貝爾弗爾中心丨使用電動汽車可否幫助中國減少二氧化碳排放
2019年08月16日13:36

原標題:貝爾弗爾中心丨使用電動汽車可否幫助中國減少二氧化碳排放

【編者按】

本文評估電動汽車在中國減少乘用車溫室氣體排放工作中發揮的作用。核心結論是:從全國平均影響看,使用電動汽車將略微降低溫室氣體排放量;如果能在製造電池環節採用更清潔的技術和先進工藝,提高車輛回收率,將可以更好地促進減少溫室氣體的排放。

本文第一作者喬欽彧,是清華大學汽車產業與技術戰略研究院博士生,主要從事與新能源汽車相關的能源和環境議題研究,曾於美國哈佛大學甘迺迪政府學院貝爾弗爾科學和國際事務中心環境與資源項目組進行學術交流活動。第二作者是該中心環境與資源項目主管。

本文原題“The Role of Electric Vehicles in Decarbonizing China’s Transportation Sector”,是貝爾弗爾科學和國際事務中心於2019年3月發佈的一份研究報告,包括執行摘要及參考文獻在內,總計32頁。

貝爾弗爾科學和國際事務中心(Belfer Center for Science and International Affairs),1973年作為“科學與國際事務項目”(PSIA)初設於哈佛大學文理學院,至1997年改用目前的名稱,致力於國際安全與外交、環境與資源以及科技政策方面的研究和教學。至2019年,該中心連續第六年在美國賓夕法尼亞大學“智庫與公民社會項目”(TTCSP)發佈的《全球智庫報告》(Global Go To Think Tank Index Report)“最佳大學智庫”分類排名中位列第1。

以下是對該報告要點的摘譯。小標題有調整,略去全部註釋和表格,具體技術細節請參考原文。發佈該譯文不代表我們認可其中觀點,請讀者明察。

從全國平均影響看,使用電動汽車將略微降低溫室氣體排放量。圖為2018年12月13日,山東青島,北京新能源汽車股份有限公司青島基地,等待安裝“心臟”的電動汽車。財新記者陳亮/視覺中國 資料圖

一、引言

全球交通業中的碳排放呈上升態勢。根據國際能源組織(IEA)的統計,交通業的二氧化碳排放量約為7.8Gt,占2017年燃料燃燒產生的二氧化碳總排放量的24%,並且這一比例還在上升。目前,公路交通占交通業二氧化碳排放量的70%,公路、航空、航運累計占30%。為減少這些碳排放,很多國家積極推廣電動交通工具、電動卡車和電動火車。(Gt,即10億噸。——編注)

根據中國的國家減排計劃,中國的二氧化碳排放量將在2030年達到峰值,二氧化碳強度(單位GDP的二氧化碳排放量)相較於2005年水平下降60%-65%。為達到這一目標,中國計劃減少固定和移動源的溫室氣體排放。在能源領域溫室氣體排放增長率顯著下降的同時,交通業碳排放的增長越來越吸引注意。本文分析中國減少乘用車溫室氣體排放的努力,並評估電動汽車在這項工作中發揮的重要作用。

2017年,中國機動車保有量超過2.17億,其中78%是私人車輛。中國機動車產銷量由2000年的210萬輛激增至2017年的2900萬輛。目前,中國機動車產量占全球的25%。

隨著全球新能源技術的發展,中國正努力發展更為先進的新能源汽車以取代內燃機車。這其中最有前途的選項是電池動力汽車。一系列研究顯示,傳統汽油和電動汽車間的能源效率和排放存在明顯差異,內燃機每公里的溫室氣體排放量是電動發動機的1.5倍。

在中國,這些研究會引發其他問題。電動汽車滲透至比如乘用車市場的速度有多快?存在的障礙是什麼?中國生產廠商將採用何種技術途徑?電池會變得更便宜嗎?它們會使用不同的原材料嗎?電動汽車支持設施和充電站建設將如何發展?

