不同動(dòng)力總成的電動(dòng)汽車能耗溫室氣體排放評(píng)估——以陜西省為例

雷晨陽(yáng)，高嵩林，白耀東，胡金榜

不同動(dòng)力總成的電動(dòng)汽車能耗溫室氣體排放評(píng)估——以陜西省為例

雷晨陽(yáng)，高嵩林，白耀東，胡金榜

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)，道路運(yùn)輸部門正在積極推廣車輛電氣化。文章針對(duì)陜西省2020年的電力結(jié)構(gòu)場(chǎng)景，對(duì)純電動(dòng)汽車（BEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）、增程式電動(dòng)汽車（EREV）、混合動(dòng)力汽車（HEV）和燃油汽車（ICEV）這五種車輛的溫室氣體排放和能耗進(jìn)行了評(píng)估分析。研究結(jié)果顯示，相對(duì)于ICEV、BEV、PHEV、EREV、HEV，在車輛生命周期內(nèi)的減排比例分別為34.7%、27.3%、10.8%和27.6%。同時(shí)，它們的能耗也相應(yīng)降低了33.8%、17.1%、7.45%和29.7%。隨著車輛電氣化程度的增加，主要的排放轉(zhuǎn)移至電力產(chǎn)生環(huán)節(jié)。進(jìn)一步對(duì)未來年份的場(chǎng)景進(jìn)行分析表明，BEV的滲透率增加以及電網(wǎng)中可再生能源比例的提高將有助于實(shí)現(xiàn)陜西省在2030年達(dá)到碳達(dá)峰，并最終在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。研究結(jié)果表明，在陜西省推廣車輛電氣化是實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的有效途徑。通過減少溫室氣體排放和能耗，陜西省能夠?yàn)閼?yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

生命周期評(píng)估；溫室氣體；電動(dòng)汽車；陜西省；動(dòng)力總成

自巴黎協(xié)定以來，各國(guó)都在積極努力控制全球氣候變暖，并將全球變暖控制在1.5 °C以下[1]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，汽車行業(yè)正積極發(fā)展新能源汽車，其中電動(dòng)汽車是最受歡迎的車型[2]。中國(guó)政府也積極響應(yīng)這一趨勢(shì)，推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據(jù)中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2025年，新能源汽車的新車銷售量將占到汽車新車銷售總量的約20%，并力爭(zhēng)到2035年，純電動(dòng)汽車將成為新車銷售的主流，公共領(lǐng)域的車輛將實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化。

本研究基于生命周期評(píng)估框架，對(duì)陜西省純電動(dòng)汽車（Battery Electric Vehicles, BEV）、插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV）、增程式電動(dòng)汽車（Extended-Range Electric Vehicles, EREV）、混合動(dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicles, HEV）、燃油汽車（Internal Combustion Engine Vehicles, ICEV）不同動(dòng)力總成的電動(dòng)汽車進(jìn)行了溫室氣體排放和能耗核算。研究旨在填補(bǔ)陜西省車輛電氣化能耗和溫室氣體減排研究的空白，揭示車輛電氣化在陜西省的減排效益。本文的主要探討以下兩個(gè)問題：1）在現(xiàn)階段能源情景和未來能源情景下，電動(dòng)汽車能否取代燃油車以緩解氣候變化；2）不同動(dòng)力總成電動(dòng)汽車在緩解氣候變化方面的效果如何。通過基于陜西省的電力能源結(jié)構(gòu)、制造工藝和車輛參數(shù)等依據(jù)進(jìn)行分析，研究結(jié)果可以提供有關(guān)電動(dòng)汽車溫室氣體排放和能耗的具體數(shù)據(jù)，為推動(dòng)車輛電氣化在陜西省的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)。

1 方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究框架

本研究評(píng)估了BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV這五種車輛在陜西省的輕型乘用車中的能源消耗和溫室氣體排放量。圖1展示了本研究中不同動(dòng)力總成車輛的生命周期框架，包括車輛材料生命周期和燃料生命周期，其中的能量消耗和溫室氣體排放可以追溯到原煤、原油和天然氣等能源來源。溫室氣體排放階段包括CO2、CH4和N2O，按照它們的全球增溫潛勢(shì)進(jìn)行CO2當(dāng)量計(jì)算。研究中設(shè)定了車輛的總壽命為10年、總行駛里程為150 000公里，電動(dòng)汽車電池更換次數(shù)為1.5次[3]。

