新能源汽車對城市交通碳排放的影響研究

汪 軍 張趙琴

華東理工大學藝術(shù)設(shè)計與傳媒學院 上海 201210

1 引言

2020年，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出，我國將爭取2030年使碳排放量達到峰值，并在2060年實現(xiàn)碳中和，這一目標的提出意味著我國將繼續(xù)加大力度進行碳減排行動。近十幾年以來，我國整體碳排放趨勢逐漸趨于平緩，但城市交通依然是碳排量增速最快的領(lǐng)域之一[1]。隨著不斷提升的城鎮(zhèn)化水平和不斷增加的機動車數(shù)量，城市交通的碳排放逐年增長。但同時，我國各地政府也通過一系列的措施引導交通的低碳發(fā)展，發(fā)展新能源車就是其中一項重要的措施。以我國經(jīng)濟中心城市上海為例，上海市2013年上海新能源汽車保有量不過千輛，2021年則已經(jīng)達到近兩百萬輛，新能源汽車占新增汽車銷量的貢獻率達到50%以上[2]。

相對于傳統(tǒng)燃油汽車來說，新能源在減少碳排放方面優(yōu)勢巨大。在此背景下，本文通過對上海市2030年的道路交通碳排放總量進行不同情景的預測，來說明推廣新能源汽車對交通碳減排的作用。同時，通過對各類機動車在2030年減排量的測算，提出未來新能源汽車減排潛力最大的領(lǐng)域，使推廣政策更為精準。

2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于新能源汽車推廣與城市交通碳排放的相關(guān)研究主要圍繞城市交通碳排放核算和新能源汽車的減排貢獻兩個方面展開。

2016年唐葆君等人在《“十三五”北京市新能源汽車節(jié)能減排潛力》中對北京推廣的電動出租車、公交車、環(huán)衛(wèi)車和租聘電動車的節(jié)能減排效應進行量化分析，結(jié)論為上述推廣的幾類車型具有良好的節(jié)能減排效果[3]。2019年郭晨等人在《新能源汽車推廣對城市碳排放影響探討——以太原市為例》中對太原市公共交通電動化前后的尾氣排放進行了研究，計算得出出租車、公交車、鮮活農(nóng)產(chǎn)品運輸車、快遞車的年均減排量為20.14萬噸、15.11萬噸、0.11萬噸、0.04萬噸[4]。2022年康澤軍等人在《新能源汽車使用環(huán)節(jié)碳減排方法學研究》中測算了我國新能源汽車使用環(huán)節(jié)碳減排輛量，結(jié)果表明新能源汽車中純電動車減排量最大[5]。

2017方曉麗在《城市交通碳排放計算方法比較研究》中對“自上而下法”、“自下而上法”、“總量-結(jié)構(gòu)法”、“基于生命周期的計算法”進行比較分析，結(jié)論為“自上而下法”通過能源消耗量對碳排放進行計算，“自下而上法”從能源消費者進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，“總量結(jié)構(gòu)法”根據(jù)影響交通碳排放的不同因素進行計算，“基于生命周期的計算法”從各類交通工具的產(chǎn)生到消亡的整個生命過程進行測算[6]。2022年蔣文韜等人在《道路交通碳排放測算方法研究綜述》中將“自上而下法”分為“總量-結(jié)構(gòu)法”和“生命周期法”，文中表明“總量-結(jié)構(gòu)法”適合測算國家級、省級的碳排放，“生命周期法”適合測算交通系統(tǒng)的全生命周期的碳排放；文中將“自下而上法”分為“基于出行距離的方法”、“基于油耗的方法”、“基于車速的方法”、“基于車輛類型的方法”，其中“基于出行距離的方法”是將出行距離乘二氧化碳碳排放因子，“基于油耗的方法”是根據(jù)油耗來確定交通碳排放量，“基于車速的方法”是根據(jù)平均道路網(wǎng)絡(luò)速度計算網(wǎng)絡(luò)總能耗[7]。

3 研究對象與方法

3.1 研究對象與情景設(shè)定

在我國提出2030年爭取碳達峰的背景下，本文研究上海市2030年道路交通碳排放量的不同情景。研究范圍包括私家車、出租車、公交車、普通載貨汽車等四類占機動車主要份額的車輛。

