電動汽車運行階段碳排放因子影響因素研究

唐一媛，毛保華，周 琪，高琦琦1

（1.北京交通大學中國綜合交通研究中心，北京 100044；2.綜合交通運輸大數據應用技術交通運輸行業重點實驗室，北京 100044）

0 引言

電動汽車運行階段碳排放因子指電動汽車在行駛過程中平均每公里的碳排放量，單位為gCO2/km。本文通過研究電動汽車運行階段碳排放因子，為電動汽車碳減排提供理論依據。幾十年來，許多學者對此開展了不少研究。

在電動汽車運行階段的碳排放因子和碳排放研究方面，呂晨等[1]根據車輛每百公里耗電量、全國平均電網排放因子，測算得到電動小客車的單車CO2排放因子為108 gCO2/km。么麗欣等[2]根據電動汽車單位里程電耗和電力生產過程的碳排放因子建立了車輛行駛過程中的碳排放量模型。當前大多研究在計算分析過程中直接使用文獻中的電力碳排放因子，缺少考慮不同發電結構對電動汽車運行階段碳排放因子的影響。孫涵潔[3]建立了電動汽車使用過程中的碳排放模型，并根據電力的綜合碳排放因子測算了電動汽車使用過程中的碳排放，還分析了不同發電比例情景下電動汽車使用過程的碳排放，但只考慮了火電、水電、核電的碳排放，并未將風電、太陽能發電全生命周期下產生的碳排放算入到電動汽車運行階段。Marczak和Dro?dziel[4]根據褐煤和硬煤的碳排放因子、發電效率和發電結構占比，測算得到2019年波蘭發電過程的碳排放因子為721 gCO2/（kW·h），得出了如下結論：汽車每公里耗電量為0.14～0.16（kW·h）/km時，二氧化碳排放量為100.94～115.36 g/km；但該研究在分析電動汽車運行階段的碳排放時，只考慮了褐煤、硬煤發電產生的排放，并未考慮其他發電方式全生命周期下的碳排放。

在研究碳排放影響因素方面，施曉清等[5]從報廢里程和不同電能結構的角度開展了對迷迪電動汽車溫室氣體排放的敏感性分析。么麗欣等[2]采用相關性分析法分析了車輛行駛里程、電網清潔化、能耗水平、電池能量密度、可再生材料利用率這五個影響因子對純電動汽車碳排放量的影響，并得出電動汽車的能耗水平每下降1（kW·h）/100 km，碳排放量將下降大約6 g/km的結論。劉爽等[6]用GaBi9.5軟件建模計算了電動汽車生命周期每個階段的碳排放量，并在關鍵碳排放階段選取動力電池包的質量、百公里耗電量進行敏感性分析?？傮w上看，目前的研究分析了影響電動汽車碳排放的多個因素，但從電池容量、續航里程角度對電動汽車運行階段碳排放因子的影響分析得不夠深入。

李梟和余海濤[7]指出在降低道路運輸裝備碳排放方面，要加快推動新能源汽車應用，擴大交通電力消費規模，降低化石燃料消耗。因此在既有研究基礎上，本文根據三個階段排放內涵簡要分析了電動汽車不同階段的碳排放，并重點研究了運行階段碳排放因子，分析了發電結構、電池容量以及續航里程這三個因素對電動汽車運行階段碳排放因子的影響。

1 全生命周期下電動汽車碳排放階段劃分

全生命周期是對某種產品或某項生產活動從原料獲取、加工、使用到最終報廢回收的一個過程[8]。電動汽車全生命周期可分為三個階段，即汽車生產階段、運行階段和拆解回收階段。生產階段指汽車各零件的生產加工過程；運行階段指自車主購買汽車時起到汽車報廢的過程，包括汽車的行駛、維修和電池的更換；拆解回收階段指車體和電池的拆解回收過程。全生命周期視角下的電動汽車排放階段劃分如圖1所示。

圖1 全生命周期視角下的電動汽車排放階段劃分Fig.1 Division of electric vehicle emission stages from the perspective of full life cycle