1.2 模型參數(shù)設(shè)定

本研究對(duì)陜西省的幾種不同動(dòng)力總成車輛，BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV，進(jìn)行了能量消耗和溫室氣體排放的評(píng)估。為了選擇車輛的數(shù)據(jù)，根據(jù)中國(guó)乘用車信息聯(lián)合會(huì)的車輛銷售數(shù)據(jù)，即乘用車市場(chǎng)信息聯(lián)席會(huì)選取了銷量最高的車輛作為原始模型。車輛的百公里燃油消耗量、百公里電力消耗量和整備質(zhì)量等參數(shù)，從工業(yè)和信息化部政務(wù)服務(wù)平臺(tái)中國(guó)汽車能源消耗量中查詢獲得。車輛拆解后的質(zhì)量分布以及車輛各系統(tǒng)模塊的質(zhì)量，采用了GREET中的比例數(shù)值，并將其按比例轉(zhuǎn)化為本地車輛的數(shù)值。這些參數(shù)是根據(jù)美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室對(duì)美國(guó)車輛拆解所得到的分布數(shù)據(jù)，并且由于車輛結(jié)構(gòu)的相似性，這些數(shù)據(jù)在本地具有一定的適用[3-4]。具體各類型車輛的參數(shù)如表1所示。

圖1 不同動(dòng)力總成車輛生命周期框架

表1 各類車輛參數(shù)信息

參數(shù)EREVPHEVBEVICEVHEV 長(zhǎng)×寬×高/mm5 030×1 960×1 7604 705×1 890×1 6804 750×1 921×1 6244 733×1 839×1 6734 621×1 855×1 679 軸距/mm2 874.92 684.72 795.62 687.62 648.9 整備質(zhì)量/kg2 171.51 683.21 847.41 589.41 578.2 百公里耗電量/(kWh/100 km)18.313.112.7 NEDC綜合油耗/(L/100 km)1.51.5 6.54.6 電能當(dāng)量燃料消耗量/(L/100 km) 1.54 電池容量/(kWh)40.58.376.5 電池類型三元鋰電池磷酸鐵鋰電池磷酸鐵鋰電池

在本研究中，使用GREET模型作為參考，其中的大量燃料數(shù)據(jù)基于美國(guó)本土地區(qū)的情景。然而，為了使研究結(jié)果更具本地適用性，對(duì)燃料生命周期中的各種原料數(shù)據(jù)進(jìn)行了陜西省本地化參數(shù)更新。

根據(jù)2021年的數(shù)據(jù)，陜西省榆林地區(qū)的煤炭產(chǎn)量達(dá)到5.5億噸，占全國(guó)煤炭總產(chǎn)量的13.6%，使其成為全國(guó)煤炭的重要產(chǎn)地。該地區(qū)的煤炭主要通過鐵路和公路進(jìn)行運(yùn)輸。另外，中國(guó)作為全球最大的石油進(jìn)口國(guó)，2021年主要從沙特阿拉伯進(jìn)行海運(yùn)和從俄羅斯進(jìn)行管道運(yùn)輸，進(jìn)口了約5.12億噸原油，占總進(jìn)口量的60%。陜西省的原油通過俄羅斯管道運(yùn)輸至榆林地區(qū)，并進(jìn)行原油加工煉化工序，而當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的天然氣則通過管道運(yùn)輸?shù)狡渌》莺偷貐^(qū)。綜上所述，陜西省的煤炭、原油、天然氣和汽油的運(yùn)輸方式如表2所示。我們?cè)谘芯恐懈铝诉@些本地化參數(shù)，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性。

表2 煤炭、原油、天然氣和汽油的運(yùn)輸方式與比例

運(yùn)輸方式比例與距離原煤原油天然氣汽油 鐵路距離/km390420 320 鐵路份額/%2025 30 水運(yùn)距離/km 水運(yùn)份額/% 公路距離/km140 80 公路份額/%80 70 管道距離/km 1 0501 000 管道份額/% 75100

