劉麗麗 劉同禮 金小香

摘要：電動(dòng)汽車作為新能源的交通工具給人類社會(huì)提供新型驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，同時(shí)減少二氧化碳排放;但電動(dòng)汽車在制造以及使用過(guò)程中排放了多少二氧化碳，不同型號(hào)與驅(qū)動(dòng)性能各異的電動(dòng)汽車碳排放量能否到達(dá)國(guó)家碳排放減排要求？首先我們計(jì)算傳統(tǒng)汽車與電動(dòng)汽車的100公里碳排放，合理評(píng)估電動(dòng)汽車使用中的碳排放，最后推導(dǎo)出一個(gè)電動(dòng)汽車碳排放與跟蹤評(píng)估公式;這一公式引入一個(gè)可再生能源用電系數(shù)，通過(guò)公式對(duì)比純電動(dòng)汽車與HEV在生命周期結(jié)束時(shí)二氧化碳排放情況。電動(dòng)汽車能效的提升，充電電能來(lái)源追蹤，這都需要綜合考慮，以上可指導(dǎo)電動(dòng)汽車類型選擇及使用過(guò)程中碳跟蹤與評(píng)估。

Abstract： As a new energy vehicle， electric vehicle provides new driving force for human society and reduces carbon dioxide emission at the same time; however， how much carbon dioxide is emission in the manufacturing and use of electric vehicles， whether electric vehicles with different models and driving performance can be fulfill with the national carbon emission reduction requirements. Firstly， we could calculate 100 kilometer carbon emission of fuel automobile and electric cars， further reasonably evaluate the carbon emission in using of electric cars. Finally， we deduced a formula for carbon emission and tracking evaluation of electric cars; The formula introduces a power consumption coefficient of renewable energy. Through this formula， we knew the result of comparing the carbon emission of pure electric cars with HEV at the end of life. The improvement of energy efficiency of electric cars and the tracking of charging power sources need to be comprehensively considered， These could guide type choosing of electric vehicles and the carbon tracking and evaluation in use of electric vehicles.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;碳排放;可再生電能;跟蹤評(píng)估

Key words： electric vehicle;carbon emission;renewable electric energy;tracking evaluation

中圖分類號(hào)：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0196-03

0 ?引言

電動(dòng)汽車發(fā)展歷程一直在探索中前進(jìn)著，人類一直想用一種清潔能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源。然而在這個(gè)過(guò)程中人們進(jìn)行了很多不同方案的探索與嘗試。早期簡(jiǎn)單的純電動(dòng)汽車、后期的MHEV、PHEV、HEV、EV、氫燃料汽車，所有不同種類汽車選擇，都無(wú)一例外選擇最終轉(zhuǎn)換成電能對(duì)汽車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與控制，這也是人類迄今為止使用最為廣泛、最為深入的方向。這樣我們可以把汽車的電氣化進(jìn)程看成汽車進(jìn)化的主要路線圖，汽車電氣效能提高直接導(dǎo)致汽車能源效能提高。所以電動(dòng)汽車自身的發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)各種總成驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，但不管拓?fù)浼軜?gòu)怎么多變，本質(zhì)都是不斷追求電氣化效能提升，例如：輪轂電機(jī)的推廣與應(yīng)用會(huì)大大減小機(jī)械傳動(dòng)損耗而帶來(lái)效能提高。EV與混合動(dòng)力汽車哪個(gè)對(duì)碳平衡的貢獻(xiàn)更大？首先需要有效的評(píng)估方法，同時(shí)導(dǎo)入有效追蹤體系達(dá)到碳減排與碳中和要求。

1 ?電動(dòng)汽車碳排放的評(píng)估方法

1.1 二氧化碳排放與計(jì)算

根據(jù)中國(guó)國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)發(fā)布的2019年電力運(yùn)行情況顯示，2019年全國(guó)發(fā)電量75028億千瓦時(shí)，比上年增長(zhǎng)3.5%，其中火電52201億千瓦時(shí)，水電13044億千瓦時(shí)，核電3483億千瓦時(shí)，風(fēng)電4057億千瓦時(shí)，光電2243億千瓦時(shí)，由此我們大致可以判斷火力發(fā)電的占比70%。我們知道火力發(fā)電大部分使用的化石能源像煤炭、天然氣，所以會(huì)排放大量含有碳的氣體，其他發(fā)電過(guò)程屬于清潔能源發(fā)電基本很少排放含碳?xì)怏w，所以我們認(rèn)為電動(dòng)汽車的碳排放是將它的碳排放轉(zhuǎn)移到了電廠發(fā)電排放中。普通的燃油汽車直接通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的燃燒將烷烴類的化學(xué)物燃燒產(chǎn)生了二氧化碳的排放，那么這是我們需要計(jì)算電動(dòng)汽車與燃油車在基本相似情況下面碳排放的計(jì)算：比如我們算出1.5噸燃油車100公里的油耗，以及1.5噸電動(dòng)汽車100公里下面所消耗電量，這樣我們可以進(jìn)行對(duì)比兩者的排出二氧化碳數(shù)量，節(jié)能效果有多少。