電動汽車生產階段的碳排放是指電動汽車各零件生產加工的碳排放。汽車各零件制造的原材料主要有鋼、鐵、鋁、銅、鎂、玻璃、塑料、橡膠、碳纖維、鎳、鉑等物質[9]，每一種材料的生產加工都會產生碳排放。相比于傳統燃油汽車，電動汽車在生產階段還有電池生產這一環節，而且電池生產的碳排放在生產階段所占比重較大，中汽中心在電動汽車動力蓄電池生命周期碳排放研究中指出電池生產過程占生產階段碳排放量的比例為55%[10]。

電動汽車運行階段的碳排放是指電動汽車行駛過程中所用電力從能源開采到使用各環節及電池更換、車輛維修產生的碳排放，這個階段大部分排放來自電力生產。電力的來源主要有：火力、水力、核能、風能、太陽能。其中，火力發電原料以煤炭、天然氣為主，在發電過程會釋放大量二氧化碳。雖然水力、核能、風能、太陽能是清潔能源[11]，但是從全生命周期視角下看，水電、核電、風電、太陽能發電也會排放二氧化碳[12?14]。我國2020年發電情況如表1所示，不難看出火力發電量占比最大，占總發電量的67.9%，因此降低火力發電的比重對減少運行階段的碳排放具有重要的意義。

表1 2020年中國發電情況[15]Tab.1 China’s power generation in 2020[15]

電動汽車拆解回收階段的碳排放是指報廢后汽車拆解、各零部件回收的碳排放，根據文獻[16]中的數據，這個階段的碳排放約占全生命周期總碳排放的4.5%。電動汽車在行駛一定的里程后，會達到報廢標準，機動車所有人應當在報廢期滿前將機動車交售給機動車回收企業。報廢的電動汽車經過一系列的拆解處理后，相關企業會對分離出的廢銅、廢鐵、廢鋁和廢鋼等進行冶煉，回收得到新的原材料。電池回收利用的工藝較為復雜，會產生碳排放。電池在使用壽命結束后如果不進行回收利用，將會對環境造成污染，因此對電池的回收利用至關重要。我國工信部、科技部、生態環境部、商務部、市場監管總局聯合發布了《新能源汽車動力蓄電池梯次利用管理辦法》，將加快推進汽車電池回收利用。

2 電動汽車運行階段的碳排放因子測算模型

電動汽車行駛過程中以電力為動力，運行階段的碳排放因子不僅取決于電力碳排放因子，也與汽車每公里耗電量、電網輸電效率有關，其中汽車每公里耗電量理論上為電池容量與續航里程的比值。運行階段的碳排放因子測算公式如下：

式中：c為電動汽車運行階段的碳排放因子，gCO2/km；c電為電力碳排放因子，gCO2/（kW·h）；R為每公里耗電量，（kW·h）/km；η表示電網輸電效率，%；Q表示電池容量，kW·h；L表示電池續航里程，km。

電力碳排放因子指發電廠生產單位電量所產生的碳排放。發電廠主要有火力發電（包括煤炭發電、天然氣發電）、核能發電、水力發電、風力發電及太陽能發電等發電方式，雖然核電、水電、風電及太陽能發電使用的是清潔能源，但是從全生命周期視角下來看，這幾種發電方式都會排放二氧化碳，而且不同發電方式產生的碳排放量也不同。電力碳排放因子取決于發電結構和各種發電方式全生命周期下的碳排放因子，測算公式如下：

式中：c電為電力碳排放因子，gCO2/（kW·h）；M表示發電廠總發電量，kW·h；αi表示第i種發電方式發電量占總發電量的比例，%；ci表示第i種發電方式全生命周期下的碳排放因子，gCO2/（kW·h）（i=1，2，3，4，5，6，分別表示煤電、天然氣發電、核電、水電、風電、太陽能發電）。

3 運行階段碳排放因子的影響分析

電動汽車在運行階段不直接產生碳排放，但其消耗的電力在生產過程中會排放二氧化碳。汽車在行駛過程中消耗電量越多，產生的碳排放也就越多，汽車每公里消耗的電量主要取決于電池容量和續航里程。因此，本文分析了發電結構、電池容量以及續航里程這三個因素對電動汽車運行階段碳排放因子的影響。