二、趨勢和技術分析

1.中國電動汽車政策發展

電動汽車發明要追溯到一百多年前。然而,由於成本太高、續航能力有限,消費者更加偏愛汽油汽車。20世紀初,電動汽車價格是同級別內燃汽車價格的三倍,但續航里程卻只有一半。1916年,汽車製造商停止製造電動汽車,轉向聚焦生產內燃機汽車。在之後的二十多年里,福特、通用、豐田和本田都不斷提高電動汽車技術,但由於政治、經濟和安全方面因素的限製,很多電動汽車研發成果都沒有轉化成商業產品。

在中國,第一輛現代的乘用電動汽車由比亞迪公司於2006年研發,這輛車使用磷酸鐵鋰作為電池的正極材料。同一年,中國中央政府開始支持電動汽車發展。中國的長期科技促進計劃“863工程”選擇了幾個新能源研究項目加以扶持。2008年,北京市政府在奧運會期間選用50輛電力公交車,以促進產業發展。在接下來的幾年里,中國政府又出台一系列支持政策,包括《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》、對消費者的補貼(最高到車輛價格的一半)以及更為嚴格的燃油經濟性和排放標準。

最初一些努力意在使中國企業在國際上獲得競爭優勢。氣候、能源和環境政策考慮是相對次要的推動因素。受益於政府的支持特別是大量補貼,電動汽車的產銷量均迅速增長。根據發展規劃,電動汽車年產量到2020年預計達到200萬輛。近年來的中國電動汽車產銷量,2015年是25萬輛,2016年41萬輛,2017年66萬輛,年平均增長率約為60%。如果中國能實現在2015-2020年製造共計500萬輛電動汽車的目標,電動汽車滲透率將達到車輛總數的2%-3%。

其他刺激電動汽車消費的措施還包括:

1)減稅。至2020年12月,消費者購買電動汽車不需要交付消費稅。

2)增加充電基礎設施建設投資。政府已經製定到2020年建設12000個充電站、480萬個充電設施的目標。

3)加大投資開發更先進的電池。開發能源密度更大、能耗更低並更能適應各種氣候條件的電池。未來中國所有的充電設施要達到3C(中國強製產品認證)標準,確保耐用、安全和穩定。

這些政策旨在使電動汽車對消費者更具有吸引力,並可以作為上述監管政策的補充。

簡言之,在政府的大力支持下,中國的電動汽車產業將保持高速發展。

2.中國電動汽車生產商和產品

所有符合資質的電動車都列在工業和信息化部(工信部)的網站上,但是並不是所有列在網站上的車輛都實際銷售。據一位工信部官員稱,中國一些汽車生產商申請新汽車資格是為確保在未來銷售新能源汽車,而非現在就真正銷售。

大多數在中國銷售的電動汽車是便宜的A0級(微型)和A級(緊湊型),其性能勉強能達到政府標準。這些電動車輛的價格,由於政府有對低端電動車的補貼,只有生產廠商出廠售價的大約30%,這也意味著電動汽車利潤很低,甚至沒有利潤。大多數中國汽車製造商傾向於製造小型電動車,因為這些車輛從曆史上看相對更受市場歡迎。面對正在快速發展的市場,大多數中國汽車製造商選擇生產小型電動汽車,但也有幾家公司繼續製造較大的電動車。

儘管中國的電動汽車生產商採取不同的策略,但是看起來,如果沒有補貼,中國領先的電動汽車廠商將更多製造低端電動車,而非高端電動車,以在小城市滿足中等收入家庭需求。

3.未來的充電設施

充電問題是中國電動汽車發展面臨的主要挑戰之一。與加油不一樣,充電需要很長時間,而且投資不足會導致效率低下。本小節主要涉及四個問題:1)未來充電設施普及率有多高?2)誰負責建造、擁有和運營這些充電設施?3)充電如何定價?4)電力行業能否滿足電動汽車帶來的新能源需求?