1.1.1 燃油汽車的1L汽油的碳排放量

汽油分子含有C量5-8類烷烴的通稱以92#汽油，根據(jù)方程式

2C8H18+25O2=16CO2+18H2O

汽油的密度730g/L，730g汽油完全燃燒的排放CO2質(zhì)量為：

730×（44×16）÷（114×2）=2.254kg

1L汽油排放的CO2量為2.254kg。

1.1.2 電動(dòng)汽車1度電電能需要排放的氣體

我國(guó)現(xiàn)階段電廠發(fā)電每度電碳排放計(jì)算，從國(guó)家能源局最新供電煤消耗293.4克/千瓦時(shí)，我們以此來(lái)計(jì)算：

①反應(yīng)式：C+O2=CO2

②條件：標(biāo)準(zhǔn)碳元素含量68%;C分子量12;CO2分子量44;電廠每發(fā)出一度電就會(huì)產(chǎn)生二氧化碳：

293.4×0.68÷12×44=731.5克

當(dāng)然我們知道電量在生產(chǎn)過(guò)程的碳排放是占有主要部分，但是在它的傳輸與轉(zhuǎn)移過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一系列的損耗例如：電網(wǎng)損耗、電廠自身?yè)p耗、充電損耗。電網(wǎng)損耗8%，300MW機(jī)組電廠自身用電約為5%，本文按照5%計(jì)算，充電損耗4%。這樣我們?cè)谟?jì)算一下：火電廠排放二氧化碳（應(yīng)用到電動(dòng)汽車）全國(guó)有70%電為火電廠發(fā)出。

1×70%÷92%÷95%÷96%×731.5=697.5克

汽油車與不同型號(hào)的汽油車哪個(gè)更節(jié)油呢？下面我們需要詳細(xì)對(duì)比。

1.2 電動(dòng)汽車碳能耗對(duì)比

不同類型的電動(dòng)汽車與燃油車之間100公里的二氧化碳排放量對(duì)比。（表1、圖1）

PHEV“*”指該種車型各行駛五十公里所消耗能量.

從表1看出電動(dòng)汽車的碳排放量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)汽車、MHEV、PHEV，但是相比HEV汽車還缺少優(yōu)勢(shì)。

2 ?電動(dòng)汽車碳追蹤評(píng)估

生命周期清單分析對(duì)整個(gè)生命周期廢物排放和資源消耗等進(jìn)行量化的過(guò)程，這是生命周期評(píng)價(jià)分析重要環(huán)節(jié)，產(chǎn)品生命周期影響評(píng)價(jià)（Life Cycle Impact Assessment，LCIA）是對(duì)清單分析中的環(huán)境影響類型進(jìn)行定量或定性的綜合評(píng)價(jià)與描述。SETAC、ISO 和英國(guó)環(huán)保局都傾向于把影響評(píng)價(jià)定為一個(gè)三步走模型，分別是：分類與特征化、歸一化、量化。我們借用廢物排放中關(guān)于溫室效應(yīng)碳排放追蹤計(jì)算，可得到公式：

PCDS =PCM+PCP+PCU+PCR

PCDS 整車系統(tǒng)生命周期內(nèi)環(huán)境碳排放，PCM 為原材料開(kāi)采階段環(huán)境碳排放，PCP為生產(chǎn)階段環(huán)境碳排放，PCU為行駛階段環(huán)境碳排放;PCR為報(bào)廢回收階段環(huán)境碳排放。

2.1 全生命周期流程追蹤體系（表2）

這樣推理可以得到每種車型碳排放的表達(dá)式Y(jié)=PCM +PCP+PCU+PCR

這樣我們按照不同節(jié)能類型的車計(jì)算出初始碳排放量以及實(shí)際使用產(chǎn)生的二氧化碳排放量，最后加上報(bào)廢需要二氧化碳排放量，其中PCM+PCP與PCR是常量，原材料開(kāi)采、制造與報(bào)廢工藝決定兩者大小。中國(guó)最新碳排放交易權(quán)網(wǎng)站顯示汽車制造環(huán)節(jié)的碳排量占汽車整個(gè)生命周期比例大概7%，而報(bào)廢過(guò)程由于廢物利用出現(xiàn)碳排放負(fù)值。所以基于以上評(píng)估的復(fù)雜與繁瑣的情況，可否采用一種簡(jiǎn)化的碳排放追蹤評(píng)估方法。

我們引入一種較為簡(jiǎn)化的電動(dòng)汽車碳排放的計(jì)算與追蹤方法，能夠較為快速的估算電動(dòng)汽車碳排放的總量。這里給出了計(jì)算公式同時(shí)引入可再生能源用電系數(shù)，在不同可再生能源用電系數(shù)純電動(dòng)汽車的總里程碳排放有著很大的差異，這也觸發(fā)我們引起思考要加大可再生電能在純電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。

2.2 實(shí)際里程數(shù)的碳排放追蹤體系（表3）

不同型號(hào)汽車的初始碳排放的數(shù)據(jù)基于行業(yè)評(píng)估的已知數(shù)據(jù)，上面提到汽車制造占汽車全生命周期的7%左右碳排放量。結(jié)束里程是表示汽車生命周期結(jié)束時(shí)的總里程，所以我們可以推導(dǎo)出汽車二氧化碳總排放表達(dá)式：

