杭州市公交車油改電項(xiàng)目碳排放效益核算

應(yīng)紫敏, 吳 旭,楊 武,*

1 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310058 2 浙江省經(jīng)濟(jì)信息中心,杭州 310006 3 浙江大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,杭州 310058

由溫室氣體(Greenhouse Gas, GHG)大量排放導(dǎo)致的氣候變化已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第五次報(bào)告中明確指出：“1983—2012年是過去1400年來(lái)最熱的30年。20世紀(jì)末期全球平均地表變暖主要取決于累積的CO2排放[1]?！?2013年人源碳排放量達(dá)360億t,其中中國(guó)占29%,碳排放總量已超過美歐總和[2]。中國(guó)碳排放量的激增主要來(lái)源于工廠[3]和發(fā)電廠[4],而交通運(yùn)輸行業(yè)[5]正成為不斷增大的排放源之一。例如電力生產(chǎn)過程中化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2約占到人類活動(dòng)碳排量24%[6],鑒于我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)以及利用效率等情況,我國(guó)電力實(shí)際碳排量約占全國(guó)總排量的40%[7]。

2015年,我國(guó)在《巴黎協(xié)定》中承諾到2030年實(shí)現(xiàn)單位GDP的CO2排放較2005年下降60%—65%,非化石能源消費(fèi)占能源消費(fèi)總量占比達(dá)到20%左右的目標(biāo)[8]。在碳減排背景下,我國(guó)各級(jí)政府出臺(tái)多項(xiàng)鼓勵(lì)新能源的政策?？萍疾吭?009年推出“十城千輛”目標(biāo),被選中城市將開展示范運(yùn)行約1000輛新能源汽車[9]。2012年我國(guó)制定《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[10]提出：“我國(guó)將以純電動(dòng)汽車為主要戰(zhàn)略方向,并計(jì)劃到2020年新能源汽車占到50%”。2015年1月,浙江省提出對(duì)杭州市和寧波市的低碳公交等進(jìn)行主體性試點(diǎn)項(xiàng)目[11]。同年12月,在《關(guān)于印發(fā)浙江省創(chuàng)建國(guó)家清潔能源示范省行動(dòng)計(jì)劃(2016—2017年)的通知》[12]中指出：“積極推廣電動(dòng)汽車,2016年和2017年分別增加7500輛以上電動(dòng)汽車?！焙贾菔泄患瘓F(tuán)從2008年就開始應(yīng)用油電混合動(dòng)力客車、純電動(dòng)客車多元化等提升公交綠色環(huán)保性能。截至2017年4月,杭州市城區(qū)共有公交車4974輛,各類清潔能源、節(jié)能與新能源車輛比例達(dá)到95.94%。其中混合動(dòng)力公交車共計(jì)856輛,占全部公交車的17.21%,純電動(dòng)公交車共計(jì)2312輛,占全部公交車的46.48%,其中比亞迪有1820輛,上汽萬(wàn)向有400多輛,長(zhǎng)江有14輛,比亞迪占純電動(dòng)客車總數(shù)的78.72%。