充電基礎設施的建設引起政府和汽車製造商的高度關注。中國國務院製定了投資計劃,以建立國家級的充電基礎設施。這一計劃將全國分為三個地區。第一類地區包括那些電動汽車銷量最多的地區,包括北京、天津、河北、上海和廣東。在2020年前,這些地區大約要建造7400座充電站(快速充電)和250萬個充電設施(慢速充電),以滿足266萬輛電動汽車需求。第二類地區包括吉林、河南、湖南、重慶和四川等省份,將建造4300個充電站和220萬個充電設施,以滿足233萬輛電動汽車需求。其他省份屬於三類地區,包括西藏、青海、新疆等沒有被納入國家電動車發展計劃的省份。在這些地區將建造400座充電站和10萬個充電設施,以滿足11萬輛電動汽車需求。

到2020年,在北京的所有住宅區附屬的停車場都要安裝充電設施,辦公樓、學校和醫院的充電設施覆蓋率將分別達到25%、20%、15%。電動車主應該能在北京市人口聚集區的900米內、其他地區的5公里內找到充電設施。

政府宣佈的計劃相當廣泛,電動汽車製造商和第三方公司將負責推進實施,並擁有大多數充電設施。一些電動汽車公司選擇自己運營充電設施,而政府則通過補貼方式給予這些公司支持。

到2017年底,大約有90%的充電設施由四家公司建造、運營、所有。這四家公司在不同城市提供充電服務,並得到省級政府部分補貼。比如在上海,政府承擔30%的充電設施建造費用。然而,由不同機構提供的充電技術不是標準化的,因此彼此不兼容。中央政府努力推進技術標準化,這樣電動汽車車主可以使用任一公司的充電設施。

充電收費價格反映了固定投資(包括建造充電設施的費用)和可變成本(即電價)。這些價格目前由省級政府規定。上海充電費用必須低於每千瓦時1.3元,充電費用還必須加上每日居民平均電價,大概0.5元每千瓦時。換言之,上海電動汽車用戶在利用共同設施充電的成本是1.8元每千瓦時(1.3元的充電費用加上0.5元的電費)。上海市政府在2020年前還另外為公共充電設施提供0.2元每千瓦時的補貼(每座充電站每年最多1000千瓦時)。

政府通過行政管製使電價保持低位,但是自2020年起,這些價格限製將會解除,充電價格可能會上漲。

根據最近的研究,美國類似設施的成本很高。美國類似居民區的二級充電站(大約6.6千瓦時),成本約為2354美元,而商業充電站(包括快速充電站)更為昂貴,成本在19648美元到192626美元之間。儘管我們無法得到中國的成本數據,但是更為昂貴的設施和安全費用未來將影響充電服務價格。

隨著越來越多的內燃機汽車被電動汽車取代,能源負擔會由石油轉向電力。根據中國國家電網公司的預測,到2020年,發電站的負載會提高12%。居民和商業建築將需要最大負載增幅,因為這些地方需要修建電動汽車充電裝置。但是,如果充電行為可以被引導到非高峰時段並得到平均分佈,因為使用電動汽車而帶來的每日電力負載的增幅將會降低。因為人們的充電行為是隨機的,我們利用統計學方法來預測電力需求。這些預測並不準確,因為隨著人們適應新產品,消費者行為也在不斷變化。政府必須對充電設施的位置越來越敏感。

三、溫室氣體排放影響

1.車輛類型和技術分析

中國大多數電動汽車都是緊湊型和微型車,我們選擇一輛平均水平的緊湊-微型電動汽車作為我們分析的依據。整車重量約為1464千克,包含一塊重量為164千克的電池。根據統計,2016-2017年間銷售最好的電動汽車整車重量在1300千克至1600千克之間,所以我們假設整車和電池的重量有10%左右的浮動,電池容量受重量影響,因為我們假定能量密度是固定的。

由於這些車輛的重量分佈在全球範圍內相似,我們可以使用橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)建立的“汽車系統成本模型”(ASCM)作為一般參數。一些其他的參數,例如汽車組成部分和流體的重量分佈,是由阿戈內國家實驗室(Argonne National Laboratory)所開發的“交通運輸中的溫室氣體、排放控製和能量使用模型”(GREET)引申出來的。並根據工程師調查估算不同組成部分中的各類材料成分,從已有的報告和文獻綜述中推斷。

