電動汽車的環(huán)境效益評估

魏哲林

（上海市電力公司 嘉定供電公司，上海 201800）

由于能源危機和環(huán)境污染的加劇，節(jié)能減排成了全球的共同課題，低碳經濟、低碳生活和低碳電力等概念被相繼提出。其中，電力低碳化發(fā)展的本意是減少化石能源的消耗，促進可再生能源的開發(fā)與使用，進一步改善能源供應結構，形成可持續(xù)的能源供應機制。這不但表現(xiàn)在用電方式的轉變上，而且也是減少化石能源的重要途徑，最典型的應用案例就是電動汽車［1］，電動汽車的推廣應用，同樣關系到減少溫室氣體的排放量［2］。

近期的霧霾天氣，嚴重地影響了人們的日常生活，這也使得推廣電動汽車的應用迫在眉睫。低碳發(fā)展，綠色城市，應用電動汽車代替燃油汽車，一方面可以緩解能源危機，另一方面也可以從源頭上控制對環(huán)境的污染，緩解日益嚴重的霧霾天氣。本文通過改變機動車中電動汽車的比例，并在電動汽車充電所需的電能來自火力發(fā)電的比例不斷變化的情況下，應用電動汽車環(huán)境效益評估模型來評估電動汽車的環(huán)境效益，并估算電動汽車的增長對PM2.5排放量的影響。

1 電動汽車環(huán)境效益評估模型

假設本文研究的電動汽車為純電動汽車，不產生任何排放物，也不會對環(huán)境造成影響。但是，其補償?shù)碾娔軄碓纯赡軙Νh(huán)境污染產生一定的影響。假設電動汽車充電所耗電能，分別來自火力發(fā)電、水力發(fā)電以及風力、光伏等新能源發(fā)電，并假設只有火力發(fā)電會排放污染性氣體，而其他發(fā)電形式的排放均為零。假設其余機動車都為燃油汽車。

假設某地區(qū)所耗電能中火力發(fā)電的比例為β，其表達式為：

式中：S火力為區(qū)域中所用的來自火力發(fā)電的電能；S總為區(qū)域中所用電能的總和。

假設區(qū)域內電動汽車數(shù)量占區(qū)域內機動車數(shù)量的比例為α，其表達式為：

式中：N電力為區(qū)域內電動汽車的數(shù)量；N機動為區(qū)域內機動車總數(shù)。

假設電動汽車的比例為α，充電所耗的電能為S充電，來自火力發(fā)電的電能為S，其表達式為：

則電動汽車充電所產生的各類等效污染物排放量Qi，可以通過計算式（4）得到：

式中：Qi為第i種污染物的排放總量；Pi為火力發(fā)電的第i種污染物的單位排放量；S為來自火力發(fā)電的電能。

則區(qū)域內電動汽車和燃油汽車的第i污染物排放總量Wi，可以用式（5）來表示：

式中：Ri為區(qū)域內燃油汽車的第i種污染物的排放量。

假如區(qū)域內的電動汽車完全由燃油汽車替代，那么產生的污染物排放總量Yi，可以通過式（6）計算得到：

式中：Yi為燃油汽車第i中污染物的排放總量；yi為燃油汽車單位行駛里程的排放量；L為燃油汽車的行駛里程。

則電動汽車產生的環(huán)境價值A，通過式（7）計算得到：

式中：A為電動汽車的環(huán)境價值；Bi為污染物的環(huán)境價值；Ci為污染物的等效減排量，Ci＝Yi－Qi。

2 電動汽車的類型

研究電動汽車的環(huán)境效益，先要確定電動汽車的類型，由此確定不同類型電動汽車的行駛距離，以便計算產生的等效污染物。通過分析我國電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、國家和地方發(fā)展電動汽車的規(guī)劃，得出我國未來的電動汽車發(fā)展方向［3］：2010年至2015年，電動車輛主要集中在出租車、公交車和公務車中進行示范運營；2016年至2020年，電動公交車、電動出租車和公務車運營模式已趨成熟，基本實現(xiàn)了規(guī)?；\營，但此時電動私家車的比例依然較低；2021年至2030年，將大力發(fā)展電動私家車，其數(shù)量將快速增加。

由此可以看出，我國現(xiàn)在的電動汽車的發(fā)展方向是先在公共服務交通領域進行示范發(fā)展，待技術及運行模式成熟以后再轉向私家車方向發(fā)展。因此，本文所研究的純電動汽車，主要是指純電動出租車、公交車、公務車和私家車。

1）電動出租車 根據(jù)北京地區(qū)出租車運營情況的調研報告，出租車的1天平均行駛里程為350～500km。每輛出租車由2名司機輪流駕駛，分小班和大班2種模式。小班模式的司機每12h換1次班；大班模式的司機每24h換1次班。由于日行駛里程較長，1次充電不能滿足運營要求，而且出租車的停運時間較短，一般選擇快速充電。假設出租車的日行駛里程為400km，設其百公里消耗電能為10kWh。