20世紀(jì)90年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開展關(guān)于新能源汽車(純電動(dòng)汽車、天然氣汽車和混合動(dòng)力汽車等)替代傳統(tǒng)燃油汽車的碳排放效益分析研究。當(dāng)前,車輛碳排放研究主要通過美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的GREET(Greenhouse Gases,Regulated Emissions,and Energy Use in Transportation)軟件和清華大學(xué)的Tsinghua-LCAM(Tsinghua University Life-cycle Analysis Model)模型來(lái)進(jìn)行全生命周期評(píng)估(LCA,Life-cycle Assessment)[13]。在此基礎(chǔ)上,研究人員對(duì)車輛的不同區(qū)域[14-16]、不同類型[17-20]、不同燃料[21-24]、不同生命周期階段[23-25]的碳排放量、能耗和污染物排放量等進(jìn)行了大量定性和定量研究,已有研究結(jié)果表明車輛車型[16- 19]、輕質(zhì)材料使用情況[25-26]、車輛實(shí)際運(yùn)行工況[27-28](包括駕駛方式、實(shí)際路況和氣候條件等)、公交車運(yùn)行路線[29]、電力生產(chǎn)來(lái)源和電池充電行為與運(yùn)行效率[30]等都會(huì)影響純電動(dòng)車輛和傳統(tǒng)油耗車的碳排放效益比較。當(dāng)前研究普遍認(rèn)為車輛油改電后碳減排效益將增加。Arar[15]的研究表明結(jié)合美國(guó)電力能源結(jié)構(gòu)計(jì)算得到美國(guó)乘用車和輕型卡車油改電后碳排放量顯著減少,且將在2020年碳減排36%。黎土煜等[13]通過GREET軟件,運(yùn)用LCA理論構(gòu)造車輛相應(yīng)階段并結(jié)合車型和路況信息構(gòu)建公交車模型,研究結(jié)果表明純電動(dòng)公交車替代傳統(tǒng)燃油車將使得CO2排放量減少19.7%。王寧[18]和宋凌珺[19]利用GREET模型分別分析純電動(dòng)公交車和電動(dòng)卡車“油井到車輪”CO2排放量,并與傳統(tǒng)柴油公交車對(duì)比后得到碳減排率分別為20.2%和5.3%。歐訓(xùn)民等[31]通過清華LCAM模型對(duì)在中國(guó)背景下使用的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車溫室氣體排放量進(jìn)行LCA模擬,得到純電動(dòng)汽車在2015和2020年預(yù)計(jì)碳減排率分別為28.99%和40.83%。但也有部分研究認(rèn)為當(dāng)前中國(guó)不同區(qū)域電力背景下車輛油改電后碳減排效益差異較大,部分甚至為負(fù)效益。李書華等[28]指出電動(dòng)汽車油改電碳排放效益情況和電力產(chǎn)生來(lái)源的不確定性等直接相關(guān)。康利平等[32]和宋永華等[33]的研究認(rèn)為當(dāng)前東北、華北區(qū)域電力背景和全國(guó)平均的電力背景下電動(dòng)汽車油改電后碳排放增加,而南方和華中地區(qū)碳減排效益暫不清楚。從以上現(xiàn)有研究成果可知：雖然當(dāng)前通過LCA理論并借助相應(yīng)軟件對(duì)車輛油改電碳排放情況已有不少研究,但鑒于城市相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、能源結(jié)構(gòu)、車輛類型及分析模型的差異性等導(dǎo)致的車輛油改電后碳減排效益并不一致且具有顯著時(shí)空差異性,因此深入開展城市層面純電動(dòng)公交車與柴油公交車LCA碳排放研究對(duì)明晰相關(guān)地區(qū)碳減排政策效益十分必要。本研究針對(duì)杭州地區(qū)推動(dòng)公交車純電動(dòng)車轉(zhuǎn)型計(jì)劃具有一定現(xiàn)實(shí)意義。本文以杭州市柴油公交車改電動(dòng)公交車(簡(jiǎn)稱公交車油改電)政策為例,評(píng)估政策在全生命周期下的碳減排效益。具體研究目標(biāo)包括：(1)在生命周期框架下核算杭州市純電動(dòng)和柴油公交車制造、運(yùn)營(yíng)維護(hù)與報(bào)廢過程、以及電力與柴油的生產(chǎn)、運(yùn)輸和配送過程中產(chǎn)生的碳排量,通過比較兩者差異來(lái)評(píng)估公交車油改電政策的碳減排效益;(2)根據(jù)未來(lái)煤電技術(shù)和能源結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)果,模擬基準(zhǔn)、低碳和強(qiáng)化低碳三種情景下全面推行公交車油改電政策的碳減排效益情況。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究方法

生命周期評(píng)價(jià)法(Life Cycle Assessment, LCA)是對(duì)產(chǎn)品從初始到終結(jié)全過程的分析方法,被形象地稱為從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡脑u(píng)估。LCA流程包括原料獲取、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用維修和報(bào)廢回收五部分[34]。生命周期評(píng)價(jià)框架一般包括4個(gè)階段：目標(biāo)與邊界范圍的確定(確定功能單位)、過程清單分析(數(shù)據(jù)收集與建模)、影響評(píng)價(jià)(計(jì)算)和結(jié)果解釋[28,35]。采用基于詳細(xì)過程的生命周期評(píng)價(jià)方法,通過研究純電動(dòng)和柴油公交車從原料生產(chǎn)到報(bào)廢回收各階段碳輸入和輸出情況,核算相關(guān)過程碳排量。

1.1.1 確認(rèn)評(píng)估對(duì)象、目標(biāo)與邊界

評(píng)估對(duì)象是指被研究的純電動(dòng)和柴油公交車,涵蓋了從其原材料獲取到生命周期末尾的報(bào)廢回收全過程。目標(biāo)與邊界范圍的確定主要包括系統(tǒng)邊界、功能單位和假設(shè)等[36]。所評(píng)估的兩類公交車具體參數(shù)如表1所示。兩類車主要差異體現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)方面,如圖1所示,其他部分如資源獲取和相近材料碳排系數(shù)默認(rèn)近似相等。

功能單位為公交車行駛1km。研究邊界從車輛材料生產(chǎn)到車輛報(bào)廢回收過程中涉及到的各碳排放階段,包括燃料上游階段(如燃料原料生產(chǎn)與運(yùn)輸和燃料生產(chǎn)與輸送)、燃料下游階段(燃料消耗)、公交車原材料生產(chǎn)與加工(純電動(dòng)公交車包括電池系統(tǒng))、裝配與制造、運(yùn)行、配套設(shè)施運(yùn)營(yíng)和報(bào)廢回收。

1.1.2 建立公交車生命周期模型

純電動(dòng)和柴油公交車生命周期評(píng)估的示意圖如圖2所示。

圖1 純電動(dòng)公交車和柴油公交車車輛解構(gòu)圖Fig.1 Deconstruction diagram of pure electric bus and diesel bus

項(xiàng)目Project純電動(dòng)公交車 Pure electric bus柴油公交車 Diesel bus整車質(zhì)量Overall vehicle weight12000kg13300kg電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)特征Motor/Engine features永磁同步電機(jī)YC6L280-42輪胎數(shù)Number of tires68充電/輸油效率Charging/Dispensing efficiency/%90100百公里耗電/油量Power/Oil consumption per 100 kilometers120kWh/100 km40L/100km