本文設(shè)定情景一為基準情景（即未推廣新能源汽車）的情景；情景二為政策情景（即推廣新能源汽車）的情景。對兩種情景下上海市四種主要的地面機動車總量進行預測，并根據(jù)相應模型進行碳排放總量的核算。

3.2 汽車保有量的模擬

本文主要采用多元線性回歸模型對各類地面機動交通總保有量進行預測，根據(jù)模型的擬合程度和顯著性擇優(yōu)選取優(yōu)化模型（二次項模型、增長模型、線性模型、S曲線模型），從而得到回歸方程的自變量和新能源汽車保有量。其中，多元線性回歸模型如下（1）：

其中Q0,Q1t,Q2t,......,Qm是模型的參數(shù)，Ut為模型誤差項。

本文選擇趨勢外推法得到優(yōu)化模型，包含了二次項模型、增長模型、線性模型、S曲線模型，具體如下（2）、（3）、（4）、（5）：

其中，Yt表示模型的因變量，b0,b1,b2表示回歸方程系數(shù)，t為時間序列。

3.4 交通碳排放核算模型

在交通碳排放核算模型選取上，本文參考“政府間氣候變化專門委員會（IPCC）”發(fā)布的“自下而上”方法進行計算，根據(jù)不同類型車輛保有量、行駛里程、單位里程燃料消耗量以及燃料碳排放系數(shù)計算得到碳排放量，其計算公式如下所示（6）：

Emission為城市交通在一定時期內(nèi)的碳排放總量，單位為kg；i為城市交通消耗的燃料類型，主要有柴油、汽油、天然氣等。j為城市交通的車輛類型；Di,j為使用i燃料j類車的全年行駛里程，單位為km；Si,j表示使用i燃料的j類車的單位里程能源消耗量，單位為L/km或kwh/km；Pi表i燃料的燃油密度，單位為L/kg；Gi為i燃料的凈熱值，單位為TJ/kg；EFi,j為i燃料的碳排放系數(shù)，單位為kg/TJ或kg/Kwh。

4 汽車保有量預測

4.1 基準情景

4.1.1 影響因素數(shù)據(jù)

在不推廣新能源汽車的政策背景下，梳理出影響城市交通碳排放的八大類因素：建成區(qū)面積（平方公里）、公路里程（萬公里）、居民消費水平（元）、燃料類商品價格指數(shù)、市區(qū)人口數(shù)量（萬人）、地區(qū)生產(chǎn)總值（億）、公路貨運周轉(zhuǎn)量（億噸公里）、公路貨運量（萬噸）。由于上海市2014、2015年后新能源汽車數(shù)量大幅上升，因此，在基準情境下，選取2004-2013年十年間的數(shù)據(jù)作為回歸分析的自變量，如表1所示。

表1 2004-2013年影響城市交通碳排放的八大類因素（數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站）

同時，選取2004-2013年十年間上海四大類機動車保有量，作為因變量數(shù)據(jù)，見表2。

表2 2004-2013年上海四大類機動車保有量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站）

表3 2016-2021年影響城市交通碳排放的八大類因素（數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站）

4.1.2 私家車保有量預測

利用spss軟件對各自變量進行逐步線性回歸，剔除不相關(guān)的自變量后，獲得燃料類商品價格指數(shù)、市區(qū)人口數(shù)量、建成區(qū)面積三個最顯著的因素。以這三個因素進行二次回歸，具體結(jié)果如下：

對于燃料類商品價格指數(shù)的預測，本文采用歷年平均值方法，在獲取2014-2021的燃料類商品價格指數(shù)的基礎(chǔ)上，取均值為103.6。

對于市區(qū)人口數(shù)量的預測，以市區(qū)人口數(shù)量為因變量，時間序列為自變量，利用spss軟件建立二次項模型?；貧w方程常量為1338.787，一次項系數(shù)為15.890，二次項系數(shù)為-0.168，將常量和系數(shù)代入公式（2）預測2030年市區(qū)人口數(shù)量為1645.345萬人。

對于建成區(qū)面積的預測，以建成區(qū)面積為因變量，時間序列為自變量，利用spss軟件建立增長模型。回歸方程常量為6.658，系數(shù)為0.029，將常量和系數(shù)代入公式（3）預測2030年建成區(qū)面積為1666.18平方公里。