2）電動公交車 根據(jù)北京地區(qū)公交車運營情況的調研報告，公交車1天的行駛里程為150～200km。公交車的首班發(fā)車時間為6：00左右，末班時間為22：30左右。電動公交車的額定行駛里程約為200km，考慮到安全等因素，1次充電不能滿足全天的運營要求，因此白天運營時可以選擇快速充電，夜間停運時可以選擇常規(guī)慢速充電。假設公交車的日行駛里程為180km，設其百公里消耗電能為50kWh。

3）電動公務車 公務車作為政府、機關等部門用車，1天的行駛里程較短，平均為80km左右。在未執(zhí)行公務時即可進行充電。由于停運的時間較長，可以在停運時或用電低谷時選擇常規(guī)慢速充電。假設公務車的日行駛里程為80km，設其百公里消耗電能為10kWh。

4）電動私家車 私家車主要用于上下班以及休閑娛樂等，1天的行駛里程約為65km。私家車的用車時間較為集中，停車時間相對較長，可在居民停車場、商場超市停車場和單位停車場進行常規(guī)慢速充電。私家車1年的平均行駛里程約為2.5萬km［4］，由此可以得到其日均行駛里程約為68.5km。因此，假設電動私家車的日均行駛里程近似為68km，設其百公里消耗電能為10kWh。

3 電動汽車的環(huán)境效益評估

通過不斷改變電動汽車和火力發(fā)電的比例來分析電動汽車的環(huán)境效益情況。假設某地的機動車數(shù)量為500萬輛，電動汽車所占的比例α在0.1～1之間變化，每次增加0.1；而火力發(fā)電所占的比例β從1～0.1變化，每次減小0.1。假設我國生產1kWh的電能需要耗費標煤335g，其產生的污染物排放量與國際上其他一些國家的火電污染物單位排放量對比，如表1［5］所示。

表1 各國煤電污染物的排放對比 g／kWh

從表1的對比結果可以看出，按照我國的排放標準，我國煤電的污染物排放與其他國家相比，還存在一定差距，有待進一步提高。

根據(jù)文獻［6］和《國家重大科技產業(yè)工程項目電動汽車實施方案》，可以得到每百公里耗油10L的燃油汽車污染物排放成分以及每公里的排放量為：CO為17g／km，碳氫化合物 HC為2.70g／km，NOx為0.74g／km，CO2為320g／km，SO2為0.03g／km。對于溫室氣體折合系數(shù)，按照《京都議定書》所采納標準進行計算，每克HC相當于23g CO2，則歸算后的單位排放量為：CO為17g／km，NOx為0.74g／km，CO2為382.10g／km，SO2為0.029 5g／km。

根據(jù)電動汽車環(huán)境效益的評估模型，可以得到區(qū)域內的電動汽車和火力發(fā)電的比例變化所產生的污染物的排放總量，如圖1至圖4所示。

圖1 機動車CO總排放量變化圖

圖2 機動車NOx總排放量變化圖

圖3 機動車CO2總排放量變化圖

圖4 機動車SO2總排放量變化圖

從圖1至圖4對機動車總的排放量的仿真結果可以看出：當電動汽車比例為0.1、火力發(fā)電比例為1時，污染物的排放量達到最大值：CO為16 740t，CO2為385 220t，NOx為770.2t。當電動汽車比例為1，火力發(fā)電比例為0.1時污染物的排放量達到最小值：CO為1.35t，CO2為9 000t，NOx為41.6t。由此可以看出，污染物排放量隨著火力發(fā)電比例的下降和電動汽車比例的增加而減小，而且在電動汽車比例最大、火力發(fā)電的比例最小時，三種污染物的排放量達到最小。

從圖4可以看出，當電動汽車比例為0.1、火力發(fā)電比例為1時，SO2的排放量為112.6t，而當電動汽車比例為1，火力發(fā)電比例為0.1時，SO2的排放量為93.5t，排放量沒有減少很多。這是由于我國火力發(fā)電的SO2排放量較大，當電動汽車的比例增加時，其排放量反而增加，但是隨著火力發(fā)電的比例減少，SO2的排放量也應相應減少。也就是說，減小環(huán)境污染，一方面要增加電動汽車的數(shù)量和新能源的發(fā)電量，另一方面也要降低煤電的污染物排放量。

參考中國排污總量收費標準與中國電力行業(yè)各種污染物減排量的環(huán)境價值標準，各種污染物減排的環(huán)境價值標準：CO為1元／kg，CO2為0.023元／kg，SO2為6元／kg，NOx為8元／kg。根據(jù)電動汽車的環(huán)境效益評估模型，可以得到電動汽車產生的環(huán)境效益，如圖5所示。