圖2 純電動(dòng)公交車和柴油公交車生命周期各階段Fig.2 Life cycle assessment of pure electric bus and diesel bus at all stages

(1)燃料周期：燃料生命周期也稱井到輪(Wells-to-Wheels, WTW),對(duì)井到輪階段的研究通常細(xì)化為井到泵(Well-to-Pump, WTP)也稱燃料上游周期和泵到輪(Pump-to-Wheels, PTW)也稱燃料下游周期[40]。涉及的燃料包括柴油公交車和純電動(dòng)公交車所使用的柴油和電力。柴油上游階段包括原油開采和運(yùn)輸[13,28,41]、煉油生產(chǎn)和柴油輸送[29-30]。我國(guó)柴油煉油生產(chǎn)階段每噸消耗71.629kg燃料油[42],生產(chǎn)損耗為0.5%[28]。我國(guó)柴油生產(chǎn)工廠到柴油補(bǔ)充站總共涉及8個(gè)環(huán)節(jié)的損耗,損耗率為0.27%[28],電力生命周期碳排與杭州市電力能源結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。電力上游階段包括原煤開采與生產(chǎn)[13,28,41,43-45]、電煤運(yùn)輸[46-48]和其他原料生產(chǎn)與運(yùn)輸[28,37,43],電網(wǎng)輸電線路平均損失率6.47%[49]。燃料下游即車輛燃料柴油和電力消耗[28,40],將此過程放置車輛周期運(yùn)行階段進(jìn)行核算,此處不重復(fù)核算。

(2)車輛周期：車輛生命周期包括原料生產(chǎn)與加工、裝配與制造、車輛運(yùn)行、設(shè)施運(yùn)營(yíng)與維護(hù)、報(bào)廢與回收。柴油原料生產(chǎn)與加工階段包括鋼、鐵、軋鋁、鑄鋁、銅、玻璃、塑料、橡膠等[28,46-47,49],而純電動(dòng)公交車還需考慮電池。目前市場(chǎng)上電動(dòng)車電池的循環(huán)使用壽命已達(dá)到2000次或10年以上[10],設(shè)定其生命周期內(nèi)將更換一次電池。裝配與制造在生產(chǎn)流程上兩類車沒有太多區(qū)別。整車制造涉及沖壓、焊接、涂裝和總裝四大工藝。四大工藝最終通過電力、空氣壓縮量、水量、蒸汽量、天然氣量和循環(huán)水量的消耗產(chǎn)生碳排放[13],假設(shè)兩種公交車裝配階段工藝一致。車輛運(yùn)行階段考慮生命周期內(nèi)柴油和電力消耗。設(shè)施運(yùn)營(yíng)與維護(hù)階段中柴油公交車涉及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng),碳排放分別為0.014g CO2eq/km和0.024g CO2eq/km[50],純電動(dòng)公交車需新建充電樁和換電站等設(shè)施,其中充電樁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)碳排放為4.74g CO2eq/km[51],兩階段碳排放比例分配參照柴油公交車,換電站建設(shè)碳排量參照單位面積建筑碳排放[52]。將就公交車維護(hù)中典型產(chǎn)品輪胎[53-54]進(jìn)行核算。一般情況,綜合路況下輪胎行駛里程不超過6萬(wàn)km。根據(jù)《機(jī)動(dòng)車強(qiáng)制報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定》,公交車使用年限13年。柴油公交車和純電動(dòng)公交車運(yùn)行階段假設(shè)每天行駛200km,生命周期里程約95萬(wàn)km。純電動(dòng)公交車耗電量為120kWh/100km,充電效率為90%,柴油公交車耗油量為40L/100km,加油效率本文設(shè)定為100%[37-39,55],柴油燃燒碳排量為2.645kg/L[42,56]。報(bào)廢與回收階段主要有直接同用、翻新回用、材料重熔、用于其他、能量回收和填埋六種途徑,80%以上涉及材料回收利用[57-58],因此對(duì)車輛鑄鐵、長(zhǎng)鋼、扁碳、鋼、軋鋁、擠壓、鋁鑄和鋁[28,47]六種主要回收材料進(jìn)行核算。柴油和純電動(dòng)公交車車輛材料[28,16]和電池材料[28]的質(zhì)量分布、制造產(chǎn)率Y和材料碳排放系數(shù)如表2和表3所示,回收材料[47]的質(zhì)量分布、汽車報(bào)廢回收比、回收相關(guān)碳排系數(shù)β(當(dāng)β大于0則表示材料在車輛周期外的初級(jí)生產(chǎn)即可抵消車輛在生產(chǎn)制造和使用階段的碳排放)和材料碳排系數(shù)(其中Ip和Is分別代表車輛材料生產(chǎn)過程中和報(bào)廢后回收的單位碳排量)如表4所示。

表2柴油公交車和純電動(dòng)公交車材料重量分布、制造產(chǎn)率和材料碳排放系數(shù)