最終，將預測的燃料類商品價格指數(shù)、市區(qū)人口數(shù)量、建成區(qū)面積以及建立的私家車保有量多元線性回歸方程中的系數(shù)和常量代入公式（1），預測出上海2030年私家車保有量為454.98萬輛。

4.1.3 出租車保有量預測

利用spss軟件對各自變量進行逐步線性回歸，剔除不相關(guān)的自變量后，得到居民消費水平和私家車保有量為顯著影響出租車保有量的因素。以居民消費水平為因變量，時間序列為自變量，利用spss軟件建立二次項模型，將常量和系數(shù)代入公式（2）預測2030年居民消費水平為107428.60元。

私家車保有量以4.1.1節(jié)中的計算結(jié)果為取值。

將上述多元線性回歸方程的常量、系數(shù)以及預測的居民消費水平值和私家車保有量代入公式（1），預測上海2030年出租車保有量為5.75萬輛。

4.1.4 公交車保有量預測

采用同樣的方法，在剔除自相關(guān)變量后，保留公路里程和出租車保有量作為顯著相關(guān)因素。采用二次回歸預測公路里程，以公路里程為因變量，時間序列為自變量，利用spss軟件建立增長曲線模型，將常量和系數(shù)代入公式（3）預測上海市2030年公路里程為3.30萬公里。

出租車保有量以4.1.2節(jié)中的計算結(jié)果為取值。

將多元線性回歸方程的常量和系數(shù)以及預測的公路里程值、出租車保有量代入公式（1）計算得到上海市2030年公交車保有量為2.1萬輛。

4.1.5 載貨汽車保有量預測

采用同樣的方法，在剔除自相關(guān)變量后，保留公路貨運周轉(zhuǎn)量和地區(qū)生產(chǎn)總值為顯著相關(guān)因素。利用二次回歸模型預測公路貨運周轉(zhuǎn)量，以公路貨運周轉(zhuǎn)量為因變量，時間序列為自變量，利用spss軟件建立增長模型，將常量和系數(shù)代入公式（3）預測上海市2030年公路貨運周轉(zhuǎn)量為47469.49億噸公里。

以地區(qū)生產(chǎn)總值為因變量，時間序列為自變量，利用spss建立線性模型，將常量和系數(shù)代入公式（5）預測上海市2030年地區(qū)生產(chǎn)總值為55400.83億元。

將多元線性回歸方程的常量系數(shù)和預測的公路貨運周轉(zhuǎn)量以及地區(qū)生產(chǎn)總值代入公式（1）預測2030年上海市載貨汽車保有量為71.76萬輛。

4.2 政策情景

4.2.1 影響因素數(shù)據(jù)

在“推廣新能源汽車政策”場景，上海市2030年的機動車總量將由各類型新能源汽車和各類型傳統(tǒng)燃油汽車構(gòu)成。其中，對于各類型傳統(tǒng)燃油汽車的模型自變量選取采用4.1節(jié)中的方法不變，其中，八項自變量2016-2021年間的數(shù)據(jù)如下表所示：

隨后，對四大類機動車因變量數(shù)據(jù)進行測算。

在推廣新能源汽車政策情境下，新能源汽車的新增數(shù)量可根據(jù)上海交通委員會公布的2016-2021新能源汽車發(fā)放額度計算。同時，根據(jù)中國汽車技術(shù)研究中心官方上險數(shù)可統(tǒng)計出2016-2021年新增的純電動車占新能源車比例，分別為：40.01%，36.2%，25%，36.3%，55.92%，80%。按比例計算出每年純電動和插電混合動力式私家車保有量，這樣可以估算出因變量中的私家車保有量，詳細結(jié)果見表4。

表4 因變量中私家車保有量的估算結(jié)果

根據(jù)上海綜合交通年報和上海綠色交通發(fā)展年報公布數(shù)據(jù)可知每年投放的新能源出租車數(shù)量，同時，根據(jù)上述的新增純電動車占比可計算出每年純電動和插電混合動力式出租車保有量，從而測算出因變量中的出租車保有量，詳細結(jié)果見表5。

