杭州市公交车油改电项目碳排放效益核算

应紫敏, 吴 旭,杨 武,*

1 浙江大学环境与资源学院,杭州 310058 2 浙江省经济信息中心,杭州 310006 3 浙江大学经济学院,杭州 310058

由温室气体(Greenhouse Gas, GHG)大量排放导致的气候变化已成为全球关注的焦点。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次报告中明确指出：“1983—2012年是过去1400年来最热的30年。20世纪末期全球平均地表变暖主要取决于累积的CO2排放[1]。” 2013年人源碳排放量达360亿t,其中中国占29%,碳排放总量已超过美欧总和[2]。中国碳排放量的激增主要来源于工厂[3]和发电厂[4],而交通运输行业[5]正成为不断增大的排放源之一。例如电力生产过程中化石燃料燃烧产生的CO2约占到人类活动碳排量24%[6],鉴于我国以煤炭为主的能源结构以及利用效率等情况,我国电力实际碳排量约占全国总排量的40%[7]。

2015年,我国在《巴黎协定》中承诺到2030年实现单位GDP的CO2排放较2005年下降60%—65%,非化石能源消费占能源消费总量占比达到20%左右的目标[8]。在碳减排背景下,我国各级政府出台多项鼓励新能源的政策。科技部在2009年推出“十城千辆”目标,被选中城市将开展示范运行约1000辆新能源汽车[9]。2012年我国制定《节能与新能源汽车产业发展规划》[10]提出：“我国将以纯电动汽车为主要战略方向,并计划到2020年新能源汽车占到50%”。2015年1月,浙江省提出对杭州市和宁波市的低碳公交等进行主体性试点项目[11]。同年12月,在《关于印发浙江省创建国家清洁能源示范省行动计划(2016—2017年)的通知》[12]中指出：“积极推广电动汽车,2016年和2017年分别增加7500辆以上电动汽车。”杭州市公交集团从2008年就开始应用油电混合动力客车、纯电动客车多元化等提升公交绿色环保性能。截至2017年4月,杭州市城区共有公交车4974辆,各类清洁能源、节能与新能源车辆比例达到95.94%。其中混合动力公交车共计856辆,占全部公交车的17.21%,纯电动公交车共计2312辆,占全部公交车的46.48%,其中比亚迪有1820辆,上汽万向有400多辆,长江有14辆,比亚迪占纯电动客车总数的78.72%。