Table2Weightdistribution,manufacturingyields,andcarbondioxideemissioncoefficientsformaterialproductionfordieselbusandpureelectricbus

材料Material柴油公交車 Diesel bus/kg純電動(dòng)公交車 Pure electric bus/kg制造產(chǎn)率Y Manufacturing yieldCO2排放系數(shù) CO2 emission factor/(g/kg)鋼Steel747688310.76821鑄鐵Cast iron13082660.81209鍛鋁Wrought aluminum2641330.619436鑄鋁Cast aluminum5527320.820588銅Copper2286250.53670玻璃Glass3484650.51954塑料Plastic133216090.56478橡膠Rubber2762390.53951

1.1.3 碳排放情景模擬

基于未來(lái)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化[43-45,59-60]和煤電技術(shù)發(fā)展[46-47,60-64],在2020、2035和2050年的基準(zhǔn)、低碳、強(qiáng)化低碳情景下,對(duì)杭州市公交車油改電項(xiàng)目進(jìn)行碳減排模擬?；鶞?zhǔn)、低碳、強(qiáng)化低碳情景設(shè)定基于我國(guó)超高壓機(jī)組(UU)和亞臨界機(jī)組(SU)和國(guó)際先進(jìn)的超臨界機(jī)組(SC)、超超臨界機(jī)組(USC)和煤氣化聯(lián)合循環(huán)的煤電技術(shù)組合(IGCC),IGCC電站可通過在煤炭燃燒前分離和捕集CO2顯著減少單位電力生產(chǎn)的碳排放量。此外當(dāng)前碳捕集和封存技術(shù)(Carbon Capture and Storage, CCS)發(fā)展迅速,該技術(shù)可將捕集的CO2長(zhǎng)期封存在地下,碳減排率可達(dá)90%[46],具體如表5所示。

表3純電動(dòng)公交車電池材料重量分布、制造產(chǎn)率和材料生產(chǎn)碳排放系數(shù)

Table3Weightdistribution,manufacturingyields,andcarbondioxideemissioncoefficientsforbatterymaterialproductionforpureelectricbus

電池材料Battery material質(zhì)量Weight/kg制造產(chǎn)率YManufacturing yieldCO2排放系數(shù)CO2 emission factor/(g/kg)磷酸鐵鋰Lithium iron phosphate78612843石墨Graphite34311117粘合劑Adhesives5913339銅Copper2560.53065鍛鋁Wrought aluminum4490.611200鋼Steel330.72279電子元件Electronic component28140472六氟磷酸鋰 LiPF642120616碳酸乙烯酯Ethylene carbonate12512019碳酸二甲酯Dimethyl carbonate12512019塑料:聚丙烯 Plastic: Polypropylene400.54887塑料;PE Plastic:PE280.55411冷卻液∶乙二醇Coolant∶Ethylene glycol2411775

表4柴油公交車和純電動(dòng)公交車回收材料質(zhì)量分布、汽車報(bào)廢回收比、回收相關(guān)碳排系數(shù)和材料碳排系數(shù)

Table4Massdistribution,carscraprecoveryratio,carbonrecoveryratio,andmaterialcarbonemissioncoefficientofrecycledmaterialsfordieselbusandpureelectricbus

材料Materials柴油公交車Diesel bus/kg純電動(dòng)公交車Pure electric bus/kg汽車報(bào)廢回收比Vehicle scrap and recycling ratio/%回收相關(guān)系數(shù)βRelevant recycling factor/%生產(chǎn)過程回收碳排放LpCarbon emissions of recycling during production/(g CO2/kg)報(bào)廢過程回收碳排放LsCarbon emissions of recycling during Scrap/(g CO2/kg)鑄鐵Cast iron5320480091.60-8.501.870.399長(zhǎng)鋼Long steel1995180092.005.401.870.399扁碳鋼Flat carbon steel5719516093.3078.301.870.399軋鋁Rolled aluminum13312085.1076.5010.510.69擠壓鋁Extruded aluminum13312081.3073.1010.510.69鑄鋁Cast aluminum66560081.30-3.4010.510.69

表5 2020、2035和2050年煤電技術(shù)情景設(shè)定[46]

當(dāng)前杭州市有2312輛純電動(dòng)公交車,混合電動(dòng)公交車折合1/2純電動(dòng)公交車核算。我們假設(shè)杭州市公交車總量恒定在5000輛, 且到2050年全城均為純電動(dòng)公交車,則2020年車輛數(shù)約3000輛,2035年約4000輛。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及的數(shù)據(jù)包括燃料周期的燃料上游、燃料下游和車輛生命周期包括原料生產(chǎn)與加工、裝配與制造、車輛運(yùn)行、設(shè)施運(yùn)營(yíng)與維護(hù)、報(bào)廢與回收各階段的物質(zhì)和活動(dòng)等碳排系數(shù)及消耗量。相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源主要是文獻(xiàn)、比亞迪官網(wǎng)、杭州公交車集團(tuán)、杭州市能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃、國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、國(guó)家能源局、國(guó)家發(fā)改委能源研究所、全國(guó)電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)快報(bào)(2016)、中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒(2015)、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室GREET模型等。公交車全生命期排放的CO2占溫室氣體排放量的99.8%,且鑒于本文研究尺度,只計(jì)算生命周期CO2排放量,不包括其他溫室氣體。

