雙碳目標背景下上海新能源汽車保有量及用電需求分析及預(yù)測

戚宇辰　姜雨萌　李灝恩　崔旻　謝云飛

摘 要：本研究旨在分析和預(yù)測在3060雙碳目標背景下，上海地區(qū)新能源汽車至2060年的保有量及用電需求趨勢。通過收集上海新能源汽車歷史保有量、行駛里程、能耗水平等數(shù)據(jù)，運用Gompertz、Logistic時序分析、以及國際對標等方法，得出以下結(jié)論：上海地區(qū)新能源汽車的保有量逐年增加，增速呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，預(yù)計在2040年左右趨于飽和。飽和值與城市車輛極限保有量和經(jīng)濟發(fā)展水平相關(guān)，根據(jù)人口規(guī)模等城市發(fā)展條件，若極限保有量越大、經(jīng)濟發(fā)展水平越高，則新能源汽車保有量也會越大。此外，不同場景的模擬結(jié)果顯示，未來新能源汽車用電需求將呈倒U型趨勢，大幅增加后略微下降，拐點預(yù)計出現(xiàn)在2040年左右。這一變化主要是由新能源汽車保有量達到飽和階段后電耗的進一步下降所驅(qū)動?？傮w而言，面向3060目標未來上海新能源汽車用電需求的變化將對上海電力系統(tǒng)的科學規(guī)劃和有效管理提出新的挑戰(zhàn)，需要積極采取相應(yīng)措施來確保電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：雙碳目標 新能源汽車 經(jīng)濟發(fā)展 能源消耗 用電需求

1 引言

2020年9月，我國確立了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標，《中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，應(yīng)優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)，推廣節(jié)能低碳型交通工具，并積極引導低碳出行。同時，《上海市碳達峰實施方案》強調(diào)推動運輸工具裝備低碳轉(zhuǎn)型，加快推進公共領(lǐng)域車輛全面電動化，并積極鼓勵社會乘用車領(lǐng)域電動化發(fā)展。

隨著全球能源需求不斷增長和環(huán)境問題日益突出，新能源汽車作為交通領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的解決方案備受關(guān)注和推廣。根據(jù)《中國新能源汽車大數(shù)據(jù)研究報告2022》，2021年上海市新能源汽車的全國占比位居首位，緊隨其后的是深圳和北京。此外，上海市的電動化率（新能源汽車保有量與當期汽車保有量的比率）也名列前茅，達到了約12%。根據(jù)“上海發(fā)布”的數(shù)據(jù)，2022年上海機動車保有量達到537萬輛，其中新能源汽車保有量達94.5萬輛，電動化率進一步提高到17.6%。

根據(jù)國家雙碳目標，以及電網(wǎng)等對于全國新能源汽車的預(yù)測，預(yù)計到2060年，城市運行的中國機動車中絕大多數(shù)為新能源汽車，這既是能源革命的趨勢，也是實現(xiàn)雙碳目標的必然選擇。隨著新能源汽車技術(shù)的不斷進步和政府對新能源汽車的支持政策的不斷推進，上海的新能源汽車保有量呈現(xiàn)快速增長的趨勢，而相應(yīng)的能源消耗問題也日益受到關(guān)注。研究上海新能源汽車保有量與能源消耗發(fā)展趨勢對我國實現(xiàn)綠色、低碳交通的目標提供政策參考，具有至關(guān)重要的意義。

本文將利用上海新能源汽車歷史保有量、行駛里程、能耗水平等數(shù)據(jù)，并通過運用Gompertz、Logistic時序分析、國際對標等方法，分析上海新能源汽車保有量的增長以及其能源消耗的趨勢，以期為上海市乃至全國實現(xiàn)雙碳目標，提供科學的決策依據(jù)和指導建議。

本文的安排如下：第一部分為引言，第二部分對相關(guān)文獻進行總結(jié)與分析，第三部分介紹預(yù)測方法，第四部分介紹數(shù)據(jù)來源及重要變量的預(yù)測結(jié)果，最后綜合方法與數(shù)據(jù)來預(yù)測與分析最終結(jié)果并提出相關(guān)建議。