20世纪90年代以来,国内外陆续开展关于新能源汽车(纯电动汽车、天然气汽车和混合动力汽车等)替代传统燃油汽车的碳排放效益分析研究。当前,车辆碳排放研究主要通过美国阿贡实验室的GREET(Greenhouse Gases,Regulated Emissions,and Energy Use in Transportation)软件和清华大学的Tsinghua-LCAM(Tsinghua University Life-cycle Analysis Model)模型来进行全生命周期评估(LCA,Life-cycle Assessment)[13]。在此基础上,研究人员对车辆的不同区域[14-16]、不同类型[17-20]、不同燃料[21-24]、不同生命周期阶段[23-25]的碳排放量、能耗和污染物排放量等进行了大量定性和定量研究,已有研究结果表明车辆车型[16- 19]、轻质材料使用情况[25-26]、车辆实际运行工况[27-28](包括驾驶方式、实际路况和气候条件等)、公交车运行路线[29]、电力生产来源和电池充电行为与运行效率[30]等都会影响纯电动车辆和传统油耗车的碳排放效益比较。当前研究普遍认为车辆油改电后碳减排效益将增加。Arar[15]的研究表明结合美国电力能源结构计算得到美国乘用车和轻型卡车油改电后碳排放量显著减少,且将在2020年碳减排36%。黎土煜等[13]通过GREET软件,运用LCA理论构造车辆相应阶段并结合车型和路况信息构建公交车模型,研究结果表明纯电动公交车替代传统燃油车将使得CO2排放量减少19.7%。王宁[18]和宋凌珺[19]利用GREET模型分别分析纯电动公交车和电动卡车“油井到车轮”CO2排放量,并与传统柴油公交车对比后得到碳减排率分别为20.2%和5.3%。欧训民等[31]通过清华LCAM模型对在中国背景下使用的插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车温室气体排放量进行LCA模拟,得到纯电动汽车在2015和2020年预计碳减排率分别为28.99%和40.83%。但也有部分研究认为当前中国不同区域电力背景下车辆油改电后碳减排效益差异较大,部分甚至为负效益。李书华等[28]指出电动汽车油改电碳排放效益情况和电力产生来源的不确定性等直接相关。康利平等[32]和宋永华等[33]的研究认为当前东北、华北区域电力背景和全国平均的电力背景下电动汽车油改电后碳排放增加,而南方和华中地区碳减排效益暂不清楚。从以上现有研究成果可知：虽然当前通过LCA理论并借助相应软件对车辆油改电碳排放情况已有不少研究,但鉴于城市相关基础设施、能源结构、车辆类型及分析模型的差异性等导致的车辆油改电后碳减排效益并不一致且具有显著时空差异性,因此深入开展城市层面纯电动公交车与柴油公交车LCA碳排放研究对明晰相关地区碳减排政策效益十分必要。本研究针对杭州地区推动公交车纯电动车转型计划具有一定现实意义。本文以杭州市柴油公交车改电动公交车(简称公交车油改电)政策为例,评估政策在全生命周期下的碳减排效益。具体研究目标包括：(1)在生命周期框架下核算杭州市纯电动和柴油公交车制造、运营维护与报废过程、以及电力与柴油的生产、运输和配送过程中产生的碳排量,通过比较两者差异来评估公交车油改电政策的碳减排效益;(2)根据未来煤电技术和能源结构预测结果,模拟基准、低碳和强化低碳三种情景下全面推行公交车油改电政策的碳减排效益情况。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

生命周期评价法(Life Cycle Assessment, LCA)是对产品从初始到终结全过程的分析方法,被形象地称为从“摇篮”到“坟墓”的评估。LCA流程包括原料获取、生产、运输、使用维修和报废回收五部分[34]。生命周期评价框架一般包括4个阶段：目标与边界范围的确定(确定功能单位)、过程清单分析(数据收集与建模)、影响评价(计算)和结果解释[28,35]。采用基于详细过程的生命周期评价方法,通过研究纯电动和柴油公交车从原料生产到报废回收各阶段碳输入和输出情况,核算相关过程碳排量。

1.1.1 确认评估对象、目标与边界

评估对象是指被研究的纯电动和柴油公交车,涵盖了从其原材料获取到生命周期末尾的报废回收全过程。目标与边界范围的确定主要包括系统边界、功能单位和假设等[36]。所评估的两类公交车具体参数如表1所示。两类车主要差异体现在动力系统方面,如图1所示,其他部分如资源获取和相近材料碳排系数默认近似相等。

功能单位为公交车行驶1km。研究边界从车辆材料生产到车辆报废回收过程中涉及到的各碳排放阶段,包括燃料上游阶段(如燃料原料生产与运输和燃料生产与输送)、燃料下游阶段(燃料消耗)、公交车原材料生产与加工(纯电动公交车包括电池系统)、装配与制造、运行、配套设施运营和报废回收。

1.1.2 建立公交车生命周期模型

纯电动和柴油公交车生命周期评估的示意图如图2所示。

图1 纯电动公交车和柴油公交车车辆解构图Fig.1 Deconstruction diagram of pure electric bus and diesel bus

项目Project纯电动公交车 Pure electric bus柴油公交车 Diesel bus整车质量Overall vehicle weight12000kg13300kg电机/发动机特征Motor/Engine features永磁同步电机YC6L280-42轮胎数Number of tires68充电/输油效率Charging/Dispensing efficiency/%90100百公里耗电/油量Power/Oil consumption per 100 kilometers120kWh/100 km40L/100km