圖5 電動汽車的日環(huán)境效益

由圖5得知，隨著電動汽車比例的增加，環(huán)境效益也在增加。當比例從0.1增加到1時，電動汽車的數(shù)量增加到10倍，相應產生的環(huán)境效益也增加到10倍。而隨著火力發(fā)電比例的減小，電動汽車產生的環(huán)境效益則不斷增大。當α＝1，β＝1時，產生的環(huán)境效益為2 386.1萬元，而當α＝1，β＝0.1時，產生的環(huán)境效益最大，為3 378.0萬元。由此可見，隨著電動汽車數(shù)量的增加，電網中火力發(fā)電的比例減小，清潔能源發(fā)電的比例增加時，電動汽車的環(huán)境價值將更加突出。

4 對PM2.5的影響

由于電廠燃煤和汽車尾氣排放等因素造成的PM2.5嚴重超標，使得我國近期頻頻遭受大范圍、長時間的嚴重霧霾天氣。雖然其單個顆粒極其細微（小于2μm），但是它來勢洶洶，遮天蔽日，危害人體健康，還嚴重影響交通出行及人們的社會經濟活動。為此，加強環(huán)境保護和減少排放已經成為全社會關注的焦點。

機動車尾氣是PM2.5的主要來源之一，在京Ⅴ標準中，單獨規(guī)定了汽車尾氣中PM2.5的限值為0.004 5g／km，達到了國際的排放標準。假設電動汽車的增長情況如上所述，而且發(fā)電地距離城市較遠，因此不考慮因發(fā)電產生的PM2.5的影響，可以估算出PM2.5的變化情況，如圖6所示。

圖6 PM2.5減排量

由圖6可以看出，隨著電動汽車比例的增加，PM2.5的減排量也相應增加，而且在電動汽車達到500萬輛時，每天可以減少3.303t的PM2.5排入大氣。因此，電動汽車的推廣使用將大大地改善環(huán)境質量。

隨著汽車保有量的不斷加大，未來若要真正改善機動車尾氣排放，解決霧霾污染問題，還得依靠發(fā)展零排放電動汽車。近年來，國家大力扶持新能源汽車的發(fā)展，各地政府也出臺了很多優(yōu)惠政策。上海市政府對部分電動汽車補貼近10萬元，而且可以免費擁有上海牌照。上海嘉定區(qū)作為電動汽車國際示范區(qū)，充電基礎設施發(fā)展迅速。目前，嘉定區(qū)已經建成3座充／換電站，并在全區(qū)各處總共擁有800個快速充電樁，這為電動汽車備足了“糧食”，將大大促進電動汽車產業(yè)的發(fā)展，更好地改善環(huán)境質量。截至2012年底，上海新能源汽車運行總數(shù)達2 431輛，其中公共服務用車實現(xiàn)千輛級目標，達2 131輛，私人用車300輛。曾經用于世博會的120輛純電動車，從2013年4月起正式服役上海公交，而23路、939路將成為上海純電動車營運線路。

5 結論

電動汽車行駛為“零排放”，其消耗電量換算成燃煤發(fā)電廠污染排放，明顯少于化石能源汽車尾氣的污染排放。世界氣候組織對傳統(tǒng)燃油車和電動汽車“油井到車輪”能源效率分析表明，電動汽車能源利用效率比傳統(tǒng)燃油車高出46%以上。同時，電動汽車普遍采用夜間充電，規(guī)模化應用后，能有效緩解城市電網日益嚴重的峰谷差問題，提高發(fā)電機組效率。也就是說，使用電動汽車后不但緩解了能源危機，還降低了對環(huán)境的污染。

隨著電動汽車“零排放”行駛比例的增加，發(fā)電比例中火力發(fā)電比例的減小，電動汽車的環(huán)境效益是十分顯著的。此外，大力推廣電動汽車的應用，也可以降低PM2.5的排放量，少一點霧霾危害。

［1］譚偉，何光宇，劉鋒，等.智能電網低碳指標體系初探［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（17）：1－5.

［2］Harris.A.Charge of Electric Car：Power Electric Vehicles［J］.Engineering ＆ Technology，2009，10（4）：52－53.

［3］羅卓偉，胡澤春，宋永華，等.電動汽車充電負荷計算方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（14）：36－42.

［4］張德欣，陳金川，劉瑩.北京市私人交通出行特征及發(fā)展對策［C］.第六屆交通運輸領域國際學術會議論文集.大連：大連理工大學出版社，2006.

［5］陳雷，刑作霞，李楠.風力發(fā)電的環(huán)境價值［J］.可再生能源，2005，5（123）：47－49.

［6］郭文雙，申金升，徐一飛.電動汽車和燃油汽車的環(huán)境指標比較［J］.交通環(huán)保，2002，23（2）：21－24.