一些研究提供了電動汽車不同的材料組成,反映了在其他國家銷售的電動汽車型號。我們對於電池規格的假設是基於中國發展自己的電池行業,而非從日本、韓國或美國進口電池。

2.研究範圍和假設

接下來我們通過全生命週期框架來分析中國的電動汽車。在本文中,製造前、製造中、運行和回收處理環境全部被考慮進來。車輛使用期間消耗的能量和材料是輸入,排放則是輸出。本文首先將電動汽車與汽油汽車在運行時的排放做一比較,在接下來的部分,我們加入生產和回收處理環節——即全生命週期分析。

為研究電動汽車溫室氣體排放的總量,我們基於第二部分的分析,假定了從2020-2030年間的三個電動汽車滲透率。我們通過線性增長值估算出2025年的滲透率,2030年電動汽車的生產率和滲透率則基於相關專家的研究。

測算電動汽車溫室氣體排放的方式是,每輛電動汽車的平均溫室氣體排放乘以道路上的電動汽車數量。此外,由於溫室氣體排放包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等,本研究利用二氧化碳等價物作為測量標準。根據2006年的研究結果,二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的轉化比例大約是1:25:298。

3.每輛電動汽車的溫室氣體排放估算

我們根據每100公里的電力消耗和中國電網的碳排放強度計算整個燃料生命週期的溫室氣體排放量。電動汽車的電力消耗和電動汽車的效率是根據“新歐洲駕駛循環”(NEDC)估算的,這是由歐盟開發,並由中國採用的駕駛條件通用模擬程序。但也有一些學者提出了在類似北京這樣城市的真實駕駛條件下,電力消耗要高於NEDC的估算。因此,為測算能源消耗,我們採用“真實”的駕駛數據。測算結果顯示,相關電動汽車每百公里能耗為15.07-17.71千瓦時,續航里程為141.7-147.4千米。

每個地區發電站的溫室氣體排放量各不相同,我們估算了北京(每千瓦時983克二氧化碳等價物)、上海(每千瓦時809克二氧化碳等價物)和廣東(每千瓦時687克二氧化碳等價物)三個因水力發電價格便宜而電動汽車相對普及率更高的省級行政區的平均排放率。根據這些地方的人口多少,通過加權平均測算出發電產生的二氧化碳等價物為每千瓦時729.6克。這一數字在2013-2015年間總體穩定,但是隨著可再生能源和核能的更多使用,這一數字可能在未來有所下降。經測算得知,平均每輛電動汽車行駛100公里,其產生的二氧化碳等價物在10.44-17.94千克間。

同時,中國緊湊-微型電動汽車平均每年行駛1.5萬公里,並可使用十年或以上。在十年使用時間里,我們選擇的電動汽車大約可以排放15.66-26.92噸二氧化碳等價物。作為比較,類似內燃機汽車能耗大約是每百公里6.5升汽油(92號,32MJ/L)。為保證有可比較性,我們同樣通過全生命週期視角分析汽油排放。這是根據中國的汽油轉化過程(包括石油鑽井和催化精煉)估算,汽油的生命週期排放量約為每87.7克二氧化碳等價物/MJ。內燃機汽車每行駛100公里的溫室氣體排放為18.24千克二氧化碳等價物,在全生命週期內,內燃機汽車釋放的二氧化碳等價物為27.36噸。這些數字並不包括生產階段釋放的溫室氣體。(MJ/L,即兆焦耳每升,兆焦耳是熱值單位。——編注)

因此,在使用小型電動汽車完全取代內燃機汽車,並使用清潔電站的理想情況下,三個地區的溫室氣體排放量減少從43%到2%不等。

4.全生命週期

當我們分析電動汽車整個生命週期的影響因素時,必須要考慮電動汽車的生產和回收階段。一些中國研究者已經分析了電動汽車生產階段和回收階段所產生的溫室氣體排放。

簡言之,配備有鋰鎳錳鈷電池的緊湊-微型電動車在生產階段產生的二氧化碳等價物大約是11.4-13.94噸,類似內燃機汽車產生的二氧化碳等價物大約是10.47噸。如果電動汽車材料在報廢時能被妥善回收並用於再生產,溫室氣體排放量大約可減少34%。內燃機車回收減少的溫室氣體排放量大約是30%。