表5 因變量中出租車保有量的估算結(jié)果

根據(jù)上海綠色交通年報和上海交通委以及上海綜合交通運行年報公布數(shù)據(jù)可知2016-2021年每年的新能源公交車保有量，根據(jù)每年新增新能源汽車中純電動車占比可計算出每年純電動和插電混合動力式公交車保有量，從而測算出因變量中的公交車保有量，詳細數(shù)據(jù)見表6。

表6 因變量中公交車保有量的估算結(jié)果

根據(jù)上海交通委員會公布的2017-2019新能源專用營運額度可計算出每年上海新能源貨車的增量，根據(jù)《上海市推進運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整實施方案（2018-2020年）》和上海道路運輸管理局公布數(shù)據(jù)可知2020和2021新增的新能源貨車保有量。根據(jù)每年新增新能源汽車中純電動車占比可計算出每年純電動和插電混合動力式載貨汽車保有量，從而測算出因變量中的貨車的保有量，詳細數(shù)據(jù)見表7。

表7 因變量中貨車保有量的估算結(jié)果

4.2.2 私家車總保有量預測

在剔除不相關(guān)自變量后，私家車總保有量的顯著影響因素為市區(qū)人口數(shù)量和建成區(qū)面積。將預測的市區(qū)人口數(shù)量、建成區(qū)面積以及多元線性回歸方程的常量、系數(shù)代入公式（1）預測出2030年上海私家車總保有量為475.39萬。其中，以純電動私家車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立線性模型，將常量和系數(shù)代入公式（4）可預測出2030年上海純電動私家車保有量為191.98萬輛

以插電混合動力式私家車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立線性模型，將常量和系數(shù)代入公式（4）可預測出2030年上海插電混合動力式私家車保有量為12.407萬輛。

4.2.3 出租車總保有量預測

在剔除不相關(guān)自變量后，出租車總保有量的顯著影響因素為居民消費水平，將預測的居民消費水平值以及多元線性回歸方程的常量和系數(shù)代入公式（1）可得2030年上海市出租車總保有量為8.61萬輛。以純電動出租車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立線性模型，將常量和系數(shù)代入公式（4）可預測出2030年上海純電動出租車保有量為2.19萬輛。

以插電混合動力式出租車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立線性模型。方程常量為-0.289，系數(shù)為0.146，將常量和系數(shù)代入公式（4）可預測出2030年上海插電混合動力式出租車保有量為1.90萬輛。

4.2.4 公交車總保有量預測

利用分析軟件重新建立S曲線模型，將常量和系數(shù)代入公式（5）可得2010年公交車總保有量為1.77萬輛。以純電動公交車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立S曲線模型，將常量和系數(shù)代入公式（5）可預測出2030年上海純電動公交車保有量為0.69萬輛。

以插電混合動力式公交車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立S曲線模型，方程常量為-0.057，系數(shù)為-1.432，將常量和系數(shù)代入公式（5）可預測出2030年上海插電混合動力式公交車保有量為0.86萬輛。

4.2.5 載貨汽車總保有量預測

利用分析軟件重新建立二次項模型，將常量和系數(shù)代入公式（2）可得2030年上海載貨汽車總保有量為40.51萬輛。以純電動載貨汽車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立二次項模型，將常量和系數(shù)代入公式（3）可預測出2030年上海純電動載貨汽車保有量為4.94萬輛。

以插電混合動力式載貨汽車為因變量，時間序列為自變量，利用分析軟件建立線性項模型，方程常量為-0.232，系數(shù)為0.351，將常量和系數(shù)代入公式（5）可預測出2030年上海插電混合動力式載貨汽車保有量為5.03萬輛。

5 上海市2030年道路交通碳排放核算

5.1 參數(shù)確定

根據(jù)交通碳排放計算公式（6），確定以下各類數(shù)據(jù)的值，以測算不同情景下上海市交通碳排放的數(shù)額。其中汽車保有量為前文所預測數(shù)據(jù)；年均行駛里程參考《中國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展報告2022》[8]、車兆華（2013）[9]、阿迪拉·阿力木江（2017）[10]的研究成果；單位里程消耗量參考中國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展研究報告《中國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展報告2022》[11]的研究成果；汽油密度根據(jù)IPCC公布的數(shù)據(jù)，出租車和私家車使用汽油以92#為主，密度為0.725kg/L，貨車主要使用0#柴油，其密度為0.835kg/L；燃料凈熱值根據(jù)IPCC公布數(shù)據(jù)，汽油凈熱值為44.3×10—6TJ/kg，柴油凈熱值為43×10—6TJ/kg；柴油和汽油的碳排放系數(shù)以IPCC指南為準，電力的碳排放系數(shù)由生態(tài)環(huán)境部公布數(shù)據(jù)獲得[12]。