M=α+kx×β/100

注：M是指汽車總的碳排放量，α是指汽車制造過(guò)程的碳排放量，β是指汽車生命周期總的行駛里程，kx是指汽車100公里的碳排放系數(shù)，因報(bào)廢過(guò)程產(chǎn)生二氧化碳是負(fù)值暫不計(jì)入考慮。

EV以特斯拉model3為例100公里綜合電耗16.2kWH，假設(shè)：全生命周期行駛150000km，β=150000km，kx=11299.5，所以M= （kx×）/0.93得M=1.8225×104kg（汽車制造占汽車全生命周期碳排放的7%）

如果對(duì)純電動(dòng)汽車加入一項(xiàng)補(bǔ)償系數(shù)即可再生能源用電系數(shù)：

km=0.7為中國(guó)現(xiàn)有火電發(fā)電的占比系數(shù)，這樣修正公式即為：M=α+kx×β/100在極端的情況來(lái)計(jì)算純電動(dòng)汽車的最優(yōu)碳排放，假設(shè)：總用電量≈可再生能源電量，所以m=0 最后公式變成：M=a這樣純電動(dòng)汽車碳排放將大大減少。然而，當(dāng)m=1時(shí)純電動(dòng)汽車對(duì)比HEV在碳排放上面又不具有優(yōu)勢(shì)，但純電動(dòng)汽車選擇可再生能源作為電能達(dá)到一定比例使用，它的優(yōu)勢(shì)就會(huì)大大提高。

那我們將純電動(dòng)汽車在不同的m值情況下全生命總里程的二氧化碳的排放量比較參考圖2，以及圖3為HEV與純電動(dòng)汽車在不同m值下面的總行駛里程碳排放對(duì)比（單位g）。

3 ?結(jié)論與展望

我國(guó)大城市的大氣污染已不能忽視，2019年全球的十大污染城市中中國(guó)有七個(gè)被列入全球大氣污染最嚴(yán)重之中， 汽車排放是主要污染源之一。現(xiàn)今我國(guó)人均汽車是每1000人平均180輛汽車， 但石油資源不足， 每年需進(jìn)口5-6噸石油， 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 假如中國(guó)人均汽車持有量達(dá)到現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家水平每1000人有600-800輛汽車，我國(guó)汽車持有量將成3-4倍地增加，石油進(jìn)口就成為大問(wèn)題。目前我國(guó)一次能源消費(fèi)以煤為主，2020已經(jīng)達(dá)到40億噸左右，必然帶來(lái)發(fā)電能源以煤為主。但當(dāng)一次能源消費(fèi)中煤炭逐漸降低可再生能源電能逐漸增加之后，用純電動(dòng)汽車替代燃油汽車，減排效果將十分明顯。所以純電動(dòng)汽車是未來(lái)的低碳汽車。因此在我國(guó)研究發(fā)展電動(dòng)汽車不是一個(gè)臨時(shí)的短期措施，而是意義重大的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考慮。

本文通過(guò)計(jì)算與比較我們知道電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)燃油車來(lái)說(shuō)是節(jié)能的，但相比HEV車型純電動(dòng)汽車就會(huì)顯得沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。那純電動(dòng)汽車碳減排從哪些方面提升改進(jìn)呢？

①電動(dòng)汽車系統(tǒng)效率優(yōu)化及最優(yōu)駕駛將會(huì)是一個(gè)方向，電動(dòng)汽車自身需要提高能效，提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率如：電池SOC的精度優(yōu)化、電控與電機(jī)的效率提高、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)能量損耗的降低，還有重要的一方面是降低電動(dòng)汽車自身重量，如引進(jìn)一些更輕的材料降低整車重量。

②我們可通過(guò)出臺(tái)政策法規(guī)有效追蹤可再生能源電能用于電動(dòng)汽車比如：降低可再生電能售價(jià)，鼓勵(lì)可再生電能電動(dòng)汽車充電從根本降低純電動(dòng)汽車碳排量。未來(lái)可再生能源產(chǎn)生電能在電動(dòng)汽車上面使用會(huì)越來(lái)越普及，同時(shí)推動(dòng)相應(yīng)的新型儲(chǔ)能電站的建設(shè)，并改善我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，盡量降低煤炭發(fā)電比例的同時(shí)提高我國(guó)煤炭發(fā)電的效率，以降低化石燃料的消耗，并加快其他清潔能源發(fā)電技術(shù)的研究，提高風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等清潔能源發(fā)電占比和效率。

③電動(dòng)汽車每年銷售量在100萬(wàn)以上，現(xiàn)還不斷增加，加大汽車產(chǎn)業(yè)的原材料工藝能耗降低力度及汽車制造工藝提高以降低電動(dòng)汽車的初始碳排放。

④最后建立電動(dòng)汽車碳排放追蹤及可再生電能在純電動(dòng)汽車的綜合應(yīng)用與評(píng)估，電動(dòng)汽車自身技術(shù)革新對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有良好意義。

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