3.1 參數取值

本文的參數取值主要包含三類，分別是不同發電方式生命周期的碳排放因子、電動汽車每公里耗電量及電網輸電效率，取值如表2所示。

文獻[15]中火力發電量與燃煤、燃氣發電量之和存在差距，因此本文在測算2020年中國電力排放因子時，采用文獻[15]中2020年全國單位火力發電量二氧化碳排放數據832 g/（kW·h），得到2020年電力碳排放因子為572.84 gCO2/（kW·h）。

3.2 發電結構對運行階段碳排放因子的影響分析

下面將從發電結構的角度對比分析2020年中國和美國電動汽車運行階段碳排放因子，并基于國際能源署（International Energy Agency，IEA）對2030年中國不同情景發電量的預測數據，測算分析三種情景下電動汽車的碳排放因子。

3.2.1 2020年中國、美國電動汽車碳排放因子的對比分析

本文測算得到2020年中國、美國電動汽車運行階段碳排放因子分別為87.99、51.49 gCO2/km，中國約為美國的1.7倍。兩個國家發電結構上的差異導致了電力碳排放因子不同，從而影響電動汽車運行階段碳排放因子，表3為2020年中國和美國的發電結構，下面將從兩個國家的發電結構來分析中國電動汽車運行階段碳排放因子高于美國的原因。

（1）中國煤電占比高于美國。根據文獻[15]可知，2020年中國煤電占比超過了60%，而美國的煤電占比僅為19.30%。同時在所有發電方式中，煤電的碳排放因子最大。

（2）除火電外，在中國發電比重最大的是水電，占17.8%，而在美國占比最大的是核電為19.7%，從表2中可以看出，水電的碳排放因子要大于核電。

圖2為2001—2020年美國煤電和天然氣發電的情況，從圖中可以看出，這段時期美國的煤電占比呈下降的趨勢，由2001年的51.0%下降至2020年的19.3%；天然氣發電占比呈上升的趨勢，由2001年的17.1%上升至2020年的40.5%?！懊焊臍狻辈呗缘膶嵤е旅绹l電結構發生變化，同時天然氣發電的碳排放因子約為煤電的一半，這兩個原因促成了美國發電碳排放的大幅度下降，其電力碳排放因子由2001年的661 gCO2/（kW·h）下降至2020年的350 gCO2/（kW·h）[21]。2020年中國煤電占比超過了60%，中國可以借鑒美國的“煤改氣”策略，來控制發電端的碳排放，從而降低電動汽車運行階段的碳排放因子。

圖2 2001—2020年美國煤電和天然氣發電占比[20]Fig.2 Proportion of coal and natural gas power generation in the United States from 2001 to 2020

3.2.2 三種情景下電動汽車運行階段的碳排放因子比較分析

本文借鑒了國際能源署的《世界能源展望（2021）》中對2030年中國發電量預測的三種情景，分別是：既定政策情景（Stated Policies Scenario）、承諾目標情景（Announced Pledges Scenario）、可持續發展情景（Sustainable Development Scenario）。2030年我國三種情景下的發電結構如表4所示。

表4 2030年不同情景下的發電結構[22]Tab.4 Power generation structure under different scenarios in 2030[22]

既定政策情景是一個比較保守的情景，它并未要求政府實現所有宣布的目標，相反，它更重視為實現這些目標和其他能源相關目標而實際實施的措施，考慮了現有和正在制定的政策和措施。

承諾目標情景假設世界各國政府做出的所有氣候承諾都將按時實現，包括國家確定的國家自主貢獻（NDC）和長期凈零目標。

可持續發展情景假設目前所有凈零排放承諾都已全部實現，并且努力實現短期減排；發達經濟體在2050年達到凈零排放，中國在2060年左右達到凈零排放，所有其他國家最遲在2070年達到凈零排放。

測算得到既定政策、承諾目標、可持續發展情景的電動汽車碳排放因子分別為63.85、62.41、54.32 gCO2/km，相較于我國2020年的情況，這三種情景電動汽車碳排放因子分別下降了27.4%、29.1%、38.3%。從情景制定的要求來看，既定政策情景只需考慮現有和正在制定的政策、措施，是最容易實現的；而承諾目標情景需要按時實現國家確定的國家自主貢獻（NDC）和長期凈零目標；可持續發展情景是最難實現的，要求目前所有凈零排放承諾都已全部實現，并且努力實現短期減排。這三種情景的減排力度也是越來越大的，如表4所示，相較于2020年的發電結構，這三種情景的煤電占比下降了32%～44%，風電的比例增加了2～3倍，太陽能發電的比例增加了3～4倍。從三種情景的減排趨勢來看，我國應大力發展風能、太陽能等可再生能源發電技術，逐步提高非化石能源發電占比，持續優化電力結構。