图2 纯电动公交车和柴油公交车生命周期各阶段Fig.2 Life cycle assessment of pure electric bus and diesel bus at all stages

(1)燃料周期：燃料生命周期也称井到轮(Wells-to-Wheels, WTW),对井到轮阶段的研究通常细化为井到泵(Well-to-Pump, WTP)也称燃料上游周期和泵到轮(Pump-to-Wheels, PTW)也称燃料下游周期[40]。涉及的燃料包括柴油公交车和纯电动公交车所使用的柴油和电力。柴油上游阶段包括原油开采和运输[13,28,41]、炼油生产和柴油输送[29-30]。我国柴油炼油生产阶段每吨消耗71.629kg燃料油[42],生产损耗为0.5%[28]。我国柴油生产工厂到柴油补充站总共涉及8个环节的损耗,损耗率为0.27%[28],电力生命周期碳排与杭州市电力能源结构紧密相关。电力上游阶段包括原煤开采与生产[13,28,41,43-45]、电煤运输[46-48]和其他原料生产与运输[28,37,43],电网输电线路平均损失率6.47%[49]。燃料下游即车辆燃料柴油和电力消耗[28,40],将此过程放置车辆周期运行阶段进行核算,此处不重复核算。

(2)车辆周期：车辆生命周期包括原料生产与加工、装配与制造、车辆运行、设施运营与维护、报废与回收。柴油原料生产与加工阶段包括钢、铁、轧铝、铸铝、铜、玻璃、塑料、橡胶等[28,46-47,49],而纯电动公交车还需考虑电池。目前市场上电动车电池的循环使用寿命已达到2000次或10年以上[10],设定其生命周期内将更换一次电池。装配与制造在生产流程上两类车没有太多区别。整车制造涉及冲压、焊接、涂装和总装四大工艺。四大工艺最终通过电力、空气压缩量、水量、蒸汽量、天然气量和循环水量的消耗产生碳排放[13],假设两种公交车装配阶段工艺一致。车辆运行阶段考虑生命周期内柴油和电力消耗。设施运营与维护阶段中柴油公交车涉及基础设施建设和运营,碳排放分别为0.014g CO2eq/km和0.024g CO2eq/km[50],纯电动公交车需新建充电桩和换电站等设施,其中充电桩建设和运营碳排放为4.74g CO2eq/km[51],两阶段碳排放比例分配参照柴油公交车,换电站建设碳排量参照单位面积建筑碳排放[52]。将就公交车维护中典型产品轮胎[53-54]进行核算。一般情况,综合路况下轮胎行驶里程不超过6万km。根据《机动车强制报废标准规定》,公交车使用年限13年。柴油公交车和纯电动公交车运行阶段假设每天行驶200km,生命周期里程约95万km。纯电动公交车耗电量为120kWh/100km,充电效率为90%,柴油公交车耗油量为40L/100km,加油效率本文设定为100%[37-39,55],柴油燃烧碳排量为2.645kg/L[42,56]。报废与回收阶段主要有直接同用、翻新回用、材料重熔、用于其他、能量回收和填埋六种途径,80%以上涉及材料回收利用[57-58],因此对车辆铸铁、长钢、扁碳、钢、轧铝、挤压、铝铸和铝[28,47]六种主要回收材料进行核算。柴油和纯电动公交车车辆材料[28,16]和电池材料[28]的质量分布、制造产率Y和材料碳排放系数如表2和表3所示,回收材料[47]的质量分布、汽车报废回收比、回收相关碳排系数β(当β大于0则表示材料在车辆周期外的初级生产即可抵消车辆在生产制造和使用阶段的碳排放)和材料碳排系数(其中Ip和Is分别代表车辆材料生产过程中和报废后回收的单位碳排量)如表4所示。