2 文獻綜述

針對汽車保有量的預(yù)測，馬艷麗、高月娥（2007）指出，由于交通運輸?shù)膹碗s性和多樣性，選取不同的預(yù)測方法和影響因素會得到不同的結(jié)果，主張應(yīng)通過趨勢外推法、情景分析法等進行情景分析并綜合評價，并預(yù)測了2030年全國汽車保有量為2.3-2.5億輛。王玲玲等（2006）運用線性回歸方法及1990-2000年的數(shù)據(jù)預(yù)測發(fā)現(xiàn)2001年的值與實際值之間約有1%的誤差，短期預(yù)測有效。李瑞敏等（2013）分析了機動車保有量的發(fā)展趨勢，認為在未實施控制政策的情況下，人均機動車保有量與人均GDP有較強正相關(guān)關(guān)系，與人口密度有一定負相關(guān)關(guān)系。姚廣錚等（2020）推算中國超大城市、特大城市和大城市遠期的千人汽車保有量將分別處于300輛/千人，350輛/千人和400輛/千人左右的水平，小城市可能達到450輛千人甚至更高水平。

關(guān)于車均行駛里程，何曉云等（2017）利用杭州市數(shù)據(jù)進行研究發(fā)現(xiàn)，所有車型的機動車隨著車齡增加，年行駛里程減小。馬冬等（2021）選取了2017年中國6個典型城市有效年檢行駛里程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)小型客車年均行駛里程約為1.2萬公里，隨車齡變化不大，而出租車年均行駛里程約為10.0萬公里，隨車齡變化緩慢下降。隨著高鐵和城市軌道交通的發(fā)展以及城市車輛限行政策的實施，小型客車和出租車的年均行駛里程總體呈下降趨勢。Shi（2020）研究了上海新能源汽車的使用模式。結(jié)果顯示，純電動汽車和PHEV主要用作通勤車輛，平均速度低于25公里/小時，約80%的電動汽車每天行駛在60公里以內(nèi)。受空調(diào)能耗和復雜駕駛條件影響，純電動汽車或PHEV每100公里的實際耗電量大于制造商提供的耗電量。

此外Vand（2019）通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)在上海收入水平和環(huán)保意識是影響使用綠色能源產(chǎn)品的主要因素。Zhao（2021）對上海消費者的新能源汽車接受度的研究顯示，上海電動汽車的主要買家的年齡分布集中在31歲至40歲之間。高收入、高教育程度和居住在市中心的消費者更愿意選擇電動汽車。

綜上所述，目前的研究大多限于中短期預(yù)測，本文在上述文獻的研究基礎(chǔ)上，進一步對標與上海發(fā)展特征相似的國外大型都市，預(yù)測分析到2060年期間上海的極限汽車保有量，新能源汽車保有量。并在此基礎(chǔ)上預(yù)測上海新能源汽車未來的電力消耗情況。

3 新能源汽車保有量的預(yù)測方法

新能源汽車的年用電需求可以根據(jù)新能源汽車保有量、平均百公里電耗以及年平均里程計算得到，即：

elec=v*ec*m? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，elec為新能源汽車年用電需求，v為新能源汽車的保有量，ec為平均百公里電耗，m為年平均里程。

因此，這里的關(guān)鍵是對未來新能源汽車的保有量的估算。首先，我們采用Logistic函數(shù)模型方法來預(yù)測汽車保有量。考慮到Logistic反映的是“自然生長”，如不加修訂直接進行估算，會因為遺漏經(jīng)濟社會發(fā)展的重要信息等而導致預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。因此本文在用該方法預(yù)測的城市汽車極限保有量的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展水平GDP，人口增長率等未來新能源發(fā)展階段和政策趨勢等信息進行調(diào)整。

