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        純電動乘用車碳排放量關(guān)鍵影響因子相關(guān)性分析

        2021-11-02 09:02:14么麗欣劉斌馬乃鋒
        汽車文摘 2021年11期

        么麗欣 劉斌 馬乃鋒

        (中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

        主題詞:純電動汽車 相關(guān)性分析 碳排放 環(huán)境影響

        縮略語

        BEV Battery Electric Vehicle

        LCA Life Cycle Assessment

        1 引言

        汽車產(chǎn)業(yè)碳中和是一項系統(tǒng)工程,涉及能源、工業(yè)及交通信息多個領(lǐng)域,以及研發(fā)、生產(chǎn)制造、使用和回收多個環(huán)節(jié)。為了實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)碳達峰、碳中和目標(biāo),不僅需要自身技術(shù)突破,還需要其它相關(guān)行業(yè)加快低碳技術(shù)研發(fā),加速汽車全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈節(jié)能減排,共同推動汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展。

        近一年來,雙碳目標(biāo)已經(jīng)成為推動新能源汽車快速發(fā)展、加快汽車產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2021年1~9月新能源汽車產(chǎn)量共計216.6萬輛,同比增長1.8倍,遠高于行業(yè)整體增速,其中純電動汽車產(chǎn)量180.3萬輛,插電式混合動力汽車產(chǎn)量36.2萬輛。得益于電池結(jié)構(gòu)和電池材料的技術(shù)創(chuàng)新,搭載磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的車型續(xù)駛里程持續(xù)提升,能夠滿足消費者日常出行需求,目前磷酸鐵鋰電池的裝機量占比逐漸攀升。

        國內(nèi)外研究成果[1-2]表明,采用全生命周期的視角是研究汽車產(chǎn)品資源消耗和對環(huán)境影響的重要方法。汽車產(chǎn)品生命周期總體碳排放量由燃料周期和車輛周期共同構(gòu)成。經(jīng)研究測算,雖然純電動汽車在車輛周期的碳排放量高于傳統(tǒng)燃油車,但是由于純電動汽車能實現(xiàn)運行階段零排放,使得其生命周期總碳排放量比傳統(tǒng)車更低,并且未來減排潛力更大[3]。

        本文選取純電動乘用車市場代表車型,定量分析關(guān)鍵影響因子與碳排放量的關(guān)系,對純電動乘用車的減碳途徑提出發(fā)展建議。

        2 模型和輸入

        2.1 生命周期模型

        生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)是從整個生命周期的視角分析汽車產(chǎn)品在原材料獲取、零部件生產(chǎn)制造、整車生產(chǎn)制造、燃料生產(chǎn)、燃料運輸、燃料使用和報廢回收各個階段的資源消耗,以及環(huán)境影響的評價方法??紤]輸入數(shù)據(jù)的可獲取程度以及對車型總體碳排放量的貢獻度,本文對純電動乘用車的碳排放量計算只考慮傳統(tǒng)部件原材料獲取、電池原材料獲取、整車生產(chǎn)制造、車輛行駛過程電力上游4個階段[4-5],其它階段忽略不計,計算公式如式(1)。

        式中,CBEV為BEV總體碳排放量;CM為傳統(tǒng)部件原材料獲取階段的碳排放量;CBM為電池原材料獲取階段的碳排放量;CP為整車生產(chǎn)制造階段的碳排放量;CF為車輛行駛過程電力上游的碳排放量。

        傳統(tǒng)部件原材料獲取階段的碳排放量(CM),計算公式如式(2)。

        式中,n為BEV傳統(tǒng)部件材料種類的數(shù)量;Wi為傳統(tǒng)部件第i種材料質(zhì)量;Ei為傳統(tǒng)部件第i種材料碳排放因子;L為BEV生命周期行駛里程。

        電池原材料獲取階段的碳排放量(CBM),計算公式如式(3)。

        式中,n為BEV電池材料種類的數(shù)量;BWi為電池第i種材料質(zhì)量;BEi為電池第i種材料碳排放因子;L為BEV生命周期行駛里程。

        整車生產(chǎn)制造階段的碳排放量(CP),計算公式如式(4)[6]。

        式中,n為BEV整車生產(chǎn)制造過程消耗化石能源的數(shù)量;FCi為第i種化石能源消耗量;FEi為第i種化石能源使用過程碳排放因子;ECp為整車生產(chǎn)制造過程電力消耗量;EP為電力生產(chǎn)過程碳排放因子;L為BEV生命周期行駛里程。

        車輛行駛過程電力上游的碳排放量(CF),計算公式如式(5)。

        式中,EC為BEV行駛過程單位里程電耗;EP為電力生產(chǎn)過程碳排放因子。

        2.2 相關(guān)性分析法

        相關(guān)性分析法是生命周期研究中用來評價產(chǎn)品的輸入因子對輸出結(jié)果影響程度大小的方法,可以細(xì)分為單因子相關(guān)性分析和多因子相關(guān)性分析,單因子相關(guān)性分析用于衡量單個輸入因子對輸出結(jié)果的影響大小,多因子相關(guān)性分析用于衡量兩個或兩個以上輸入因子對輸出結(jié)果的影響大小。本文采用單因子相關(guān)性分析法來研究不同因子對碳排放量的影響。