表2柴油公交车和纯电动公交车材料重量分布、制造产率和材料碳排放系数

Table2Weightdistribution,manufacturingyields,andcarbondioxideemissioncoefficientsformaterialproductionfordieselbusandpureelectricbus

材料Material柴油公交车 Diesel bus/kg纯电动公交车 Pure electric bus/kg制造产率Y Manufacturing yieldCO2排放系数 CO2 emission factor/(g/kg)钢Steel747688310.76821铸铁Cast iron13082660.81209锻铝Wrought aluminum2641330.619436铸铝Cast aluminum5527320.820588铜Copper2286250.53670玻璃Glass3484650.51954塑料Plastic133216090.56478橡胶Rubber2762390.53951

1.1.3 碳排放情景模拟

基于未来我国能源结构优化[43-45,59-60]和煤电技术发展[46-47,60-64],在2020、2035和2050年的基准、低碳、强化低碳情景下,对杭州市公交车油改电项目进行碳减排模拟。基准、低碳、强化低碳情景设定基于我国超高压机组(UU)和亚临界机组(SU)和国际先进的超临界机组(SC)、超超临界机组(USC)和煤气化联合循环的煤电技术组合(IGCC),IGCC电站可通过在煤炭燃烧前分离和捕集CO2显著减少单位电力生产的碳排放量。此外当前碳捕集和封存技术(Carbon Capture and Storage, CCS)发展迅速,该技术可将捕集的CO2长期封存在地下,碳减排率可达90%[46],具体如表5所示。

表3纯电动公交车电池材料重量分布、制造产率和材料生产碳排放系数

Table3Weightdistribution,manufacturingyields,andcarbondioxideemissioncoefficientsforbatterymaterialproductionforpureelectricbus

电池材料Battery material质量Weight/kg制造产率YManufacturing yieldCO2排放系数CO2 emission factor/(g/kg)磷酸铁锂Lithium iron phosphate78612843石墨Graphite34311117粘合剂Adhesives5913339铜Copper2560.53065锻铝Wrought aluminum4490.611200钢Steel330.72279电子元件Electronic component28140472六氟磷酸锂 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冷却液∶乙二醇Coolant∶Ethylene glycol2411775

表4柴油公交车和纯电动公交车回收材料质量分布、汽车报废回收比、回收相关碳排系数和材料碳排系数

Table4Massdistribution,carscraprecoveryratio,carbonrecoveryratio,andmaterialcarbonemissioncoefficientofrecycledmaterialsfordieselbusandpureelectricbus

材料Materials柴油公交车Diesel bus/kg纯电动公交车Pure electric bus/kg汽车报废回收比Vehicle scrap and recycling ratio/%回收相关系数βRelevant recycling factor/%生产过程回收碳排放LpCarbon emissions of recycling during production/(g CO2/kg)报废过程回收碳排放LsCarbon emissions of recycling during Scrap/(g CO2/kg)铸铁Cast iron5320480091.60-8.501.870.399长钢Long steel1995180092.005.401.870.399扁碳钢Flat carbon steel5719516093.3078.301.870.399轧铝Rolled aluminum13312085.1076.5010.510.69挤压铝Extruded aluminum13312081.3073.1010.510.69铸铝Cast aluminum66560081.30-3.4010.510.69

表5 2020、2035和2050年煤电技术情景设定[46]

当前杭州市有2312辆纯电动公交车,混合电动公交车折合1/2纯电动公交车核算。我们假设杭州市公交车总量恒定在5000辆, 且到2050年全城均为纯电动公交车,则2020年车辆数约3000辆,2035年约4000辆。

1.2 数据来源

本研究涉及的数据包括燃料周期的燃料上游、燃料下游和车辆生命周期包括原料生产与加工、装配与制造、车辆运行、设施运营与维护、报废与回收各阶段的物质和活动等碳排系数及消耗量。相关数据来源主要是文献、比亚迪官网、杭州公交车集团、杭州市能源发展“十三五”规划、国家技术监督局、国家统计局、国家能源局、国家发改委能源研究所、全国电力工业统计快报(2016)、中国能源统计年鉴(2015)、美国阿贡国家实验室GREET模型等。公交车全生命期排放的CO2占温室气体排放量的99.8%,且鉴于本文研究尺度,只计算生命周期CO2排放量,不包括其他温室气体。