在這里我們將新能源汽車保有量的增長率設(shè)定為：

（2）

r（p）=-? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

這里的p為新能源汽車保有量，t為時間，r為增長率，r（p）為對應(yīng)汽車保有量為p時的汽車保有量增長率，k為常數(shù)，當p=pm時，此時的增長率恰好為0。方程（2）則表示新能源汽車保有量p在t時間的導數(shù)，即t時間點的增長量。方程（3）則表示增長率r應(yīng)當是p的減函數(shù)，pm為新能源汽車的極限值，當p=pm時，r為0。聯(lián)立方程（2）（3）并解這個微分方程組并進行整理可得（4）式：

p（t）= （4）

其中p0表示t=0時的初始值，這里的以及k可以通過對方程式（3）利用歷史數(shù)據(jù)進行回歸得出。

方程式（4）基于Logistic函數(shù)的預(yù)測，僅僅考慮了近年上海新能源汽車的總量與增長率，未考慮到人均GDP增長，新能源汽車保有量極限值，對非新能源汽車的替代問題，以及雙積分政策、非財稅政策（如環(huán)境等）等政策因素，因此所得到的新能源汽車保有量需要調(diào)整。這里我們首先通過乘以一個主觀的強度系數(shù)進行調(diào)整，該強度系數(shù)與政策支持、國民對于新能源汽車心態(tài)變化以及國民的環(huán)保意識等有關(guān)，并假設(shè)該強度系數(shù)的變化也符合“生長”規(guī)律，考慮到近年來國民的環(huán)保意識快速提高以及已有大量相關(guān)高強度政策的出臺，故按照“生長”規(guī)律的后半段趨勢來刻畫該系數(shù)的變化，即按先快后慢的增長趨勢變化。為簡化起見，強度系數(shù)在2035年左右達到2，在2060年達到2.5。

其次，我們進一步采用Gompertz函數(shù)模型方法進行調(diào)整預(yù)測，參考歐訓民（2022）等對人均 GDP 和千人新能源汽車極限保有量進行擬合，得到針對不同人均GDP以及千人新能源汽車極限保有量情形下的新能源汽車保有量的變化。

這里將新能源汽車保有量、新能源汽車保有量極限值以及人均GDP的關(guān)系設(shè)定如下：

（5）

ln（-ln（EVt/EVs））=ln（-α）+βPGDPt （6）

其中，EVs為假設(shè)的新能源汽車極限保有量，EVt為當期的新能源汽車保有量，PGDP為人均GDP，下標t指年份。α與β為Gompertz函數(shù)的參數(shù)，可以通過歷史數(shù)據(jù)進行回歸得出估計量。

4 數(shù)據(jù)來源及預(yù)測結(jié)果

4.1 上海新能源汽車的保有量

4.1.1 上海人均極限擁車量的估算

人均擁車量是指特定地區(qū)平均每人的車輛保有量，跟該地區(qū)或城市的經(jīng)濟發(fā)展水平以及人口規(guī)模相關(guān)。如圖2所示，從日本的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)濟水平和城市規(guī)模發(fā)展到一定水平之后，人口密度與人均擁車量呈明顯的負相關(guān)關(guān)系。上海的人口密度和日本神奈川相近，均低于東京的人口密度。2021年的人均擁車量，上海為0.2，神奈川為0.4，東京為0.3。因此若對標日本，則上海的人均擁車量還有很大上升空間。同時，英國倫敦的數(shù)據(jù)（圖3）則顯示出其人均持牌車輛大約在0.3-0.4區(qū)間范圍內(nèi)，2005年左右達到峰值后呈現(xiàn)下降趨勢，其原因可能是人口密度的進一步上升所致。

基于日本和英國的經(jīng)驗，并參考姚廣錚等（2020）推算的結(jié)果，即遠期中國超大城市千人汽車保有量為300輛/千人，同時考慮到汽車占機動車的比例較大（2018-2021年的比例如圖4所示）以及未來科技水平和城市規(guī)劃水平的進一步提高，我們假定未來上海人均汽車保有量在0.3-0.4之間。另外根據(jù)上海的城市規(guī)劃，未來上海常住人口為2500萬人，因此可假定未來上海極限汽車保有量將在750萬到1000萬量之間。同時在雙碳目標下，95%的絕大部分汽車將被新能源汽車所替代，因此新能源汽車的最終極限保有量將在700到950萬之間。