陜西省的消費(fèi)電力能源結(jié)構(gòu)、電力傳輸損失和電動(dòng)汽車充電效率參數(shù)會(huì)對(duì)車輛的能源消耗和溫室氣體排放產(chǎn)生影響。以2017年為例，寧夏的火力發(fā)電占比達(dá)到83%，而云南的火力發(fā)電占比僅為8%，水力發(fā)電占比高達(dá)84%[5]。根據(jù)陜西省的十四五規(guī)劃，該省將調(diào)整和優(yōu)化煤電布局，積極推進(jìn)風(fēng)電、光電和生物質(zhì)發(fā)電等可再生能源的發(fā)展。然而，由于陜西省是煤炭資源富集地區(qū)，其煤炭發(fā)電比例高于全國(guó)平均水平[6]。據(jù)2020年的數(shù)據(jù)，陜西省的煤炭發(fā)電占比為75.26%，天然氣發(fā)電占比為10.46%，原油發(fā)電占比為6.37%，而水電、風(fēng)電和其他可再生能源發(fā)電僅占比7.91%。關(guān)于未來電力能源結(jié)構(gòu)的變化，目前很難得出準(zhǔn)確的結(jié)果。不同的研究人員對(duì)未來做出了保守或積極的假設(shè)，但整體趨勢(shì)是陜西省的電力清潔能源滲透率將逐年提高。在本研究中，設(shè)定了未來2030年到2050年的保守場(chǎng)景和激進(jìn)場(chǎng)景，并參考了學(xué)術(shù)出版物和陜西省能源政策資料來設(shè)定具體的能源結(jié)構(gòu)。綜上所述，陜西省的消費(fèi)電力能源結(jié)構(gòu)、電力傳輸損失和電動(dòng)汽車充電效率參數(shù)對(duì)車輛的能源消耗和溫室氣體排放具有重要影響。隨著清潔能源的不斷發(fā)展，陜西省的電力清潔能源比例將逐漸提高，這將對(duì)降低車輛的環(huán)境影響產(chǎn)生積極作用。

1.3 未來電力場(chǎng)景設(shè)定

為了深入研究陜西省未來車輛電氣化的影響，本研究設(shè)定了2030年至2050年的場(chǎng)景，并評(píng)估了陜西省在這期間的減排潛力。目前，電力行業(yè)采用超臨界燃燒技術(shù)（Supercritical Combus- tion Technology, SCT）、超超臨界技術(shù)（Ultra Super Critical Technology, USCT）和綜合氣化聯(lián)合循環(huán)（Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC）技術(shù)來提高燃煤發(fā)電的效率并減少溫室氣體排放。此外，采用碳捕集與封存技術(shù)也能減少溫室氣體排放。這些技術(shù)的共同應(yīng)用有助于未來電力系統(tǒng)的脫碳過程。未來電力組合場(chǎng)景的設(shè)計(jì)如圖2所示。

在保守場(chǎng)景和激進(jìn)場(chǎng)景中，同時(shí)設(shè)定了每十年的電動(dòng)汽車滲透比例和可再生能源增長(zhǎng)比例。根據(jù)陜西省2020年的數(shù)據(jù)，電動(dòng)汽車滲透率為1.84%。在保守場(chǎng)景中，電動(dòng)汽車滲透率每十年增加10%，而在激進(jìn)場(chǎng)景中，電動(dòng)汽車滲透率每十年增加15%。陜西省乘用車保有量的數(shù)據(jù)參考了陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒。通過對(duì)這些場(chǎng)景的設(shè)定，將能夠評(píng)估陜西省未來幾十年內(nèi)的車輛電氣化對(duì)減排的潛力。這將有助于更好地了解電動(dòng)汽車和可再生能源在陜西省未來能源系統(tǒng)中的作用，以及對(duì)溫室氣體排放的影響。

圖2 未來年電力結(jié)構(gòu)中可再生能源份額圖

2 2020年不同總成動(dòng)力車輛生命周期結(jié)果評(píng)估

2.1 不同動(dòng)力總成系統(tǒng)電動(dòng)汽車的溫室氣體排放

圖3為研究中每種車輛的碳足跡，其中電動(dòng)汽車生命周期內(nèi)的碳足跡低于其他幾種動(dòng)力總成的車輛，BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV的碳足跡分別為207.3 gCO2eq/km，231.1 gCO2eq/km，283.5 gCO2eq/km，229.9 gCO2eq/km，317.9 gCO2eq/km。這項(xiàng)結(jié)果說明，在陜西省部署各種動(dòng)力總成的新能源汽車有助于減少碳排放。BEV、PHEV、EREV、HEV與ICEV相比減排比例分別為34.7%，27.3%，10.8%，27.6%。以前的研究中，車輛電氣化的溫室氣體排放總量為150 gCO2eq/km～300 gCO2eq/km，每千米溫室氣體排放總量主要由CO2貢獻(xiàn)，N2O貢獻(xiàn)率極低，基本忽略不計(jì)，而BEV、PHEV、EREV、HEV、ICEV的CH4貢獻(xiàn)率分別為8.7%，5.2%，4.5%，3.9%，3.6%。CH4排放是僅次于CO2排放的第二大溫室氣體，但是其全球增溫潛勢(shì)是CO2的84倍，同時(shí)其產(chǎn)生主要源自化石燃料燃燒，其趨勢(shì)基本與車輛電氣化趨勢(shì)相同。