1.3 计算模型

本文基于生命周期框架,采用排放系数法计算碳排量,单位为克二氧化碳当量每千克物质(CO2eq/kg)。公交车生命周期各阶段计算公式如下所示：

(1)燃料生产运输生命周期碳排放计算公式[28]为：

If=Ce×E×S

(1)

式中,If表示燃料生产运输过程中碳排放量;Ce表示燃料当量排碳放系数;E表示能源利用效率;S表示能源消费结构比例。

(2)公交车原料生产与加工碳排放计算公式[28,47]为：

(2)

式中,Ip表示公交车原料生产与加工碳排放量;Mi表示材料生产质量;Ci表示材料碳排系数;Yi表示材料生产产率。

(3)公交车运行阶段碳排放计算公式[67]为：

(3)

式中,Iu表示公交车运行阶段碳排放量;FE表示公交车百公里耗油/电量;EF表示单位电力或柴油碳排量;U为公交车行驶里程;TE表示充电效率/输油效率。

(4)公交车运营设施建设和维护阶段碳排放计算公式为：

Ic&m=(Ic+Im)×U

(4)

式中,Ic&m表示公交车运营设施建设和维护阶段碳排放量;Ic表示公交车公交车运营设施建设阶段碳排系数;Im表示公交车运营设施维护阶段碳排系数;U为公交车行驶里程。

(5)公交车回收过程中碳排放计算公式[47]为：

(5)

式中,Ire表示公交车回收过程中碳排放量;Ipi代表车辆材料生产过程中回收的单位碳排量;Isi代表车辆材料报废后的回收单位碳排量;Mi代表不同材料质量;β表示回收相关碳排系数,当β大于0则表示材料在车辆周期外的初级生产即可抵消车辆在生产制造和使用阶段的碳排放。

1.4 不确定性分析

由于部分数据缺乏和涉及核算条目繁琐等原因,生命周期评估中部分非核心过程如车辆运输和车辆运营维护中除电池和轮胎外等阶段碳排量核算暂时忽略,部分过程如柴油生产、车辆原料生产、动力电池生产和报废车辆材料回收等只核算重点原料和零部件。部分参数缺乏时采用其他相关参数替代或设定一定假设前提如因柴油加工过程数据缺乏而使用石油制品加工业平均水平数据来替代和用全国电力输送平均损耗率替代杭州市电力输送损耗率等,此外如柴油输送过程中的漏油和车辆加油过程中的挥发等损耗量等也暂时被忽略。因此本文生命周期碳排量核算结果存在不确定性,但这些不确定过程产生的碳排量相比生命周期内其他排量占比非常小,因此这种不确定性不足以影响研究的结论。

2 核算结果与讨论

2.1 单辆公交车碳排放核算结果与讨论

根据已有数据,对杭州市柴油公交车和纯电动公交车全生命周期碳排放量进行了评估,具体评估结果如下。

2.1.1 燃料周期碳排情况

原油开采和运输过程中CO2排放量分别为89.179t和25.252t。柴油加工过程CO2排放量为86.380t。柴油运输阶段CO2排放量为12.066t。因此,柴油的燃料生命周期CO2排放总量为212.877t(表6)。

电力生产中原煤生产和电煤运输阶段CO2排放量分别为39.429t和5.299t,其他原料生产和运输阶段CO2排放量为18.648t。2016年电厂煤电和水电碳排系数分别为769.704g CO2·kWh-1和173.3g CO2·kWh-1,天然气碳排比煤炭低43%[51],天然气电碳排系数为438.731g CO2·kWh-1。电力生产过程CO2排放量为704.442t,电力运输过程CO2排放量为49.678t。因此,电力生命周期CO2排放总量为817.497t(表6)。

