基于“能源碳足跡”的純電動汽車的技術(shù)經(jīng)濟研究

王善生，甘凌霄，郭晨悅，羅軒

（1.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院,廣東廣州510640；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州510640；3.華創(chuàng)證券有限責(zé)任公司，貴州貴陽550004；4.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

隨著世界石油資源的日益枯竭以及人們對自身居住環(huán)境的關(guān)注，純電動汽車開始受到全世界的青睞，各國政府和工業(yè)界均在加大政策支持力度[1]。目前，國外的電動汽車也已開始進入市場。大量電動汽車充電主要在夜間，這既能改善電力負荷曲線，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，又能實現(xiàn)環(huán)保的目的[2]。我國電動汽車起步較發(fā)達國家晚，但是發(fā)展很快。各汽車生產(chǎn)商都積極投入到研發(fā)電動汽車的行列[3]。國內(nèi)幾大汽車生產(chǎn)商積極響應(yīng)，有的甚至已經(jīng)推出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動汽車。2009年初，科技部、財政部、發(fā)改委、工信部4部門組織啟動了節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點工作（簡稱“十城千輛”工程），支持在北京、上海、重慶等13個城市的公交、出租、公務(wù)、環(huán)衛(wèi)和郵政等公共服務(wù)領(lǐng)域示范推廣電動汽車。預(yù)計在未來3年內(nèi)，將形成50萬輛純電動、充電式混合動力和普通型混合動力等新能源汽車產(chǎn)能，新能源汽車銷量占乘用車銷售總量的5%左右[4]。該文從能源碳足跡的角度對電動汽車及其配套充電站進行了技術(shù)經(jīng)濟比較。

1 純電動汽車的特點及其對電網(wǎng)的影響

1.1 電動汽車的類別

電動汽車主要有純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車3種。純電動汽車是完全由二次電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池等）提供動力的汽車，是實現(xiàn)節(jié)能減排和能源安全戰(zhàn)略的重要途徑，也是未來汽車工業(yè)發(fā)展的重點[5]。混合動力電動汽車是指車上裝有2個以上動力源，目前混合動力汽車一般是指內(nèi)燃機車發(fā)電機，再加上蓄電池的汽車。燃料電池電動汽車是以燃料電池作為動力源的電動汽車。具有完全無污染的優(yōu)點，但目前燃料電池的許多關(guān)鍵技術(shù)還處于研發(fā)試驗階段[6]。

1.2 V2G的定義

純電動汽車是完全由可充電電池（如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池）提供動力源的汽車。電力系統(tǒng)現(xiàn)在用V2G（Vehicle-to-grid）描述了電動汽車與電網(wǎng)的關(guān)系。當(dāng)電動汽車不使用時，車載電池的電能銷售給電網(wǎng)的系統(tǒng)；如果車載電池需要充電，電能則由電網(wǎng)流向車輛。

1.3 純電動汽車的特點

相對于傳統(tǒng)的燃油汽車，純電動汽車具有以下優(yōu)點。

1）無污染、噪聲小。純電動汽車不產(chǎn)生尾氣污染，有益于空氣的潔凈。

2）能量轉(zhuǎn)換率高。據(jù)研究表明，其能源效率已超過汽油機汽車[7]。

3）可減少對石油的依賴，可將有限的石油用于更重要的方面[8]。

4）平抑電網(wǎng)的峰谷差。純電動汽車可在夜間利用電網(wǎng)的廉價“谷電”進行充電，有利于電網(wǎng)的峰谷平衡，改善電網(wǎng)的負荷特性，減輕電網(wǎng)的調(diào)峰壓力[9]。這也是純電動汽車對電網(wǎng)最為顯著的貢獻。

1.4 純電動汽車對電網(wǎng)的影響

純電動汽車對電網(wǎng)的影響大體上可以分為2類。

1） 純電動汽車對電網(wǎng)運行的影響。少數(shù)電動汽車接入電網(wǎng)充電對電網(wǎng)運行的影響微乎其微，但是如果大規(guī)模的電動汽車接入電網(wǎng)，電網(wǎng)將迎來全新一輪的負荷沖擊。如果按規(guī)劃的50萬輛，每臺汽車5 kW的充電功率進行計算，假設(shè)每天約有1/10的電動汽車需要集中在晚上進行充電，那么電動汽車對電網(wǎng)的負荷需求達到了25萬kW。這就一方面要求電網(wǎng)公司必須對配網(wǎng)進行建設(shè)與改造，提高供電能力；另一方面要求電網(wǎng)公司通過需求側(cè)響應(yīng)，利用合理的電價機制對汽車用戶進行科學(xué)的用電指導(dǎo)，提高電能的實際利用率。

所謂需求側(cè)響應(yīng)（DR-Demand Response），就是指用戶在正常的消費方式下，根據(jù)市場電價變化，或通過所激勵報酬機制降低高峰時電價，或在系統(tǒng)可靠性受到威脅時進行反應(yīng)，改變其固有用電模式的行為，提高用電效率。而電動汽車靈活充電的特點正好為電力需求側(cè)響應(yīng)的應(yīng)用提供了平臺。當(dāng)然不可避免地，電動汽車中大量的非線性充電設(shè)備會產(chǎn)生一些諧波電流和諧波電壓，對電力系統(tǒng)造成諧波污染甚至損壞設(shè)備。