1.3 計(jì)算模型

本文基于生命周期框架,采用排放系數(shù)法計(jì)算碳排量,單位為克二氧化碳當(dāng)量每千克物質(zhì)(CO2eq/kg)。公交車生命周期各階段計(jì)算公式如下所示：

(1)燃料生產(chǎn)運(yùn)輸生命周期碳排放計(jì)算公式[28]為：

If=Ce×E×S

(1)

式中,If表示燃料生產(chǎn)運(yùn)輸過程中碳排放量;Ce表示燃料當(dāng)量排碳放系數(shù);E表示能源利用效率;S表示能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比例。

(2)公交車原料生產(chǎn)與加工碳排放計(jì)算公式[28,47]為：

(2)

式中,Ip表示公交車原料生產(chǎn)與加工碳排放量;Mi表示材料生產(chǎn)質(zhì)量;Ci表示材料碳排系數(shù);Yi表示材料生產(chǎn)產(chǎn)率。

(3)公交車運(yùn)行階段碳排放計(jì)算公式[67]為：

(3)

式中,Iu表示公交車運(yùn)行階段碳排放量;FE表示公交車百公里耗油/電量;EF表示單位電力或柴油碳排量;U為公交車行駛里程;TE表示充電效率/輸油效率。

(4)公交車運(yùn)營(yíng)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)階段碳排放計(jì)算公式為：

Ic&m=(Ic+Im)×U

(4)

式中,Ic&m表示公交車運(yùn)營(yíng)設(shè)施建設(shè)和維護(hù)階段碳排放量;Ic表示公交車公交車運(yùn)營(yíng)設(shè)施建設(shè)階段碳排系數(shù);Im表示公交車運(yùn)營(yíng)設(shè)施維護(hù)階段碳排系數(shù);U為公交車行駛里程。

(5)公交車回收過程中碳排放計(jì)算公式[47]為：

(5)

式中,Ire表示公交車回收過程中碳排放量;Ipi代表車輛材料生產(chǎn)過程中回收的單位碳排量;Isi代表車輛材料報(bào)廢后的回收單位碳排量;Mi代表不同材料質(zhì)量;β表示回收相關(guān)碳排系數(shù),當(dāng)β大于0則表示材料在車輛周期外的初級(jí)生產(chǎn)即可抵消車輛在生產(chǎn)制造和使用階段的碳排放。

1.4 不確定性分析

由于部分?jǐn)?shù)據(jù)缺乏和涉及核算條目繁瑣等原因,生命周期評(píng)估中部分非核心過程如車輛運(yùn)輸和車輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)中除電池和輪胎外等階段碳排量核算暫時(shí)忽略,部分過程如柴油生產(chǎn)、車輛原料生產(chǎn)、動(dòng)力電池生產(chǎn)和報(bào)廢車輛材料回收等只核算重點(diǎn)原料和零部件。部分參數(shù)缺乏時(shí)采用其他相關(guān)參數(shù)替代或設(shè)定一定假設(shè)前提如因柴油加工過程數(shù)據(jù)缺乏而使用石油制品加工業(yè)平均水平數(shù)據(jù)來(lái)替代和用全國(guó)電力輸送平均損耗率替代杭州市電力輸送損耗率等,此外如柴油輸送過程中的漏油和車輛加油過程中的揮發(fā)等損耗量等也暫時(shí)被忽略。因此本文生命周期碳排量核算結(jié)果存在不確定性,但這些不確定過程產(chǎn)生的碳排量相比生命周期內(nèi)其他排量占比非常小,因此這種不確定性不足以影響研究的結(jié)論。

2 核算結(jié)果與討論

2.1 單輛公交車碳排放核算結(jié)果與討論

根據(jù)已有數(shù)據(jù),對(duì)杭州市柴油公交車和純電動(dòng)公交車全生命周期碳排放量進(jìn)行了評(píng)估,具體評(píng)估結(jié)果如下。

2.1.1 燃料周期碳排情況

原油開采和運(yùn)輸過程中CO2排放量分別為89.179t和25.252t。柴油加工過程CO2排放量為86.380t。柴油運(yùn)輸階段CO2排放量為12.066t。因此,柴油的燃料生命周期CO2排放總量為212.877t(表6)。

電力生產(chǎn)中原煤生產(chǎn)和電煤運(yùn)輸階段CO2排放量分別為39.429t和5.299t,其他原料生產(chǎn)和運(yùn)輸階段CO2排放量為18.648t。2016年電廠煤電和水電碳排系數(shù)分別為769.704g CO2·kWh-1和173.3g CO2·kWh-1,天然氣碳排比煤炭低43%[51],天然氣電碳排系數(shù)為438.731g CO2·kWh-1。電力生產(chǎn)過程CO2排放量為704.442t,電力運(yùn)輸過程CO2排放量為49.678t。因此,電力生命周期CO2排放總量為817.497t(表6)。