2.1.2 车辆周期碳排情况

柴油公交车和纯电动公交车车辆原料生产和加工阶段CO2排放量为120.054t和213.457t,其中纯电动公交车每组电池生产需产生CO2排放量14.713t,生命周期内产生CO2排放总量为88.280t。两种公交车装配和制造阶段工艺一致,其CO2排放量均为1.580t。柴油公交车和纯电动公交车运行过程CO2排放量分别为1005.670t和0t。柴油公交车基础设施建设和运营CO2排放量分别为0.532t和0.912t,运营CO2总排放量为1.444t。纯电动公交车需新建充电桩和换电站等设施,其充电桩建设和运营阶段CO2排放量分别为1.702t和2.917t,换电站建设CO2排放量为7.800t,运营CO2排放总量为12.618t。柴油公交车和纯电动公交车维护过程中轮胎生命周期CO2排放量分别为69.160t和51.870t。柴油公交车和纯电动公交车报废与回收阶段CO2排放量分别为-8.311t和-10.876t。

2.1.3 生命周期碳排情况汇总

杭州市纯电动和柴油公交车生命周期CO2排放量分别为1103.237t和1401.319t,燃料生命周期和车辆生命周期碳排放核算结果汇总如表6所示,各阶段占比如图3所示。

表6 两种公交车生命周期各阶段碳排放量

图3 杭州市柴油公交车和纯电动公交车生命周期各阶段碳排量比例Fig.3 Carbon emission of the diesel bus and pure electric bus at all life cycle stages at Hangzhou City

根据上文核算结果发现杭州市纯电动公交车相比柴油公交车LCA碳减排率达21.27%,其产生的巨大碳排差距主要来自燃料周期,该阶段碳减排率高达32.91%。Hawkins 等[66]在欧洲电力背景下对20万里程的纯电动汽车与柴油车碳排放进行LCA碳排放比较后得出车辆碳减排比例在17%—20%之间,并根据不同里程设定而略微浮动。黎土煜[13]、王宁[19]和宋凌珺[18]利用GREET模型分析后得到纯电动汽车比柴油汽车的CO2排放量分别减少了19.7%(约160t)、20.2%和5.3%,核算结果与前两者碳减排比例基本一致,但与最后一个结果有明显差异,这主要是由于宋凌珺研究的车型是卡车,巨大的载重量造成的油改电碳排放效益明显降低,因此总体来说本研究结果准确可靠。

纯电动公交车原料生产和加工阶段碳排量明显高出柴油公交车,单辆车碳排放超额比例为77.80%,巨大碳排量差距的来源除了两类车材料质量分布差异外主要来自纯电动公交车动力电池生产与制造,超额比例为73.53%。这是因为电池制造涉及材料众多,组装工艺复杂,动力电池原料生产和制造组装过程中产生碳排量同样较高,且考虑当前动力电池效能技术限制,车辆生命周期内需更换一次动力电池。资源回收再重造相当于在有效减少下一辆公交车部分原料生产的碳排放,因此两类公交车报废与回收阶段碳排放均为负值,纯电动公交车由于动力电池使用材料种类较多、质量较大且资源回收率高,因此报废与回收阶段碳排量略低于柴油公交车,但当前动力电池精细回收再利用依然有不少技术瓶颈,该部分是增加纯电动公交车碳减排效益的重要过程,因此未来纯电动公交车动力电池生产和回收技术的发展将会极大提升碳减排效益。由于纯电动公交车需新建充电桩和换电站等设施,因此纯电动公交车充电桩建设和运营碳排量要比柴油公交车基础设施建设和运营阶段碳排量高38.38%。需要指出的是换电站建设虽然会产生巨大碳排放,但车均碳排量并不大。因此杭州市公交车油改电过程中新建充电站和换电站额外增加的碳排量相对有限,加快充电桩等配套设施建设有助于尽快实现碳减排。