        2.3 影響因子

        根據(jù)生命周期模型可以看出,純電動乘用車的碳排放量由車輛材料質(zhì)量、車輛材料碳排放因子、生產(chǎn)制造過程的能源消耗量、整車電耗、電力上游碳排放因子、出行特征因素共同決定。經(jīng)測算,從各個階段碳排放量在BEV生命周期總碳排放量中所占權(quán)重來看,車輛行駛過程電力上游最大,其次是傳統(tǒng)部件原材料獲取階段、電池原材料獲取階段,整車生產(chǎn)制造階段最小。另外,純電動汽車的質(zhì)量與電池能量密度呈負(fù)相關(guān),電池密度越大,整車質(zhì)量越小[7]。因此,本文重點分析車輛行駛里程、電網(wǎng)清潔化、能耗水平、電池能量密度、可再生材料利用率這5個影響因子與碳排放量的相關(guān)性。

        2.4 代表車型

        為了區(qū)分搭載不同類型動力電池車型的碳排放量與各個影響因子的相關(guān)性,同時需要兼顧不同對象車型參數(shù)具備可比性的原則,本文選取某公司的A級純電動轎車不同版本的車型作為研究對象,將續(xù)駛里程410 km、搭載磷酸鐵鋰電池的車型記作BEV①,將續(xù)駛里程510 km、搭三元鋰電池的車型記作BEV②,將續(xù)駛里程602 km、搭三元鋰電池的車型記作BEV③,表1為代表車型的部分參數(shù),主要參考2020年第9批和2021年第5批《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》[8-9]。假設(shè)車輛生命周期行駛里程150 000 km,BEV①、BEV②、BEV③單位里程的碳排放量分別為115.6 g·km-1、127.5g·km-1和133.3 g·km-1。

        表1 代表車型主要參數(shù)

        3 關(guān)鍵影響因子相關(guān)性分析

        3.1 車輛行駛里程

        車輛行駛里程反映了一輛車整個生命周期的使用強度。隨著汽車使用強度的增大,純電動汽車車輛周期的碳排放量被大幅稀釋,因此總碳排放量將明顯下降。本文以50 000 km為劃分區(qū)間分別計算3款BEV車型的總碳排放量。從圖1可以看到,當(dāng)生命周期內(nèi)行駛里程從50 000 km增長到200 000 km,各車型的總碳排放量呈現(xiàn)快速下降趨勢,平均每多行駛10 000 km,BEV①單位里程碳排放量下降5.5 g·km-1,BEV②和BEV③單位里程碳排放量下降7~8 g·km-1,可見,隨車輛行駛里程提升,搭載三元鋰電池的BEV碳排放量降幅大于搭載磷酸鐵鋰電池的BEV;當(dāng)生命周期內(nèi)行駛里程從200 000 km到500 000 km,車型總碳排放量仍保持下降趨勢,但是降幅趨緩,這也表明對于出租營運車輛而言,由于行駛里程較長,單位里程總碳排放量大幅低于私人用車,減碳效果十分明顯,因此出租領(lǐng)域應(yīng)大力推廣電動化。

        圖1 車輛行駛里程相關(guān)性

        3.2 電網(wǎng)清潔化

        由于煤炭資源豐富,火力發(fā)電是我國主要的發(fā)電方式,約占全國總發(fā)電量的70%左右[10]。本文采用的電力生產(chǎn)碳排放因子0.6101 kg·(kW·h)-1來自2021年3月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南發(fā)電設(shè)施》[11]。車輛行駛過程電力上游,即燃料上游是純電動汽車全生命周期碳排放的主要構(gòu)成,按照目前的電力生產(chǎn)水平,燃料上游的碳排放量約占總體的60%左右。因此電網(wǎng)清潔程度對提升純電動汽車生命周期減排績效至關(guān)重要。經(jīng)測算,火力發(fā)電占比每下降10%,電力生產(chǎn)碳排放因子下降0.1 kg·(kW·h)-1。圖2表明了電網(wǎng)清潔化與碳排放量之間的關(guān)系,可見二者呈線性相關(guān)性,電力生產(chǎn)碳排放因子每降低0.1 kg·(kW·h)-1,車 型 的 總 碳 排 放 量 下 降 大 約13 g·km-1。通過改變我國的電力結(jié)構(gòu),清潔能源發(fā)電(如風(fēng)電、核電和水電)比例逐漸提升[12],燃料上游的碳排放量將大幅下降,在整個生命周期的占比也將同步下降,純電動汽車全生命周期碳排放量將逐漸降低。