2.1.2 車輛周期碳排情況

柴油公交車和純電動(dòng)公交車車輛原料生產(chǎn)和加工階段CO2排放量為120.054t和213.457t,其中純電動(dòng)公交車每組電池生產(chǎn)需產(chǎn)生CO2排放量14.713t,生命周期內(nèi)產(chǎn)生CO2排放總量為88.280t。兩種公交車裝配和制造階段工藝一致,其CO2排放量均為1.580t。柴油公交車和純電動(dòng)公交車運(yùn)行過程CO2排放量分別為1005.670t和0t。柴油公交車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)CO2排放量分別為0.532t和0.912t,運(yùn)營(yíng)CO2總排放量為1.444t。純電動(dòng)公交車需新建充電樁和換電站等設(shè)施,其充電樁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段CO2排放量分別為1.702t和2.917t,換電站建設(shè)CO2排放量為7.800t,運(yùn)營(yíng)CO2排放總量為12.618t。柴油公交車和純電動(dòng)公交車維護(hù)過程中輪胎生命周期CO2排放量分別為69.160t和51.870t。柴油公交車和純電動(dòng)公交車報(bào)廢與回收階段CO2排放量分別為-8.311t和-10.876t。

2.1.3 生命周期碳排情況匯總

杭州市純電動(dòng)和柴油公交車生命周期CO2排放量分別為1103.237t和1401.319t,燃料生命周期和車輛生命周期碳排放核算結(jié)果匯總?cè)绫?所示,各階段占比如圖3所示。

表6 兩種公交車生命周期各階段碳排放量

圖3 杭州市柴油公交車和純電動(dòng)公交車生命周期各階段碳排量比例Fig.3 Carbon emission of the diesel bus and pure electric bus at all life cycle stages at Hangzhou City

根據(jù)上文核算結(jié)果發(fā)現(xiàn)杭州市純電動(dòng)公交車相比柴油公交車LCA碳減排率達(dá)21.27%,其產(chǎn)生的巨大碳排差距主要來(lái)自燃料周期,該階段碳減排率高達(dá)32.91%。Hawkins 等[66]在歐洲電力背景下對(duì)20萬(wàn)里程的純電動(dòng)汽車與柴油車碳排放進(jìn)行LCA碳排放比較后得出車輛碳減排比例在17%—20%之間,并根據(jù)不同里程設(shè)定而略微浮動(dòng)。黎土煜[13]、王寧[19]和宋凌珺[18]利用GREET模型分析后得到純電動(dòng)汽車比柴油汽車的CO2排放量分別減少了19.7%(約160t)、20.2%和5.3%,核算結(jié)果與前兩者碳減排比例基本一致,但與最后一個(gè)結(jié)果有明顯差異,這主要是由于宋凌珺研究的車型是卡車,巨大的載重量造成的油改電碳排放效益明顯降低,因此總體來(lái)說本研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

純電動(dòng)公交車原料生產(chǎn)和加工階段碳排量明顯高出柴油公交車,單輛車碳排放超額比例為77.80%,巨大碳排量差距的來(lái)源除了兩類車材料質(zhì)量分布差異外主要來(lái)自純電動(dòng)公交車動(dòng)力電池生產(chǎn)與制造,超額比例為73.53%。這是因?yàn)殡姵刂圃焐婕安牧媳姸?組裝工藝復(fù)雜,動(dòng)力電池原料生產(chǎn)和制造組裝過程中產(chǎn)生碳排量同樣較高,且考慮當(dāng)前動(dòng)力電池效能技術(shù)限制,車輛生命周期內(nèi)需更換一次動(dòng)力電池。資源回收再重造相當(dāng)于在有效減少下一輛公交車部分原料生產(chǎn)的碳排放,因此兩類公交車報(bào)廢與回收階段碳排放均為負(fù)值,純電動(dòng)公交車由于動(dòng)力電池使用材料種類較多、質(zhì)量較大且資源回收率高,因此報(bào)廢與回收階段碳排量略低于柴油公交車,但當(dāng)前動(dòng)力電池精細(xì)回收再利用依然有不少技術(shù)瓶頸,該部分是增加純電動(dòng)公交車碳減排效益的重要過程,因此未來(lái)純電動(dòng)公交車動(dòng)力電池生產(chǎn)和回收技術(shù)的發(fā)展將會(huì)極大提升碳減排效益。由于純電動(dòng)公交車需新建充電樁和換電站等設(shè)施,因此純電動(dòng)公交車充電樁建設(shè)和運(yùn)營(yíng)碳排量要比柴油公交車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段碳排量高38.38%。需要指出的是換電站建設(shè)雖然會(huì)產(chǎn)生巨大碳排放,但車均碳排量并不大。因此杭州市公交車油改電過程中新建充電站和換電站額外增加的碳排量相對(duì)有限,加快充電樁等配套設(shè)施建設(shè)有助于盡快實(shí)現(xiàn)碳減排。

2.2 杭州市純電動(dòng)公交車碳減排核算結(jié)果與討論

目前杭州市在營(yíng)電動(dòng)公交車生命周期內(nèi)碳減排量達(dá)到68.917萬(wàn)t,公交車油改電進(jìn)行約3.5年后才能真正實(shí)現(xiàn)相對(duì)碳減排,如圖4所示。