2.2 杭州市纯电动公交车碳减排核算结果与讨论

目前杭州市在营电动公交车生命周期内碳减排量达到68.917万t,公交车油改电进行约3.5年后才能真正实现相对碳减排,如图4所示。

图4 不同运营年限下的两类公交车碳排放对比 Fig.4 Comparison of carbon emission between diesel bus and pure electric bus under different operating years

由上述核算结果可知当前杭州全城纯电动公交车年均减排5.301万t,相当于每年植树近50万棵或者停开近4万辆经济型轿车,产生的碳减排效益巨大。部分城市如南京市也对电动车替换燃油车碳减排量进行了评估,结果显示南京市在2014—2015年共增设4300辆电动车,在一年内碳减排量达到24.6万t[67]。此外有部分采访指出杭州市年均减少燃油消耗4144.66万升以上,年均减少碳排放10.9万t以上[68]。以上城市层面碳减排结果和本文有较大差异,这些差异的产生原因各不相同。本文碳减排结果明显少于南京市,这主要是不同城市之间由于电动车辆类型(电动公交车和电动汽车)、数量(3000辆与4300辆)和城市之间的车辆配套设施的配备情况(充电桩数量和位置设置)等产生的综合结果。采访中的杭州公交车碳减排量大于本研究结果可能是该采访人并未用LCA方法全面分析,只核算了燃料替代产生的碳减排量,而忽略了车辆制造及电力生产等过程中的碳排放量,导致结果偏大。其次在杭州市公交车油改电进程中,碳减排效益在车辆生命周期的中前期便可达到目的,碳排放潜力客观。此外杭州市全城纯电动公交车还涉及到充电行驶最短总路程的最优解问题,充电桩的高效科学配置有助于减少消耗,增加碳减排效益。复杂城市工况下的纯电动公交车运行会消耗更多电力,产生更多碳排放,城市交通环境的优化将使纯电动车辆电力额外消耗和车辆磨损等减少,有助于加强纯电动公交车碳减排效益。

2.3 杭州市碳排放情景模拟结果与讨论

基于未来我国能源结构优化和煤电技术发展预测结果,2020、2035和2050年我国单位发电碳排量在基准情景下分别是601.191、537.066g/kWh和474.163g/kWh;在低碳情景下分别是414.351、273.606g/kWh和212.548g/kWh;在强化低碳情景下分别是302.435、208.660g/kWh和182.558 g/kWh,如图5所示。

图5 2020、2035和2050年不同情景下煤电碳排放系数Fig.5 Coal and electricity technology scenario settings in 2020, 2035 and 2050

基于不同煤电技术发展及发电能源结构优化,三种情景下纯电动公交车在2020、2035和2050年的生命周期CO2排放量结果如图6所示。在基准情景下,CO2排放量分别是1047.248t、966.024t和886.346t,碳减排率分别为25.27%、31.06%和36.75%;在低碳情景下,CO2排放量分别是810.585t、632.308t和554.967t,碳减排率分别为42.16%、54.88%和60.40%;在强化低碳情景下,CO2排放量分别是668.824t、550.043t和517.980t,碳减排率分别为52.27%、60.75%和63.11%。2050年强化低碳情景下,每辆纯电动公交车生命周期CO2排放量约为当前纯电动和柴油公交车生命周期CO2排放量的46.86%和36.89%。

图6 2020、2035和2050年三种情景下每辆纯电动公交车生命周期碳排放量及相对柴油公交车减排比例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种情景下,纯电动公交车在2020、2035和2050年的LCA碳减排总量如图7所示。在基准情景下,杭州市在2020、2035和2050年全城纯电动公交车碳减排总量分别为106.191、174.078和257.436万t;在低碳情景下分别为177.190、307.564和423.126万t;在强化低碳情景下分别为219.719、340.470和442.119万t。2020、2035和2050年杭州市公交车油改电年均碳减排量在基准情景下分别为8.169、13.630和16.901万t;在低碳情景下分别为13.391、23.659和26.190万t;在强化低碳情景下分别为19.803、32.548和34.009万t。

