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发展纯电动车,云南比加州更有减排优势?

任何一个经济体的电力系统的碳强度(一个电力系统所生产的单位电量的二氧化碳排放量,即生产的总电量与其对应的二氧化碳总排放的比值:kgCO2/kWh)是影响充电电池电动车是否带来碳减排效应的最重要因素。如果电力系统以化石能源发电主导,尤其是以煤炭为主,那么电力系统碳强度就很高,汽车的电动化也无法实现气候效益。

 

电源结构组成是决定电力系统碳强度的最直接因素,可再生能源占比越高,电力系统碳强度越低,电动车发展带来的碳减排效应就越明显。纯电动车在碳强度高的电力系统使用时,减排效应方面甚至逊于油电混合动力车,与传统燃油车相比,优势也并不显著。那么,究竟可再生能源比例分别达到怎样的水平,在减排效益上,纯电动车可以相应胜过传统燃油车或者油电混合动力车呢?

 

丰田Prius VS 尼桑Leaf: 减排效应孰高孰低?

美国麻省理工学院的实验室MIT Trancik 最近公布了一款计算工具Carbon Counter (carboncounter.com),帮助使用者计算在不同电网的碳强度条件下各种轻型乘用车辆全生命周期的单位里程碳排放水平。这里的全生命周期的碳排放指车辆生产过程、电动车电池生产过程、燃料(包括汽油和电)生产过程和燃料使用过程中的碳排放。

 

传统燃油车的碳排放占比最高的来自燃烧汽油过程所排放的二氧化碳,其次是汽油在制造过程中的碳排放,占比最少的是车辆生产过程中的排放。而对于纯电动车来说,占比最高的是电动车行驶所用的电力在其生产过程中所排放的二氧化碳,其次是电池生产过程中的二氧化碳排放,最后是车辆生产中的碳排放;对于油电混合动力车来说,一般来说,来自汽油燃烧过程的排放和生产汽油过程中的排放处于前两位,次之是车辆生产过程中的排放,最后是电池生产中的排放。油电混合动力汽车所使用的电池的容量要远远低于纯电动车,因此其对应的碳排放从绝对量上来说,要比纯电动车电池生产过程中的排放小很多。

 

笔者运用这一工具,比较了四款车型在三种电力系统碳强度的情形下的全生命周期碳排放。显然在在三种情境下,传统燃油车的碳排放水平始终处于最高,特斯拉Model 3的排放水平始终处于最低。而在美国电网和北达科他州的情景下,油电混合动力车型Prius的排放水平要低于纯电动车型尼桑leaf。而在加州电网情景下,两款纯电动车Model 3和Leaf的排放要显著低于Prius。这样的排放差异呼应了丰田CEO丰田章男不久前曾质疑日本纯电动车发展能带来显著的碳减排效应的观点。(我们在磐之石能源评论2021播客栏目最新一期节目中也讨论了这一话题,欢迎点击收听)

 

表1: 四款车型全生命周期的碳排放(gCO2eq/mile)

来源:MIT,carboncounter tool, Energy Information Administration (EIA);

注:关于车辆使用的参数如下:12000英里/年行驶里程(19300公里);城市行驶里程占比50%;车辆服役年限:12年;平均载客人数:1.7人/辆。

 

显然,美国全国、北达科他州和加州代表了碳排放强度非常不同的三种电力系统的情景。参照这三个电力系统的发电组成特点,中国目前的电力系统碳强度更接近哪种情景?在中国当下电网碳强度的情景下,纯电动车、油电混合动力和传动燃油车各自的碳排放水平又是怎样的情况呢?

