其生命周期碳減排效果呈下降趨勢，且在低減排區(qū)域下降趨勢更明顯. 部分地區(qū)(如河北省)當百公里電耗提至一定數(shù)值后，私人電動汽車不再具有碳減排效果. 這是因為當私人電動汽車百公里電耗提高時，燃料周期的碳排放會升高，從而影響私人電動汽車的碳減排效果，但高減排區(qū)域綠色的電力能源結構減緩了其碳減排效果降低的趨勢.

圖4 典型省份百公里電耗對碳減排效果的影響Fig.4 The impact of electricity consumption economy on carbon emission reduction in typical provinces

圖5 典型省份汽車質量對碳減排效果的影響Fig.5 The impact of vehicle weight on carbon emissions reduction in typical provinces

2.2.3車質量的情景分析

汽車質量的輕量化已成為汽車實現(xiàn)碳減排的重要途徑之一[46]. 根據(jù)實際數(shù)據(jù)和調研發(fā)現(xiàn)，目前大部分私人電動汽車質量集中在500～2 500 kg，汽車質量的變化對碳減排效果的影響如圖5所示. 由圖5可見，當私人電動汽車質量增加時，其生命周期的碳減排效果也隨之降低. 特別是在河北省，當私人電動汽車質量大于 1 682 kg時，河北省私人電動汽車生命周期不具有碳減排效果; 不同地區(qū)私人電動汽車質量對于碳減排效果的影響大小基本一致，這是由于當私人電動汽車質量提升時，汽車制造所需原料消耗量提升，導致該階段的碳排放升高，減弱了私人電動汽車生命周期的碳減排效果.

3 結論與啟示

a) 從私人電動汽車全生命周期看，在我國31個省(自治區(qū)、直轄市)私人電動汽車的推廣均可帶來一定的碳減排效果，說明以私人電動汽車為汽車“低碳化”路線的首要選擇在中國具有合理性和正確性. 但私人電動汽車的碳減排效果具有地區(qū)差異性，全生命周期碳減排量為0～27.74 t，碳減排率為0～70.69%，造成地區(qū)差異性的主要原因是不同地區(qū)發(fā)電能源結構與技術的不同，較高的煤電比例使得部分地區(qū)私人電動汽車的推廣無法產生良好的碳減排效果. 所以，未來需根據(jù)不同地區(qū)碳減排效果的差異酌情制定相應的私人電動汽車推廣計劃，在高、中減排區(qū)域大力扶持私人電動汽車的推廣發(fā)展，促進私人電動汽車保有量的增加，在低減排區(qū)域從根本進行發(fā)電過程能源結構的優(yōu)化，加大水能、風能和核能等清潔能源發(fā)電比例.

b) 在中、低減排地區(qū)私人電動汽車全生命周期的碳排放量主要集中在燃料周期階段，而在高減排區(qū)域，汽車材料周期為私人電動汽車的主要碳排放階段；同時，私人電動汽車在燃料周期以及汽車報廢回收階段都具有一定的碳減排效果. 而汽車材料周期由于加入電池這一高排放部件，使得私人電動汽車材料周期階段相對于傳統(tǒng)燃油汽車具有增排效果.

c) 百公里電耗和車質量在很大程度上會影響私人電動汽車生命周期的碳減排量和碳減排率，而報廢里程只對碳減排量有較大影響，對碳減排率影響較小. 報廢里程和百公里電耗的影響還具有地區(qū)差異性，私人電動汽車報廢里程對高減排區(qū)域碳減排效果影響較大，而百公里電耗對低減排區(qū)域碳減排效果影響較大. 所以在未來私人電動汽車的技術發(fā)展過程中，要通過技術的提高來不斷增加私人電動汽車電池的使用里程，加快電池制造技術的“綠色化”和私人電動汽車的“輕量化”，實現(xiàn)私人電動汽車資源的充分利用和碳減排效果的最大化.