4.1.2 上海未來新能源汽車保有量的趨勢估計

調(diào)整后的結(jié)果如圖5示，可以看到這個假定前提下的極限值，落在我們預(yù)估的極限值范圍內(nèi)，說明我們的主觀設(shè)定也具有一定的合理性。為保證結(jié)果的穩(wěn)健性，排除主觀因素，本文進一步使用Gompertz函數(shù)進行預(yù)測及對比。

這里我們將方程式（6）改寫為如下形式

Ｙ=θ+βPGDPｔ （7）

其中Y=ln（-ln（EVt/EVs））作為被解釋變量，EVs為假設(shè)的新能源汽車極限保有量，EVt為當期新能源汽車的保有量。PGDPt為當期人均GDP，作為解釋變量。即假定在某一時點（t）的新能源汽車的極限值與當期新能源汽車的保有量之間的差距及其變化，與經(jīng)濟發(fā)展水平（人均GDP）之間存在相關(guān)關(guān)系，那么利用歷史數(shù)據(jù)，對（7）式進行回歸，就可以得到待估參數(shù)β與θ。

本文利用2014-2021年上海新能源汽車數(shù)量以及歷年的實際人均GDP數(shù)據(jù)回歸得到α、β參數(shù)后，再利用基于CGE模型測算未來的到2030，2060年的人均GDP數(shù)據(jù)，計算出不同情景下的上海新能源汽車極限保有量，如表1所示。

從圖6中可以看出，調(diào)整后的Logistic函數(shù)預(yù)估的結(jié)果，即情景7的結(jié)果在2040年后均落在其他情形的假定結(jié)果的范圍之內(nèi)。但之前的2025，2030，2035年的結(jié)果偏大。其可能原因是調(diào)整中考慮了疫情后的反彈，以及近些年在政策驅(qū)動下新能源汽車技術(shù)的日益成熟等因素，這些因素都可能會加速新能源汽車對非新能源汽車的替代。

4.2 上海新能源汽車的種類及電耗水平

4.2.1 車型分類

《節(jié)能與新能源統(tǒng)計年鑒》將新能源汽車分為乘用車、商用車、專用車，對應(yīng)的電耗情況由大到小為商用車、專用車、乘用車。近年來乘用車的占比為95%。不同車型“能耗”差別比較明顯。如表2所示，如不考慮重型貨車，乘用車、微型貨車、輕型客車、輕型貨車較為接近，可以歸為小車能耗類，而中型客、貨車，大型客車可歸為較高的大車能耗類（之后重型貨車也歸入這一“ 大車能耗”）。

為簡化起見，本文將上海新能源汽車種類分為兩檔，即將專用車并入到乘用車、商用車部分，并按照乘用車、商用車的比例仍然為95：5，分別稱之為“小車”檔和“大車”檔。

4.2.2 電耗基準值的設(shè)定

從表3可以看出，新能源汽車電耗的下降路徑為線性。在2025年，2030年，2035年，技術(shù)領(lǐng)先的典型A級純電動車綜合工況電耗分別小于11，10.5，10kW·h/100km（CLTC）。同時，技術(shù)領(lǐng)先的典型純電動客車（車長12m）綜合工況電耗分別小于65，60，55kW·h/100km（CHTC）?？紤]上海新能源汽車的先發(fā)優(yōu)勢，我們以此技術(shù)領(lǐng)先車型的臨界水平，作為上海新能源汽車未來“小車”“大車”的基準電耗，即：在2025年、2030年、2035年上海新能源乘用車電耗分別為11、10.5、10kW h/100km，上海新能源商用車電耗分別為65、60、55kW h/100km。

此外，考慮到上海的發(fā)展可能更快，我們追加設(shè)置兩種新的情形，即技術(shù)發(fā)展快與技術(shù)發(fā)展更快兩種情形，電耗水平的變化路徑為變化速率先快后慢的指數(shù)形式，而最終的2060年的電耗水平分別為基準的0.85與0.7倍。

4.3 上海新能源汽車的車均里程預(yù)測

根據(jù)能源基金會，上海市新能源汽車公共數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測研究中心（2021）的數(shù)據(jù)，上海新能源車現(xiàn)在的日均行駛里程為82.5km，換算為一年則為30112.5km。