5.2 基準情景下上海2030年交通碳排放計算

將數(shù)據(jù)代入到公式（1）可以計算得出單輛以汽油為能源的私家車年均碳排放量為3.38噸、單輛以汽油為能源的出租車年均碳排放量為26.70噸、單輛以柴油為能源的公交車年均碳排放量為68.91噸、單輛以柴油為能源的載貨汽車年均碳排放量為33.50噸。

根據(jù)前文的計算，私家車、出租車、公交車、載貨汽車保有量預測值分別為454.98萬輛、5.75萬輛、2.1萬輛、71.76萬輛?？傻?030年上海私家車碳排放量為1537.83萬噸、出租車碳排放量為153.53萬噸、公交車碳排放量為144.71萬噸、載貨汽車碳排放量為2404.00萬噸，總碳排放量為4240.07萬噸。

5.3 政策情景下上海2030年交通碳排放計算

根據(jù)公式（1），可以計算得出單輛純電動私家車年均碳排放量為1.65×10-3噸、單輛插電式混合動力私家車年均碳排放量為2.11噸、單輛純電動出租車年均碳排放量為18.00×10-3噸、單輛插電式混合動力出租車年均碳排放量為13.37噸、單輛純電動公交車年均碳排放量為51.59×10-3噸、單輛插電混合動力式公交車年均碳排放量為22.20噸、單輛純電動載貨汽車年均碳排放量為16.97×10-3噸、單輛插電混合式動力載貨汽車年均碳排放量為16.10噸。

各類型汽車保有量預測值見前文，最終可計算出2030年上海交通總碳排放量2019.68萬噸，其中各類型車型碳排放詳細數(shù)據(jù)見表8。

表8 政策情景2030年上海交通碳排放量

6 結(jié)果與策略

通過計算發(fā)現(xiàn)，基準情景下2030年上海交通碳排放總量為4240.07萬噸，政策情景下2030年上海交通碳排放量為2019.68萬噸，后者比前者共減少交通碳排放量2220.39萬噸，碳排放降幅為52.37%，可知持續(xù)推廣新能源汽車可有效大幅降低交通碳排放量。

而在不同交通類型碳排放分析中發(fā)現(xiàn)，私家車在“基準情景”下到2030年碳排放量為1537.83萬噸，在“政策情景”下到2030年碳排放量為735.22萬噸，同比減少802.61萬噸，降低率為52.19%；出租車在“基準情景”下到2030年碳排放量為153.53萬噸，在“政策情景”下到2030年碳排放量為146.12萬噸，同比減少7.41萬噸，減低率為4.82%；公交車在“基準情景”下2030年碳排放量為144.71萬噸，在“政策情景”下2030年碳排放量為34.29萬噸，同比減少110.42萬噸，降低率為76.30%；載貨汽車在“基準情景”下2030年碳排放量為2404.00萬噸，在“政策情景”下2030年碳排放量為1104.05萬噸，同比減少1299.95萬噸，降低率為54.07%?？梢?，碳排放降幅集中在私家車、公家車和貨運車三種類型的車輛中，而其中公交車的降幅最大。

而根據(jù)以上分析結(jié)果，可對上海市未來推廣新能源汽車的政策進行更為精準的細分。首先是持續(xù)加大對公交車綠色轉(zhuǎn)型的推廣，加大新能源汽車在公交車中間的比例，以獲得更大比例的減排數(shù)額；其次，對載貨汽車的綠色轉(zhuǎn)型保持持續(xù)的扶持，改變目前新能源汽車在載貨車輛中比例過低的問題；第三，對私人汽車的新能源扶持政策可以有序的進行調(diào)整，比如目前上海正在實施的補貼退坡政策等。