2）純電動汽車對電網(wǎng)經(jīng)營的影響。雖然純電動汽車充電業(yè)務(wù)會給電網(wǎng)公司的收益帶來一定的積極作用且國家也正在對電動汽車給予一定的政策支持，但是考慮到充電時間限制（至少每輛8分鐘），充電站必須預(yù)留足夠的停車位，所以占地面積較大。一個中小型充電站（10個充電樁左右）的投資為300萬元左右。在一定的充電電流倍率下，充電功率與電池容量相關(guān)，結(jié)合家用車輛電池容量的分布，假設(shè)其在20~30 kW·h范圍內(nèi)呈均勻分布[9]。表1為充電站經(jīng)濟效益分析。

表1 中小型充電站經(jīng)濟效益分析Tab.1 Economic benefits analysis of small and medium-sized charging station

由表1可見，電動汽車產(chǎn)業(yè)固定投資的回收期較長。即使有國家產(chǎn)業(yè)政策扶持，行業(yè)發(fā)展加快，充電站最快也需要近15年的資本回收期。如果電網(wǎng)公司僅憑自己力量開展充電站及相關(guān)業(yè)務(wù)，短期內(nèi)營利是非常困難的，同時會造出一定的資金套牢。

2 電動汽車“能源碳足跡”的技術(shù)經(jīng)濟比較

碳足跡是指人類活動過程中所排放的溫室氣體轉(zhuǎn)化的CO2等價物，來衡量人類對地球環(huán)境的影響[10]。國際通用的“碳足跡”計量方法是將6種溫室氣體的排放量都轉(zhuǎn)換為CO2[11]。而“能源碳足跡”則是根據(jù)我國能源折算系數(shù)，將能源的具體消耗量折算為統(tǒng)一的能量單位，再以該化石能源的能源碳足跡為標(biāo)準，合算出研究區(qū)域內(nèi)能源消耗所產(chǎn)生的“碳足跡”。各種能源轉(zhuǎn)換參數(shù)如表2所示[12-13]。

表2 各種能源轉(zhuǎn)換參數(shù)Tab.2 Conversion parameters of various energies

式中,D為森林的面積，m2；C為每百公里消耗單位能源的量；E為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

在不計及發(fā)電廠碳排放的基礎(chǔ)上，節(jié)能型燃油汽車與純電動汽車的碳足跡分析結(jié)果如表3所示。

表3 兩種汽車的碳排放分析Tab.3 Carbon emissions analysis of two autos

通過以上分析，純電動汽車相對于汽油車，在碳排放方面具有無可比擬的優(yōu)勢。如果進一步追蹤發(fā)電側(cè)的碳足跡，視全部電量來自于火電廠，在忽略輸電網(wǎng)損，按火電機組煤炭平均利用率η=50%等情況下，2種汽車的碳足跡如表4所示。

表4 計及發(fā)電側(cè)的兩種汽車碳排放分析Tab.4 Carbon emissions analysis of two autos considering the power generation side

由表4可知，即使計及發(fā)電側(cè)，電動汽車的碳排放也比汽油車減少35%左右。眾所周知，發(fā)電廠生產(chǎn)階段需要消耗大部分的化石燃料?；剂先紵奶甲阚E最高可達1 000 g CO2eq/kW·h；如果低碳能源（碳足跡＜100 g CO2eq/kW·h）可以替代化石燃料，致使大部分的CO2排放來自發(fā)電廠非生產(chǎn)階段，那么電力產(chǎn)業(yè)的碳足跡將會大大減少[14]。

在2009年以后，隨著我國火力發(fā)電比例的不斷下降、清潔能源的比例進一步提高、供電標(biāo)準煤耗的進一步降低等，電動汽車的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益將更加顯著。單位煤耗及火電比例的中長期預(yù)測如圖1所示。

圖1 單位煤耗及火電比例的中長期預(yù)測Fig.1 Long term forecasting of unit coal consumption and proportion of thermal power

如果進一步將單位煤耗和火電所占比例等概念引入公式（1），公式變成（2），具體分析見表5。

表5 電動汽車碳排放潛力分析Tab.5 Carbon emission potential analysisof electric vehicles

其中，η為火電機組煤炭利用率（取0.5）；β為火電所占能源比例，%；F為單位煤耗，g。

3 兩種汽車的經(jīng)濟指標(biāo)分析

如果我國5年之內(nèi)開征碳稅，（碳稅carbon tax是指針對CO2排放所征收的稅。它以環(huán)境保護為目的，希望通過削減CO2排放來減緩全球變暖），并提出碳稅制度的實施框架[15],那么電動汽車的低碳優(yōu)勢將可以最大程度的轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟效益，直接促進我國電動汽車事業(yè)的發(fā)展。在不計及碳稅的情況下，電動汽車與汽油車的經(jīng)濟性分析如表6所示。

表6 2種汽車的經(jīng)濟性分析Tab.6 Economic analysis of two autos

4 結(jié)論

電動汽車是潛力巨大的新興用電市場。發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)，推動電動汽車的普及應(yīng)用，是國家能源戰(zhàn)略和低碳經(jīng)濟的大勢所趨。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展及國民環(huán)保意識的提高，電動汽車將越來越展現(xiàn)出其卓越的綜合效益，逐步取代傳統(tǒng)的燃油汽車。特別是到2020年以后，隨著國家政策的傾斜、蓄電池技術(shù)瓶頸的突破、電力需求側(cè)響應(yīng)機制的完善、碳稅制度的建立，清潔能源比例的提高等，電動汽車才能真正的迎來它的黃金時期。

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