而針對車均里程的未來發(fā)展趨勢，我們參考發(fā)達國家的經(jīng)驗來設(shè)定。根據(jù)榮朝和等（2021）所提供的資料顯示，美國、日本和英國自20世紀70-80年代以后的貨運周轉(zhuǎn)量增速明顯放緩，2000年后甚至出現(xiàn)了絕對量減少的現(xiàn)象。以美國為例，日均出行距離在2001年達到最高點約40英里，至2009年降至約36英里，2017年仍保持在這一水平。在歐洲國家和一些較為發(fā)達的東亞城市，汽車保有量已相對較高并達到飽和，人們更傾向于使用公共交通、步行或騎自行車等替代方式。根據(jù)“上海發(fā)布”報告，在上海，小客車使用強度也在持續(xù)下降，2014-2019年期間出車率從83%下降到72%，預(yù)計未來隨者汽車保有量的增加出車率會進一步下降。同時公路部門旅客周轉(zhuǎn)量占比逐年減少，說明旅客出行方式發(fā)生了部分改變圖7。此外，結(jié)合未來數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展和一些發(fā)達國家的歷史經(jīng)驗判斷，上海未來車均里程下降的可能性更大。

數(shù)據(jù)來源：《上海統(tǒng)計年鑒》。

因此本文在基準的里程估計條件下，設(shè)置了里程下降的不同情形，即里程下降和里程更快下降兩種情形，里程水平的變化路徑為變化速率先快后慢的指數(shù)形式，而最終的里程水平分別為基準的0.6與0.4倍。

4.4 上海新能源汽車未來用電需求預(yù)測結(jié)果

根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況與里程預(yù)測，本文的預(yù)測結(jié)果如下：第一，以調(diào)整后的Logistic函數(shù)預(yù)估的上海新能源汽車保有量為基準的前提下，設(shè)置了九種情形（表5），圖8顯示的是最終的用電需求預(yù)測結(jié)果。第二，以4.1節(jié)估計的七種情形下保有量的平均值為基準，同樣設(shè)置了九種情形（表5），圖9顯示的是最終的用電需求預(yù)測結(jié)果。結(jié)果顯示，至2060年，上海新能源汽車的電耗均呈現(xiàn)先大幅增加后逐漸飽和至略微下降的趨勢，拐點出現(xiàn)在約2040年，反映了技術(shù)進步所導致的電耗下降的影響逐漸超過新能源汽車規(guī)模擴大所產(chǎn)生的影響，最高值在每年8-25TWh之間，最終回落到每年5-21TWh之間。對比圖14與圖15，兩者形態(tài)相似，這在一定程度上表明了結(jié)果的穩(wěn)健性。

5 結(jié)論與建議

從本文的預(yù)測結(jié)果可以看出，無論是何種情形，上海新能源汽車用電趨勢都呈現(xiàn)快速增長后小幅下降的趨勢。若技術(shù)進步越快、年平均里程下降越快、新能源汽車進入飽和階段越快，則新能源汽車耗電的峰值點也越快到來。

與現(xiàn)在相比，峰值點所對應(yīng)的耗電量遠高于現(xiàn)在新能源汽車的耗電量，這意味著需要重視并調(diào)節(jié)新能源汽車用電供需關(guān)系。通過合理規(guī)劃和調(diào)整電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，確保新能源汽車的用電需求得到有效滿足。同時，加強新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和優(yōu)化，增加充電樁數(shù)量、提升充電速度和擴大充電網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等措施，以滿足日益增長的新能源汽車用戶的充電需求。此外，在數(shù)字化背景下，推動充電設(shè)備與新能源汽車之間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)智能化的充電管理和調(diào)度，也可緩解新能源汽車快速增長帶來的用電壓力。

對于峰值點的到來，需要根據(jù)未來實際的發(fā)展情況，進行更為精準的預(yù)測，并根據(jù)相應(yīng)情形及時調(diào)整政策。必須重視峰值點的到來時間并提前調(diào)整政策，否則可能存在用電供給超調(diào)的風險，可能會對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成波動與損失。

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