        圖2 電網(wǎng)清潔化相關(guān)性

        3.3 能耗水平

        純電動汽車的能耗與整車整備質(zhì)量、電機功率、風(fēng)阻系數(shù)、續(xù)駛里程因素有關(guān),能耗水平直接決定了燃料上游的碳排放量。近年來,隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的逐漸擴大,純電動汽車技術(shù)成熟度提升,能耗水平不斷下降。從2016年到2019年,我國純電動轎車綜合工況電耗從15.3 kW·h·100 km-1下降到12.8 kW·h·100 km-1,純電動SUV綜合工況電耗從17.8 kW·h·100 km-1下降到14.9 kW·h·100 km-1[13]。與傳統(tǒng)汽車相比,純電動汽車的減碳效果更優(yōu),經(jīng)測算,一輛電耗為16~18 kW·h·100 km-1的純電動轎車生命周期碳排放量與一輛油耗為4~5 L·100 km-1的汽油車相當(dāng)。從圖3可以看出,BEV的能耗水平每下降1 kW·h·100 km-1,碳排放量將下降大約6 g·km-1。未來電動汽車的能耗水平仍將進一步降低,預(yù)計到2025年,技術(shù)領(lǐng)先的典型A級純電動轎車綜合工況電耗將小于11 kW·h·100 km-1[13]。

        圖3 能耗水平相關(guān)性

        3.4 電池能量密度

        目前,在純電動乘用車市場上,針對磷酸鐵鋰電池而言,能量密度為120~140 W·h·kg-1的車型銷量占比最大,受微型車銷售量增加的影響,能量密度為100 W·h·kg-1的車型銷量也提升較快;針對三元鋰電池而言,能量密度為160~180 W·h·kg-1的車型銷量占比最大,部分車型達到了190~200 W·h·kg-1。隨著電池能量密度提升,電池質(zhì)量將下降,由電池產(chǎn)生的碳排放量降低,同時整車整備質(zhì)量下降也會帶來電耗的下降[14],進而整個車型的碳排放量逐漸降低。從圖4可以看出,當(dāng)能量密度從80 W·h·kg-1提升到120 W·h·kg-1,BEV①碳排放量下降10%,BEV②和BEV③碳排放量下降15%左右;當(dāng)能量密度從120 W·h·kg-1提升到160 W·h·kg-1,BEV①碳排放量下降5.5%,BEV②和BEV③碳排放量下降8%~9%;總體來講,隨電池能量密度提升,搭載三元鋰電池的BEV減碳效果優(yōu)于搭載磷酸鐵鋰電池的BEV。因此,從動力電池的綠色設(shè)計入手,提高其能量密度將對純電動汽車生命周期減排起到一定作用[15]。

        圖4 電池能量密度相關(guān)性

        3.5 可再生材料利用率

        汽車生產(chǎn)需要消耗大量的鋼鐵、有色金屬、塑料、橡膠、玻璃和紡織品資源,通過報廢汽車資源合理再利用,可以有效促進汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗[16]。目前國內(nèi)汽車產(chǎn)品可再生材料利用率不高,而且應(yīng)用范圍有限,尚未有權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計該比例具體數(shù)值。本文主要考慮底盤、車身上使用的鋼鐵、鋁、銅、塑料傳統(tǒng)材料,將現(xiàn)有水平以及假設(shè)未來比例提升作為變量,測算車型碳排放量的變化趨勢。由圖5可以看到,可再生材料利用率每提升5%,碳排放量下降大約1 g·km-1,隨著可再生材料利用率的提升,電動汽車的碳排放量隨之下降,不過降幅很有限。2021年6月,四部委聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)品生產(chǎn)者責(zé)任延伸試點實施方案》[17]提出,到2023年,汽車綠色供應(yīng)鏈體系構(gòu)建完備,汽車可回收利用率達到95%,重點部件的再生原料利用比例不低于5%。未來,隨著回收利用技術(shù)的進步,車用可再生材料將被廣泛應(yīng)用到汽車上,進而降低生產(chǎn)成本。

        圖5 可再生材料利用率相關(guān)性

        4 小結(jié)

        基于生命周期研究理論,本文選取純電動乘用車典型車型的不同版本,重點分析車輛行駛里程、電網(wǎng)清潔化、能耗水平、電池能量密度、可再生材料利用率與碳排放量的相關(guān)性。根據(jù)定量研究結(jié)論表明,這5個影響因子變化與車型碳排放量呈現(xiàn)正相關(guān)性或負(fù)相關(guān)性,主要結(jié)論如下。

        (1)車輛行駛里程變化對車型碳排放量的影響最大,出租車電動化對碳減排有著重要意義;

        (2)電網(wǎng)清潔化是控制單車碳排放量和碳排放總量的重要途徑,從中長期來看,電力生產(chǎn)碳排放強度有很大的下降空間;

        (3)電動車能耗水平直接作用于燃料上游碳排放,未來5年能耗仍有10%的下降空間,之后能耗將進入緩降期;

        (4)在滿足電池安全性、功率、續(xù)駛里程、使用壽命、成本使用需求的前提下,搭載較高能量密度動力電池的電動車減碳效果更佳;

        (5)短期來看,可再生材料利用率提升對降低電動車生命周期碳排放的效果微弱。

        總之,與傳統(tǒng)燃油車相比,目前純電動汽車已經(jīng)具備明顯的減碳優(yōu)勢,在雙碳目標(biāo)下,發(fā)展純電動汽車將成為交通運輸領(lǐng)域節(jié)能減排降碳的有利舉措。

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