圖4 不同運(yùn)營(yíng)年限下的兩類公交車碳排放對(duì)比 Fig.4 Comparison of carbon emission between diesel bus and pure electric bus under different operating years

由上述核算結(jié)果可知當(dāng)前杭州全城純電動(dòng)公交車年均減排5.301萬(wàn)t,相當(dāng)于每年植樹近50萬(wàn)棵或者停開近4萬(wàn)輛經(jīng)濟(jì)型轎車,產(chǎn)生的碳減排效益巨大。部分城市如南京市也對(duì)電動(dòng)車替換燃油車碳減排量進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果顯示南京市在2014—2015年共增設(shè)4300輛電動(dòng)車,在一年內(nèi)碳減排量達(dá)到24.6萬(wàn)t[67]。此外有部分采訪指出杭州市年均減少燃油消耗4144.66萬(wàn)升以上,年均減少碳排放10.9萬(wàn)t以上[68]。以上城市層面碳減排結(jié)果和本文有較大差異,這些差異的產(chǎn)生原因各不相同。本文碳減排結(jié)果明顯少于南京市,這主要是不同城市之間由于電動(dòng)車輛類型(電動(dòng)公交車和電動(dòng)汽車)、數(shù)量(3000輛與4300輛)和城市之間的車輛配套設(shè)施的配備情況(充電樁數(shù)量和位置設(shè)置)等產(chǎn)生的綜合結(jié)果。采訪中的杭州公交車碳減排量大于本研究結(jié)果可能是該采訪人并未用LCA方法全面分析,只核算了燃料替代產(chǎn)生的碳減排量,而忽略了車輛制造及電力生產(chǎn)等過程中的碳排放量,導(dǎo)致結(jié)果偏大。其次在杭州市公交車油改電進(jìn)程中,碳減排效益在車輛生命周期的中前期便可達(dá)到目的,碳排放潛力客觀。此外杭州市全城純電動(dòng)公交車還涉及到充電行駛最短總路程的最優(yōu)解問題,充電樁的高效科學(xué)配置有助于減少消耗,增加碳減排效益。復(fù)雜城市工況下的純電動(dòng)公交車運(yùn)行會(huì)消耗更多電力,產(chǎn)生更多碳排放,城市交通環(huán)境的優(yōu)化將使純電動(dòng)車輛電力額外消耗和車輛磨損等減少,有助于加強(qiáng)純電動(dòng)公交車碳減排效益。

2.3 杭州市碳排放情景模擬結(jié)果與討論

基于未來(lái)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和煤電技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)結(jié)果,2020、2035和2050年我國(guó)單位發(fā)電碳排量在基準(zhǔn)情景下分別是601.191、537.066g/kWh和474.163g/kWh;在低碳情景下分別是414.351、273.606g/kWh和212.548g/kWh;在強(qiáng)化低碳情景下分別是302.435、208.660g/kWh和182.558 g/kWh,如圖5所示。

圖5 2020、2035和2050年不同情景下煤電碳排放系數(shù)Fig.5 Coal and electricity technology scenario settings in 2020, 2035 and 2050

基于不同煤電技術(shù)發(fā)展及發(fā)電能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化,三種情景下純電動(dòng)公交車在2020、2035和2050年的生命周期CO2排放量結(jié)果如圖6所示。在基準(zhǔn)情景下,CO2排放量分別是1047.248t、966.024t和886.346t,碳減排率分別為25.27%、31.06%和36.75%;在低碳情景下,CO2排放量分別是810.585t、632.308t和554.967t,碳減排率分別為42.16%、54.88%和60.40%;在強(qiáng)化低碳情景下,CO2排放量分別是668.824t、550.043t和517.980t,碳減排率分別為52.27%、60.75%和63.11%。2050年強(qiáng)化低碳情景下,每輛純電動(dòng)公交車生命周期CO2排放量約為當(dāng)前純電動(dòng)和柴油公交車生命周期CO2排放量的46.86%和36.89%。

圖6 2020、2035和2050年三種情景下每輛純電動(dòng)公交車生命周期碳排放量及相對(duì)柴油公交車減排比例Fig.6 Life cycle carbon emission amounts of each pure electric bus and emission reduction ratio relative to diesel bus under different scenarios in 2020, 2035 and 2050

3種情景下,純電動(dòng)公交車在2020、2035和2050年的LCA碳減排總量如圖7所示。在基準(zhǔn)情景下,杭州市在2020、2035和2050年全城純電動(dòng)公交車碳減排總量分別為106.191、174.078和257.436萬(wàn)t;在低碳情景下分別為177.190、307.564和423.126萬(wàn)t;在強(qiáng)化低碳情景下分別為219.719、340.470和442.119萬(wàn)t。2020、2035和2050年杭州市公交車油改電年均碳減排量在基準(zhǔn)情景下分別為8.169、13.630和16.901萬(wàn)t;在低碳情景下分別為13.391、23.659和26.190萬(wàn)t;在強(qiáng)化低碳情景下分別為19.803、32.548和34.009萬(wàn)t。

圖7 2020、2035和2050年3種情景下杭州市所有純電動(dòng)公交車生命周期內(nèi)碳減排量和年均碳減排量Fig.7 Total carbon reduction amount and per year reduction amount within the entire life cycle of the pure electric bus relative to diesel bus under different scenarios in 2020, 2035 and 2050