 

中国:混合动力仍在减排方面拥有中、短期优势

中国电力系统碳强度与北达科他州的情形非常接近(如表2所示),因此在中国发展油电混合动力车与纯电动车相比仍具减排的优势。参照表1的数据,当前在中国发展纯电动车,其减排效应虽然高过传统燃油车,但是与混合动力车相比,情况要根据具体车型而定。特斯拉Model 3优势显著,但尼桑Leaf的全生命周期碳排放水平甚至高过丰田Prius。

 

中国电网碳强度可能需要经历10-15年,甚至更长的时间才能逐渐降至加州目前的水平。根据MIT Trancik 所提供的数据,2019年美国电网、加州电网、北达科他州电网的平均排放水平分别为450 gCO2eq/kWh、230 gCO2eq/kWh和600 gCO2eq/kWh。中国 2015年发电平均排放强度为601 gCO2eq/kWh,有研究估算到2020年强度降低为 574 gCO2eq/kWh。[1]


表2: 电力系统的发电量组成,2019年 (云南的数据为2018年)

来源:中电联、EIA。云南的电力低碳电力以水电占绝对主导,其次是风电和太阳能。

 

云南: 发展电动车的理想之地

由于电力交易机制、电网线路传输瓶颈、云南水电多为梯级开发的特点、电网调度的管理、电网容纳可再生能源的技术能力等诸多因素,拥有极为丰富水力资源的云南省仍然面临每年放弃大量水电的情况,2016、2017年均弃水电量超过300亿千瓦时,2018年弃水电量不到150亿千瓦时。[2] 尽管如此,云南2018年生产的3170亿千瓦时的总电量中仍以可再生能源电力为主,水电83%,风电6.9%,太阳能0.9%。[3]


表3: 不同车型碳排放水平:云南 VS 加州 (gCO2eq/mile)

 

在云南增加纯电动车市场占有量、发展低碳路面交通系统将带来巨大的碳减排效应。2018年中国火电单位发电量碳排放水平为841 gCO2eq/kWh。[4] 根据云南2018年发电总量及发电电源构成,可以估算云南2018年电网的单位发电量碳排放水平仅为77 gCO2eq/kWh。云南电力系统的碳强度仅有加州的三分之一。

 

笔者在此使用MIT Trancik 粗略对比了在云南和加州电网碳强度的情形下,四种车型的碳排放水平是怎样的。如表3所示,油电混合动力和传统燃油车的排放水平两种情境下差异不明显。而纯电动车的减排效应在云南电网情形下十分显著,M3 和Leaf 分别只有加州电网情形下的58%和56%。

 

如果云南借助电网碳强度低的优势大力发展纯电动车,或许可以很大程度上缓解大量弃水电带来的负面经济和环境影响的问题。在最近发布的一期“能源与气候海外智库报告解读”的播客栏目中讨论了这一问题。我们解读的报告是一篇讨论云南如何推进新一轮电力市场改革而获得更加环境和经济效益的报告。报告由哈佛大学肯尼迪政府学院的一个研究中心发布,欢迎读者点击收听。

 

结语:支持电动车发展应考虑地方电网碳强度的差异

借助MIT Trancik的模型工具,笔者对比了在不同电网情形下发展纯电动车和油电混合动力车替代传统燃油车的减排效应。尽管中国的电力系统单位发电量碳排放处于较高的水平,支持电动车和混合动力车替代燃油车当前就有显著的减排效应。在未来10-15年的时间,中国发展混合动力汽车也具有相当的减排效应。不过,这一时期,预计中国电网低碳发展趋势可能在2060碳中和的战略下加速,纯电动车的减排效果会逐年提高,并胜过油电混合动力车。

 

在实现电力系统低碳化的过程中,政府可以考虑为那些电网碳强度更低的地区,比如本文所讨论的云南省,提供更积极的激励政策,加速这些地区道路交通部门脱碳的步伐。不仅缓解因弃水、弃风、弃光导致电力利用效率低的问题,而且可以收获更大的碳减排效益。这一策略可以发挥各个地区在应对气候变化方面的不同优势,短期来讲,支持中国落实和提高巴黎协定下的国家自主排放贡献、长期来看,为实现碳中和战略带来各有特色的减排果效。


注释:

[1] 燃煤电站CO2 减排技术的探讨,毛剑雄. 分布式能源,2017,2(1):35-43

[2] 根据报告”China Trading Power: Improving Environmental and Economic Efficiency of Yunnan’s Electricity Market, Shuangquan Liu, and Michael Davidson., 2021”.中的Figure 2 所提供的数据估算而得。

[3] 同上,根据Table 1 所提供的数据计算而得。

[4] 中电联
 

作者:赵昂

校对:李颖、林佳乔

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