圖3 不同動(dòng)力總成車輛每公里生命周期不同階段溫室氣體排放量

在BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV中，燃料生命周期（Well To Wheels, WTW）階段的溫室氣體排放比例分別為78.2%、76.4%、80.1%、80.3%和84.3%，這些是車輛生命周期內(nèi)的主要排放來源。BEV的主要排放來自消耗化石能源產(chǎn)生的電力排放。由于2020年陜西省電力結(jié)構(gòu)中化石能源占比較高， BEV的油井到油箱（Well To Tank, WTT）階段的排放量高于其他動(dòng)力總成車輛。同時(shí)，BEV的排放與電網(wǎng)的清潔程度密切相關(guān)，電力中可再生能源的比例與智能電網(wǎng)的使用將有助于BEV的脫碳。隨著車輛電氣化程度的增加， WTT階段的溫室氣體排放比例也相應(yīng)增加， BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV中的比例分別為15.2%、16.8%、20.7%、38.7%和78.6%。由此可見，BEV的溫室氣體排放主要發(fā)生在上游的電力產(chǎn)生階段。而ICEV的溫室氣體排放主要集中在油箱到車輪（Tank To Wheels, TTW）階段，占比例為69.8%。因此，為了減少溫室氣體排放，需要提高燃油汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，并使用碳含量較低的燃料作為動(dòng)力來源。

2.2 不同動(dòng)力總成系統(tǒng)電動(dòng)汽車的能量消耗

在圖4中，我們量化了BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV在單位距離內(nèi)的能量消耗和化石燃料消耗。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，BEV的能量消耗為3.25 MJ/km，PHEV為4.08 MJ/km，EREV為4.55 MJ/km，HEV為3.45 MJ/km，ICEV為4.92 MJ/km。相較于ICEV，BEV的能源消耗降低了33.8%，PHEV降低了17.1%，EREV降低了7.45%，而HEV汽車降低了29.7%。車輛的電氣化程度與能耗密切相關(guān)，隨著電氣化程度的提高，車輛的能量消耗量也會(huì)相應(yīng)降低。在WTT階段，BEV和EREV的能量消耗占比分別為42.6%和47.8%，這是因?yàn)樗鼈兊膭?dòng)力主要由電力提供，而陜西省的電力結(jié)構(gòu)中化石燃料的比重較高，從提取、煉制、加工到運(yùn)輸過程中會(huì)消耗大量能量。PHEV、ICEV和HEV在TTW階段的能耗占比分別為59.7%、67.6%和65.8%，這主要是因?yàn)樵谀芰肯倪^程中，化石燃料的碳排放占比較高。在不同動(dòng)力總成的車輛中，BEV和EREV對(duì)原煤的依賴度分別為58.1%和50.6%，顯示陜西省煤炭發(fā)電的比例相對(duì)較高。PHEV、HEV和ICEV對(duì)汽油的依賴度分別為66.5%、71.5%和73.2%，這是因?yàn)樗鼈兊膭?dòng)力主要來自內(nèi)燃機(jī)中的汽油，在進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣的過程中產(chǎn)生推動(dòng)力。因此，推動(dòng)EREV和BEV的部署可以減少對(duì)石油的依賴，緩解能源危機(jī)。

圖4 不同動(dòng)力總成車輛每公里生命周期能量消耗與化石燃料消耗比例

總體而言，根據(jù)2020年的能源結(jié)構(gòu)，在陜西省BEV的生命周期內(nèi)能源消耗最低。然而，由于清潔能源在電力系統(tǒng)中的占比仍不足10%，因此，其未來的減排潛力非常巨大，是一種值得推廣的車輛類型。而EREV的能量消耗較高，這主要是由于其整備質(zhì)量較大，同時(shí)車身和電池材料的消耗也相對(duì)較高[7]。