根據(jù)以上碳排放模擬結(jié)果,研究發(fā)現(xiàn)純電動(dòng)公交車生命周期碳減排效益與新煤電技術(shù)的運(yùn)用和杭州市電力能源結(jié)構(gòu)緊密相關(guān),清潔煤電和良好電力能源結(jié)構(gòu)將使2020、2035和2050年車輛碳排放量減少25.27%—63.11%,不同的電源情景碳減排模擬結(jié)果相比施曉清等[67]認(rèn)為的57%—81.2%略低,兩者的差異主要由研究的車型不同(公交車和出租車)和電力結(jié)構(gòu)(杭州市和北京市)造成的,質(zhì)量相對(duì)較輕的出租車油改電碳減排效益更顯著,不同城市的電力結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)碳減排效益產(chǎn)生影響。Arar[14]和歐訓(xùn)民[33]模擬的2020年碳減排率分別為36%和40.83%,均在本文2020年3種模擬情景下的碳減排率25.27%—52.27%之間,這表明本文模擬結(jié)果具有較強(qiáng)可信度。至于模擬結(jié)果差異,前者主要是中美兩國(guó)在電力能源結(jié)構(gòu)和清潔能源政策等上的差異,而后者主要是采取的模型和數(shù)據(jù)更新等導(dǎo)致的差異。2017年末,杭州市電力本地生產(chǎn)約占20%(其中煤電、天然氣電、核電和其他能源分別占比21%、53%、22%和4%)[44],外地調(diào)入約占80%(其中煤電、水電、核電和其他能源分別占比71.60%、19.71%、3.56%和5.13%)[45]。雖然發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中煤電占比較低,產(chǎn)生碳排量有限,但調(diào)入電力的能源結(jié)構(gòu)由調(diào)出地電力能源結(jié)構(gòu)決定,電力主要調(diào)入地如安徽和寧夏的電力碳排因子相對(duì)較高,發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中煤電占比較高且煤電技術(shù)落后,優(yōu)化以煤電為主的發(fā)電結(jié)構(gòu)和采用IGCC等新煤電技術(shù)將對(duì)杭州市公交車油改電產(chǎn)生顯著碳減排效益。最后,當(dāng)前關(guān)于電動(dòng)公交車的節(jié)能減排研究仍存在一定的不足,其環(huán)境效益研究尚不夠系統(tǒng)化,定量的研究較少,尤其是節(jié)能減排政策對(duì)電動(dòng)公交車推廣的環(huán)境效應(yīng)的定量研究比較缺乏,對(duì)其背后的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素和驅(qū)動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)更是知之甚少。因此未來(lái)此方面研究應(yīng)著重于：(1)開展基于中國(guó)國(guó)情的電動(dòng)公交車生命周期社會(huì)經(jīng)濟(jì)反饋研究。城市公交車油改電進(jìn)程不僅僅只是科學(xué)層面的問題,還涉及到社會(huì)反響、多元化融資渠道等方面;(2)從系統(tǒng)化的角度、綜合交叉學(xué)科的方法、選取量化指標(biāo)著重分析節(jié)能減排政策的作用效應(yīng)和機(jī)理,以便為節(jié)能減排政策的頂層設(shè)計(jì)、實(shí)施方案、效果評(píng)估以及政策修訂和出臺(tái)新政策提供科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)杭州市單輛純電動(dòng)公交車相比柴油公交車在全生命周期尺度碳減排有明顯優(yōu)勢(shì),其產(chǎn)生的巨大碳排差距主要來(lái)自燃料周期(電力與柴油生產(chǎn)到消耗過程差異),而動(dòng)力電池生產(chǎn)技術(shù)和精細(xì)回收再利用能力的提升也將是增加未來(lái)純電動(dòng)公交車碳減排效益的關(guān)鍵之一。此外新建充電站和換電站額外增加的碳排量相對(duì)有限,加快杭州市充電樁等配套設(shè)施建設(shè)有助于盡快實(shí)現(xiàn)碳減排。

(2)在杭州市油改電進(jìn)程中,碳減排效益需在純電動(dòng)公交車運(yùn)行一定年限后才能顯現(xiàn),但基本在車輛生命周期的中前期便可達(dá)到目的,結(jié)合當(dāng)前杭州市在營(yíng)運(yùn)的純電動(dòng)公交車生命周期內(nèi)碳減排總量及年均碳減排量,碳減排潛力較為可觀。充電樁的高效空間配置和城市交通環(huán)境的優(yōu)化有助于減少消耗,增加碳減排效益。

(3)純電動(dòng)公交車生命周期碳減排效益與新煤電技術(shù)運(yùn)用和城市電力能源結(jié)構(gòu)緊密相關(guān),清潔煤電和良好電力能源結(jié)構(gòu)將使2020—2050年車輛碳排放量顯著減少,優(yōu)化以煤電為主的發(fā)電結(jié)構(gòu)和采用IGCC等新煤電技術(shù)將對(duì)杭州市公交車油改電產(chǎn)生顯著碳減排效益。