图7 2020、2035和2050年3种情景下杭州市所有纯电动公交车生命周期内碳减排量和年均碳减排量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

根据以上碳排放模拟结果,研究发现纯电动公交车生命周期碳减排效益与新煤电技术的运用和杭州市电力能源结构紧密相关,清洁煤电和良好电力能源结构将使2020、2035和2050年车辆碳排放量减少25.27%—63.11%,不同的电源情景碳减排模拟结果相比施晓清等[67]认为的57%—81.2%略低,两者的差异主要由研究的车型不同(公交车和出租车)和电力结构(杭州市和北京市)造成的,质量相对较轻的出租车油改电碳减排效益更显著,不同城市的电力结构也会对碳减排效益产生影响。Arar[14]和欧训民[33]模拟的2020年碳减排率分别为36%和40.83%,均在本文2020年3种模拟情景下的碳减排率25.27%—52.27%之间,这表明本文模拟结果具有较强可信度。至于模拟结果差异,前者主要是中美两国在电力能源结构和清洁能源政策等上的差异,而后者主要是采取的模型和数据更新等导致的差异。2017年末,杭州市电力本地生产约占20%(其中煤电、天然气电、核电和其他能源分别占比21%、53%、22%和4%)[44],外地调入约占80%(其中煤电、水电、核电和其他能源分别占比71.60%、19.71%、3.56%和5.13%)[45]。虽然发电能源结构中煤电占比较低,产生碳排量有限,但调入电力的能源结构由调出地电力能源结构决定,电力主要调入地如安徽和宁夏的电力碳排因子相对较高,发电能源结构中煤电占比较高且煤电技术落后,优化以煤电为主的发电结构和采用IGCC等新煤电技术将对杭州市公交车油改电产生显著碳减排效益。最后,当前关于电动公交车的节能减排研究仍存在一定的不足,其环境效益研究尚不够系统化,定量的研究较少,尤其是节能减排政策对电动公交车推广的环境效应的定量研究比较缺乏,对其背后的社会、经济和环境驱动因素和驱动机理认识更是知之甚少。因此未来此方面研究应着重于：(1)开展基于中国国情的电动公交车生命周期社会经济反馈研究。城市公交车油改电进程不仅仅只是科学层面的问题,还涉及到社会反响、多元化融资渠道等方面;(2)从系统化的角度、综合交叉学科的方法、选取量化指标着重分析节能减排政策的作用效应和机理,以便为节能减排政策的顶层设计、实施方案、效果评估以及政策修订和出台新政策提供科学依据。

3 结论

(1)杭州市单辆纯电动公交车相比柴油公交车在全生命周期尺度碳减排有明显优势,其产生的巨大碳排差距主要来自燃料周期(电力与柴油生产到消耗过程差异),而动力电池生产技术和精细回收再利用能力的提升也将是增加未来纯电动公交车碳减排效益的关键之一。此外新建充电站和换电站额外增加的碳排量相对有限,加快杭州市充电桩等配套设施建设有助于尽快实现碳减排。

(2)在杭州市油改电进程中,碳减排效益需在纯电动公交车运行一定年限后才能显现,但基本在车辆生命周期的中前期便可达到目的,结合当前杭州市在营运的纯电动公交车生命周期内碳减排总量及年均碳减排量,碳减排潜力较为可观。充电桩的高效空间配置和城市交通环境的优化有助于减少消耗,增加碳减排效益。

(3)纯电动公交车生命周期碳减排效益与新煤电技术运用和城市电力能源结构紧密相关,清洁煤电和良好电力能源结构将使2020—2050年车辆碳排放量显著减少,优化以煤电为主的发电结构和采用IGCC等新煤电技术将对杭州市公交车油改电产生显著碳减排效益。