3 未來電力場(chǎng)景溫室氣體能耗排放評(píng)估

在陜西省未來的年份場(chǎng)景中，預(yù)計(jì)車輛材料質(zhì)量將減少。由于ICEV的燃油經(jīng)濟(jì)性提高以及電力能源結(jié)構(gòu)中可再生能源比例的增加，車輛的生命周期內(nèi)溫室氣體排放量將減少。同時(shí)，隨著電力結(jié)構(gòu)改進(jìn)、更先進(jìn)電力技術(shù)的采用以及熱電聯(lián)產(chǎn)比例的增加，根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)，在2030年、2040年和2050年的保守場(chǎng)景和激進(jìn)場(chǎng)景中，BEV、PHEV、EREV、HEV和ICEV的每公里溫室氣體排放量也會(huì)減少。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，保守場(chǎng)景和激進(jìn)場(chǎng)景中，BEV在2030年、2040年和2050年分別可以實(shí)現(xiàn)8.6%、13.7%、21.1%、25.0%、36.7%、42.3%的減排。EREV在未來年份中的減排潛力為5.1%、8.9%、15.1%、19.2%、25.8%、32.2%。PHEV的減排潛力為5.8%、10.2%、18.2%、21.4%、28.6%、36.1%。HEV的減排潛力分別為11.4%、13.8%、22.7%、27.8%、34.5%、38.9%。而ICEV的減排潛力為6.5%、8.3%、12.3%、16.5%、21.2%、28.7%。綜上所述，從以上減排數(shù)據(jù)可以看出，BEV在各種動(dòng)力總成車輛中具有最大的減排潛力，因此是最值得部署的車輛類型。

圖5 2030年、2040年、2050年保守場(chǎng)景與激進(jìn)場(chǎng)景中各類車型每公里溫室氣體排放量

根據(jù)圖6中的數(shù)據(jù)，該圖展示了2030年、2040年和2050年在保守場(chǎng)景和激進(jìn)場(chǎng)景下的溫室氣體總減排量。這些數(shù)據(jù)是通過考慮過去陜西省車輛年增長(zhǎng)率、未來車輛年行駛里程的變化，以及電動(dòng)汽車的滲透率和陜西省電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃以及《陜西省電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施“十四五”發(fā)展規(guī)劃》的研究得出的。根據(jù)這些因素，可以預(yù)測(cè)2030年、2040年和2050年陜西省的溫室氣體減排總量。在保守場(chǎng)景下，預(yù)計(jì)2030年、2040年和2050年的減排量分別為120萬噸、310萬噸和790萬噸。而在激進(jìn)場(chǎng)景下，預(yù)計(jì)2030年、2040年和2050年的減排量分別為190萬噸、530萬噸和1 130萬噸。為了盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，陜西省應(yīng)不斷提高電動(dòng)汽車的滲透率。

圖6 2030年、2040年、2050年保守場(chǎng)景與激進(jìn)場(chǎng)景中溫室氣體總減排量

4 結(jié)果與討論

綜上所述，現(xiàn)階段能源情景與未來能源情景下BEV取代ICEV能緩解氣候變化，不同動(dòng)力總成電動(dòng)汽車中，BEV緩解氣候效益最好，在陜西省大力推廣BEV有助于減少溫室氣體排放，減少能源消耗。

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Assessment of Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions of Electric Vehicles with Different Powertrains－Taking Shaanxi Province as an Example

LEI Chenyang, GAO Songlin, BAI Yaodong, HU Jinbang

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

To achieve the goals of carbon peaking by 2030 and carbon neutrality by 2060, the transportation department is actively promoting vehicle electrification. This paper analyzes the greenhouse gas emissions and energy consumption of five types of vehicles: battery electric vehicles (BEV), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV), extended range electric vehicles (EREV), hybrid electric vehicles (HEV), and internal combustion engine vehicles (ICEV) in the context of the power structure in Shaanxi province in 2020.The research results indicate that compared to ICEV, BEV, PHEV, EREV, and HEV achieve reductions in emissions by 34.7%, 27.3%, 10.8%, and 27.6%, respectively, over the life cycle of the vehicles. Additionally, their energy consumption is reduced by 33.8%, 17.1%, 7.45%, and 29.7%, respectively. As the degree of vehicle electrification increases, the primary emissions shift to the electricity generation stage. Further analysis of future scenarios reveals that increasing the penetration rate of BEV and improving the proportion of renewable energy in the grid will contribute to achieving Shaanxi province's carbon peaking target by 2030 and carbon neutrality target by 2060.These research findings demonstrate that promoting vehicle electrification in Shaanxi province is an effective pathway to achieving carbon reduction goals. By reducing greenhouse gas emissions and energy consumption, Shaanxi province can make positive contri- butions to addressing climate change and achieving sustainable development.

Life cycle assessment;Greenhouse gas;Electric vehicles;Shaanxi province;Powertrain

U469.7

A

1671-7988(2023)12-203-07

雷晨陽(yáng)（1999－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄎ廴荆珽-mail:1098917230@qq.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.038