由於電動汽車在生產階段釋放出更多的溫室氣體,電動汽車在生產和使用階段釋放出的二氧化碳等價物大約是28.43-39.49噸,僅比內燃機汽車的37.83噸略低。如果我們考慮回收階段,電動汽車全生命週期的溫室氣體排放量大約為24.96-33.48噸二氧化碳等價物,內燃機汽車溫室氣體排放量為34.69噸二氧化碳等價物。換言之,在交通行業利用電動汽車取代內燃機汽車會減少溫室氣體排放,但如果電動汽車沒有被回收,在生產階段產生的增加溫室氣體排放會填補這些減少的溫室氣體排放。

5.對乘用車領域總溫室氣體排放量的影響

根據在第二部分中對電動汽車銷售、擁有和滲透率的預測,即2025年超過8%、2030年達到20%,2020年可能實現3.04億噸的二氧化碳等價物減排。這一計算結果是基於北京、上海和廣州的電站。由於這三個城市都在努力減少發電站的常規和溫室氣體排放,因此其他地區的發電站排放量將增加,快速推廣大量電動汽車帶來的溫室氣體減排效果也將減弱。

如果考慮中國電力推廣使用清潔能源,電動汽車將會更為環保。隨著技術改進和可再生能源的使用,未來發電站的溫室氣體排放效應將進一步降低。因此,電動車在使用階段產生的溫室氣體也會降低,電動車和內燃機汽車之間的溫室氣體排放差異將擴大。最樂觀的估計事故,從長期看,電動汽車的使用將進一步減少乘用車領域的溫室氣體排放,但是這一效應在短期內可能不會那麼明顯。

換言之,如果能夠控製好充電汽車充電的時間、地點和電動汽車重量,中國到2030年能實現交通領域6.2%的減排目標。如果想進一步減排,中國要重點減少電池生產領域的溫室氣體排放,而這個排放目前還相當高。

四、結論

中國政府將致力於支持和推進電動汽車產業發展。對於充電設施的補貼將刺激第三方投資。購車補貼、減稅和控製充電費用將使電動汽車對消費者更具有吸引力。這些政策的目標是建立一個更為綜合性的電動車市場體系。

充電服務價格受到中央政府和省級政府的補貼。這些政策將在短期內提升電動汽車銷售,但是在長期內可能會減緩對充電站的投資,因為補貼導致的財政負擔增加最終將導致政府部門減少補貼。

根據本研究的計算,北京、上海、廣州三個地區的電動汽車溫室氣體排放量在每百公里10.44-17.94千克二氧化碳等價物之間。考慮到總里程數,每輛電動汽車在其壽命週期內的溫室氣體排放量在15.66-26.92噸二氧化碳等價物之間,比內燃機汽車要低43%。

但是,電動汽車生產製造階段的溫室氣體排放量約為11.40-13.94噸二氧化碳等價物,比製造內燃機汽車排放的溫室氣體要高0.93-3.47噸二氧化碳等價物。因此,當電動汽車取代內燃機汽車時,由於生產過程中的溫室氣體排放,特別是電池生產製造過程中的溫室氣體排放,全生命週期的溫室氣體排放減少約36%。相反,如果電動車都能被回收,那這種減少量可能削減一半。

儘管在製造階段的溫室氣體排放量較高,但是使用電動汽車還是可以減少運輸部門的溫室氣體排放。如果考慮區域差異,中國南方由於可以通過水力發電,實際減排量將更高,利用燃煤發電的中國北方減排量相對較低。

總結起來,我們的兩個主要結論是:

1)推廣電動汽車可能會增加某些地區的溫室氣體排放,但增加的排放量會因其他地區排放量下降而被抵消,因此從全國平均影響看,使用電動汽車將略微降低溫室氣體排放量。

2)從全生命週期分析看,電動汽車相對於內燃機汽車將減少溫室氣體排放量。如果能在製造電池環節採用更為清潔的技術和先進工藝,提高車輛回收率,將可以更好地促進減少溫室氣體排放。

(本文由魯力摘譯。)

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