3.2.3 續航里程和電池容量對運行階段碳排放因子的影響分析

電池的容量越大，汽車儲能能力就越強，續航里程相對就會越大。在發電結構和電池容量等因素不變的情況下，續航里程越大，汽車運行階段碳排放因子就越??；在發電結構和續航里程等因素不變的情況下，電池容量越小，汽車運行階段碳排放因子就越小。

本文選取了2020年中國新能源乘用車銷量排名靠前的部分電動汽車，其續航里程和電池容量如表5所示，這些電動汽車目前的續航里程為151～556 km，電池容量為13.8～75.0 kW·h。理論上電動汽車每消耗1 kW·h的電可以行駛6.20～12.32 km，汽車的每公里耗電量為0.08～0.16 kW·h。在此基礎上，結合我國2020年的發電結構，可以測算出電動汽車運行階段碳排放因子為48.55～97.09 gCO2/km。

表5 部分電動汽車的技術參數Tab.5 Technical parameters of some electric vehicles

電池容量分別為20、40、60 kW·h時，不同續航里程下電動汽車運行階段碳排放因子如圖3所示。當電池容量一定，續航里程從100 km增加至200 km時，碳排放因子下降的速度很快，隨著續航里程數的不斷增加，電動汽車碳排放因子下降的速度逐漸緩慢。電池容量為20 kW·h的電動汽車續航里程為100 km時，碳排放因子為121.36 gCO2/km，當續航里程提升至200 km時，碳排放因子降為60.68 gCO2/km，下降了50%；而續航里程從200 km提升至300 km時，碳排放因子下降了33%。

圖3 電池容量和續航里程對碳排放因子的影響分析Fig.3 Impact analysis of battery capacity and mileage on carbon emission factors

2008—2012年生產的第一代特斯拉跑車電池容量為53 kW·h，續航里程為393 km，汽車每公里耗電量為0.135（kW·h）/km；將在2023年生產的第二代特斯拉跑車電池容量為200 kW·h，續航里程為1 000 km，汽車每公里耗電量為0.200（kW·h）/km。第二代特斯拉跑車的續航里程雖遠大于第一代，但是其每公里耗電量為第一代的1.5倍。因此要在續航里程、電池容量之間找到平衡，實現較長續航里程和減排的雙目標。

4 結論

本文分析了發電結構、電池容量和續航里程對電動汽車運行階段碳排放因子的影響，從發電結構角度對比了2020年中國和美國電動汽車運行階段碳排放因子，得出如下結論：

（1）2020年中國、美國電動汽車運行階段碳排放因子分別為87.99、51.49 gCO2/km，中國約為美國的1.7倍，主要是因為中國的煤電比例高于美國，且美國可再生能源發電比例較高。因此，我國應大力發展可再生能源發電技術，逐步提高非化石能源發電比重，降低煤炭發電占比，不斷優化發電結構，從而為降低電動汽車運行階段碳排放因子打下基礎。

（2）在我國2020年的發電結構下，電池容量為20 kW·h的電動汽車續航里程從100 km提升至200 km時，運行階段碳排放因子從121.36 gCO2/km降至60.68 gCO2/km，下降了50%。在發電結構和電池容量相同的情況下，提高續航里程能有效降低電動汽車運行階段的碳排放因子。因此，我國應不斷突破電池技術難題，優化電池性能，從而降低電動汽車碳排放。

（3）第一代特斯拉跑車續航里程為393 km，電池容量為53 kW·h；第二代特斯拉跑車續航里程為1 000 km，電池容量為200 kW·h。在相同的發電結構下，第二代特斯拉跑車的續航里程雖遠大于第一代，但其運行階段碳排放因子約為第一代的1.5倍。因此要在續航里程、電池容量之間找到一種平衡，更有利于實現較長續航里程和減排的雙目標。